传统光学成像系统是基于一种直接的物理映射机制：通过光学透镜的折射作用在传感器平面上清晰聚焦，从而在物方与像方之间建立起一种“点对点”的空间对应关系。该过程可视为对物体辐射强度在实空间中进行直接、均匀的采样与再现，属于一种“所见即所得”的成像范式。然而，该方式所获取的信息量受限于光学衍射极限、探测器离散采样特性及系统空间带宽积等物理约束，难以实现超越系统固有性能的成像能力。与之形成对比的是，计算成像将成像过程视为一个信息传递与重构的系统工程：物体作为信源，成像系统作为信道，通过在前端引入主动的光学编码调制，并结合后端基于物理模型的计算重构，实现对物体信息的间接感知与高效重建。这种将光学调控与算法处理深度融合的范式，打破了传统成像中物理硬件对信息获取的限制，从而在成像功能与性能层面实现了显著提升，可以同时实现大视场、高分辨成像。这种摆脱了光学透镜的计算成像新范式尤其适用于极紫外、X射线等极短波长，不再受限于低数值孔径且复杂、昂贵的反射式成像物镜系统，在半导体量检测方面展现出了巨大的潜力。
计算成像的理论基础对传统成像范式进行了根本性革新，采用一种“编码-解码”的系统性思维。其核心在于，通过前端光学元件主动对光线进行物理调制，将有意的畸变、模糊或散射引入中间图像，从而将场景的高维信息（如深度、相位、光谱）编码到二维传感器数据中。随后，在后端基于精确的物理前向模型和先进的计算算法（如反卷积、压缩感知、深度学习等），对这些编码后的测量值进行数学重构，最终求解出超越传统光学极限的高质量图像或额外信息维度。
图1 计算成像的基本原理框架
一、科学问题与方法：
针对计算成像的基本特点，我们总结并归纳出计算成像中普遍存在且亟需解决的若干科学问题，主要包括：计算成像解的存在性与唯一性，重构算法的收敛性与鲁棒性，系统误差校正、溯源与精度评估，噪声抑制与信噪比增强，光场调控与多维信息复用，高通量、高分辨率与高维信息成像等关键科学与技术问题。借助现代数值理论和优化方法，结合机器学习、超分辨成像、光场调控等领域的最新进展。重点研究：逼近复杂实验场景的时空部分相干成像建模、光与样品相互作用的近场计算、衍射传播与远场计算等快速物理建模方法；基于维廷格梯度、亚梯度、Hessian正则化投影的逆向优化求解算法；基于特征域、小波域等跨域优化（非像素域）的多维信息评价体系；成像系统的误差溯源、定量相位测量的不确定度评估与精度评价方法。通过上述研究，突破传统计算成像的物理桎梏，探索并不断外推计算成像技术突破现有系统的时空带宽极限（逼近原子级空间分辨、飞秒级时间分辨），为集成电路制造、原子级制造等先进制造过程中的在线、非破坏、精确量测提供新原理、新方法与新途径。
二、仪器开发与应用：
(1) 相干衍射计算成像显微镜研制与应用
相干衍射计算成像显微镜是一种基于迭代相位恢复算法的无透镜成像技术，通过处理一系列包含冗余信息的衍射强度图案，能够同时重构样品与探针的振幅及相位分布，同时具备大视场、高分辨。鉴于此，面向纳米测量与检测的多维度需求，进一步研究相干衍射计算成像的新原理与新算法，研制宽光谱型、高分辨率型、反射型及透射型等多种配置的先进相干衍射计算成像显微镜，攻克快速鲁棒重构算法、系统参数精确原位校正等关键技术。在此基础上，利用所研制的设备，在生物医学、新型光电材料与器件等前沿领域，开展微纳结构与材料特性的微区测量与表征研究。
图1 相干衍射计算成像显微镜：(a) 光路图；(b) 原理样机
图2 叠层衍射计算成像显微镜典型应用：(a) USAF分辨率标靶；(b) 多层OLED器件微纳结构表征；(c) 生物细胞成像
(2) 极紫外叠层衍射成像系统研制与应用
极紫外叠层衍射成像利用极紫外-软X射线照明光源与叠层衍射成像原理来获取纳米级分辨样品信息，广泛应用于先进制程集成电路半导体纳米结构测量、缺陷检测、材料表征等，可实现亚十纳米成像分辨、原子级检测灵敏度。极紫外叠层衍射可重构出大视场范围待测样品的高分辨复振幅图像，包含吸收、相位、结构各向异性及三维形貌等丰富测量信息。针对集成电路制造中的极紫外光刻掩模缺陷检测（相位缺陷、吸收层缺陷等）、纳米图形晶圆测量和缺陷检测（埋层结构、界面掺杂等）、以及新型量子材料、拓扑材料和低维材料等领域中的纳米乃至原子级结构与材料光学性质开展测量表征应用。
图3 极紫外叠层衍射成像系统：(a) 系统光路图；(b) 系统三维结构示意图；(c) 极紫外掩模样件SEM表征结果；(d) 极紫外掩模叠层衍射原波长成像结果
(3) 基于计算成像的波前探测系统研制与应用
计算成像波前探测技术通过探测经衍射元件调制的衍射场序列，利用叠层衍射成像等恢复算法，反演求解照明探针复振幅，进而结合光场传播模型，获取光路系统光场的波前信息。基于无透镜架构的计算成像波前探测技术，可以实现衍射极限的波前重构，克服了传统波前探测技术空间分辨率受限于复杂精密光学元件的局限性。研制高动态范围、高鲁棒性、低复杂度、低成本的计算成像波前探测系统，并研究相位解包裹算法、空间误差标定等关键技术，可实现波前及多维时空光场高分辨、高精度探测，进而利用波前分析可拓展至波像差检测、微纳结构三维形貌测量等。针对光学元件面形测量、微纳结构与器件表征、光学系统波像差检测、光场探测及光束质量分析等典型应用场景开发相关测量系统和算法。
图4 计算成像波前探测系统：(a) 波像差测试原理图；(b) 三维空间光场探测；(c) 微纳结构三维形貌测量
(4) 叠层衍射穆勒矩阵成像偏振仪研制与应用
