1 上海理工大学上海 200093
2 中国科学院上海应用物理研究所上海 201800
3 中国科学院上海高等研究院 上海同步辐射光源上海 201204
4 中国科学院大学北京 100049
全场纳米谱学成像（TXM-XANES）是将透射X射线显微镜（Transmission X-ray Microscope，TXM）与X射线近边吸收结构（X-ray Absorption Near Edge Structural，XANES）有机结合的成像方法，通过测量感兴趣元素K边前后多个能量点的TXM图像，无损获得样品内部纳米尺度化学元素价态分布，已应用于能源材料、生物医学和地球科学等多个学科领域。常规TXM-XANES数据需要采集每个能量点下的图像和背景图像，数据量大，采集时间长，由于纳米尺度下机械结构的不稳定和样品的移动都会对TXM-XANES数据分析产生一定的影响。基于已知数据，利用机器学习的算法建立了多项式回归与线性插值运算模型，实现了仅通过两张谱学背景图像完成背景图像序列预测建模。利用该方法对标准样品及锂电池正极材料进行谱学成像分析，结果表明：相对于常规TXM-XANES方法，该方法具有数据量少、采集时间短等优势，可显著提升TXM-XANES的实验效率。
全场纳米谱学成像 多项式回归 线性插值 图像序列预测 Full-field nanoscale imaging Polynomial regression Linear interpolation Image sequence prediction
武汉光电国家研究中心华中光电技术研究所，湖北 武汉 430223
提出一种基于迭代自适应滤波原理的端到端深度神经网络。该网络旨在解决由简单透镜的光学结构引起的显著图像边缘模糊问题。利用具有大视场的单个胶合透镜，提出一种像素级去模糊滤波器，该滤波器可有效地适应模糊的空间变化，从而恢复输入图像的模糊特征。通过模拟和在原型摄像机系统上进行的实验验证了所提方法的有效性。
计算成像技术 图像退化模型 图像重建 大视场 深度学习 激光与光电子学进展
2024, 61(10): 1037003
1 北京理工大学仿生机器人与系统教育部重点实验室，北京 100081
2 北京理工大学长三角研究院（嘉兴），浙江 嘉兴 314003
3 西安现代控制技术研究所，西安 陕西 710065
针对传统轴向移动机械光学变倍系统结构复杂、体积大的问题，提出基于Alvarez透镜的横向移动红外光学连续变倍系统。该系统由两组Alvarez透镜、光阑、定焦透镜和红外探测器组成。两组Alvarez透镜构成开普勒式望远结构，其中，第一组Alvarez透镜作为变焦组，第二组Alvarez透镜作为补偿组。无限远入射光线经过两组Alvarez透镜后出射，出射的平行光通过定焦透镜聚焦成像到红外探测器的靶面上。使用Zemax软件进行光学仿真，该光学变倍系统覆盖8~12 μm的长波红外波段，最大视场角为6°，最大入瞳直径为6 mm，F数为2，畸变量小于2.1%，光学总长度约为74 mm。Alvarez透镜仅需横向移动约1 mm即可实现5×到15×的连续光学放大。该系统在红外探测器分辨率为320×240、像元尺寸为30 μm时调制传递函数达到0.5@17 lp/mm。仿真设计结果表明，该系统具有放大倍率大、结构紧凑、成像质量高的优点，有望应用于小型化红外变倍成像领域。
光学设计 Alvarez透镜 光学变倍系统 开普勒结构 红外成像 激光与光电子学进展
2024, 61(10): 1022001
经典的边缘提取算法在实际应用中由于成像质量不高而被限制，基于鬼成像的边缘提取技术可对待测物实现高信噪比的边缘成像。基于此，提出一种基于Scharr算子的计算鬼成像边缘提取技术。Scharr算子具有低的计算复杂度和较小的计算量，可以更有效处理图像，将Scharr算子作用于散斑生成一组全新的散斑函数，对于Scharr算子模板作用于散斑移动中存在的边缘提取结果在某方向信息缺失的问题进行改进，对算子模板正负进行转换，生成新的算子模板，将新生成的算子模板运用于移动散斑使其生成新的照明散斑，从而实现对边缘提取结果各方向信息的补全。并根据计算鬼成像基本方法在理论上和实验上对未知图像的边缘进行提取，仿真与实验结果表明，所提方法可以获得完整清晰的待测物边缘。
计算鬼成像 边缘提取 Scharr算子 移动散斑 激光与光电子学进展
2024, 61(10): 1011004
1 辽宁工程技术大学电子与信息工程学院，辽宁 葫芦岛 125105
2 辽宁省无线射频大数据智能应用重点实验室，辽宁 葫芦岛 125105
