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
激光与光电子学进展 第58卷 第18期
计算成像技术是一种多学科前沿交叉的新型成像技术:它集光学、数学和信息技术于一体,以信息传递为准则,注重全链路一体化全局优化设计,在成像链路中通过引入主动、被动信息编码,实现信道扩容,提高信息维度,提升成像信息获取及解译能力。
为了克服光电成像系统中广域和高分辨率相互制约的问题,想要在获得更大成像视场范围的同时获取更多的细节信息,广域高分辨率计算光学成像技术应运而生。截至目前,计算光学成像系统已有大量研究成果,且在多个领域中被广泛应用。对国内外相关的广域高分辨率计算光学成像系统中的单镜扫描系统、多探测器拼接系统、多尺度成像系统及多镜头拼接系统进行了系统阐述,分析总结了优缺点,并对广域高分辨率计算光学成像系统的未来发展做了展望。
散射介质广泛存在于自然界中,透过散射介质成像在医学、自动驾驶、****等领域具有重要的科学意义和应用价值。简要综述了散射成像技术的发展,从弹道光和散射光的角度出发分析介质的散射特性,将现有散射成像技术分为利用散射光和分离散射光两大类,同时总结出散射介质空域特性分析和散射传输过程建模两种利用散射光的方法,并介绍了弹道光和散射光在空域或时域上存在的可分离性。从光照方式、成像装置复杂度、先验信息依赖度、适用散射介质类型及强弱和视场范围等方面分析比较了各类散射成像技术,并展望了其发展趋势。
光场的相干性是定量衡量其产生显著的干涉现象所具备的重要物理属性。尽管高时空相干性的激光已成为传统干涉计量与全息成像等领域不可或缺的重要工具,但在众多新兴的计算成像领域(如计算摄像、计算显微成像),降低光源的相干性,即部分相干光源在获得高信噪比、高分辨率的图像信息方面具有独特优越性。因此,部分相干光场的“表征”与“重建”两方面问题的重要性日益凸显,亟需引入光场相干性理论及相干测量技术来回答计算成像中“光应该是什么”和“光实际是什么”的两大关键问题。在此背景下,系统地综述了光场相干性理论及相干测量技术,从经典的关联函数理论与相空间光学理论出发,阐述了对应的干涉相干测量法与非干涉相干恢复法的基本原理与典型光路结构;介绍了由相干测量所衍生出的若干计算成像新体制及其典型应用,如光场成像、非干涉相位复原、非相干全息术、非相干合成孔径、非相干断层成像等;论述了相干测量技术现阶段所面临的问题与挑战,并展望了其未来的发展趋势。
全息术最初被设定为一种相干成像技术,通过物光和参考光干涉形成全息图,对全息图进行重建可以实现三维成像和物信息的获取。全息图记录过程要求物体上任意两点的光场具有空间互相干性,这一特性限制了全息术在非相干光领域的应用。空间非相干光的普遍存在和易获取等优点,使得非相干全息术的提出和发展具有重要意义。非相干全息术源于20世纪60年Mertz和Young提出的菲涅耳波带片编码成像理论,是指在空间非相干光照明情形下利用某种编码孔径对图像进行变换,实现全息图记录和再现的技术。Lohmann把这一技术进一步发展为基于分波技巧的干涉成像技术(源于同一物点的物光和参考光相干涉),实现了非相干物体的波前再现,从而明确了非相干全息记录过程中物光场中任意两点之间的互相干不再是全息图记录的必要条件。经过几十年的发展,科研人员利用非相干全息术在全息图的记录机制、重建算法、成像性能提升和应用等方面都取得了显著成果。本文聚焦于阐明空间非相干光情形下基于编码相位掩模波前调制的自干涉或无干涉数字全息术的成像原理及其演化技术的发展和应用,并在此基础上探讨该技术下一步的发展和有潜力的研究方向。