传统穆勒矩阵偏振仪受制于物镜成像光路，结构复杂、成本高昂，且成像分辨率和视场大小不可兼得。我们在叠层衍射计算成像系统中引入偏振调制，提出叠层衍射穆勒矩阵成像技术，基于计算成像方法实现穆勒矩阵成像测量。在光与样品作用前后分辨加入偏振调制与解调，探测不同偏振态下样品的叠层衍射场，利用计算成像算法重构出穆勒矩阵图像。基于此，研制叠层衍射穆勒矩阵成像偏振仪、傅里叶叠层衍射穆勒矩阵成像偏振仪等，研究矢量叠层衍射成像正向物理模型构建、穆勒矩阵图像重构算法、系统参数校准及误差标定、光学物理信息解析等关键技术，对各向异性样品如生物组织、低维材料、新型光电器件等展开测量应用，利用穆勒矩阵提供的全偏振信息，解析待测材料和微纳结构中的新颖光学物理现象及其物理机制。
图5 叠层衍射穆勒矩阵成像偏振仪：(a) 系统原理图；(b) USAF分辨率靶的穆勒矩阵图
代表性论文：
L. Liu, J. Du, B. Zhuang, M. Gong, J. Liu, H. Gu, and S. Liu, "Pushing the resolution limit of coherent diffractive imaging," Light Sci. Appl. 14, 298 (2025). [封面论文]
C. Chen, H. Gu, and S. Liu, "Ultra-simplified diffraction-based computational spectrometer," Light Sci. Appl. 13, 9 (2024). [封面论文]
C. Chen, H. Gu, and S. Liu, "Ultra-broadband diffractive imaging with unknown probe spectrum," Light Sci. Appl. 13, 213 (2024).
L. Liu, B. Zhuang, J. Du, L. Zhong, M. Gong, H. Chen, Q. Zhang, J. Liu, H. Gu, and S. Liu, "Wavelet-domain autofocusing algorithm for lensless ptychographic imaging," Measurement 253, 117634 (2025).
C. Chen, Y. Zhou, Y. Wang, H. Xia, H. Gu, and S. Liu, "Enhancing Monochromatization for Broadband Coherent Diffractive Imaging," IEEE Trans. Instrum. Meas. 74, 5038509 (2025).
L. Liu, L. Zhong, M. Gong, J. Du, H. Gu, and S. Liu, "An Efficient and Robust Self-calibration Algorithm for Translation Position Errors in Ptychography," IEEE Trans. Instrum. Meas. 73, 4503712 (2024).
L. Liu, W. Li, M. Gong, L. Zhong, H. Gu, and S. Liu, "Resolution-Enhanced Lensless Ptychographic Microscope Based on Maximum-Likelihood High-Dynamic-Range Image Fusion," IEEE Trans. Instrum. Meas. 73, 4502711 (2024).
C. Chen, H. Gu, and S. Liu, "Noise-robust ptychography using dynamic sigmoid-remolding," Opt. Laser Technol. 172, 110510 (2024).
L. Liu, W. Li, L. Zhong, H. Gu, and S. Liu, "An adaptive noise-blind-separation algorithm for ptychography," Opt. Lasers Eng. 169, 107748 (2023).
C. Chen, J. Liu, J. Zhu, H. Gu, and S. Liu, "Resolution-enhanced reflection ptychography with axial distance calibration," Opt. Lasers Eng. 169, 107684 (2023).
M. Gong, L. Liu, J. Du, B. Zhuang, J. Liu, H. Gu, and S. Liu, "Ptychographic Mueller matrix imaging (PMMI): principle and proof-of-concept demonstration," Opt. Lett. 49, 6409-6412 (2024).
M. Gong, L. Liu, N. Li, Q. Zhang, J. Liu, H. Gu, and S. Liu, "Ptychographic Mueller matrix imaging: in-situ system calibration and evaluation," Opt. Lett. 50, 6137-6140 (2025).
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