计算全息综合性光电教学实验设计

基于傅里叶光学原理实现对目标光场进行精确重建,设计了从显示目标绘制,相应计算全息图生成到光学重建的综合性教学实验。具体的实验流程包含基于Visio的显示目标设计,基于MATLAB的相位型计算全息图生成算法编写和基于相位型液晶空间光调制器的目标重建光路搭建。实验设计结合了光学、数字电路和计算机软件技术,具有流程清晰、易于教学、学生参与度高和获得感强的优势,可有效增强学生对计算全息技术与光电信息技术的理论理解与实操能力。

脉冲光辐射源安全相关标准与测量方法研究

脉冲光辐射源在医疗美容行业中的应用日益广泛,而与之相伴的光辐射安全问题也备受业界关注。当前多个光生物安全相关标准涉及脉冲光辐射源的测量和评价,其具体条款要求尚未规范和统一,按照不同标准得到的产品安全等级分类也可能会大相径庭。本文基于标准发展的脉络和理论依据,梳理比较了脉冲光辐射源的测量和评价方法,并以典型的脱毛仪产品为例,利用实测数据分析计算了其在不同标准下的危险等级分类。本文的测量分析可持续完善医美产品的评价标准,为进一步规范医疗器械管理提供一定的参考。

中国仪器产业发展:现状,挑战及展望

分析了中国仪器产业对经济社会高质量发展的价值与意义,论述了全球仪器产业的发展情况及对经济发展的重要性。从中国仪器产业的发展历程、发展现状和可能存在的发展阻力,提出了中国仪器产业发展可能面临的实际难题。给出了关于突破目前中国仪器产业发展瓶颈的思考,介绍了中国仪器企业发展所需重点关注的理念、方法和措施,并对中国仪器产业的发展进行了展望。

数字全息与定量相位成像:进展与展望(特邀)

全息术的提出为光波场的定量分析提供了一个开创性的技术方案。经过70余年的发展,基于全息术的计算成像已成为光场定量测量的重要工具,它的出现为物理学、生物学和材料科学领域提供了新的观测维度,搭建了光学成像和光散射领域的桥梁,突破了传统光学成像系统与图像采集设备的物理限制,在疾病的病理研究和材料的表征中起着至关重要的作用。本文从信号分析的角度出发,将全息的记录与重建过程看作是复数域与实数域之间的转换,讨论全息重建的数学原理与物理实现过程,并以生物医学领域为应用导引,总结了全息成像的新挑战和机遇。

近场分布式光度计的研究进展及应用

亮度计成像精度、存储器数据容量和计算机运算能力决定了近场分布式光度计的探测能力。随着成像技术和计算机技术的发展,近场分布式光度计的测量性能有了革命性的提升。介绍了近场分布式光度计的工作原理,归纳了近场分布式光度计相对于远场分布式光度计的优势。综述了国内外近场分布式光度计的研究进展,对比了部分国内外产品的性能指标。针对近场分布式光度计元数据精度不足、扫描重构速度偏慢和溯源装置适应性受限的现状,从部件、软件和系统等方面归纳了相应的解决方案。结合近场分布式光度计的特点和优势,展望了其在照明显示、交通运输、工业视觉和文物保护等领域的应用。

基于数字衍射的单幅眼底图像增强

彩色眼底图像是分析与监控眼底疾病的重要工具。由于照明不均匀的问题,眼底图像视觉质量不足,图像对比度有待提高。为此,基于数字衍射提出了一种兼顾颜色保真与亮度增强的单幅眼底图像光强校正算法。将彩色RGB眼底图像转换到LCH色彩空间进行基于L通道的光强校正,以解决眼底图像亮度的平衡问题。对C通道进行相同操作使得处理后的彩色眼底图像颜色保真性较好。在Messidor眼底图像数据集的1200组眼底图像上进行分析,并与Gamma校正、Retinex等眼底图像光强校正方法进行对比。本算法不仅具有更好的图像增强效果,改善了彩色眼底图像的颜色失真及对比度低的问题,还可进一步结合自适应直方图均衡化(CLAHE)以提升图像对比度。实验结果表明,在图像多尺度对比度和图像噪声评价指标方面优于传统算法3%~4%。经算法增强后眼底图像亮度分布更加均匀、对比度提升,为后期眼底图像病理位点的识别、血管与病灶分割和分类提供了一种性能更好的预处理方法。