成像系统 数字全息 非相干全息 互相关重建 三维成像 传统的数字全息显微技术通常采用高相干激光作为照明光源,虽然其全息图具有高的对比度,但是相干照明带来的相干噪声会降低再现像的信噪比。基于部分相干照明的数字全息显微技术(PCI-DHM),在保证相位测量精度的前提下,可以有效降低相干噪声。按照物光和参考光之间是否有夹角,PCI-DHM可以分为同轴相移和离轴PCI-DHM。介绍了同轴相移PCI-DHM和离轴PCI-DHM中的几种典型测量方案。同轴相移PCI-DHM采用等光程的物光和参考光形成同轴全息光路,利用相移干涉技术可以重建出样品的振幅/相位分布,利用光源的短相干特性,可以获得样品内部微观结构的层析图像。离轴PCI-DHM通常采用光栅在物光和参考光之间引入夹角,构成消色差干涉装置。离轴PCI-DHM技术可以通过记录单幅离轴全息图完成对动态样品振幅/相位分布的实时测量。最后,介绍了PCI-DHM在生物细胞、生物组织三维成像及微纳结构形貌测量等领域的应用。
成像系统 数字全息显微 相移干涉 离轴干涉 部分相干照明 数字全息显微成像技术因能高精度实现定量相位成像的优势受到生物成像与材料科学领域的关注,但共轭像的存在、相位包裹的困扰以及分辨率受限等问题一直阻碍了数字全息显微术的广泛应用。近些年,深度学习作为机器学习中一种对数据特征提取进行特化的模型,在光学成像领域中被广泛应用。除用于提高成像效率外,其解决成像逆问题的潜力也不断被研究人员发掘,为成像领域开辟了一条蹊径。本文从深度学习应用于数字全息显微成像的工作原理出发,介绍它解决光学成像逆问题的思路与重要数理概念,同时对深度学习的完整实施过程进行归纳。扼要地总结了近年来深度学习对于全息重建、自动聚焦与相位恢复、全息去噪与超分辨等方面的研究进展,并对该研究领域中存在的问题与发展趋势进行展望。
成像系统 数字全息显微 深度学习 定量相位成像 近年来,荧光显微成像技术由于良好的特异性、高的对比度和信噪比等性能优势,被广泛应用于生物物理学、神经科学、细胞学、分子生物学等生命科学研究的各个领域。然而,传统的荧光显微镜仍然存在分辨率、成像速度、成像视场、光毒性和光漂白等的相互限制,使其在亚细胞结构观测、活体生物超精密成像和分子结构研究领域的应用受到了极大阻碍。由于传统荧光显微镜的局限性,研究人员将目光投向了由数据驱动的深度学习方法。基于深度学习的显微镜的出现,丰富了现有的光学显微成像技术,大数据量的训练突破了传统光学显微镜所能够达到的功能和性能的疆界。本文聚焦基于深度学习的荧光显微成像技术,首先对深度学习的基本原理以及发展过程进行简要概述,随后针对深度学习在荧光显微成像领域近年来的国内外最新成果进行总结,之后通过与传统显微成像系统进行对比,阐述了深度学习在解决荧光显微成像问题上的优越性,最后对深度学习在显微成像技术上的应用前景进行了展望。
显微 深度学习 荧光显微镜 超分辨 光学成像 点扩散函数(PSF)是衡量显微镜成像性能的关键参数,传统显微成像技术中,PSF越接近理想的艾里斑,表明系统的成像性能越好。随着计算显微成像技术的发展,显微镜在各个方面的性能均得到了极大的提升,特别是对显微镜PSF的主动操控,能显著提高其成像分辨率和速度等性能。因此,从原理和方法上介绍了基于PSF工程的计算显微成像研究进展,并分析了该技术面临的主要问题与挑战,最后对该技术未来的发展方向进行了展望。
成像系统 计算成像 点扩散函数 衍射理论 编码孔径 随着微纳光子学的兴起,傅里叶显微术已成为一种表征微纳结构样品的重要技术。传统的傅里叶显微术又称为后焦面傅里叶谱显微术,只能获取傅里叶谱分布信息,无法获取和傅里叶谱对应的样品空间结构图像,给表征微纳结构样品带来不便。由此,发展了一种基于计算成像模式的计算傅里叶显微成像技术,不仅能获取傅里叶谱分布信息,还能获得一系列与不同傅里叶谱对应的样品空间结构图像,甚至可以获得样品的三维空间结构图像,有利于对样品的全面表征,进一步拓宽傅里叶显微术的应用范围。本文将介绍计算傅里叶显微成像技术的基本概念、原理、研究进展、应用前景。
