基于空间带宽积分析的高分辨率快速数字全息重构

为了提高显微数字全息系统的分辨率和重构速度,从空间带宽积的角度出发,分析了菲涅尔再现算法的使用范围。结果显示,记录系统只要满足空间带宽积的条件,使用菲涅尔再现算法可以同时接近极限分辨率和快速再现;同时,短记录距离无透镜傅里叶变换光路是一种能满足此空间带宽积条件的系统配置。重要的是,在短记录距离,也能用菲涅尔再现算法重构待测物体复振幅。此外,通过对比细分菲涅尔再现算法和细分卷积算法,两者的重构分辨率都可以得到提升,而细分菲涅尔再现算法在大数值孔径的重构中,所使用的内存和计算时间远远小于细分卷积再现算法。

试论激光衍射粒度分析仪的空间带宽积

用付立叶光学原理，从理论与实践讨论了二维付立叶交换光学系统的空间带宽积的物理意义。首次提出了具有重要实用价值的敏感空间带宽积概念。并介绍了它的主要应用。

分辨率、超分辨率与空间带宽积拓展——从计算光学成像角度的一些思考

传统光学成像实质上是场景强度信号在空间维度上的直接均匀采样记录与再现的过程。在此过程中,成像的分辨率与信息量不可避免地受到光学衍射极限、探测离散器采样、成像系统空间带宽积等若干物理条件制约。如何突破这些物理限制,获得分辨率更高,视场更宽广的图像信息,是该领域的永恒课题。本文概括性地介绍了分辨率、超分辨率与空间带宽积拓展的相关基础理论,核心机理及其在计算光学成像中的若干实例。通过将这些具体个案置入“计算光学成像”这个更高维度的体系框架去分析与探讨,揭示了它们大多数都可以被理解为一种可称作“空间带宽积调控”策略,即利用成像系统的可用自由度,在成像系统有限空间带宽积的限制下,以最佳方式进行编解码和传递信息的过程,或者形象地说——“戴着脚镣跳舞”。这实质上是一种在物理限制下,在“得”与“失”之间所作出的符合规律的权衡与选择。本文的结论有望为设计和探索面向各类复杂现实成像应用的新型成像机理与方法提供有益启示。

二维付立叶变换光学系统的空间带宽积与颗粒大小分析

用付立叶光学原理，从理论与实践讨论了二维付立叶交换光学系统的空间带宽积的物理意义。首次提出了具有重要实用价值的敏感空间带宽积概念。并介绍了它的主要应用。

多色光大空间带宽积傅立叶变换透镜系统的设计

本文根据傅立叶变换透镜系统的像差要求，通过研究衍射器件的色差特性和初级像差特点，提出了多色光大空间带宽积的傅立叶变换透镜的系统结构。此系统采用无光焦度的衍射器件校正傅立叶变换主镜的球差，使系统得到最大空间带宽积；还采用谐衍射器件的设计方法，使系统可对多种相干光实现光学傅立叶变换。相对传统傅立叶变换系统而言，此衍射系统结构简单，性能好，可望在光学信息处理方面得到广泛的应用。

大尺寸物体彩色全息图制作的研究

通过分析两步法制彩色全息图中全息图空间带宽积与物体大小、全息图记录距离的关系,提出了一种拍摄大尺寸物体彩色全息图的方法。经编码,设置参数,在视窗处平面记录下三分色全息图,以保证用最小的幅面记录下物体的完整信息,并且H1rgb处于同一平面经原参考光的共轭光再现时,他们的再现像能完全重合;将H1rgb再现,获得大视场的物光波信息,三基色物波信息重合后,用光学方法记录大幅面的彩色全息。该方法能提高全息图再现像的视场和解决大尺寸物体的全息图难拍摄问题。经实验验证,该方法能将全息图再现像的视场提高6倍左右。

利用EALCD的数字全息干涉术

基于电寻址液晶(EALCD)读写图像实时、衍射效率高的特性,设计了以EALCD和CCD为关键器件的数字全息干涉系统。系统满足空间带宽积,时间、空间相干度和偏振度的要求,提高了干涉条纹的对比度,降低了散斑噪声等影响,实现了数字全息干涉术的高精度测试。利用双曝光全息干涉术原理,应用Matlab编程取代传统相移术中的压电位移器,实现4个干涉图法,进行以硬币为物体的位移实验。结果表明,受力后硬币发生了位移。利用该项技术将传统的全息干涉术与现代的探测器件相结合,可实现全息干涉术测试的数字化、实时化,大大地提高了测试工作的效率。

二元计算全息图两种制作算法的研究

提出基于MATLAB实现计算全息图制作的两种方法,并作了分析比较。对文献1提出的方法做了两点改进。用这两种方法制出的计算全息图在PC机显示器上进行模拟再现,取得了良好的效果。实验表明两种方法各有优点,用MATLAB绘制计算全息图比传统语言的编程算法更加简单方便。

