宽视场远距离光学散射成像技术研究进展

散射体内部颗粒分布及折射率分布的不均匀对经过散射体的携带目标信息的光子传播造成干扰,导致直接探测的图像失真。针对该问题,发展了众多的光学散射成像技术,实现了部分特定散射介质条件下的目标成像。介绍了基于弹道光子优化采集的部分传统散射成像技术的原理,还介绍了最新发展的计算散射成像技术的基本原理与技术特点。计算散射成像技术正朝着充分利用大光学厚度散射介质引起的非弹道光子的方向发展,其中基于光学记忆效应和相位恢复的算法、相干衍射成像、叠层迭代引擎等计算成像技术可能适应厚散射介质动态变化、目标非稀疏性等特点,有望应用于宽视场、远距离散射成像领域。     

基于散斑相关的宽视场成像技术研究进展（特邀）

散射成像技术因具备透过生物组织等散射介质后清晰成像的能力而受到广泛关注。近年来,基于散斑自相关的成像方法以其非接触、无需先验信息且能够单帧成像的特点得到迅速发展。然而,散斑自相关成像受光学记忆效应的限制。当多个目标之间的距离在记忆效应范围之外时,基于散斑自相关的成像方法会导致目标自相关信息在相关域发生混叠,导致成像严重退化。文中在光学记忆效应及散斑自相关成像基本原理的基础上,首先介绍了基于散斑自相关和与散斑相关成像有关的其他散射成像技术。接着介绍了拓展光学记忆效应的主要技术及相关应用。最后总结了基于散斑相关的宽视场成像技术目前存在的问题,并对未来的发展应用进行了展望。     

全息技术在散射成像领域中的研究及应用进展（特邀）

散射是光学成像中普遍存在的现象,成像路径中存在的烟雾、水体、生物组织等散射介质导致光束发生随机散射效应,使得像面处目标信息以杂乱无章的散斑形式存在,如何应对散射介质对成像的限制是当前光学成像领域的研究热点。全息技术能够记录和重建物体全部信息,是获取和解译光场信息的有力工具之一。近年来,传统全息以及相关全息理论被推广应用至散射成像领域,取得了一系列突破性成果,文中主要介绍与归纳了散射成像领域中应用全息技术的理论原理、发展历史及最新进展,并展望其发展前景。     

傅里叶域光学相干层析成像技术的研究进展

光学相干层析成像(OCT)可以实现生物组织内部微观结构的实时、高分辨率、三维成像,在临床诊疗与基础科学研究领域得到了广泛的应用。近年来,得益于光源与探测技术的发展,傅里叶域OCT已经成为OCT的主流模式,尤其推动了OCT微血管造影等功能成像技术的发展。以傅里叶域OCT为重点,回顾了OCT的工作原理,阐述了系统主要的性能参数及其影响因素,介绍了傅里叶域OCT在成像量程、成像速度以及功能成像方面的现状并对OCT的研究作了展望。     

计算光学成像在散射中的应用

自然界中普遍存在光散射现象。如何通过散射介质实现高分辨率成像是光学成像领域亟待解决的重要问题。在早期研究中,多重光散射被认为是雾霾、云层、生物组织等复杂介质成像中的障碍。然而,最近研究表明,散射并不是成像的基本限制:光子在经过多次散射后仍然包含了大量信息。为了深入了解新兴的计算光学成像是如何解决多重光散射问题的,文中主要介绍了波前整形、散斑相关及深度学习等方法在散射成像领域中的研究进展。最新的研究成果表明:波前整形可以实现动态散射介质内部的高分辨率快速聚焦;散斑相关能够利用单帧散斑实现非侵入式成像;基于深度学习的成像技术能恢复出隐藏在光学厚度为13.4的白色聚苯乙烯平板背后的物体。     

