紧凑双光路单像素成像系统（特邀）

不同于使用阵列探测器的常规数码相机,单像素相机使用不具空间分辨能力的单像素探测器对目标进行成像。由于其工作波长覆盖广、灵敏度高,单像素相机在特殊波段和弱光照明等特殊场景中较普通相机更有优势,在遥感探测、显微成像、军事侦察等领域得到广泛应用。提出一种紧凑型单像素成像系统,该系统利用数字微镜阵列的工作特性形成了对称的折叠双光路以快速完成差分测量。紧凑的结构降低了相机系统的体积,使系统可采用标准尼康镜头作为成像透镜。系统具有双光路差分成像、双光路平均降噪、宽谱波段成像、双光路交替采样等多种模式,并且可根据场景对重建图像信噪比、实时帧率、成像波段的不同需求切换应用模式。基于系统样机的实验结果表明其能实现预期的功能、达到相应的性能。紧凑型单像素成像系统的提出是一次较成功的单像素成像工程化尝试,为单像素成像技术后续的实际应用奠定了较好的技术和工程基础。     

单像素成像在特殊波段及三维成像的应用发展

与传统的面阵成像技术不同,单像素成像技术作为一种新型的计算成像技术,使用不具备空间分辨能力的桶探测器,结合空间光场调制技术,通过关联算法重构待成像物体的空间强度信息,在研究界得到了广泛的关注。近年来,单像素成像技术被广泛应用于各种波段的成像领域,尤其是在某些面阵探测器价格昂贵甚至无法制备的特殊波段,单像素成像技术逐步发展为一项低成本高成像质量的替代技术。并且,在三维成像技术中,大量基于单像素成像的相关研究工作也被相继提出。文中主要介绍了单像素成像技术的基本原理及应用发展历程,并着重介绍了其在条纹结构投影三维成像技术中的应用工作。     

单像素成像理论与方法（特邀）

单像素成像技术是一种可通过无空间分辨能力的单像元探测器来获取目标图像信息的新型成像技术,与传统“所见即所得”的光学成像技术相比具有高灵敏、抗干扰和高分辨等一系列优点,在遥感探测、国防军事和生物医学等领域有着广阔的应用前景。近年来,随着计算能力的提升和光电器件的发展,单像素成像受到越来越多学者们的关注。简要回顾了单像素成像的发展历程,详细介绍了单像素成像的基本原理、调制矩阵设计、图像恢复算法等方面的研究进展,并对其应用场景和未来发展趋势进行了总结和展望。     

基于稀疏和冗余表象的鬼成像雷达研究进展

基于稀疏和冗余表象的鬼成像雷达(Ghost Image via Sparsity Constraints,GISC Lidar)是一种结合光场空间涨落特性和现代信息论的全新雷达成像体制,其成像视场和分辨率无关,由此可在探测时采用大视场凝视成像模式捕捉运动目标以对其进行高分辨率成像探测。与闪光照相雷达需要将目标的反射光信号成像分布在焦平面阵列光电探测器件上相比,GISC雷达只需要一个无空间分辨能力的单像素探测器接收目标场景的全部反射光信号,因此可以极大地提升系统的成像探测灵敏度。此外,GISC雷达在成像探测过程中可以利用图像的各种先验约束,从而突破奈奎斯特采样定理对采样次数的要求,大幅度提高图像的信息获取效率。文中将结合上海光机所将鬼成像技术应用于雷达探测的研究历程,介绍GISC雷达研究进展,并指出GISC雷达工程化实际应用中仍待解决的若干问题。     

单像素成像及其在三维重建中的应用

不同于数码相机使用光电探测器阵列来获取图像,单像素成像通过使用一系列掩膜图案对场景进行采样,并将这些掩膜图案中的信息与单像素探测器测量得到的相应光强做关联计算以重建图像。虽然在传统可见光成像领域,单像素成像性能远不如数码相机,但许多研究成果表明,其在复合波长、太赫兹、X射线以及三维成像等一些非常规应用中具有一定优势。介绍了单像素成像技术的发展历程,用数学模型对其成像原理进行了解释,并分析了影响其性能的要点。此外,文中还对三维单像素成像技术的研究工作及其潜在的应用前景进行了总结和展望。     

