大连理工大学光电工程与仪器科学学院,辽宁 大连 116024
超分辨荧光显微镜突破了传统荧光显微镜的分辨率限制,使得人们能够在纳米量级分辨率下观察细胞和组织样品,极大地推动了生命科学的发展。在这一技术中,仪器和样品引入的像差均会导致空间分辨率降低,进而导致成像质量恶化。为此,人们引入了自适应光学技术,通过直接或间接的手段探测像差,再通过波前校正元件来校正像差,从而获得高质量的超分辨图像。本文介绍了自适应光学的起源与工作原理,总结了其在超分辨荧光显微镜中的应用,并展望了其未来的发展前景。
显微 荧光显微镜 超分辨 自动与自适应光学 像差补偿 波前传感
Wunan Li 1,2,3,4Yu Cao 2Yu Ning 1,3,4Fengjie Xi 1,3,4,**[ ... ]Xiaojun Xu 1,3,4,*
Author Affiliations
Abstract
1 College of Advanced Interdisciplinary Studies, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
2 School of Mathematics and Physics, Qingdao University of Science & Technology, Qingdao 266061, China
3 Nanhu Laser Laboratory, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
4 State Key Laboratory of Pulsed Power Laser Technology, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
The Shack–Hartmann wavefront sensor (SHWFS) is commonly used for its high speed and precision in adaptive optics. However, its performance is limited in low light conditions, particularly when observing faint objects in astronomical applications. Instead of a pixelated detector, we present a new approach for wavefront sensing using a single-pixel detector, which is able to code the spatial position of a light spot array into the polarization dimension and decode the polarization state in the polar coordinate. We propose validation experiments with simple and complex wavefront distortions to demonstrate our approach as a promising alternative to traditional SHWFS systems, with potential applications in a wide range of fields.
wavefront sensing single-pixel detector vortex retarder polarization centroid polar coordinate Chinese Optics Letters
2023, 21(9): 090008
1 天津大学 精密仪器与光电子工程学院, 天津300072
2 光电信息技术教育部重点实验室, 天津300072
为了克服近地面湍流对几十到几百米中长成像距离下光学系统成像质量的不利影响,设计了基于长焦距望远物镜和一体化自适应模块的光学成像系统。在系统中心高度1.9 m及50~200 m的成像距离下,开展了分辨率板的室外成像实验。实验结果表明,在近地面的50~200 m中长距离下湍流对成像质量的影响明显,所搭建的实验系统能够在不同距离下有效克服湍流影响,提高图像的分辨率和清晰度的一致性,但随着成像距离的增加,湍流影响的增大,系统的校正能力降低,成像质量下降。系统在100 m成像距离下的成像分辨率能够达到0.5 mm。在200 m的距离对混凝土模型表面裂缝进行了观测及校正实验,实验结果表明,系统能够抑制湍流影响,提高裂缝图像的清晰度,验证了系统的实际应用能力。
自适应光学 近地面湍流 波前传感 波前校正 adaptive optics near-ground turbulence wavefront sensing wavefront correction
1 江南大学 理学院,江苏 无锡 214122
2 光电对抗测试与评估技术重点实验室,河南 洛阳 471003
3 江苏省轻工光电工程技术研究中心,江苏 无锡 214122
压缩感知技术用于光学波前测量时,常规的斜率恢复方法精度较低,难以测量大气湍流引起的复杂波前,本文利用深度神经网络进行斜率恢复,提高斜率恢复精度,从而提高压缩波前探测方法测量大气湍流波前的精度。传统的压缩波前探测方法在稀疏化过程中忽略相对较小的斜率值,导致波前测量误差的增加。为了快速测量大气湍流引起的复杂波前,本文提出了一种深度神经网络,可以高精度地恢复斜率,从而提高了波前重构的精度。在压缩比为0.1~0.9情况下,基于深度神经网络的压缩波前探测算法(DNNCWS)的波前重构误差PV优于0.014 μm,算法的运行时间为4.4 ms。在暗弱星等情况下,残差波前的峰谷值(PV)优于0.011 μm。模拟结果表明,DNNCWS具有良好的抗噪声性能。深度神经网络DNNCWS提高了压缩波前的探测精度,可以用于测量大气湍流引起的复杂像差,还可用于其他自适应光学应用,如激光通信和视网膜成像。
压缩波前探测 自适应光学 大气湍流 compressed wavefront sensing adaptive optics atmospheric turbulence
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory on Adaptive Optics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China
2 Institute of Optics and Electronics, Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209, China
3 School of Electronic, Electrical and Communication Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
A real-time wavefront sensing method for arbitrary targets is proposed, which provides an effective way for diversified wavefront sensing application scenarios. By using a distorted grating, the positive and negative defocus images are simultaneously acquired on a single detector. A fine feature, which is independent of the target itself but corresponding to the wavefront aberration, is defined. A lightweight and efficient network combined with an attention mechanism (AM-EffNet) is proposed to establish an accurate mapping between the features and the incident wavefronts. Comparison results show that the proposed method has superior performance compared to other methods and can achieve high-accuracy wavefront sensing in varied target scenes only by using the point target dataset to train the network well.
