什么是散射成像技术？

近年来，计算机技术的飞速发展、介观物理研究的深入、计算成像思想的完善和图像处理技术的发展，促进了以物理机制为基础的计算光学成像技术的发展。计算光学成像技术作为新型的成像手段，不仅推动了传统成像技术的发展，而且在解决散射成像方面表现出了得天独厚的优势。

在弹道光提取方面，自适应光学成像技术、光学相干层析技术、共聚焦显微技术、多光子显微技术、光声显微技术、复合荧光分子层析技术、多光谱光声层析技术等光学成像技术的发展及应用，解决了天文成像、水下探测和生物成像等领域的关键问题。

在散射光利用方面，空间光调制器（SLM）、数字微镜器件（DMD）、微机电系统调制器（MEMS）等数字波前整形器件的出现，促进了计算成像技术与散射成像技术的有机结合，涌现出了许多新型的光学成像技术，如光学相位共轭、波前反馈调节、光学传输矩阵等，极大地促进了散射成像技术在显微成像领域的应用。

波前整形技术包含光学相位共轭、基于反馈优化的波前整形和光学传输矩阵技术三部分，该技术主要研究光波在介质中的传播规律及特性，为散射效应的利用奠定了基础。相关研究表明，波前整形技术在生物医学成像、超分辨成像和光通信等方面有着广阔的应用前景。

• 光学相位共轭

光学相位共轭技术是时间反演技术在光学领域的应用，最早的光学相位共轭技术通过在照相板上记录全息图来实现。本质上，光学相位共轭技术利用的是光传播的可逆性，获得透过介质后的光场分布后，反向输入透射光场的相位共轭波形，就可以重建原始的入射光场。

光学相位共轭的实现步骤可以分为两步：光场信息的记录和相位共轭光的生成。按照相位共轭光产生方式的不同，光学相位共轭技术可以分为非线性光学相位共轭技术和数字光学相位共轭技术两类。前者可以使用数字全息或定量相位成像技术来实现，后者则可以通过空间光调制器实现。

根据非线性过程的差异，非线性光学相位共轭技术可以分为三波混频相位共轭技术、四波混频相位共轭技术、受激布里渊散射相位共轭技术和光折变晶体相位共轭技术。与数字光学相位共轭技术相比，非线性光学相位共轭技术在模式耦合效率方面具有较大优势，因此，非线性光学相位共轭技术在生物医学方面仍具有很大潜力。

SLM和DMD等元件的出现，使得数字光学相位共轭调制变成可能。数字光学相位共轭技术的工作原理如图１所示（EO代表电光调制器，OPC代表光学相位共轭，Ref代表参考光）。在获得输出场的光场信息后，利用数字元器件产生相位共轭光，进而实现透过散射介质的聚焦和成像。如何提高数字光学相位共轭技术的效率问题，将决定数字光学相位共轭技术在未来应用中的地位。

• 基于反馈优化波前整形的散射介质成像技术

基于反馈优化的波前整形技术利用优化算法（非线性或线性），通过迭代获取目标光场对应的最优波前，从而实现透过散射介质聚焦或成像。本质上，基于反馈优化的波前整形技术将散射介质对光场的调制过程看作“黑箱”，通过迭代算法获取相应的波前，进而实现对输出光场的模式及不同模式之间耦合的控制。

2012年，研究人员Katz等基于反馈优化的波前整形技术，采用非相干光源实现了透过散射介质的实时成像，此项工作极大地推动了波前整形技术在实际应用上的进程。同时，基于反馈优化的波前整形技术在透过多模光纤的光学精密控制和成像方面也有着重要意义。此外，考虑到实际应用中散射介质的时变特性，如何实现透过动态散射介质的快速聚焦或成像是未来研究中的重要课题。

• 光学传输矩阵的散射介质成像技术

随着研究人员利用波前调制技术验证了可见光透过散射介质后依然能够实现聚焦之后，基于波前调制技术的相关研究引起了世界各国科研人员的广泛关注。测量传输矩阵是一种新的波前调制技术，该方法的核心思想是利用一个复杂的矩阵将入射光场与出射光场联系起来，通过测量传输矩阵并结合相位共轭技术，能够在任意位置、任意时刻实现聚焦和成像。

