简单光学成像技术及其研究进展

计算成像为光学成像系统提供了更强大的信息获取能力, 通过在成像链路中引入编解码过程, 在增大信息量的同时降低系统的复杂度, 为实现更简单和更智能的成像系统奠定了基础. 本文总结了以计算成像为基础的简单光学成像技术的发展. 简单光学以小型化和集成化的成像元件与系统为目标, 将光学系统设计与图像处理算法进行联合优化, 在小尺寸、低质量和低功耗的系统中实现与复杂光学系统相媲美的成像效果. 随着微纳加工技术的发展, 简单光学元件从单透镜或少片透镜逐渐发展到衍射光学元件、二元光学元件和超构表面等平板光学元件. 复原算法中总结了正向求解算法、基于模型的优化迭代算法和深度学习人工智能算法. 本文介绍了深度成像、高分辨与超分辨成像、大视场和大景深成像等技术, 以及简单光学在消费电子、自动驾驶、机器视觉、安防监控和元宇宙等领域发挥的作用, 并对未来的发展进行展望.

简单光学成像以计算成像为基础, 具有与复杂光学系统相媲美的成像潜力. 一方面, 在提供相同信息量的同时进一步减小了成像系统的尺寸、重量和功耗; 另一方面, 通过引入编码和解码的方式提升了光场信息获取的维度、尺度和分辨率. 简单光学系统有效地解决了传统成像系统中调制能力受限、探测能力受限、重建能力不足等问题, 尤其在尺寸受限的应用场景中发展前景广阔. 此外, 简单光学系统可以通过拼接的方式实现大面积集成, 还可以与柔性电子相结合, 实现各种尺度、各种表面形貌上的高质量成像.

简单光学成像的发展离不开光场调制器件、光学设计软件、图像传感器、复原算法和人工智能等领域的飞速发展, 但同时也存在诸多需要解决的问题和挑战. 为了进一步提升光场调制能力, 光学元件的特征尺寸越来越小, 结构越来越精密, 这对光学元件的加工精度提出了更高的要求. 光刻技术、电子束光刻技术、飞秒激光直写技术、纳米压印技术等微纳加工工艺的发展为光学元件制造提供了有利条件. 光刻技术中光源的波长决定了加工精度, 极紫外光刻技术和超衍射光刻技术是当前需要攻克的关键技术. 电子束光刻技术的分辨率很高且无需掩膜板, 但直写速度较慢、产率低、成本高, 不利于大规模批量生产. 飞秒激光直写技术的优点是能够直写三维结构、可加工材料丰富、成本低, 然而制作周期较长. 纳米压印技术的优点是工艺简单、成本低、周期短、分辨率高, 适合大规模批量生产, 但是其加工过程所需的掩膜制作费用高昂且寿命有限. 随着加工工艺的不断改进和提升, 有望降低大尺寸、高精度光学元件的制作成本.

文章来源：睐芯科技Lightsense

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