期刊基本信息
创刊：
1964年 • 半月刊
名称：
激光与光电子学进展
英文：
Laser & Optoelectronics Progress
主管单位：
中国科学院
主办单位：
中科院上海光机所
出版单位：
中国激光杂志社
主编：
范滇元
执行主编：
邱建荣
副主编：
戴琼海 张龙 张雨东 曹良才
ISSN：
1006-4125
刊号：
CN 31-1690/TN
电话：
021-69918427
邮箱：
地址：
上海市嘉定区清河路390号
邮编：
201800
定价：
120元/期
本期栏目 2021, 58(10)
激光与光电子学进展 第58卷 第10期
光学成像是人们获取信息的最为重要的技术手段之一。“百闻不如一见”,从宇宙的瑰丽场景到细胞内部的蛋白相互作用与构象变化,光学成像技术的进步在不断加深我们对自然、生命的理解,记录我们的喜怒哀乐,并在医学诊断、智能制造、资源普查、环境保护和**安全等领域发挥着关键性的支撑作用。
关联成像是一种基于光场高阶关联获取物体信息的新型主动成像机制,具有高灵敏、抗干扰等特点,在生物医学、遥感成像等领域有广阔的应用前景。关联成像需要多次采样来重构物体图像,成像过程需要一定的时间,在此期间物体和成像系统的相对运动会导致图像质量退化。如何提升对运动物体的成像能力是关联成像走向应用需要解决的关键问题之一。简要回顾了关联成像的基本概念,详细介绍了运动物体关联成像的原理方法、发展历程及研究现状,比较了所述技术所适用的场景并展望了其发展趋势。
单光子成像技术通过对每个光子携带的时空信息进行探测,实现对物体图像的重构。基于超导纳米线的单光子探测器具有高效率、低时间抖动、宽响应波段的优势,非常适合单光子成像场景的需求。超导纳米线延迟线单光子成像器件是一种新型的单光子成像器件,它利用超导纳米线特有的高动态电感构造低速微波传输线,通过对输出电脉冲进行时间逻辑分析,同步读取光子的到达时刻和空间位置。本文将介绍这种成像器件的设计原理、几何结构和读出方式。同时,介绍基于此成像器件在强背景噪声下的单光子成像实验,证明了通过高性能器件和重构算法的联合优化所实现的成像系统性能增强。
基于相干探测的单像素激光成像雷达是一种结合光场的主动调制和光学相干探测、通过无空间分辨能力的单像元探测器便可以获取目标信息的计算成像技术,在高维信息获取和抗背景光干扰方面具有显著优势。本文简述了近年来发展起来的两种新型相干探测单像素激光成像雷达(合成孔径激光成像雷达和激光关联成像雷达)的基本原理和特点,介绍了近期取得的主要研究进展,并对其未来发展趋势进行了展望。
为了描述对前、后选择的量子系统进行弱测量的测量结果,Aharonov、Albert和Vaidman在1988年提出了弱值的概念。可观测量的弱值在取值上可以突破可观测量的最大本征值,甚至可以取复数,为弱值在量子力学基本原理和发展新型量子技术的研究中提供了丰富的物理内涵。本文主要回顾了弱值在量子精密测量和量子层析中应用的进展情况。弱值在量子精密测量中的应用被称为弱值放大,弱值放大可以实现对微小物理量的放大测量,因而在精密测量领域获得了广泛关注。由于信号的放大伴随着后选择成功概率的降低,因此弱值放大技术的测量精度是否优于传统的测量方式一直是一个有争论的话题。本文先回顾了弱值放大和传统测量方式在测量精度方面的比较,阐述了弱值放大方案在特定条件下的精度优势;之后回顾了经过改进的弱值放大技术的最新进展。弱值在量子层析中的应用被称为直接量子层析,“直接”指的是该层析方案能够通过测量复数的弱值实现对量子态波函数概率幅的直接测量。本文还回顾了直接量子层析技术被推广并被应用到各种形式的量子态、量子过程、量子测量表征的理论和实验方案,分析了直接量子层析技术的准确度、精度,并回顾了提高直接层析技术效率的最新进展。最后,本文总结了基于弱值的这两项技术的发展状况,并提出了未来可能的发展方向。
