空间相干结构光场产生、传输及应用研究进展

空间相干性是光场除了振幅、相位和偏振以外的一个固有属性,它在理解光的干涉、传输、光与物质相互作用等方面起着重要作用.近年来,对空间相干性的研究已经逐渐拓展至对空间相干结构的构建及特性研究,这是因为具有特定空间相干结构分布的光场展现出了新奇的物理效应,如自聚焦、自分裂、自偏移和自整形传输特性等.这些新奇物理效应的许多潜在应用也逐渐被发现,包括在自由空间光通信中降低大气湍流的负面效应、基于空间相干结构的光学加密和鲁棒光信息传输、光学微粒俘获及操纵等.本综述系统地回顾空间相干结构光场的表征方法、理论构建和实验产生方法、在自由空间和湍流介质中的传输特性和相关应用.首先,利用非负正定条件和相干模式分解理论来表示空间相干结构光场的交叉谱密度函数;然后,讨论理论和实验上构建及产生空间相干结构光场的2种不同策略,一种是基于广义范西特-泽尼克定理,另一种是基于相干模分解理论;接下来,概述特定空间相干结构光束在自由空间和湍流大气中的新颖物理特性;最后,介绍空间相干结构光场在降低大气湍流负面效应、光学加密、复杂介质中的鲁棒光信息传输和光学微粒俘获和操纵等方面的应用.光学空间相干结构不仅为光操控提供了新的自由度,产生的空间相干结构光场在诸多领域也展现出了重要应用价值.

超表面的矢量光场调控

矢量光场由于其独特的光场分布特性,在许多领域都得到了广泛且深入的研究与应用。传统光场调控手段受限于材料的光学特性及物理尺寸,难以实现灵活高效的动态操控功能。超表面凭借其亚波长结构设计所带来的额外自由度,突破了上述局限,使得对矢量光场的振幅、相位、偏振态乃至传播方向等的独立调控成为可能。本文结合国内外矢量光场领域的基础理论及最新进展,系统地阐述了矢量光场的基本原理及其数学模型,重点介绍了目前超表面生成矢量光场的方法,以及这种矢量光场在聚焦、轨道角动量检测、高精度定位等方面应用的具体案例与创新成果。

复杂结构光场的多自由度协同调控技术研究进展

对光场各自由度的单一或协同调控获得的结构光场由于具有新颖的物理性质,展现了重要的研究意义和应用价值。例如,轨道角动量作为一种全新的调控自由度直接影响光场相位与空间分布,常通过单独作用或共同作用构造高维空间,调控生成的涡旋光场及矢量光场已广泛应用于超大容量光通信、遥感探测、量子通信等领域。在此基础上,针对日益发展的前沿应用需求,引入新的光场调控自由度与传统自由度结合,进一步拓展高维和多维的结构光场研究成为了亟待解决的问题。本文首先从双自由度调控技术出发,以矢量涡旋光场为重点介绍了两种典型内癝自由度的耦合以及作用方式;在此基础上,结合本课题组的相关工作,系统综述了超越传统自由度并打破双自由度数目限制的复杂结构光场调控技术。

基于子光场遮挡融合的无监督光场深度估计

光场深度估计是光场处理和应用领域的重要科学问题。然而,现有研究忽略了光场视图间的几何遮挡关系。本文通过对不同视图间遮挡的分析,提出了一种基于子光场遮挡融合的无监督光场深度估计方法。该方法首先采用一种有效的子光场划分机制来考虑不同角度位置处的深度关系,具体是将光场子孔径阵列的主副对角线上的视图按左上、右上、左下、右下分为四个子光场。然后,利用空间金字塔池化特征提取和U-Net网络来估计子光场深度。最后,设计了一种遮挡融合策略来融合所有子光场深度以得到最终深度,该策略对在遮挡区域具有更高精度的子光场深度图赋予更大的权重,从而减小遮挡影响。此外,引入了加权空间一致性损失和角度一致性损失以约束网络训练并增强鲁棒性。实验结果表明,所提出方法在定量指标和定性比较上展现出了良好的性能。

