鲁达 3月23日，昌思宇、国家足球顽强战斗，俘虏了韩国，举国振奋。
小编也是兴奋不已，饶有兴致地刷着国足的新闻，突然一则标语引起了小编的兴趣，“某品牌手机，人像摄影大师”，于是小编马上点进该品牌官网，但一看价格，再望望桌上散落的硬币，唯有默默地拿起自己的手机：还是用“2000万柔光双摄”吧。手机拍照已成为我们生活的常态，各大手机制造商也都看准了这块蛋糕，各种创意层出不穷，且不管效果如何，反正是噱头十足。手机仅仅是成像系统的冰山一角，其他诸如天文望远镜、行车记录仪等等都与我们的生活息息相关。今天，我们就来聊一聊成像系统。
先来看一张小编随手拍的图片，很明显，红色边框的硬币比蓝色边框的硬币更清楚，这是什么原因呢？玩摄影的朋友知道，这是因为大光圈缩短了景深；学过高中物理的朋友也知道，这是因为物像关系不一致；今天小编将从物理光学的角度来解释这个现象，希望能带给你们不一样的感受。
图1 桌上的硬币
1. 成像模型
我们为一般成像系统建立如下图所示的黑箱模型，物面发出的光从入瞳进入黑箱，在黑箱中透镜组的作用下，经出瞳汇聚在像面上，形成图像。我们不探究黑箱里透镜组的内部结构，我们只关心入瞳出瞳的物理性质。
图2 成像黑箱模型
2. 波像差
伟大的牛顿发明了微积分，讲述了一个物质可分解的故事。受这个故事的启发，我们在探寻成像规律时，可以先研究物面上的一个点所成像点的形态，最后得到的图像就是这些所有像点的累加效应。
理想情况下，一个物点经过成像黑箱以后还是一个点，那么所有出瞳面的光波都应会聚于像点，这是怎样的一种情形呢？我们很容易就会脑补到一个球面，其面上所有的点都会聚于球心，如下图红色线条所示，更专业一点，我们把这种分布叫做理想球面波前。所谓金无足赤，人无完人，再完美的成像系统也很难产生这样的波前，实际上受到各种因素的影响，光学系统的出瞳波前会偏离理想球面，如下图蓝线所示，我们把这两者的差就叫做波像差，在科研中通常用下图右边所示的二维彩色图来表征。
图3 波像差
对于一个理想波面，其波相差分布如下图所示，单纯得如同一张白纸，一个点经过这样的系统会产生一个理想像点，但由于光波的衍射效应，理想像点是一个圆斑，我们称为爱里斑。
图4 理想系统波像差分布及所成像点
假设物面上每个点都会产生这样一个爱里斑，在像面上我们会得到这些圆斑的累加效果，即理想图像。
图5 理想系统成像示例
我们再来看看当实际波面偏离理想球面的时候会发生什么。我们以离焦为例，即理想像点不在像面上，这时的波像差分布就是一圈圈的圆环。此时像点不再是爱里斑，而是一个明显发散的弥散斑。
图6 离焦系统波像差分布及所成像点
假设物面上每个点都会产生这样一个弥散斑，在像面上我们得到这些弥散斑的累加效果，就是一幅模糊的图像。
图7 离焦系统成像示例
讲到这里，前文所提的现象就容易解释了：红色边框的硬币上所有的点都会产生相对理想的像点，在成像面上得到清晰的呈现；而蓝色边框的硬币在离焦面上，其所有的点都会产生发散的像点，造成图像模糊。
3. 相位差
除艺术需求外，一般情况下我们都希望图像清晰。然而不同的成像系统，受不同因素的影响，存在着不同的波像差，导致成像模糊。这是“病”，得治。病人求医，只有找到病根，方能药到病除。我们寻找成像系统“病根”的过程，就叫做波前探测。波前探测的手段有很多，这里主要介绍相位差技术。相位差是一种基于图像信息的波前探测技术，利用算法从几幅不同光学通道的图像里提取出波像差，就好比医生诊断，需要综合病人患病后的各项体征（血液、体温等）才能找到病因。传统相位差技术主要利用不同的成像位置来产生光学通道，需要多个成像面和高精度位移器件，如下图所示。
图8 传统相位差技术实验原理
4. 空间调制相位差
最近，中国科学院光电技术研究所光束控制重点实验室的小伙伴们提出了一种空间调制相位差技术，通过对光瞳平面进行空间调制来产生不同的光学通道。因此，我们只需要一个小光阑就可以实现成像系统的波像差探测，而且对于欠采样系统，小光阑降低了系统的分辨率，从而有效地避免了像素串扰问题，提高了波前探测精度。就如同诊断病情，找到“病根”以后，我们对症下药，便可药到并除。在研究过程中，我们采取“保守治疗”，通过简单的解卷积复原图像。
图9 空间调制相位差技术波前探测实验结果
图10 空间调制相位差技术图像复原实验结果
最后，简单来展望一下空间相位差技术的应用前景。目前来看，这项技术很适合于大口径光学元件的检测；未来随着轻薄空间调制器的发展，该技术用于飞行器、卫星等空间探测领域，以及手机、相机等民用成像领域都值得期待。
作者系中科院光电技术研究所光束控制重点实验室博士