近日，中國科學院上海光學精密機械研究所空天激光技術與系統(tǒng)部、中國科學院空間激光信息傳輸與探測技術重點實驗室研究團隊，采用雙原子干涉的原理設計了具有復振幅響應和偏振無關響應的超表面，實現(xiàn)了穩(wěn)健且完整的復振幅調(diào)制，使用單層超表面替代傳統(tǒng)高動態(tài)范圍(HDR)系統(tǒng)中的多個組件。將超表面與普通相機集成，通過單幀測量獲取高曝光和低曝光兩幅圖像，進行圖像融合后可以實現(xiàn)動態(tài)范圍的擴展，實現(xiàn)了高達 17.5 dB 的動態(tài)范圍增強，幾乎不會增加系統(tǒng)的重量和占用空間，實驗結果驗證了該方案在實時 HDR 成像方面具有顯著潛力。相關成果以“Single-layer metasurface for snapshot high-dynamic-range imaging”為題，發(fā)表于Photonics Research。
 

　　由于探測器的動態(tài)范圍有限，成像系統(tǒng)在面對大強度變化的環(huán)境時，常常會遇到過曝或欠曝的問題，圖像中亮部和暗部的細節(jié)往往無法在單幀畫面中有效保留。這一問題在智能手機攝影、顯微成像、先進制造和自動駕駛等應用中十分常見。在這些應用場景中，開發(fā)實時HDR成像設備具有重要意義。常見且直接的解決方案是依次拍攝同一場景的多張不同曝光設置的照片，但這并不適用于視頻拍攝。多路徑成像系統(tǒng)對探測器的要求較低并能夠?qū)崿F(xiàn)實時成像，然而，基于這種方法的成像設備往往體積龐大。一些研究提出了特殊的 HDR 傳感器，這些傳感器對光具有獨特的響應特性，但目前制造成本較高。
 

　　研究團隊通過復振幅調(diào)控設計單層超表面，該超表面能夠集成傳統(tǒng) HDR 成像系統(tǒng)中多個分立元件的功能。得益于其對偏振不敏感的全空間振幅與相位調(diào)控機制，單層器件可在單次拍攝中獲得多張不同曝光水平的高保真圖像；經(jīng)融合處理后，圖像動態(tài)范圍得以有效擴展。采用強度比 10:1 的雙通道成像配置，理論上可將動態(tài)范圍提升 20 dB。實驗結果表明，所演示系統(tǒng)的動態(tài)范圍改善可達 17.5 dB 甚至更高。該設計在重量和體積上與常規(guī)單次成像系統(tǒng)相當，因而適用于監(jiān)控、工業(yè)制造及車載等對輕量化、超緊湊和實時 HDR 成像有需求的場景。
 

　　相關研究得到了國家自然科學基金、上海市學術帶頭人計劃以及上海市科技重大專項的支持。
 

　　圖1 高動態(tài)范圍成像的復振幅超構表面設計。 (a) 傳統(tǒng)單次拍攝雙圖像獲取方案。 (b) 本文提出的復振幅超構透鏡，用于在單次曝光中獲得雙圖像。 (c) 圖(b)中超構透鏡的振幅與相位分布。 (d) 構建該復振幅超構透鏡所用的單元結構。 (e) 不同結構參數(shù)下的振幅與相位響應。 (f) 圖(e)中白圈標記的所選結構在復平面上的復振幅調(diào)制結果。
 

　　圖2 動態(tài)范圍增強的實驗結果。 (a) 實驗成像裝置，F(xiàn)I：濾光片，TL：管透鏡，Obj：物鏡， Meta：超透鏡。 (b) 系統(tǒng)捕獲的原始圖像。 (c) 圖像的真值。 (d, e) 從(b)中裁剪出的低強度和高強度圖像。 (f) 將(d)和(e)融合得到的圖像。 (g-i) 從(d-f)中虛線處提取的強度分布。所有圖像均以歸一化方式顯示。