波前编码超分辨成像技术

波前编码作为一种经典的计算成像技术,以能够大幅度拓展光学成像系统的焦深而闻名,并得到了学术界及工业界长期的关注。实际上,除了焦深的拓展,波前编码还具备实现超分辨率成像的潜力,而这在已有的研究中鲜有讨论。一方面,相位掩膜板的引入在降低光学系统传递函数并使其对离焦不敏感的同时,也有效降低了欠采样数字成像系统中的混叠效应,从而提供了更适合于进行超分辨率重构的数据源。另一方面,相位掩膜板所引起的点扩散函数支持域的巨大化效应使得以数字的方式、从采样间隔可以被认为是无限小的、理想的光学焦平面点扩散函数来计算与特定探测器物理像元大小相对应的采样点扩散函数成为可能。因此,从这两个特点出发,提出了一种为波前编码系统定制的、基于单帧图像放大的超分辨率重构算法,并且研制了原型样机对超分辨率的效果进行了检验。试验表明:焦距50 mm/F数4.5的Cooke三片系统除了焦深拓展超过20倍且具有接近衍射受限成像品质之外,利用复原算法能够实现至少3倍的高品质超分辨率重建效果。     

受激辐射损耗超分辨成像技术研究

受激辐射损耗显微成像(STED)是一种超分辨荧光显微成像技术,它能够突破传统光学衍射极限的限制,把远场光学分辨率提高到百纳米以内,被广泛应用于生物医学等领域,是目前光学显微成像领域研究的热点之一。采用了一种基于超连续谱皮秒脉冲白激光光源的STED显微系统,实现超分辨成像。并从精密合束、脉冲延迟和损耗光残留光强几个方面探讨系统优化,从而获得最佳的成像效果。对直径约25 nm荧光微球成像实验的数据表明:该系统成像分辨率可达约60 nm,分辨能力远远高于衍射极限。另外,系统成功实现了对核孔复合物、微管和微丝等一系列生物样品的超分辨成像,共聚焦成像中某些模糊不清的结构在STED成像中清晰可辨。     

压缩感知实现快速超分辨荧光显微成像

为了发展能够同时兼顾超分辨、快速成像和视场的荧光显微镜, 以促进其在活细胞或微观动态过程成像的应用, 将压缩感知应用到超分辨荧光显微镜中, 利用投影梯度稀疏重构算法对单帧荧光宽场图像重构, 并进行了理论分析、仿真和实验验证。结果表明, 该方法能够突破光学衍射极限, 成像分辨率达到180nm, 相比衍射极限提高1.8倍。此结果说明压缩感知能够实现单帧宽场超分辨荧光显微成像, 相比现有的方法在成像速度上有巨大的提升。     

液晶波前校正器校正水平方向上的大气湍流

利用液晶波前校正器和哈特曼波前传感器组成的自适应光学系统对水平方向500 m的大气湍流进行校正.首先测定了液晶波前校正器(LCWFC)的位相调制特性,测定结果表明其可以实现一个波长的调制量,同时利用Garoma校正实现了位相和灰度之间的线性调制关系.然后将该系统与孔径220 mm的望远镜进行对接.液晶自适应校正后,波面均方根误差降低到0.06λ,实现了0.68"的系统衍射极限分辨.实验结果表明:液晶波前校正器可以很好地校正水平方向500 m的大气湍流扰动.     

二维多项式位相光瞳滤波实现超分辨望远成像

为了对望远光学系统实现横向超分辨成像,设计了一种高斯特列尔比的二维多项式函数形式的位相型光瞳滤波器,分析了其对光学系统焦点附近光强分布的有益影响。理论分析表明,加入滤波器之后,与无滤波器时相比系统横向光学分辨率提升了1.33倍,同时斯特列尔比为无滤波器时的0.75倍。给出了该种滤波器与典型的三区型、四区型和一维多项式位相型光瞳滤波器的对比,从对比结果可知,二维多项式型滤波器的斯特列尔比为几种滤波器中的最优,且其横向分辨倍率仅次于四区型滤波器,但四区型滤波器的斯特列尔比过低,不适合应用于望远系统。研究了入射光视场角对应用该种滤波器的望远光学系统成像效果的影响,视场角不大于4时,具有较佳的超分辨效果。     

