大焦深数字灰度光刻物镜设计

为了提高数字灰度光刻系统的焦深,研究了基于点扩散函数稳定性的光瞳编码优化方法,在此基础上综合考虑系统的成像对比度和分辨率,利用工程计算软件MAPLE和光学设计软件ZEMAX设计了一种分辨率为1m的含有5区相位型光瞳滤波器的长焦深数字灰度光刻系统。结果表明,系统调制传递函数表现出离焦不变性,在保证像方分辨率的前提下,系统的焦深被延拓到原有焦深的2.5倍以上,且在整个焦深空间内系统性能与焦点处保持一致,从而提高了光刻系统的工艺容限。所得实验结果与理论分析一致,说明了设计的可行性。     

相位板偏心对波前编码系统的成像影响分析

理论及实验分析了三次相位板的偏心对波前编码成像的影响。理论分析得到相位板倾斜和偏心后的波前编码系统的光瞳函数相位项的表达式。分析表明,当仅有偏心时,相位板位置变化会产生相位因子的变化效应和离焦量的改变,它们均与相位板的偏移量相关。同时仿真结果表明,偏心会改变点扩散函数(PSF)的能量分布及PSF包络的两条直角边长度,降低系统的调制传递函数(MTF)值;z向偏心对PSF的影响小于x向或y向的偏心对PSF的影响。实验结果表明,偏心在一定的范围内对PSF的影响较小,复原图像在焦深范围内的清晰度一致性较好;但是偏心会降低焦深延拓率。实验结果与理论分析结果具有良好的一致性。研究结果对基于相位掩模板的波前编码系统在空间光学系统、显微系统、红外成像等领域的应用具有较高的参考价值。     

大气湍流下超振荡望远成像的理论研究

为了实现大气湍流动态干扰下望远镜对远距离目标的超衍射极限成像, 采用光学超振荡原理局部衍射压缩光学系统点扩散函数, 并对提高成像分辨率效果进行了理论研究。结果表明, 中等湍流强度校正后, 波前残差均方根约为波长的1/15(波长λ=632.8 nm)时的干扰下, 超振荡光场调制能够实现望远系统点扩散函数的衍射压缩, 衍射压缩倍率为0.75;对不同中心间距双孔的成像研究验证了超振荡望远系统约0.80倍瑞利衍射极限的超分辨成像效果; 波前残差的均方根大小可能会导致望远系统点扩散函数的衍射压缩倍率和成像分辨率存在差异。此研究结果可应用于高精度星点定位、超分辨望远等领域。     

一种提高数字全息自适应光学系统成像分辨率的方法

结合传统光学成像系统的性能评价方法,在数字全息自适应光学系统中利用点全息图的自相关函数来评价系统的成像性能。受白噪声的自相关函数近似为狄拉克函数的启发,通过增加点全息图的随机性,使其自相关函数接近狄拉克函数,以提高数字全息自适应光学系统的空间分辨率。提出一种使用随机相位板来增加点全息图的随机性,进而提高数字全息自适应光学系统成像分辨率的方法。对该方法进行数值模拟,研究随机相位板像素个数和随机相位均方差对系统成像分辨率的影响,并在实验室内搭建实验光路对该方法进行实验验证。实验结果表明,使用随机相位板能够有效提高数字全息自适应光学系统的成像分辨率。     

应用波前编码技术的离轴三反系统的设计及其分析

波前编码技术是一种新兴的"光学一数字"一体化成像技术,可以在保持光学系统相对孔径不变的情况下扩展其焦深,并控制与离焦有关的像差.这一特性使得该技术在空间相机上的应用有着广阔的前景.讨论了波前编码技术在空间用离轴三反光学系统上的应用,通过建立以次镜为波前编码元件的过渡模型给出了光学设计的结果,并以调制传递函数(MTF)为评价尺度对传统系统和应用波前编码技术的新系统的成像特性进行了对比;同时讨论了焦深扩展因子对系统焦深扩展程度以及成像质量的影响.分析结果证明了波前编码技术在空间光学系统上的巨大应用价值.     

