元图像处理器的技术原理、发展脉络、实验验证与具体应用
2026-02-03 来源:本站 点击次数:193强散射介质（如生物组织、雾、浑浊水体）下的光学成像是生物医学诊断、自动驾驶、水下探测等领域的核心挑战，传统成像方法依赖后处理算法（如Retinex或深度学习）增强弹道光子信号，但在散射主导环境中，弹道光子被淹没，成像深度受限。
Haowen Liang、Weiyong Ye等研究者于2025年在《Nature Communications》发表的论文《An optical meta-image-processor for enhanced imaging through strongly scattering media》提出光学元图像处理器（MIP），通过超表面结构在傅里叶平面直接调制点扩散函数（PSF），实现拉普拉斯边缘增强与高斯降噪的同步光学处理，将成像光学厚度提升至17.05，突破现有技术极限。本文将从技术原理、发展脉络、实验验证等角度解析MIP如何为复杂环境成像提供革新方案，推动机器视觉与临床诊断的进步。
重要发现
传统散射成像方法主要分为两类：一是基于数字后处理的算法（如对比度受限自适应直方图均衡化CLAHE或深度学习网络DNN），仅能有限提升图像质量；二是物理模型方法（如偏振滤波或暗通道先验），但依赖精确参数且难以应对极端散射。这些方法均将成像与处理分离，无法解决弹道信号完全淹没的根本问题。MIP的创新在于将处理环节前置至光学域，通过超表面结构直接调制成像系统的PSF，其独特机制包含三个关键技术点：
在理想成像中，PSF呈清晰艾里斑，而散射介质使PSF畸变，背景杂散光掩盖目标信息。MIP在傅里叶平面同步施加拉普拉斯算子（增强高频边缘信息）和高斯算子（抑制噪声），等效于带通滤波。散射PSF背景干扰强烈，而MIP通过频域操作重塑PSF，提升对比度。
02超表面设计原理
MIP由非晶硅椭圆纳米柱阵列构成，通过Pancharatnam-Berry相位调控左旋圆偏振光相位，并通过调整纳米柱长轴长度控制转换效率（振幅）。纳米柱周期260纳米，高400纳米，在633纳米波长下实现振幅0-100%连续可调。设计轨迹确保相位恒定而振幅按需变化，最终转移函数满足公式。
03光学集成方案
MIP置于透镜傅里叶平面，入射右旋圆偏振光经线性偏振片和四分之一波片调控，输出左旋光由sCMOS相机捕获。此设计将卷积操作嵌入光路，实现“光学预处理”，减轻后处理负担。
在典型病症实证中，研究团队构建白内障模型（眼内注入0.31%脂肪乳液），模拟荧光眼底成像。MIP显著提升血管结构对比度，盲反卷积算法进一步优化细节，而单纯后处理无法在强散射下复原信息。此举为白内障患者合并眼底病变的诊断提供新途径，凸显MIP在生物医学场景的落地潜力。
创新与亮点
论文核心贡献在于通过MIP实现散射介质下成像深度的革命性突破。实验设置中，目标物（“S”形掩模）置于脂肪乳液散射体后，MIP集成于焦距50毫米透镜的傅里叶平面。结果显示：无MIP时，光学厚度（OT）超13.65即无法成像；搭载MIP后，原始图像OT可达15.93。若结合Retinex或DNN后处理，OT进一步升至17.05，超越此前最高纪录（Zheng et al., Photonics Res. 2021的OT=16）。
PSF重构后，目标边缘信噪比提升，且Sobel算子验证同类功能，证明频域操作的普适性。此外，MIP的19.6%透射率与偏振无关设计为紧凑集成奠定基础。
总结与展望
MIP的临床转化仍面临障碍：首先，超表面加工精度要求高，纳米柱结构的大规模制备成本高昂；其次，当前MIP在OT超18.2时因相机动态范围限制失效，需开发高动态探测器；最后，生物组织异质性可能影响PSF调制普适性。未来研究可聚焦三方向：一是开发偏振无关MIP以简化光学系统，二是结合量子成像技术提升灵敏度，三是拓展至多光谱成像以应对复杂介质。MIP技术有望五年内嵌入内窥镜、水下机器人等设备，推动“光学预处理”成为散射成像新标准，最终实现“无散射退化”的实时视觉感知。
声明：本文仅用作学术目的。
Liang H, Ye W, Gao M, Chen L, Liu Y, Wang J, Li J, Yuan J, Wang XH. An optical meta-image-processor for enhanced imaging through strongly scattering media. Nat Commun. 2025 Nov 4;16(1):9732.
DOI:10.1038/s41467-025-64746-8.