单次相位成像技术可重建透明物体

由韩国科学技术院（KAIST）生物及脑工程系张武锡教授率领的研究团队，开发出一种单次相位成像技术：即便目标物体完全被封闭在两个动态散射层之间，该技术也能通过单次测量，重建出相位物体。所谓相位物体，是指玻璃、塑料薄膜或活细胞这类透明物体，它们在普通相机下几乎不产生可见对比度，却会引起一种被称为相位变化的微小光偏移。相关研究成果以“Single-shot imaging of phase objects fully enclosed by dynamic scattering layers”为标题，发表在《Optica》期刊上。

相位物体很难用传统相机观察到，因为它们与周围环境的亮度对比度极低。然而，通过分析细微的相位偏移，可以揭示物体的形貌和光学厚度；当其中一项已知时，还能据此确定物体的物理厚度或折射率变化。正因如此，相位成像被广泛用于无需染色即可观察活细胞，以及在半导体和显示器领域检测透明元件。

挑战在于，当位于物体前后两侧的散射层处于运动状态时——如同透过雾蒙蒙的窗户所看到的模糊景象——光的传播路径会不断变化，导致难以获得物体的准确信息。因此，传统技术往往需要对同一目标进行多次曝光、预先对散射环境进行标定，或是在大量数据上训练人工智能模型。

为了解决这一难题，研究团队将照明光紧密聚焦在第一层散射层上的一个小点上——就像用放大镜将光汇聚到一点——这样穿透过去的光就能尽可能可靠地携带物体的信息。

随后，研究人员将描述光穿过物体和散射层时如何变化的光学模型与人工智能框架相结合。与传统人工智能方法需要基于大量参考图像进行训练不同，该框架从物理定律出发进行反向推导，以推断出产生所测图案的光必然走过的路径。这一过程好比从雾中拍下的一张模糊照片中恢复出清晰图像。利用这种方法，团队成功地从单张测量光强的图像中，同时确定了透明物体的形状和厚度、散射引起的模糊特性以及物体的位置。

张教授表示：“这是首次展示即使在光线严重散射的环境中，例如在雾气或扩散膜后方，也能通过单次测量恢复出透明物体的形状和位置。”他还补充道，团队计划进一步开发该技术，使其在更复杂的环境中也能可靠运行，并应用于半导体检测和生物医学成像。

该研究由KAIST生物及脑工程系硕士生金由善和博士生候选人宋国浩担任共同第一作者，张武锡教授为通讯作者。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1364/optica.593328