联合空角信息的无参考光场图像质量评价

光场图像通过记录多个视点信息可为用户提供更加全面真实的视觉体验,但采集和可视化过程中引入的失真会严重影响其视觉质量。因此,如何有效地评价光场图像质量是一个巨大挑战。本文结合空间-角度特征和极平面信息提出了一种基于深度学习的无参考光场图像质量评价方法。首先,构建了空间-角度特征提取网络,通过多级连接以达到捕获多尺度语义信息的目的,并采用多尺度融合方式实现双重特征有效提取;其次,提出双向极平面图像特征学习网络,以有效评估光场图像角度一致性;最后,通过跨特征融合并线性回归输出图像质量分数。在三个通用数据集上的对比实验结果表明,所提出方法明显优于经典的2D图像和光场图像质量评价方法,其评价结果与主观评价结果的一致性更高。

海水环境光场水下辐照度测量光学设计

为了实现海洋环境光场水下辐照度测量光学设计,根据海洋辐射传输理论,对海洋环境下行辐照度、上行辐照度进行估算,完成海洋环境光场辐照度测量模块光学设计,并对其测量能力、姿态误差校正能力进行仿真分析,分析了探测器光敏面面积和透射窗口相对探测器的张角对测量能力的影响、横摇测量误差和纵倾测量误差对姿态测量误差影响,并得到横摇误差可采用动态水平法利用数据处理手段消除,纵倾测量误差可用对称排布的双辐照度探头测量模式消除的结论。海洋环境光场水下辐照度测量的光学设计,为水下实现目标环境光学特性测量奠定了技术支撑。

多模奇与偶相干态光场可分辨性的证明

构造了一般形式的多模相干态光场 ,并由一般形式的多模相干态光场及其相反态光场构造出一般形式的多模奇相干态光场和多模偶相干态光场 ;运用L .Kn ll等人提出的两个量子态之间的距离函数 ,从理论上严格证明了多模奇相干态光场与多模偶相干态光场是完全可以分辨的量子态光场 .

矢量光场调控专题导读

矢量光场,即具有可任意设计的波前和偏振态分布的光场,因其具有复用维度高、紧聚焦能力强、光场操控自由度大、手性筛选等特点,相较于均匀标量场具有更大的调控自由度和更广阔的应用前景,而引起了国内外科学家的广泛关注。如今,微纳光学的快速发展更为拓宽矢量光场调控的自由度、维度、尺度等方面提供全新契机。《光电工程》于2024年组织的“矢量光场调控”专题共收到10篇来稿,包括7篇综述和3篇原创论文,旨在展现近年来矢量光场调控的国内外重要研究进展和成果,让读者对矢量光场的研究现状、趋势和应用前景有更深刻的认识,也能为相关领域研究人员提供有益的帮助。

基于自适应匹配伪序列的光场图像压缩

近年来,光场图像作为一种新的数字图像形式,受到人们极大关注。光场图像具有维度高、信息量大等特点,存储和传输带宽压力巨大,成为其发展的瓶颈,提出一种基于自适应匹配伪序列的光场伪序列构建及压缩方法。首先根据微透镜中心点对原始图像进行重采样得到光场子孔径图像;然后利用光场图像相邻视图间的相关性重新构建伪序列,从而针对不同光场自适应地确定符合多功能视频编码器的光场图像最优编码次序;最后进行视频压缩。实验结果表明,本算法与VTM平台相比具有较好的压缩性能,BD-rate平均降低13.62%,优于其他对比算法。

“新型光场再现三维显示方法和关键器件”研究

该研究在基于光场重构的真三维显示机理研究的基础上,提出了基于光场重构的可探入式真三维显示方法;完成了基于空间光场拼接的光场再现三维显示方法原理验证,初步构建了基于光场拼接的三维显示系统,并进行了光场拼接校正以及亮度均匀性校正的验证实验。研制了用于三维显示的基于三片式DMD的彩色高速投影机,构建了基于高速投影机的可探入式光场三维显示原理验证系统,实现了360°的可探入三维光场显示。完成了集成成像光场再现三维显示机理的研究,并基于该显示机理提出了无摩尔条纹的倾斜微图像阵列的生成方法;建立了集成成像光场记录和光场再现的理论模型,并开发了集成成像立体视频制作软件和播放器;建立了微透镜结构参数与再现三维光场各参数间的数理关系,以及相互间的制约关系;初步研制了液体微透镜阵列器件。

