基于四波前横向剪切干涉的波前传感技术与应用(特邀)

高科技的发展对精密干涉成像提出了更高的要求。在现代光学和生物医学领域,无标记成像技术不依赖于传统的染料或荧光标记,进行3D活细胞原位观察和分析,促进定量相位显微术的发展。在光学检测技术领域,对于干涉系统的现场化、实时化的应用具有迫切需求,如激光波前的瞬态检测分析、高速流场检测、自适应光学的检测和控制、高精度光学系统像差分析等都迫切需要一个紧凑型、抗环境干扰、瞬态成像的干涉系统。为此,针对针对这些需求,全面介绍了四波前横向剪切干涉相位成像技术的原理、发展历程、波前重构方法以及其广泛的应用。四波前横向剪切干涉仪能够通过在一个单一的干涉图中获取两个正交剪切方向的四个剪切波前来实现瞬态相位成像,由随机编码光栅和相位棋盘组成新颖的四波干涉传感器(Four-wave Interferometric Sensor,FIS4)。FIS4干涉传感器凭借其独特的优势,如紧凑性、鲁棒性、高时间分辨率以及与现有显微系统的兼容性,在生物医学、光学测量、材料表征等众多领域展现出广阔的应用前景。这一技术的发展不仅为相关领域提供了新的研究工具,也为跨学科的创新和发现开辟了新的可能性。

光折变晶体中平面光栅的构建与研究

光折变效应在全息存储和处理方面具有重要的应用价值,光折变晶体中的全息光栅特性直接影响信息处理的质量和速度.本实验通过理论分析,计算得出Raman-Nath平面光栅的制作参量,设计实验系统并测量了LiNbO 3晶体中平面光栅的多级衍射性质,讨论了多级衍射效率和其空间分布特征.实验设计基于学生的光学知识和实验技能,向非线性光学知识和科学思辨创新方法拓展,在可调光分束器、图像处理等方面具有潜在的应用价值.

基于T型透镜排布的多频干涉系统设计及成像

为探究多频点采集对成像的影响,提出并搭建了一种T型透镜排布的多频干涉系统,该系统可以同时对二维光栅目标的多个空间频率进行采集。实验成功实现了二维光栅图像的重建,系统仿真得到的图像峰值信噪比(PSNR)为30.79 dB,实验重建图像PSNR为27.95 dB,重建图像的整体结构未发生改变。成像系统的设计及成像的过程也为该技术的实际工程应用提供了指导和方向。

基于数字全息的模糊图像复原技术研究

采用数字全息方法研究物体经散射介质(毛玻璃)成像复原机理。首先,在菲涅尔离轴数字全息原理的基础上,建立了数字全息记录与再现的数学模型。然后,设计和搭建了全息散射成像系统,建立了毛玻璃的数学模型,并提出一种消除毛玻璃散斑噪声的算法,利用菲涅耳再现算法对实验得到的数字全息图进行再现。最后,用频谱滤波法对全息图再处理后进行再现。实验结果验证了理论算法和实验方法的正确性,为今后物体经过复杂介质的图像复原的深入研究提供了帮助。

离散色散光域傅里叶变换的延时和带宽扩展研究

光域傅里叶变换为射频频谱分析提供了一种新的解决方案。光域傅里叶变换主要受限于大的二阶色散的获得,而离散傅里叶变换只需要控制离散点的相位,理论上可以解决大色散的获得问题。文章利用光纤环作为离散色散器件,用线性调频信号作为待测信号,进行了光域离散傅里叶变换的研究。该系统是一个快速傅里叶变换系统,每次变换用时约2.07ns。用示波器观测线性调频信号变换前与变换后的波形延迟,可以测出该系统的变换延时,约为100ns,其延时大小主要取决于系统中的光纤长度。该系统可以实现对信号的不间断处理。为了扩展系统的瞬时带宽,对片上集成光微环组方案的可实现性进行了分析。

微透镜阵列成像串扰现象分析

针对微透镜阵列成像时单元图像间存在的串扰问题,文中基于矩阵光学理论,分析了经微透镜阵列成像像面与物面的空间关系,模拟计算2×2的微透镜阵列成像,设计了焦距为7 mm的1×2阵列进行实验研究。研究结果表明:单元图像间距随微透镜焦距和物面尺寸的增大而减小,随微透镜间距和物距的增加而线性的增大。对于焦距为7 mm的微透镜,物距为40 mm,当物面尺寸为55 mm×55 mm时,获得了单元图像恰好分离的临界值,实验结果与模拟计算的理论值一致,该结果对设计微透镜阵列的成像系统具有一定的参考价值。

