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Abstract
Huazhong University of Science and Technology, School of Optical and Electronic Information, Wuhan National Laboratory for Optoelectronics, Wuhan, China
Augmented reality (AR) display, which superimposes virtual images on ambient scene, can visually blend the physical world and the digital world and thus opens a new vista for human–machine interaction. AR display is considered as one of the next-generation display technologies and has been drawing huge attention from both academia and industry. Current AR display systems operate based on a combination of various refractive, reflective, and diffractive optical elements, such as lenses, prisms, mirrors, and gratings. Constrained by the underlying physical mechanisms, these conventional elements only provide limited light-field modulation capability and suffer from issues such as bulky volume and considerable dispersion, resulting in large size, severe chromatic aberration, and narrow field of view of the composed AR display system. Recent years have witnessed the emerging of a new type of optical elements—metasurfaces, which are planar arrays of subwavelength electromagnetic structures that feature an ultracompact footprint and flexible light-field modulation capability, and are widely believed to be an enabling tool for overcoming the limitations faced by current AR displays. Here, we aim to provide a comprehensive review on the recent development of metasurface-enabled AR display technology. We first familiarize readers with the fundamentals of AR display, covering its basic working principle, existing conventional-optics-based solutions, as well as the associated pros and cons. We then introduce the concept of optical metasurfaces, emphasizing typical operating mechanisms, and representative phase modulation methods. We elaborate on three kinds of metasurface devices, namely, metalenses, metacouplers, and metaholograms, which have empowered different forms of AR displays. Their physical principles, device designs, and the performance improvement of the associated AR displays are explained in details. In the end, we discuss the existing challenges of metasurface optics for AR display applications and provide our perspective on future research endeavors.
augmented reality display optical metasurface metalens metacoupler metahologram Advanced Photonics
2023, 5(3): 034001
1 齐鲁工业大学（山东省科学院）山东省科学院海洋仪器仪表研究所 山东省海洋监测仪器装备技术重点实验室 国家海洋监测设备工程技术研究中心，山东 青岛 266100
2 热带海洋环境国家重点实验室 中国科学院南海海洋研究所，广东 广州 510301
针对目前透明度遥感反演研究多以较低空间分辨率卫星数据为主的现状，采用分辨率高达10 m的Sentinel-2卫星数据进行了胶州湾海域水体透明度的遥感反演研究。构建了基于实测数据的反演模型。结果表明：模型具有较高的精度，反演值与实测值的平均相对误差为9.86%，均方根误差为0.22 m。依据构建的反演模型与卫星影像数据反演了胶州湾水体的透明度，绘制了水体的透明度分布图，分析了胶州湾海域水体透明度的空间分布规律和局部的细微变化特征。研究发现，胶州湾海域水体透明度呈现由近岸向外海逐渐升高的趋势，径流量大的河流会造成汇入海域透明度明显降低的变化，潮汐会引起透明度出现沿垂直于岸边方向的纹理变化特征，大型船只的通航会造成透明度短时降低的变化。
透明度 哨兵2号 遥感反演 胶州湾 SDD Sentinel-2 remote sensing retrieval Jiaozhou Bay 红外与激光工程
2021, 50(12): 20210080
1 北京信息科技大学高动态导航技术北京市重点实验室, 北京 100089
2 教育部现代测控技术重点实验室, 北京 100089
研究了一种用于估计制导弹药与目标之间的视线角速率算法的推导与实现。低成本的捷联导引头的测量信息中包含了弹目在相对运动中形成的视线角和弹体姿态两部分信息, 首先设计解耦算法将弹体姿态信息去除, 然后采用扩展卡尔曼滤波(EKF)以及α-β滤波这两种算法分别对视线角和视线角速率进行估计, 最终的仿真结果表明采用EKF算法能比α-β滤波算法得到更加精确的估计值。
制导弹药 捷联导引头 视线角速率 扩展卡尔曼滤波 α-β滤波 guided munition strapdown seeker LOS angular rate extended Kalman filter α-β filter
南京航空航天大学生物医学工程系， 江苏 南京 210016
为探讨原位条件下关节软骨及下骨组织成分含量变化等深层次微观信息， 采用拉曼光谱技术结合组织光透明技术来研究软骨组织的光透明效果。 选用甘油、 碘海醇作为光透明剂， 对在不同光透明剂浓度和浸渍时间下的犬膝关节股骨端软骨样本进行拉曼光谱采集。 通过计算磷酸基团(920~960 cm-1 ) 和酰胺Ⅰ带(1 595~1 700 cm-1)的积分强度， 获得拉曼强度比（磷酸基团/酰胺Ⅰ）， 探索在不同浸渍时间（10~60 min）、 不同浓度下（甘油40%， 60%， 80%和100%， 碘海醇50， 150， 250和350 mg·mL-1）组织光透明的规律， 即寻找合适的透明浓度和透明时间。 结果显示： 相比于无透明剂情形， 两种透明剂均使该强度比信号增强。 在同一时间范围内， 甘油和碘海醇分别在60%和150 mg·mL-1 浓度下能获得较好的透明效果； 而在不同浓度下， 甘油的透明效果均在20 min最强， 而碘海醇的透明效果一般是在50 min后开始增强。 在光透明剂的作用下激发光透过软骨可以直接探测到软骨下骨的拉曼光谱信息， 这为研究骨关节炎深层次病因提供了方法和思路。
