【光学资讯】突破衍射极限：实时动态远场超分辨成像技术

    光学成像过程通常涉及点对点映射，其中光学系统的分辨率受限于光的衍射特性，即瑞利-阿贝物理衍射极限。光学系统的衍射极限与探测光波的波长及成像系统的孔径尺寸紧密相关。传统上，提升光学成像系统的分辨率主要依赖于增加系统孔径，然而，这种方法因加工成本与孔径尺寸的2.76次方成正比而存在技术瓶颈。合成孔径技术通过系列小孔径实现等效大孔径的分辨能力，但基于镜面拼接的光学合成孔径技术对相位误差控制要求极高，增加了系统的复杂性和稳定性要求。

    傅里叶叠层显微成像技术（FPM）是一种大视场高分辨定量相位计算显微成像技术，能够利用非干涉方法同时实现相位恢复与孔径合成。莱斯大学的Holloway等将FPM技术拓展至远场，实现了对粗糙表面物体的合成孔径远场成像，将目标分辨率提升了六倍。然而，该技术在动态目标和场景的实时成像方面仍面临挑战，主要原因是远场探测中通常采用基于孔径扫描的傅里叶叠层成像技术，这降低了时间分辨率。

    南京理工大学的陈钱、左超教授课题组与康涅狄格大学郑国安教授课题组联合提出了一种基于相机阵列与波长照明复用的远场合成孔径成像技术（IMSS-SAI）。该技术利用相机阵列实现了实时、高质量的动态远场超分辨成像，分辨率提升至单孔径衍射极限的四倍。相关研究成果发表在《Advanced Imaging》2024年第1期。

    研究团队采用R/G/B三波长混合照明和5×5相机阵列并行采样，通过优化排布与方向调整，将探测目标定位于相机视场中心，避免了图像配准问题。通过记录不同子孔径的图像，获取不同位置的频谱信息，扩展了单个子孔径图像记录的频谱范围，从而提升了成像系统的衍射极限。

    为解决子孔径图像间冗余信息不足的问题，研究人员通过R/G/B三波长相干光对目标进行照明，并建立了复用波长在频谱域中的偏移分布模型，使单个子孔径内不同波长照明目标图像的频谱信息产生交叠。结合改进的相干态多路复用傅里叶叠层算法，实现了单次曝光下的高效合成孔径探测。

    实验验证表明，IMSS-SAI技术能够实现相对于子孔径图像的四倍分辨率提升，并有效缓解了目标粗糙表面引起的散斑噪声影响。此外，该技术能够在单次曝光下实现合成孔径远场探测，对动态场景及动态目标进行实时合成孔径远场成像，为远距离动态目标的高分辨成像与探测提供了新的可能性。

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