上海光机所在单层超表面用于快照式高动态范围成像取得进展

图1 高动态范围成像的复振幅超构表面设计。 (a) 传统单次拍摄双图像获取方案。 (b) 本文提出的复振幅超构透镜，用于在单次曝光中获得双图像。 (c) 图(b)中超构透镜的振幅与相位分布。 (d) 构建该复振幅超构透镜所用的单元结构。 (e) 不同结构参数下的振幅与相位响应。 (f) 图(e)中白圈标记的所选结构在复平面上的复振幅调制结果。

近日，中国科学院上海光学精密机械研究所空天激光技术与系统部、中国科学院空间激光信息传输与探测技术重点实验室研究团队，采用双原子干涉的原理设计了具有复振幅响应和偏振无关响应的超表面，实现了稳健且完整的复振幅调制，使用单层超表面替代传统高动态范围(HDR)系统中的多个组件。将超表面与普通相机集成，通过单帧测量获取高曝光和低曝光两幅图像，进行图像融合后可以实现动态范围的扩展，实现了高达 17.5 dB 的动态范围增强，几乎不会增加系统的重量和占用空间，实验结果验证了该方案在实时 HDR 成像方面具有显著潜力。相关成果以“Single-layer metasurface for snapshot high-dynamic-range imaging”为题，发表于Photonics Research。

由于探测器的动态范围有限，成像系统在面对大强度变化的环境时，常常会遇到过曝或欠曝的问题，图像中亮部和暗部的细节往往无法在单帧画面中有效保留。这一问题在智能手机摄影、显微成像、先进制造和自动驾驶等应用中十分常见。在这些应用场景中，开发实时HDR成像设备具有重要意义。常见且直接的解决方案是依次拍摄同一场景的多张不同曝光设置的照片，但这并不适用于视频拍摄。多路径成像系统对探测器的要求较低并能够实现实时成像，然而，基于这种方法的成像设备往往体积庞大。一些研究提出了特殊的 HDR 传感器，这些传感器对光具有独特的响应特性，但目前制造成本较高。

图2 动态范围增强的实验结果。 (a) 实验成像装置，FI：滤光片，TL：管透镜，Obj：物镜， Meta：超透镜。 (b) 系统捕获的原始图像。 (c) 图像的真值。 (d, e) 从(b)中裁剪出的低强度和高强度图像。 (f) 将(d)和(e)融合得到的图像。 (g-i) 从(d-f)中虚线处提取的强度分布。所有图像均以归一化方式显示。

研究团队通过复振幅调控设计单层超表面，该超表面能够集成传统 HDR 成像系统中多个分立元件的功能。得益于其对偏振不敏感的全空间振幅与相位调控机制，单层器件可在单次拍摄中获得多张不同曝光水平的高保真图像;经融合处理后，图像动态范围得以有效扩展。采用强度比 10:1 的双通道成像配置，理论上可将动态范围提升 20 dB。实验结果表明，所演示系统的动态范围改善可达 17.5 dB 甚至更高。该设计在重量和体积上与常规单次成像系统相当，因而适用于监控、工业制造及车载等对轻量化、超紧凑和实时 HDR 成像有需求的场景。

相关研究得到了国家自然科学基金、上海市学术带头人计划以及上海市科技重大专项的支持。

审核编辑 黄宇