掩膜版调制关联成像的发展及应用(特邀）

关联成像作为一种新型的计算成像技术,使用不具备空间分辨能力的单像素探测器,结合空间光场调制技术,运用关联算法重构出目标的二维空间信息,成为近二十多年来广泛关注的研究课题。单像素探测器和结构光调制器作为关联成像中的两个核心要素,其性能直接决定了关联成像的各项指标。单像素探测器往往具有极高的光谱响应范围和工作带宽,但结构光调制器却少有与之匹配的性能。因此在一定程度上,结构光调制器的更新历程决定了关联成像技术的发展史。到目前为止,在关联成像中常用的结构光调制器有毛玻璃、空间光调制器、LED阵列以及掩膜版。其中,掩膜版作为一款有着悠久历史的结构光调制器,目前依旧是关联成像中空间调控的重要手段,并发挥着不可替代的作用。以关联成像的基本概念和发展历程为铺垫,着重介绍了一些基于掩膜版调制关联成像技术的工作原理及应用前景,并对非光学波段的掩膜版关联成像工作进行了简要的总结。     

基于像素偏振片阵列的实时水下目标成像技术

借助偏振成像可以增强水下目标的探测效果。传统的偏振成像方法需要光学检偏器的机械转动来实现,这限制了其在水下的实时探测性能。采用基于像素偏振片阵列图像传感器开发的相机设计了一种水下实时成像系统。系统通过阵列上排布的四向微偏振片一次性捕获四向偏振图像,从而全局估算背景杂散光的偏振角和偏振度。然后利用偏振信息反解得到杂散光光强,最后借助水下成像物理模型得到去散射后的目标增强图像。实验结果表明,将像素偏振片阵列图像传感器应用到水下成像能够有效增强水下图像的对比度,且成像处理过程实时快速,进一步提高了水下目标的探测效率。     

基于Zemax仿真的红外光场成像技术

光场成像作为计算摄影学的研究方向之一,可以通过单次拍摄得到目标的四维全光信息,包括空间两维以及角度两维信息,由此可以通过多视角立体匹配原理实现三维成像。目前光场成像集中应用于可见光领域,用于其他光学成像波段的情况较为少见。本文提出基于Zemax仿真的红外光场成像技术,将光场成像系统与长波红外成像系统相结合,从光场成像原理以及长波红外成像特性出发,对长波红外光场成像系统结构设计进行了深入研究,同时为了提升三维成像的效果,分析了红外光场成像系统光学参数对深度分辨率的影响,得出深度分辨率主要由微透镜成像关系、微透镜工作F数、主透镜焦距、物距以及探测器像素尺寸确定。针对长波红外探测器像素数较少的情况选择了聚焦型光场成像系统,根据设计结果,使用Zemax仿真验证了长波红外系统与光场成像系统相结合的可行性以及理论设计的正确性。     

阵列探测器在成像光谱偏振探测技术中的应用

为了在成像光谱偏振仪中应用近红外焦平面阵列探测器,得到高质量图像信息,结合新型弹光调制型成像光谱偏振探测技术(PEM-ISP),提出了一种基于近红外焦平面阵列探测器的成像光谱偏振探测技术。系统采用FPA-640512 InGaAs焦平面阵列探测器作为光学探测接收元件,采用高速现场可编程门阵列(FPGA)作为信号处理单元,做到对光学信号的快速采集与并行处理,满足高速、实时的信号传输与处理技术等要求。将经高速A/D采集得到的数据存储到FPGA外扩的静态随机存储器中,以保证数据的完整性。数据最终通过通用串行总线传至上位机,上位机通过LabVIEW实现图像还原。结果表明,该系统可以应用于PEM-ISP中,实现对测量信号的精确探测与采集,并得到完整的图像信息。     

G-APD阵列——一种具有单光子灵敏度的三维成像探测器

介绍了一种利用盖革模式雪崩二极管(G-APD)作为成像单元的新型阵列光电探测器,重点介绍了该新型成像光电探测器的关键技术、器件研发和系统应用的发展状况。G-APD阵列探测器兼具单光子探测灵敏度和皮秒级时间分辨率两大特点,适用于对极微弱光目标的三维成像探测。同时,G-APD阵列探测器又是一种全固态的光电探测器件,不仅体积小、重量轻、可靠性高,而且还可用现有的微光电子工艺进行规模化生产。因此,G-APD阵列是目前阵列光电探测器件的一个重大发展,必将在各种高端光电成像领域获得广泛的应用。     

傅里叶单像素成像技术与应用

非可见光成像是光学成像领域中的难题之一。单像素成像作为一种新型的计算成像技术,利用空间光调制技术,可实现只使用一个无空间分辨能力的单像素探测器获取物体的空间信息。因此单像素成像是解决传统成像在非可见光波段成像难题的潜在解决方案之一。近年,傅里叶单像素成像技术被证明是一种可以兼得高成像质量和高成像效率的单像素成像技术。自2015年被提出至今,傅里叶单像素成像已经从二维成像推广到三维成像、从灰度成像推广到彩色成像、从静态成像推广到动态成像、从单模态成像推广到多模态成像、从宏观成像推广到显微成像,发展出一系列的成像技术。对傅里叶单像素成像技术的基本原理、与之相关的成像技术和应用进行了综述,并讨论了现存的一些关键问题以及今后可能的研究方向。     