面向头戴式三维显示的图像质量测评方法和系统

头戴式三维显示设备是虚拟现实、增强现实和元宇宙等领域人机交互界面的常用呈现载体,当前,面向头戴式三维显示图像质量测评的方法和系统依然较为缺乏。提出了基于人眼视觉特性的三维显示质量评价理论,设计了基于人眼视觉特性的三维显示质量测评方法和系统,实现了对头戴式三维显示深度表达能力、畸变、极限可分辨能力和视场角等参量的定量化测评。利用双目视觉原理测试深度表达能力,利用像点弯曲程度和多项式变换关系表示畸变程度,利用条纹MTF值和曲线谷峰比评价极限可分辨能力,利用小孔成像原理拟合视场角。针对两款待测试头戴式显示设备,测得的深度相对误差小于3.5%,畸变程度小于3%,视场角分别为77°1′44″和86°56′26″。测评结果与人眼主观感受具有高度的一致性,相关方法和系统具有较高的工程适用性,有望在头戴式三维显示质量测评与设计改进方面发挥重要的作用。

基于深度学习的计算全息显示进展

计算全息作为一种三维显示手段,能够基于衍射计算实现对目标光场的精确重建,在元宇宙通讯、AR/VR头戴显示、车载抬头显示等方向均有着重要的应用。如何实现高速且高质量的相位全息图生成是计算全息领域发展的关键问题,也是当前该方向的重要研究课题。近年来,深度学习技术的飞跃式发展为上述问题的解决提供了一条新的技术路径。本文介绍了计算全息技术的基本原理及算法分类,综述了近年来所提出的基于深度学习的计算全息解决方案,比较了各类方案的优势与不足,展望了深度学习技术在计算全息领域的发展与挑战。

简单光学成像技术及其研究进展

计算成像为光学成像系统提供了更强大的信息获取能力,通过在成像链路中引入编解码过程,在增大信息量的同时降低系统的复杂度,为实现更简单和更智能的成像系统奠定了基础.本文总结了以计算成像为基础的简单光学成像技术的发展.简单光学以小型化和集成化的成像元件与系统为目标,将光学系统设计与图像处理算法进行联合优化,在小尺寸、低质量和低功耗的系统中实现与复杂光学系统相媲美的成像效果.随着微纳加工技术的发展,简单光学元件从单透镜或少片透镜逐渐发展到衍射光学元件、二元光学元件和超构表面等平板光学元件.复原算法中总结了正向求解算法、基于模型的优化迭代算法和深度学习人工智能算法.本文介绍了深度成像、高分辨与超分辨成像、大视场和大景深成像等技术,以及简单光学在消费电子、自动驾驶、机器视觉、安防监控和元宇宙等领域发挥的作用,并对未来的发展进行展望.

面向纯相位型全息显示的自适应混合约束迭代算法

纯相位型计算全息图舍弃全息面上的振幅信息,降低了全息显示的图像质量.迭代法通过多次正、逆向的波前传播计算,优化了纯相位型计算全息图的相位轮廓,提升了全息再现的图像质量.然而,传统迭代法可能存在迭代发散、收敛速度偏慢以及再现质量受限等问题.本文提出了一种基于角谱传播模型的自适应混合约束迭代算法,通过在迭代中加入自适应的反馈机制和频带约束策略,增加了迭代优化的自由度,提升了迭代的收敛性和全息再现的图像质量.仿真和实验结果表明,提出的算法能够在较短的计算时间内获得更高重建质量的纯相位型计算全息图,对于高质量的全息显示具有重要应用价值.

基于身份-年龄共享特征的跨年龄人脸识别方法

从人脸特征中剔除年龄相关特征,获得纯粹的身份特征,是实现跨年龄人脸识别的重要手段;然而,主流的身份特征提取方法忽略了对身份-年龄共享特征的处理,导致提取到的身份特征不完整。为此,提出引入身份-年龄共享特征的新方法,将混合人脸特征解耦为纯年龄相关特征、纯身份相关特征以及身份-年龄共享特征,然后将纯身份相关特征和身份-年龄共享特征进行多维耦合,从而得到完整的身份特征,有效提高跨年龄人脸识别的准确率。在人脸老化基准数据集Age-DB30上本文方法的识别准确率达到了97.07%,在LFW数据集上达到了99.73%的识别准确率,证明了所提方法的有效性与先进性。

面向层结构的角谱传播计算全息算法(特邀)

为了提高计算全息图的生成速度和再现像的重建质量,文中基于角谱传播的精确衍射计算过程,提出了一种面向层结构的角谱传播计算全息算法。该算法将三维场景分层,并将每层场景通过角谱衍射运算得到子全息图。通过子全息图在干涉面的叠加,最终生成整个三维场景的全息图。由于角谱运算没有旁轴近似,因此对于不同类型的三维数据,利用该算法计算得到的全息图均可重建得到精确的再现像。此外,该算法的计算复杂度不取决于三维场景的复杂度,只取决于分层层数,因此运算速度较传统点元法可提高两三个数量级。该算法为三维场景的动态显示提供了一种有效的解决方案。

元宇宙中的动态全息三维显示:发展与挑战(特邀)

