贵州民族大学 物理与机电工程学院，贵州 贵阳 550025
利用基于光学记忆效应的单帧散斑自相关方法，研究了光透过随机散射介质的快速成像。短的相机曝光时间内的高质量快速成像需要尽可能消除影响成像质量的因素。通过引入旋转散射片来消除光束的空间相干性，避免相干噪声对成像质量的影响。光斑对比度可衡量光束的空间相干性被消除的效果，影响光斑对比度数值的主要因素有三个：旋转散射片介质颗粒度即目数、转速、相机曝光时间。实验分析了220目数和600目数两种旋转散射片和不同转速、相机不同曝光时间的情况。结果表明，转速提高和相机曝光时间的增加均使得光斑对比度下降并提升散斑相关成像质量，相机曝光时间超过一定值后，光斑对比度和成像相关系数随散射片转速和曝光时间的变化相对较小。因此对于相机曝光时间短的单帧散斑快速成像，选择最合适的散射片转速对高质量成像非常重要。通过优化算法来提升成像质量。根据对光学传递函数约束的迭代算法，无需利用目标的先验信息即可恢复系统的点扩展函数，该点扩展函数适用于不同形状、不同大小的目标，结合单帧散斑自相关算法可实现快速成像，与仅使用单帧散斑自相关算法的情况相比成像质量显著提升。
散射成像 快速成像 点扩展函数 相位恢复算法 旋转漫射器 scattering imaging rapid imaging point spread function phase retrieval algorithm rotating diffuser 红外与激光工程
2023, 52(12): 20230345
南方科技大学生物医学工程系，广东 深圳 518055
单分子定位显微成像广泛应用于亚细胞结构的三维空间解析。传统的单分子定位分析方法依赖于点扩展函数(PSF)模型拟合，制约了一些较为复杂的PSF模型的应用。深度学习的出现正在逐渐改变单分子定位的分析方法，有望用来分析复杂的PSF模型，并能提供新的方向和思路。介绍了深度学习在单分子定位、稀疏图像重建、PSF设计和高内涵信息提取等方面的应用，并介绍了目前主流的数据模拟方法。最后对深度学习在单分子定位显微成像领域内的发展方向进行了展望。
显微 单分子定位显微镜 深度学习 超分辨 点扩展函数 中国激光
2022, 49(24): 2407206
1 西安电子科技大学空间科学与技术学院，陕西 西安 710126
2 超限探测陕西省重点实验室，陕西 西安 710071
光学合成孔径是实现高角分辨率成像的一种可行的方法。由于存在多个孔径，振动所产生的孔径面共相误差会影响成像质量。基于现有光学合成孔径成像原理，通过对平移误差和倾斜误差进行耦合建模，设计了一套光学合成孔径结构下的振动对点扩展函数（PSF）的影响模型。提出时间累积斯特列尔比（TISR），相较于传统评价指标，TISR用于分析在时间累积效应下耦合共相误差对PSF的影响。分析结果表明：在振动的持续作用下，PSF成像性能会大幅衰退，时间累积效应下的TISR曲线呈现出明显的周期性波动，最终随着时间的推移而逐渐收敛。
成像系统 光学合成孔径 点扩展函数 振动 斯特列尔比 光学学报
2022, 42(22): 2211001
1 深圳大学物理与光电工程学院，光电子器件与系统教育部/广东省重点实验室，广东 深圳 518060
2 深圳大学化学与环境工程学院，广东 深圳 518060
为了进一步提高成像速度和分辨率，提出了基于双螺旋点扩展函数（DH-PSF）工程的多焦点双光子激光扫描显微成像方法和系统（DH-MTPLSM）。在激发光路中，通过高速相位型空间光调制器（SLM）同时实现了三维多焦点阵列的产生和在样品面上的高精度并行数字寻址扫描；在探测光路中，通过双螺旋相位片将系统探测PSF调制为DH-PSF，从而提供样品的轴向信息，减少轴向扫描层数，进而提高三维成像速度；结合基于DH-PSF的数字重聚焦算法，恢复出不同深度样本的宽场图像，通过单次二维扫描获得样品的三维光切片信息。在此基础上，利用搭建的DH-MTPLSM系统开展了小鼠肾组织切片的双光子成像实验，验证了该方法的快速三维高分辨成像能力，这对于MTPLSM的发展具有重要的意义。
成像系统 荧光显微 多焦点双光子激光扫描显微 双螺旋点扩展函数 数字重聚焦 空间光调制器 光学学报
2022, 42(14): 1411001
1 中国科学院光电技术研究所，四川 成都 610209
2 中国科学院大学，北京 100039
3 成都中科卓尔精密仪器有限公司，四川 成都 610299
传统衍射光学元件（DOE）在宽波段工作时存在的严重色散限制了它在宽波段成像中的应用。提出一种基于编码优化的消色差衍射透镜设计，对整个衍射透镜的微结构高度进行编码后，利用粒子群优化算法进行优化，以平衡各个波长在特定焦距下的聚焦作用，使各波长的点扩展函数（PSF）变得几乎相同，实现400~700 nm连续可见光波段中消色差的目的。对传统DOE、分区方式消色差DOE和所提出的编码优化消色差DOE进行仿真验证和成像测试。结果表明，相较于其他两种DOE，编码优化DOE在各波长下的PSF更一致，可见光下截止频率提高至8.6 lp/mm。相较于传统DOE和分区消色差DOE，所提出的编码优化DOE在可见光下具有更好的消色差能力和更高的分辨率。
衍射 衍射透镜 消色差 点扩展函数 粒子群优化 光学学报
2022, 42(13): 1305001