数值研究负折射率超透镜近场亚波长成像

文章采用时域有限差分法研究负折射率平板超透镜的电磁聚焦现象,计算近场成像特性;计算结果给出负折射率平板透镜近场成像的波场分布,双波源的成像分辨率为四分之一波长,达到亚波长分辨效果。计算结果表明,负折射率超透镜近场亚衍射成像只在一定的参数条件下成立。     

超分辨成像方法研究现状与进展

光电成像系统受到衍射极限和像元分辨率的制约,但研究者们从未停止过脚步来突破这一限制。本文介绍了近年来开展的各种超分辨成像方法和技术,包括应用于荧光显微成像的受激发射损耗技术、结构光照明技术、光激活定位技术与随机光学重构超分辨成像技术;可应用于显微系统、光存储与眼底成像的光瞳滤波技术与径向偏振光超分辨聚焦技术;应用于空间探测的合成孔径技术、光子筛成像技术、超振荡透镜技术、亚像元技术与焦平面编码技术。主要讨论了以上超分辨方法的原理、实现手段与目前发展水平。     

获取非等晕幸运短曝光图像的概率研究

通过湍流大气进行短曝光成像,存在一定的概率能够获得接近系统衍射极限分辨率的图像,瞬间的波前畸变可以忽略不计.通过设计不同望远镜口径的短曝光成像观测实验,应用基于灰度梯度统计的像质评价函数对序列短曝光图像进行了像质评价,并运用归一化处理来研究非等晕条件下获取幸运短曝光图像的概率.处理结果验证了“幸运图像”的获取概率随着口...     

基于荧光随机涨落的超分辨显微成像

基于荧光随机涨落的超分辨显微成像技术具有成像速度快、空间分辨率高、系统成本低和光毒性小的成像优势,在对生物亚细胞结构及其动态运动过程的成像和监测中具有广阔的应用前景。近年来,基于荧光发射的间歇性,发展出多种图像重建算法实现荧光涨落超分辨成像,在无须对传统的荧光显微镜做任何硬件改造的情况下,显著提升了光学成像的空间分辨率,实现了突破光学衍射极限的超分辨成像。从重建算法、成像速度、分辨率提升和图像重建质量等方面,对比分析不同类型荧光涨落超分辨方法的差异和适用范围,为生命科学研究人员针对特定的生物学问题选择最佳的超分辨方法提供参考依据。     

三维超分辨显微成像技术的研究进展及展望

超分辨显微成像技术是细胞生物学中研究细胞器结构、相互作用和蛋白质功能的强大工具,其具有突破光学衍射极限的分辨能力,从纳米尺度上为细胞生物学提供了新的分析手段,对生命科学相关领域具有重大意义.然而,受衍射极限的影响,超分辨显微镜的轴向分辨率相比于横向分辨率要更难以提高,这导致实现细胞结构亚百纳米分辨率的三维成像更为困难.从受激辐射损耗显微术和单分子定位显微术这两种主流技术出发,对目前存在的多种三维成像技术进行了原理介绍和特点分析,最后对其未来发展方向进行了展望.     

Blind restoration of turbulence degraded images based on two-channel alternating minimization algorithm

Due to the atmospheric turbulence and the system noise, images are blurred in the astronomical or space object detection. Wavefront aberrations and system noise make the capability of detecting objects decrease greatly. A two-channel image restoration method based on alternating minimization is proposed to restore the turbulence degraded images. The images at different times are regarded as separate channels, then the object and the point spread function (PSF) are reconstructed in an alternative way. There are two optimization parameters in the algorithm:the object and the PSF. Each optimization step is transformed into a constraint problem by variable splitting and processed by the augmented Lagrangian method. The results of simulation and actual experiment verify that the two-channel image restoration method can always converge rapidly within five iterations, and values of normalized root mean square error (NRMSE) remain below 3% after five iterations. Standard deviation data show that optimized alternating minimization (OAM) has strong stability and adaptability to different turbulent levels and noise levels. Restored images are approximate to the ideal imaging by visual assessment, even though atmospheric turbulence and systemnoise have a strong impact on imaging. Additionally, the method can remove noise effectively during the process of image restoration.     

