图书前言

导师序言

光学成像技术是一门历久弥新的技术。早在3000年前,古埃及人与美索不达米亚人就将石英晶体抛光制成宁路德透镜,用于聚焦日光和放大影像; 而200多年前摄影术的发明,使得人们可以方便地记录和保存影像。时至今日,从探索浩瀚宇宙到观测微观世界,光学成像技术对自然科学的发展起到了极大的推动作用,已成为拓展人类认知边界的重要手段。

尽管光学成像技术经过了漫长岁月的发展,但主流的成像系统架构却并没有发生大的改变,依然采用透镜组将物点映射至成像平面。为了兼顾成像质量,透镜组需要采用多个精心设计的镜片来降低各种像差,因此很难做到小巧轻薄。日常生活中一个常见的例子就是手机摄像头总是凸出手机背板,这种牺牲手机背面的整体平整度来换取成像性能的设计也常为人所诟病。近年来,随着光学工程、数学及计算机科学等学科的交叉融合,计算能力被引入传统光学成像系统中,不仅在结构上简化了光学系统的复杂度,而且在成像维度、尺度与分辨率上实现了质的突破。计算成像技术的产生给天文成像、显微成像、遥感成像、手机成像、汽车导航等领域带来了革命性的变化。

随着“十四五”规划的不断深入,集成光电子器件的发展受到国家相关部门的高度重视。国家自然科学基金委信息学部将智能光计算与存储器件、异质异构光电子集成技术、片上多维光电信息调控技术等方向作为“十四五”优先发展领域。2023年,阿里巴巴达摩院从产业的角度,将计算光学成像列为2023年引导与支撑我国科技和产业发展的十大科技趋势之一。由此可见,计算光学成像技术正处于快速发展的黄金时代。

基于编码掩模的非相干无透镜成像作为一种计算成像技术,以其结构轻薄、易于构建的特点受到研究人员的关注。该技术通过将特定图案的掩模置入成像系统内,对入射光进行调制,打破了场景到图像一一对应的采样形式,并且具备对多维信息的编解码能力,依托后端强大的计算能力,或将从根本上颠覆传统的透镜成像模式。

本书作者吴佳琛博士瞄准无透镜成像学术前沿,提出了单帧菲涅耳孔径编码成像无孪生像重建方法,构建了全变差正则化下的菲涅耳孔径编码成像重建模型,设计了基于交替方向乘子法的压缩重建算法,仅使用少量测量数据即可恢复清晰度良好的图像。针对衍射效应导致的图像重建模糊问题,提出了宽带光源照明下编码掩模成像系统的点扩散函数计算方法,采用该方法可生成高质量数据集,由此训练的神经网络不仅解决了衍射效应造成的模糊问题,也大幅提高了计算效率。这些创新的工作成果发表在Light: Science & Applications等高水平学术期刊上,为无透镜成像领域提供了宝贵的学术思想。

吴佳琛博士在学期间曾前往德国德累斯顿工业大学进行访学交流,将深度学习相关技术应用于无透镜光纤内窥镜成像中,消除了光纤束图像中蜂窝状伪像,实现了单帧光纤束图像的快速高分辨成像。访学期间,吴佳琛博士还与德累斯顿大学医院开展了合作研究,将提出的分辨率增强方法应用于肿瘤图像识别,有效提高了胶质母细胞瘤的识别率。可以预见在不久的将来,内窥镜能做到仅有头发丝般粗细,可大幅缓解病患手术中的不适感,并且在术中即可实现重大疾病的诊断,从而更好地造福于社会。

最后,预祝吴佳琛博士论文顺利出版,也祝愿吴佳琛博士在今后的科研道路上继续发扬刻苦钻研的科研精神,勇攀学术高峰。

是为序。

曹良才

2024年3月于清华园