星载反射式成像系统计算光学设计方法综述

星载反射式遥感成像系统的结构集成度高、光学面型复杂,面临光学初始结构难以求解和像质优化难以收敛的设计难题。综述着重探讨星载反射式成像系统中的计算光学设计方法。星载反射式成像系统计算光学设计,包括复杂曲面反射镜、曲面反射型光栅等硬件设计,以及计算成像图像解码等算法设计。面对星载遥感成像的不同应用,文章从深度学习光学结构设计、合成孔径计算成像、景深延拓计算成像、主动光学计算像差补偿和曲面光栅计算光谱成像等几个方面进行系统性地分类讨论。本综述结论为:基于计算光学的设计方法,无论在光学结构与面型求解方面,还是图像信号非线性逆问题求解方面,都具有强大的设计能力。在发展趋势上,计算光学在航天光学系统的设计潜力刚刚被挖掘。在“人工智能时代”的软、硬件算力支持下,计算光学方法将大大提升星载反射式成像系统设计的便捷性。

基于数字全息显微成像的活精子检验技术进展

精子质量分析是男性生育力评估最基础的量化评估方法之一。虽然精子质量评估的方法已经发展数十年,但是目前仍迫切需要一种无需化学处理、无需染色或荧光标记、无物理侵入、大视场、高分辨和3D空间清晰表征的精子细胞成像技术。数字全息显微技术就是满足上述条件的一种方法,能够实现高分辨率成像、高速记录和高精度三维空间定位。该文从数字全息显微成像技术原理、活精子细胞全息显微成像技术、活精子细胞3D运动轨迹量化追踪、人工智能深度学习精子识别与统计算法等技术进展与应用进展方面,对基于数字全息显微技术的无标记活精子检测技术进行了综述。

基于深度学习的色彩迁移生物医学成像技术

传统病理学检测中,由于复杂的染色流程和单一的观察形式等限制着病情的诊断速度,而染色过程实质上是将颜色信息与形态特征关联,效果等同于现代数字技术的生物医学图像的图义分割,这使得研究者们可以通过计算后处理的方式,大大降低生物医学成像处理样品的步骤,实现与传统医学染色金标准一致的成像效果。近些年人工智能深度学习领域的发展促成了计算机辅助分析领域与临床医疗的有效结合,人工智能色彩迁移技术在生物医学成像分析上也逐渐表现出较高的发展潜力。文中回顾了深度学习色彩迁移的技术原理,列举此类技术在生物医学成像领域中的部分应用,并展望了人工智能色彩迁移在生物医学成像领域的研究现状和可能的发展趋势。

反射式紫外天基单镜计算成像系统设计

紫外天基成像是目前对太阳观测的主要手段之一。针对紫外天基遥感对成像系统高分辨、轻量化的需求,开展了紫外天基单镜计算成像系统研究,应用“光学镜面设计”与“计算成像”相结合的思路,通过对球面、六次偶次非球面、十次偶次非球面、Q-type面、Zernike多项式面的天基反射镜成像光学系统设计,以及基于傅里叶叠层超分辨的计算成像分析,验证了该设计方法可在波长135 nm紫外光波段实现5.4°圆视场、分辨能力优于0.11 mm的设计指标。反射式六次偶次非球面具备一定的综合优势。

光纤光栅在高功率连续光纤激光器中的发展及展望

目前光纤光栅在高功率连续光纤激光器中的应用主要有两个方面,一是作为谐振腔腔镜,二是用来抑制激光器的非线性效应。首先论述了光纤光栅作为腔镜技术的发展现状,然后着重论述了能够抑制光纤激光器中非线性效应的特殊光纤光栅的发展状况。并详细描述了倾斜布拉格光纤光栅抑制受激拉曼散射和受激布里渊散射、长周期光纤光栅抑制受激拉曼散射以及相移长周期光纤光栅抑制自相位调制或四波混频等非线性效应引起的光谱展宽的研究进展。最后展望了光纤光栅在高功率光纤激光器领域的发展趋势,认为光纤光栅将朝着更高承载功率与长波长方向发展,同时认为基于飞秒激光刻写的光纤光栅技术、能够同时抑制多种非线性效应的光纤光栅技术、以及基于光纤光栅的光纤激光器激光偏振控制技术等将成为新的研究热点。

基于VMD和小波阈值的水听器信号去噪方法

针对水听器采集信号过程中存在的外界环境噪声干扰问题,提出了一种基于变分模态分解和小波阈值(VMD-WT)的联合去噪方法。该方法首先对含噪信号进行VMD分解,得到固有模态函数(IMFs)。然后计算每个IMF分量的中心频率和相关系数,通过相关系数阈值去除噪声IMFs,并对其余有用的IMFs进行小波阈值去噪处理。最后对去噪的IMF分量进行重构,得到具有良好信噪比的信号。通过仿真实验,证明了本方法与CEEMDAN-WT(自适应噪声的完备经验模态分解-小波阈值去噪)、EEMD-WT(集合经验模态分解-小波阈值去噪)、EMD-WT(经验模态分解-小波阈值去噪)、WT(小波阈值去噪)等方法相比,具有更好的去噪效果。通过对光纤水听器的实测实验表明本文的VMD-WT法在实际水听运用中具有良好的提高信噪比的性能。

