嘉宾观点 | AI + 计算光学“接管”波前传感：从硬件测量到算法求解

如何测量一束光的波前？传统方法往往需要借助微透镜阵列、剪切干涉仪或干涉光路，将不可直接探测的相位信息转化为可测量的信号。这些方法各有所长，但在空间分辨率、动态范围、系统复杂度以及复杂光场的适应性之间，往往需要做出取舍。清华大学曹良才教授团队换了个思路：不直接“测”相位，而是让光先经过一块调制片，再靠算法把相位“解”出来。一次曝光，像差、湍流、结构光、乃至散斑的完整波前，都可以实现定量表征。

在第27届中国国际光电博览会同期举办的 “AI + 计算光学成像” 新机遇论坛上，曹教授以《基于 AI 的波前传感器》为题，用计算成像的框架，介绍了这套波前传感创新方案。

传统波前传感：能测，但总在“取舍”

什么是波前传感？一句话，简单来说，就是测量光波在空间中的相位分布，从而了解光在传播过程中发生了怎样的变化。这件事看似简单，却是光场分析、解译与调控的前提，在光学检测、模式分析、散射成像、天文成像、量子态层析、合成孔径等领域均有应用。曹教授开场就点明：相干光场的测量和它衍生出的相干成像技术，是研究光场、研究光与物质相互作用最基本的手段，也是信息光学基础和应用研究的关键技术之一。

沿着这个前提，他以Shack–Hartmann波前传感器、多波剪切干涉仪等典型技术为例，分析了传统波前传感方法的特点与局限。这些方法虽然各具优势，但在空间分辨率、测量动态范围、系统复杂度和应用场景适应性等方面，往往难以兼顾。问题不在于能否实现波前测量，而在于如何突破不同性能指标之间的权衡。

正是这点不足，让他动了换思路的念头：与其在传统方案里继续做取舍，不如另辟蹊径，用计算成像的方法，设计一个新的波前传感器，突破性能的瓶颈。

换思路：把“测相位”变成“解方程”

曹教授的切入角度很直接：探测器最终记录下来的，说到底都只是强度信号，但这并不意味着相位信息无法被间接测量。如果能够通过设计光学调制过程，让原本不可直接探测的相位信息以特定方式编码进强度分布，再结合准确的物理模型，就有可能从单张强度图像中恢复出完整光场。这便是团队的设计思路：依托计算成像的方法，打造快照式、高分辨、集成化、通用型的波前传感器。

本质上，这属于计算成像逆问题。让光先经过一个编码调制器件——可以是一片衍射光学元件（DOE），也可以是超表面等纳米光学器件，搭配波前调控器件和图像传感器完成波前传感。入射光经过DOE后，其波前受到调制，并在后续自由空间传播过程中形成复杂的衍射强度图案。

这些图案看似随机，却包含着入射光场的丰富信息。从光学记忆效应的角度，可以直观理解这一编码过程：光波局部传播方向的变化，会引起散斑图案的相应变化；而入射光场的振幅分布，也会反映在探测到的强度信息中。这也是该方法的物理基础。

由此，强度分布和相位之间就构成了一个可求解的数学关系。剩下的就是设计波前重建的优化算法把它解出来，具体可借助 AI 或迭代算法实现。

这个思路带来的好处是结构性的：

单帧采集：一次曝光就能得到结果，不用进行多次采样。
高分辨率：分辨率不再受硬件单元限制，而是由重建算法和物理模型决定。
高度集成：装置仅包括“调制片 + 探测器”双层结构，天然小型化，无需参考光。
高通用性：突破了传统波前梯度测量技术对波前分布的约束，可测量具有复杂拓扑结构、强度剧烈变化的波前。

用曹教授的话说，这相当于用计算成像的方法，借助算力解决波前传感中的问题。

核心方法与实验验证：空频域正则化反演（SAFARI）

波前重建本质是一个非凸的逆求解问题，求解的关键，是给这个逆问题加上合适的约束。为此，曹教授团队提出Spatial And Fourier-domAin Regularized Inversion（空频域正则化反演）方法，简称SAFARI。

这个名字看起来复杂，思路其实很简单：有些解在空间上合理，放到频谱上可能就出现矛盾。那就同时从空间域和频率域两个维度对重建结果施加约束。确保求解结果在这两个维度上都成立。

这套算法包含数据保真函数与正则化函数，可引入物理约束、稀疏先验，或是经过 AI 训练的数据集，保证求解结果合理可靠。

落实到波前传感场景中，借助 SAFARI 算法，仅依靠单帧强度图像就能反演出完整波前。无论是 Zernike 像差还是各类复杂光束，都可以直接求解相位，还能一并处理相位奇点和阶跃相位这些传统方法一贯头疼的问题。

理论最终依靠实验来验证。曹教授在现场展示了多组实验成果：这套基于 SAFARI 算法的波前传感装置，能够完成各类复杂波前的定量表征。无论是携带像差的光束、高密度结构光，还是复杂散斑场，同一套“调制 + 求解”架构就能完成测量。整套系统空间结构分辨率可达700×700，相比现有方案，可测量的模式数提升约30倍。

小结

这项工作已经不止停留在论文与实验演示里。曹教授介绍，这套波前传感器已经完成了工程化，并在今年亮相了 CIOE 中国光博会。对于后续发展，他在演讲中也留下“未完待续”：第一代方案基于相干光场，第二代正向非相干、矢量光场方向持续推进。

结语

从微透镜阵列到一块调制片，从“测量波前”到“求解波前”。改变的不是底层物理原理，而是将系统复杂度从光学硬件转移到算法与算力层面。

当相位不再需要专用设备去“测”、而是可以靠计算去“解”的时候，波前传感的应用潜力，才真正被释放出来。