南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
计算光学显微成像技术将光学编码和计算解码相结合，通过光学操作和图像算法重建来恢复微观物体的多维信息，为显微成像技术突破传统成像能力提供了强大的助力。这项技术的发展得益于现代光学系统、图像传感器以及高性能数据处理设备的优化，同时也被先进的通信技术和设备的发展所赋能。智能手机平台作为高度集成化的电子设备，具有先进的图像传感器和高性能的处理器，可以采集光学系统的图像并运行图像处理算法，为计算光学显微成像技术的实现创造了全新的方式。进一步地，作为可移动通信终端，智能手机平台开放的操作系统和多样的无线网络接入方法，赋予了显微镜灵活智能化操控能力与丰富的显示和处理分析功能，可用于实现各种复杂环境下多样化的生物学检测应用。文中从四个方面综述了基于智能手机平台的计算光学显微成像技术，首先综述了智能手机平台作为光学成像器件的新型显微成像光路设计，接下来介绍了基于智能手机平台先进传感器的计算光学高通量显微成像技术，然后介绍了智能手机平台的数据处理能力和互联能力在计算显微成像中的应用，最后讨论了这项技术现存在的一些问题及解决方向。
智能手机平台 计算光学显微成像 无线传输 即时检验 smartphone platform computational optical microscopy imaging wireless transmission point-of-care testing 红外与激光工程
2022, 51(2): 20220095
张润南 1,2,3蔡泽伟 1,2,3,**孙佳嵩 1,2,3卢林芃 1,2,3[ ... ]左超 1,2,3,*
1 智能计算成像实验室, 南京理工大学电子工程与光电技术学院, 江苏 南京210094
2 南京理工大学智能计算成像研究院, 江苏 南京210019
3 江苏省光谱成像与智能感知重点实验室, 江苏 南京 210094
光场的相干性是定量衡量其产生显著的干涉现象所具备的重要物理属性。尽管高时空相干性的激光已成为传统干涉计量与全息成像等领域不可或缺的重要工具,但在众多新兴的计算成像领域(如计算摄像、计算显微成像),降低光源的相干性,即部分相干光源在获得高信噪比、高分辨率的图像信息方面具有独特优越性。因此,部分相干光场的“表征”与“重建”两方面问题的重要性日益凸显,亟需引入光场相干性理论及相干测量技术来回答计算成像中“光应该是什么”和“光实际是什么”的两大关键问题。在此背景下,系统地综述了光场相干性理论及相干测量技术,从经典的关联函数理论与相空间光学理论出发,阐述了对应的干涉相干测量法与非干涉相干恢复法的基本原理与典型光路结构;介绍了由相干测量所衍生出的若干计算成像新体制及其典型应用,如光场成像、非干涉相位复原、非相干全息术、非相干合成孔径、非相干断层成像等;论述了相干测量技术现阶段所面临的问题与挑战,并展望了其未来的发展趋势。
激光与光电子学进展
2021, 58(18): 1811003
南京理工大学 电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
差分相衬(Differential phase contrast, DPC)成像是一种基于部分相干照明调控的无标记非干涉相位成像方法, 它为未染色透明样品提供了一种快速、有效且高分辨率的可视化手段。DPC通过多次非对称照明调控或非对称孔径调制使不可见的样品相位信息转换为成像器件可直接探测的强度信号, 从而为定性相衬成像甚至定量相位重建提供了可能。近年来, 随着该领域研究的逐步深入, 成像的相位传递函数得以明确推导, DPC已经逐步从定性观察走向了定量研究。另一方面, 得益于全孔径照明调控和高效相位反卷积算法, DPC定量相位成像的空间分辨率可达到非相干衍射极限, 并能够获得低噪声、高精度的定量相位重构结果。通过与三维光学传递函数理论交融借鉴, DPC最近已被进一步拓展到了三维衍射层析领域, 实现了厚样品三维折射率的定量成像。文中从DPC成像方法的基本原理、成像系统与算法优化等几个方面对其历史发展、研究现状和最新进展进行了详细综述, 并讨论了该方法现存的一些关键问题以及今后可能的研究方向。
定量相位成像 差分相衬 相位传递函数 衍射层析 quantitative phase imaging differential phase contrast phase transfer function diffraction tomography 红外与激光工程
2019, 48(6): 0603014
南京理工大学 电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
