轻小型高质量红外成像系统在空间遥感、自动驾驶和精确制导等领域具有迫切的应用需求。近年来，结合先进图像处理算法的单透镜计算成像技术为实现系统轻小型化与高成像质量提供了新的解决方案。然而，传统图像处理算法复杂度较高，在边缘计算端的实时重建与输出方面面临显著挑战，这成为制约计算成像技术实际应用的关键瓶颈。
鉴于此，来自同济大学精密光学工程技术研究所王占山和程鑫彬团队提出了一种基于光学传递函数一致性约束的单透镜计算成像系统设计方法。该方法采用分阶段优化策略：首先通过分孔径优化技术实现单透镜初始结构参数的设计，随后引入系统MTF一致性控制方法，进一步优化单透镜结构参数，最终实现高MTF一致性的光学系统设计。该方法成功应用于红外单透镜计算成像系统，实现了640×480分辨率的实时高质量成像，在RK3588 NPU边缘芯片上达到了25fps的实时视频输出性能，且全视场奈奎斯特频率处MTF优于0.42。该研究成果以“光学传递函数一致性约束助力单透镜计算成像系统实时高质量成像（Real-time high-quality single-lens computational imaging via enhancing lens modulation transfer function consistency）”为题发表于物体与天体物理二区TOP期刊《OpticsExpress》。
为了降低图像处理算法的复杂度，研究团队从单透镜设计的角度出发，深入探究了图像处理算法复杂度与光学系统MTF之间的内在关系。研究发现，低复杂度图像处理算法需要光学系统在各视场下具有高度一致的MTF特性，如图1所示。
图1.图像处理算法复杂度与单透镜MTF特性关联性分析结果。（a）高MTF一致性系统与低MTF一致性系统中，图像复原前后平均PSNR随算法复杂度的变化关系对比；（b）高MTF一致性系统在全视场范围内的MTF分布曲线；（c）低MTF一致性系统在全视场范围内的MTF分布曲线。
基于这一重要发现，研究团队创新性地提出了一种基于光学传递函数一致性约束的单透镜计算成像系统设计方法。如图2所示，该方法采用分阶段优化策略：首先通过分孔径优化技术实现单透镜初始结构参数的设计，随后引入系统MTF一致性控制方法，对单透镜结构参数进行进一步优化，最终实现高MTF一致性的光学系统设计。这一方法有效解决了单透镜系统MTF一致性问题。
图2.基于光学传递函数一致性约束的单透镜计算成像系统设计方法框架。
基于这一设计方法，研究团队成功完成了红外单透镜成像系统的设计、装校与性能表征。如图3所示，样机实物图展示了系统的紧凑结构，MTF曲线实测结果与理论设计值高度吻合，且各视场一致性良好，充分验证了该设计方法的有效性。
图3.红外单透镜成像系统样机。（a）样机实物图；（b）不同视场设计与实测MTF对比图。
在成像性能方面，系统重建后在奈奎斯特频率处的MTF值优于0.42，如图4所示，展现出卓越的成像性能。特别值得一提的是，研究团队成功将图像处理算法部署于RK3588 NPU芯片，实现了25fps的实时视频输出能力，如图5所示。该样机的成功研制不仅验证了所提设计方法的有效性，也为轻小型红外成像系统的实际应用提供了可靠的技术支撑。
图4.样机成像性能。（a）奈奎斯特频率处MTF实测结果；（b）室外场景实拍结果。
图5.样机实时成像结果。
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，学院博士研究生邢裕杰和助理教授王绪泉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同济大学物理科学与工程学院王占山教授、程鑫彬教授、助理教授余俊、硕士研究生黄文翰等。
论文链接：
Yujie Xing, Xuquan Wang, Xiong Dun, Jian Zhang, Jun Yu, Wenhan Huang, Zhanshan Wang, and Xinbin Cheng, "Real-time high-quality single-lens computational imaging via enhancing lens modulation transfer function consistency," Opt. Express 33, 5179-5190 (2025)
https://doi.org/10.1364/OE.552050
