1 太原理工大学 光电工程学院，山西 太原 030024
2 西安电子科技大学 光电工程学院，陕西 西安 710071
偏振成像技术作为一种新型的光学成像技术，可以实现抑制背景噪声、提高探测距离、获取目标细节特征和识别伪装目标等功能。由于成像空间维度的不同，偏振二维成像和偏振三维成像在不同领域中具有良好的应用前景。文中从偏振光的表示与传播方式入手，先后对偏振成像系统、偏振二维成像技术、偏振三维成像技术和基于超表面偏振器件的偏振探测及成像的研究展开综述。首先，根据偏振成像系统结构的不同，偏振成像系统可分为分时型、分振幅型、分孔径型和分焦平面型四种，并对以上偏振成像系统分别进行详细介绍和比较分析。其次，阐述了基于图像增强技术的偏振二维成像。图像增强技术分为偏振差分算法和图像融合两种。对于偏振三维成像，根据所处理反射光成分的不同，分为基于镜面反射光和漫反射光的偏振三维成像。综述了三维形貌重建过程中天顶角和方位角多值性问题的解决办法。为了高效准确地获取偏振信息，基于超表面结构的偏振器件成为当前研究的热点。进一步介绍了基于超表面偏振器件的偏振探测及成像技术。最后，总结全文并对偏振成像技术的发展前景进行展望。
光学成像 偏振二维成像 偏振三维成像 超表面结构 optical imaging 2D polarization imaging 3D polarization imaging metasurface 红外与激光工程
2023, 52(9): 20220808
1 太原理工大学 物理学院，山西 太原 030024
2 太原理工大学 光电工程学院，山西 太原 030024
3 兴县经开区铝镁新材料研发有限公司，山西 吕梁 035300
宽谱响应光电探测器在图像传感和光通信等领域应用前景广阔。金属微纳结构通过激发表面等离激元共振效应可高效产生热载流子，将它们与宽带隙半导体构成异质结构，便可利用热载流子开发出低成本宽谱响应光电探测器。研究设计了一种基于Au/TiO2复合纳米结构的热电子光电探测器。其中TiO2层经退火后形成尺度约为百纳米的凹凸结构，Au纳米颗粒层与用作电极的保形Au膜共同组成了激发表面等离激元共振的纳米结构。由于Au/TiO2复合纳米结构的协同作用，该器件在400~900 nm范围内具有宽谱光吸收性能，器件的平均光吸收效率为33.84%。在此基础上，该器件能够探测TiO2本征吸收波段以外的入射光子。例如，在600 nm波长处，器件的响应率为9.67 μA/W，线性动态范围为60 dB，器件的上升/下降响应速度分别为1.6 ms和1.5 ms。此外，利用有限元法进行了仿真计算，通过电场分布图验证了Au/TiO2复合纳米结构中所激发的丰富表面等离激元共振效应是其实现宽谱高效探测的原因所在。
光电探测器 表面等离激元 金属纳米结构 热电子 宽谱 photodetectors surface plasmon resonance metal nanostructure hot-electrons wide spectrum 红外与激光工程
2023, 52(3): 20220464
1 太原理工大学物理与光电工程学院，山西 太原 030024
2 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西 太原 030024
单像素成像技术突破了传统成像中探测器与目标物体之间存在遮挡物无法成像的限制，具有系统简单、成本低廉、宽谱成像等优点，在成像领域迅速获得关注并得到逐步发展。然而，由于其使用无空间分辨率的单点探测器，完美成像需对场景进行与图像像素数量级相当的测量。因此，如何在保证一定成像质量的前提下，大幅度提升其成像速度，成为单像素成像技术走向应用的关键问题之一。为此提出了一种基于变换域自适应降采样的傅里叶单像素成像方法。该方法利用傅里叶变换频谱能量集中的特点，在频域合理规划采样路径；然后，沿规划路径测量谱系数，计算每段采样路径的谱系数方差，并在线进行曲线拟合，当曲线斜率达到人为设定的误差带（或趋近于0）时，采样测量自动停止；最后，对采样测量获得的谱系数矩阵实施傅里叶逆变换重建目标图像。提出方法大幅提高了成像效率。
成像系统 单像素成像 自适应采样 降采样 傅里叶变换 激光与光电子学进展
2023, 60(2): 0211002
1 太原理工大学物理与光电工程学院, 山西 太原 030024
2 太原理工大学物理与光电工程学院, 山西 太原 030024太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室, 山西 太原 030024
为在较低成本下解决单像素成像速度问题, 从硬件和算法两个层面提出解决方案, 搭建软硬件协同的单像素成像体系。算法层面在 Hadamard 单像素成像中引入 DQN 算法, 提出 DQN-Hadamard 单像素成像, 获得对特定目标物体的相对最优采样顺序。硬件层面基于 LED 阵列的高速低成本基底图案投射方案, 选择 ARM 与 FPGA 特性结合的 ZYNQ 7020 作为主控, 搭建 ARM 与 FPGA 协同的 Hadamard 单像素成像系统。最后结合算法与硬件, 完成 DQN-Hadamard 单像素成像在 ARM 与 FPGA 协同的 Hadamard 单像素成像系统的移植, 并与自适应斜 Z 字形采样单像素成像做了详细比较。成像结果显示, 所提方案在 30% 的采样率下即可重建目标物体图像, 验证了低成本软硬件协同单像素成像的可行性。
单像素成像 低成本 软硬件协同 single-pixel imaging ZYNQ ZYNQ DQN DQN low-cost hardware and software coordination
1 太原理工大学物理与光电工程学院，山西 太原 030024
2 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室，山西 太原 030024