同时实现大视场、高分辨率成像是光学显微技术发展至今不断追求的永恒目标。传统光学显微镜由于其光学设计原理限制, 空间带宽积一般总是限制在百万像素量级, 从而无法同时兼顾高分辨率与大视场。另一方面, 复杂的光学系统也使显微镜变得日趋昂贵、笨重、复杂且难以维护, 极大地限制了其推广和应用。无透镜片上显微成像技术是近年来发展出的一种新概念计算成像技术: 其不利用成像透镜聚焦, 而直接将所观测的样本紧贴于成像器件光敏面上方记录图像, 并结合相应的图像恢复算法实现清晰物像的反演与重构。由于具有视野大、分辨率高、无需标记、成本低、便携性好和可实现三维(3D)成像等优点, 无透镜片上显微镜有望拓展传统显微成像技术的疆界, 成为一种新型的快捷、便携的就地检验(POCT)工具。文中从无透镜成像基本原理、实验系统、重构方法及其典型应用进行了综述。最后, 讨论了无透镜显微成像现存的一些关键问题以及今后可能的发展方向。
无透镜 数字全息显微 相位恢复 显微成像 lens-free digital holographic microscopy phase retrieval microscopy 红外与激光工程
2019, 48(6): 0603009
1 南京理工大学智能计算成像实验室, 江苏 南京 210094
2 南京理工大学江苏省光谱成像与智能感知重点实验室, 江苏 南京 210094
高分辨率是光学显微技术发展至今不断追求的目标之一。然而随着当前显微镜系统功能与性能的不断革新，高分辨率与大视场难以同时兼顾的问题日益突出，这个问题极大地限制了其在许多领域的应用。傅里叶叠层显微成像技术(FPM)是近年来发展出的一种新型计算成像技术，其能通过同时恢复强度和相位分布来提供宽域高分辨率的成像能力。FPM虽然是在2013年才被提出，但是由于其融合了大视场、高分辨率、定量相位成像等诸多优点，近年来已经在光学显微、生物医学、生命科学等领域获得了大量研究和广泛关注。从基本原理、实验系统与成像模式、系统与算法的改进方法等几个方面对FPM的研究现状、应用领域和最新进展进行了综述，并讨论了现存的一些关键问题以及今后可能的研究方向。
成像系统 计算成像 显微成像 相位恢复 图像重建技术 光学学报
2016, 36(10): 1011005
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院智能计算成像实验室, 江苏 南京 210094
2 南京理工大学江苏省光谱成像与智能感知重点实验室, 江苏 南京 210094
3 南洋理工大学机械与航空航天工程学院, 新加坡 639798
相位恢复与定量相位成像是光学测量与成像技术领域的一个重要课题。传统干涉测量法依赖高度相干光源的干涉叠加，干涉装置复杂，测量环境要求苛刻，引入的散斑噪声极大地限制了传统干涉测量法在显微成像领域的应用。光强传输方程(TIE)作为最具代表性的相位恢复方法之一，为定量相位成像提供了一种新的非干涉手段。近些年来，该方法在国内外得到广泛研究与关注，发展迅速，成果显著，在自适应光学、X射线衍射光学、电子显微学、光学显微成像等领域展现了巨大的应用潜力。从光强传输方程的基本原理、方程求解、光强轴向微分的差分估计、部分相干成像与光场成像等几方面综述了光强传输方程在光学成像领域，特别是定量相位显微成像领域的研究现状与最新进展，并针对现存问题以及今后的研究方向提出了建议。
成像系统 相位恢复 光强传输方程 定量相位成像 显微成像
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院智能计算成像实验室，江苏 南京 210094
2 南京理工大学电子工程与光电技术学院江苏省光谱成像与智能感知重点实验室，江苏 南京 210094
为了实现对待测样品高质量的体视显微成像，提出了基于可编程发光二极管（LED）阵列照明的透射体视显微镜。该显微镜光学系统使用可编程LED阵列作为照明双光源，照明孔径、角度以及波长均可自由选择，通过改变可编程LED阵列上红蓝圆形光源的半径r和圆心间距d分别实现对体视显微镜焦深和体视角的灵活可控。实验结果表明，该显微镜系统简便，观察者根据自身需要选择合适的焦深和体视角可有效解决因人眼瞳距个体差异大引起单一体视角出现的双像不能重合等问题，实现对待测样品的直接体视显微观看。使用数值孔径NA=0.1(4×)的显微物镜，在最佳参数r=2，d=3时可清晰观测到待测样品的层次关系以及相对位置等三维信息。
成像系统 显微镜 三维图像 可编程照明 发光二极管阵列
1 南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
2 江苏省光谱成像与智能感知重点实验室，江苏 南京 210094
针对红外与可见光彩色融合图像中目标与背景间的低对比度的问题，提出一种基于HSI空间颜色对比度增强的红外和可见光图像融合方法。首先对输入的可见光与红外图像进行直方图均衡和中值滤波加强处理，然后对加强的红外图像模糊阈值分割得到红外目标，最后把分割的红外目标图像和加强的可见光和红外图像在HSI空间的三通道线性融合和色彩传递，为了增强目标与背景间的颜色对比度，在色彩传递阶段, H通道的色彩传递方程中引入一个比例因子。实验结果表明：与其他算法相比，该方法得到的彩色融合图像热目标和低温物体与背景间的颜色对比度明显加强,同时背景的细节信息呈现白天类似的自然彩色，更加符合人眼视觉感知。
颜色对比度增强 图像融合 HSI空间 色彩传递 color contrast enhancement image fusion HSI space color transfer
