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。     

傅里叶单像素成像技术与应用

非可见光成像是光学成像领域中的难题之一。单像素成像作为一种新型的计算成像技术,利用空间光调制技术,可实现只使用一个无空间分辨能力的单像素探测器获取物体的空间信息。因此单像素成像是解决传统成像在非可见光波段成像难题的潜在解决方案之一。近年,傅里叶单像素成像技术被证明是一种可以兼得高成像质量和高成像效率的单像素成像技术。自2015年被提出至今,傅里叶单像素成像已经从二维成像推广到三维成像、从灰度成像推广到彩色成像、从静态成像推广到动态成像、从单模态成像推广到多模态成像、从宏观成像推广到显微成像,发展出一系列的成像技术。对傅里叶单像素成像技术的基本原理、与之相关的成像技术和应用进行了综述,并讨论了现存的一些关键问题以及今后可能的研究方向。     

单像素成像及其在三维重建中的应用

不同于数码相机使用光电探测器阵列来获取图像,单像素成像通过使用一系列掩膜图案对场景进行采样,并将这些掩膜图案中的信息与单像素探测器测量得到的相应光强做关联计算以重建图像。虽然在传统可见光成像领域,单像素成像性能远不如数码相机,但许多研究成果表明,其在复合波长、太赫兹、X射线以及三维成像等一些非常规应用中具有一定优势。介绍了单像素成像技术的发展历程,用数学模型对其成像原理进行了解释,并分析了影响其性能的要点。此外,文中还对三维单像素成像技术的研究工作及其潜在的应用前景进行了总结和展望。     

掩膜版调制关联成像的发展及应用(特邀）

关联成像作为一种新型的计算成像技术,使用不具备空间分辨能力的单像素探测器,结合空间光场调制技术,运用关联算法重构出目标的二维空间信息,成为近二十多年来广泛关注的研究课题。单像素探测器和结构光调制器作为关联成像中的两个核心要素,其性能直接决定了关联成像的各项指标。单像素探测器往往具有极高的光谱响应范围和工作带宽,但结构光调制器却少有与之匹配的性能。因此在一定程度上,结构光调制器的更新历程决定了关联成像技术的发展史。到目前为止,在关联成像中常用的结构光调制器有毛玻璃、空间光调制器、LED阵列以及掩膜版。其中,掩膜版作为一款有着悠久历史的结构光调制器,目前依旧是关联成像中空间调控的重要手段,并发挥着不可替代的作用。以关联成像的基本概念和发展历程为铺垫,着重介绍了一些基于掩膜版调制关联成像技术的工作原理及应用前景,并对非光学波段的掩膜版关联成像工作进行了简要的总结。     

紧凑双光路单像素成像系统（特邀）

不同于使用阵列探测器的常规数码相机,单像素相机使用不具空间分辨能力的单像素探测器对目标进行成像。由于其工作波长覆盖广、灵敏度高,单像素相机在特殊波段和弱光照明等特殊场景中较普通相机更有优势,在遥感探测、显微成像、军事侦察等领域得到广泛应用。提出一种紧凑型单像素成像系统,该系统利用数字微镜阵列的工作特性形成了对称的折叠双光路以快速完成差分测量。紧凑的结构降低了相机系统的体积,使系统可采用标准尼康镜头作为成像透镜。系统具有双光路差分成像、双光路平均降噪、宽谱波段成像、双光路交替采样等多种模式,并且可根据场景对重建图像信噪比、实时帧率、成像波段的不同需求切换应用模式。基于系统样机的实验结果表明其能实现预期的功能、达到相应的性能。紧凑型单像素成像系统的提出是一次较成功的单像素成像工程化尝试,为单像素成像技术后续的实际应用奠定了较好的技术和工程基础。     

太赫兹单像素计算成像原理及其应用(特邀)

太赫兹成像技术具有透视性、安全性以及光谱分辨能力等独特优点,有着广泛的应用前景。由于太赫兹面阵探测器的技术成熟度低、价格昂贵,太赫兹成像技术在较长时间内以单点扫描方案为主,存在系统复杂、成像耗时长等问题。近年来,基于计算成像算法的太赫兹单像素成像技术发展迅速,成为了获取太赫兹图像的重要途径之一。文章综述了太赫兹单像素计算成像技术的基本原理、技术实现手段和应用前景,总结了现存的一些关键问题,并展望了一些今后可能的发展方向。     