超构表面赋能的矢量光场调控、检测与应用

携带角动量的矢量光场在微粒操控、光通信与显示、光学信息加密、高维量子信息处理等领域具有广阔应用。然而,传统的方法实现矢量光场调控通常需要使用多个级联的光学元件,如螺旋相位板、偏振片、四分之一波片、涡旋波片、空间光调制器等,导致器件体积庞大,不符合未来光子器件集成化的需求。超构表面的快速发展为集成化矢量光场调控器件的实现提供变革性解决方案。本文概述了国内外基于超构表面的矢量光场调控和检测的相关研究进展。在此基础上,系统总结了现阶段超构表面矢量光场在微粒操控、边缘增强成像、全息显示以及机器视觉等领域的应用。最后,我们对全文进行了总结和讨论,并提出超构表面矢量光场所面临的挑战和未来发展方向。

矢量涡旋光场在激光微纳加工中的应用

矢量光场领域在过去20年出现了众多重要进展。考虑到多篇综述介绍了矢量光场产生方法以及调控技术,作者仅以矢量涡旋光场为线索总结了其在激光减材、改性以及增材等微纳加工领域的典型应用,回顾了矢量涡旋光在材料表面和内部的微纳结构加工、光存储以及立体微结构光刻等应用中的部分关键进展。详细介绍了基于定制光场的图案化光致表面周期结构以及立体微结构快速双光子光刻的原理与技术。最后,总结了矢量涡旋光场在激光微纳加工中的优势与挑战,展望了其在未来将赋能更多复杂应用。

基于光场解耦的6D位姿估计方法

光场成像技术能同时捕捉场景中光线的空间和角度信息,被广泛应用到许多计算机视觉任务中。针对基于RGB图像位姿估计方法在严重遮挡和截断、光照变化、物体和背景相似等复杂场景下难以有效预估出位姿的问题,提出一种光场解耦特征融合的两阶段6D位姿估计方法。该方法采用多种特征提取器解耦光场宏像素图像并将其映射到特征空间,并引入注意力机制融合空间角度及EPI信息,为下游位姿估计网络提供有效可靠的关键特征。同时,将反投影应用到关键点预测网络以减少特征传递过程中信息的损耗。在光场位姿估计数据集LF-6Dpose上的实验表明,该方法在平均最近点三维距离(ADD-S)和二维投影(2D Project)两个指标下的结果分别为91.37%和70.12%,在三维距离指标上相比现有先进方法提升12.5%,能够更好地解决复杂场景下的目标6D位姿估计问题。

基于微纳结构及材料特性的光场调控模拟研究

利用时域有限差分算法(FDTD)对微纳结构靶的光场分布进行仿真模拟,探究微纳结构靶中的光传输机制,分析材料特性和结构参数对光传输特性和光场分布的影响。基于光场分布及演化的仿真模拟结果,对比半导体氧化铝、绝缘体二氧化硅和金属铜三种导电性不同的材料上纳米线和纳米孔阵列微纳结构靶的激光传输特性,分析光传输过程中的光场分布变化。研究结果表明,通过改变氧化铝和二氧化硅纳米孔(线)阵列结构靶中孔洞(纳米线)直径和间距等结构参数,可以实现对微纳结构靶中光传输特性和光场分布的调制,实现光场在介质材料和真空区域间的周期振荡分布,或是以一种稳定形态传输;激光在铜纳米孔阵列中传输时,透光性随孔洞半径的增加而增加。基于光场分布及演化的仿真模拟结果,对比不同材料、不同微纳结构靶的激光传输演化特性,给出物理图像及对应现象规律,根据光场调控需求,给出微纳结构靶设计。

基于校正遮挡感知的光场深度估计

光场图像能够同时记录空间中不同位置和方向的光线信息,为估计精确的深度图提供了丰富的信息。然而在遮挡和重复纹理等复杂场景下,提取图像特征不足会导致深度图的细节丢失。本文提出了一种基于校正卷积的光场深度估计网络,充分利用光场图像丰富的结构信息以改善遮挡等复杂区域的深度估计。利用初始视差图和子孔径图像生成遮挡掩膜,采用校正卷积判别和编码遮挡区域的空间信息以感知遮挡区域,结合多尺度特征以补充易丢失的边缘细节信息。通过空间注意力机制给予遮挡区域更大权重,消除冗余信息并全局优化亚像素代价体。实验结果表明,该方法在4D光场基准平台上的平均MSE和BadPix(ε=0.03)分别达到了0.951和4.261,在大部分场景下能实现最小误差的深度估计,对遮挡区域表现出较高的鲁棒性并优于其他算法。