全天候工作单光子计数激光雷达

【目的】单光子探测以及单光子测距系统在三维成像和超远距离空间遥感等方向有着广泛的应用。然而,由于器件本身的限制以及太阳光的背景噪声等因素,其应用场景大多处于夜间状态。【方法】文章通过改进传统激光雷达系统,使用全光纤光学系统,利用超窄带宽光纤滤波,大大提高了系统的稳定性,配合机械运动控制实现了超大视角和超高分辨率,且为可以在日间和雾天等光学环境恶劣环境下工作的单光子成像系统。同时,文章所提改进激光雷达系统基于大气穿透性好、传输损耗低的1550 nm波段进行设计,提升了在雾天以及雨天的工作能力。【结果】文章所提系统在能见度为500 m左右的雾天状态实现了1.6 km外物体的三维成像,其成像距离是当时能见度的3倍。配合超高分辨率的时间/数字转换器,并根据激光雷达系统的系统响应函数构建模型,利用最小化负对数似然函数对直方图的强度信息和距离信息进行优化,可以大大提升距离分辨率,相比于最大值法得到的0.05 m的距离分辨率,文章所提系统结合最小化负对数似然函数方法将距离分辨率提升到了0.006 m。同时通过对图像进行正则化处理来抑制光子技术的涨落对成像效果的影响,以此来消除图片中的噪点。【结论】基于1550 nm的全光纤激光雷达系统具备很强的机械稳定性,具备在恶劣天气工作的能力,在远程遥感测绘、地面及车载激光雷达等领域具备极大的应用价值。

综合实验试题D:基于迈克耳孙干涉仪的液晶光学和光场相干性实验

介绍了第9届全国大学生物理实验竞赛综合研究性实验试题D的命题设计和实验内容,并给出参考解答以及竞赛结果分析.综合实验试题D基于迈克耳孙干涉仪实验系统,测量液晶双折射率的光学属性和电光调制效应,测量LED光源的相干时间,探究如何改善光场的空间相干性.竞赛结果表明:大部分考生对教学大纲中涉及迈克耳孙干涉仪中的基本实验内容掌握较好,但对常规仪器设备的扩展使用和应用能力尚存在不足,开放性的自主设计和搭建实验光路对培养学生完成既定实验目标的能力仍有待提高.

基于双折射晶体透镜的自干涉全息成像系统

该文介绍了采用α–BBO双折射晶体透镜进行分光和光程差补偿方法,以及使用偏振相机进行单次采集的自干涉全息成像方法。该方法不需要使用额外器件补偿共轴干涉光路的光程差,适用于非相干白光照明情况下日常物体的全息图采集与图像重建。该文推导了再现距离与放大率等重要参数,并在此基础上,搭建了单发成像系统,还进行了实验验证。实验通过单次曝光采集了LED灯组的四幅不同偏振态全息图,并用四步相移法得到复振幅全息图,最后通过图像重建算法反演计算获得准确的再现图像。实验验证了基于α–BBO双折射晶体透镜的单次曝光自干涉全息成像方法的三维成像能力。

基于目标搜寻和细节增强的水下单像素成像方法

针对当前水下单像素成像方法侧重于从整体角度重构目标图像,难以理想地恢复目标细节的问题,提出了一种基于目标搜寻和细节增强的水下单像素成像方法。目标搜寻旨在从图像中判断出目标部分和背景部分,从而增强目标信号,降低背景噪声;细节增强旨在学习采集信息的细粒度特征、增强重构图像的细节。首先用传统单像素成像方法快速重构目标图像;其次通过判断各行、各列最大像素点的差值来区别目标和背景环境;最后用基于分块模型的神经网络学习目标的细粒度特征,提高目标图像的细节部分。为了验证提出方法的可靠性,重构了空间环境和水下环境中的目标图像,实验结果表明,在两种实验环境下,该方法都可以较好地保存目标的细节信息,获得高质量的目标图像。

湍流图像退化中的模糊与畸变

基于光线传播以及相位叠加原理,构建了湍流图像退化模型,获得了湍流下目标对应的点扩散函数,并通过调制传递函数面积以及等晕角验证了仿真模型。同时,通过平均相关系数定义了像方近似不变区域,像方近似不变区域有助于对点扩散函数变化程度的理解。通过光线在湍流中的传播过程,猜测图像退化的模糊与畸变的程度和湍流的分布有关。为验证以上猜测,设置了两种极端情况下的湍流分布情形进行仿真实验,并通过调制传递函数面积以及像方近似不变区域对仿真结果进行分析。结果表明在同等湍流强度情况下,靠近镜头端的湍流会对图像造成更多的模糊效应,靠近物体端的湍流会对图像造成更多的畸变效应。基于此,解释了在湍流图像退化模型中采用先畸变后模糊是更为合理的操作,并建议湍流复原算法应根据退化结果中的模糊与畸变的程度采取相应的复原措施。

