计算光场自适应光学成像技术研究

摘要：计算光场自适应光学成像技术将目标和干扰的光场进行整体测量，再利用目标与干扰光场的四维光场信息分布特点，通过计算方法将其进行有效地区分、滤除，能在大视角范围内对干扰导致的目标光场波前畸变进行探测复原，并以计算方式自适应地补偿成像空间中的复杂波前像差扰动。与传统自适应光学成像方法相比，该方法具有较大的探测视场，可以直接以扩展目标作为信标进行波前信息解算。本文从传统自适应光学技术面临的挑战出发，简述了计算光场自适应光学成像技术的优势及发展现状，介绍了研究团队在计算光场自适应光学成像方面开展的主要工作。

关键词：自适应光学；计算成像；光场成像；光场相机

1.引言
传统自适应光学技术在天文观测、暗弱目标成像等领域已经取得巨大成功。但是随着应用领域的不断拓展，在更加复杂苛刻的成像环境下，自适应光学面临诸多挑战，主要来自以下两个方面：

1) 大视场问题。由于受到等晕区的限制，传统自适应光学系统只能在一个较小的视场内进行高精度成像。为了能在更大的视场范围内获得清晰的扩展目标成像，研究人员提出了多层共轭自适应光学 (multi-conjugate adaptive optics，MCAO)。该方法虽然有效地扩大了等晕区范围，但是增加了系统的复杂度和研制成本；

2) 复杂成像环境中的适用性问题。传统自适应光学是以光场波前像差为研究对象的校正系统，由于复杂成像环境中，光传输通道上可能存在障碍物对目标光场进行了调制，不仅使目标光场信息缺失，还可能使系统无法通过传统自适应光学方法以目标为信标获取波前畸变，进而对目标清晰成像。

计算光场自适应光学成像技术将光场成像系统应用于自适应光学波前探测领域，能够不受信标扩展性限制，同时具有大视场波前探测能力.通过一套光学系统、一次曝光来获取目标的光场信息，一次性获得多视角对应的波前畸变，具有结构简单、测量动态范围大、探测视场大的优点，同时绕开了传统大视场波前探测技术中多传感器采样同步性和均匀性难以保证的问题。开展计算光场自适应光学成像技术研究，探索大视场波前探测方法及复杂环境中的像清晰化方法，具有重要的研究意义和实用价值。

近年来，计算光场成像在自适应光学技术中的应用逐步受到关注，研究工作以波前相位探测为主。2003 年，新西兰的 Clare和 Lane提出将夏克-哈特曼波前传感器中的微透镜阵列替换到主透镜的焦面处来实现波前测量[1-2]，这实际上就是光场相机。光场相机不仅记录了光线的位置信息，同时也记录了光线的角度信息，因而可以从图像中提取光场信息，从而获得入射的畸变波前信息。同时，他们还指出四棱锥波前传感器是光场相机在微透镜阵列为 2×2 时的特殊情况，通过对四棱锥传感器[3-4]的斜率测量公式进行一般性总结得到了光场相机的波前斜率测量公式。2007年，西班牙 La Laguna 大学申请了一个光场相机用作波前传感器的专利——CAFADIS 相机[5]。CAFADIS相机的光学结构和波前重建原理与 Clare 的基本相同，CAFADIS 相机能够测量物体的深度信息。此外，CAFADIS相机利用傅里叶切片技术进行波前重构，采用 GPU 和 FPGA 进行并行计算，大大加快了波前重构的速度，使之能满足实时探测波前畸变的要求[6]。

2009年，Rodriguez-Ramos等人搭建了实验系统，分别以照明的十字架和太阳微粒组织照片为信标进行了波前探测，得到了子孔径图像[7]，但他们并未进行子孔径的质心测量和波前重构，也没有进行波前探测精度分析。由于 CAFADIS 相机可以同时获得来自各个方向的波前信息，能够提取出大气湍流的层析波前信息，欧洲太阳望远镜(european solar telescope，EST) 拟将 CAFADIS相机作为波前传感器备选方案[8]。2010 年，Rodriguez-Ramos等人研究了光场相机对大气湍流的波前层析探测能力。利用 CAOS系统建立了一个多层共轭自适应光学(MCAO)系统，包含 6层湍流、5个激光导星(1个轴内，4个轴外)，仅用一个光场相机就可以代替多个波前传感器完成测量波前的任务[9]。 2012 年，Rodriguez-Ramos 等将光场相机安装到实际望远镜(OGS，口径 1 m，焦距 38.95 m)上，以点星(Vega) 和扩展目标月球表面为信标进行了波前探测，得到了两者的子孔径图像，并对点星所测子孔径图像进行了波前重构，结果表明，CAFADIS相机测量到的波前畸变符合大气湍流 Kolmogrov 谱[10]。

2014年，西班牙 La Laguna大学的 Trujillo-Sevilla 等利用光场相机测量出畸变波前，然后利用测量得到的波前信息进行解卷积[11]，实现高分辨率重建。除了 La Laguna大学的研究组外，美国 Maryland 大学的 Wu 等于 2015年对光场相机传感器进行了改造，他们将光场相机中微透镜阵列的位置变换到主透镜与微透镜焦距之和的距离处，指出改造后的光场相机可以探测畸变严重的入射波前[12]。此外，美国 Nanohmics 公司为了给军事飞机或无人机空间侦察提供更高的成像质量，在 2014年研制了基于光场相机的自适应光学系统原型机。他们以分辨率标准板为信标，以光场相机为波前传感器，对简单的离焦畸变进行了探测和自适应补偿，得到了较好的结果，但没有在实际湍流测量中得到验证，且没有报道具体的波前探测方法。

国内对计算光场自适应光学成像的研究相对较少，主要集中在光场相机自由空间成像领域。在光场相机波前探测技术方面，中科院张锐[13]等以点源为信标对光场相机的波前探测能力进行了初步仿真验证；国防科技大学的许杰平、蒋鹏志等[14]对光场相机的波前探测精度进行了仿真分析。本文将介绍国防科技大学许晓军研究团队在计算光场自适应光学成像方面开展的主要工作，简述计算光场自适应光学成像清晰化理论方法，并给出仿真和实验研究结果。

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图1.计算光场清晰成像系统

图2.加载的波前畸变。（a）离焦；（b）低阶混合像差

图3.传统相机模糊图像。（a）离焦；（b）低阶混合像差

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