单像素成像与超表面成像（特邀）

单像素成像作为一种典型的计算成像方式,利用单像素探测器测量一系列掩模图像照射目标之后的光强值,进而通过不同重构算法恢复目标图像。相较于多像素探测器(CCD或CMOS),单像素成像克服了硬件的限制,在某些特殊波段,探测效率更高,响应更快。超表面是由亚波长的金属或介质单元构成的二维人造结构。在可见光波段,超表面可以调控入射光的多种自由度以实现多通道全息图的显示;在微波波段,超表面可以与导波模式进行耦合辐射出多种模式图案。简单介绍了单像素成像的研究背景、成像原理和重构算法、超表面成像的研究背景,并主要讨论了两种成像方式在可见光波段以及微波波段的结合以及相关研究,最后提出了未来的发展方向。     

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。     

单像素成像在三维测量中的应用

在条纹投影等传统结构光三维测量技术中,在全局光照的干扰下,无法获得高质量、高精度的三维测量结果。典型的全局光照效应包括互反射和次表面散射。互反射发生在凹陷的光亮反射表面,而次表面散射发生在半透明材料表面。单像素成像(Single-pixel imaging, SI)技术可以通过没有空间分辨率的探测器捕获场景,然而,大多数现代数码相机采用传统像素化的图像传感器。在这里,我们提出了将单像素成像技术扩展到像素化的图像传感器中,将图像传感器上的每个像素都被视为是一个独立的单像素成像单元,可以同时获取图像。实验表明,这种单像素成像方法可以完全分解直接光照和全局光照,实现在全局光照干扰下的高质量、高精度三维重建。     

激光成像技术的新发展

激光三维成像技术具有有别于其它光学成像技术的许多特点,在侦察、测绘、制导和导航等领域有着广泛的应用前景,是激光应用领域的一个研究热点。随着激光技术和探测器技术的发展,近些年来,一种以三维探测器阵列为核心的新型体制的激光三维成像技术得到了迅速的发展,该体制的激光三维成像系统包含了单光子三维雪崩探测器阵列、半导体泵浦微片激光器、衍射光学元素微光机电系统等诸多前言技术,是激光三维成像技术的一种发展方向。本文对该技术的特点、应用、关键技术和发展状况等情况作一简要介绍。     

基于4相位剖面的距离测量方法

TOF三维成像技术是利用光信号的飞行时间来判断物体的距离,在尺寸测量、机器安全、汽车防撞系统、无人机地形辅助等方面有着广泛的应用前景和潜在的市场价值。本文针对分辨率360×240的三维成像器件EPC660进行介绍,说明4相位剖面的距离距离测量原理、像素域成像架构与误差消除、信号同步和距离质量判断,特别是环境光、温度、元器件老化等多种影响距离精度的消除方法进行了分析。在实际应用测量中,近距离目标物体的反射率对距离测量的影响较大,会造成采集的数字量饱和。下一步在近距离目标物体距离测量进行研究,为进一步应用TOF三维成像技术在目标物识别方面的应用打下基础。     

阵列分束激光三维成像技术

针对现有激光三维成像中使用的面阵APD探测器相邻像元间隔较大,导致激光利用率低从而影响探测距离的缺点,提出阵列分束激光三维成像技术。该技术对激光发射源采用液晶空间光调制器进行衍射阵列分束,将一束激光分成与阵列APD探测器相应的阵列子光束,调整激光发射子光束和阵列APD探测器的位置,使得子光束照射目标后聚焦到阵列APD探测器的像元上,提高了整束激光的利用效率。介绍了阵列分束激光三维成像技术系统组成和工作原理,提出采用液晶空间光调制器的方法实现阵列分束的方案,研制了阵列分束激光三维成像原理样机,利用研制的原理样机对采用阵列分束后的效果进行了验证。实验结果表明,采用该技术后,采用峰值功率10 kW、脉宽8 ns的激光源,填充因子2/3的88 APD,三维成像作用距离达到510 m,同等条件下与不分束相比,作用距离提升39.1%。     