采用卷积神经网络提高鬼成像的边缘质量

散斑移位鬼成像边缘提取方法需要对物体进行多次的采样,才能得到高质量的边缘图。为了解决散斑移位鬼成像提取物体边缘时采样次数多和时间长的问题,在鬼成像的边缘提取实验中采用了卷积神经网络。首先用Walsh散斑对未知图像进行照射,将桶探测器收集的采样信号作为图像特征信息输入到鬼成像边缘提取网络,最后通过训练好的网络直接输出探测物体的边缘信息图,并且使用非极大值抑制算法来优化卷积神经网络的输出结果。实验结果表明,对于128×128像素的重建物体,在采样次数为1600时,鬼成像边缘提取网络输出边缘图案的信噪比和结构相似指数分别比散斑移位鬼成像的输出结果提高了5倍和2倍,成功提高了低采样率下鬼成像边缘提取的质量,降低了采样的时间。采用卷积神经网络的鬼成像边缘提取方案,有利于鬼成像在物体识别、安全检查的实际应用中进行快速高质量的边缘检测。

傅里叶单像素成像技术研究进展(特邀)

计算光学成像,通过光学系统和信号处理的有机结合与联合优化实现特定成像特性的成像系统,摆脱了传统成像系统的限制,为光学成像技术添加了浓墨重彩的一笔,并逐步向简单化与智能化的方向发展。单像素成像(Single-Pixel Imaging,SPI)作为计算成像的重要分支,受到诸多学者的广泛关注。SPI利用空间光调制器调制出一系列具有不同空间结构的照明光场并投射到待成像目标场景,再用单像素探测器记录光场强度信息;而后利用预置的照明光场与记录的信号强度值之间的关联信息,实现对探测目标计算成像。由于其不需要面阵列探测器、调焦系统等复杂器件的配合使用,大大降低了光学成像的门槛。傅里叶单像素成像(Fourier Single-Pixel Imaging,FSPI)作为SPI典型的成像方法之一,由于其高效的成像表现,自被提出之后已经被应用到三维成像、边缘检测、散射成像等众多领域,衍生出了一系列的成像技术。文中从SPI的角度出发,主要介绍了FSPI的实现原理及相关成像技术方法研究进展,主要包括FSPI的光场调制技术、路径优化技术、重构方法及相应的应用场景研究进展,同时也对该领域亟待解决的问题进行了总结分析,并对未来的研究方向及相关应用进行了展望。

瑞利判据启发的可见光波段宽带消色差偏振不敏感超构透镜的设计

超构表面作为亚波长结构单元排布而成的新型平面光学元件,可对光场相位、振幅、偏振及频率进行灵活剪裁,为光学元件集成化和小型化提供了强大的支撑平台。超构透镜是超构表面最重要的应用之一,消色差对于超构透镜的成像质量至关重要。然而,受限于超构元胞共振色散及有限共振带宽,超构透镜在偏离设计波段会遭受较大的色差,从而限制了其在多波长或连续宽带器件中的应用。为此,文中基于焦斑分辨瑞利判据(Rayleigh criterion)原理,提出了一种面向可见光波段宽带消色差偏振不敏感超构透镜的新型设计策略。通过采用共轭相位自旋复用设计理论,将面向两边缘波长、高效工作、两尺寸不同、各向异性的TiO_(2)纳米柱(均具备半波片功能)的旋转角度限制在0°或90°,作为一复合超构胞元构建超构透镜。通过两纳米柱之间的色散互补效应,实现了在可见光波段(λ=470~650 nm)宽带消色差偏振不敏感聚焦性能,同时保持了较高聚焦效率。这一工作为宽带消色差超构透镜的设计领域带来了重大进步,并有望在超紧凑芯片级设备中实现潜在应用。

基于等离激元超表面的径向和角向偏振矢量光束的产生

为满足信息大容量和快速传输处理的需求,小型平面化集成光学器件正逐渐代替传统的大体积折射器件,可在亚波长尺度进行光波操控的超表面结构为微纳光子学器件设计和相关物理现象的研究提供了全新途径.该文设计了一种由正交纳米缝对组成的表面等离激元(surface plasmon polariton, SPP)超表面,实现了径向和角向偏振矢量涡旋光束的产生.利用惠更斯-菲涅尔原理从理论上推导出螺旋超表面中心区域的表面等离激元光场表达式,并利用时域有限差分法(FDTD)进行了模拟计算.实验搭建显微成像系统采集的SPP光强分布图样与FDTD模拟和理论计算结果吻合得很好,验证了利用该超表面获得径向和角向矢量涡旋光束的可行性.