wavefront sensing distorted grating fine feature Chinese Optics Letters
2023, 21(6): 060101
1 清华大学精密仪器系,北京 100084
2 清华大学精密测试技术及仪器全国重点实验室,北京 100084
3 陆军装备项目管理中心,北京 100072
在空天探索领域,空间引力波探测是当前国际研究热点,核心技术是测量相距数百万千米的两测试质量间的平动转动等多个自由度,探测灵敏度需要在1 mHz~1 Hz频段达到~1 pm/Hz1/2以及~1 nrad/Hz1/2水平。目前,激光干涉是实现如此远距离的两个物体之间多自由度测量的最精密的手段,本文介绍了面向空间引力波探测的激光外差多自由度超精密测量技术,概述了其光路结构、测量原理、相位信号处理方法,回顾了近三十年国内外相关研究进展,并分析了空间引力波探测中外差干涉测量的噪声源作用机制以及相关研究进展。最后,对激光外差干涉多自由度超精密测量技术的发展趋势和前景作了展望。
测量 空间引力波探测 激光外差干涉 多自由度测量 差分波前传感 激光与光电子学进展
2023, 60(3): 0312006
1 中国科学院国家天文台南京天文光学技术研究所,江苏 南京 210042
2 中国科学院天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所),江苏 南京 210042
3 中国科学院大学,北京 100049
四棱锥波前传感器具有能量利用率高和空间采样率高的优点,已成功应用于天文自适应光学、镜面检测及显微成像等领域。提出一种新的无调制四棱锥波前传感器,根据四棱锥波前传感器的光场传播模型,利用相位恢复算法迭代优化出待测波前。入射光经四棱锥锥尖分光后会聚所得的子光瞳像为相位恢复算法提供了丰富的信息,使其收敛速度加快。数值模拟结果表明,基于相位恢复的四棱锥波前传感器具有精度高、收敛速度快、抗噪性好等特点,并且无需调制便能获得较大的动态范围。
传感器 波前传感 四棱锥波前传感器 相位恢复 自适应光学
1 中国科学技术大学精密机械与精密仪器系,安徽 合肥 230026
2 中国科学技术大学国家同步辐射实验室,安徽 合肥 230029
为了支撑高性能光源波前调控与先进实验技术开发,并在工作波长下实现实验室级面形测量,搭建了微焦点X射线光栅干涉仪实验平台。X射线光栅干涉仪是一种具有极高灵敏度的波前传感技术,可定量测量X射线波前畸变。利用相位步进和傅里叶分析方法重建条纹的相位和波前曲率半径分布,进而计算出波前角度和镜面斜率误差分布。傅里叶分析方法的测量结果与长程面形仪具有很好的一致性,两者差值的均方根小于200 nrad。所提技术可用于X射线主动光学波前在线反馈调控,反射、折射、衍射器件误差检测,以及大科学装置X射线光束质量评估等领域。
X射线光学 X射线光栅干涉仪 波前传感 面形测量 光学学报
2022, 42(23): 2334002
红外与激光工程
2021, 50(8): 20200363