同济大学在衍射光学元件实现轻薄计算成像取得进展

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光学成像系统已普遍地应用于我们生活的各个方面,从安防监控到主动驾驶,从手机摄影到比来的疫情防控,光学成像系统都是个中的焦点部件。当前光学成像系统都基于折射光学元件构建,为了实现高机能成像,平日需要复杂的光学镜头,导致系统长度长、重量重。例如今朝手机相机的光学镜头,因其长度难以缩小而凸出于手机后壳。衍射光学元件(DOE)具有的平面化、轻薄、轴外像差小等特征,与进步的较量成像手艺相连系,有望实现平面化成像系统,在包管成像机能的情形下,显著地缩小系统的长度和重量。


图1.传统光学系统和基于衍射光学元件的平面化光学系统


为了衍射光学元件与较量成像高效连系,实现轻薄高机能成像系统,将衍射光学元件和图像处理算法端到端协同设计必弗成少。但今朝还无法实现端到端协同设计实用化尺寸的衍射光学元件。首要原因在于端到端设计框架内存资源消费极大,例如设计31个波长,口径8mm的DOE,其内存需求高达20GB,远超今朝商用GPU显存巨细。针对该焦点问题,同济大学周详光学工程研究所的顿雄博士,提出了基于齐心圆环分化的成像模型较量降维理念,并进一步连系能量正则化,成功地将端到端设计框架的内存需求降低了一个数量级。这使得研究团队首次实现了端到端设计8mm口径、31个消色差波长的衍射光学元件。实际成像结果验证了其优异的成像机能。镜头有效微构造厚度仅2微米,其实际厚度仅取决于构造所采用基底厚度,理论上能够薄至数百微米。该设计方式为基于衍射光学元件的轻薄较量成像系统成长摊平了道路,有望将轻量化便携式较量摄影引入全新时代。


图2.衍射光学元件与深度进修处理算法端到端协同设计


图3.基于齐心圆环分化的较量降维理念


图4.实际成像例子展示(像素3000×2000)


相关研究功效以“Learned rotationally symmetric diffractive achromat for full-spectrum computational imaging”为题,于7月31在线揭橥于光学范畴顶级期刊《Optica》。该功效为同济大学和斯坦福大学配合合作,同济大学顿雄博士为第一作者,同济大学程鑫彬传授和斯坦福大学Yifan Peng博士为配合通信作者,另外合作者包罗同济大学王占山传授,斯坦福大学Gordon Wetzstein传授和HayatoIkoma博士生。相关研究工作获得了国度天然科学基金卓越青年基金项目的支撑。


相关链接:https://doi.org/10.1364/OPTICA.394413


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