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。     

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。     

浴帘效应的模型发展及应用扩展（特邀）

散斑（自）相关和波前调制等成像技术是克服非均匀介质散射影响的高效并重要的光学成像手段。而该类技术依赖于光学记忆效应,因此视场有限且动态介质会退化其成像质量。浴帘效应是一种常见且不受散射介质动态变化和视场限制的效应。近年来,随着多种计算成像技术的发展,浴帘效应也被融合到其他克服散射的成像恢复技术中并应用于不同散射成像场合,已经展现出相较传统散射成像技术的独特优势。文中概括浴帘效应的物理模型演变,从调制传递函数出发,综述光学厚度、孔径大小等因素对浴帘效应的影响,介绍浴帘效应和傅里叶域浴帘效应在散射成像领域的应用。讨论傅里叶域浴帘效应与其他基于相位迭代算法成像技术的区别与联系,展望其与其他计算成像技术结合的可能。     

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。     

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。     

基于相关全息原理的散射成像技术及其进展

由于随机散射效应,相干光束经过强散射介质后,出射光场变成光强呈无序分布的散斑场,因此无法直接从出射场获取入射光的信息。然而,在随机散射过程中,出射散斑场仍然携带着入射光场信息。从散斑场中获取原始信息以实现物体的重建是一个备受关注的研究课题。研究人员针对该问题提出了包括散斑相关、传输矩阵、波前调控及时间反演与相位共轭等技术。着重介绍了基于相关全息原理的散射成像技术,主要包括其原理、发展历史以及最新的研究进展,并对该技术的未来发展趋势进行了展望。     

高效学习的透过未知散射介质的相位恢复方法

透过散射介质对目标进行准确的重建仍然是阻碍人们对深层生物组织成像分析和深空天文观测的主要挑战之一。基于深度学习的散射计算成像方法虽然在成像质量和效率等方面取得了很大的进展,但是针对实际系统中散射介质状态不固定,目标结构具有较高复杂度以及可获取的训练散射数据有限的情况下,单纯利用数据驱动的方法已无法进行准确高效的重建。将散斑相关原理和卷积神经网络强大的数据挖掘和映射能力进行有效的结合,进一步挖掘和利用散斑所包含的冗余信息,实现了仅利用一块薄散射介质对应的散斑数据即可实现透过具有不同统计特性散射介质的复杂目标重构。该方法针对实际散射场景复杂多变和训练样本数据有限的情况,实现了对复杂目标的高质量恢复,有力地推动了基于物理感知的学习方法在实际散射场景中的应用。     

深度学习下的散射成像:物理与数据联合建模优化（特邀）

为了利用被散射的光信号实现成像，越来越多的散射成像方法被提出。其中深度学习以其强大的数据表征和信息提取能力在散射成像领域发挥着重要的作用。相较于传统散射成像方法，基于深度学习的散射成像方法在成像速度、质量、信息维度等方面都有着巨大的优势。但是，模型训练、模型泛化等问题也制约着该方法的发展。因此，越来越多的研究将物理过程与基于数据驱动的方法进行联合建模，利用物理先验指导神经网络优化。相较于单纯的数据驱动方法而言，物理-数据联合建模的方法对数据量、神经网络参数量的依赖程度大大降低，在保证成像质量的前提下有效降低数据获取难度及对实验环境的要求。联合建模优化的方式实现了介质、目标类型等散射成像中关键节点的泛化。同时在训练过程方面，实现了从有监督到半监督再到无监督的训练优化过程迭代，不同模型和监督方式的提出大大提升了基于深度学习方法的训练效率，在降低对硬件和时间成本的同时，提升了基于深度学习的散射成像方法在非实验室场景应用的可能性。     

无衍射光束在生物显微成像中的应用

无衍射光束近年来广受关注，其无衍射、自修复和自加速的传播特性在微观成像应用中显示出潜在的优势。无衍射特性可抑制光束在传播过程中的衍射，有助于提升成像的分辨率。自修复特性可使光束在透过强散射介质后快速恢复波前，提高成像景深和信噪比。自加速特性可增加光场信息的有效探测维度，实现多维重构成像。本综述结合几类生物显微成像技术特点，介绍以贝塞尔光束、艾里光束为代表的无衍射光束在高分辨生物显微成像中的应用研究进展。     

