江苏大学物理与电子工程学院,江苏 镇江 212013
细胞内液‐液相分离现象与细胞内的多种生物过程有关,分析研究相分离的现象及机理可为调控细胞生理过程和药物研发提供参考和策略。相位成像技术因在无色透明物体的非接触、免标记定量化观测方面具有巨大优势而被用于液‐液相分离的研究中;但是,在该技术中,样本厚度与其折射率耦合一起,形态分布需经相应算法反演获得,其分析效率较大程度上取决于数据采集量、计算处理时间和精度等。为满足生命科学研究领域对实时获取相分离凝聚物形态信息的需求,本文提出了一种仅需两幅相位图的三维形态快速反演方法,相应设计了一种由单个图像传感器实现双路光信息采集的干涉相位成像系统。提出的形态重构算法对数据采集要求宽泛,通过布置控制点,运用数学变换解算其沿两个非正交方向投影的平面像素坐标与其三维空间坐标的映射关系,由此计算反演得到像素点对应的三维坐标从而实现凝聚物形态的分离重建。
生物光学 干涉成像 液‐液相分离 边缘提取 投影映射 三维空间坐标
1 中国科学院国家空间科学中心复杂航天系统电子信息技术重点实验室,北京 100190
2 中国科学院大学,北京 100049
3 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所,安徽 合肥 230031
以干涉高光谱成像模型为基础,提出一种结合先验约束的空谱信息同步复原模型,通过非负低秩特性和全变分(TV)正则项分别约束复原高光谱图像的谱间强相关性和空间分段平滑特性,并采用L1范数和Frobenius范数分别对干涉数据中的稀疏性噪声和高斯噪声进行建模。模拟和真实干涉数据的对比实验验证了所提方法的有效性。相比于传统的干涉数据复原方法,所提方法在准确复原目标光谱信息的同时,能够有效地消除干涉图混合噪声的退化影响,从而提高复原高光谱图像的数据质量。
光谱学 干涉成像光谱仪 光谱复原 低秩 全变分 正则化 光学学报
2022, 42(24): 2430001
浙江大学现代光学仪器国家重点实验室,浙江 杭州 310027
光子集成干涉成像是一种基于光子集成芯片获取目标傅里叶频谱信息的新兴成像技术。目前,能量损耗与噪声干扰是制约该技术发展的关键因素。为分析它们对光子集成干涉成像系统的影响,研究了基线长度与干涉信号能量的关系和噪声对成像质量的影响。研究结果表明输出信号的能量处于纳瓦量级。干涉信号的振幅与对比度会随着基线长度的增加而迅速减小。长基线下的干涉信号振幅极小,在探测器精度不够的情况下,干涉信号的对比度将无法获取。综合来看,光子集成干涉成像系统适合采集目标的低频信息,并且当将噪声控制在干涉信号强度的10-3、相位误差控制在1/40时才不会对成像结果产生较大的影响。
成像系统 干涉成像 光子集成 信号能量 对比度噪声 相位误差 光学学报
2022, 42(13): 1311001
西安理工大学 理学院 应用物理系,西安 710048
分别利用He-Ne激光632.8 nm、O2(0-1)867.7 nm和O (1S)557.7 nm谱线作为光源,研究了地基气辉成像干涉仪的光学传递函数,给出了优化设计、理论计算和实际拍摄图片的MTF值。优化设计MTF的所有值均在0.3以上,部分视场MTF高于0.6;对557.7 nm和867.7 nm波长的气辉,理论计算的MTF分别为0.508和0.510;由室内外实验拍摄获取的GBAII成像干涉图得出的MTF值分别大于0.84、0.58、0.24,与国际著名的星载风成像干涉仪WINDII的0.35 MTF值相当。
地基气辉成像干涉仪 光学传递函数 干涉成像 气辉 光学仪器 Ground-based airglow imager interferometer Modulation transfer function Interferometric imaging Airglow Optical instrument
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
光子集成干涉成像方法是近年来发展起来的一种以高质量成像和系统扁平化为目标的远场成像方法,有望在同等分辨率下系统的能耗、体积和质量均减小至1/10~1/100。但是现有系统对于高频信号的采样具有稀疏特性,当使用傅里叶逆变换(IFT)求解物体强度分布时,复原的观测目标在锐边处出现Gibbs振铃伪影,从而影响成像质量。为了抑制伪影,提出熵先验并研究熵惩罚特性,利用熵先验并结合光子集成干涉成像的特点设计最大熵方法。为了验证方法的性能,采用性能较好的多层分级孔径排布结构进行仿真模拟,使用峰值信噪比(PSNR)、结构相似性系数(SSIM)和均方误差(MSE)作为像质评价手段。仿真结果表明,最大熵方法可以消除由高频稀疏采样带来的伪影,对于受振铃影响明显的图像,MSE和SSIM有50%以上的提升,PSNR提升10%以上。
