圖1 高動態(tài)范圍成像的復(fù)振幅超構(gòu)表面設(shè)計。 (a) 傳統(tǒng)單次拍攝雙圖像獲取方案。 (b) 本文提出的復(fù)振幅超構(gòu)透鏡，用于在單次曝光中獲得雙圖像。 (c) 圖(b)中超構(gòu)透鏡的振幅與相位分布。 (d) 構(gòu)建該復(fù)振幅超構(gòu)透鏡所用的單元結(jié)構(gòu)。 (e) 不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下的振幅與相位響應(yīng)。 (f) 圖(e)中白圈標記的所選結(jié)構(gòu)在復(fù)平面上的復(fù)振幅調(diào)制結(jié)果。

近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部、中國科學(xué)院空間激光信息傳輸與探測技術(shù)重點實驗室研究團隊，采用雙原子干涉的原理設(shè)計了具有復(fù)振幅響應(yīng)和偏振無關(guān)響應(yīng)的超表面，實現(xiàn)了穩(wěn)健且完整的復(fù)振幅調(diào)制，使用單層超表面替代傳統(tǒng)高動態(tài)范圍(HDR)系統(tǒng)中的多個組件。將超表面與普通相機集成，通過單幀測量獲取高曝光和低曝光兩幅圖像，進行圖像融合后可以實現(xiàn)動態(tài)范圍的擴展，實現(xiàn)了高達 17.5 dB 的動態(tài)范圍增強，幾乎不會增加系統(tǒng)的重量和占用空間，實驗結(jié)果驗證了該方案在實時 HDR 成像方面具有顯著潛力。相關(guān)成果以“Single-layer metasurface for snapshot high-dynamic-range imaging”為題，發(fā)表于Photonics Research。

由于探測器的動態(tài)范圍有限，成像系統(tǒng)在面對大強度變化的環(huán)境時，常常會遇到過曝或欠曝的問題，圖像中亮部和暗部的細節(jié)往往無法在單幀畫面中有效保留。這一問題在智能手機攝影、顯微成像、先進制造和自動駕駛等應(yīng)用中十分常見。在這些應(yīng)用場景中，開發(fā)實時HDR成像設(shè)備具有重要意義。常見且直接的解決方案是依次拍攝同一場景的多張不同曝光設(shè)置的照片，但這并不適用于視頻拍攝。多路徑成像系統(tǒng)對探測器的要求較低并能夠?qū)崿F(xiàn)實時成像，然而，基于這種方法的成像設(shè)備往往體積龐大。一些研究提出了特殊的 HDR 傳感器，這些傳感器對光具有獨特的響應(yīng)特性，但目前制造成本較高。

圖2 動態(tài)范圍增強的實驗結(jié)果。 (a) 實驗成像裝置，F(xiàn)I：濾光片，TL：管透鏡，Obj：物鏡， Meta：超透鏡。 (b) 系統(tǒng)捕獲的原始圖像。 (c) 圖像的真值。 (d, e) 從(b)中裁剪出的低強度和高強度圖像。 (f) 將(d)和(e)融合得到的圖像。 (g-i) 從(d-f)中虛線處提取的強度分布。所有圖像均以歸一化方式顯示。

研究團隊通過復(fù)振幅調(diào)控設(shè)計單層超表面，該超表面能夠集成傳統(tǒng) HDR 成像系統(tǒng)中多個分立元件的功能。得益于其對偏振不敏感的全空間振幅與相位調(diào)控機制，單層器件可在單次拍攝中獲得多張不同曝光水平的高保真圖像;經(jīng)融合處理后，圖像動態(tài)范圍得以有效擴展。采用強度比 10:1 的雙通道成像配置，理論上可將動態(tài)范圍提升 20 dB。實驗結(jié)果表明，所演示系統(tǒng)的動態(tài)范圍改善可達 17.5 dB 甚至更高。該設(shè)計在重量和體積上與常規(guī)單次成像系統(tǒng)相當，因而適用于監(jiān)控、工業(yè)制造及車載等對輕量化、超緊湊和實時 HDR 成像有需求的場景。

相關(guān)研究得到了國家自然科學(xué)基金、上海市學(xué)術(shù)帶頭人計劃以及上海市科技重大專項的支持。

審核編輯 黃宇