基于光强传输方程的双相机动态相位成像的视场校正

在显微成像中,基于光强传输方程的双相机动态相位成像是定量观测活细胞运动的一种有效方法。但是相机安装带来的误差使得两个相机的视场之间存在一定差异,导致利用光强传输方程求解获取的相位不准确。为此,提出了一种基于棋盘格标定的双相机图像校正方法,以消除相机间视场的不匹配问题,校正后的匹配精度可达到亚像素级,大大提高了相位成像的正确率。首先对标准微透镜阵列进行定量成像测量,验证所提方法的准确性和可行性,再对游动的雨生红球藻细胞进行动态相位成像,成像结果表明该方法在动态生物成像领域具有一定的应用前景。     

基于超表面的相位成像技术进展（特邀）

相位是光场信息的重要组成部分。在光学显微成像领域,大部分生物细胞对光的吸收较弱,传统的亮场显微无法准确地表征细胞的结构特征,因此相位成像成为非标记细胞观测的重要方法。经典的相衬显微镜基于干涉成像原理,通常需要大块的折射棱镜或者复杂的成像系统,因而系统臃肿,易受环境扰动。超表面是一种特征尺寸在纳米或微米量级的光学元件,具有强大的光场调控能力,超表面集成在显微系统中可以实现方向无关、单摄式的定量相位成像,具有小型、轻便、易集成等优点。本综述回顾经典的相位成像技术原理,详细介绍基于剪切干涉、相位衬比和强度传输方程等3类超表面的相位成像技术原理,比较不同技术的优缺点和适用场景,指出超表面在相位成像领域面临的挑战,并对未来发展趋势进行展望。     

生物细胞定量相位显微技术及相位恢复方法的新进展

相位显微技术,尤其是定量相位显微技术,能够非侵入、无损伤地实现相位体形态结构成像,从而在生物细胞结构分析、类别识别和动力学行为研究中有着极其重要的应用。根据相位显微成像光路特征对相位成像技术做了分类,对典型的同轴干涉和离轴干涉两类成像技术进行了特征评析,并且介绍了这两类技术中几种重要的相位恢复方法,对三维定量相位显微技术的最新研究现状也给予了简单介绍,最后展望了相位显微技术未来的发展趋势。     

自然光条件下成像的相位检索方法与系统设计

相位检索技术利用直接测量得到的强度分布恢复相位信息,从而重建波函数,是光学和图像处理中的重要研究领域。在研究了现有的基于强度传输方程的相位检索的基础上,建立了符合自然光条件下普通相机拍摄图像原理的光传播模型,设计了相应的数据采集光学平台系统,并推导了新模型下的相位检索方法。模拟和真实实验结果验证了相位检索方法的合理性和正确性。新方法的提出将传统的基于强度传输方程的相位检索算法的应用范围扩展到了全息显示等宏观领域。     

干涉显微细胞相位快速恢复及图像预处理分析

和传统成像技术相比较,相位显微成像应用期间省略了染色环节,并且能实现无损伤性操作,成像结果可以数量化,近年来在生物细胞学科领域中有较广泛应用。很多学者陆续提出较先进的定量相位成像技术和光波干涉原理存在一定相关性。文章首先阐述了相移干涉显微成像基本原理及典型的相位恢复方法;其次提出新型微分相位提取法;最后对显微镜下细胞图像进行预处理,并以此方法作出模拟及实验验证,目的是阐述相位梯度用于辨识细胞类别及内部结构的可行性。     

基于透镜模型的部分相干光场相位检索技术

基于强度传输方程(TIE)的相位检索技术通过光学 与计 算的结合,利用强度信息恢复相位,避免了由于干涉法造成的分辨率、敏感性等问题,理论 和 实验证明是获取相位信息的一种可行途径。 这一方法是基于相 干照明假设前提推导出的,将TIE直接扩展到部分相干场是困难的,因为部分相干光 场对于时间是随机 波动的,需要使用点对之间的相关函数完整描述。结合部分相干光场的光学特性以及实际 成像中的透镜 相位调制作用,本文提出了一种基于透镜模型的部分相干照明下的相位检索新方法,并给 出了一致照明和 非一致照明下的相位检索结果。实验验证了新方法的合理性和正确性。新方法的提出,扩展 了传统的基于TIE的相位检索方法的应用范围。     

相位恢复算法研究进展

相位恢复技术是波前重构技术的一个重要分支,重构的结果只取决于测量平面光强的分布,相比于其他的波前重构方法,相位恢复技术具有不需要在光路中添加额外硬件、光路简单、对光路环境的要求低、抗干扰能力强等优点,在光束整形、激光光束净化和干涉成像等领域有着非常广阔的应用前景。相位恢复的精度及速度是评价相位恢复技术的主要准则,此领域目前文献比较繁杂,本文梳理了相位恢复算法的发展脉络,围绕相位恢复算法的收敛精度与收敛速度等核心问题,系统的介绍了迭代及光强相位恢复算法的相关研究进展,并且对相位恢复算法的发展前景进行了展望。     