新型高分辨率三维显示器件与系统的基础研究年度报告

波前重建(全息)是新型高分辨率动态三维显示技术的一种实现方式。空间带宽积是制约三维波前重建图像的视角范围、图像清晰度和尺寸等感知参数的重要物理因素。三维显示器件空间带宽积的扩展主要依赖像素尺度的微型化和显示屏幕的大型化。针对波前重建空间带宽积的扩展,在电-光调制器件方面,研究全相位调制LCo S器件像素微型化的新方法,通过分析液晶分子预倾角、像素单元介质薄膜、有序纳米结构对像素单元空间场强的影响,优化像素单元电场分布,为克服像素微型化带来的尺度效应提供理论依据。在像素单元CMOS电路方面,分析像素单元存储电容和负载电容的尺度效应及关联性。揭示硅基液晶LCo S等效电容尺度极限效应的物理机理。研究高迁移率非晶氧化物TFT材料,探索制备微米尺度像素阵列的新方法;通过超厚电极层等新工艺和铜合金等新材料的研究,为大尺寸显示器件的制备提供技术支撑。提出大尺寸、高效TFT阵列双边驱动新方法,解决电-光调制器件驱动提升的难题,突破微型化像素低压驱动的关键技术。在光-光调制器件方面,建立全息像元的空间带宽积理论模型,通过针对光折变材料的动力学机制开展研究,突破全息像元的角度、波长、偏振与相位复用关键技术,在光折变材料中实现多维复用记录和波前重建三维显示。基于以上的研究目标及内容,该年度的完成情况如下:(1)完成了ECB、VA两种液晶排列方式下的相位和振幅调制特性的研究;建立了双缝干涉法相位测试平台,掌握相位调制特性测试方法;(2)采用comsol和TechW iz软件建立了微型化液晶像素单元理论模型,实现液晶动态响应过程的模拟仿真;针对微型化像素,研究了有序纳米结构对空间电场分布的影响和优化;(3)获得掺W元素对IZO结构和特性影响的基本规律,获得铜合金电极薄膜制备、测试工艺;制备了新型非晶掺钨氧化铟(a-IWO)沟道层薄膜及其TFT,比较了Ti,Cr,Ta,Mo4种金属薄膜作铜电极阻挡层的工艺可行性;获得了Ag、Cu、Ta等电极薄膜图形化工艺及相应AOS TFT特性的制备和优化方法;(4)研究全息像元的波前写入与重建机理,建立光-光调制器件从光信号输入、光折变记录到光波前再现整个系统的空间带宽积计算模型。完成了对金纳米颗粒与光致聚合物材料双向扩散情况下体全息光动力学计算方法的初步研究。初步研究了利用全息复用方法制备高分辨率、高空间带宽积光-光调制器件的理论模型。

多路角度复用体全息三维显示技术

为满足高分辨率真三维大数据显示的空间带宽积要求,提出一种基于多通道角度复用模式的体全息三维显示技术。通过对三维场景进行波前编码,获得相位计算全息图,并将计算全息图依次按照不同角度复用记录到掺杂金纳米颗粒体全息光致聚合物材料的同一区域,获得复用体全息图,再现时可以在不同角度观察三维场景。在体全息三维显示实验系统中,实现体全息材料记录区域的单点像素总数为120×1 920×1 080,显示的空间带宽积达到了2.5×10~8,相对于空间光调制器显示提升了120倍。

大视场光学显微成像技术

光学显微成像技术具有实时性、高分辨率和非侵入性等特点,其成像尺度可跨越细胞、组织乃至生命体,极大地拓展了人们对生命本质的认识边界。然而,受限于光学显微成像系统有限的空间带宽积(Space-Bandwidth Product,SBP),常规的光学显微镜难以同时兼具大视场和高分辨率,使得显微成像在大视场生物成像应用中受到较大的限制,例如,对脑神经网络以突触为单位的神经回路成像。近年来,大视场光学显微成像技术得到不断的发展,其SBP的视场相较于传统的光学显微镜有了十倍甚至百倍的提升,在保持高分辨率的基础上拓展了成像视场,从而可以满足生物医学领域重大问题的研究需求。本文介绍了近年来几种典型的大视场光学显微成像技术及其生物医学应用,并对其未来发展做了展望。

数字全息关键技术研究

数字全息术开辟了全息术的新纪元,但实现数字全息术需解决许多关键技术。本文以CCD和EALCD为数字全息基本器件,从理论上和实验上研究实现数字全息的关键技术,即如何使光学系统满足时间相干度、空间相干度、空间带宽积、光束偏振度、条纹对比度、分辨率条件和物距条件,以达到高精度全息测试;并基于这些条件,设计了数字全息测试系统;应用该系统,实现了高清晰度数字全息再现。基于数字全息信息的数值特点,利用计算机技术,采用了Laplacian算子滤波,提高了干涉条纹的对比度,从而为提高测试精度提供了高对比度的干涉图。