基于波前编码的无热化红外成像技术综述（特邀）

波前编码红外成像技术是一种结合光学编码和数字解码两步成像的计算光学成像技术。波前编码无热化红外成像系统通过在红外光学系统的光阑附近增加特殊面形的光学相位板,对场景红外辐射进行编码调制,使得在宽的环境温度范围内红外焦平面探测器输出的中间编码图像具有高度一致性,再对中间编码图像进行数字解码得到清晰红外图像。近年来,国内外学者开展了大量波前编码无热化红外成像技术的理论分析和原理验证,表明其无热化特性的有效性。文中结合作者近年来的研究工作,主要介绍波前编码无热化红外成像技术的研究背景、基本原理、关键技术、国内外典型的设计方案和原理样机、并展望了波前编码红外成像技术的应用价值和发展趋势。     

基于立方型相位板调制的波前编码图像恢复

针对立方型相位板对光瞳调制具有非旋转对称性及实际相位板方位测试困难从而导致实际波前编码系统后续图像不能准确恢复的问题,提出了以灰度梯度向量模方和为判据的等增量旋转调整点扩散函数(PSF)的维纳滤波方法。对于手持式裂缝检测波前编码系统的图像恢复,以ZEMAX软件设计得到的PSF为基础,根据立方型相位板PSF的旋转性质,进行旋转增量修正,并使用循环边界的方法消除截断振铃效应,来提高图像恢复的质量。实验表明,改进算法可以有效地修正系统的PSF,对波前编码实际系统图像的恢复有很好的适用性。     

波前编码离轴三反光学系统图像复原

渡前编码技术是一种新兴的"光学-数字"一体化成像技术,可以使光学系统在保持相对孔径及视场角不变的情况下将焦深扩展至原来的10倍左右.然而这种焦深扩展是以降低图像质量为代价的,因此,要通过数字图像处理的手段对由CCD直接采得的图像进行复原,使最终图像质量接近正常水平.介绍了一种针对这类图像的全新的图像复原方法,通过光学设计软件来求取复杂的点扩散函数,在复原过程中引入了正则化因子.应用该方法并对由一个应用波前编码技术的离轴三反光学系统所成的模拟像进行了复原,得到了很好的效果,复原图像的NMSE优于0.019,PSNR优于23.7.而且修改滤波器的某些参数可以使复原图像更适合于人眼观察.     

不同光瞳对波前编码成像系统的影响

波前编码成像技术是一种光学编码和数字解码相结合进行景深延拓非常有效的技术.为了深入研究波前编码成像系统的成像性能,在介绍了波前编码成像原理的基础上,通过对比分析方形光瞳和圆形光瞳在编码前后分别对应不同离焦情况下的点扩散函数PSF和相应光学系统的模拟成像,得出:在传统光学系统中,圆形光瞳的离焦抑制能力优于方形光瞳;而在波前编码光学系统中,方形光瞳的离焦抑制能力明显优于圆形光瞳.这一结果对光学系统设计工作者具有非常重要的参考价值.     

基于波前编码的红外无热化光学系统相位掩模板热效应特性分析

分析了基于波前编码技术的无热化光学系统中相位掩模板的自身热效应,得到了不同温度下光瞳处相位板相位函数的变化.分析了由相位板热效应引起的波前编码系统成像特性的变化.通过数值及图像仿真证明了相位板热效应对波前编码无热化光学系统性能产生的影响.结果表明,相位板热效应对系统MTF(调制传递函数)的离焦不变特性和编码图像的可复原性产生严重的影响.     

