使用编码相位光阑实现扩展与工程化视场的单次非相干成像

为何一次成像看得更广很重要

从智能手机相机到望远镜，我们经常面临同样的权衡：放大以看清细节会牺牲画面能包含的场景范围。增大传感器尺寸既昂贵，又与追求更薄、更轻设备的趋势相冲突。本文提出了一种“曲解规则”的方法，使相机在保持高倍放大的同时，能够通过数字手段在单次曝光中扩展其可见场景的范围。

一种拉伸画幅的新方式

作者不是改变镜头或传感器，而是重塑光在到达探测器前的编码方式。他们在普通镜头系统中插入了一种称为编码相位掩（CPM）的特殊玻璃状元件。CPM自身并不形成图像，而是以精心设计的方式扰动光，使本来会落在传感器外的场景区域的信息被重定向到传感器区域。随后计算机会利用这种编码信号重建出扩展的原始场景视图。

把隐藏区域变成点状线索

CPM由多个不同的相位模式复用而成，每种模式对应物平面上的一个不同区域。当某一区域内的微小光点通过其对应的模式时，会在相机上产生独特的亮点“星座”——即它的点扩散函数。来自其他区域的点会产生不同且彼此几乎不重叠的星座。关键在于，即便某个区域位于常规视场之外，其CPM模式仍会将光重定向，使其特征性点状图案出现在传感器区域内。因此，原始相机图像并不是可辨识的照片，而是编码整个扩展场景的稀疏点状图案的复合体。

用巧妙的数学解码场景

一旦捕获到这种点状图案，就可以通过反卷积来恢复图像——这是一种逆转光学引入的模糊与混叠的数学操作。记录到的物体响应图案会在数字上被填充（padding）并与对应的一组点扩散函数一起处理，每个场景区域有一个点扩散函数。通过适当平移并组合这些响应函数，算法能在它们的真实位置（或甚至按新的选定布局）重建所有区域。由此，视场变成了一件可以“工程化”的事物：同一张单次曝光可以被重新组装，显示原始区域的不同排列或组合。

将方法付诸验证

研究者通过仿真和实验室试验验证了他们的想法。他们使用标准分辨率测试图作为物体，并用一个有意设置为过小以致在常规配置下无法同时看到所有物体的相机传感器。在置入编码相位掩后，他们记录了单次曝光并重建出清晰显示两个或三个独立物体的图像，这些物体在常规情况下会部分或完全超出画面。通过改变每种模式包含的亮点数量，他们使用熟悉的度量——信噪比、与参考图像的结构相似性以及均方误差——来优化图像质量。他们找到了在两物体和三物体实验中最佳平衡清晰度与背景噪声的特定点数。

对日常成像的意义

这项工作提供了比笨重的广角镜头、多相机阵列或需要多次曝光与长时间计算的方法不同的路径。这里只需一个紧凑的光学元件、一张曝光和相对简单的数字步骤，就能在保持原有放大与分辨率的同时产生扩展视野。挑战仍然存在，主要是不同区域的模式在重建时相互干扰产生的噪声，但作者也提出了减少噪声的策略——例如时间复用掩码。长期来看，这种方法有望帮助紧凑相机、显微镜和轻量级望远镜在一次拍摄中看到更多世界而不放弃细节。

引用: Sure, S.D., Desai, J.P. & Rosen, J. Single-shot incoherent imaging with extended and engineered field of view using coded phase apertures. Sci Rep 16, 7620 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-33540-3

关键词: 视场, 计算成像, 编码光阑, 数字反卷积, 单次成像