注射微整形手术中可能会出现经皮针头扎破面部动脉血管的情况,这会导致注射药物(如玻尿酸)渗入血管形成栓子、引发血管栓塞,从而致使局部组织缺血、失明甚至中风。为解决这一问题,提出利用光声显微成像引导注射微整形手术。利用带有导针器的光声显微成像探头对固定角度插入的注射针头进行成像,得到针头的行进路线,然后对目标区域进行三维血管成像,通过图像融合并提取其中针头与血管相交区域的像素点数量,可判断针头是否会扎破面部动脉血管,降低手术风险。通过叶脉和活体小鼠成像实验验证了该方法的可行性,结果表明,该方法可以精确地引导扎针,在提高注射微整形手术安全性方面有良好的应用前景。

傅里叶叠层显微成像技术(FPM)是一种新型显微成像技术,该方法巧妙地结合了相位恢复算法和合成孔径的理念,解决了大视场与高分辨率难以兼备的问题。在传统计算中,往往将FPM成像过程近似为相干成像,即将LED视为点光源,进而相干传递函数作为最优解的频谱支持域约束。但是,严格来说,LED是扩展的非相干光源,因此这种不恰当的近似会降低重构图像质量。为此,通过探究FPM系统的相干性,提出了一种新的传递函数——基于贝塞尔函数加权的切趾相干(B-AC)传递函数作为支持域约束的方法,实验结果证明,B-AC约束更适配于FPM成像系统,可以明显减少相干传递函数约束时产生的振铃效应,使得重构图像质量和鲁棒性优于相干传递函数和切趾相干传递函数约束。

针对基于强度传输方程(Transport of Intensity Equation, TIE)的非干涉相位恢复技术要求光源是单色的限制, 以及强度采集过程移动CCD或物体而引入的机械误差, 提出了一种适用于透镜模型下的色散相位恢复技术。该方法基于透镜成像系统的相位变换特性, 将色散与TIE结合在一起, 使不同波长的光经过透镜系统后在同一位置成像, 从而在不机械移动的情况下获得聚焦和散焦强度图像。再利用散焦量与波长的关系结合TIE计算出物体的相位信息。模拟实验中用该方法恢复物体的相位与原始相位的相关性系数为0.970 7, 均方根误差为0.061 8; 同时真实实验对透镜阵列相位进行了恢复, 实验结果与真实参数误差为1.74%, 证明了所提方法的正确性和有效性。

针对可分离压缩传感使用的可分离随机正交矩阵在处理大尺度图像等高维信号感知时难度太大或成本过高的问题, 引入确定性测量矩阵, 提出确定性矩阵可分离压缩传感, 可将如托普利兹矩阵及循环矩阵等具有确定性结构的矩阵作为可分离压缩传感的左、右可分离矩阵.该方案可以降低独立元素的数目, 从而显著降低前端物理实现的难度与成本.数值模拟实验分别评估了该方法在不同采样率及不同图像尺寸下的压缩重建性能, 结果表明该方法在独立元素非常少的情形下得到与原随机正交矩阵相近的重建质量, 证明了其可行性.

相位检索技术将光学与计算相结合，从强度测量中恢复相位，包括强度传输方程法和角谱迭代法。但前者仅对近场相位的恢复有效，其基于相干照明的假设前提使得该方法不能直接应用于自然场景的相位检索中；而后者具有迭代不确定性、收敛速度慢等缺点。探讨了在相干照明情况下传统强度传输方程法和角谱迭代法相融合的相位检索算法，将该融合法进一步扩展，提出了适用于自然场景透镜模型的相位检索方法，即使用强度传输方程法计算像平面的相位，并将该相位值作为角谱迭代的初始值，根据光路的可逆性，迭代出物面的相位信息，分别给出了两种情况下的实验结果。

彩色全息显示是全息视频显示技术发展的重要目标。概述了基于空间光调制器实现彩色全息显示的方法与系统构建问题。首先，介绍了彩色全息显示中三个单色全息像叠加生成彩色全息再现像的基本原理。分析了全息图生成的方法，比较了光全息图、数字全息图、计算机生成全息图的不同。其次，讨论了彩色全息显示系统构建时空间光调制器的选择以及多波长照明下的相位调制特性问题。在实际系统中，红、绿、蓝三色激光或者发光二极管都可以用作系统照明光源。然后，描述了基于时分复用、空间复用、空间划分、空间叠加方法构建的彩色全息显示系统架构，指出彩色全息重构结果受到空间光调制器像素结构和色差等问题的影响。最后，展望了彩色全息显示技术的发展方向。

相位检索利用直接测量得到的强度分布恢复相位信息，从而重建波函数，是光学和图像处理中的重要研究方向。提出衍射成像中新的利用相位掩模的结构光照明设置，在这种新的设置中，物体和掩模紧贴在一起，并且相互之间的位置可以互换，采用多结构光照明，收集多个不同的衍射图样，在没有信号额外信息情况下求解相位。模拟实验结果表明，这种新的设置形式简单，可以成功地实现相位检索。此外，提出应用托普利兹掩模和循环掩模收集衍射图样以检索相位，它们比二进制掩模需要收集更少的衍射图样；与高斯掩模需要收集的衍射图样数目相当，但是物理上比高斯掩模更易于实现。

为了研究光子晶体开放腔特性，采用平面波展开法和时域有限差分法对顶角为30°楔角的光子晶体和空气槽交替组成的新型光子晶体开放腔进行了研究。研究发现，这种结构的光子晶体开放腔在两个归一化频率范围(0.3006~0.35,0.6755~0.6851)内具有负折射特性，并且在负折射频率范围内可形成一个零光程的闭合回路；光子晶体与空气槽的分界面上有高的透射率，能够在某个波长产生共振。结果表明，可以利用共振波长随着折射率的变化而变化的光子晶体开放腔实现折射率的高灵敏度测量。

为了得到1维光子晶体新的滤波特性，并把这种特性应用到滤波器的设计中，采用传输矩阵法计算了对称和非对称结构1维光子晶体的滤波特性，同时还分析了不同的折射率比对两种结构1维光子晶体滤波特性的影响。结果表明，对称结构1维光子晶体可实现窄带滤波功能，该结构的滤波器对入射角的选取是有限制的，不适于微弱信号的检测；且当多层膜系外层为高折射率时，透射带宽要窄些。非对称结构光子晶体则具有带阻滤波特性，与对称结构1维光子晶体最大的不同是改变膜系中高低折射率材料的顺序，其滤波特性没有变化。理论分析和数值模拟结果为设计窄带滤波器和带阻滤波器提供了依据。