自适应宽场高分辨率显微成像技术的研究进展北大核心CSCD

光学显微成像技术可以用来观察微小物体的结构细节,但在生物样品的显微成像领域中,像差的存在使得任何显微成像技术的成像质量都无法达到理论预期。为了解决这一问题,自适应光学技术被应用于不同类型的显微成像系统中进行像差的探测和校正。着重总结了自适应宽场高分辨率显微成像技术的研究动态,阐明了数字全息自适应光学技术和非相干数字全息自适应光学技术的特点、优势以及存在的问题。     

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。     

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。     

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。     

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。     

透过高散射介质成像的超短脉冲激光电子学全息系统

分析了超短脉冲激光透过高散射介质的电子学全息成像原理;编制了数字再现和图像处理软件;结合ＣＣＤ摄像机、图像采集处理机,建立了一套完整的适于透过高散射介质成像的电子学全息系统;给出了实验结果,实验证明系统是可行的。     

近程目标毫米波全息成像算法及仿真

为解决近程毫米波雷达目标探测过程中产生的回波相位干涉问题,引入全息技术研究近程目标的毫米波散射特性成像.该方法利用相位补偿因子,在波数域补偿电磁波的波前球面弯曲,反演目标的真实几何形状特征.给出了单目标散射特性一维成像的仿真实验,验证全息成像算法的有效性.对有无相位补偿情况下的多目标散射特性一维成像进行比较,结果表明该...     

非相干全息术成像特性及研究进展

非相干光照明的物体或者自发光物体可以认为是由无数多个点源构成,任意两点发出的光波之间不具有相干性,但同一物点发出的光被分束后是空间自相干的。非相干全息术通过某种光学技术将来源于非相干物体上同一点的光波分为两束,由于这两束光是空间自相干的,因而两束光可以干涉实现点源全息图的记录,所有点源全息图的非相干叠加构成物体的全息图。对全息图进行光学或数值重建可以恢复原始物体的三维信息。近年来,非相干全息术已经在非扫描荧光显微成像、非相干彩色全息显示和自适应光学领域展示了其应用的潜力。阐明了非相干全息术记录和再现的基本原理,介绍了记录非相干数字全息图的系统与方法,重点分析和讨论了基于自参考光的同轴数字全息成像系统的成像特性、应用的优势和局限,并介绍了这些方面的研究进展。     

连续太赫兹波合成孔径数字全息成像方法

太赫兹波数字全息成像技术结合了太赫兹成像技术和数字全息成像技术的优势,是一种新型相衬成像技术,具有光源相干性要求低、光路结构简单、实时定量获取物光波复振幅信息等特点,非常适用于太赫兹波段成像。影响数字全息成像技术分辨力的因素有多种,其中一个主要因素是探测器靶面尺寸的大小,因此,提出合成孔径方法扩大探测器靶面尺寸,提高太赫兹数字全息的成像分辨力。文中搭建了连续太赫兹波同轴数字全息成像装置,获取了样品高质量、高分辨力的振幅和相衬图像。实验结果有效说明了合成孔径方法可以提高太赫兹数字全息成像分辨力。     

Chrono-coherent imaging for medicine

We describe a new method for imaging with visible and near visible light inside media, such as tissues, which have strong light scattering. The chrono-coherent imaging (CCI) method is demonstrated in this paper for a transmission geometry where an absorbing object is completely hidden from normal visual observation by light scattering of the media. The resultant images are most similar to X rays, with cumulative transmission showing absorption features and refractive index differences in the media. We discuss laser coherence properties, coherence measurements, the relation of CCI to light-inflight holography, holographic film properties relevant to CCI, a particular optical setup for CCI, the results of a demonstration experiment imaging an absorbing object hidden by light scattering, and an experiment to estimate the clinical applicability of CCI.     

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。     

Recent advances in metasurface hologram technologies (Invited paper)

Since Leith and Upatnieks demonstrated the first optical hologram in 1964, hologram technology has attracted a great deal of interest in a wide range of optical fields owing to its potential use in future optical applications such as holographic imaging and optical data storage. Although there have been considerable efforts to develop holographic technologies using conventional optics, critical issues still hinder future development. Recently, metasurfaces composed of artificially fabricated subwavelength structures have been considered as novel holographic devices that show an unprecedented ability to control electromagnetic waves. In this review, we outline the recent progress in metasurface holography. A general introduction to several types of metasurface holography categorized based on their physics and application is provided. Then, our personal perspective on the future of this field is discussed.     

Microwave holographic interferometry

Microwave holography is an extension of the optical holography to the microwave field. In fact, by using a well-known characteristic of the holographic process, it is possible to record the hologram at frequencies very far from the optical region (microwave) and to reconstruct a visible image by laser light. This paper describes the experimental apparatus and the technique used for obtaining a satisfactory optical wave reconstruction from microwave holograms. The resolving power of the system which was experimentally tested, and visible images of microwave transparencies and of a back scattering object are given. As an alternative application of the microwave holography together with the optical wave reconstruction, in this paper, extension of holographic interferometry to the microwave region is suggested, and the visible image of a deformed object crossed by fringes due to microwave interference is also shown. This technique can find applications, for instance, in the mapping of the earth's deformations or in that of the tides. Different aspects of the microwave holographic interferometry have been also discussed.     

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。     

极弱光关联成像研究进展及展望（特邀）

光学成像因其分辨率高,信息量丰富,具有其他探测和感知技术不可替代的地位,是人们获取信息最重要的技术手段之一。光子是光学成像系统中的信息载体。光学图像的高质量重构,依赖于对信号光子的高效耦合和对光信息的精准解耦。然而,在遥感或生物成像等重要应用场景中,由于作用距离远或辐照功率低,到达探测面的物体信号光子数少,信噪比低,对光学系统设计、信号探测和图像恢复都带来了极大困难,严重限制了光学成像性能。如何在极弱光条件下获得高质量图像,是光电成像系统研究的基础性难题,也是推动光学成像不断向更大视场、更远作用距离、更高信息通量发展亟待克服的关键技术。近年来,在光场调控和量子探测技术支撑下,并基于光场的高阶经典/量子关联发展起来的关联成像,由于探测灵敏度高、抗干扰能力强,为发展极弱光条件下的光学成像技术带来了新的机遇。文中将简要回顾关联成像的原理机制,在此基础上系统介绍极弱光条件下关联成像方案和方法。并尝试从光子动力学层面解释这些方法的物理本质,讨论这些方法的能力极限,比较这些方法所适用的场景。     

强散射背景下的图像感知、融合与可视化技术

视觉信息是人类对周边环境进行感知的重要手段,光学成像和图像处理技术能大大扩展人类“视域”,使得人们获取图像的方式不局限于眼睛能见范围。散射效应导致光学成像装置的作用距离大幅下降,难以对远距离目标进行有效观测。人类对图像信息的感知,通常由对焦、校正和立体视觉形成,三个步骤互相耦合完成。其中,对焦和双目图像信息校正过程可以通过光学系统和数字图像处理的方法进行优化,提高强散射背景下的图像对比度,进而使得散射条件下的图像信息得以被感知和分析。然而,在目前技术条件下,机器立体视觉仍难以达到人类视觉水平,而人类视觉系统仍然是图像感知和分析的重要终端。可以预见,在低能见度条件下实现光学图像信息的精确获取与分析,仍需要实现人类视觉系统和机器的双重结合,发展包含人类视觉在内的立体视觉全局优化技术。主要介绍了在大气和水下浑浊条件下实现光学成像和实现图像融合的物理极限和关键影响因素,并展望人类的立体视觉在提高光学成像能力方面的作用。