红外与激光工程
2023, 52(2): 20220318
1 中国科学院上海光学精密机械研究所 量子光学重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京 100049
透过散射介质的光学成像是人们长期追求但一直未能真正解决的问题。研究人员提出并发展了各种各样的方法和技术，从最早只利用弹道光的时间门和空间门技术，到后来利用了散射光的波前整形、散射矩阵测量和散斑自相关成像，再到近年热门的深度学习方法。尽管这些方法和技术都经过了毛玻璃、氧化锌薄膜、生物组织切片等薄散射介质的原理性验证，但随着介质厚度增加，所有方法和技术都迅速失效。厚度一直是难以克服的瓶颈。这篇评论归纳对比了散射成像的主要方法和技术，重新审视了经过散射介质波前被完全随机化等主流观点，分析了现有方法和技术无法透过厚散射介质成像的原因，并提出了未来有望真正解决问题的研究方向。
透过散射介质成像 弹道光 散射光 波前整形 散斑自相关成像 深度学习 imaging through scattering media ballistic photons scattered photons wavefront shaping speckle autocorrelation imaging deep learning 红外与激光工程
2022, 51(8): 20220261
1 中国科学院上海光学精密机械研究所 量子光学重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院大学 杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
利用相位恢复算法可以从光纤近端的光强分布求解光纤远端的场强分布。光纤的响应可以用传输矩阵描述。实验上则是在不同的输入情况下对输出端的光强分布进行足够数量的采样来测量传输矩阵。显然，采样点的位置分布，包括采样点数目和间隔，影响着传输矩阵的测量，而相位恢复算法的精度和效率与传输矩阵有关。文中提出采样间隔应该大于出射散斑大小，以满足传输矩阵不同行的统计独立性，在保证图像重建质量的条件下减少采样点数，提高重建效率。实验结果表明，当采样间隔小于散斑大小时，相同的图像重建质量下，随着采样间隔的增大，光场重建所需的采样点数量明显下降。当采样间隔大于散斑时，所需的采样点数量变化缓慢，约为输入图像像素数量的3.5倍。采样间隔固定时，随着采样点数的增加，相位恢复算法消耗的时间先减小后增大，因此存在一个最佳的采样间隔与采样点数。
散射介质成像 多模光纤 相位恢复 scattering medium imaging multimode fiber phase retrieval 红外与激光工程
2022, 51(8): 20220072
中国计量大学 光学与电子科技学院，浙江 杭州 310000
针对单像素成像重构中的散射介质影响而导致重构图像无法达到最佳效果的问题，研究了有无散射介质的情况下，关联算法和压缩感知算法的图像重构适用性。分析了散射介质在成像光路造成的调制信息空间结构变化和在探测光路造成的信号损耗对成像的影响，建立了近红外单像素成像系统，使用CGI算法和TVAL3算法实现了穿透生物组织散射介质的单像素成像实验。实验发现，在无散射介质时，TVAL3算法的重构时间、峰值信噪比和相似度等均优于CGI算法；而在有散射介质时，CGI算法的三项数值中有两项优于TVAL3算法，其最大重构时间（0.304091 s）小于TVAL3算法最小时间（1.766299 s），其最小峰值信噪比（9.9831 dB）高于TVAL3算法的最大值（9.170456 dB），其相似度（0.0982、0.1178）则位于TVAL3算法的范围内（0.099258~0.497622）。结果表明，基于关联成像理论的CGI算法较适合散射介质成像，基于压缩感知理论的TVAL3算法更适合无散射介质成像。
单像素成像 散射介质成像 压缩感知 关联算法 single-pixel imaging scattering medium imaging compressed sensing correlation algorithm 红外与激光工程
2022, 51(3): 20210722
南京理工大学电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