超导纳米线单光子探测器(SNSPD)作为一种新型的单光子探测器,相比于传统半导体或超导单光子探测器,具有高探测效率、低暗计数率、低时间抖动、高计数率和宽谱响应等优势。这使其可以应用于诸多领域,如量子通信、量子光源表征、激光测距、成像雷达等。本文将对SNSPD做一个简单的介绍,并着重介绍SNSPD在成像方面的应用进展,主要包括不同成像原理的介绍以及基于这些原理的SNSPD成像技术的最新研究进展,并对基于SNSPD成像的未来发展趋势进行了展望。
超导纳米线单光子探测器(SNSPD)被认为是一种具有良好综合性能的单光子探测技术,其优异的时间分辨能力使得该器件在量子精密测量和时变天文观测等领域具有广泛的应用。从热周期、电周期和时间抖动三个方面,综述了SNSPD时间分辨率的影响因素、内在的物理机制、内禀极限以及可能的优化方向,并介绍了本课题组最近关于X射线SNSPDs的时间分辨率研究。SNSPDs的研究有助于揭示超导纳米线单光子探测技术内在的物理机制,对其在时间测量相关的实际工程中的应用具有价值。
成像系统 时间分辨率 超导纳米线 单光子探测 时间抖动 传统鬼成像利用两路光的位置-位置或动量-动量关联特性实现。当光束沿单模光纤传输时,这些关联特性是无法保持的,因此传统鬼成像无法通过单模光纤长距离传输实现。在自发非线性参量过程产生的信号光子和闲频光子之间,以及在热光分束后形成的两束光之间存在频率关联特性,这种关联特性可以在光纤传输过程中稳定保持,基于此可以实现长距离光纤传送的时域鬼成像。这些工作拓展了鬼成像的实现方法,为大地理尺度下鬼成像的应用拓展了新思路。本文综述了基于频率关联的长距离光纤传输时域鬼成像的原理和实现方法,介绍了一种时域鬼成像的典型应用——量子安全鬼成像,最后对时域鬼成像的前景进行了展望。
成像系统 量子鬼成像 热光鬼成像 频率关联 光纤传输 X射线及粒子成像技术是探索物质内部结构的有力工具,对于物理学、材料学、生命科学等多领域的发展具有重要的推动作用。关联成像不同于传统成像,是利用光场的高阶关联特性来获取物体信息,具有独特的优越性,在可见光成像领域取得了大量成果。近年来,随着关联成像技术的发展,X射线及粒子关联成像已成为新的前沿热点。介绍了基于热光源、赝热光源以及纠缠光源的X射线关联成像技术,以及关联成像技术在原子、中子、电子等粒子成像领域取得的研究进展,并对X射线及粒子关联成像技术未来的发展进行了展望,探讨了X射线及粒子关联成像技术在实现应用中需要解决的一些问题。
成像系统 关联成像 X射线成像 中子成像 InP/InGaAs 单光子探测器经过近40年的发展,其主要性能指标探测效率达到了60%,暗计数率在20 kHz以内(-20 ℃温度下),时间抖动、后脉冲以及光子计数率也在进一步提高,目前已经获得百ps以内的时间抖动,后脉冲概率1%~5%,光子计数率达到GHz。进一步的性能提升需要考虑具有更小离化系数比和过剩噪声的材料系统,以及具有多增益放大并能对雪崩增益进行控制和调节的器件,在减小后脉冲的同时维持一定的器件增益;波长进一步扩展,以提供更多的波长选择;芯片内部集成自淬灭以简化电路,同时实现自由运行单光子探测,并易于集成到盖革模式单光子焦平面阵列。本文对常规SAGCM(分离吸收、缓变、电荷层、倍增结构)的InP/InGaAs单光子探测器的最新发展,以及基于该技术发展的新器件技术进行了报道和介绍。
探测器 单光子探测器 InP基雪崩光电二极管 短波红外 阵列 不同于传统的像素阵列化相机,单像素成像,作为一种新型的计算成像技术,通过使用不具有空间分辨能力的桶探测器,探测出被目标物体反射或透射的光强度,并将该强度与经过掩模图案调制的具有特定空间分布的结构光强度作关联运算,最终重构出清晰的物体图像。相比多像素化相机,单像素成像具有成本廉价、可在特殊波段成像等优点,在科研界引起了广泛的关注。本文分析了不同采样方式下单像素成像的信噪比大小,阐述了单像素成像在特殊波段成像以及原子、中子成像的实验研究。最后针对单像素成像在成像时间上的劣势,讨论了超快成像,超快成像有望克服成像时间长的难题。