基于兴隆观测基地50cm望远镜的幸运成像系统

大气湍流会在很大程度上降低地基望远镜的空间分辨率,而幸运成像技术以较低的成本、简单的设备、易实现的算法可以有效修正大气湍流的影响,从而提高了地基望远镜开展天体成像和密集星场高精度测光观测的能力.基于兴隆观测基地50 cm望远镜研制了幸运成像系统,该系统包括滤光片、望远镜增焦子系统、数据采集子系统和数据处理子系统.在视宁度良好的晴夜对月球、大行星、球状星团和双星进行了观测,成功获取了月球表面的清晰图像,恒星星像的半高全宽(FWHM)达到0.6,好于2倍望远镜衍射极限.观测结果表明,该幸运成像系统能够有效提高地基望远镜的空间分辨本领,为下一步的高分辨天文观测研究奠定了基础.     

基于像差共轭组合模型的自适应光学系统控制方法

在单位圆的同心孔径圆域内,某些特定Zernike模式具有相关关系,其中具有较强负相关关系的模式组合在一定系数条件下叠加后,一定的同心孔径内的像差会相互抵消,波面变得更加平坦,这称为模式间的共轭性。文中设置了一组畸变波前,用自适应光学系统进行校正得到残差,然后用Zernike多项式对变形镜的校正残差进行了分解,通过分析首次发现在均方误差值较大的残差波前中,低阶、高阶两部分像差间存在着明显的负相关关系,两部分像差的系数会随着变形镜控制信号的调整体现出有规律的变化,并且在一定的系数组合方式下,这两部分像差呈现出共轭性。基于以上研究结果,提出一种控制方法,该方法通过优化变形镜控制电压来调整镜面面型,使得残差中的低阶、高阶两部分像差系数实现最佳匹配,从而降低光瞳同心孔径圆域内的像差均方根值 (RMS),最终实现该孔径范围内系统成像质量的提升。分别针对点目标成像和扩展目标成像进行了仿真,结果表明:该方法相比于传统闭环共轭式校正方法,在面对复杂像差时能够得到质量更好的光学成像,有效扩展传统自适应光学系统的适用范围。这种控制方法在变形镜有较大拟合残差的场合具有很好的应用前景。     

基于荧光微球的显微镜点扩散函数修正模型

为了修正显微镜点扩散函数荧光微球传统测量方法中微球直径对测量结果的影响、提高显微镜点扩散函数的测量精度,采用理论仿真、最小二乘拟合的方法,建立荧光微球等效2维浓度分布,模拟仿真了荧光微球显微成像过程;利用最小二乘拟合以及残差拟合的方法,得到荧光微球直径、荧光微球强度分布半峰全宽与系统实际点扩散函数半峰全宽之间的关系模型,由此模型得到较为准确的系统点扩散函数半峰全宽。结果表明,使用100nm荧光微球对系统点扩散函数进行测量时,相对误差在1%左右。此研究结果说明通过该修正模型可以得到较为准确的系统点扩散函数。     

Influence of different propagation paths on the propagation of laser in atmospheric turbulence

The analytical expressions for the average intensity, root mean square （RMS） beam width and angular spread of Gaus- sian Schell-model （GSM） beams propagating under slant atmospheric turbulence are derived, and they are used to study the influence of different propagation paths on the propagation of laser beams in atmospheric turbulence. It is shown that under the same condition, the influence of atmospheric turbulence along a downlink path on the GSM beam propagation is the smallest among the three paths. Therefore, the downlink propagation is more beneficial to the beam propagation through atmospheric turbulence compared with the uplink propagation and horizontal propagation.     