单像素成像与超表面成像（特邀）

单像素成像作为一种典型的计算成像方式,利用单像素探测器测量一系列掩模图像照射目标之后的光强值,进而通过不同重构算法恢复目标图像。相较于多像素探测器(CCD或CMOS),单像素成像克服了硬件的限制,在某些特殊波段,探测效率更高,响应更快。超表面是由亚波长的金属或介质单元构成的二维人造结构。在可见光波段,超表面可以调控入射光的多种自由度以实现多通道全息图的显示;在微波波段,超表面可以与导波模式进行耦合辐射出多种模式图案。简单介绍了单像素成像的研究背景、成像原理和重构算法、超表面成像的研究背景,并主要讨论了两种成像方式在可见光波段以及微波波段的结合以及相关研究,最后提出了未来的发展方向。     

像素偏振成像系统的耦合实现

通过将像素偏振片组阵列与CCD光敏元耦合对准,对像素偏振成像系统耦合技术进行了研究。针对偏振片组阵列与CCD尺寸不匹配的问题,采用多种工艺方法进行了加工处理,提出了完整的耦合对准工艺。文中研制的成像系统可以通过一片成像探测器同时获得4个不同偏振方向的斯托克斯分量,得到所拍摄物体的线偏振度图像和线偏振角图像,实现图像的偏振增强,经后处理形成所需要的偏振图像,有利于在复杂环境中获取目标信息。     

空间编码复用散斑多信息融合关联成像(特邀)

提出空间编码复用散斑技术来实现单个单像素探测器对多个物体信息的同时探测获取。使用空间编码复用散斑对多个物体信息进行照明,使用单像素探测器对回波信号进行探测,利用关联算法获取混叠多物体信息,然后用空间编码信息对随机采样的多个物体信息进行解码,最后采用压缩感知技术对完整的多个物体信息进行复原。使用该技术分别实现了对多空间、多光谱和多偏振信息的同时探测获取,实验结果证实了该技术的有效性,该技术可有效降低系统数据量,提高关联成像系统的成像效能。     

焦距对计算关联成像质量影响的实验研究

传统光学成像要求像面在成像透镜组的焦平面上,以此获得最大的光通量,因此焦距对成像质量影响较大。研究了焦距对计算关联成像成像质量的影响,搭建计算关联成像系统,利用桶探测器信号的强度涨落分析不同焦距下的关联成像结果,分析了背景光强对强度涨落的影响。结果表明:焦距和背景光强的变化对计算关联成像成像质量影响不大,解决了热光关联成像中两光臂不等形成的散焦造成成像质量下降的问题,并且该成像只用一个无空间分辨能力的探测器就能完成高分辨率成像,降低了对探测器分辨能力的要求,避免了光通量在维度上的分配,提高了信噪比,且无需成像透镜,该成像方式非常适合用于极弱背景下的成像探测。     

基于液晶显示器的无透镜单像素成像研究

根据获取物体傅里叶频谱实现单像素成像的理论,提出了通过对液晶显示器(LCD)加载一系列灰度条纹图像,并利用置于屏幕前的单点光电探测器接收物体透射光强,来实现无透镜单像素成像的方法。该系统降低了对硬件的要求,光路紧凑,灵活性强。从理论上证明了LCD加载图像时图像灰度与透射光强之间存在的非线性关系对系统成像没有影响,从实验上验证了该方法的可行性。该系统的成像实验表明,加载条纹后需预留给显示器液晶分子一定的响应时间,使探测器准确获取光强,可显著减小背景噪声和共轭像干扰,提高重建图像质量。     

Multispectral system for medical fluorescence imaging

The principles of a powerful multicolor imaging system for tissue fluorescence diagnostics are discussed. Four individually spectrally filtered images are formed on a matrix detector by means of a split-mirror arrangement. The four images are processed in a computer, pixel by pixel, by means of mathematical operations, leading to an optimized contrast image, which enhances a selected feature. The system is being developed primarily for medical fluorescence imaging, but has wide applications in fluorescence, reflectance, and transmission monitoring related to a wide range of industrial and environmental problems. The system operation is described for the case of linear imaging on a diode array detector. Laser-induced fluorescence is used for cancer tumor and atherosclerotic plaque demarcation using the contrast enhancement capabilities of this imaging system. Further examples of applications include fluorescing minerals and flames.