液晶微透镜阵列直接成像

针对传统显微镜结构复杂且视场角小等问题，提出一种两路低电压驱动的液晶微透镜阵列结构，透镜的焦距由3个电极控制，中间电极为圆孔阵列图案电极，作为孔径光阑以阻止微透镜外的杂散光。对该阵列的波前和光焦度进行了测试，搭建了一套简易液晶微透镜阵列直接成像系统，每个微透镜都对待观察物体的不同区域成像，通过近平行光照明减小相邻微透镜间的串扰，拼接所有单元图像得到完整图像。该系统无需额外的光学器件，结构简单紧凑。液晶微透镜阵列具有大视场，成像区域具备可扩展性，为实现大视场下的简易显微成像提供了新思路。     

模式液晶透镜的制备与光学成像特性研究

在原有圆孔型液晶透镜和模式液晶透镜(MLCL)理论的基础上,将MLCL的等效电路模型和液晶的连续弹性体理论相结合,提出了一种简洁的MLCL的理论仿真方法。利用已有的实验工艺制备出了通光孔径为4 mm,盒厚为50μm,方阻为2 MΩ/sq的MLCL。此透镜的成像特性和焦距都可以通过调节施加在透镜上的电压的幅值和频率来调控。搭建实验平台,来实际测量、观测不同电压值和频率下透镜的焦距和成像效果,并对之进行详细的分析。     

基于相干光调控的无透镜光纤成像及其应用（特邀）

基于多模光纤或多芯光纤的无透镜超细光纤内窥成像技术近些年获得了快速发展,有望成为下一代的极微创、高分辨率内窥显微镜。通过对相干入射光场的时空调控,该技术可克服多模光纤中模式色散或多芯光纤中相位畸变的影响,在无需光纤末端透镜或扫描器件的情况下实现高分辨率的聚焦、成像及相关应用。此外,在无透镜光纤内窥成像或图像传输等场景下,通过构建物理或深度学习模型,从光纤输出测量中也能实现物体信息重建。对相干光纤无透镜成像技术的发展进行综述,首先说明无透镜光纤成像的基础原理,并从主动波前调控和被动目标重建这两类角度阐述无透镜光纤成像方法,接着介绍一些先进光纤成像模态和技术,列举光纤成像相关应用,最后分析该领域所面临的挑战,总结并展望其进一步发展方向和应用前景。     

基于微透镜阵列的光场显微测量方法研究

与传统成像技术相比,光场成像技术能够利用光场中光线的传播方向信息,采用计算成像的方式极大地提高成像系统的景深。而传统的光学显微镜分辨率越高,景深越小。文章结合光场成像技术和传统光学显微镜,通过在显微镜一次像面插入微透镜阵列,提高显微镜景深,实现光场的显微三维测量。该系统通过单次曝光即可获得光场的四维光场信息,通过数字重聚焦技术和清晰度评价函数完成光场显微测量。实验结果表明,基于微透镜阵列的光场显微测量方法是可行的。测量系统以牺牲16倍横向分辨率为代价,将显微镜头景深提高了近100倍。     

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。     

硅基液晶投影系统的LED光源照明系统设计

硅基液晶(LCOS)空间光调制器件的特点是反射光成像,要求照明光束发散角小,均匀性好。对此,设计了由抛物型反光碗、复眼透镜、偏振分光棱镜、聚光镜等组成的用于LCOS的照明系统,对抛物反光碗以及复眼透镜各参数的设计原理做了详细分析,具体包括光源出射角度,光源的总体长度,所需均匀照亮的尺寸,抛物反光碗各参数对出射角度的影响,其实现原理主要包括复眼透镜匀光理论。设计要求光源出射角度小于10°,总体长度为220 mm,均匀照明面积为20 mm×20 mm,最后给出聚光透镜组的设计结果,使光线聚焦到LCOS表面,照度值要达到0.35 lx/m2,其不均匀度在15%以内。进一步使用Lighttools软件,对其进行仿真,由照度曲线图和照度栅格图可知,设计结果满足设计要求。     

具有成像功能的多重体全息光栅光谱色散器件

根据体全息光栅的透镜作用,使用平行光和会聚光记录多重光栅,光谱无需会聚透镜即可成像。在器件的设计中,分析了LiNbO3晶体材料色散的影响,并实验中对曝光时序实时监控,制作了8重光栅的光谱成像色散器件,整个输出谱面的宽度尺寸为8mm。     

