彩色透视光学成像技术取得进展

一般认为，光散射是降低或破坏光学成像质量以及限制光传输距离的主要因素。例如雾霾对光线的散射使得高速公路上能见度低下，给交通安全带来隐患；浓烟对光线的散射，给生死一线的火灾现场的逃生搜救带来重重困难；生物医学中，肿瘤病变隐藏在深层组织内部，不透光的生物组织给医学观察、诊断和治疗带来极大的挑战等等。如果我们能够克服甚至利用光的散射信息，那么这些困难都将迎刃而解。因此，人们一直期待拥有科幻电影中的 “透视眼”，能“看透”遮挡视线的障碍物，“看透”雾霾、“看透”肌肉、“看透”磨砂屏风、窗帘、衣服，甚至能让卫星探测器无所阻挡地侦查地下掩体工程。由于光透射成像技术在民用、医疗、国家安全等众多领域具有重要的科学意义与应用价值，这一领域的研究和探索近年来不断取得重要进展，已经成为光物理科学与应用领域重要而热门的研究课题。

散射过程表面看是杂乱无章，成像的信息被隐藏在混乱无序的散斑当中。1988年科学家发现薄散射体存在一种特殊的性质叫“记忆效应”。进一步的深入研究表明，物体O透过散射体在像平面上形成的散斑I可以近似表示为物体O与点扩散函数PSF（Point Spread Function）的卷积。点扩散函数PSF也称为系统的响应函数，它某种程度上包含了散射体自身的信息。所以在已知I和PSF的基础上，我们可以完全恢复出未知物体O的信息。在一定范围（记忆效应）内，点扩散函数实际上就是从混乱光影中解读原始图像的秘钥。

近期，中山大学周建英教授团队利用解卷积算法发展了逆向恢复成像的实验新技术。一般利用记忆效应实现的散射成像系统获得的光学视场很窄，成像过程犹如“管窥蠡测”。周建英教授团队采用独特的光学系统设计，充分利用具有高相关性的散射光散斑，实现了散射体记忆效应的最大化利用，从而大大扩展了光学系统的视场。同时引进显卡图像处理器进行维纳滤波，实现了毫秒量级的高质量成像恢复，真正实现了实时透射光学成像。进一步，该光学系统通过对多波长光场的分离、处理和复合，还实现对隐藏物体色彩信息的恢复，从而具有对隐藏物体的光谱“指纹”开展物质结构特性分析的能力，这在生物深层组织化学成分探测和分析将具有很大的应用潜力。下图展示了这项透视技术在实验室环境下彩色图像恢复和实时动态成像的实验结果。该研究进展发表在近期的Scientific Report杂志（http://www.nature.com/articles/srep32696）。

散射体透视成像技术的发展，使得原来认为毫无用处的散射光被重新挖掘和利用，对光场探索认知的方法也因此将得以扩展。例如，人们可以直接用光学方法透视检查人体体内病情；可以利用周围环境的漫反射使得监控摄像头不再存在物理“死角”。光学技术的发展将使得人们有望实现形如科幻超人的“透视眼”功能。然而，“透视”技术也将冲击生活的某些领域，例如个人隐私安全问题。由于光学成像技术的进步，用于保证隐私和采光需要的透光但不透明的建筑材料（如窗帘、毛玻璃、衣服等）将有可能变得毫无用处，个人私密空间信息有可能被人窥窃，秘密会议内容可能会被间谍监视等等。俗话所说的“没有不透风的墙”对光线同样成立。原则上只要有一丝散射光漏出，便有可能从中解调出有用的信息。因此该技术的发展使得监控和窥探的方法变得更加高明的同时，也对反监视和保密提出了新的问题。这时候，不仅要小心“隔墙有耳”，更要注意“隔墙有眼”了。然而，也需要指出的是，光场透视成像技术是在实验室条件下实现的，实际运用中它将面对更为复杂与苛刻的现实环境，所以该技术的广泛应用还需要克服诸多困难。就短期情况来看，该技术有望应用到生物与医学成像等诸多场合。

http://news2.sysu.edu.cn/news01/147497.htm

http://oemt.sysu.edu.cn/Item/1351.aspx