面向高通量的多通道复用数字全息成像技术

光学成像已成为跨尺度表征生物系统信息的主要方法之一,近年来生物样本的快速、无损且全面表征对成像系统的可解析量提出了更高的要求。数字全息通过干涉成像方式,可准确重构光波前的振幅和相位信息,具有快速、无损、三维成像等优势,在数字病理诊断、细胞无标记观察和实时监测等方面得到了广泛的研究和应用。本文首先介绍了实现高通量成像的主要方式,并分析了数字全息的优势及空间带宽变化,展示了基于希尔伯特变换的面向高通量多通道复用数字全息技术的理论框架,并介绍了基于该理论框架设计的拓展视场双通道复用数字全息显微成像系统。该系统在不牺牲空间和时间分辨率的情况下,可实现超越传统离轴全息显微镜8倍的空间带宽积。所介绍的数字全息复用技术可充分利用单幅强度图像的冗余空间带宽,可用于高通量多通道复用数字全息成像。

含液晶扩散片的高分辨率光场成像系统

为解决传统光场相机空间带宽积偏低的问题,提出了一种基于液晶扩散片的光场成像系统。使用光控取向技术进行取向,克服了传统摩擦取向所产生的杂质、静电与物理性损伤等缺陷,制备出适用于光场成像的电控可调液晶扩散片;通过改变液晶扩散片的外加电压,获得了不同电压下的光场信息;通过适配液晶扩散片的成像算法,将高透过率时光场的细节信息与低透过率时光场的散射光强度融合,获得了均衡光强与细节的高分辨率光场信息。与传统光场成像系统相比,所提方法获得的高分辨率光场图像的峰值信噪比整体提升约4.98%,而且成本低、制备简便,实现便捷,有利于制作出高性价比的光场相机,实现高分辨率光场成像。

大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统

现代生物学和生物医学领域迫切需要研制兼顾大视场、高分辨率的显微成像技术和仪器以对生物样品实现跨尺度观测,满足重大科学问题的研究需求。受限于系统的空间带宽积,传统商业显微镜无法满足这一需求,且现有高空间带宽积显微成像系统存在体积庞大、实施成本高昂等问题。本文基于HiLo光切片技术和自主设计的大视场高分辨显微物镜,研发了具有高空间带宽积特点的大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统,测试了系统的成像视场和分辨率。应用该系统对小鼠脑切片开展了白光照明明场成像实验,并与OLYMPUS商业显微镜成像结果做了对比;对小麦种子荧光切片开展了光切片成像和宽场荧光成像对比实验。实验结果表明,大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统的成像视场达到4.8 mm×3.6 mm (对角视场为6.0 mm),横向分辨率达到0.74μm,轴向分辨率达到4.16μm。大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统兼有大视场和高分辨率成像的优势和快速光切片成像的能力,能够对大体积生物样本开展快速三维成像,将为胚胎发育、脑成像、数字病理诊断等研究提供有力的技术支撑。

纯位相元件用于强激光靶面均匀照明的理论研究：能量利用率的上 …

信号恢复理论指出高功率激光驱动核聚变靶面均匀照明的能量利用率存在一个相限，此上限主要决定于由入射平面光束空间尺寸，靶面光斑尺寸以人才是的空间距离确定的空间带宽积，本文给出能量上限的一个估计表达式，同时对位相重构问题给出隐式解，并尝试具体计算方案。

光学系统及设计

TH703 95010040非线性分划方法讨论=The discussion ofmethod of nonlinear indexing[刊,中]/张锦(中科院光电技术研究所.四川,成都(610209))//光学仪器.—1994,16(4).—19—25给出了在光学设计中实现非线性分划的三种方法,计算并分析了三种方法的精度。

光学系统、成像与分析

TH703 99052854高斯光束的物像共轭变换与焦移特性=Properties offocal shift and object—image conjugation transformationof Gaussian beams[刊,中]/郭福源(福建师范大学.福建,福州(350007))//福光技术.—1 998,(24).—17—22以重新定义的高斯光束菲涅耳数为基础,详细分析高斯光束的传输变换特性,推导出物像共轭平面之间高斯光束变换的类几何光学公式与焦移公式。图3参3(赵桂云)TH703

成像光通信系统及编解码方案

采用通信理论建立了成像光通信的时空连续三维高斯信道模型,分析了信道容量。结果表明利用光的空间特性可以增加信道容量,其效果取决于系统的空间带宽积。提出了一个成像光通信的收发系统方案,给出了基本的系统设计条件,并分析了系统性能。进行了30 m距离的点阵图传输实验,结果验证了系统的设计要求和性能。给出了一种适合成像光通信的信号相关探测接收方法,它要求用于通信的点阵图像需按照二维空间正交码来构造。为了提高相关接收时的信号处理速度,还可考虑采用光学信息并行处理器,例如非相干多通道相关器,并对该相关器的工作过程做了描述。

基于计算成像的宽视场高分辨相机研究进展

宽视场高分辨成像在航空侦察、地形测绘和安全监控等领域有广泛的应用。主要从光学设计角度归纳总结了实现宽视场高分辨成像的技术难点,阐述了透镜系统的比例法则。将比例法则推广到计算成像领域,证明计算成像的方法可以在更小的相机尺寸时获得更高的分辨率。在此基础上,重点阐述了一种可行的宽视场高分辨成像的实现途径:同心多尺度光学系统的设计方法。介绍了当前研制成功的基于同心多尺度理论的宽幅相机,并对它们的性能进行了分析比较,讨论了同心多尺度相机面临的技术挑战。