基于壓縮感知的菲涅爾孔徑編碼無透鏡成像（特邀）

吳佳琛，曹良才

（清華大學(xué)精密儀器系精密測試技術(shù)及儀器國家重點實驗室，北京 100084）

0 引言

基于透鏡的成像系統(tǒng)通過設(shè)計光學(xué)鏡組，將物空間發(fā)出的光線會聚到像空間，由像感器直接記錄下物體的圖像。為了提高成像質(zhì)量，光學(xué)鏡組通常采用多片透鏡來校正像差，因此光學(xué)鏡組占據(jù)成像系統(tǒng)大部分體積和重量，限制了成像系統(tǒng)的小型化和輕量化。基于編碼掩膜的無透鏡成像將具有特定圖案的掩膜代替透鏡置入成像系統(tǒng)內(nèi)，入射光受到掩膜圖案的調(diào)制，在像感器上形成編碼圖像，最后通過算法從編碼圖像中恢復(fù)出原始圖像，相較于透鏡成像系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、易于構(gòu)建的特點。編碼掩膜無透鏡成像打破了物點到像點一一對應(yīng)的成像方式，將成像的重心由硬件轉(zhuǎn)移到算法上，并有可能進一步提取深度、波長等多維度的物體信息［1，2］。如何建立原始圖像與編碼圖像之間的聯(lián)系，并通過求解逆問題重建圖像則是編碼掩膜無透鏡成像中的關(guān)鍵問題。

早期編碼掩膜成像技術(shù)主要應(yīng)用于高能射線成像中，也稱為編碼孔徑成像。這是由于在高能射線波段中，各種材料的折射率都近似等于1，并有很高的吸收率，無法采用常規(guī)光學(xué)元件進行折射成像。而無需光學(xué)元件的小孔成像技術(shù)具有極低的通光量，需要長時間曝光才能獲取清晰圖像。1961 年，由MERTZ L 和YOUNG N 提出了波帶片編碼成像技術(shù)（Zone Plate Coded Imaging，ZPCI）［3］，用波帶片代替透鏡實現(xiàn)了編碼成像。1968 年，DICKE R［4］和ABLES J［5］對小孔成像原理進行拓展，分別獨立提出了用于X 射線和伽馬射線成像的隨機孔徑陣列。……