微波关联成像研究进展及展望（特邀）

微波关联成像起源于光学强度关联成像,通过对电磁波的调控形成空变和时变的辐射模式,突破天线孔径对成像分辨率的限制,具有前视、凝视、快拍成像等优势,在重点区域凝视观测、无人系统自主感知、安检安防等领域具有广阔的应用前景。文中简述了微波关联成像的技术起源,从成像原理、成像方法、成像系统等三个方面,总结了微波关联成像的研究现状与主要进展。通过对成像原理的剖析,阐明关联成像的基本条件与成像分辨率的影响因素;通过对成像方法的梳理,分析微波关联成像与光学关联成像以及传统微波成像方法之间的区别与联系;通过对成像系统的介绍,比较随机辐射、波前调制、孔径编码等多种成像体制的特点与差异,厘清技术发展脉络。最后,总结并展望了微波关联成像的未来发展趋势。     

微型化显微成像系统的关键技术及研究进展（特邀）

神经环路动态功能的解析是当前脑科学领域的重点和难点,微型化显微成像技术为其研究提供了重要手段。相较于双光子荧光成像和光纤光度法,微型化显微系统能够在模式动物自由活动状态下进行长时程、单细胞分辨率、实时成像。近十几年来,科学家们围绕可穿戴、高稳定性要求,先后研制了单光子、多光子成像系统,并从荧光探针、光电子元件、数据传输等方面进行不断优化,提升系统性能,扩展应用范围。将从成像原理、基本结构、系统优化、应用方案及未来发展方向等方面对微型化显微成像系统进行分析和讨论,综述各方向研究进展,旨在为该领域技术提升和神经科学应用提供参考。     

高速光流控成像研究进展（特邀）

高速光流控成像是融合了高速光学成像和微流控的新兴交叉技术,能够对高速复杂流体环境中的生物体进行高分辨率、高通量和多信息维度的成像和定量检测分析,在生物能源、食品科学、药物筛选、疾病诊断等领域展现出卓越的应用前景。对高速光流控成像的基本原理、关键技术和前沿进展进行综述,并对该技术未来的发展趋势和面临的挑战进行展望。     

激光关联成像雷达研究进展与展望

激光关联成像雷达是一种在凝视探测的条件下通过主动调控光场涨落和单像素探测器接收目标回波信号获取目标信息的计算成像技术,在远距离目标识别、三维成像、要地防御等领域有着重要应用前景,成为近年来的一个研究热点。简述了基于窄脉冲直接探测体制和基于长脉冲外差探测体制的两种激光关联成像雷达的基本原理和特点,并介绍了其近期取得的主要研究进展。进而围绕远距离、高分辨、高速运动目标探测与识别应用,对激光关联成像雷达所需解决的关键问题和发展趋势进行了探讨和展望。     

非视域成像技术分析与展望（特邀）

传统的光学成像技术受限于信息获取和处理方式,只能对视域范围内的目标进行成像。伴随着新型成像设备和高性能计算方法的发展,集光学成像、计算技术和图像处理于一体的非视域成像技术（none-line-of-sight,NLOS）使超越视域范围成像成为可能。文中依据成像机理的差异,将现有非视域成像技术分为三类:基于相干信息的方法、基于二维强度信息的方法和基于光子飞行时间的方法,详细分析了不同成像方法的原理及实现。同时将基于光子飞行时间的方法作为综述重点,在包含多类型目标和室内外场景的公共数据集中,定量比较了代表性方法的成像性能,并进一步设计搭建了阵列式非共焦瞬态成像装置,单曝光采集了真实场景中的非共焦瞬态图像,分析了典型非共焦成像方法在该成像架构下的重建能力。最后讨论了非视域成像技术的未来发展方向并展望了其应用前景。     

光子计数计算鬼成像

为实现远距离、高灵敏的三维成像,开展了光子计数计算鬼成像研究.通过振幅型空间光调制器,实现了基于离散余弦变换矩阵和Walsh变换矩阵作为测量基的结构光照明,采用单光子探测技术实现了700 m距离、高灵敏的三维成像.对比研究了快速傅里叶变换算法和迭代优化算法的重建结果.研究表明,相同采样率时,离散余弦测量基作为观测矩阵时...     