由于散射介质的强散射作用,传统光学成像系统无法对散射介质后的物体进行成像与运动追踪。针对这一问题,提出了一种透过散射介质对运动物体进行追踪与重建的方法。基于散射介质的光学记忆效应理论,通过先验信息解算散射成像系统的点扩展函数,利用点扩展函数的轴向缩放关系确定轴向位移,利用重建物体的互相关确定横向偏移。基于此方法搭建的实验系统也很好地实现了散射介质后物体的快速重建与运动追踪。所提方法仅需采集移位物体的连续散斑图像即可追踪物体位移,无需特定装置且效果优异,有利于透过散射介质成像在生物医学领域的应用。
成像系统 透过散射介质成像 运动目标追踪 反卷积 点扩展函数 光学学报
2020, 40(12): 1211001
1 山东理工大学物理与光电工程学院, 山东 淄博 255000
2 陕西师范大学物理学与信息技术学院, 陕西 西安 710119
偏振光学去雾技术具有细节恢复好、颜色还原度高的优点。为了进一步提高偏振光学去雾技术的去雾能力,提出了一种新型偏振光学去雾技术,该技术利用离散余弦变换构建图像金字塔,再构建图像拉普拉斯金字塔,利用传统偏振光学去雾技术对图像拉普拉斯金字塔的每一级进行去雾处理,使用去雾后的拉普拉斯金字塔重建得到去雾后图像。实验结果表明,与传统偏振光学去雾技术相比,该技术可以得到相当或更好的去雾效果,表现出良好的图像去雾能力,对于偏振光学去雾技术的进一步优化具有一定意义。
成像系统 偏振成像 图像增强 散射介质成像 拉普拉斯金字塔 激光与光电子学进展
2020, 57(6): 061102
西安电子科技大学物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071
计算成像技术(CIT)是一类有别于传统光学成像“所见即所得”的信息获取和处理方式的新体制成像方式。随着新型光电器件的发展和硬件计算能力的提升,计算成像技术在光电成像领域呈现出蓬勃发展的趋势。计算成像技术通过对光场信息进行采集和计算,达到传统成像无法企及的信息利用率和解译度,满足“更高(分辨率)、更远(探测距离)、更大(光学视场)”的光电成像需求。从成像全链路的信息获取与丢失过程出发,通过透过散射介质成像、偏振成像及仿生成像等几种典型的计算成像方式对光场多物理量信息获取和解译进行分析,详细介绍了计算成像技术的方法原理及实现途径。根据成像技术的发展趋势,前瞻性地提出了计算光学系统设计和超大口径望远镜的设计思想。计算成像技术在提高成像分辨率、扩大探测距离、增大成像视场及减小光学系统体积和功耗等方面具有明显的优势,有望穿透云雾、活体生物组织等实现更远距离、更大深度的成像,应用前景广阔。
计算成像 透过散射介质成像 偏振成像 仿生光学 激光与光电子学进展
2020, 57(2): 020001
1 中山大学物理学院, 广东 广州 510275
2 汕头大学理学院物理系, 广东 汕头 515063
散射光学成像恢复是光学成像领域最重要的研究课题之一。科学家已经提出各种技术实现不同散射环境下的成像恢复。其中,散斑相关性的解卷积技术具有成像质量高、恢复速度快和易于集成等优点。简要综述了散斑相关成像的进展,从光学记忆效应和解卷积原理出发,介绍点扩展函数新物理特性及其在成像恢复中的应用,总结点扩展函数的间接获取方法,最后提出光场全要素(plenoptics)的概念。光场的全要素探索有望在更复杂散射环境中提供更全面的信息,使散射光学成像技术在生物、医疗、海洋、**和日常生活等场景中更具应用前景。
成像系统 散斑相关成像 散射介质成像 散射
天津大学 精密仪器与光电子工程学院 光电信息技术教育部重点实验室, 天津 300072
在水下环境中, 悬浮的散射颗粒对光场的散射和吸收作用导致成像清晰度显著下降。基于偏振成像的水下图像复原技术是实现水下清晰成像的有效方法之一。该技术利用散射光的偏振特性, 分离场景光和散射光, 估计散射光强和透射系数, 实现成像清晰化。近年来, 偏振成像技术已广泛、高效地应用于水下图像复原和水下目标识别等诸多领域。水下偏振图像复原技术作为光学成像技术和图像处理技术的交叉领域, 引起了广泛的关注并取得了大量优秀的研究成果。文中主要介绍了基于偏振成像的水下复原技术的基本原理、偏振信息处理方法和最新发展现状, 综述了近年来偏振水下图像复原技术代表性的改进型方法。
偏振成像 水下图像复原 散射介质成像 polarimetric imaging underwater image restoration imaging in scattering media 红外与激光工程
2019, 48(6): 0603006