强度传输方程和角谱迭代融合的相位检索算法

相位检索技术将光学与计算相结合,从强度测量中恢复相位,包括强度传输方程法和角谱迭代法。但前者仅对近场相位的恢复有效,其基于相干照明的假设前提使得该方法不能直接应用于自然场景的相位检索中;而后者具有迭代不确定性、收敛速度慢等缺点。探讨了在相干照明情况下传统强度传输方程法和角谱迭代法相融合的相位检索算法,将该融合法进一步扩展,提出了适用于自然场景透镜模型的相位检索方法,即使用强度传输方程法计算像平面的相位,并将该相位值作为角谱迭代的初始值,根据光路的可逆性,迭代出物面的相位信息,分别给出了两种情况下的实验结果。     

含相位物体的光学非线性测量技术研究进展

光学非线性的研究离不开对材料光学非线性系数的测量,快捷可靠的测量技术一直是非线性光学研究领域的热点之一。4f相位相干成像技术因其独特的优势受到了人们的重视,其中相位物体的应用引起了广泛的关注。简述了4f相位相干成像技术的基本原理及特点,然后重点介绍了含相位物体的非线性测量技术的研究进展。综述了反射4f探测技术、含相位物体透过率的测量方法、相位物体Z扫描技术、基于相位物体的时间分辨泵浦探测技术和4f泵浦探测技术,并比较了这些方法的特点和应用。     

部分相干照明下的相位恢复方法及应用研究进展

相位恢复技术在材料科学、生物医学、天文学等领域有着广泛的应用,不同的相位恢复技术及应用领域,需要用到不同的光源。光源的波长、相干性以及能量等参数都会影响最终的相位恢复效果。在以往的研究中,就空间相干性而言,往往将光源当作完全相干光处理,但是在实际应用中,X射线、电子束等光源都是部分相干光,且完全相干光经过介质时其空间相干性也会降低,因此,如何在部分相干照明下恢复物体正确的相位信息尤为重要。本文概述了空间部分相干照明下相位恢复技术的研究背景及研究进展,重点介绍了常用的几种相位恢复方法:模式分解法、强度传输方程、微扰法以及焦移法等,并对这些方法的优劣进行了对比分析。此外,还概述了微扰法相位恢复技术在特殊关联部分相干光场测量及部分相干涡旋光束拓扑荷数测量中的应用。     

一种基于共轴干涉的相位物体定量成像技术

为了实现生物组织及相位光栅等透明相位物体的快速定量相位测量与成像,基于共轴干涉及相衬干涉原理,构建了一套相位物体定量相位快速测量与成像系统。分析了定量成像原理,设计了相应的相位提取及恢复算法。通过拍摄单幅或两幅相衬图,实现了相位光栅、水滴等小相位变化的相位样品的定量相位测量与成像。设计了相应的分区差分相位解包裹算法,实现了相位值超过π的微透镜的定量相位测量与成像。结果表明,通过该系统测量所得到的全息相位光栅的相位分布以及不同超声驱动电压下弱超声驻波光栅的相位振幅变化关系与其它方法所得的测量结果基本一致;微透镜的实验测量厚度值与理论计算值相比,绝对误差约为0.03μm。本系统具有一定的可行性和适应性,在生物细胞和组织等透明相位物体的快速测量与成像方面有潜在的应用意义。     

白细胞光学模型及其相位分布特征分析

5类白细胞的识别与分析在临床医学和生命科学研究中有着极其重要的应用意义。近年来数字相位显微技术在红细胞的显微观察方面得到了突破性的发展。而白细胞由于其光学相位体结构的特殊性,相位显微方法的应用存在着一定困难。分析了5类白细胞的光学特征,建立了光学模型,并应用虚拟仿真技术研究了其相位分布特征,通过相位分布特征与白细胞类别关系的分析,发现白细胞在相位成像过程中,相位分布特征不仅仅由干涉而成,而且与细胞核的散射相关,但是存在着一定的可确定性。     

自适应聚焦下基于强度传输方程的相位恢复

基于强度传输方程的非干涉相位恢复方法是通过对强度图像求解方程来获取相位的一种途径。在图像采集过程中,对聚焦图像的选择是很重要的。但该过程通常是由主观方法来确定,从而导致聚焦定位不准确,进而影响相位恢复结果的精度。首先,提出了一种基于强度传输方程的自适应聚焦相位恢复方法;其次,使用边缘占空比对采集图像进行定位,在求解相位之后进行循环角谱传播,直到边缘占空比定位位置不变,即被认为是定位到了最佳聚焦位置;最后,再使用强度传输方程求解样本的相位。结果证明:该方法不仅提高了相位恢复的准确性而且减少了获取大量图像的次数。在模拟实验中,恢复相位与原始相位的相关系数达到0.9866,均方根误差为0.3050。在实际的微透镜阵列实验中,用所提出的相位恢复方法恢复出的微透镜高度与真实高度误差仅为5.7%,证明了在显微成像领域,所提算法可以定位到最优聚焦位置,有利于自动聚焦技术的发展,进而提高相位恢复的精度。     