成像系统 傅里叶显微术 计算成像 单像素成像 多模式成像 光场成像 光子计数成像技术具有灵敏度高、时间分辨率高、光子利用率高的特点,是近年来激光雷达技术领域的研究前沿。高效的图像重建算法能在硬件系统的基础上以较低的代价提升重建图像的质量或突破单纯依靠硬件技术的瓶颈,成为光子计数成像技术领域的热点问题。针对已有的光子计数成像算法,系统梳理了光子计数成像技术的原理与特点,对若干典型问题进行了深入的调研与讨论,并对该领域未来的发展趋势进行了思考与展望。
成像系统 单光子成像 激光雷达 图像重建 计算成像 计算成像是一种不仅依赖于光学物理器件,还依赖于光学调制和重构算法的成像技术,为突破传统成像系统在时空分辨率和探测灵敏度方面的限制提供了新的思路。计算鬼成像(CGI)作为计算成像领域发展最迅速的分支之一,近些年被广泛应用于单像素成像、超分辨率成像、生物医学、信息加密、激光雷达以及湍流环境下的信息传输等领域。本文综述了影响CGI质量的两大关键技术——照明图案构造方法与图像重构算法的研究进展,主要介绍了随机矩阵、有序Hadamard矩阵、正交变换类矩阵的构造方法,并且讨论了在传统关联重构算法和新型深度学习重构算法下,各种照明图案的成像性能。最后,对照明图案构造方法及重构算法进行了总结,并对CGI技术发展前景进行了展望。
成像系统 计算鬼成像 照明图案 重构算法 成像质量 光场成像与处理是计算摄像学领域最具潜力的发展方向之一。在获得4D光场的基础上,构建简洁且高效的光场表达模型是光场理论的重要研究内容,也是光场技术迈向应用的关键。本文从4D光场的深度、纹理、几何、尺度和频谱等角度出发对光场表达模型进行解析,分别介绍子孔径图像、对极平面图、聚焦栈、超像素、多平面图像、超图、傅里叶切片、傅里叶视差层和对极聚焦谱等相关光场表达的特性,分析光场表达模型在光场重建、深度估计和光场编辑等不同应用场景的适用条件,归纳总结各种光场表达模型的优缺点及其潜在的应用方向。
成像系统 光场表达 计算摄像学 傅里叶切片 光场重建 单相机是生物单目视觉的直观模拟,而自然界中的生物主要以双目及多目视觉系统实现场景的精确感知。受此启发,研究人员认为可以应用多相机阵列来增强成像质量。通过不同相机的不同传感器和拍摄条件,实现多维多尺度图像/视频的采集,而后利用相机间的匹配实现不同特征域上的计算融合,从而达到重建场景在尺度或维度上的增强。本文以宽视场超高清成像、时空高速视频采集、高动态范围成像及低照度成像为例,详细介绍了已有多相机系统在成像增强方面的应用,归纳总结多相机系统在提高成像时空分辨率、扩大成像视场、丰富成像动态范围等方面的优势。
成像系统 多相机系统 计算成像 成像增强 时空分辨率 动态范围 随着双目成像技术的发展,双目图像超分辨在近年来得到了广泛关注。不同于单幅图像超分辨,双目图像超分辨可以利用左右视角图像间的互补信息进一步提升图像重建质量。对双目图像超分辨领域的最新进展进行了综述。首先,介绍了双目成像的基本理论。接着,对现有的双目图像超分辨算法和双目图像数据集进行归纳总结。随后,在基准数据集上对几种基于深度学习的主流算法的性能进行了评测,并探究了不同训练集对超分辨算法性能的影响。最后,总结了双目图像超分辨所面临的挑战,并展望了其未来的研究方向。
成像系统 图像超分辨 双目视觉 性能评测 数据集 在光电探测领域,偏振特性能够有效反演物体表面材料特性、物体表面三维形貌信息,因此备受关注。而利用漫反射偏振特性求解三维形貌时,物体表面法线的天顶角信息与偏振度一一对应,使得其在复杂光照场景中应用广泛。结合物体表面反射光波的类型及其偏振特性模型,系统分析了漫反射偏振三维成像技术的原理,并对漫反射偏振三维成像技术现有的研究进展以及对该技术现有基础与未来发展方向进行了详细阐述。
