Spatially varying spectral modulation can be implemented using a liquid crystal spatial light modulator (SLM) since it provides an array of liquid crystal cells, each of which can be purposed to act as a programmable spectral filter array. However, such an optical setup suffers from strong optical aberrations due to the unintended phase modulation, precluding spectral modulation at high spatial resolutions. In this work, we propose a novel computational approach for the practical implementation of phase SLMs for implementing spatially varying spectral filters. We provide a careful and systematic analysis of the aberrations arising out of phase SLMs for the purposes of spatially varying spectral modulation. The analysis naturally leads us to a set of "good patterns" that minimize the optical aberrations. We then train a deep network that overcomes any residual aberrations, thereby achieving ideal spectral modulation at high spatial resolution. We show a number of unique operating points with our prototype including dynamic spectral filtering, material classification, and single- and multi-image hyperspectral imaging.

Lensless cameras are a class of imaging devices that shrink the physical dimensions to the very close vicinity of the image sensor by replacing conventional compound lenses with integrated flat optics and computational algorithms. Here we report a diffractive lensless camera with spatially-coded Voronoi-Fresnel phase to achieve superior image quality. We propose a design principle of maximizing the acquired information in optics to facilitate the computational reconstruction. By introducing an easy-to-optimize Fourier domain metric, Modulation Transfer Function volume (MTFv), which is related to the Strehl ratio, we devise an optimization framework to guide the optimization of the diffractive optical element. The resulting Voronoi-Fresnel phase features an irregular array of quasi-Centroidal Voronoi cells containing a base first-order Fresnel phase function. We demonstrate and verify the imaging performance for photography applications with a prototype Voronoi-Fresnel lensless camera on a 1.6-megapixel image sensor in various illumination conditions. Results show that the proposed design outperforms existing lensless cameras, and could benefit the development of compact imaging systems that work in extreme physical conditions.

Foveated imaging provides a better tradeoff between situational awareness (field of view) and resolution and is critical in long-wavelength infrared regimes because of the size, weight, power, and cost of thermal sensors. We demonstrate computational foveated imaging by exploiting the ability of a meta-optical frontend to discriminate between different polarization states and a computational backend to reconstruct the captured image/video. The frontend is a three-element optic: the first element which we call the "foveal" element is a metalens that focuses s-polarized light at a distance of $f_1$ without affecting the p-polarized light; the second element which we call the "perifoveal" element is another metalens that focuses p-polarized light at a distance of $f_2$ without affecting the s-polarized light. The third element is a freely rotating polarizer that dynamically changes the mixing ratios between the two polarization states. Both the foveal element (focal length = 150mm; diameter = 75mm), and the perifoveal element (focal length = 25mm; diameter = 25mm) were fabricated as polarization-sensitive, all-silicon, meta surfaces resulting in a large-aperture, 1:6 foveal expansion, thermal imaging capability. A computational backend then utilizes a deep image prior to separate the resultant multiplexed image or video into a foveated image consisting of a high-resolution center and a lower-resolution large field of view context. We build a first-of-its-kind prototype system and demonstrate 12 frames per second real-time, thermal, foveated image, and video capture in the wild.

Multispectral imaging has been used for numerous applications in e.g., environmental monitoring, aerospace, defense, and biomedicine. Here, we present a diffractive optical network-based multispectral imaging system trained using deep learning to create a virtual spectral filter array at the output image field-of-view. This diffractive multispectral imager performs spatially-coherent imaging over a large spectrum, and at the same time, routes a pre-determined set of spectral channels onto an array of pixels at the output plane, converting a monochrome focal plane array or image sensor into a multispectral imaging device without any spectral filters or image recovery algorithms. Furthermore, the spectral responsivity of this diffractive multispectral imager is not sensitive to input polarization states. Through numerical simulations, we present different diffractive network designs that achieve snapshot multispectral imaging with 4, 9 and 16 unique spectral bands within the visible spectrum, based on passive spatially-structured diffractive surfaces, with a compact design that axially spans ~72 times the mean wavelength of the spectral band of interest. Moreover, we experimentally demonstrate a diffractive multispectral imager based on a 3D-printed diffractive network that creates at its output image plane a spatially-repeating virtual spectral filter array with 2x2=4 unique bands at terahertz spectrum. Due to their compact form factor and computation-free, power-efficient and polarization-insensitive forward operation, diffractive multispectral imagers can be transformative for various imaging and sensing applications and be used at different parts of the electromagnetic spectrum where high-density and wide-area multispectral pixel arrays are not widely available.