液晶偏振变焦透镜组合设计

具有可变焦能力的透镜在成像、传感和检测等领域扮演着重要角色。本文通过研究液晶偏振透镜的光学特性,设计出多点变焦的液晶偏振透镜变焦系统。液晶偏振透镜是一种利用液晶分子指向矢(光学各向异性轴)特定的空间排列,产生特定几何相位差从而达到波前控制效果的光学器件,对于左/右旋圆偏振光分别表现为正/负透镜效果。利用液晶偏振透镜的偏振特性及液晶分子受电场调制的性质,本文设计出由一片普通正透镜、一片可调谐液晶波片和两片液晶偏振透镜组成的液晶偏振变焦透镜组合,在特定的偏振入射光下,可以实现7个焦距的改变。同时,通过优化透镜焦距、间隔等参数,可以使变焦透镜组合实现等间隔变焦等功能。实验结果显示,在633nm圆偏振光下,利用自主制备的液晶偏振透镜组成的液晶偏振变焦透镜组合系统成功实现了7个焦距的变焦功能,同时变焦距离基本符合预期且部分焦距(前6个)实现了等间隔分布,充分验证了利用液晶偏振透镜实现多点变焦的可行性。     

使用液晶微透镜的高分辨率三维重建双模相机

提出了一种基于液晶微透镜阵列的双模成像相机。该相机通过打开或者关闭加载在液晶微透镜阵列上的低频电压信号可以快捷地在传统平面成像模式和光场成像模式之间进行切换。液晶微透镜阵列通过常规紫外光刻和湿法刻蚀技术制作而成。通过将液晶微透镜阵列和感光传感器阵列以及主镜头耦合到一起,构造了一个双模成像相机的原型。通过该双模成像相机开展了相关实验,获取了同一目标物的光场图像和平面图像,并对孔径设计和两种工作模式下的景深进行了分析,给出了光场成像模式下目标物三维信息的计算方法,通过将三维光场数据和对应二维平面数据的信息进行融合获得了高分辨率三维图像。     

基于双DMD的红外场景投影仪光学系统设计

为提高中波红外场景投影仪的帧速和灰度等级,提出了一种基于双数字微反射镜器件(DMD)的光学系统方案。该光学系统包括照明系统和准直投影光学系统,照明系统采用可提供均匀照明的柯勒照明系统,利用2个非球面透镜简化结构,采用3片式全内反(TIR)棱镜来实现光路的折转衔接以及2个DMD调制的叠加;准直投影光学系统采用二次成像结构,通过合理分配各透镜组光学参数,并采用非球面透镜进行优化设计,得到的光学系统F数为094,入瞳距为850mm,角分辨率为019mrad。投影仪的测试与仿真结果表明此光学系统完全满足红外场景投影仪的使用要求。     

无透镜片上显微成像技术:理论、发展与应用

同时实现大视场、高分辨率成像是光学显微技术发展至今不断追求的永恒目标。传统光学显微镜由于其光学设计原理限制,空间带宽积一般总是限制在百万像素量级,从而无法同时兼顾高分辨率与大视场。另一方面,复杂的光学系统也使显微镜变得日趋昂贵、笨重、复杂且难以维护,极大地限制了其推广和应用。无透镜片上显微成像技术是近年来发展出的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紧贴于成像器件光敏面上方记录图像,并结合相应的图像恢复算法实现清晰物像的反演与重构。由于具有视野大、分辨率高、无需标记、成本低、便携性好和可实现三维（3D）成像等优点,无透镜片上显微镜有望拓展传统显微成像技术的疆界,成为一种新型的快捷、便携的就地检验（POCT）工具。文中从无透镜成像基本原理、实验系统、重构方法及其典型应用进行了综述。最后,讨论了无透镜显微成像现存的一些关键问题以及今后可能的发展方向。     

提高眼底自适应光学成像系统的普适性设计

自适应光学技术被广泛应用于人眼像差的校正，从而实现眼底细胞和微血管进行高分辨率成像。传统自适应光学系统受夏克哈特曼波前探测器的动态范围限制，只对部分人群适用，无法对高屈光不正人群进行眼底高分辨率成像。为了提高眼底自适应光学成像系统普适性，本文设计了一种基于音圈变形镜高分辨率眼底自适应光学成像系统：引入Badal调焦系统，能够对人眼屈光度在-8～8 D的眼底进行高分辨率成像；用轴锥透镜组代替传统的环形光阑，控制正、负轴锥透镜间距可以调节环形光内径，以适应不同人眼的角膜，同时避免角膜反射的杂光；通过视标引导实现大视场成像。仿真结果表明，照明子系统在眼底视网膜照度分布均匀；在设定的公差范围内，至少有90%的MTF值在25 lp/mm达到0.21（对应视网膜上4μm）。在实验室搭建了相应的光路，对大畸变的模拟人眼进行了成像，获得了较好的成像效果。     

一种基于螺旋波带片的无透镜边缘增强成像技术

提出一种基于螺旋波带片的无透镜编码边缘增强成像技术，用螺旋波带片和图像传感器组成成像系统，对拍摄的图片进行反向传播重建。在反向传播中，取强度值可实现各向同性边缘增强成像，取实部或虚部可实现各向异性边缘增强成像。对取实部实现各向异性边缘增强成像进行理论推导，引入初始相位因子实现方向可选择的各向异性边缘增强成像。数值模拟和实验验证了理论分析与实验结果的一致性。对基于菲涅耳波带片、螺旋波带片的无透镜成像系统的边缘增强重建结果进行定量对比分析，结果证明基于螺旋波带片的无透镜成像系统更适用于边缘增强成像。所提技术在缺陷检测、智能识别和虚拟现实技术等领域具有广阔的应用前景。     