成像系统 单像素成像 特殊波段成像 信噪比 超快成像 Correlation holography uses incoherent light to reconstruct holograms. This technique reconstructs objects as distributions of two-point coherence function rather than using optical fields, as in conventional holography. The basic principle of correlation holography is derived from the van Cittert--Zernike theorem and relies on the similarity between the optical field and the coherence functions. Experimental implementation of the correlation holography techniques requires a field or intensity interferometer, and fringe analysis and cross-covariance measurement in these interferometers require a conventional camera with array detectors. With the availability of digitally controlled diffractive elements, it is possible to replace the incoherent light source, such as a rotating ground glass, with a digital source loaded with the random patterns in sequence. Such strategies ease the burden on the detector and allow for correlation holography with a single-pixel detector (SPD) to be used. This review paper discusses a close connection between digital holography and correlation holography. The principles of correlation holography with the SPD are reviewed in detail, and the advantages of using digital sources to mimic incoherent illumination in the correlation holography are examined in the context of three-dimensional and complex field imaging.
imaging systems correlation holography single-pixel detector digital holography coherence optics phase recovery 超分辨荧光显微技术一直是研究热点,各种超分辨荧光成像技术的出现打破了光学衍射极限,将空间分辨率提高到纳米尺度。但随着时间、空间分辨率要求的不断提高,目前超分辨荧光显微技术仍然面临着空间分辨率、时间分辨率和视场存在三角制约关系及探测灵敏度较低的问题。随着近年来基于量子关联的新型成像机制的发展,基于荧光量子特性与量子关联成像的超分辨荧光显微镜应运而生,新成像模式及新物理量的引入不仅增加了信息量也提高了图像信息获取的效率,为超分辨荧光显微技术的研究提供了新思路。介绍了目前超分辨荧光显微镜的技术原理、优缺点与面临的主要技术问题,以及基于量子关联的新型超分辨荧光显微镜,并探讨了未来超分辨荧光显微镜的发展方向,以期为该领域的科学研究提供参考。