三维物体的空间结构复杂，光波场很难用具体的函数准确描述，三维显示非常困难。提出一种硅基微机电系统（MEMS）二维扫描平台与超表面元件集成的三维显示技术，利用视觉暂留特性，建立快速三维显示扫描片上结构，理论上实现了物像信息的三维图像的重构。利用层析法实现物体的三维显示，采用Gerchberg-Saxton（GS）算法获得单层二维图像单元相位值，建立基于几何相位原理的二维超表面结构，获得了二维全息平面像。依据空间、时间序列构建了由离散的多层超表面二维全息像形成的物体三维显示。结果表明：所获得的二维全息像峰值信噪比大于20 dB；所设计的片上二维扫描平台在0.1 s内能够完成9幅二维全息像的叠加，三维显示的帧率达11 frame/s。研究成果为快速调制的三维显示提供了微型化的系统级解决方案和理论模型。
超表面 微机电系统 全息成像 三维显示 激光与光电子学进展
2024, 61(10): 1011011
1 中兵智能创新研究院有限公司群体协同与自主实验室，北京 100072
2 中国北方车辆研究所，北京 100072
针对传统鬼成像在识别手写数字时所存在的重构图像质量差的问题，结合生成对抗网络生成数据快的优势，提出一种新的鬼成像质量优化方法，以提升低采样率下鬼像的重构质量。通过桶探测器收集由系列散斑照射到待测手写数字图像上的光强，获得总光强值，并将其输入适用于鬼成像原理的深度卷积生成对抗网络，进行训练，分别与传统鬼成像方法和u-net网络进行对比分析，验证了所提方法的有效性和合理性。实验结果表明，所提方法得到的重构图像质量明显优于对比方法的图像质量，且在0.0625、0.25采样率下重构图像的峰值信噪比和结构相似度较u-net网络分别提升了18.9%/51.9%、38.29%/42.35%。
鬼成像 生成对抗网络 低采样率 峰值信噪比 结构相似度 激光与光电子学进展
2024, 61(10): 1011010
1 东北大学信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110819
2 东北大学流程工业综合自动化国家重点实验室，辽宁 沈阳 110819
3 河北省微纳精密光学传感与检测技术重点实验室，河北 秦皇岛 066004
单像素成像通过调制光场测量场景对单个像素探测器的强度响应来还原场景图像，相比依赖阵列探测器捕捉图像信息的传统成像技术，在低成本、宽光谱及特定应用场景下具有出色表现。该技术是一种由物理域转为计算域的新型成像方式，因此众多研究在寻找高效的计算方式。由于神经网络在计算域中的强大学习能力，深度学习技术已经广泛应用于单像素成像中并取得了显著进展。将深度学习单像素成像分为数据驱动式、物理驱动式及混合驱动式，又在每个驱动模式下划分出神经网络用于“图像到图像”和神经网络用于“测量值到图像”两种成像方法。从6种角度综述基于深度学习的单像素成像方法的基本理论和典型案例，并讨论了各类方法的优势与不足。最后对基于深度学习的单像素成像方法进行总结与展望，有前景的应用包括高光谱成像、瞬态观测与目标检测。
激光与光电子学进展
2024, 61(10): 1000005
1 西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
2 西安工业大学兵器科学与技术学院，陕西 西安 710021
3 西安应用光学研究所，陕西 西安 710065
近年来，内窥镜广泛应用于不同环境下管道内壁疵病检测。针对不同口径炮管内壁高精度疵病检测需求，通过设计一款大视场、短焦距的广角内窥镜头，实现对 Φ76～Φ155 mm 口径范围内炮管内壁的全景成像，确定内壁疵病位置。同时可以旋转整个镜头对炮管内壁进行侧视成像，实现对炮管内壁不同区域疵病 0.5 mm 的高精度测量。该系统基于Zemax 设计软件，采用反远距物镜设计思路，利用非球面改善系统成像质量。最终实现光学系统视场为 120°，焦距为 2.5 mm，总长小于 30 mm，最大畸变值小于 15%，在探测器截止频率 84 lp/mm 处全视场均大于 0.3，且光学系统结构简单、适用口径范围广、有较好的成像质量，满足炮管内壁疵病检的要求。
光学设计 内窥镜 炮管疵病检测 广角物镜 全景成像 optical design endoscope gun barrel defect detection wide-angle objective lens panoramic imaging
1 浙江大学光电科学与工程学院，浙江 杭州 310027
2 浙江大学嘉兴研究院智能光电创新中心，浙江 嘉兴 324000
在光学相干层析血流造影（OCTA）系统的实际应用中，高质量数据的采集受到多种因素的干扰，如屈光调节、扫描区域移动、动态成像过程中受试对象眼睛状态波动等。笔者构建了一种基于图像处理单元（GPU）的OCTA数据实时处理框架，使用C++和CUDA开发系统软件，实现了逆信噪比-复值退相关光学相干层析血流造影（ID-OCTA）的实时信号处理与图像显示，线处理速度达到了365 kHz。同时，通过闪烁光刺激诱发小鼠视网膜功能性充血实验，证明了本研究实现的OCTA投影图像实时显示功能有助于操作人员调节系统，监测受试对象的状态，从而提高数据采集成功率。
生物医学成像 光学相干层析血流造影 实时成像 功能性充血