气泡尾流光束衰减测量中的复散射校正

为了分析复散射对气泡尾流衰减测量的影响,采用小角度辐射传输方程,引入了表征复散射效应强弱的校正因子,通过数值求解分析了典型的尾流气泡尺度分布和数密度条件下复散射校正因子与接收视场角、光学厚度、光束大小和接收截面大小等参量之间的关系。结果表明,接收视场角在前向小角度范围内的变化对复散射校正因子的影响很大,而视场角较大时对复散射校正因子的影响基本相同;光学厚度的变化对复散射校正因子的影响显著,且在光学厚度小于1时,影响更明显;接收截面大小的变化在光学厚度小于1时对复散射校正因子的影响很小,但在光学厚度较大时,对复散射校正因子的影响比较明显;光束大小的变化对复散射因子的影响相对较小,且在光束束腰较大时对复散射因子的影响基本不变。该研究为尾流光束衰减测量条件的选择和优化提供了理论依据。     

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。     

Time-of-Flight透散射介质成像技术综述

Time-of-Flight (ToF)成像是利用光在目标和相机之间的飞行时间来获取场景的深度信息,具有体积小、成本低、实时成像等优势。在散射环境中,由于散射介质对光的散射作用,ToF成像受到多径干扰的影响,深度测量误差较大,限制了ToF相机在散射场景中的应用。ToF透散射介质成像技术是校正因散射光引起的多径干扰效应,从传感器接收到的混叠信号中分离出目标分量,实现散射场景中的深度信息恢复,其在雾天自动驾驶、水下勘测、生物医学等领域具有广阔的应用前景。依据ToF成像系统的不同,详细介绍了PL-ToF和CW-ToF成像的基本原理,阐述和分析了散射场景中ToF稳态成像和瞬态成像的机理和特点,分别回顾和总结了ToF稳态成像和瞬态成像的透散射介质成像研究现状,并介绍了ToF透散射介质成像的应用前景,最后依据现有ToF透散射介质成像技术的优缺点,对未来发展趋势进行了展望。     

可抑制生物组织散射效应的光学聚焦技术研究进展

生物组织对光的散射使得光束通过透镜后无法在组织的深层(大于1 mm处)聚焦,制约了需要光能聚焦的成像技术(如共聚焦显微、双光子显微)在生物医学领域的应用。为了抑制生物组织的散射效应,将光聚焦到深层组织,需要对入射光的波前进行调制。基于此要求,以下三种光学聚焦技术得以提出并发展:用待聚焦区的光强作为反馈信号的波前整形技术;将声光调制和时间反演(或光学相位共轭)技术相结合进而在散射介质内部实现光学聚焦的技术;对散射介质传输矩阵进行测量的光学聚焦技术。本文对上述光学聚焦技术的研究进展进行了综述,比较并展望了其在生物医学领域中的应用前景。     

大视场高分辨率数字全息成像技术综述

数字全息作为一种干涉成像方式,能够准确记录物体的相位信息,具有快速、无损、三维成像等优势,被广泛应用于生物成像与材料科学等领域。与其他光学成像方式相同,数字全息也面临分辨率与成像视场互为限制而导致空间带宽积受限的问题。研究人员提出了计算照明、计算调制与计算探测等方法,通过牺牲成像系统的时间、偏振等自由度来扩展其空间带宽积。文中分析了光学系统信息承载能力的理论基础,总结了近年来大视场高分辨率的数字全息成像技术,介绍了倾斜照明、结构光照明、随机调制照明、多位置综合孔径探测和像素超分辨等方法实现分辨率增强,以及基于角度复用的视场扩展的原理及具体实现,对不同方法进行了比较和分析,并对提高分辨率以及扩大视场的途径进行了展望。     