成像系统 干涉成像 光子集成干涉成像 熵先验 光子集成芯片 最大熵方法 光学学报
2021, 41(23): 2311002
1 吉林大学机械与航空航天工程学院, 吉林 长春 130025
2 北京航天计量测试技术研究所, 北京 100076
3 哈尔滨工业大学空间光学工程研究中心, 黑龙江 哈尔滨 150001
光子集成干涉成像系统具有体积小、质量轻、能耗低、分辨率高的成像特性,有望取代传统大口径望远镜实现远距离探测。研究了光学干涉探测成像原理,建立了空间目标干涉图像复原模型。研究了微透镜阵列排布对成像质量的影响,提出了微透镜阵列设计方法。研究了光学相干基线匹配对空间目标频谱覆盖的影响,提出了能够高效覆盖高、中、低频谱的相干基线匹配方法。最后,比较了不同的微透镜阵列排布和干涉基线匹配方式下目标图像仿真复原效果。结果表明,所提微透镜阵列排布方式和干涉基线匹配方法能够提升空间目标频谱覆盖,提高目标图像复原质量。
成像系统 光电探测 干涉成像 光子集成 微透镜 图像复原
1 桂林电子科技大学 1. 电子工程与自动化学院
2 桂林电子科技大学 2. 生命与环境科学学院, 广西 桂林 541004
实时光谱识别是目前干涉式成像光谱仪领域研究的热点问题之一, 其难点在于复原光谱数据量大及对识别算法的实时性要求高。基于FPGA器件设计了一种基于光谱角匹配(SAM)算法的干涉式成像光谱仪多通道实时光谱识别系统。该系统将多个不同的参考光谱分别存储在其对应通道的存储器中, 根据SAM算法实时计算输入光谱与各通道参考光谱之间的光谱角, 通过对各通道输出的光谱角进行比较而实现光谱的实时识别。仿真结果表明, 系统在Xilinx芯片XC7A100TFGG484-2上对复原光谱进行实时有效识别的运行频率可达100MHz。系统以流水线方式运行, 具有速度快、体积小、便于升级等优点, 为干涉式成像光谱仪实时光谱识别的工程实现提供了一种有效的技术途径。
干涉式成像光谱仪 多通道 实时光谱识别 光谱角 interferometric imaging spectrometer multi-channel real-time spectral recognition spectral angle FPGA FPGA
太赫兹干涉成像是一种基于频谱域的成像方法, 通过对目标场景的频谱域信息采样重构目标图像, 避免了逐像素扫描, 所需的探测阵元数目少, 在图像获取速率和成像分辨率上具有发展潜力。研究了太赫兹干涉成像原理及其实现方法, 分析了成像分辨率和有效视场问题。通过仿真实验分析了目标场景中存在噪声对成像质量的影响, 表明干涉成像对目标噪声较为敏感。对安检应用场景的反射成像模式进行了分析, 证明了原理系统的适用性。仿真结果所得结论可为太赫兹干涉成像系统设计和实际应用提供理论依据和技术支持。
太赫兹 干涉成像 目标场景 噪声 反射强度比 terahertz interferometric imaging target scene noise ratio of reflection intensity 红外与激光工程
2019, 48(1): 0125004
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 光电信息技术科学教育部重点实验室(天津大学), 天津 300072
不规则粗糙粒子广泛存在于粒子场中, 为获得其尺寸信息, 建立激光干涉成像系统, 提出了不规则粗糙粒子尺寸计算方法。基于光学传输矩阵理论, 模拟了不规则粗糙粒子激光干涉离焦像, 分析得到粒子尺寸与离焦像2D自相关的关系, 给出不规则粗糙粒子尺寸计算公式。以砂砾为样本进行激光干涉成像实验, 采集不同转向下的离焦像并进行频率分析获得粒子尺寸, 实验结果表明, 测量误差不超过10.4%, 满足微小粒子的测量要求, 对实际粒子场的测量具有重要意义。
激光干涉成像 不规则粗糙粒子 离焦像 2D自相关 laser interferometric imaging irregular rough particles defocused image 2D autocorrelation