成像系统 偏振特性 漫反射 三维成像 法线多值性校正 基于传统光学成像系统的质心定位原理的角度测量技术一般存在测量精度的上限,约为像素的1/100。因此,要提高角度测量精度一般需要采用更长的镜头焦距和更大靶面的相机,增加了体积、重量和功耗,不利于设备的小型化,也不利于在对体积、重量和功耗有限制的平台(例如卫星和飞机等)上应用。基于计算干涉测量的远距离目标高精度角度测量技术,利用光学干涉的方法将目标光的角度变化转换为干涉条纹相位变化。因相位变化的测量精度可通过成熟的插值方法实现1/1000周期的精度,故干涉测量的角度精度相比传统光学方法大大提高。本文主要介绍基于计算干涉测量的远距离目标高精度角度测量技术的基本原理、主要特点、研究进展和存在的难点,希望通过该文引起广大同行的研究兴趣,一起推动该技术的快速发展和工程应用。
遥感 干涉测量 星敏感器 干涉条纹 相位估计 合成孔径激光雷达是实现计算成像的一种重要途径。首先,介绍了多通道逆合成孔径激光雷达(ISAL)样机、成像探测实验及信号处理方法。然后,阐述了样机系统组成和关键技术解决途径。接着,利用基于一发多收脉冲体制和全光纤光路的相干激光雷达样机,给出了地面运动车辆目标的成像探测实验结果。最后,在收发扩束宽视场条件下,验证了多通道ISAL的高分辨率成像能力和顺轨干涉运动补偿成像方法的有效性。
成像系统 逆合成孔径激光雷达 相干成像 干涉处理 激光扩束 运动补偿 让重建出的物体三维面形附着上物体本征的彩色纹理,使其具有真实感。为了得到纹理数据,在双目相机三维测量结构的基础上,额外添加一个彩色相机以获取纹理。在后续贴图的过程中,需要知晓双目系统及纹理相机的内参和外参,即对双目与纹理相机所组成的系统进行立体标定,若想获得不同角度下的物体纹理信息而改变纹理相机的位置,则应重新进行标定。针对该问题,提出一种增设标记点的方法,仅对系统进行一次初始标定,便可自由使用纹理相机,从而完成纹理相机在任意位置拍摄后的纹理贴图,实验验证该方法具有可行性。该方法减少了纹理相机的频繁标定过程,为点云数据纹理贴图提供便捷易行的实现手段。
成像系统 三维成像 纹理贴图 双目视觉 立体标定 同轴全息重建由于相位共轭波的干扰,会产生二阶噪声与孪生像噪声,从而影响重建质量和精度,而在全息重建中,获取最佳重建平面的相关全息聚焦距离参数也是全息成像领域的关键。为此,提出了一种基于压缩感知的聚焦重建算法,通过选取轴向方向内固定间隔的一系列重建图像,以压缩感知的全变分正则化约束重建不同深度的图像,根据图像灰度变化或绝对梯度算子等聚焦度量指标计算并构建数字全息重建图像的聚焦曲线,确定最佳聚焦位置。所述算法抑制了重建噪声,提升了物体轴向的重建精度,实现了聚焦位置周围更宽范围的高分辨率图像重建。
成像系统 全息重建 压缩感知 数字聚焦 数字全息 傅里叶叠层成像技术(FP)可重构出宽视场、高分辨率的物体幅值和相位分布,随着深度学习技术的不断发展,神经网络已成为求解计算成像中非线性逆问题的重要手段之一。针对FP系统数据特异性强、数据量少等特点,提出了一种结合计算成像先验知识和深度学习的算法,设计了基于物理模型的神经网络框架,并对仿真样本进行了验证。此外,还搭建了远场透射系统,对宏观物体的图像序列进行FP重建验证。实验结果表明,该系统能用有限的仿真与真实数据集重构出高分辨率样本的复振幅分布,且对光学像差与背景噪声的鲁棒性较强。
成像系统 傅里叶叠层成像技术 光学超分辨率 计算成像 深度学习 基于轨道角动量(OAM)的自由空间光学通信被认为是很有前景的下一代通信应用,为了实现OAM复用通信,需要突破的关键技术之一就是接收端涡旋光束 OAM 的探测。采用卷积神经网络方法,提出并研究了一种双模式涡旋光束的OAM精确识别的理论方案。这种OAM光束可以提供两个可控的自由度-OAM量子数和比例参数。研究了训练样本的图片分辨率或样本数目与OAM识别准确率的关系。还研究了不同的OAM量子数l、比例参数n与OAM识别准确率的关系。研究表明,当OAM量子数的范围为1~10,比例参数为0.01~0.99时,不同OAM模式的识别准确率达到100%。