光学三维成像在医学诊断、空间遥感、人工智能等领域具有广泛且重要的应用。然而，在散射环境中，入射光的波前相位会发生严重畸变，导致传统光学三维成像性能劣化，甚至失效。目前，研究透过散射介质成像大多使用的是昂贵的科研相机。为了降低成本，本团队提出了一种采用普通工业相机进行数据采集的透过散射介质的三维成像方法。针对普通工业相机采集的低信噪比图像，本文对代表成像系统点扩散函数的点光源散斑进行多次累加平均，获得了可与科研相机相媲美的高信噪比点扩散函数；然后，将该点扩散函数与单次曝光获得的结构光散斑进行反卷积运算，得到受物体面形调制的变形条纹；最后，基于傅里叶变换轮廓术恢复物体的三维信息。实验结果表明，该方法可以获得与科研相机相媲美的成像效果，为透过散射介质的三维成像提供了一种可行的低成本方案。
成像系统 三维成像 散射成像 结构光照明 累加平均 光学学报
2022, 42(14): 1411002
1 太原理工大学 物理与光电工程学院，太原 030024
2 太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部重点实验室，太原 030024
为指导和完善深度Q网络单像素成像，对不同正交变换深度Q网络单像素成像性能进行比较分析。提出了基于深度Q网络的离散余弦变换单像素成像和Krawtchouk矩变换单像素成像。采用结构相似度和峰值信噪比作为图像质量评价标准，以人为规划方法作为对照，定量分析四种基于正交变换的深度Q网络单像素成像的重建结果。仿真和实验结果表明，深度Q网络单像素成像在正交变换单像素成像体系中都能取得优于人为规划采样路径的成像效果。引入深度Q网络，离散余弦变换单像素成像取得的成像效果最好，Krawtchouk矩变换单像素成像能够克服其在自然图像中的局部效应，成像质量提升较大。
单像素成像 DQN 正交变换 采样策略 变换域频谱 Single-pixel imaging Deep Q Network Orthogonal transform Sampling strategy Spectrum in the transform domain
1 太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部重点实验室，太原030024
2 太原理工大学 物理与光电工程学院，太原03004
单像素成像技术在成像速度和质量上已经取得一定的进展，然而，如何在保证成像质量的前提下提升成像速度仍然是一个待解决的问题。对Hadamard系数矩阵中每条斜列上的系数绝对值求取平均值后，发现其具有迅速减小的特征，基于此发现提出了一种自适应斜Z字形采样方法，以实现预期的成像质量和速度提升。实验结果表明，该方法可以有效减少采样次数与数据采集量，兼顾成像质量的同时提升了成像速度。在相同的采样率下，其成像质量优于顺序采样的单像素成像。
Single-pixel imaging Hadamard transform Hadamard coefficients Adaptive Zigzag sampling 单像素成像 Hadamard变换 Hadamard系数 自适应 Z字形采样
1 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室, 山西 太原 030024
2 太原理工大学物理与光电工程学院, 山西 太原 030024
3 斯威本科技大学科学、工程与技术学院微光子学中心, 墨尔本 3122
探究径向偏振矢量光与氧化石墨烯/金纳米棒复合结构的相互作用,以提高表面增强拉曼散射性能。基于FDTD Solutions软件,得到氧化石墨烯/单金纳米棒复合基底在径向偏振光激发下的表面增强拉曼散射增强因子达到10
8,比相同条件下线偏振光激发的大6个数量级。这种性能提高的物理机制源于径向偏振光激发金纳米棒的电磁增强与氧化石墨烯产生的本征化学增强。进一步详细讨论了径向偏振光激发下氧化石墨烯厚度、金纳米棒数量和排列方式对表面增强拉曼散射性能的影响。基于径向矢量光场激发多功能基底的表面增强拉曼散射性能调控在生物化学、食品安全与传感检测等领域具有巨大的应用潜力。
材料 表面增强拉曼散射 氧化石墨烯/金纳米棒复合基底 FDTD Solutions软件 径向偏振光
太原理工大学 新型传感器与智能控制教育部暨山西省重点实验室 太原 030024
为了实现低阈值光微流荧光共振能量转移(FRET)激光, 基于制备的高品质因子、高稳定法布里-珀罗(F-P)微腔, 采用间接抽运方法研究了两种F-P谐振腔中光微流FRET激光的产生。直接抽运施主染料, 使得施主染料通过FRET的方式把能量传递给受主染料, 从而实现受主染料的间接能量抽运。结果表明, 在此种抽运方式下, F-P光微流激光腔中实现了0.48μJ/mm2的低激光抽运能量密度阈值; 并可通过FRET激光产生的形式实现对低浓度物质的检测。
激光光学 光微流激光 荧光共振能量转移 法布里-珀罗微腔 laser optics optofluidic laser fluorescence resonant energy transfer Fabry-Perot microcavity
1 太原理工大学物理与光电工程学院(含测控研究所), 山西 太原 030024
2 四川大学光电科学技术系, 四川 成都 610064
提出了一种新的快速获取物体三维形貌和纹理信息的方法。利用数字投影仪将2幅彩色编码的正弦相移光栅图投影到被测物体表面，彩色相机捕捉经物体调制后的变形条纹图。提取RGB三基色，可获得包含物体高度信息及纹理信息的条纹图和背景光。对包含物体高度信息的条纹图用改进的2+1相移算法重构物体的三维形貌。物体纹理信息则通过对背景光进行彩色编码获得，利用纹理映射技术恢复物体纹理。计算机模拟和实验结果验证了该方法的有效性和可行性。
测量 图像处理 2+1相移算法 纹理映射技术 相位轮廓术 纹理信息
