强散射随机介质中吸收物体的成像

以宽带连续光为光源对隐藏在强散射随机介质中的吸收物体成像进行了实验研究，用一种新的图像处理方法恢复了被散射光所淹没的吸收物体的像。由于人体组织为光的强散射介质，因此该研究在医学成像中有很大的潜在应用价值。     

计算光学成像在散射中的应用

自然界中普遍存在光散射现象。如何通过散射介质实现高分辨率成像是光学成像领域亟待解决的重要问题。在早期研究中,多重光散射被认为是雾霾、云层、生物组织等复杂介质成像中的障碍。然而,最近研究表明,散射并不是成像的基本限制:光子在经过多次散射后仍然包含了大量信息。为了深入了解新兴的计算光学成像是如何解决多重光散射问题的,文中主要介绍了波前整形、散斑相关及深度学习等方法在散射成像领域中的研究进展。最新的研究成果表明:波前整形可以实现动态散射介质内部的高分辨率快速聚焦;散斑相关能够利用单帧散斑实现非侵入式成像;基于深度学习的成像技术能恢复出隐藏在光学厚度为13.4的白色聚苯乙烯平板背后的物体。     

光CT和生物体计测

1 引言强光的多重散射和扩散介质中的物体及状态的可视化,也就是图像信息的光计测是历来的一个难题。其根本原因是透射光强显著降低,同时信噪比(SN比)降低。因此,通过多重散射方法在随机扩散光(杂光)中选择检测特定方向的有用信息,这样的光电技术目前尚未得到开发。     

粒子跟踪法求毫米波雨衰减

根据多重散射的解析理论,利用粒子跟踪法研究了毫米波在离散随机介质中的传播与散射。在考虑多重散射效应的情况下,数值模拟了毫米波段的降雨衰减。理论计算与实验结果相一致。     

超短脉冲在散射介质中传播的时间和空间特性研究

采用蒙特卡罗方法,研究了散射介质各向异性因子等参数对超短脉冲在散射介质中传播的时间和空间分布以及各散射阶次光子强度比例分布的影响。研究结果表明,当各向异性因子或吸收系数减小、散射系数或传播深度增大时,脉冲的时间展宽和空间扩散都随之增强,高散射阶次光子强度比例也随之增大。     

利用组织中的光子迁移使异物成像

人体组织是一种高度漫射的介质，要探测其表面下反常的现象是不容易的。意大利全国研究会（CNR）量子电子中心研究了一种方法，依据介质中光子的迁移来反映像乳腺肿瘤等的光学异物，并能精确地确定其光学特性。利用漫射理论对时间分辨的测量结果进行分析可以确定光学散射和吸收系数，研究人员可以得到一幅有助于高漫射介质中微小异物定位的投影图，还能区分散射和吸收。这种区分能力对预告肿瘤的类型和识别良性肿瘤与恶性肿瘤都是很重要的。研究人员认为寻找一个肿瘤就像在一杯牛奶中寻找一个物体一样。如果能通过介质看到物体，这种介质…     

二维各向异性随机介质内光波模式的特性研究

通过建立能够描述各向异性介电常数变化情况的二维随机介质模型,利用时域有限差分法联立求解随机介质中光波所满足的Maxwell方程和激光速率方程,研究了各向异性散射增益材料中的随机激光辐射现象。结果表明随机介质中各向异性散射颗粒的无序程度由空间位置无序和空间方向无序共同决定,空间方向的无序能够加强随机激射的辐射。同时存在两种无序机制的随机介质,在相同条件下它的随机辐射行为要强于仅存在一种无序机制的随机介质。研究结果对于研制新型各向异性随机介质材料具有指导作用。     

基于相关全息原理的散射成像技术及其进展

由于随机散射效应,相干光束经过强散射介质后,出射光场变成光强呈无序分布的散斑场,因此无法直接从出射场获取入射光的信息。然而,在随机散射过程中,出射散斑场仍然携带着入射光场信息。从散斑场中获取原始信息以实现物体的重建是一个备受关注的研究课题。研究人员针对该问题提出了包括散斑相关、传输矩阵、波前调控及时间反演与相位共轭等技术。着重介绍了基于相关全息原理的散射成像技术,主要包括其原理、发展历史以及最新的研究进展,并对该技术的未来发展趋势进行了展望。     

Hartel多重散射理论的推广

当粒子的数密度比较大时,总的散射强度不能简单地认为是每个粒子经过单次散射后的光强之和,而必须考虑光在粒子间的多次散射效应,并且随着密度的增大,多重散射显得更加突出。德国学者Hartel曾经研究过平面波照射下,全同球形粒子的多重散射,给出了散射光强角分布的计算公式:     

封闭介质盒中三维隐藏金属目标的散射仿真和图像重构

基于点目标散射原理,通过计算封闭介质中隐藏目标的全方位电磁散射,进行成像重构.宽带频率步进雷达从不同水平方位发送平面电磁波探测隐藏目标,获取隐藏目标各水平方位向后向散射电场.通过二维样条插值得到二维均匀采样的散射电场,将重采样数据进行二维快速Fourier变换得到二维重构图像.采用体面混合积分方程的矩量法计算复杂结构金属目标与介质盒环境的后向散射电场.通过有、无隐藏目标时的多方位后向散射电场的差值场实现目标重构成像.由封闭介质盒中隐藏3个金属球和1把金属手枪,分别进行重构成像,以说明该方法的有效性.     

