剑桥大学与迪士尼研究成果：可堆叠的全息砖能够制作大幅3D图像 南京理工大学陈钱、左超团队：可编程无透镜全息相机——极简计算光学成像系统的新范式 | 前沿进展

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• 2、剑桥大学与迪士尼研究成果：可堆叠的全息砖能够制作大幅3D图像
• 3、南京理工大学陈钱、左超团队：可编程无透镜全息相机——极简计算光学成像系统的新范式 | 前沿进展

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剑桥大学与迪士尼研究成果：可堆叠的全息砖能够制作大幅3D图像

【环球网 科技 综合报道】3月17日消息，据剑桥大学官网信息显示，剑桥大学与迪士尼研究中心的研究人员合作开发了一种全息砖（holobrick）概念，可以将全息图拼接在一起以形成大型无缝3D图像。

该技术的首次展示为可扩展的全息3D显示器打开了大门，研究结果被发表在《光：科学与应用》杂志上。

据悉，全息显示器可以重建高质量图像以获得真实的3D视觉感知，它们被认为是连接真实和虚拟世界以获得沉浸式体验的终极显示技术。

从2D高分辨率电视到3D全息增强或虚拟现实，以及大型真3D显示器。这些显示器需要支持大量的数据流。对于2D全高清显示器来说，信息数据率约为每秒三千兆位（Gb/s），但相同分辨率的3D显示器需要每秒3Tb的数据率，而这一点目前技术还不具备。

领导该研究的剑桥大学工程系朱大平教授表示，“使用当前技术提供完美的3D体验是一项巨大的挑战，在过去的十年里，我们一直在与我们的伙伴合作开发能够同时实现大尺寸和大视场的全息显示器，这需要与具有大量光学信息内容的全息图相匹配。”

然而，目前全息图信息的信息量远远大于目前光引擎（空间光调制器）的显示能力，因为其空间带宽积有限。

为了应对这一挑战，约七年前在CAPE与迪斯尼研究中心的研究人员共同开发了全息砖单元，该单元基于用于角平铺 3D 图像的粗略集成全息显示器。

每个全息砖都使用高信息带宽空间光调制器与粗集成光学器件一起进行信息传递，以形成具有大视角的平铺3D全息图。精心的光学设计确保全息条纹图案填满全息砖的整个表面，从而使多个全息砖可以无缝堆叠，形成可扩展的空间平铺全息图像3D显示，具有宽视角和大尺寸。

研究人员开发的概念验证是由两块无缝拼接的全息砖组成。每块全彩砖的像素为1024 768，视场角为40 ，每秒24帧，用于显示平铺全息图的全3D图像。

南京理工大学陈钱、左超团队：可编程无透镜全息相机——极简计算光学成像系统的新范式 | 前沿进展

南京理工大学陈钱、左超团队：可编程无透镜全息相机——极简计算光学成像系统的新范式

近日，南京理工大学陈钱、左超团队在无透镜成像领域取得了重要进展。他们创新性地提出了一种基于“可编程掩模”的极简光学成像技术——可编程菲涅尔波带孔径（FZA）无透镜成像（Lensless Imaging with a Programmable Fresnel Zone Aperture，简称LIP）。

一、技术背景与挑战

传统光学成像系统依赖于图像传感器与光学镜头的协同作用，分别实现图像的数字记录与光学聚焦功能。然而，高性能光学镜头体积大、重量重且制造成本高昂，这在很大程度上制约了传统光学成像系统在虚拟现实（VR）、增强现实（AR）以及人机交互等领域的广泛应用。无透镜成像技术通过引入前端光学编码掩模调控以替代传统厚重的透镜，并在后端数字计算解调光场信息，从而有效降低传统光学成像系统的成本与体积。但传统静态调制无透镜成像由于掩模结构固定、系统参数难以根据场景需求灵活调节，容易出现混叠伪影、重建病态等问题，显著降低了成像质量和可用性。

