[论文解读] Non-invasive single-shot 3D imaging through a scattering layer using speckle interferometry

Atul S. Somkuwar, Bhargab Das+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2015

Advanced Optical Sensing Technologies参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文提出了一种通过不透明散射层实现非侵入式单次曝光3D成像的技术，采用散斑干涉测量法。通过利用散斑图案的统计特性及相位恢复算法，该方法在单次曝光中重建了多个深度平面的物体复振幅，实现了以往方法仅限于2D成像的3D成像突破。

ABSTRACT

Optical imaging through complex scattering media is one of the major technical challenges with important applications in many research fields, ranging from biomedical imaging, astronomical telescopy, and spatially multiplex optical communications. Although various approaches for imaging though turbid layer have been recently proposed, they had been limited to two-dimensional imaging. Here we propose and experimentally demonstrate an approach for three-dimensional single-shot imaging of objects hidden behind an opaque scattering layer. We demonstrate that under suitable conditions, it is possible to perform the 3D imaging to reconstruct the complex amplitude of objects situated at different depths.

研究动机与目标

• 克服现有成像技术在透过散射介质时仅限于2D成像的局限性。
• 实现在不侵入操作或多次采集的前提下，对隐藏在不透明高散射层后的物体进行3D成像。
• 开发一种单次曝光方法，通过散斑图案分析与相位恢复技术获取深度分辨信息。
• 实验验证从单次散斑强度测量中可重建不同深度处的复振幅。

提出的方法

• 该方法使用相干光源照射透过散射层隐藏的物体，在相机传感器上生成散斑图案。
• 散斑图案在单次曝光中被记录，同时捕获多个深度平面的强度信息。
• 应用相位恢复算法，重建物体在不同深度上的复振幅分布。
• 该技术利用散斑图案与物体相位之间的统计相关性，分离出深度相关的贡献。
• 重建过程通过迭代算法求解逆问题，从未知仅强度的数据中恢复振幅与相位。
• 通过包含已知测试物体置于扩散器（代表散射层）后的受控实验装置对方法进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否仅通过一次强度测量即可实现强散射介质中的3D成像？
• RQ2 是否可能从单个散斑图案中恢复出深度分辨的复振幅信息？
• RQ3 能否将散斑干涉测量扩展至超越传统2D限制的非侵入式3D成像？
• RQ4 此类单次曝光3D成像系统的深度分辨率与信噪比特性如何？

主要发现

• 该方法成功在单次光学曝光中重建了隐藏在散射层后的物体的3D复振幅分布。
• 该技术通过利用散斑图案的统计特性与相位恢复技术，实现了深度分辨成像。
• 实验结果清晰展示了不同深度处物体的重建，具有明显的对比度与空间保真度。
• 该方法可在无需事先了解散射介质特性或多次测量的情况下实现非侵入式成像。
• 该方法对噪声具有鲁棒性，在记录的散斑图案信噪比中等时仍能保持高质量的重建效果。