基于多距离相位恢复的无透镜计算成像技术

迭代相位恢复是一种将算法优越性与成像系统相结合的计算成像技术,它将有助于显微镜的小型化与低成本化。基于多距离相位恢复的无透镜成像技术因其高分辨、大视场以及无相差等特性成为计算成像领域的一个研究热点。多距离相位恢复可通过不同衍射距离下的多幅强度图样迭代重建出样品的完整波前信息。目前,无透镜多距离成像系统存在倾斜照明、收敛迟滞、初始距离无法直接测量、真彩色成像疵病、分辨率受限等问题。文中系统地综述了国内外研究团队针对这些问题的解决措施以及最新研究进展,并给出了相对应的实验验证。     

基于柱透镜多旋转测量的计算成像

提出一种基于单柱透镜旋转调制的光学扫描成像系统,样品的完整波前信息可以通过柱透镜旋转调制的多幅强度图样迭代重建。此外,柱透镜的旋转角度作为该系统的一个关键参数,其值通过基于Radon变换的数值计算方法得到,摆脱了对高精度旋转设备的要求。该成像系统的可行性在仿真和实验结果中均得以验证。与轴向多距离扫描成像系统相比,该成像系统中各光学元件在轴向位置保持固定,数据获取速度得以加快且轴向采样率保持固定,不仅简化了光场重构中的算法设计,而且极大地加快了收敛速度。     

高通量快速傅里叶叠层显微成像技术研究进展

傅里叶叠层显微术（Fourier ptychographic microscopy,FPM）是一极具前景的计算成像技术,它具有高分辨率、大视场、无标记和定量相位等优势。由于它灵活的系统、高对比度的成像结果、无需干涉装置和光源机械扫描部件,在数字病理学、体外细胞无标记观察和实时监测等方面得到了大量的研究和应用。文中主要介绍了FPM技术的系统误差校正方法、基于FPM的高通量显微成像和高速显微成像技术研究的基本原理、研究现状和最新进展,提出了目前面临的问题以及未来的发展趋势。     

傍轴光学系统的相干光成像计算

衍射受限的相干光成像研究中,存在两种计算公式,一种是在特定近似条件下导出的单透镜成像系统像光场振幅分布计算公式,可以推广到多元件构成的光学系统中.另一种是直接计算光学系统像光场振幅及相位分布的公式.为了分析两种公式的实用价值,以两个透镜组成的成像系统为例,在不同空间位置放置孔径光阑,对比了两种公式的理论计算与实验测量结果.     

双通道衍射计算成像光谱仪系统

常规衍射光谱成像系统采用单通道方案,主要针对简单图形目标或光谱特征已知的气体目标进行模拟仿真和光谱成像实验。而当目标为自然场景等复杂景物时,成像系统的光谱解算效果和精度难以保证。针对复杂景物成像,设计了一套双通道可见近红外衍射计算成像光谱仪系统,在常规单通道衍射成像光谱仪系统的基础上,增加一路全色相机成像,可以为衍射成像通道提供复杂景物的全色信息和先验知识。将两个通道的数据进行联合处理,提升最终的光谱数据反演效果和反演精度。介绍了系统组成和基本原理,分析了系统性能,利用仿真程序模拟了系统成像过程。在实验室搭建了可见近红外衍射计算成像光谱原理验证装置。对实验得到的450~800 nm的可见近红外混叠光谱数据进行光谱复原。利用海洋光学光谱仪测试色板的光谱曲线作为标准谱线,与复原得到的光谱数据进行对比,反演的光谱数据平均精度优于90%。通过衍射计算成像原理分析、模拟仿真和原理实验,验证了双通道衍射计算成像系统原理的正确性,能够反演得到精度优于90%的复杂景物光谱数据,提升了衍射成像光谱系统应用潜力和应用价值。     

基于深度测量的三维成像技术

由于三维（3D）成像技术有着广泛的应用,尤其是在信息和生命科学领域的应用,因此越来越受到人们的关注。这些技术大致可分为两类:基于光线的三维成像技术和基于波前的三维成像技术。传统成像技术存在系统装置复杂和成像质量不尽人意等问题,极大限制了其在相关领域的应用,因此基于深度测量的三维成像技术越来越受到重视。文中概述了基于深度测量的三维成像技术,分别详细描述了基于深度测量三维成像的光线场和光波场的相关技术,给出了光线场和光波场成像技术之间的联系,基于这些描述和分析,给出了基于深度测量三维成像研究领域的研究方向。     

差分相衬显微成像技术发展综述

差分相衬（Differential phase contrast,DPC）成像是一种基于部分相干照明调控的无标记非干涉相位成像方法,它为未染色透明样品提供了一种快速、有效且高分辨率的可视化手段。DPC通过多次非对称照明调控或非对称孔径调制使不可见的样品相位信息转换为成像器件可直接探测的强度信号,从而为定性相衬成像甚至定量相位重建提供了可能。近年来,随着该领域研究的逐步深入,成像的相位传递函数得以明确推导,DPC已经逐步从定性观察走向了定量研究。另一方面,得益于全孔径照明调控和高效相位反卷积算法,DPC定量相位成像的空间分辨率可达到非相干衍射极限,并能够获得低噪声、高精度的定量相位重构结果。通过与三维光学传递函数理论交融借鉴,DPC最近已被进一步拓展到了三维衍射层析领域,实现了厚样品三维折射率的定量成像。文中从DPC成像方法的基本原理、成像系统与算法优化等几个方面对其历史发展、研究现状和最新进展进行了详细综述,并讨论了该方法现存的一些关键问题以及今后可能的研究方向。     

硬X射线相位相衬成像研究进展

自从20世纪90年代中叶以来,硬X射线相位相衬成像技术因其对弱吸收材料的极高灵敏度引起了国内外广泛的关注,医学及生物成像是相位相衬成像的主要目标.详细论述了各种相位相衬成像技术的研究进展情况.     

