基于相空间光学的光场三维成像与显示

This project aims to address some key issues in the light-fieldbased three dimensional (3D) imaging under the framework of phase-space optics. In the oretical aspects, a generalized framework that unifies the light-field theory and Fourier optics will be exploited. In particular, a periodic structured-light field based on partial coherent beams will be modeled in terms of phase-space optics,and coherent superposition of the light fields will be described in the phase space.In addition, a photorealistic geometric and computer generated hologram (CGH) hybrid model will be developed under the framework of phase-space optics. In experimental aspects, the experimental configuration for generalized-light-field based 3D imaging system will be explored, and the optical system for 3D displaying the photorealistic geometric and CGH hybrid model will be developed. Furthermore,system-parameter optimization, system calibration and characterization, and algorithms efficient for 3D-reconstruction will be studied. Thereafter, a phase tomography for 3D microimaging and a structured-illumination light field microscope based on the aforementioned theoretical framwork will be developed to investigate the electrical signal propagation in an on-chip cardiac muscle model. This application requires that 3D live-cell culture is time-lapse imaged in a very short exposure time at consecutive cell-contaction phases. Not only will the anticipated research outcomes be significant in the development of light-field theory based on phase-space optics, their application will also promote novel development of life science. Those expected research outcomes will profoundly impact several disciplines such as optics, computer vision, computer graphics, and biomedicine.

本项目针对基于相空间光学的"光场"三维成像与显示的若干关键问题开展研究。理论研究包括：建立"光场"和傅里叶光学相互统一的广义理论框架，尤其是部分相干周期结构"光场"的相空间建模和相干叠加"光场"的相空间表达，以及基于几何模型与计算全息结合的"光场"三维显示理论。实验研究包括："光场"三维成像的实验系统，基于景物真实感模型的计算全息图合成和三维显示的实验系统，系统参数优化，系统定标与表征，三维图象重构算法设计等。在应用方面，本项目将探索如何通过相位层析"光场"三维显微成像和结构照明"光场"三维显微成像获取芯片上培养的肌纤维中的肌电传输，肌细胞培养沟道及肌细胞激发电极的三维图像的理论和方法。对上述问题的研究和探索不仅能丰富和发展相空间光学"光场"理论，而且对"光场"三维成像与显示在生命科学中的应用具有重要意义。预期的研究结果不仅对光学，而且对计算机视觉和计算机图形学领域都会产生深刻影响。

为了能够通过低维度的成像系统测量高维度信息，研究人员近年来一直在不断地探索各种空变成像核、复用技术、以及编码成像的新方法和新系统。值得注意的是，在计算机视觉和图形学领域，近年来也在活跃开展着类似的研究并逐渐形成了计算摄影学和计算成像的新研究方向，其中主流思想是“光场（light field）”成像与显示。“光场（LF）”是全光函数的四维参数化形式，表达了光线在某个空间位置沿着某个角度方向传播的辐射率。基于射线的“四维光场（4D LF）”建立在三维几何的原理之上，并由此发展了一系列新的成像方法和新的应用，其中包括了数字重新聚焦、深度估计、合成孔径、层析成像、以及对隐藏于屏障之后的景物成像等。然而，基于光线理论的“四维光场”表达并不能直接用于分析衍射和相位敏感的光学元器件，从而导致LF思想的进一步应用受到很大限制。.本项目按照项目计划书对基于相空间光学的LF三维成像与显示的几个关键问题开展研究。（1）深入研究了相空间光学与光场理论，通过Wigner分布函数以及模糊度函数探索相空间光学与光场理论之间的联系。（2）相空间光学在光学信息处理中的应用研究，探索了Talbot效应、Moiré效应的相空间表达，并提出一种在相空间中基于非周期光栅莫尔效应的光学身份认证方案。（3）在光场成像中引入结构照明，发展了主动光场三维成像方法，提出一种结构光场高动态范围深度测量方法；进一步推导了通用的结构光场相位-深度映射，消除了投影光轴垂直于参考面的隐性条件；并且借助辅助三维测量系统初步完成了光场光线标定，提出一种结构光场三维-相位映射的三维测量方法。.本项目基本按照申请书的思路执行，取得了一系列成果。目前正搭建光场显微系统，使用主动光场三维成像方法进一步研究细胞活动的生命科学问题。然而，在计算全息和光场三维显示方面的进展不如预期顺利，不同理论框架下全息与光场的统一理论描述仍需继续深入研究和探索。