非制冷红外热成像技术的发展与现状

非制冷红外焦平面技术在过去的几年内飞速发展,非制冷焦平面由原来的小规模,发展到中、大规模320×240和640×480阵列,在未来的几年内有望获得超大规模的1024×1024非制冷焦平面阵列。像素尺寸也由50μm减小到25μm,提高了焦平面的灵敏度,使非制冷红外热成像系统在军事领域得到了成功应用,部分型号已经装备于部队,并受到好评。今后,随着焦平面阵列规模的不断增大、像素尺寸的进一步减小,非制冷热成像系统在军事领域的应用将越来越广泛,尤其在轻武器瞄具、驾驶员视力增强器、手持式便携热像仪等轻武器方面,非制冷热成像系统在近年内有望逐步取代价格高、可靠性差、体积大等笨重的制冷型热成像系统。     

基于MPPC阵列的三维单光子成像技术研究

三维成像技术在自动驾驶、航空任务、军事领域等都有着广泛的应用,不同技术体制的成像系统有不同的优点,其中基于多像素光子计数器(Multi-Pixel Photon Counter, MPPC)的三维成像技术由于其成像速度快、对极弱光敏感等优势具有广阔的发展潜力。然而,由于MPPC阵列发展不成熟,基于MPPC阵列的弱光三维成像探测水平受到限制。利用日本滨松公司研发的具有32×32规模的MPPC阵列S15013系列二维光子计数图像传感器,开发了一套三维成像系统,传感器的每个像素由12个单光子雪崩二极管并联而成,其总探测像素达到1 K以上。基于该系统,分析了阈值电压、镜头光阑等参数条件对三维成像探测结果的影响,对系统探测灵敏度和精度进行了测试,并针对37 m远模拟目标开展了三维成像探测试验。试验结果表明:在回波光子数约1.98 (光子/像素)的暗弱条件下,目标区域测距精度达到0.268 m,三维结构特征明显,达到了接近单光子成像的探测水平。     

集群像素激光三维成像雷达能量利用效率分析与研究

激光三维成像雷达技术在近十几年得到了飞速发展,各种新激光雷达体制在新技术的刺激下也日渐成熟.集群像素激光三维成像雷达技术是新型体制的典型代表,其具有用少量探测器就能实现大规模像素阵列探测的能力,并且在相同能量条件下能获取到更高信噪比的回波信号.研究了集群像素激光三维成像雷达的雷达方程,分析了发射系统与接收系统能量利用效...     

基于液晶显示器的无透镜单像素成像研究

根据获取物体傅里叶频谱实现单像素成像的理论,提出了通过对液晶显示器(LCD)加载一系列灰度条纹图像,并利用置于屏幕前的单点光电探测器接收物体透射光强,来实现无透镜单像素成像的方法。该系统降低了对硬件的要求,光路紧凑,灵活性强。从理论上证明了LCD加载图像时图像灰度与透射光强之间存在的非线性关系对系统成像没有影响,从实验上验证了该方法的可行性。该系统的成像实验表明,加载条纹后需预留给显示器液晶分子一定的响应时间,使探测器准确获取光强,可显著减小背景噪声和共轭像干扰,提高重建图像质量。     

主动偏振成像的系统结构概述

偏振成像技术是近年来国内外研究的热点,在军事和民用方面都有巨大的应用价值。与被动偏振成像方式相比,主动偏振成像技术弥补了被动成像单纯依靠目标自身辐射或反射成像的不足,大大提高了成像距离和信噪比。引入主动光源,可以根据目标的出射辐射计算其Mueller矩阵,分析目标反射或散射光的强度、相干、消偏振等特性,进而得到目标的自身特性。介绍了近年来主动成像技术的发展;分析了系统结构组成及工作原理;最后给出了几种典型的主动偏振成像系统,并分析了这些系统的优缺点,指出了偏振成像系统的未来发展趋势。     

低损耗太赫兹波导及其成像应用

高性能的太赫兹功能器件在太赫兹波的产生、传输及探测上都有着重要意义.报道了一种Kagome型低损耗太赫兹波导及其成像应用.首先根据反谐振波导理论设计了0. 1 THz处低损耗的太赫兹波导,其理论损耗低至0. 012 cm~(-1).然后使用3D打印技术制备波导实物,实验测得其损耗为0. 015 3 cm-1,波导末端光束发散角为6±0. 5°.最后基于该波导搭建了可重构太赫兹成像装置,分别实现了对隐藏刀片、矿石的反射和透射成像,在地下远距离勘探领域具有潜在的应用前景.