长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
聚焦评价是根据离焦序列图像搜索并获得最优像点位置的数值分析方法,其分辨力直接决定三维聚焦形貌恢复技术的重建精度。以空域拉普拉斯算子与频域离散余弦变换为基础,提出一种联合二者聚焦评价结果的高分辨力聚焦评价方法。首先,使用离散余弦变换算子对图像进行聚焦评价,将拉普拉斯算子聚焦评价值对称变换的结果作为权重因子;然后,使用权重因子对离散余弦变换评价值进行修正,以增强对图像聚焦特征的响应,抑制对图像离焦特征的响应;再次,通过分析离焦光学系统,采用计算离焦点扩展函数的方法生成离焦序列图像,仿真验证了该方法的有效性;最后,使用不同成像镜头及成像目标,搭建了不同离焦场景的实验平台,利用所提聚焦方法及传统的5种典型方法对采集到的离焦序列图像进行了聚焦对比分析。结果表明:所提聚焦评价方法在小离焦和大离焦图像中均能表现出优良的评价结果,且峰值灵敏度和陡峭度均明显得到提高。所提方法具有更优的聚焦评价分辨力及响应灵敏度,可有效提高三维聚焦形貌恢复精度。
图像处理 聚焦评价 余弦变换 拉普拉斯变换 点扩展函数 激光与光电子学进展
2021, 58(24): 2410005
1 北京空间机电研究所, 北京 100094
2 西安电子科技大学物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071
高分辨率大视场成像使得航天遥感可以在更广阔的范围内进行更精细的感知,提出一种基于计算成像基本原理的大视场次优计算成像设计方法。该方法将成像过程分为硬件成像和软件复原两方面,软硬件结合的设计方法可以充分结合二者优势,降低了硬件设计难度,提升了系统成像综合性能。在光学系统硬件设计方面,提出次优光学设计方法,不再将设计自由度资源单一应用在小视场范围内,而是在更大视场范围内寻求一致性的次优点扩展函数,结合图像复原方法,扩大有限设计自由度条件下的成像视场。采用次优方法设计离轴三反光学系统,设计视场可以提高到5°,相比于常规设计方法,视场提高1倍以上;结合基于深度学习的非线性图像复原方法,对于同类目标,结构相似度达到85%以上,对于不同类型目标,结构相似度可达80%以上,有效实现高分辨率大视场成像系统设计,为航天遥感广域精细观察提供了新方法。
成像系统 计算成像 高分辨率 大视场 点扩展函数一致性 激光与光电子学进展
2021, 58(18): 1811025
1 浙江工业大学信息工程学院, 浙江 杭州 310023
2 中国计量大学信息工程学院, 浙江 杭州 310018
由于点扩展函数(Point Spread Function, PSF)模型与实际模糊核不匹配,现有遥感图像的复原效果较差。针对该问题,提出一种基于洛伦兹拟合点扩展函数的图像复原方法,对估计的遥感图像PSF进行充分拟合以提高复原精度。首先,考虑现有模型与实际退化过程的匹配误差,将模糊核建模为基本二维模式的线性组合,采用洛伦兹函数作为基函数对实际退化所造成的模糊效应进行建模。然后,选取具有刃边特征的地物目标估计遥感成像系统的退化函数,同时采用所建立的数学模型对估计的PSF进行拟合校正,将拟合校正后的PSF应用于遥感图像恢复,减少了成像系统退化模糊的干扰。最后,利用校正后的PSF,结合Richardson-Lucy算法复原原理,提出一种遥感图像的复原方法。实验结果表明,所提方法相比于现有基于其他PSF模型的遥感图像复原方法,图像复原效果得到显著提高。
遥感 点扩展函数 刃边法 模糊核 图像复原 光学学报
2021, 41(16): 1628003
1 中国科学院光电技术研究所薄膜光学相机总体室, 四川 成都 610209
2 中国科学院大学, 北京 100049
针对传统衍射透镜工作在宽波段时色散严重、像质不佳的问题,提出一种基于RGB三波段的单片式分区消色差衍射透镜的设计方法。采用标量衍射理论对等宽度和等面积两种分区方式进行仿真分析,并在点扩展函数和衍射效率等方面与传统衍射透镜进行对比和分析。分析结果显示,分区消色差衍射透镜在RGB三波段工作时,三个波长衍射效率的标准偏差由传统衍射透镜的0.6607下降到0.1519和0.0592,同时保持良好的成像效果。最后,考虑到实际加工情况,分别仿真了不同分区方式下微结构量化为八台阶所对应的光学性能参数。结果表明,所设计方法可以使得工作在RGB三波段的衍射透镜具备良好的消色差性能,具有一定的实用性和普适性。
衍射 衍射透镜 消色差 点扩展函数 衍射效率 光学学报
2021, 41(11): 1105001
天津大学微纳制造工程技术中心精密测试技术及仪器国家重点实验室, 天津 300072
光学自由曲面的波前像差复杂多样且非对称,当波前像差的峰谷值满足要求时,对应的光学调制传递函数未必满足要求。因此,必须获得主要的光学性能参数进行评价,但目前没有专门的软件可实现光学性能参数之间的相互转化。基于傅里叶光学与相位重构理论,建立了光学性能基本指标评价体系。通过测量单一光学性能参数实现光学性能的多参数评价,降低了测量成本,提高了测量效率,并通过仿真与实验验证了该体系的正确性。研究结果可为自由曲面成像光学系统的面形误差补偿及光学质量可控制造提供理论指导。
傅里叶光学 光学性能 波前像差 点扩展函数 调制传递函数 光学学报
2020, 40(24): 2412002
