[论文解读] Synthetic Wavelength Holography: An Extension of Gabor's Holographic Principle to Imaging with Scattered Wavefronts

Florian Willomitzer, Prasanna Rangarajan+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 24, 2019

Digital Holography and Microscopy参考文献 60被引用 8

一句话总结

本文提出了一种合成波长全息术，通过利用在两个紧密间隔的波长下记录的散斑图案中的光谱相关性，实现了在散射介质中重建高保真图像。通过计算结合这些散斑场，该技术合成了一个更长的有效波长，从而在波前严重畸变的情况下实现像差校正和衍射受限成像。

ABSTRACT

The presence of a scattering medium in the imaging path between an object and an observer is known to severely limit the visual acuity of the imaging system. We present an approach to circumvent the deleterious effects of scattering, by exploiting spectral correlations in scattered wavefronts. Our method draws inspiration from Gabor's attempts to improve the resolving power of electron microscopes by recording aberrated wavefronts at electron wavelengths, followed by aberration correction and playback at optical wavelengths. We extend the notion to scattered wavefronts, by interpreting the scattering of light as a source of randomized aberration. We compensate for these aberrations by mixing speckle fields recorded at two closely spaced optical wavelengths, and replaying the computationally assembled wavefront at a 'Synthetic Wavelength'. An attractive feature of our method is that it accommodates a wide variety of scattering mechanisms and operates at the physical limits of imaging in the presence of scatter. Moreover, our findings are applicable to other wave phenomena, opening up new avenues for imaging with scattered wavefronts.

研究动机与目标

• 解决散射介质导致光学成像系统中图像质量退化的问题。
• 将加博的全息原理——最初应用于通过波长缩放实现电子显微镜成像——扩展至具有散射波前的光学成像。
• 开发一种在存在散射的情况下仍能运行于成像物理极限的方法，无论散射机制如何。
• 在声学和射频波等更广泛的波现象中，实现对散射波前的成像，而不仅限于光学领域。

提出的方法

• 使用位于散射介质后的相机，记录在两个紧密间隔的光学波长下获得的散斑强度图案。
• 通过交叉相关其强度涨落，提取两个散斑场之间的光谱相关性。
• 利用两个波长之间的相位差，计算重建一个具有更长有效波长的合成波前。
• 应用反散射算法，校正散射介质引入的随机相位畸变。
• 在合成波长下重现重建的波前，以实现衍射受限的分辨率。
• 利用两个邻近波长下的散斑图案中包含的冗余相位信息，实现像差校正。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用两个紧密间隔波长下散斑图案的光谱相关性，重建因散射而退化的相干波前？
• RQ2 在强散射条件下，合成波长全息术在多大程度上可恢复图像分辨率，接近成像的物理极限？
• RQ3 该方法在光学以外的不同散射机制和波类型中具有多大程度的泛化能力？
• RQ4 该方法是否可在不事先知晓散射介质传递函数的情况下实现？
• RQ5 在使用合成波长重建方法时，可实现的分辨率和信噪比是多少？

主要发现

• 该方法即使在强而复杂的散射条件下，也能在通过散射介质成像时实现衍射受限的分辨率。
• 该技术运行于成像的物理极限，其理论界限已通过相位估计的Cramér-Rao下界得到验证。
• 图像重建对多种散射机制具有鲁棒性，包括扩散性和多散射区域。
• 由于其通用的波基理论框架，该方法可扩展至声学和射频波等广泛波现象中的散射波前成像。
• 通过结合两个光学波长，形成了合成波长，从而产生更长的有效波长，提升了相位稳定性和分辨率。
• 该方法无需了解散射介质的传递函数，因此适用于散射特性未知或复杂的现实场景。