计算光学成像（COI）系统利用其设置中的光学编码元素（CE）在单个或多个快照中编码高维场景，并使用计算算法对其进行解码。 COI系统的性能很大程度上取决于其主要组件的设计：CE模式和用于执行给定任务的计算方法。常规方法依赖于随机模式或分析设计来设置CE的分布。但是，深神经网络（DNNS）的可用数据和算法功能已在CE数据驱动的设计中开辟了新的地平线，该设计共同考虑了光学编码器和计算解码器。具体而言，通过通过完全可区分的图像形成模型对COI测量进行建模，该模型考虑了基于物理的光及其与CES的相互作用，可以在端到端优化定义CE和计算解码器的参数和计算解码器（e2e）方式。此外，通过在同一框架中仅优化CE，可以从纯光学器件中执行推理任务。这项工作调查了CE数据驱动设计的最新进展，并提供了有关如何参数化不同光学元素以将其包括在E2E框架中的指南。由于E2E框架可以通过更改损耗功能和DNN来处理不同的推理应用程序，因此我们提出低级任务，例如光谱成像重建或高级任务，例如使用基于任务的光学光学体系结构来增强隐私的姿势估计，以维护姿势估算。最后，我们说明了使用全镜DNN以光速执行的分类和3D对象识别应用程序。

光学成像通常用于行业和学术界的科学和技术应用。在图像传感中，通过数字化图像的计算分析来执行一个测量，例如对象的位置。新兴的图像感应范例通过设计光学组件来执行不进行成像而是编码，从而打破了数据收集和分析之间的描述。通过将图像光学地编码为适合有效分析后的压缩，低维的潜在空间，这些图像传感器可以以更少的像素和更少的光子来工作，从而可以允许更高的直通量，较低的延迟操作。光学神经网络（ONNS）提供了一个平台，用于处理模拟，光学域中的数据。然而，基于ONN的传感器仅限于线性处理，但是非线性是深度的先决条件，而多层NNS在许多任务上的表现都大大优于浅色。在这里，我们使用商业图像增强器作为平行光电子，光学到光学非线性激活函数，实现用于图像传感的多层预处理器。我们证明，非线性ONN前处理器可以达到高达800：1的压缩率，同时仍然可以在几个代表性的计算机视觉任务中高精度，包括机器视觉基准测试，流程度图像分类以及对对象中对象的识别，场景。在所有情况下，我们都会发现ONN的非线性和深度使其能够胜过纯线性ONN编码器。尽管我们的实验专门用于ONN传感器的光线图像，但替代ONN平台应促进一系列ONN传感器。这些ONN传感器可能通过在空间，时间和/或光谱尺寸中预处处理的光学信息来超越常规传感器，并可能具有相干和量子质量，所有这些都在光学域中。

基于掩模的无透镜相机可以是平坦的，薄型和轻质的，这使得它们适用于具有大表面积和任意形状的计算成像系统的新颖设计。尽管最近在无晶体相机的进展中，由于底层测量系统的不良状态，从透镜相机恢复的图像质量往往差。在本文中，我们建议使用编码照明来提高用无透镜相机重建的图像的质量。在我们的成像模型中，场景/物体被多种编码照明模式照亮，因为无透镜摄像机记录传感器测量。我们设计并测试了许多照明模式，并观察到变速点（和相关的正交）模式提供了最佳的整体性能。我们提出了一种快速和低复杂性的恢复算法，可利用我们系统中的可分离性和块对角线结构。我们提出了仿真结果和硬件实验结果，以证明我们的提出方法可以显着提高重建质量。