会聚光中的傅立叶变换透镜用于彩虹全息

在提高激光能量利用率和增大成像面积前提下 ,为了尽量减小透镜口径 ,采用会聚光照明前傅立叶变换透镜。由于它在全息制版镜头对称面上形成实的频谱面 ,从而可进行空间滤波处理。结果 ,透镜口径由平行光照明时的 13 5mm减小到 98mm ,成像面直径达到 10 0mm ,曝光时间可缩短为原来的 1/5。由此可得出 ,会聚光照明的傅立叶变换光路 ,在减小透镜口径方面优于 4f系统。     

基于编码成像的激光能量调控方法研究

为了有效提升光电成像系统焦平面探测器在外界存在激光干扰条件下的环境适应性,同时不显著降低原成像系统成像性能,提出了一种基于编码成像的激光能量调控方法,构建了一套以液晶空间光调制器为核心器件的编码成像实验系统并对该系统的成像性能进行了测试,设计了一套基于编码成像的激光能量调控实验验证系统并开展了多参数条件下编码成像抗激光干扰实验研究。实验结果表明,基于编码成像的激光能量调控方法可在不显著降低成像质量前提下有效提升焦平面探测器的抗激光干扰性能。     

基于LED的光栅光调制器照明系统的优化设计与实现

设计了一种基于LED照明的光栅光调制器(GLM)照明系统,以自由曲面TIR透镜、光棒、聚光透镜组为主要光学元件来提高LED光能利用率,并实现光场均匀化。通过仿真得出,照明系统的光能利用率为78.7%,光照均匀性为85%,实验与设计结果基本一致。这表明,优化后的光栅光调制器的照明系统,解决了基于LED的照明系统光照不均匀和光能利用率低的问题。     

LED照明的光学器件设计与仿真

大功率LED集成光源在实际照明工程应用很多,但是集成光源的照明效果不是很理想。为了解决大功率LED集成光源难以直接应用于照明的问题,根据非成像光学理论,设定合适的初始参数,利用能量守恒建立LED光源与目标照明面之间的映射,设计了筒灯反射器和透镜。并用Tracepro软件对这两类光学器件进行模拟仿真,均得到了良好的均匀圆形照明光斑。仿真结果表明,设计出的反射器和透镜,随着发光光源面积增大,照度均匀性都降低,当光源尺寸均设置为1 mm1 mm时,照明面上照度均匀性都达到95%以上,当光源尺寸增大10 mm10 mm时,照明面的照度均匀性下降到85%,符合对均匀性很高的室内照明设计标准。     

微球透镜近场聚焦及远场成像仿真研究进展

微球超分辨显微成像技术能够突破衍射极限并成倍提高传统光学显微镜的成像分辨率。因其具有成像系统简单，可实时成像，无需荧光染料标记，能在白光照明条件下工作，且可与市场上成熟的显微镜产品相兼容等优点，具有重要研究价值与广阔应用前景，发展潜力巨大。该技术发展至今已取得了众多令人瞩目的研究成果，但现阶段的研究主要集中在微球超分辨成像规律、成像质量的提高、微球的操控方法上。而针对微球透镜的超分辨成像机理与模型，目前尚未形成完善统一的认知与可靠一致的解释。在此背景下，文中梳理归纳了微球透镜近场聚焦及远场成像机理、数学模型、仿真技术等方面的研究工作，分析现有工作的意义与所存在的不足，指出该领域需要着重解决的问题，并对微球成像技术未来的发展方向给予展望。     

基于光强选通成像的液晶透过谱研究

为了更好地将液晶器件应用于选通成像系统中,从理论上推导出了液晶器件透过率与波长、折射率、电压之间的关系。从双折射率与光强的关系定量分析了扭曲向列相液晶的色散效应。用光栅光谱仪选择380～1100nm波段,以SONY公司LCX023CMT型号的TFT-LCD为样品,测试了液晶器件在不同灰度级和波长下的透射率。研究结果表明:液晶器件在可见光波段色散较小,随着灰度值的增加,色散增大;通过自制的光强局部选通成像系统对同一物体进行了对比拍摄,选通后的照片表明液晶器件的色散对成像质量影响不大;该液晶器件对红外光线有近12%的透过率,证明其可以实现近红外波段的强光局部选通成像。     

适用于LED阵列光源的新型双层TIR透镜设计

针对贴片LED阵列光源,文中提出了一种新型双层全内反射透镜结构,并利用LightTools -SolidWorks桥对其进行设计与优化,光斑的芯片成像与黄斑问题得到了解决。透镜最大外径为40 mm,透镜总高为12 mm,实现了照明系统的紧凑小型化,实际的软件模拟和测量结果表明,透镜匹配3×3阵列的贴片3030LED光源后,光学效率高达85%以上,光斑均匀,无明显黄斑现象。此款透镜被用于实际射灯灯具中。