二、技术方案与创新

为了解决上述问题，研究团队创新性地引入了“编码调控”的思路，提出了基于“可编程掩模”的极简光学成像技术——可编程菲涅尔波带孔径（FZA）无透镜成像方法（LIP）。该方法建立了无透镜成像系统空间域精确采样匹配的最优参数准则，结合FZA的偏移点扩散函数调制与频域叠层并行融合策略，构建了“空域-频域”联合优化的可编程无透镜成像框架。

• 空域像素精确采样与最优参数匹配 ：基于对频谱采样、角视场、信号完整度等要素的综合考量，提出了FZA最优参数的空域设计准则，以最大程度地保证中心频谱的采样与避免混叠伪影的发生，并实现成像视场与成像分辨率的平衡。
• 频域FZA偏移调制与并行合成 ：通过可编程LCD实现对FZA中心孔径的“偏移”调制，等效为在频域中采集多子孔径信息。随后利用并行算法在频域对各子孔径复振幅进行合成，得到更高分辨率和更优信噪比的重构结果。

三、实验验证与性能提升

基于自主研发的小型化LIP无透镜成像模组，研究团队通过静态分辨率表征与动态实时成像两方面实验，系统性验证了LIP在成像分辨率、成像信噪比以及混叠伪影抑制等方面的成像性能。

• 静态分辨率与信噪比提升 ：与传统静态调制无透镜成像方法相比，LIP在测试标准分辨率靶标（USAF）与复杂彩色纹理目标时，分辨率提高2.5倍，信噪比增强3 dB，能够显著抑制高分辨时易出现的混叠伪影。
• 动态实时成像性能 ：在动态手势交互场景下，通过自适应切换编码调控策略，LIP可稳定实现15帧每秒的重建帧率，对如点击、缩放、拖动、旋转等常见交互手势动作进行准确捕捉与识别。

四、应用前景与展望

LIP为未来多模态无透镜成像技术及焦平面编码成像领域的发展提供了新思路，在手机摄影、可穿戴设备、虚拟现实（VR/AR）及人机交互领域具有广阔的应用前景。

• 多维信息融合 ：将可编程掩模与偏振、光谱或深度测量结合，在同一系统内实现多模态成像，为生物医学检测、材料物质分析等需求提供更丰富的光场信息。
• 应用场景拓展 ：LIP的小体积、轻量化与高质量重构等特性有望满足可穿戴成像、VR/AR、人机交互、消费电子及国防安全监控等领域的特殊需求。
• 焦平面编码调控 ：将“空域-频域联合优化”成像框架与编码策略从无透镜全息成像进一步应用于成像链路的最末端——图像传感器焦平面处，可实现像元级光场信息的调控与集成，有望进一步推动光电成像系统的迭代升级与产业革新。

五、团队介绍

南京理工大学智能计算成像实验室（SCILab）隶属于南京理工大学光学工程国家一级重点学科带头人陈钱教授领衔的“光谱成像与信息处理”教育部长江学者创新团队、首批“全国高校黄大年式教师团队”。实验室学术带头人左超教授为教育部长江学者特聘教授、国际光学工程学会会士（SPIE Fellow）、美国光学学会会士（Optica Fellow）、英国物理学会会士（IOP Fellow），入选科睿唯安全球高被引科学家。实验室致力于研发新一代计算成像与传感技术，并在生物医药、智能制造、国防安全等领域开展前沿应用。

综上所述，南京理工大学陈钱、左超团队提出的可编程菲涅尔波带孔径无透镜成像（LIP）方法，通过“空域参数优化”与“频域并行合成”联合优化，实现了对传统无透镜成像混叠伪影问题的有效抑制，并在静态分辨率、信噪比以及动态实时成像性能等方面取得了显著提升。该技术为未来多模态无透镜成像技术及焦平面编码成像领域的发展提供了新思路，具有广阔的应用前景。

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