我们提出了一种依赖工程点扩散功能（PSF）的紧凑型快照单眼估计技术。微观超分辨率成像中使用的传统方法，例如双螺旋PSF（DHPSF），不适合比稀疏的一组点光源更复杂的场景。我们使用cram \'er-rao下限（CRLB）显示，将DHPSF的两个叶分开，从而捕获两个单独的图像导致深度精度的急剧增加。用于生成DHPSF的相掩码的独特属性是，将相掩码分为两个半部分，导致两个裂片的空间分离。我们利用该属性建立一个基于紧凑的极化光学设置，在该设置中，我们将两个正交线性极化器放在DHPSF相位掩码的每一半上，然后使用极化敏感的摄像机捕获所得图像。模拟和实验室原型的结果表明，与包括DHPSF和Tetrapod PSF在内的最新设计相比，我们的技术达到了高达50美元的深度误差，而空间分辨率几乎没有损失。

来自单个运动模糊图像的视频重建是一个具有挑战性的问题，可以增强现有的相机的能力。最近，几种作品使用传统的成像和深度学习解决了这项任务。然而，由于方向模糊和噪声灵敏度，这种纯粹 - 数字方法本质上是有限的。一些作品提出使用非传统图像传感器解决这些限制，然而，这种传感器非常罕见和昂贵。为了使这些限制具有更简单的方法，我们提出了一种用于视频重建的混合光学 - 数字方法，其仅需要对现有光学系统的简单修改。在图像采集期间，在镜头孔径中使用学习的动态相位编码以对运动轨迹进行编码，该运动轨迹用作视频重建过程的先前信息。使用图像到视频卷积神经网络，所提出的计算相机以各种编码运动模糊图像的各种帧速率产生锐帧帧突发。与现有方法相比，我们使用模拟和现实世界的相机原型表现了优势和改进的性能。

由智能手机和中端相机捕获的照片的空间分辨率和动态范围有限，在饱和区域中未充满刺激的区域和颜色人工制品中的嘈杂响应。本文介绍了第一种方法（据我们所知），以重建高分辨率，高动态范围的颜色图像，这些颜色来自带有曝光括号的手持相机捕获的原始照相爆发。该方法使用图像形成的物理精确模型来结合迭代优化算法，用于求解相应的逆问题和学习的图像表示，以进行健壮的比对，并以前的自然图像。所提出的算法很快，与基于最新的学习图像恢复方法相比，内存需求较低，并且从合成但逼真的数据终止学习的特征。广泛的实验证明了其出色的性能，具有最多$ \ times 4 $的超分辨率因子在野外拍摄的带有手持相机的真实照片，以及对低光条件，噪音，摄像机摇动和中等物体运动的高度鲁棒性。

高光谱图像（HSI）没有额外辅助图像的超分辨率仍然是由于其高维光谱图案的恒定挑战，其中学习有效的空间和光谱表示是基本问题。最近，隐式的神经表示（INR）正在进行进步，作为新颖且有效的代表，特别是在重建任务中。因此，在这项工作中，我们提出了一种基于INR的新颖的HSI重建模型，其通过将空间坐标映射到其对应的光谱辐射值值的连续函数来表示HSI。特别地，作为INR的特定实现，参数模型的参数是通过使用卷积网络在特征提取的超通知来预测的。它使连续功能以内容感知方式将空间坐标映射到像素值。此外，周期性空间编码与重建过程深度集成，这使得我们的模型能够恢复更高的频率细节。为了验证我们模型的功效，我们在三个HSI数据集（洞穴，NUS和NTIRE2018）上进行实验。实验结果表明，与最先进的方法相比，该建议的模型可以实现竞争重建性能。此外，我们提供了对我们模型各个组件的效果的消融研究。我们希望本文可以服务器作为未来研究的效率参考。

光学系统的可区分模拟可以与基于深度学习的重建网络结合使用，以通过端到端（E2E）优化光学编码器和深度解码器来实现高性能计算成像。这使成像应用程序（例如3D定位显微镜，深度估计和无透镜摄影）通过优化局部光学编码器。更具挑战性的计算成像应用，例如将3D卷压入单个2D图像的3D快照显微镜，需要高度非本地光学编码器。我们表明，现有的深网解码器具有局部性偏差，可防止这种高度非本地光学编码器的优化。我们使用全球内核傅里叶卷积神经网络（Fouriernets）基于浅神经网络体系结构的解码器来解决此问题。我们表明，在高度非本地分散镜头光学编码器捕获的照片中，傅立叶网络超过了现有的基于网络的解码器。此外，我们表明傅里叶可以对3D快照显微镜的高度非本地光学编码器进行E2E优化。通过将傅立叶网和大规模多GPU可区分的光学模拟相结合，我们能够优化非本地光学编码器170 $ \ times $ \ times $ tos 7372 $ \ times $ \ times $ \ times $比以前的最新状态，并证明了ROI的潜力-type特定的光学编码使用可编程显微镜。