成像系统 荧光显微镜 超分辨显微镜 量子关联 探测灵敏度 时间分辨率 单像素成像借助多次掩模调制和单像素测量值计算获得目标物体的多维光场信息,其降维亚采样、高灵敏探测、谱型适应性等特点为非可视波段成像、极弱光探测、激光雷达等领域带来了福音。当面向动态场景时,单运动帧内多次单像素测量与物体的运动之间存在矛盾,引发图像模糊和噪声问题。针对上述问题,介绍了单像素成像的数学模型及其成像机理,综述了动态单像素成像的发展历程及应用现状,尤其是研究人员在提高成像帧频、改进成像方案或者成像机理方面取得的长足进展;讨论了动态单像素成像目前存在的问题,思考和展望了未来的发展趋势,以期为该领域进一步的科学研究提供有益参考。
成像系统 计算成像 图像检测系统 成像理论 图像重建技术 随着光学信息处理技术的发展,图像边缘检测技术在光学高对比度成像、自动驾驶、人脸识别、天文观测等领域得到了广泛的应用。光学边缘检测主要是借助4-f空间滤波成像系统,通过在傅里叶平面上加载滤波器来修改图像的频谱信息,进而实现物体边缘轮廓的提取。介绍了几种不同光学图像边缘检测方式,进行了简要的理论分析,并总结了国内外的相关研究进展。
模拟光学图像处理 空间滤波 边缘检测 模式识别 对于一个非相干成像系统,可以将两个非相干点光源的空间分辨能力当作分辨率的标准。除了直接成像外,还可以对像平面上的光场进行其他探测,然后从测量结果中对光源的信息进行统计推断。统计推断的误差极限是由测量结果中的随机性决定的,不同测量方案产生的随机性程度也不同。通过考虑像平面的光场的量子态,使用量子检测和估计理论,可以获得两个关于非相干点光源分辨率的量子极限和最优化测量方案。最近的研究发现,横向空间模式分解复用等方法可以很大程度地改进亚瑞利区域内的两个非相干点光源的分辨率,超越直接成像方法下的经典分辨率极限。本综述介绍了基于量子检测和估计理论的非相干超分辨成像的研究和进展。
成像系统 超分辨 空间分辨 量子探测器 光子统计 压缩感知成像可突破Nyquist采样定理限制实现亚采样成像,同时还具备降维探测和高通量采集的优势。介绍压缩感知理论在单光子成像和成像光谱方面的研究进展,详细分析压缩感知单光子成像光谱技术。讨论压缩感知时间分辨成像中堆积效应的影响和去除方法,并对压缩感知在单光子时间分辨成像光谱领域的应用进行概述。
成像系统 计算成像 压缩感知 单光子 成像光谱 时间分辨 风导致的信道气流是影响关联成像的重要因素,因此,对信道气流干扰下的关联成像研究进行了总结。首先,给出了近场气流影响的相位模型,并从光传输和关联成像两个角度进行了可靠性验证;然后,将该模型扩展到高风速区域,得到超声速气流下风速和边界层厚度对关联成像的影响规律,定量分析了成像质量的变化情况;最后,针对实际成像过程中的探测抖动问题,介绍了基于关联成像时间特性的抑制方法以及小样本成像算法。本研究结果不仅可以评估信道气流对关联成像的影响,还为关联成像在机载遥感等领域的应用提供了重要的参考价值。
量子光学 量子信息与处理 湍流 图像恢复技术 近场气流 关联成像 单像素成像的图像复原依赖于单像素接收信号和调制光源的关联,包括计算鬼成像和压缩感知成像两种方案。其中,计算鬼成像利用光源和单像素信号之间的高阶强度关联函数复原图像,而压缩感知成像采用优化压缩感知算法复原图像。单像素成像实验采用的光源种类繁多,既包括热光、X射线、电子、中子、单光子源等物理光源,也包括由空间光调制器和数字微镜等系统调制的人工光源。这些光源遵从不同的统计概率分布,照明物体的光场强度可看作统计独立的连续或离散随机变量,也被称为参考信号。单像素信号是所有参考信号的线性组合,根据光源的统计性质确定了参考信号与单像素信号之间的联合统计概率分布。此外,还研究了参考信号概率分布函数对关联鬼成像图像质量的影响,为单像素成像提供了物理和统计理论基础。
