相位共軛光學的案例
計算成像的“光學憲法”：以相位調制為靈魂的AI視覺新范式
文章轉載自：中關村通力科服
威睛光學，就是人眼中的“晶狀體”與“大腦視皮層”——既承擔動態相位調制的光學編碼，又執行神經計算的光電解碼，為AI時代機器視覺的每一次判斷，奠定“所見即所得、所得即真相”的物理基石。
摘要
在AI與機器視覺狂飆突進的時代，一個根本性追問被長期懸置：當算法越來越“聰明”，它賴以判斷的原始數據——光子攜帶的物理信息——是否足夠“誠實”？威睛光學給出了獨有的答案。這家計算光學企業，以相位調制為核心靈魂，構建了從光學硬件（自由曲面、超構表面、液體透鏡）到算法（相位恢復）的完整技術閉環。其本質，是對人眼光學系統——角膜、晶狀體、瞳孔協同進行相位調制，大腦視皮層完成神經解碼——這一生物策略的工程化復現與超越。本報告系統論證：相位是光場中承載物理信息的最核心維度；對相位的主動調制能力，決定了視覺系統從“看得清”邁向“看得準”的根本能力。在AI從“語義理解”深入“精密測量”的產業轉折期，威睛光學所構建的“相位調制-數學解調”架構，為AI的準確判斷提供了不可動搖的“光學真相”基石——這正是AI時代機器視覺最稀缺、最不可替代的基礎設施。
關鍵詞：威睛光學；相位調制；相位恢復；波前編碼；計算成像；看得準；AI機器視覺；仿生視覺；光學憲法
引言：當AI開始“看”，誰能保證它看到的不是幻象？
2025年，全球計算攝影市場估值231.9億美元，預計到2032年將達805.9億美元。全球AI傳感器市場在2024年約48億美元，預計到2034年將激增至1610億美元。
數字背后是不可逆轉的趨勢：機器的“眼睛”正以前所未有的速度部署到工業檢測、自動駕駛、安防監控、醫療診斷等關鍵領域。但一個根本性問題被忽略了：當AI算法對著一張圖像做出“合格”或“腫瘤”的判斷時，這個判斷的“合法性”建立在什么基礎上？
展開 接近海森堡極限的實驗光學相位測量
量子增強光學相位估計有望改進目前使用干涉測量的所有測量精度。這種光學量子計量可以分為兩個不同的任務。在相位檢測中，一個非常具體的情況是確定關于已經眾所周知的相位中的小偏差。原則上，使用最大路徑糾纏的NOON狀態可以為該任務提供最佳靈敏度。更具挑戰性的任務是相位測量，有時稱為初始相位測量，目的是在沒有關于其值的先驗信息的情況下確定未知相位φ。在這種情況下，使用光學相移自適應量子測量，或糾纏自適應量子測量的多次通過方法，已經證明能夠超過散粒噪聲限制（SNL）。SNL表示通過一定數量光子相移的N個獨立樣本可實現的最小方差。相位測量方案不限于光學方法：例如，等效技術還使用在由磁場引起的單NV中心疊加態的相移測量上。
圖1 光學相位測量概念。a，用于估計未知相位φ的基本干涉設置；b，高級干涉儀的概念方案，其包括多次（p）通過的相移φ和參考臂中可控相位θ的；c，b中所示干涉儀的量子電路表示；d，用于N = 3源的海森堡極限干涉相位估計的量子電路。原則上，該協議可擴展到更高的N；e，用于制備最佳狀態的量子電路。
一開始光學相位測量的任務就是完全估計未知的相位，在具有開銷因子的情況下，已經通過實驗證明其精度超出了SNL，甚至達到了最終界限，海森堡極限（HL）。然而，現有的方法甚至在原理上都不能達到最佳可能的精度，從而精確地飽和HL。近日，格里菲斯大學的科學家演示了一種解決量子計量學的一個懸而未決的基本問題的技術：如何在最佳的HL上測量相位？它們提出了一個具體的方法來實現以前在理論上提出的概念方案，并實施實驗。與之前的光子初始相位估計實驗一樣，格里菲斯大學的科學家在檢測資源方面描述了實驗的實施質量——它依靠概率狀態制備和測量方案，在精度計算時只考慮成功的符合檢測。因此，科學家證明了該方案的原理，將來可以擴展到刪除后選擇性要素。光子光學相位測量的基本概念如圖1a所示。
展開 面向大口徑超薄平面光學器件及應用：PB相位液晶光子技術
與傳統折射/反射光學元件不同，這種元件的設計理念通過光學幾何相位或PB相位（Pancharatnam–Berry phase）來實現，即液晶分子的二維空間有序排布（圖2）。液晶材料是一種具有單軸光學各向異性的材料，具有相對較高的雙折射率（Δn≈0.2），通過高分辨圖案化液晶配向技術（例如光配向）控制液晶分子的取向，可實現復雜相位波前，在數個微米厚度內高效操控光場，實現各種光學功能，不涉及顯影、蝕刻等結構轉移步驟，被譽為第四代光學技術。
圖1 （a）傳統光學元件，（b）液晶聚合物平面透鏡