生物组织单像素成像重构的散射干扰抑制

针对单像素成像重构中的散射介质影响而导致重构图像无法达到最佳效果的问题,研究了有无散射介质的情况下,关联算法和压缩感知算法的图像重构适用性。分析了散射介质在成像光路造成的调制信息空间结构变化和在探测光路造成的信号损耗对成像的影响,建立了近红外单像素成像系统,使用CGI算法和TVAL3算法实现了穿透生物组织散射介质的单像素成像实验。实验发现,在无散射介质时,TVAL3算法的重构时间、峰值信噪比和相似度等均优于CGI算法;而在有散射介质时,CGI算法的三项数值中有两项优于TVAL3算法,其最大重构时间（0.304091 s）小于TVAL3算法最小时间（1.766299 s）,其最小峰值信噪比（9.9831 dB）高于TVAL3算法的最大值（9.170456 dB）,其相似度（0.0982、0.1178）则位于TVAL3算法的范围内（0.099258~0.497622）。结果表明,基于关联成像理论的CGI算法较适合散射介质成像,基于压缩感知理论的TVAL3算法更适合无散射介质成像。     

基于相位共轭实现散射成像及光学幻像的双功能散射光调控方法（特邀）

近年来，人们对散射光调控的研究取得了极大的进展，产生了许多有趣的应用。其中透过散射介质的成像和光学幻像是两个极为引人注目的方向，但它们不经常同时被研究。文中将深入探索散射光成像和光学幻像的内在联系，在此基础上提出一种新颖的双功能散射光调控方法以在同一实验装置中根据需求实现散射成像和光学幻像。通过优化光路，结合相位恢复技术检测散射波前，利用相位共轭技术和高分辨率的纯相位液晶空间光调制器可以实现补偿散射的影响或实现特定衍射波前的产生。该系统只需要数秒即可完成散射光调控，因此可以对变化缓慢的散射环境实现动态散射成像或对缓慢变化的物体实现稳定的动态光学幻像。理论分析和实验演示证实了该调控方法的可行性。这一散射光调控方法有望在浑浊介质中的光学成像、光学伪装、反侦察、复杂光场调控等领域找到潜在的应用。     

关于散射成像研究现状的一些思考（特邀）

透过散射介质的光学成像是人们长期追求但一直未能真正解决的问题。研究人员提出并发展了各种各样的方法和技术,从最早只利用弹道光的时间门和空间门技术,到后来利用了散射光的波前整形、散射矩阵测量和散斑自相关成像,再到近年热门的深度学习方法。尽管这些方法和技术都经过了毛玻璃、氧化锌薄膜、生物组织切片等薄散射介质的原理性验证,但随着介质厚度增加,所有方法和技术都迅速失效。厚度一直是难以克服的瓶颈。这篇评论归纳对比了散射成像的主要方法和技术,重新审视了经过散射介质波前被完全随机化等主流观点,分析了现有方法和技术无法透过厚散射介质成像的原因,并提出了未来有望真正解决问题的研究方向。     

基于线阵光电传感器的高精度气溶胶粒径浓度测量

本文提出一种使用一维线阵光电传感器作为测量装置的方法,实现气溶胶粒径与浓度的高精度测量。通过流速气溶胶粒径瞬态直接成像计算的手段,进行实时区域尺度范围内气溶胶的浓度检测。其理论模型首次采用了线阵光电传感器与高倍显微物镜的物像共轭放大成像,避免常规误差较大的全散射米氏光学模型,同时克服了面阵成像瞬时采样的弛豫效应,计算量少且测量精度较高。实验结果表明,系统可检测的气溶胶粒子范围在1~10 m区间,测量误差优于8%。     

偏振信息传输理论及应用进展（特约）

光的偏振态是电磁波的基本属性,偏振信息是使用光的偏振态作为信息表现形式的工程科学应用技术,需要合适的表征方法对其进行描述。由于大气散射特性,光在地球表面存在一种特殊的偏振分布模式,可以用于近地空间自主导航,同时,不同的偏振态在各种散射介质中传输也具有特定的变化规律。因此,研究光的偏振信息在不同分散介质中的传输特性,对其在现代军事、航空、海洋等领域内的广泛应用具有重要的参考价值。近年来,偏振光学成像技术广泛应用于雾霾、水下及其他散射介质中的清晰成像,并取得了很多优秀的研究成果。文中主要介绍了光的偏振态的各种表征形式、偏振信息在不同分散介质中的传输特性、经过散射介质后的偏振信息恢复算法、以及偏振去雾技术的应用等,并在最后展望了偏振信息应用的未来发展趋势。     