基于加速正则化RL算法的大气湍流退化图像盲复原方法

提出了一种基于加速正则化Richardson-Lucy（RL）算法的大气湍流退化图像盲复原方法（AccRLTV-IBD）。在总变分（TV）正则化RL算法的基础上,引入二阶矢量外推加速技术对其进行加速,形成加速正则化RL（AccRLTV）算法,并将该算法应用到迭代盲目反卷积（IBD）算法中。使用长曝光大气湍流光学传递函数（OTF）的物理模型或根据图像来获取初始的点扩散函数（PSF）,在灰度平均梯度（gray Mean Grads, GMG）的基础上定义了一个相对灰度平均梯度（relative Gray Mean Grads, RGMG）参数作为无参考图像复原质量的评价标准。模拟图像和实际湍流退化图像复原结果表明,基于RL的IBD算法要优于基于Wiener滤波的IBD算法,并且与RL-IBD算法相比,AccRLTV-IBD收敛速度更快,复原效果更好。     

基于改进点扩散函数的遥感图像超分辨率重建

为了提高遥感图像空间域重建质量, 采用改进凸集投影(POCS)算法的点扩散函数, 提出了一种改进的POCS超分辨率重建算法。首先给出POCS算法基本原理以及具体实现步骤, 在此基础上对算法做出改进, 即对待重建的高分辨初始帧进行边缘检测, 对检测到的边缘像素点应用改进的点扩散函数(PSF), 使边缘处像素点对应的PSF水平方向与垂直方向系数依据边缘斜率变化而设置不同的权重; 最后分别采用两组数据集对改进POCS算法的有效性进行验证。结果表明, 该改进的POCS算法有效地提高了图像重建的效果, 两组实验平均绝对误差效果分别提升了0.79%和0.26%, 达到了提高图像重建质量的目的。该算法具有较好的实际应用价值。     

Polyphase back-projection filtering for image resolution enhancement

The method for reconstruction and restoration of super-resolution images from sets of low-resolution images presented is an extension of the algorithm proposed by Irani and Peleg (1991). After estimating the projective transformation parameters between the image sequence frames, the observed data are transformed into a sequence with only quantised sub-pixel translations. The super-resolution reconstruction is an iterative process, in which a high-resolution image is initialised and iteratively improved. The improvement is achieved by back-projecting the errors between the translated low-resolution images and the respective images obtained by simulating the imaging system. The imaging system's point-spread function (PSF) and the back-projection function are first estimated with a resolution higher than that of the super-resolution image. The two functions are then decimated so that two banks of polyphase filters are obtained. The use of the polyphase filters allows exploitation of the input data without any smoothing and/or interpolation operations. The presented experimental results show that the resolution improvement is better than the results obtained with Irani and Peleg's algorithm.     

Image restoration in X-ray microscopy: PSF determination andbiological applications

We show that digital image processing methods can be applied to enhance the quality of X-ray microscopic images. One application of X-ray microscopy is imaging of biological specimens in their natural aqueous environment. Since X radiation can introduce structural changes in these objects when observing them at room temperature, it is sometimes necessary to take images with short exposure time. The image quality can thus be reduced due to low signal-to-noise ratio (SNR). Digital image processing methods can be applied to reduce image degradation caused by noise. Another example of a digital image processing method we applied to X-ray microscopy images is contrast enhancement of structures near the resolution limit of the microscope. Structures of 20 nm in size, which show weak contrast in the original image, become more clearly visible after restoration. Since image restoration methods are based on the knowledge of the optical transfer function (OTF) or the point spread function (PSF), a handy method for quick PSF determination is presented. An iterative image-restoration method was applied to pictures obtained with the Gottingen transmission X-ray microscope at BESSY. Results of image quality enhancement by this method are shown for images of polytene chromosomes of Chironomus Thummi larvae, test-structures and in situ hybridization on Xist RNA using biotinilated DNA probe     