圖2基于PB相位液晶元器件中液晶分子的指向矢分布。(a)透鏡，(b)光柵，(c)液晶分子從0到2π變化，對應相位在0到4π之間變化，在2π位置由于液晶分子自組裝作用，不存在相位突變。
圖3 基于液晶聚合物的平面光學元件制備流程
基于幾何相位的液晶超表面器件，利用液晶分子在平面內0-180°指向變化，來控制光學波前0-2π相位變化，從而實現復雜光學相位器件（圖2）。該新型光學元器件的制備流程由圖3中給出，主要包括旋涂偏振光敏薄膜、圖案化偏振曝光、灌注液晶（LC）或者涂敷液晶聚合物（LCP）材料，即可完成主動可控的液晶光子器件或者耐用薄膜液晶聚合物光子器件，其中器件效率通過半波延遲量來控制。幾何相位液晶平面光學有以下特點：
輕薄、易集成：液晶或者液晶聚合物材料具有相對較高的雙折射率(約0.15)，僅需<2 um的厚度即可滿足可見光至近紅外器件的半波延遲需求。液晶聚合物薄膜可通過層壓、膠粘等工藝與多種光學元件進行對準集成。
分子指向電場可控，便于面向主動光學器件應用。
展開 南京大學蔣錫群-甄敘團隊系統評述：半導體共軛聚合物光學探針的設計及在自發光成像和光聲成像中的應用
相比于傳統的分子成像技術，光學成像技術是一種非侵入性的、高時空分辨率、高靈敏度的非電離輻射成像技術。為了增強光學成像的信噪比和穿透深度，自發光成像(self-luminescence imaging)和光聲成像(photoacoustic imaging, PAI)最近引起越來越多的關注。
自發光成像不需要實時光激發，避免了實時光激發所造成的組織自發熒光，可以提高光學成像的靈敏度和信噪比；光聲成像是一種結合了光學激發和超聲傳播檢測的新型成像技術，其利用脈沖激光激發吸收體，吸收體將吸收的光能轉化成熱量引起局部溫度升高，導致熱膨脹繼而轉化成超聲波，通過超聲傳感器接收產生的超聲波信號，并將信號處理圖像重建形成光聲圖像。聲信號在組織中的散射遠低于光在組織中的散射，因此光聲成像突破了光學成像的穿透深度限制，可以實現更深組織的成像。
由半導體共軛聚合物(semiconducting polymer, SP)組成的半導體共軛聚合物納米材料(semiconducting polymer nanoparticles, SPNs)是一類新興的有機光學探針。電子離域的π共軛體系是SPs 的結構特征，SPNs 的光學性質大多由SPs 的化學結構決定，因此可以通過對SPs的結構進行合理設計來調節其光學性能。迄今為止，SPNs已經被用于開發一系列的光學應用上，例如熒光成像、化學發光成像、長余輝成像、光聲成像、光動力治療和光熱治療。
本專論總結了半導體共軛聚合物納米材料的設計及在自發光成像和光聲成像中的生物應用。
展開 
前沿 | 自匹配光源編碼的散射介質信息傳遞微通道
目前為止，光學成像的實際應用都集中在自由空間、透明介質或者弱散射環境下，云、霧、渾濁溶液、生物組織等散射介質仍然是光學成像難以逾越的障礙。數十年以來，科研人員嘗試了諸多方法克服散射對光學成像的影響，發展出了光學相位共軛、波前整形、散射矩陣測量、點擴散函數（PSF）卷積、散斑自相關等方法，各類輔助算法也蓬勃發展。但成像所能提升的透視能力并沒有質的飛躍，大多仍然停留在對薄的散射介質進行原理演示驗證的層面。另一方面，廣泛存在的散射現象對交通、遙感、醫療、科研等社會活動的方方面面造成嚴重制約，亟待增進了解和消除或者解決。
論文導讀
成像的本質是信息的傳遞，信息論研究的是一維時間信息的傳遞，而成像是二維信息從物面傳遞到像面。信息傳遞的要素包括信源、信道和信宿，分別對應于目標物、成像光學系統、探測和圖像重建系統。以透鏡成像系統為例，信源是物面上的圖案，像面對應著信宿，信道則是物面和像面之間的自由空間及透鏡所組成的結構和通道。在這樣的模式中，物面和像面之間是點到點的映射關系，成像系統提供了映射通道。在相干\非相干照明下，信息對應于波前\光強分布，而波前\光強分布在系統中傳遞的過程可以被準確描述。換句話說，信道的結構和傳輸特性已知，其中成像質量，如視場和分辨率等，決定于信道特性。因而，了解和優化信道是提升成像能力的關鍵。在透過散射介質成像場景下，散射介質構成了信息傳遞的通道（也即信道），但由于光在散射介質內傳播過程由于大量的散射難以描述，信道的結構和特性未知，一般被視為“黑匣子”。
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