强椒盐噪声环境中相位轮廓测量方法

在航空航天和民用成像领域,提高成像透镜的轮廓测量精度有着重大意义。如自动驾驶大于L3阶段以上,成像透镜系统与驾驶安全直接高度相关,为了提高精度,汽车年检也必须对透镜进行高精度检测,这是国内外研究和系统开发的热点。提出通过投影一系列三角函数图像,采用高精度透镜轮廓测量方法。在轮廓投影过程中,投影图像经常遭到随机的强光干扰照射和遮挡,形成图像局部饱和和暗点,即椒盐噪声图像问题,为此提出一个基于相关分析方法的全新相位解调理论,对椒盐噪声有很好的遏制作用。在斯皮尔曼相关性分析的理论基础上,建立了三维相位轮廓投影测量系统,实验结果表明,该系统和方法有效降低了由椒盐噪声引起的误差达167%,系统性能优越,测量结果稳定可靠。

基于传输矩阵的公里级多模光纤计算成像技术(特邀)

多模光纤因其高通量的优点,成为短距光纤通信的重要传输介质之一。然而,不同模式在多模光纤的传输过程中会发生模式色散,导致输出端形成杂乱无序的散斑,无法直接通过简单的强度探测解调出输入信息。为解决这一问题,该研究探讨了基于传输矩阵方法在公里级多模光纤上实现信息并行传输,结合精准传输矩阵测量及求逆,不仅成功实现了256阶灰度图像信息的高保真计算成像,而且实现了基于传输矩阵的公里级多模光纤视频传输,验证了该方法的准确性和有效性。实验结果表明:借助空间光波前调制手段,结合传输矩阵求逆方法,随机二维码和高清全彩视频传输的准确性均达到了100%,解调准确率优于传统的散斑相关散射矩阵方法。该研究的成果可为短距光纤通信、空间光通信和光学安全保密通信等领域的发展提供新的思路。

术中无标记显微成像技术发展与应用(特邀)

无标记显微成像技术利用样品的固有特性进行成像,不会破坏生物样本的自身结构与功能,无需耗时繁琐的染色等操作,有利于实现术中快速癌症诊断。首先介绍了不同种类的无标记显微成像技术的成像原理,并讨论了其成像速度与空间分辨率等成像性能,随后介绍了无标记显微成像技术在人类典型癌症诊断中的应用,最后探讨了术中无标记显微成像技术在未来的发展方向。

基于SLIPT的水下自供电光通信系统设计

【目的】对水下通信系统的供电系统进行能量补充通常非常昂贵且不切实际,基于太阳能电池的水下同步光波信息和功率传输(SLIPT)通信系统可在通信的过程中同步完成能量的收集,是水下传感通信系统自供电强有力的解决方案。但商用硅太阳能电池通信带宽十分有限,且容易在水下光衰减效应时出现信噪比深衰落的现象。【方法】文章采用一种负偏压的太阳能电池光接收器方案,将硅太阳能电池的-3 dB带宽从420 kHz提高到768 kHz。对于水下环境中各种退化效应造成信噪比衰减的现象,采用了一种低峰均功率比(PAPR)的离散傅里叶变换扩展正交频分复用(DFT⁃S⁃OFDM)调制方案,抵消了系统中的深衰落现象。【结果】分别对比了不同浑浊度(吸收特性和散射特性)的水环境中的DFT⁃S⁃OFDM与OFDM调制系统的性能,扩频后的OFDM调制方案更具有鲁棒性。【结论】实验表明,在白光发光二极管(LED)连续照射3 h下,能量收集系统的电池总电力效率可提高1.87倍,实现了通信过程中的能量同步收集。

基于小波变换的全息图压缩编码比较研究

在全息三维显示及全息视频应用中,减少全息图的信息量、满足通信带宽的要求是一项重要的研究工作。使用小波阈值和量化的方法有损压缩全息图,对比分析使用不同小波基阈值对全息图再现像质量和全息图压缩比的影响。研究结果表明,对离轴数字全息图小波阈值有损压缩后,Haar和db5小波基得到的再现像质量最高,其峰值信噪比(PSNR)达到了26.38 dB,使用sym2和db2小波得到的压缩比最高,达到了6.68。相息图小波阈值有损压缩后,Haar和Daubechies小波得到的再现像质量最高,其PSNR达到了32.32 dB,使用Biorthogonal小波得到的压缩比最高,达到了4.47。研究结果可为如何有效使用小波变换实现全息图的压缩提供参考。