成像系统 涡旋光束 轨道角动量 空间光调制器 机器学习 卷积神经网络 散射成像是光学计算成像领域研究的前沿与热点。散斑自相关成像方法因其简单、快速、无损等特性而备受关注。散斑自相关成像的物理基础是光学记忆效应,数学基础是散斑自相关非相干成像模型,重建质量受散斑自相关的高质量提取与背景有效抑制的直接影响。光传输噪声、外界强背景干扰、探测噪声等的存在,会严重降低散斑自相关的对比度,使其精细结构淹没于背景及干扰噪声中,降低目标重建质量甚至无法实现成像。为增强散斑相关成像的适用性,提升强背景噪声干扰下的成像质量,提出一种背景扣除、双边滤波预处理结合多帧叠加平均的方法来提升目标重建质量,并进行了外场自然环境实验研究。实验结果表明,所提方法可对强背景干扰下的目标进行高质量重建。在此基础上,对于不同谱宽照明和不同距离处的目标,实验验证了方法的有效性,重建质量得到明显改善。研究对散射成像技术的非暗室应用及弱光成像相关应用有一定的借鉴意义。
成像系统 计算成像 散射成像 散斑自相关成像 相位恢复 多帧叠加 相比常规的显微成像技术,Mueller矩阵偏振显微成像技术能提供更多介质微观结构的特征信息。因此,设计了一组基于双波片旋转的显微成像系统,通过选取特殊的不相关入射偏振态,实现了快速Mueller矩阵计算成像。用该系统对浸泡在不同质量分数葡萄糖溶液的洋葱内表皮细胞和不同活性状态的人喉癌细胞进行了成像研究。实验结果表明,该系统的测量误差小于4.35%。相比表征样本表面结构特征的传统强度成像,偏振成像可以更有效地检测出样本的变化情况,为生物医学领域提供了一种新的研究方法。
成像系统 偏振显微 Mueller矩阵 双波片旋转 指纹具有的唯一性和终身不变性使其在刑侦检测和身份识别等领域具有广泛应用。传统指纹提取方式会破坏原始指纹,因此,近年来多采用刑侦取证相机对指纹进行拍摄、提取。针对一次拍摄不能得到曲面客体表面指纹清晰图像的问题,将计算光场成像引入曲面客体表面指纹的提取中。首先,根据指纹拍摄场景设计指纹光场相机,利用数字重聚焦算法得到指纹图像堆栈;然后,基于图像清晰度评价的图像融合算法得到曲面上各处都清晰的指纹图像。实验结果表明,本方法设计的指纹光场相机及处理算法可以有效提取位于曲面客体表面的指纹。
成像系统 计算成像 光场相机 指纹提取 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 分布式光电解决了传统光学系统大视场与高分辨率成像的矛盾,在**侦查、安全监控、天文观测等领域具有广泛的应用。分布式光电系统通过图像拼接和超分辨重建等处理手段提升图像质量,从而提升系统探测能力和识别能力,但目前仍缺乏系统性的性能评估方法。建立了分布式光电系统性能量化评估方法。首先对分布式光电系统理论及图像处理算法进行了基础研究,通过分析图像空间分辨率、信噪比、信息熵等参数,对重构后图像质量进行评价,最后从光电系统和图像质量两个角度出发,对分布式光电系统的探测能力、识别能力进行了理论分析。该研究为分布式光电技术的发展提供了重要理论支撑。
成像系统 光电探测 分布式系统 超分辨 探测能力 识别能力 为了使小口径相机具有与大口径相机同等的分辨能力,提出一种基于像素编码的高分辨成像技术。为了降低图像高、低频信息的混叠,提出基于以系统点扩展函数为运算核的像素编码算法。首先在空间域中直接构建系统的编码矩阵;然后采用求逆的方法实现对输出图像的解码,以达到提高图像质量的目的;最后利用焦距为100 mm和像元尺寸为9 μm的成像系统在F数分别为11(F11)和25(F25)下进行室内实验验证,采用像素编码算法对F25系统所成的鉴别率板像进行校正,校正后的调制传递函数值(0.18)与F11系统(0.24)相当,图像对比度得到提高,验证像素编码算法的合理性和可行性,使得小口径相机具备高分辨率的成像能力成为可能。
成像系统 高分辨成像 大F数 像素编码 调制传递函数 