We present a simple but novel hybrid approach to hyperspectral data cube reconstruction from computed tomography imaging spectrometry (CTIS) images that sequentially combines neural networks and the iterative Expectation Maximization (EM) algorithm. We train and test the ability of the method to reconstruct data cubes of $100\times100\times25$ and $100\times100\times100$ voxels, corresponding to 25 and 100 spectral channels, from simulated CTIS images generated by our CTIS simulator. The hybrid approach utilizes the inherent strength of the Convolutional Neural Network (CNN) with regard to noise and its ability to yield consistent reconstructions and make use of the EM algorithm's ability to generalize to spectral images of any object without training. The hybrid approach achieves better performance than both the CNNs and EM alone for seen (included in CNN training) and unseen (excluded from CNN training) cubes for both the 25- and 100-channel cases. For the 25 spectral channels, the improvements from CNN to the hybrid model (CNN + EM) in terms of the mean-squared errors are between 14-26%. For 100 spectral channels, the improvements between 19-40% are attained with the largest improvement of 40% for the unseen data, to which the CNNs are not exposed during the training.

强度衍射断层扫描（IDT）是指用于从一组仅2D强度测量的样品成像样品的3D折射率（RI）分布的一类光学显微镜技术。由于相位信息的丢失和缺失的锥体问题，无伪影RI地图的重建是IDT的一个基本挑战。神经领域（NF）最近成为一种新的深度学习方法（DL），用于学习物理领域的连续表示。 NF使用基于坐标的神经网络来表示该场，通过将空间坐标映射到相应的物理量，在我们的情况下，复杂价值的折射率值。我们将DEPAF作为第一种基于NF的IDT方法，可以从仅强度和有限角度的测量值中学习RI体积的高质量连续表示。 DECAF中的表示形式是通过使用IDT向前模型直接从测试样品的测量值中学到的，而无需任何地面真相图。我们对模拟和实验生物学样品进行定性和定量评估DECAF。我们的结果表明，DECAF可以生成高对比度和无伪影RI图，并导致MSE超过现有方法的2.1倍。

深度学习模型是压缩光谱成像（CSI）恢复的最新模型。这些方法使用深神网络（DNN）作为图像发生器来学习从压缩测量到光谱图像的非线性映射。例如，深频谱先验方法在优化算法中使用卷积自动编码器网络（CAE）通过使用非线性表示来恢复光谱图像。但是，CAE训练与恢复问题分离，这不能保证CSI问题的光谱图像的最佳表示。这项工作提出了联合非线性表示和恢复网络（JR2NET），将表示和恢复任务链接到单个优化问题。 JR2NET由ADMM公式遵循优化启发的网络组成，该网络学习了非线性低维表示，并同时执行通过端到端方法训练的光谱图像恢复。实验结果表明，该方法的优势在PSNR中的改进高达2.57 dB，并且性能比最新方法快2000倍。

神经辐射字段（NERF）是一种用于高质量新颖观看综合的技术从一系列姿势输入图像。与大多数视图合成方法一样，NERF使用TONEMAPPED的低动态范围（LDR）作为输入;这些图像已经通过流畅的相机管道处理，平滑细节，剪辑突出显示，并扭曲了原始传感器数据的简单噪声分布。我们修改NERF以直接在线性原始图像直接培训，保持场景的完整动态范围。通过从生成的NERF渲染原始输出图像，我们可以执行新颖的高动态范围（HDR）视图综合任务。除了改变相机的观点外，我们还可以在事实之后操纵焦点，曝光和调度率。虽然单个原始图像显然比后处理的原始图像显着更大，但我们表明NERF对原始噪声的零平均分布非常强大。当优化许多嘈杂的原始输入（25-200）时，NERF会产生一个场景表示，如此准确的，即其呈现的新颖视图优于在同一宽基线输入图像上运行的专用单个和多像深生物丹机。因此，我们调用Rawnerf的方法可以从近黑暗中捕获的极其嘈杂的图像中重建场景。