基于凸优化的无荧光光场介观三维重建方法

当前,显微三维观测多采用特异性荧光染色,会对样本造成不可逆的损伤,存在成本高、光毒性等问题。提出了无荧光标记、介观高分辨率三维重建的方法,即RGB-MesoLFM。首先,搭建了无荧光标记、白光介观光路,解耦了RGB三波段光场数据;然后,根据波动光学点扩散函数,计算出RGB三波段任意深度下的系统点脉冲响应;最后,基于凸优化理论构建目标函数,将RGB三波段光场数据、点脉冲响应作为输入,进行3D反卷积迭代,可重建出任意深度下高分辨率目标物体的切片图像。该三维重建实验是基于鸡蛋胚胎切片的光场采样结果,在重建切片序列间隔为4μm的情况下,获得0~-20μm范围下切片图像;与传统荧光重建方法相比,本文所提方法无需荧光,采用白光即可成像;其重建任意深度切片的峰值信噪比(PSNR)数值,较传统方法提升约10%。

基于压缩态光场的量子增强型光学相位追踪

量子增强型光学相位追踪作为高精度跟踪和测量光学相位的量子光学技术,在目标定位、量子测距以及相控阵雷达和唢呐等领域中有着重要应用.本文提出一种基于压缩态光场的量子增强型光学相位追踪协议.采用中心波长为1064 nm的连续固体激光光源,结合光学参量振荡器以及Pound-Drever-Hall(PDH)锁定技术,制备得到初始压缩度为(8.0±0.2)dB的相位压缩态光场.通过信号调制及解调技术,实现对压缩态光场相位的控制,从而实现对光学相位0-2π范围内的量子增强型追踪.与经典协议相比,这一协议可以将相位追踪的噪声起伏抑制至散粒噪声基准以下至少6.27 dB,实现了相位追踪精度至少76.4%的量子增强.由于到达角估计、相控阵雷达、相控阵唢呐等应用领域对相位测量精度要求极高,这一协议有望将相位估计的精度提高至突破散粒噪声极限,为相关领域提供压缩光源,也为更高精度的空间定位及量子测距技术提供理论和实验基础.

基于多特征融合和几何感知网络的光场图像编码

为了克服基于单一视差合成的光场图像编码方法在遮挡区域无法恢复纹理细节的问题,提出一种基于多特征融合和几何感知网络的光场图像编码方法,以进一步提升遮挡场景下光场图像的压缩性能.首先,对密集光场稀疏采样,使用通用视频编码器(versatile video coding,VVC)对稀疏光场进行压缩;然后,在解码端使用2个关键分支模块,即视差估计模块和空间角度联合卷积模块,以获取光场图像全局的几何信息,确保在密集纹理和遮挡区域能够更充分地恢复特征;最后,为了挖掘2个分支融合特征的结构信息,构建了双向视图的堆栈结构,并运用几何感知的细化网络以重建高质量的密集光场.实验结果表明,与已有国际上流行的光场图像编码方法相比,所提出的方法具有显著优势.

光场表征及其分辨率提升技术:文献综述及最新进展(特邀)

自高斯时代以来,成像系统的设计和开发便始终致力于透镜的持续迭代和优化,以收集来自物平面上某点向不同方向发射的光线,并尽可能完美地将其汇聚到像平面上的一个点。然而,成像传感器仅能捕捉并记录下光线的空间位置信息,导致角度信息的丢失,并完全丧失了对三维场景的视角变换与深度感知能力。为了弥补这一缺陷,计算光场成像技术应运而生,它能够记录空间光辐射场的完整分布,联合记录空间位置和角度信息,突破了经典成像的局限性,正逐渐被应用于生命科学、国防安全、虚拟现实/增强现实、环境监测等领域,具有重要的学术研究价值和广阔的应用潜力。然而,光场成像技术仍然受到数字成像器件和图像传感器的联合制约,成像系统的有限空间带宽积致使光场成像在实际应用中往往需要在空间分辨率和角度分辨率之间做出权衡,导致难以达到传统成像技术的高空间分辨率。自光场成像技术诞生以来,如何赋予其更高的自由度,即在保持高分辨率成像的前提下,提高时间分辨率和角度分辨率,从而实现更清晰、更立体的成像性能是光场成像技术亟需解决的关键问题,也一直是该领域的研究热点。该综述全面回顾了光场成像技术的发展历程,阐述了全光函数和四维光场的基本概念,并总结了在时间、空间和角度这三个维度上实现高分辨率成像的关键方法,最后还对光场成像技术的未来发展趋势进行了展望。