极弱光信号图像探测中的几个问题

显微光子计数成像系统可以从细胞水平上获得生物超微弱发光图像,此系统需采用多项降噪声措施保证探测极限,引进同位素14C光源监测系统,对光子图像应用统计检验和处理,并用双路探测得到细胞背景上的超微弱发光信息。     

超导纳米线延迟线单光子成像器件进展及应用

单光子成像技术通过对每个光子携带的时空信息进行探测,实现对物体图像的重构.基于超导纳米线的单光子探测器具有高效率、低时间抖动、宽响应波段的优势,非常适合单光子成像场景的需求.超导纳米线延迟线单光子成像器件是一种新型的单光子成像器件,它利用超导纳米线特有的高动态电感构造低速微波传输线,通过对输出电脉冲进行时间逻辑分析,同...     

X射线及粒子关联成像技术研究进展

X射线及粒子成像技术是探索物质内部结构的有力工具,对于物理学、材料学、生命科学等多领域的发展具有重要的推动作用.关联成像不同于传统成像,是利用光场的高阶关联特性来获取物体信息,具有独特的优越性,在可见光成像领域取得了大量成果.近年来,随着关联成像技术的发展,X射线及粒子关联成像已成为新的前沿热点.介绍了基于热光源、赝热...     

X射线傅里叶关联成像中的康普顿散射噪声研究（特邀）

傅里叶变换关联成像(FGI)是利用光场的高阶关联特性提取样品傅里叶信息的成像方法,对光源空间相干性要求较低,从而为小型化高分辨X射线显微提供了新的技术途径。然而在实际应用中往往要求有限光通量以减小样品辐射损伤,同时X射线与样品发生相互作用时康普顿散射的存在也会降低信噪比。针对以上问题,模拟研究了光通量有限条件下的X射线FGI,结果表明在探测面光通量0.1 phs/pixel条件下仍然能够获得样品的振幅和相位信息,并且利用Geant4蒙特卡洛程序模拟分析了金单质、硅单质和血红蛋白三种样品所产生的康普顿散射噪声对FGI成像结果的影响,结果显示相比于传统的X射线衍射成像,计入康普顿散射噪声后的FGI仍具有良好的抗噪性。     

热光非定域螺旋相衬成像（特邀）

边缘增强作为一种图像处理技术,对于研究物体边界信息有着重要的应用。根据热光鬼成像的关联机制,将鬼成像与螺旋相衬成像技术相结合,把相位物体与涡旋滤光器非定域地放在热光鬼成像系统的探测光路和参考光路中,建立了相位物体边缘增强识别系统。实验结果表明,采用具有分数阶轨道角动量拓扑荷的涡旋滤波器可以实现轨道角动量值在0~1范围内的相位物体的边缘渐变性增强效果。随着轨道角动量拓扑荷数的增加,相位物体的边缘增强效果会越明显。非定域螺旋相衬成像相较于传统的螺旋相衬成像方案,突破了被测物体和涡旋滤波器在同一光路,并且滤波器必须放置在频谱面的空间局域性限制,解除了对主动照明光源相干性的要求,增强了涡旋滤波相衬成像系统的泛化能力。     

单像素复振幅成像（特邀）

传统光学成像系统主要依靠阵列探测器对目标的空间分布进行探测来达到成像的目的。而单像素成像不需要阵列探测器,在探测端只需要使用一个单点探测器来记录光场的信号,然后利用关联算法来重构目标物体的图像信息。由于单点探测器的技术较为成熟,且成本较为低廉,因此这种成像方式在近些年得到了研究人员的广泛关注,期望单像素成像技术能够应用在X射线、红外、太赫兹等波段。另外,单像素成像技术在生物荧光成像、多光谱成像、三维成像、光场复振幅成像等应用领域也得到了深入的研究。其中光场波前的相位探测在天文观测、医学诊断、光学测量等领域至关重要,研究人员针对这一问题提出了多种基于单像素成像技术进行复振幅成像的方法,这些研究有效地拓展了单像素成像技术的实际应用场景。文中主要介绍了单像素成像技术的历史发展及其基本工作原理,并着重介绍了单像素成像技术在复振幅成像应用中的工作。     