云南天文台1.2m望远镜61单元自适应光学系统

云南天文台1.2 m望远镜61单元自适应光学系统已经完成升级改造并投入使用.该自适应光学系统主要由倾斜跟踪控制回路、高阶校正回路以及高分辨力成像系统组成.为了提高系统的跟踪精度,倾斜跟踪控制回路由两级倾斜校正回路串联而成,用于校正望远镜的跟踪误差和大气湍流引起的倾斜跟踪误差.高阶校正回路主要由一套哈特曼波前传感器、一块61单元变形反射镜以及一套高速数字波前处理机组成.系统中哈特曼波前传感器的工作波段为400～700 nm,系统成像波段为700～900 nm.在介绍61单元自适应光学系统各组成部分的基础上,对该系统的性能进行了分析,并给出了实际天文恒星目标的高分辨力自适应光学成像观测结果.     

High-resolution vehicle-based adaptive optical system with two-grade tip/tilt correction

The images obtained by a large optical detection system (>500 mm) are always blurred by atmospheric turbulence. To address this blurring, an adaptive optical system is urgently needed. Here, a 1.3 m vehicle-based adaptive optical system (VAOS), located on the Nasmyth focus, is investigated. A two-grade tip/tilt steering mirror is used to eliminate tracking jitter and atmospheric tipping error. Pupil matching and cooperation between the deformable mirror and the wavefront sensor are adopted to achieve high-order aberration measurement and correction via closed-loop correction and to allow the telescope to obtain high-quality imaging. For different seeing conditions and site locations, the VAOS achieves the sensing over the wavelength range from 0.5 μm to 0.7 μm using a Shack-Harmann wavefront sensor and the correction with a 97-unit deformable mirror for an imaging spectrum range from 0.7 μm to 0.9 μm. Moreover, the maximum detection capability of the system is greater than a visual magnitude of 5, and the angular imaging resolution is better than 0.3".     

Hα与白光望远镜的光机热一体化分析

为了实现对空间光机系统在复杂环境下光学性能的快速评估,介绍了光机热一体化分析方法的原理和流程,以及在该原理基础上研发的光机热分析软件的主要算法和功能,阐述了作为其关键部分的光机热数据接口问题.以Hα和白光望远镜(HWT)为例,计算出该望远镜在不同系统温度下的光机热一体化分析结果.给出的光学传递函数和波像差变化结果表明:在不同系统温度下,HWT望远镜光学性能将发生相应变化.当系统温度约为20℃时,系统性能最佳,其波像差约为λ/10.当系统温度在15～25℃之间时,系统波像差约优于λ/6.基于光机热一体化分析方法的原理,给出了适用于空间光机系统的一套可行的技术途径.     

声波扰动激发湍流效应的研究

声波扰动能影响大气折射率结构常数，激发大气湍流效应.文章结合声波方程和Kolmogorov湍流模型的"2/3定律"，分析了声波激发功率和大气折射率结构常数之间的数值关系，分析了波长、温度和压强对大气折射率指数的影响.结果表明:压强的变化对大气折射率指数的影响最大，其次是温度，波长的影响最小.在标准大气压下，光波长为0.65 μm，声波扰动功率小于30 kW时，声波在距离声源1 m左右产生的大气折射率结构常数量级在10-17上下波动，属于大气弱湍流效应，表明声波扰动能产生湍流，激发湍流效应.     

高斯光束在大气湍流中的数值模拟和光强起伏

为了分析大气湍流对高斯光束产生的光强起伏现象,采用相位屏的方法,模拟出高斯光束经过大气湍流后在接受面上的光场分布情况,然后对模拟出的光场进行分析得到光强起伏的方差,并与理论得到的静态统计量进行分析比较,在一定程度上得到了较好的吻合。这一结果对各种近地激光应用是有帮助的。