基于光学传输矩阵的散射成像方法的优点在于，只要测量出成像系统的光学传输矩阵，便可以从任意目标所成的散斑中迅速恢复出待测目标。但是，就现阶段的研究来看，该方法所需系统较复杂，对系统稳定性的要求非常高，任何改变都有可能导致无法重建目标，目前的研究水平还无法做到对实际物体成像。如何保证光学传输矩阵测量的实时性是未来研究的重要方向。

• 光学记忆效应

在一定的入射角度范围内，当改变光源入射方向时，经过散射介质在像平面上得到的散斑形状特征保持不变，但整体发生了平移，这一现象称为光学记忆效应。

图2为研究人员Freund等得到的关于光学记忆效应的实验验证结果，当把入射光波绕着光轴轻微转动时，所得散斑与之前的散斑具有很强的相关性。也就是说，散斑的强度分布并不会发生明显变化，但散斑会随着入射角度的变化而发生相应的移动。进一步改变入射角度，可以看到散斑依然会发生相应的偏移，但其相关性逐步降低，直到相关性完全消失。

光学记忆效应表明，入射光波经过散射介质并发生多次散射后，随着入射角度在小范围变化，出射光波形成的散斑仍然保留了入射光波的有效信息。

• 基于散斑相关的散射成像技术

基于散斑相关的散射成像方法具有系统简单且能够实现非侵入式成像的特点，但其缺点也很明显，如成像的视场受记忆效应范围的限制，与平均传输自由程成反比。鉴于此，许多扩展光学记忆效应的方法和技术应运而生，如利用参考目标或先验知识实现超记忆效应范围成像的技术，通过光场估计或散斑估计的方法实现透过散射介质成像的景深扩展。

此外，将散斑相关成像技术与光谱编码技术、压缩感知技术、双目视觉技术等相结合，也可实现透过散射介质的彩色成像、光谱成像和三维成像等。

• 基于点扩展函数工程的透过散射介质成像技术

2016年，研究人员Edrei等在测量散射系统点扩展函数的基础上，采用LucyＧRichardson去卷积迭代非线性复原方法实现了透过散射介质成像，结果如图3所示。Edrei等开创了利用点扩展函数实现透过散射介质成像的新局面，其核心在于系统点扩展函数的获取。基于点扩展函数工程的透过散射介质成像技术仅适用于静态散射介质成像。

2017年，西安电子科技大学的邵晓鹏课题组借鉴天文成像所应用的相位多样性技术，通过获取多帧散斑，估算得到了散射光学系统的点扩展函数，进而通过去卷积技术实现了透过散射介质成像。与其他方法相比，该方法仅需多帧散斑进行联合估计，无需测量系统的点扩展函数便可实现透过散射介质成像。

除此之外，利用散射介质点扩展函数的光谱维和空域正交性，在光谱维或空域多次测量散射介质的点扩展函数，将解卷积得到的物体像进行数据重构，也可以实现透过散射介质的光谱成像和三维成像。

综合相关文献及报道来看，散射成像技术有以下重点、难点亟需突破：

除了解决上述难点以外，透过散射介质成像未来较有意义的研究方向为：

１）如何实现介质内的快速聚焦或成像，这将对生物医学观测或疾病检测具有重要意义。

２）目前的部分研究结果表明，大气或云雾等自然界复杂介质具有散射特性，研究大气或云雾等复杂介质形成散斑的条件，实现透过自然界复杂介质成像对远距离探测和信息感知具有重要意义。

３）目前大部分透过散射介质成像的方法只能实现单一物理量的探测，如何通过单帧散斑实现多物理量的探测，对目标信号的探测、识别和分辨具有重要意义。

４）随着微纳加工技术的进一步发展，通过定制散射介质实现定制成像，将会对新型化、小型化和集成化的探测成像系统的发展具有深远意义。

５）随着深度学习和人工智能技术的发展，将人工智能技术引入到散射成像，通过少量先验知识或通过先验知识迁移的方式实现透过散射介质成像。

本文改写自《光学学报》文章——散射成像技术的研究进展