激光光谱合成技术研究进展与展望（特邀）

光谱合成技术利用色散元件或双色元件,使多路不同波长的激光在近场和远场同时实现空间重叠,合成至单一孔径输出的激光,是实现高功率、高光束质量激光输出的技术途径之一,受到了研究者的极大关注。特别在近十年来,随着光栅等合成元件性能的不断改善,高功率高光束质量的光谱合成激光输出在工业、国防等领域发挥了重要作用,有着广泛的应用前景。文中对半导体激光器和光纤激光器两种典型激光工作介质进行归类,梳理并回顾了光谱合成技术的发展历程,综述了当前高功率光谱合成技术的主流方案与国内外研究现状。此外,结合笔者所在课题组在光谱合成方面的研究工作,展示了光谱合成技术近年的发展态势,并展望了光谱合成技术的未来发展方向。     

超表面透镜的宽带消色差成像（特邀）

超透镜是一种由二维亚波长阵列结构表面所设计的透镜,其对光场中振幅、相位和偏振的调控能力较灵活,同时具有低损耗、易集成、超轻薄等优点,近些年引起了科研人员广泛的研究兴趣。然而在大多数情况下,针对特定波长设计的超透镜会遭受较大的色差,从而限制了其在多波长或宽带应用中的成像作用。超透镜因其二维平面结构引入了新的自由度,在对色差的消除上体现了新的潜力。文中报道了多种不同的消色差超透镜设计及其消色差调控机理,并对现有的消色差超透镜从调制波段类型进行了分类,如对离散波长的和对连续波长的消色差超表面透镜,后者又可从工作模式上分类为透射型和反射型,最后介绍了超透镜阵列在成像上的应用以及其在大景深宽带消色差器件上的前景。     

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。     

集成电光频率梳研究进展（特邀）

光学频率梳是由一系列离散且等间隔分布的频率成分所组成的光谱结构,作为光谱分析的天然刻度尺,其已广泛应用于光谱学、精密测量、光通信、传感等多个领域。光学频率梳根据其产生技术可分为基于锁模激光器的光学频率梳、克尔微腔光学频率梳、电光频率梳。电光频率梳由于其频率间隔可调、梳齿功率较高、可实现微波到光波的转换等优势,得到了充分发展。但传统电光频率梳的产生器件存在体积大、功耗高的缺点,限制了其进一步应用。随着微纳加工技术的不断发展,越来越多的材料应用于片上集成光学器件,包括硅、氮化硅、氮化铝、磷化铟、铌酸锂、砷化铝镓等。集成电光频率梳器件具有体积小、功耗低等优势,是构建光电集成芯片的重要器件。文中旨在对集成电光频率梳的研究现状进行综述,首先介绍光学频率梳的类型,并详细论述电光频率梳的产生机制;其次介绍产生集成电光频率梳的材料平台、相应的光梳性能指标及其应用;最后基于目前集成电光频率梳领域存在的问题,对未来的研究趋势做出展望。     

光子集成混沌半导体激光器研究进展（特邀）

混沌激光具有宽频谱、类噪声、低相干等特性,在保密光通信、高速随机数、混沌激光雷达、混沌光时域反射仪和分布式光纤传感等领域具有重要的应用价值。光子集成混沌激光器是混沌激光应用的核心器件,具有体积小、性能稳定、成本低等优点。综述了近十年来光子集成混沌半导体激光器的进展及其主要应用。首先介绍了混沌半导体激光器的集成方式;接着介绍了光子集成混沌半导体激光器的分类,根据其扰动方式讨论了直腔单反馈、多腔反馈、环形腔反馈、二维外腔反馈、互注入等结构,并对比分析了各自的优势与输出特性;然后介绍了光子集成混沌半导体激光器在光时域反射仪、保密光通信和高速随机数产生等方面的应用;最后,讨论了光子集成混沌激光器的关键集成技术、时延特征抑制及间歇混沌的特性。     

复杂环境下含噪信号光对关联成像的影响研究(特邀)

关联成像是通过对测得的参考光和信号光进行关联计算来获取物体信息的新型成像技术。在复杂环境中,湍流、散射等因素会以噪声的形式影响信号光的测量。由于关联成像中信号光是以桶探测器来测量的,因此,对这种含噪信号光的处理及其在关联成像过程中的影响有必要进行系统地研究。文中系统地回顾了笔者所在课题组在上述背景下的相关研究。首先,简述了复杂环境下的关联成像模型;然后,分析了含噪信号光对二值目标和灰度目标关联成像的影响;接着,对大气信道中湍流引起的信号噪声进行了测量和分析,最后,对关联成像的应用进行了展望。