拉曼光谱 光透明 关节软骨 软骨下骨 Raman spectroscopy Optical clearing Articular cartilage Subchondral bone 光谱学与光谱分析
2018, 38(8): 2425
1 南京航空航天大学生物医学工程系, 江苏 南京 210016
2 淮海工学院, 江苏 连云港 222005
搭建了可用于生物医学检测的小型近红外拉曼光谱仪。 通过理论计算, 几何光路设计, 完成了系统组装。 有别于传统反射式准直结构: (1)本光谱仪色散系统采用透射式准直的方法, 将散射光投射到光栅上进行色散； (2)经二向色镜分光, 采用物镜对入射光会聚和散射光收集, 设计了与色散系统入射狭缝相匹配(共焦面)的外光路系统, 进而有效收集拉曼信号和去除杂散光； (3)实现了高分辨率(3 cm-1)、 高重复性和高灵敏度光谱检测, 检测范围500~2 200 cm-1(785 nm激发)； (4)小型化设计, 整个系统尺寸约240 mm×200 mm×130 mm, 自由度高。 将此自开发小型拉曼光谱仪应用于葡萄糖和膝关节软骨的拉曼光谱测试, 获得了与大型商业拉曼光谱仪相媲美的结果, 验证了该光谱仪具有高分辨率, 高重复性和高灵敏度的优越性能, 可灵活地应用于生物医学等多领域的研究。
小型近红外拉曼光谱仪 生物医学 透射式准直 二向色镜 Small NIR-Raman spectrometer Biomedical Transmission-based collimating Dichroic 光谱学与光谱分析
2018, 38(6): 1933
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Department of Biomedical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 29 Yudao St, Nanjing, 210016 Jiangsu, P.R. China
Two discriminant methods, partial least squares-discriminant analysis (PLS-DA) and Fisher's discriminant analysis (FDA), were combined with Fourier transform infrared imaging (FTIRI) to differentiate healthy and osteoarthritic articular cartilage in a canine model. Osteoarthritic cartilage had been developed for up to two years after the anterior cruciate ligament (ACL) transection in one knee. Cartilage specimens were sectioned into 10 μm thickness for FTIRI. A PLS-DA model was developed after spectral pre-processing. All IR spectra extracted from FTIR images were calculated by PLS-DA with the discriminant accuracy of 90%. Prior to FDA, principal component analysis (PCA) was performed to decompose the IR spectral matrix into informative principal component matrices. Based on the di?erent discriminant mechanism, the discriminant accuracy (96%) of PCA-FDA with high convenience was higher than that of PLSDA. No healthy cartilage sample was mis-assigned by these two methods. The above mentioned suggested that both integrated technologies of FTIRI-PLS-DA and, especially, FTIRI-PCA-FDA could become a promising tool for the discrimination of healthy and osteoarthritic cartilage specimen as well as the diagnosis of cartilage lesion at microscopic level. The results of the study would be helpful for better understanding the pathology of osteoarthritics.
Articular cartilage osteoarthritis Fourier transform infrared imaging partial least squares discriminant analysis Fisher's discriminant analysis Journal of Innovative Optical Health Sciences
2017, 10(3): 1650054
近年来, 量子通信成为一个比较活跃的研究领域。由于理论上的无条件安全性以及实际应用中的可行性, 量子密钥分配是量子通信中非常重要的组成部分。而集体噪声信道下的量子密钥分配协议一直被广泛研究。本文提出一种改进的集体噪声信道下容错的量子密钥分配协议, 以及一种可行的密钥协商方案。本协议的量子比特效率达到28.57%, 是所有针对集体噪声容错的量子密钥分配协议中最好的, 由此提高了量子密钥分配时的效率。
量子通信 量子密钥分配 集体噪声 量子比特效率 quantum communication Quantum Key Distribution collective noise qubit efficiency 太赫兹科学与电子信息学报
2017, 15(6): 921
1 山东省科学院海洋仪器仪表研究所,山东 青岛 266001
2 四川大学物理系,成都 610064
为了对离轴激光雷达的近场信号进行校正,本文根据离轴激光雷达重叠因子的定义,利用高斯光束光强的解析传输公式,并考虑到离轴激光雷达系统激光分布与望远镜视场的五种关系,得到了利用雷达系统参数表示的离轴激光雷达重叠因子的解析计算公式。基于该公式对澳门地区雷达回波信号进行了校正和反演,所得结果证明了解析公式的有效性。利用解析公式通过数值计算方法详细研究了雷达系统参数对离轴激光雷达重叠因子的影响,该结果对激光雷达系统设计具有一定的参考价值。
离轴激光雷达 重叠因子 激光分布 望远镜视场 off-axis lidar overlap factor laser distribution telescope field of view
南京航空航天大学自动化学院生物医学工程系,南京 210016
本文采用不同方法对来自正常和病变关节软骨样本的红外光谱进行预处理,而后利用主成分分析对关节软骨进行鉴别分析。首先对关节软骨切片实现傅里叶变换红外光谱采集,其次分别采用基线校准、标准化、多元散射校正和标准正态变量变换对软骨的红外光谱进行预处理,然后对原始光谱（矩阵）以及预处理光谱进行主成分分析,根据得分矩阵对样本进行分类分析。结果表明: 预处理方法结合主成分分析可以更好地对正常和病变关节软骨样本进行分类,而且多种预处理方法的结合可以更好地增强样本间的区分度。另外,针对关节软骨样本,多元散射校正比标准正态变量变换具有更好的增强效果。
关节软骨 傅里叶变换红外光谱 预处理 主成分分析 articular cartilage fourier transform infrared microscopy imaging preprocessing principal component analysis
