Optica | 扩散器实现多波前并行感知
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题目： Multiplexed wavefront sensing with a thin diffuser
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期刊： Optica
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DOI：10.1364/OPTICA.500780
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关键词：薄扩散器多路复用波前传感（thin-diffuser multiplexed wavefront sensing）
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单位：索邦大学（Sorbonne Université），法国国家科学研究中心（Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS），法国国家健康与医学研究院（Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale, INSERM），视觉研究所（Institut de la Vision），巴黎西岱大学（Université Paris Cité），巴黎圣佩尔神经科学研究所（Saints-Pères Paris Institute for the Neurosciences），法兰西大学学院（Institut Universitaire de France, IUF）
主要内容
复杂介质中的折射率不均匀会引入空间变化的光学像差，导致天文观测、生物显微成像和眼科成像中的图像质量下降。Shack–Hartmann 波前传感器通常只能在单个等晕区内测量和校正像差，难以在宽视场或多层散射介质中实现同步像差表征。该工作提出一种基于薄扩散器的单次曝光多路复用波前传感方法，将薄扩散器作为随机相位 Hartmann 掩模，利用不同散斑区域之间的统计正交性和薄扩散器的大角度记忆效应，把来自多个入射角或多个荧光导星的波前编码到同一幅散斑图像中。通过全局与局部互相关、数字图像相关算法和二维积分，能够从一张相机图像中分离并重建多个等晕区对应的相位梯度和波前。实验在宽场荧光显微系统中完成，结果表明该方法可同时测量三个及五个导星对应的像差波前，并与逐个导星顺序测量结果保持较好一致，Zernike 模式比较中的重建误差达到小于 0.03λ 的水平。进一步结合分区点扩散函数估计和 Richardson–Lucy 反卷积，该方法可在多个等晕区内校正空间变化像差，扩展有效校正视场。该工作为自适应光学、宽视场显微成像和衍射光学层析成像提供了一种低复杂度、单次曝光、多角度波前测量思路。
当光穿过大气、组织或其他复杂介质时，不同位置的光线会被扭曲得不一样，因此只测一个方向往往只能修正一小块区域，离开这块区域后图像仍然模糊。该工作提出的办法是把扩散器放到波前传感系统中，让不同方向来的光都形成独特的散斑。虽然多个散斑会叠在同一张相机照片里，但由于每个散斑区域的随机图案不同，可以通过计算方法把它们重新区分出来。这样，一次拍照就能同时知道多个位置的光线分别被怎样扭曲。随后，系统可根据不同区域的波前信息分别进行图像反卷积校正，使更大视场范围内的显微图像变清晰。这个思路的重要性在于，它把原本需要多次扫描或多个传感器完成的任务，简化为单次曝光和扩散器，有利于未来处理运动样品、动态像差和宽视场成像问题。
创新点
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薄扩散器复用波前
该工作将薄扩散器引入多波前并行测量，把其作为随机相位 Hartmann 掩模使用。不同于微透镜阵列产生周期性焦点阵列，薄扩散器产生的散斑图案具有随机性和唯一性，可为不同入射角波前提供可区分的编码特征。这样可缓解传统 Shack–Hartmann 多导星测量中容易出现的斑点混叠和匹配歧义问题。该策略使多个等晕区的波前信息能够被压缩到同一幅散斑图像中。
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单次曝光多角测量
该方法面向多个传播方向的波前同步测量，而不是依次扫描导星或逐个切换孔径掩模。来自多个荧光导星的波前在传感器上形成非相干叠加的散斑图案，通过与参考散斑图案进行互相关即可识别不同导星对应的峰值位置。峰值位置反映全局倾斜，局部散斑位移进一步给出相位梯度。该设计直接针对动态像差或时间变化介质中的测量需求，避免顺序采集带来的时间延迟。
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散斑正交分离机制
该工作利用不同散斑区域之间的统计正交性，将多个波前对应的局部散斑位移从混合图像中分离出来。局部宏像素与完整参考散斑图案做互相关后，不同波前会表现为多个可分辨相关峰。每个相关峰的位置可用于估计相应波前的局部位移矢量，进而恢复相位梯度图。与依赖规则阵列位置匹配的传统方法相比，该机制更适合处理多角度、多导星条件下的编码归属问题。
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迭代DIC提高精度
针对多波前叠加导致散斑对比度随数量增加而下降的问题，该工作提出迭代数字图像相关处理策略。该策略先粗略估计各导星的强度和位移，再从混合散斑图中逐步扣除其他导星的贡献，从而提高目标散斑分量的对比度。该过程可重复进行，相当于逐步减小混合散斑重构残差。文中指出该方法可在保持较小相位像素尺寸的同时改善重建精度，并在补充实验中展示了对更多波前数量的扩展潜力。
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扩展等晕校正视场
该工作验证了多波前测量，将测得的多个波前用于空间变化像差的图像校正。对于单个导星测得的点扩散函数，反卷积校正主要在该导星附近的等晕区有效，远离该区域后分辨率会明显下降。该方法通过单次曝光获得五个等晕区的波前，并为每个区域估计对应点扩散函数，再进行分区反卷积和图像拼接。结果显示，相比单一波前校正，多波前校正在更大视场内改善了图像对比度和分辨率。
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系统复杂度较低
该方法用一个薄扩散器和相机实现多角度波前传感，避免使用多个波前传感器或复杂的多共轭自适应光学硬件。与多共轭自适应光学中需要多路传感和多平面校正的系统相比，该方案在结构上更简洁。其代价主要体现在散斑能量分散、低光条件下信噪比下降以及当前计算速度仍需优化。总体而言，该工作提供了一种有望在显微成像、眼科成像和天文自适应光学中进一步发展的轻量化波前测量框架。
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