万瓦级激光光闸的热效应分析及处理

激光光闸可以将光纤激光器输出的单束激光通过多通道输出,实现激光器的“一机多用”,是现代化激光智能制造的关键性器件。由于光闸承载功率高达上万瓦,其耦合系统极易产生热效应,影响光闸使用性能。为解决万瓦级激光光闸热效应有效控制的难题,保证光闸的高效耦合与高质量光束输出,采用有限元分析法研究了光闸耦合系统的热效应物理机制,并提出一种基于水循环绕流冷却对光闸耦合系统进行热量管控的新方法。通过万瓦激光下的一系列实验验证,表明文中提出的热效应处理方法保证下,高功率激光光闸能长时间承载万瓦级功率,并保持98%以上的耦合效率,同时抑制了系统的热像差,保证了光闸输出激光的光束质量稳定性。该研究为高功率激光系统的热效应分析及处理提供了有效的手段。

基于导星纳米对准的片上光子引线直写技术

针对双光子激光直写片上光子引线波导的纳米级对准需求,提出了基于导星数字匹配与纳米智能对准的方法,实现了高精度、高密度片上光子引线互联纳米结构3D直写加工。面向片上光子引线波导的背景与需求,设计了双光子直写光刻系统的光学系统结构,在硬件上设计了独特的导星,在算法上利用机器视觉的智能识别方法,精确定位了片上光子引线波导连接结构。所刻写的光子引线与硅片波导的平均偏差角度为0.19°,绝对位置平均对准精度为29 nm,标准差为17 nm。所提方案为实现高精度、高密度的光学片上互联提供了一种可行的方法,在芯片封装、多材料功能结构制备、复杂结构修饰等高精度加工领域有着重要的科学和应用意义。

深度学习在精子形态检测中的应用

精子形态分析是临床精子质量评估的重要检测项目,但由于染色、涂片以及人工计数中诸多的干扰因素,导致目前精子形态分析仍然不能具有最佳的重复性与准确度。计算机辅助精子形态分析(CASMA)是对人工检测的良好补充,但传统的计算机分析方法仍然有很多不足。深度学习算法通过模拟人类神经网而具有很强的特征学习能力,通过建立不同的模型,近年来它被逐渐用于精子形态分析中。了解深度学习在精子形态分析中的应用可为临床仪器与检测方法的开发提供新的思路和参考。

超短投影距的投影物镜设计

为了实现微型数字光处理(DLP)投影仪的超短投影距离的目的,先根据成像关系计算构建了非球面光学曲面的面型,再对投影镜头整体优化,设计了一个含有两片奇次多项式非球面的广角投影物镜。镜头的物方F=2,焦距4 mm,像方视场角128°,像方0.4 lp/mm(截止频率)处调制传递函数(MTF)大于0.6,最大畸变的绝对值0.9%,镜头总长100 mm,最大口径Φ=80 mm。设计结果表明,该设计方法可以使大角度、超短投影距离的投影镜头摆脱常用折反射式结构,全透射式的光学结构可以真正实现发光二极管光源照明DLP投影仪的微型化、投影距离超短化。

基于光电位置传感器的发射轨道空间几何坐标一致性校正系统设计

在现代发射轨道空间弹丸飞行姿态研究中,通过轨道上的多组阴影相机基站瞬态捕捉弹丸姿态图像数据,对图像数据进行处理计算可以获得弹丸的飞行轨迹数据。因此,阴影相机的空间坐标校正对飞行姿态数据的获取以及测量精度有着重要的影响。针对传统悬线型基准系统校正误差大以及因每组相机间独立校正而导致的空间几何坐标校正一致性低的问题,基于光电位置传感器和光学杠杆原理,设计了新型阴影相机空间几何坐标校正系统。阐述了该系统的理论背景、组成以及调校方法,并对该系统进行了实验分析。实验结果表明,采用该系统校正阴影相机俯仰角精度优于10″,单组相机校正实验测量结果误差不超过0.06mm,多组相机校正一致性误差不超过0.1mm。

基于生成对抗网络的无透镜成像方法

无透镜同轴全息图中包含零级像和孪生像噪声,采用基于菲涅耳衍射模型的方法进行抑制时需要多幅无透镜图像。针对此问题,提出一种基于生成对抗网络(GAN)的无透镜成像方法。首先计算部分相干光照明下无透镜图像的离焦距离.根据该离焦距离反向衍射传播,得到含零级像和孪生像的物平面图像。然后对该物平面图像与作为标准参考的商用显微镜图像进行配准,将配准后的图像作为GAN的训练样本,训练后得到GAN的核函数。最后用训练好的核函数对无透镜图像进行处理,得到清晰的目标图像。实验结果表明,所提方法可对零级像和孪生像有效抑制,图像的对比度和清晰度明显提高.效果可达4×商用显微物镜。所提方法在图像重建阶段只需单张无透镜图像且无需傅里叶变换等复杂操作,成像时间大大缩短。相比于基于卷积神经网络(CNN)的方法,所提方法需要的训练数据量更少,损失函数更易收敛.具有更高的处理效率。