相比二维显示,三维显示可以提供更接近真实世界的图像内容,是5G、大数据、元宇宙和物联网领域的关键性技术。计算全息三维显示可以提供所有种类的深度线索,被认为是三维显示的终极实现方式,在智能制造、远程教育、异地办公和娱乐社交等领域都具有广阔的应用前景。文中首先介绍了计算全息技术的发展历史和重要技术节点,分析了高质量全息动态三维显示面临的挑战,主要包括计算全息图重建质量不足、波前调制器件和全息显示系统性能受限以及三维内容源匮乏等,进一步介绍了已有的解决方案,比较了各类方案的优势与不足,进而分析了高质量全息动态三维显示的主要研究方向,包括低噪声全息图的获取、像质优化和畸变校正技术的开发以及三维内容源的构建。实现高质量、低噪声、无畸变、高刷新、真三维的动态全息三维显示,是计算全息显示发展的必由之路,也是元宇宙等典型应用对全息三维显示提出的必然要求。

全息掺杂光致聚合物的吸收光谱定量化分析

掺杂光致聚合物的合成过程对其性能的影响至关重要。目前掺杂光致聚合物的合成过程优化主要依靠大量实验数据和操作者实验经验。本文提出了一种利用掺杂光致聚合物的吸收光谱定量化分析光致聚合物合成过程的方法。该方法通过对掺杂光致聚合物制备过程中的各个阶段样品进行吸收光谱测量分析,揭示样品制备过程中吸收光谱随制备过程变化的趋势,并利用吸收光谱法定量监测聚合物预聚合过程的程度和速率,为科学定量优化掺杂光致聚合物制备过程提供了新方法。

基于快速傅里叶变换和积分图的快速相关匹配

为克服传统相关匹配算法计算复杂度过大的缺点,基于快速傅里叶变换和积分图提出了一种快速相关匹配算法.在不改变传统相关匹配计算结果的前提下,该算法通过对相关系数公式的分析和化简,用快速傅里叶变换计算模板图像和基准图像的相关,并采用积分图计算基准图像灰度值及其能量的窗口积分,使相关匹配计算量与模板图像大小近似无关,从而大大降低了计算复杂度.不同光照条件下图像匹配实验和复杂环境下目标跟踪实验结果表明,该算法具有很强的抗干扰能力,其执行效率比传统相关匹配提高1～2个数量级.

提高夜视融合目标可探测性的颜色对比度增强方法

根据人眼视觉系统特性,分析了场景理解和目标探测对彩色融合的要求,并据此提出了一种通过颜色对比度增强来提高目标可探测性的夜视融合方法.该方法使热目标呈红色,冷目标呈蓝绿色;根据红外图像特征,引入了一种和红外图像各像素亮度与图像平均亮度的偏离相关的颜色对比度增强因子,利用该因子可增强目标与背景的颜色对比度,弥补颜色传递彩色融合方法在颜色对比度上的不足,能有效提高目标可探测性.实验表明该方法既能突出红外目标,又能保持丰富的背景细节,在增强场景理解的同时提高了目标可探测性.

具有双光栅结构的高提取效率发光二极管的设计

设计了一种新型的具有较高光提取效率的双光栅结构的发光二极管,它在传统光栅发光二极管的有源层的下表面增加了光栅结构,提取出原本受限于全反射的光,获得了更高的光提取效率。利用三维严格耦合波理论对该结构的光学性能进行了分析,计算结果表明,这种新型的双光栅结构发光二极管的提取效率可达传统平板型的6.3倍。

荧光显微镜实验的设计

荧光显微镜技术在光学显微镜领域占有极为重要的地位,但现实中缺少相关的教学实验。介绍了新开发的荧光显微镜实验的设计思想和实现方案,利用落射荧光附件在普通生物显微镜上进行荧光成像实验。学生自制简易标本,以CCD和PC机采集并存储所获图像;尝试跨学科、研究型、开放式实验教学。

体全息光存储实验系统构建

开发了与专业基础课＂全息及光学信息处理＂相配套的教学实验系统,可以进行三类不同性质的图形图像的频谱分析、光学滤波和体全息存储实验。叙述了体全息光存储的记录与读出原理,介绍了实验系统。实验过程按科学研究的标准设计,学生通过自行分析和设计多种实验方案,培养学生的创造力与实际操作能力。

现代光学实验在线直播教学实践

为了应对新冠疫情,将现代光学实验改成直播网课。通过实验内容重组和脚本设计,将复杂实验分解成片段,大量利用插图、照片、短视频,精简课件文字。运用教师对话讨论模式营造直播氛围,吸引学生注意力。借助多角度摄像机、专业照明设备、多种网络软硬件平台,保障课程顺利开展,达到预期的教学效果。