非成像式激光告警系统的光学设计及优化

针对非成像式激光告警系统的工作特点与要求,提出并设计了一种双片式柱透镜光学结构。对柱面光线追迹以及柱透镜成像进行了深入分析,提出了一种新型像差优化方法,使其在子午方向各个视场的调制传递函数得到最大幅度的优化。此光学系统由两片硒化锌柱透镜组成,满足了1.0~4.0 m 工作波长范围,并且克服了传统单片式柱透镜和柱面反射镜视场通常小于1且聚焦线斑不理想的缺点,其视场达到20,在7lp/mm 空间分辨率条件下,边缘视场子午方向的调制传递函数值优于0.7,达到了非成像式激光告警系统的要求。     

基于光束空间展宽的水下前向散射成像模型

基于主动照明的水下成像技术一直是人们感兴趣的方向之一.水对光的强烈散射和衰减,尤其是多次散射效应,使水下光束传输过程变得十分复杂.为分析和仿真水下成像过程,提出了一种基于空间展宽的水下前向散射成像模型,其空间展宽采用Wells提出的调制传递函数(MTF),并考虑了介于目标与接收器之间的水体散射光对像面照度的贡献.模型弥补了Wells模型与实测结果的偏差,仿真图像与实测图像具有较好的一致性,表明了模型在水下前向散射成像仿真方面的有效性.     

望远超分辨成像中的视场光阑影响及补偿机理

根据衍射光学理论,分析了基于瞳函数调制的望远超分辨成像系统中,用于视场选择和过滤旁瓣影响的视场光阑的衍射效应对于成像效果的影响机理,并给出了补偿原理和方案。微孔视场光阑和四环带阶跃型位相滤波器分别放置在系统一次像面和出瞳位置。理论分析和仿真表明:视场光阑口径越小,最终像面光斑主瓣越宽甚至失去超分辨效果,旁瓣光强峰值与主瓣光强峰值之比也越高。对此时出瞳处的光场振幅、位相场分别进行多项式拟合,求解进行修正的复振幅型光瞳滤波器设计参数,可以有效抑制视场光阑的衍射效应,获得良好的超分辨成像效果,且超分辨成像与光阑效应补偿合二为一,不会增加系统光路的复杂度。并进行了实际实验,验证了以上设计方法的有效性。以上研究结果可为应用在天文观测、空间探测等方面的超分辨成像系统设计提供依据。     

散射体和吸收体的超声调制光学成像

具有超声定位的高空间分辨率特点和光学检测的高灵敏度特点的超声调制光学成像(UOT)既可以对光吸收介质进行成像也可以对光散射介质进行成像。在介质和光电倍增管(PMT)之间放置两个小孔,通过控制PMT的探测位置提高了系统的信噪比和成像对比度,同时获得了浑浊介质中隐含散射体和吸收体的一维成像。实验结果表明在不同的探测位置处,超声调制光信号的调制深度M与介质的吸收系数和散射系数的关系不同。选择合适的PMT探测位置,超声调制光学成像信号不仅可以体现吸收体和散射体的大小和强弱,还可以分辨出吸收体和散射体的不同。     

超声调制光信号的调制深度与组织光学特性关系

超声调制光学成像技术融合了光学成像和超声成像的优点,已实现对浑浊介质内隐藏异体的成像,是一种很有前景的医学成像技术。通过实验探究超声调制光信号与组织光学特性的关系、超声焦区内外组织的光学特性对调制信号的影响,发现超声对光信号的调制深度与超声焦区组织的光学性质呈简单的线性关系,调制深度随样品散射系数的增大而减小,随样品吸收系数的增大而增大。超声区信号调制深度基本不受超声调制区域外复杂组织的光学特性的影响。这为超声调制光学成像提供必要的图像重构依据。