光强传输方程与图像插值融合的相位恢复

光强传输方程作为典型的相位恢复技术,在已知待测面光强分布与光强轴向微分时,可以通过求解该方程直接得到待测面的相位分布。强度微分可以通过采集沿传播方向的不同散焦面的光强信息以计算强度差分来估计,由此,散焦面的适当选择变得尤为重要。将光强传输方程与图像插值法相结合,在几何光学模型下描述采集的散焦面光强分布与聚焦面光强分布之间的关系,再利用图像插值法计算出模糊参数不同的散焦面的光强分布,由新得到的散焦图和采集的聚焦图代入光强传输方程以计算出相位。该方法只需要采集三幅强度图像,即可计算获得其他位置的强度图像,避免了采集设备的多次移动,也为某些特殊情况下无法获取适合位置的强度图像提供了一种解决途径。实验中搭建了一个实际的光强图像获取系统,所得结果验证了所提算法的有效性。     

生物细胞定量相位测量与恢复方法研究进展

细胞定量相位测量与恢复方法采用免标记非干预式的检测手段,实现静态及动态生物样本空间形态的定量重构,为细胞动力学过程中复杂生物物理信息的可视化检测提供了实现条件。重点介绍同步相移式、数字全息式和流体聚焦式等新型动态生物细胞相位检测技术,同时简要综述同轴干涉与离轴干涉式的传统静态细胞相位检测技术的发展。对各种方法的采样速率、成像分辨率、细胞检测精度等关键参数进行比较,阐明不同测量方法适用的生物信息检测类型及应用领域,同时介绍动态与静态细胞相位检测中对应各类相位恢复方法的特点与发展。     

基于硅基液晶变焦透镜的相位恢复方法

针对传统的基于光强传输方程(TIE)相位恢复方法中需要通过移动待测物体或者CCD以实现光强图像采集所造成的速度慢、精确度低等问题,提出了一种新的基于硅基液晶(LCOS)变焦透镜的相位恢复方法。首先,在LCOS上加载具有不同焦距的透镜相位分布图,使其实现变焦透镜的功能;然后通过本研究所设计的系统在同一成像平面上采集不同散焦距离的光强图像;最后求解TIE从而得到相位信息。该方法只需要改变LCOS上所加载的相位分布图即可形成不同的散焦图像,避免了传统方法中机械移动所造成的误差。模拟与实验结果均验证了所提方法的正确性和有效性。     

相位恢复波前重构技术的发展与应用（特邀）

光波复振幅中相位信息的恢复是科学与工程领域的重要研究热点之一。相位携带了光传播中的重要信息,对成像与智能感知技术的发展有着重要的意义。相位恢复波前重构技术通过优化算法和设计特定成像装置,从光电探测器采集的强度信息中恢复出难以被直接感知的相位信息,是探测微观和宏观世界的重要技术手段之一,已广泛应用于生物显微、工业检测和天文观测等领域。概述基于干涉和非干涉的波前重构技术及其应用,梳理相位恢复波前重构算法的基本原理和发展历程,对常见相位恢复技术手段如交替投影相位恢复算法、基于调制约束和基于深度学习的相位恢复波前重构技术等进行初步的探讨。针对相位恢复波前重构技术的未来发展提出若干可能的研究方向,包括相位恢复算法的进一步优化、新型系统和器件的开发等。     

基于双窗口载波干涉的动态相位测量研究

研究了一种具有共光路结构的双窗口载波干涉方 法用于动态相位测量。 基于4f光学成像系统,将输入面分成两个窗口,并在成像透镜之间放置郎奇光 栅,通过控制光栅的离焦引 入载波,进而利用傅里叶变换法实时定量恢复待测物的相位分布。构 建了实验平台,并实时记录了水滴的蒸发过程和有机玻璃板的受压迫变形过程。结果表明, 本文方法不 仅结构简单、抗干扰性能好,而且实时性好,适合于动态相位变化的实时测量。     

卤素灯照明光栅衍射共路数字全息显微定量相位成像

数字全息显微术是数字全息术和光学显微术相结合的定量相位成像技术。为克服高相干光源(激光)照明产生的散斑噪声和寄生条纹噪声,以及参物光路分离系统结构的不稳定性(易受外界震动干扰),实现了白光照明(卤素灯照明)的基于光栅衍射的共路离轴数字全息显微定量相位成像。首先基于理论分析和计算,得出系统可采用的光学元件参数和系统结构参数;然后建立了一套卤素灯照明的光栅衍射共路数字全息显微成像系统;最后对系统的成像准确度和时空噪声进行了测量。实验结果表明,该系统具有高准确度的成像性能,并具有非常高的时空敏感性(空间噪声为0.6nm,时间噪声为0.04nm)。     

SPR相位检测方法及应用

相位调制SPR传感器较其他三种调制模式有更高的灵敏度,被广泛地应用于生化检测等领域.目前用于SPR相位检测的方法主要有外差干涉法、空间干涉法、剪切干涉测量法、Machzehnder干涉仪法和椭圆偏振法.文中介绍了各种方法的测量原理、装置、特点及其应用.