图像处理 单像素成像 鬼成像 密度分布函数 可见度 信噪比 获得散射介质中清晰的物体图像在**反恐、医学成像和海洋探测等方面都具有重要的应用价值。经典光学成像的本质是直接记录物体反射光强的一阶关联成像,但随着散射介质质量浓度和光传输距离的增加,图像质量会迅速下降,甚至无法成像。关联成像技术利用光场涨落的统计性质,通过符合测量以及二阶强度关联特性重构图像,可减小环境对成像质量的影响,为获得散射介质中的物体图像提供了一种新的成像手段。因此,从不同散射介质、不同路径和不同补偿重构算法三方面阐述了近年来散射介质中强度关联成像的国内外研究成果,并对强度关联成像的应用进行了总结与展望。
成像系统 关联成像 鬼成像 散射介质 补偿重构算法 随着工业的不断发展,单光子激光测距凭借其探测距离远和探测灵敏度高等特点在测绘领域扮演着不可或缺的角色。本文介绍了单光子激光测距的关键技术、单光子探测器以及着重介绍了单光子激光测距技术应用领域的研究进展,并对未来单光子激光测距的发展进行了总结和展望。
成像系统 单光子测距 单光子探测器 时间相关光子计数技术 飞行时间法 雪崩二极管 单像素成像作为一种新型成像技术,因具有探测器成本低、成像范围广等特点在遥感成像、高光谱成像、激光雷达探测等领域具有广泛的应用前景。由于单像素成像具有独特的成像机制和框架,通常需要设计专门的图像处理算法。本综述根据单像素成像的发展历程,详细介绍了单像素成像在图像分类、运动物体成像、盲重建、图像加密和隐藏、边缘检测、照明图案优化、低采样率图像质量提升等方面的研究进展,并对单像素成像相关图像处理算法的未来方向进行了简要讨论。
成像系统 单像素成像 鬼成像 图像处理算法 分类与识别 加密与隐藏 深度学习 为实现超导纳米线单光子探测器(SNSPD)快速、稳定的封装,提出将光纤和器件光敏面快速耦合的自对准封装方式。首先通过半导体微纳米加工工艺制备了基于介质反射镜结构的SNSPD器件,再利用双面套刻和深硅刻蚀技术制备出特定的SNSPD器件形状。然后设计了以光纤套管、PCB板、陶瓷插芯等为主体的封装结构并实现了SNSPD芯片与光纤陶瓷插芯的快速对准及封装,最后在2.2 K的低温下表征了自对准SNSPD的性能。本批次器件最优的结果是在1550 nm达到93.7%的探测效率。通过重复性实验验证了自对准SNSPD的稳定性。实验结果表明,在反复升降温的情况下,器件效率值波动标准差在±0.60%以内。在反复插拔光纤的情况下,波动标准差为±1.80%,最大为3.24%。说明了制备的自对准SNSPD具有良好的稳定性,该封装方式有望为未来SNSPD封装模式提供参考,并为其集成化和商业化提供前期探索可能。
成像系统 单光子探测器 超导 自对准 稳定性 介绍一种日盲紫外单光子成像系统。系统采用Geiger模式的硅基雪崩光电二极管(Si APD)的单光子探测器,结合时间相关单光子符合计数技术,实现了0~400 m距离的激光三维成像,成像精度达到22 mm。实验采用266 nm波长激光脉冲(处于日盲紫外波段),由于大气层的吸收作用,在地表几乎不存在该波段的噪声,大幅提高了单光子成像系统的抗背景光噪声的能力。该成像系统可在晴朗的白天运行,实现了全天时中远距离单光子成像。
成像系统 日盲紫外 光子计数 三维成像 激光雷达 基于单光子雪崩二极管(SPAD)阵列探测器的三维成像技术在工业和科学领域具有重要的应用前景。然而现有的SPAD阵列器件仍存在小阵列规模和低像素填充率所导致的低空间分辨率问题,为此基于SPAD阵列(32 pixel×32 pixel)和衍射光学元件(DOE)搭建收发共光路扫描三维成像实验系统。利用DOE将出射激光整形为激光点阵并与接收视场匹配可以提升激光能量利用效率,通过共光路扫描可以实现高分辨三维成像。利用基于滑动时间窗的噪声光子滤除算法和基于全变分正则化的图像重构算法对回波光子数据进行处理。实验结果表明,图像重构算法可以获取10 m外目标64 pixel×64 pixel的三维图像,且在平均每像素0.86个信号光子的条件下实现清晰成像,成像结果的平均绝对误差为0.016 m。