Chrono-coherent imaging for medicine

We describe a new method for imaging with visible and near visible light inside media, such as tissues, which have strong light scattering. The chrono-coherent imaging (CCI) method is demonstrated in this paper for a transmission geometry where an absorbing object is completely hidden from normal visual observation by light scattering of the media. The resultant images are most similar to X rays, with cumulative transmission showing absorption features and refractive index differences in the media. We discuss laser coherence properties, coherence measurements, the relation of CCI to light-inflight holography, holographic film properties relevant to CCI, a particular optical setup for CCI, the results of a demonstration experiment imaging an absorbing object hidden by light scattering, and an experiment to estimate the clinical applicability of CCI.     

Incoherent radiation of amplifying random media

Incoherent radiation of amplifying random media was investigated using Monte Carlo simulation and the characteristics of random laser were observed The entire emission spectra of the random media would become narrow abruptly when pumping energies exceeded certain threshold values, and as the pumping energies further increased, distinct sharp peaks would emerge on the spectrum background. The intensity of a certain spatial point within the scattering media was contributed from emissions of many frequencies. The intensity of a single frequency of the entire spectrum was contributed with emissions from wide spatial location and angle ranges. It has been pointed out that the incoherent radiation of amplifying random media is essentially different from amplified spontaneous emission without any feedback as well as conventional resonant-feedback laser. The explanation on distinct sharp peaks is that rare photons have experienced rather more scattering events and walked longer paths in amplifying random media, which accumulates more gain for these photons.     

Light focusing through strongly scattering media by binary amplitude modulation

Based on the angular spectrum method and the circular Gaussian distribution (CGD) model of scattering media, we numerically simulate light focusing through strongly scattering media. A high contrast focus in the target area is produced by using feedback optimization algorithm with binary amplitude modulation. It is possible to form the focusing with one focus or multiple foci at arbitrary areas. The influence of the number of square segments of spatial light modulation on the enhancement factor of intensity is discussed. Simulation results are found to be in good agreement with theoretical analysis for light refocusing.     

高斯激光束TEM00模散射信号模拟与分析

在广义Mie散射理论的基础上，研究了离轴球型粒子对TEM00基模高斯激光束的散射特性，依据高斯波束在球坐标系的展开形式，对展开系数的有限级数解形式进行了编程计算；模拟了高斯光束在离轴球型粒子散射的情况下，散射光强与粒径参数、折射率、散射角和散射粒子相对位置的关系；对模拟结果进行了讨论，并与平面波的散射规律进行了对比分析。结果显示:高斯光束的散射光强分布呈现出了与平面波散射不同的规律，但在大束腰半径条件下，与平面波的散射规律有许多共同之处。     

激光探测尾流微气泡的偏振特性研究

为了研究尾流中激光照明气泡幕的散射光强度和偏振的特性,利用基于偏振光传输的蒙特卡洛模型,对偏振激光入射含气泡群水体的三维空间分布模式进行仿真计算。研究了气泡和气泡群在不同气泡尺度,不同散射角条件下的散射光强和偏振状态;分析了气泡幕的气泡数密度,厚度对于散射光强度和偏振状态的影响。研究表明,散射光的强度和偏振度对气泡尺度和散射角较为敏感,气泡尺度参数越大,散射光强和偏振特征越趋向于集中在传输方向的小角度散射;气泡幕的数密度和厚度越大,散射光的强度随散射角度变化的敏感度下降,退偏振效果增强。     

复合粒子场散射特性的Mueller矩阵表示

研究了偏振光入射到5种不同粒子大小、2种不同浓度的复合粒子场后散射强度分布,并用Mueller矩阵来描述复合粒子场的散射特性。     

半无限空间中光子密度波扩散方程的求解

改进了原无限大模型，求解了无限大空间中光子密度波的扩散方程，找出了相应条件下的Green函数，演算出了与入射面相对应的光子通量和介质中的吸收系数改变量之间的关系，所用模型更接近于实验研究情况，所得结论能直接用于多散射介质中成像问题的实验研究。即通过对光子通量的检测，反演出吸收系数改变量的分布，从而实现用光子密度波理论在多散射介质中的成像问题的解决。     

二维非球形粒子随机介质中光场的传输特性

研究了散射粒子形状改变对光波在二维随机介质系统中的传输情况的影响。基于整体散射效应模型,建立了非球形粒子作为散射粒子的二维随机介质的模型。构建了模型的Maxwell方程,采用非均匀网格划分的时域有限差分(FDTD)方法解Maxwell方程,得到了TM模在非球形粒子二维随机介质模型中的传输及空间分布。采用快速傅里叶变换(FFT)对仿真获得的数据进行频谱变换,得到光波在频域上的发射谱。与以往的研究相比较,仿真结果表明,在非球形粒子系统中,光波的电场强度与球形粒子系统中电场强度随着散射粒子浓度的增加而增加不同,而是出现振荡的现象;发射谱显示,非球形粒子系统的模式竞争强于球形粒子系统,更易于实现模式选择。