你曾幻想过看穿万物吗？今天，散射成像让它触手可及！
想象一下，如果有人说他能透视毛玻璃，你会不会觉得天方夜谭？但这不是科幻，而是科学前沿！散射成像正将“隔墙观物”的梦想照进现实。
事实证明，那并非疯话！这背后是两大核心技术：透过散射介质成像与非视域成像。让我们一起探索散射成像的奥秘。
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无处不在的散射
散射，光学中既令人头疼又不可或缺的现象。从蓝天红霞到激光光束，它塑造了我们的视觉世界。
夕阳中的光散射
我们常试图抑制散射，比如在光学系统中消除杂散光。但散射也有妙用，如丁达尔效应让我们目睹光束路径。
丁达尔效应
没有散射，激光在真空中将隐形无踪。散射不仅是障碍，更是成像的新钥匙。
空气中颗粒对激光的散射
散射成像的核心在于光场调控。没有它，现代散射成像无从谈起。
2
从散射重聚焦到成像突破
透过散射介质的聚焦过程
2007年，荷兰科学家A.P.Mosk的论文开启了光场调控新纪元。2010年，他利用散射突破衍射极限10倍，震惊学界。
散射成像基于时间反演原理。但光探测丢失相位，因此相位恢复成为核心技术。
一个散斑的诞生
数学上，散射介质可用传输矩阵描述。获得其共轭，就能实现聚焦与成像。但测量复杂，仅适用于静态介质。
散射成像的传输矩阵解释
动态介质如云雾挑战巨大。2016年，Sylvian Gigan团队用高速MEMS和FPGA实现了生物组织中传输矩阵的实时测量。
更简捷的方法随之出现。光学记忆效应让散射自相关成像成为可能。2012年，Jacopo Bertolotti利用角向光学记忆效应，实现了非侵入成像。
扫描散斑相关成像（Nature, 2012, 491(7423)）
记忆效应揭示了散射中的不变量，如散斑的空间关联性。这为成像提供了线性模型基础。
散射介质的角向光学记忆效应
2014年，Ori Katz和Sylvian Gigan实现单帧散斑成像，迈入实时时代。
基于单帧散斑的非侵入散射成像(Nature photonics, 2014, 8(10): 784-790)
散斑自相关成像将问题转化为相位恢复。数学家的加入，让这一领域蓬勃发展。
散斑相关成像流程
相位恢复算法如Gerchberg-Saxton方法，成为重建关键。
相位恢复过程
3
散射成像的无限可能
单帧散斑自相关技术引爆研究热潮。散射成像正从实验室走向多样场景。
散斑具有光谱敏感性和全息特性，为高维应用铺路。
散射介质的光谱响应
光谱敏感性虽限制宽谱光源，却催生了皮米级高精度光谱仪。
散斑“全息”特性
全息特性支持三维成像与超分辨突破。散射介质甚至可调制结构光，开启新维度。
高阶相关与双谱分析，能提取傅里叶相位，实现彩色成像与目标定向。
双谱分析方法再现(Optics Letters, 41(21), 2016; Optics and Lasers in Engineering, 124, 2020,)
单帧散斑点扩散函数估计，保持了高时间分辨率。
单帧非侵入散射PSF估计（Optics Letters, 2020, 45(19)）
超越光学记忆效应限制，矩阵分解技术实现宽视场成像。独立成分分析分离混合散斑，非负矩阵分解应对连续目标。
宽视场多目标散射成像（Optics Letters, 2020, 45(10)）
计算照明搭建高维桥梁，非侵入式宽视场成像成为里程碑。
非侵入式宽视场复杂目标成像（Nature Communications, 2022, 13(1)）
强干扰环境下，泽尼克多项式拟合与低秩稀疏分解提升信噪比，外场实验验证有效。
强干扰环境下的散射成像（Optics Letters, 2021, 46(18)）
反射式非视域成像已实现公里级探测与毫米级分辨，步入实用前沿。
远距离非视域成像结果（PNAS, 2021, 118(10).）
高精度非视域成像结果（Phys. Rev. Lett, 2021, 127(5): 053602.）
4
散射成像的实与虚
散射成像真能穿云透雾、透视人体吗？梦想驱动进步，但需理性看待。
薄介质的光学记忆效应是基础，厚介质如云雾挑战巨大。毛玻璃等效透镜，非无镜成像。
透过散射介质的超分辨率成像（Phys. Rev. Lett 106, 193905 (2011)）
彩色成像多靠多光源合成，复杂场景重建仍受限。深度学习依赖数据，物理解释尚浅。
利用散斑互相关以及缩放比信息实现对隐藏目标的三维跟踪(Applied Optics, 2018, 57(4): 905-913.)
5
散射成像的未来之路
散射是复杂的光场调制器。未来，人工散射介质与高维调控将开辟新天地。
自适应光学成像技术及结果
自适应光学通过波前矫正，提升天文与生物成像质量。但动态散射介质仍需更快的光场测量与调制技术。
散斑机理在动态介质中仍需探索。攻克厚介质散射，穿云透雾、水下远距成像将不再遥远。
当你沉浸于光场调控的奥秘，或许会遇见那位智慧老翁，笑言：“掌握散射光场，便是握住了视觉革命的钥匙！”
作者：邵晓鹏，二级教授，博士生导师，西安电子科技大学光电工程学院院长，及其研究团队
编辑 | 张新蕾
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原散射成像：又爱又恨的散射｜邵晓鹏专栏⑤
来源：中国激光杂志社
编辑：Garrett
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