成像系统 三维成像 光子计数 飞行时间 共光路扫描 正则化方法 图像的低质量一直是制约计算鬼成像(CGI)技术应用的重要问题,因此,针对CGI系统的彩色发光二极管(LED)阵列设计了一种特殊的RGB(Red,Green,Blue)排列方式。首先,自主开发了一个64×64的彩色LED阵列为CGI系统提供结构照明;然后,将LED阵列上的芯片按设计的篮织排列方式进行排列;最后,考虑到彩色LED阵列的物理结构,提出了一种针对采样图像的插值算法。实验结果表明,相比笛卡儿采样方式,篮织采样方式的均方根误差(RMSE)降低了4.6%,在存储彩色图像高频信息方面的性能更好。相比双线性插值算法和双三次插值算法,本算法的平均RMSE分别降低了2.0%和6.4%。
图像处理 计算鬼成像 篮织排列 笛卡儿排列 插值算法 为实现远距离、高灵敏的三维成像,开展了光子计数计算鬼成像研究。通过振幅型空间光调制器,实现了基于离散余弦变换矩阵和Walsh变换矩阵作为测量基的结构光照明,采用单光子探测技术实现了700 m距离、高灵敏的三维成像。对比研究了快速傅里叶变换算法和迭代优化算法的重建结果。研究表明,相同采样率时,离散余弦测量基作为观测矩阵时重建图像的误差比Walsh观测矩阵小,但Walsh观测矩阵重建图像的分辨率更高。计算鬼成像分辨率理论上不受接收镜头衍射极限限制,但实际受接收镜头集光效率、单光子探测器计数率、积分时间等影响,本文搭建的实验系统实现了成像分辨率达到接收镜头瑞利衍射极限分辨率2倍的成像结果。光子计数计算鬼成像无需转台或扫描镜等移动部件,具有弱光条件下凝视远距离目标并进行三维成像的能力。研究方法对基于光子计数的单像素成像技术和计算鬼成像技术研究具有一定参考价值。
成像系统 光子计数 计算鬼成像 单像素成像 单光子 为了消除空间频域(SFD)成像中形貌对组织体光学特性提取精度的影响,提出了一种基于目标形貌测量的SFD成像校正方法。该方法采用相位轮廓技术获取目标的三维形貌,并对获取的SFD漫反射图像进行频率与光强校正。其中,频率校正采用基于多频查表的光学特性插值方法,入射和反射光强的校正则基于光照度定律和Minnaert模型。用基于高灵敏度锁相光子计数检测技术的单像素SFD成像系统进行实验,并用二维离散余弦变换模式的单像素成像方法获取低采样率下的目标形貌与多波长光学特性拓扑图像。实验结果表明,目标体表面形貌高度在每个像素点的误差不超过1 mm,校正后重建的吸收系数和约化散射系数分别降低了51.1个百分点和6.7个百分点。
成像系统 空间频率成像 单像素成像 形貌测量 光强及频率校正 通过对单载波信号和热噪声信号的单微波量子探测研究,验证了基于微波光学上转换的单微波量子探测器对弱微波信号的响应能力。基于量子光学理论,开展了微波信号二阶相干度特性的实验研究,实验证明了微波波段的单载波信号和热噪声的二阶量子相干度具有与光学波段的相干光源和热光源相同的量子特性。
成像系统 微波量子 单微波量子探测 微波信号二阶量子相干度 理论证明探测光路经散射介质的散射与吸收对计算关联成像造成的影响可以近似等效为乘性噪声而被消除,使用蒙特卡罗方法建立烟幕介质的点光源脉冲响应函数模型,分析了不同状态的烟幕对成像的影响,讨论了穿透烟幕成像的可行性。结果表明,当固有噪声Ni=0时,可忽略散射介质对成像结果的影响。最后,总结了计算关联成像技术穿透烟幕成像性能的适用范围,这为计算关联成像应用提供了一定的参考。
成像系统 计算关联成像 烟幕 散射 蒙特卡罗 脉冲响应 很多时候人们希望能够获取一些被完全遮挡的待测物体的空间信息,但传统的成像方式不能很好地恢复被遮挡的待测物体的空间信息。鬼成像技术作为一种新型的计算成像技术,可用于恢复被遮挡物体的信息。基于前人的理论研究,设计实验方案并进行了实验研究,并对实验结果进行分析,从实验上验证了利用鬼成像技术恢复被遮挡物体信息的可行性,证实了待测物体与遮挡物体之间的距离是影响恢复被遮挡物体信息的重要因素。
成像系统 鬼成像 被遮挡物体 信息恢复 