嫦娥一号卫星CCD立体相机影像超分辨率重建算法

针对嫦娥一号卫星CCD立体相机空间分辨率不足的问题,运用最大后验概率估计法(MAP)实现了月表影像的超分辨率重建。介绍了嫦娥一号卫星CCD立体相机的成像模型,分析了图像获取过程中的主要影响因素,并建立了相应的超分辨率重建模型。基于该模型,首先采用误差-参数分析法估计嫦娥一号卫星CCD立体相机动态成像光学系统的点扩散函数(PSF);然后将估计的PSF应用到MAP算法所建立的目标函数中,采用共轭梯度法对目标函数进行最值求解;再通过VC软件平台编程实现了对单帧正视月表影像的超分辨率重建;最后从信息熵、清晰度和频谱等方面对重建图像进行评价,结果表明重建图像像质优良。     

基于超分辨力图像复原算法的模糊系统辨识

由于利用已有的知识和经验得到的点扩散函数(PSF)估计值与真实值之间的偏差会直接影响图像复原质量。为准确地估计PSF,使其向真实的点扩散函数类型和参量逼近,采用超分辨力图像复原MPML算法同几种常用的数字图像去模糊处理进行比较分析,通过实验表明：MPML算法具有其他几种算法的优势,同时减少了对原有信息的丢失;在此基础的同时,按照点扩散函数的分类,分析了点扩散函数的不同估计值及其对图像复原的影响,提出基于超分辨力图像复原算法的图像细节评价参数D,保证了复原图像主观效果和评价参数的一致性。对于模糊图像的系统辨识及其图像复原问题的解决具有实际意义,但对于附加较大噪声条件下的图像复原仍是需要进一步研究的问题。     

基于PSF改进的POCS超分辨率图像重构

为了提高重构的图像质量,给出了模拟一修正迭代的凸集投影（POCS）超分辨率图像重构方法和具体实现步骤。针对重构的超分辨率图像高频分量不足的缺点,提出了一种有效的改进方法。该方法通过对点扩散函数（PSF）的改进做到了有效地保留POCS超分辨率图像重构算法中的边沿信息。仿真实验结果表明,该方法可行性好,能够有效地保持高频分量,从而达到提高图像质量的目的。     

基于结构照明的超分辨荧光显微成像重建算法

由于具有低光毒性、高速宽视场以及多通道三维超分辨成像能力,超分辨结构照明显微术(SR-SIM)特别适合用于活细胞中动态精细结构的实时检测研究。超分辨结构照明显微图像重建算法(SIM-RA)对SR-SIM的成像质量具有决定性影响。本文首先简要介绍了超分辨显微术的发展现状,阐述了研究SR-SIM图像重建算法的必要性;然后介绍了SR-SIM的成像原理,并重点介绍了SR-SIM图像重建算法,包括SR-SIM中频繁使用的去卷积重建算法、SR-SIM校准与重建过程中参数值获取的算法,以及目前发展的超分辨结构照明显微图像重建算法,并介绍了SR-SIM工具箱;最后总结了当前发展超分辨结构照明显微图像重建算法需解决的5个问题。     

基于深度学习的单像素相机超分辨率成像优化

基于压缩感知和单像素成像的基本原理,设计了一种用于图像超分辨率重建的新型深度卷积神经网络架构.这种单像素超分辨率成像算法成功地将深度学习图像超分辨率重建技术与压缩感知单像素成像技术相结合,从而发展出一种全新的深度学习单像素成像优化方法.与传统的常规压缩感知图像重构算法相比,该算法有效提升了图像超分辨率重建精度和单像素成像质量.通过图像重建的仿真实验和单像素相机的成像实验验证,结果表明这种基于深度学习的新型单像素相机成像方式具有良好的性能表现.     

一种改善图像边缘效果的POCS超分辨率重建方法

利用图像超分辨率重建(SRR)技术可以在现有成像系统基础上提高图像空间分辨力。凸集投影(POCS)是超分辨率重建的主流方法之一。对POCS算法进行了改进,具体改进体现在两个方面:(1)用可控核回归插值图像作为POCS重建的初始估计以提高初始估计图像的质量;(2)将POCS重建中使用的点扩散函数(PSF)由高斯核改为可控核以减少重建图像的边缘振荡效应。对所提出的算法进行了仿真,实验结果显示采用本文方法重建图像的边缘效果有了明显的改善。