前视探地雷达合成孔径成像方法的研究

根据前视探地雷达波斜入射,并且经过空气和地下两层介质的特点,提出了基于等效波场和全息成像的频率波数域前视探地雷达合成孔径成像方法。该方法对地面以上的记录剖面用基于全息成像的频率波数域成像方法成像,对地面以下记录剖面的成像,则用地面测线处的等效波场。所提方法把两层介质中的成像问题简化成单层介质中的合成孔径成像问题。对实验数据的处理结果表明,所提方法能有效地提高信杂比,提高目标的方位分辨率。     

双孔散斑照相用于物体通过漫射介质成象

物体通过大雾等漫射介质的成象问题一直吸引众多研究者的注意。光学全息技术、光栅干涉仪技术已经显示出在实验室条件下的有效性。但由于所使用的设备比较复杂，很容易受外界震动的干扰，使其应用场所受到很大制约。本文提出了使用双孔散斑照相技术使物体通过漫射介质成象。用这种技术得到的实验结果显示这项技术在象的对比度方面比直接得到的象有很大提高。同时所使用的设备简单，受外界震动的影响小，因而具有很大的实用价值。     

A TSVD analysis of microwave inverse scattering for breast imaging

A variety of methods have been applied to the inverse scattering problem for breast imaging at microwave frequencies. While many techniques have been leveraged toward a microwave imaging solution, they are all fundamentally dependent on the quality of the scattering data. Evaluating and optimizing the information contained in the data are, therefore, instrumental in understanding and achieving optimal performance from any particular imaging method. In this paper, a method of analysis is employed for the evaluation of the information contained in simulated scattering data from a known dielectric profile. The method estimates optimal imaging performance by mapping the data through the inverse of the scattering system. The inverse is computed by truncated singular-value decomposition of a system of scattering equations. The equations are made linear by use of the exact total fields in the imaging volume, which are available in the computational domain. The analysis is applied to anatomically realistic numerical breast phantoms. The utility of the method is demonstrated for a given imaging system through the analysis of various considerations in system design and problem formulation. The method offers an avenue for decoupling the problem of data selection from the problem of image formation from that data.     

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。     

Demonstration of “discontinuities” in the timederivatives of body surface potentials, and their prospective role innoninvasive imaging of the ventricular surface activation map

The ill-posed nature of the inverse electrocardiography problem has necessitated use of regularization techniques as a means of rendering epicardial potential maps. Significant inaccuracies are introduced by such methods (on the order of 50% error relative to the actual map), due to imposition of the regularizing functionals. It has been previously shown that the generator of topological changes in epicardial potential maps during ventricular activation is of much lower order than the epicardial maps themselves, yet sufficiently constrains the full ventricular surface activation mapping problem so as to obviate the need for further regularization. The mathematical formalism for reconstructing this generator has previously been presented under the assumption of negligible depolarization wavefront thickness, and requires identification and processing of “step discontinuities” predicted to occur in body surface potential derivatives. Using principal component analysis and spatial averaging methods, we have examined this fundamental prediction of the formalism in the context of a nonzero depolarization wavefront thickness (leading to prediction of dominant body surface potential derivative deflections with rise times comparable to those of ventricular electrogram intrinsic deflections). Studies of the body surface potential data obtained in three normal subjects supports the predictions of the theory, thereby suggesting the possible usefulness of the approach as an alternative to traditional regularization methods     

Microlenses Fabricated by Two-Photon Laser Polymerization for Cell Imaging with Non-Linear Excitation Microscopy

Non-linear excitation microscopy offers several advantages for in-vivo imaging compared to conventional confocal techniques. However, tissue penetration can still be an issue due to scattering and spherical aberrations induced on focused beams by the tissue. The use of low numerical aperture objectives to pass through the outer layers of the skin, together with high dioptric power microlenses implanted in-vivo close to the observation volume, can be beneficial to the reduction of optical aberrations. Here, Fibroblast cell culture plano-convex microlenses to be used for non-linear imaging of biological tissue are developed and tested. The microlenses can be used as single lenses or multiplexed in an array. A thorough test of the lenses wavefront is reported together with the modulation transfer function and wavefront profile. Magnified fluorescence images can be retrieved through the microlenses coupled to commercial confocal and two-photon excitation scanning microscopes. The signal-to-noise ratio of the images is not substantially affected by the use of the microlenses and the magnification can be adjusted by changing the relative position of the microlens array to the microscope objective and the immersion medium. These results are opening the way to the application of implanted micro-optics for optical in-vivo inspection of biological processes.