间接飞行时间（ITOF）相机是一个有希望的深度传感技术。然而，它们容易出现由多路径干扰（MPI）和低信噪比（SNR）引起的错误。传统方法，在去噪后，通过估计编码深度的瞬态图像来减轻MPI。最近，在不使用中间瞬态表示的情况下，共同去噪和减轻MPI的数据驱动方法已经成为最先进的。在本文中，我们建议重新审视瞬态代表。使用数据驱动的Priors，我们将其插入/推断ITOF频率并使用它们来估计瞬态图像。给定直接TOF（DTOF）传感器捕获瞬态图像，我们将我们的方法命名为ITOF2DTOF。瞬态表示是灵活的。它可以集成与基于规则的深度感测算法，对低SNR具有强大，并且可以处理实际上出现的模糊场景（例如，镜面MPI，光学串扰）。我们在真正深度传感方案中展示了先前方法上的ITOF2DTOF的好处。

椭圆测量技术允许测量材料的极化信息，需要具有不同灯和传感器配置的光学组件的精确旋转。这会导致繁琐的捕获设备，在实验室条件下仔细校准，并且在很长的获取时间，通常按照每个物体几天的顺序。最近的技术允许捕获偏振偏光的反射率信息，但仅限于单个视图，或涵盖所有视图方向，但仅限于单个均匀材料制成的球形对象。我们提出了稀疏椭圆测量法，这是一种便携式偏光获取方法，同时同时捕获极化SVBRDF和3D形状。我们的手持设备由现成的固定光学组件组成。每个物体的总收购时间在二十分钟之间变化，而不是天数。我们开发了一个完整的极化SVBRDF模型，其中包括分散和镜面成分以及单个散射，并通过生成模型来设计一种新型的极化逆渲染算法，并通过数据增强镜面反射样品的数据增强。我们的结果表明，与现实世界对象捕获的极化BRDF的最新基础数据集有很强的一致性。

A large portion of today's world population suffer from vision impairments and wear prescription eyeglasses. However, eyeglasses causes additional bulk and discomfort when used with augmented and virtual reality headsets, thereby negatively impacting the viewer's visual experience. In this work, we remedy the usage of prescription eyeglasses in Virtual Reality (VR) headsets by shifting the optical complexity completely into software and propose a prescription-aware rendering approach for providing sharper and immersive VR imagery. To this end, we develop a differentiable display and visual perception model encapsulating display-specific parameters, color and visual acuity of human visual system and the user-specific refractive errors. Using this differentiable visual perception model, we optimize the rendered imagery in the display using stochastic gradient-descent solvers. This way, we provide prescription glasses-free sharper images for a person with vision impairments. We evaluate our approach on various displays, including desktops and VR headsets, and show significant quality and contrast improvements for users with vision impairments.

单像素成像（SPI）是一种新型成像技术，其工作原理基于压缩感（CS）理论。在SPI中，数据是通过一系列压缩测量获得的，并重建了相应的图像。通常，重建算法（例如基础追求）依赖于图像中的稀疏性假设。但是，深度学习的最新进展发现了其在重建CS图像中的用途。尽管在模拟中显示出令人鼓舞的结果，但通常不清楚如何在实际的SPI设置中实现这种算法。在本文中，我们证明了对SPI图像的重建以及块压缩感（BCS）的重建。我们还提出了一个基于卷积神经网络的新型重建模型，该模型优于其他竞争性CS重建算法。此外，通过将BCS合并到我们的深度学习模型中，我们能够重建以上图像大小以上的任何大小的图像。此外，我们表明我们的模型能够重建从SPI设置获得的图像，同时接受自然图像进行训练，这可能与SPI图像大不相同。这为CS重建来自各个领域的图像重建的深度学习模型的可行性打开了机会。