近日，物理学院信息光子学团队针对透过强散射介质光学成像难题，提出一种基于散斑的运动成像术，能够在白光照明下对隐藏在未知厚散射介质中的运动目标实现高分辨成像与追踪。相关成果以“Overlapping speckle correlation algorithm for high-resolution imaging and tracking of objects in unknown scattering media”为题在线发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。施瑶瑶讲师为第一作者，施瑶瑶、伏洋洋、刘友文为该工作的共同通讯作者，盛伟老师对该工作也做出贡献。

透过云雨雾霾、生物组织等散射介质的光学成像在航空航天、军事救援、生物医学等众多领域具有重要应用。目前，基于弹道光子和散斑记忆效应的成像技术从原理上受散射介质厚度的限制。为了解决这一难题，人们提出了波前整形、传输矩阵、深度学习、基于光飞时间的扩散光学层析等成像技术，然而这些依赖于散射介质输入-输出关系的方法需要预知介质信息，导致应用受限。针对上述问题，本工作通过研究目标-散斑的固有关系，提出了一种基于散斑的运动成像术（speckle kinetography，图1），能够有效解决上述问题。该技术通过非侵入拍摄目标运动过程中所产生的一系列散斑图像，利用重叠散斑相关算法（overlapping speckle correlation algorithm）提取散斑图像中固有保留的运动目标重叠度和轨迹信息，以构建目标自相关实现成像。本工作通过实验验证了在单色LED、白光、荧光照明下，对隐藏在各向异性及同性散射介质中的运动目标实现了1 μm分辨率的成像与追踪，且无需任何先验信息、介质厚度可达6倍传输平均自由程（图2）。

图1 基于散斑的运动成像术 (a)原理，(b)成像系统，(c) 重叠散斑相关算法模型。

图2 对隐藏在厚散射介质中的同目标实现1 μm分辨率的成像。

该工作通过利用非相干散斑中固有保留的运动目标信息实现了透过散射介质成像，成像系统简单、非接触、成本低。该通用性技术有望从实验室走向实际应用，在自然光、荧光或其他电磁波段照明下实现云雨雾霾或生物组织等遮蔽环境中的成像。本研究得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43674-5