近日，同济大学精密光学工程技术研究所王占山和程鑫彬团队的顿雄特聘研究员与香港大学彭祎帆助理教授合作提出了大口径衍射消色差计算成像系统的混合设计方案，实现了25mm口径衍射消色差计算成像系统的设计，研究成果以“实现大口径衍射消色差计算成像系统的混合设计方案（Hybrid design scheme for enabling large-aperture diffractive achromat imaging）”为题，发表于《OpticsExpress》。
轻薄光学相机在当代学术界和工业界都有迫切的需求。但是传统的折射光学由于体积大，在开发轻薄光学相机方面遇到了很大的障碍。衍射透镜和超透镜利用平面微/纳米结构降低了光学元件的形状因子，为轻薄光学相机的发展带来了前景。不幸的是，这类光学元件受天然色散限制，遭受巨大色差。近年来，通过计算成像技术引入到这类系统中，有望在全可见波段实现全彩的成像，这便是所谓的消色差计算成像系统。然而，目前设计高质量的大口径消色差计算成像系统仍然是一项具有挑战性的任务。主要因为现有的顺序方法在设计好的衍射光学元件的后设计图像后处理算法，无法实现两者匹配；而以图像质量为导向的端到端设计在前端光学成像仿真和后端算法恢复都具有很高的计算复杂度，随着口径增大，所需计算资源超出计算机显卡内存上限，限制了大孔径消色差计算成像系统的设计。
王占山和程鑫彬团队的顿雄特聘研究员联合香港大学彭祎帆助理教授提出了一种混合设计方案，首先采用最简单的图像恢复算法—Wiener滤波对衍射光学元件进行端到端优化设计，待衍射光学元件设计完成后，应用复杂网络微调算法进一步提升图像质量。如图1所示，这种混合设计方案不仅将内存需求降低了50%，而且因为减少了优化变量的数量，可以实现了比传统端到端设计方法更好的成像效果。
图1、混合设计方案和传统端到端设计方法优化性能对比
基于提出的混合设计方案，完成了25mm口径的衍射消色差计算成像系统设计。如图2所示，该计算成像相机在400-700nm可见光谱段实现了33.52dB平均峰值信噪比（PSNR）和0.926平均结构相似性（SSIM）的高质量成像效果。目前，该系统是使用端到端设计架构在可见光谱中设计的最大口径的衍射消色差计算成像系统。
图2、25mm口径衍射消色差计算成像系统
此外，基于该混合设计方案，该工作还发现了两个重要的见解。首先，焦效率与图像质量之间不存在稳健的线性相关关系，这意味着仅仅依靠聚焦效率来优化衍射光学元件是不够可靠，需要联合优化衍射光学元件和后端处理算法。其次，该工作通过总结了一个衍射消色差计算成像系统最终的PSNR和SSIM预测公式，根据衍射光学元件的口径、F数、结构最大高度便可以预测最终成像的PSNR和SSIM，这将为后续研究者设计所需的衍射消色差计算成像系统提供了有价值的参考。
同济大学物理科学与工程学院顿雄特聘研究员为论文通讯作者，学院博士研究生张健和赵紫昱为论文共同第一作者。对论文具有突出贡献的合作者还包括香港大学彭祎帆助理教授，同济大学物理科学与工程学院王占山教授、程鑫彬教授、焦宏飞教授、博士研究生范泽郢等。
论文链接：
Jian Zhang, Ziyu Zhao, Zeying Fan, Hongfei Jiao, Zhanshan Wang, Xinbin Cheng, Yifan Peng, and Xiong Dun, "Hybrid design scheme for enabling large-aperture diffractive achromat imaging," Opt. Express 32, 28402-28412 (2024).https://doi.org/10.1364/OE.525558