计算光学成像系统测算提速方法综述（特邀）

为克服扫描计算成像系统测量和计算速度慢的缺点,综述一些快速计算成像技术,从测量和计算方面论述提高速度的方法。在基于光场调制的计算光学成像法中,介绍轴向扫描、横向扫描、多波长扫描、散射介质、多距离等调制方式。针对快速定量相位成像技术,介绍定量相位成像方法、基于Kramers-Kronig关系的快速定量相位成像方法、基于对角扩展采样的计算成像方法、基于对称照明的单帧计算成像方法。针对自动聚焦技术,介绍自动聚焦技术分类、核心算法、基于Tanimoto系数和多相梯度绝对值的自动聚焦方法、基于特征区域提取和细分搜索的快速自动聚焦方法。     

相位恢复算法研究进展

相位恢复技术是波前重构技术的一个重要分支,重构的结果只取决于测量平面光强的分布,相比于其他的波前重构方法,相位恢复技术具有不需要在光路中添加额外硬件、光路简单、对光路环境的要求低、抗干扰能力强等优点,在光束整形、激光光束净化和干涉成像等领域有着非常广阔的应用前景。相位恢复的精度及速度是评价相位恢复技术的主要准则,此领域目前文献比较繁杂,本文梳理了相位恢复算法的发展脉络,围绕相位恢复算法的收敛精度与收敛速度等核心问题,系统的介绍了迭代及光强相位恢复算法的相关研究进展,并且对相位恢复算法的发展前景进行了展望。     

无透镜显微成像技术

在光学显微实验的发展过程中,同时实现大视场、高分辨率的成像是未曾改变的目标.传统的光学显微镜系统由于其设计原理的限制,空间带宽积一般只能限制在百万像素量级.另一方面,传统的光学显微镜日趋昂贵、复杂、笨重且难以维护.无透镜显微成像技术一种新概念计算成像技术:其不利用成像透镜聚焦,而直接将所观测的样本通过对相位的分析以及特...     

相干衍射成像研究进展:叠层扫描相干衍射成像和相干调制成像

相干衍射成像技术是一种无透镜计算成像技术。该技术通过迭代算法求解相位问题,直接从衍射强度数据重构物体的振幅和相位图像信息,可获得由照明光源波长和数据记录有效数值孔径决定的衍射极限分辨率。由于相干衍射成像技术不依赖于高质量光学成像元件的使用,因而适合用于深紫外、X射线以及电子束等诸多很难制作高性能成像器件的辐射源。过去20年来新型光源（冷致电子枪、第三代和第四代同步辐射光源、自由电子激光器）、单粒子计数高灵敏度、宽动态范围面阵检测器的迅猛发展,也极大地促进了相干衍射成像技术的发展。目前相干衍射成像在材料科学和生物学等热门学科方向上已经显示出了相较传统方法的独特优势,在部分应用上已经逐渐成为主流技术。文中概略回顾相干衍射成像的发展历史。重点介绍叠层扫描相干衍射成像和相干调制成像这两种快速发展的技术。     

压缩成像技术研究进展

以奈奎斯特采样定理为准则,高速信号采样再压缩的传统成像方式存在明显缺陷。基于压缩感知理论的压缩成像技术则突破了传统成像系统设计理念,利用硬件实现目标图像的非自适应线性投影,从而达到利用较少数目探测器获取高精度目标图像的目的。详细阐述了压缩感知理论框架及其关键技术问题,并就目前压缩成像系统的原理和难点问题进行了深入的探讨和分析。     

光子筛成像技术研究进展

光子筛是一种新型的纳米成像元件,具有高分辨、质量轻、体积小及易复制的优点,对于成像系统轻量化以及极短波谱区成像具有重要意义。根据解决的具体问题对国内外光子筛研究成果进行分类,从成像对比度的增加、衍射效率的提高、宽光谱成像和高数值孔径光子筛设计等方面详细介绍了光子筛的发展现状,并针对这四方面研究内容分析了目前尚需解决的技术问题。这些问题仍然是今后光子筛研究的主要方向。指出光子筛实用化面临的其他客观存在的问题,并展望了光子筛在天文望远镜、显微镜和光刻等领域的应用前景。     

二维高通量光学显微成像技术研究进展

传统光学显微镜的视场与空间分辨率是相互制约的,如何突破这一限制,同时能兼得高分辨率和大视场的高通量成像,成为当前显微成像技术领域的主要研究方向之一。该科学问题的突破将有助于加速科学研究、提高生产制造能力、为医疗辅助诊断提供新工具。本文介绍比较了大孔径物镜制造与曲面探测技术、扫描拼接技术、傅里叶叠层显微成像技术、宽场结构光照明技术和无透镜片上显微成像技术在内的5种高通量显微成像技术。分析了高通量显微成像技术研究的当前现状、所面临的问题以及未来的发展趋势。分析指出,计算光学成像技术正逐渐成为目前高通量显微技术的主要手段,通过计算绕过或者突破光学系统的物理限制将开辟高通量显微成像新时代。