全息技术在散射成像领域中的研究及应用进展（特邀）

散射是光学成像中普遍存在的现象,成像路径中存在的烟雾、水体、生物组织等散射介质导致光束发生随机散射效应,使得像面处目标信息以杂乱无章的散斑形式存在,如何应对散射介质对成像的限制是当前光学成像领域的研究热点。全息技术能够记录和重建物体全部信息,是获取和解译光场信息的有力工具之一。近年来,传统全息以及相关全息理论被推广应用至散射成像领域,取得了一系列突破性成果,文中主要介绍与归纳了散射成像领域中应用全息技术的理论原理、发展历史及最新进展,并展望其发展前景。     

全息散斑相关技术研究

本文把全息技术用于实现散斑场的相关,提出了全息散斑相关的设想。通过实验证明这种方法是可行的。     

基于散斑相关的宽视场成像技术研究进展（特邀）

散射成像技术因具备透过生物组织等散射介质后清晰成像的能力而受到广泛关注。近年来,基于散斑自相关的成像方法以其非接触、无需先验信息且能够单帧成像的特点得到迅速发展。然而,散斑自相关成像受光学记忆效应的限制。当多个目标之间的距离在记忆效应范围之外时,基于散斑自相关的成像方法会导致目标自相关信息在相关域发生混叠,导致成像严重退化。文中在光学记忆效应及散斑自相关成像基本原理的基础上,首先介绍了基于散斑自相关和与散斑相关成像有关的其他散射成像技术。接着介绍了拓展光学记忆效应的主要技术及相关应用。最后总结了基于散斑相关的宽视场成像技术目前存在的问题,并对未来的发展应用进行了展望。     

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。     

关于散射成像研究现状的一些思考（特邀）

透过散射介质的光学成像是人们长期追求但一直未能真正解决的问题。研究人员提出并发展了各种各样的方法和技术,从最早只利用弹道光的时间门和空间门技术,到后来利用了散射光的波前整形、散射矩阵测量和散斑自相关成像,再到近年热门的深度学习方法。尽管这些方法和技术都经过了毛玻璃、氧化锌薄膜、生物组织切片等薄散射介质的原理性验证,但随着介质厚度增加,所有方法和技术都迅速失效。厚度一直是难以克服的瓶颈。这篇评论归纳对比了散射成像的主要方法和技术,重新审视了经过散射介质波前被完全随机化等主流观点,分析了现有方法和技术无法透过厚散射介质成像的原因,并提出了未来有望真正解决问题的研究方向。     

透过高散射介质成像的超短脉冲激光电子学全息系统

分析了超短脉冲激光透过高散射介质的电子学全息成像原理;编制了数字再现和图像处理软件;结合ＣＣＤ摄像机、图像采集处理机,建立了一套完整的适于透过高散射介质成像的电子学全息系统;给出了实验结果,实验证明系统是可行的。     

Time-of-Flight透散射介质成像技术综述

Time-of-Flight (ToF)成像是利用光在目标和相机之间的飞行时间来获取场景的深度信息,具有体积小、成本低、实时成像等优势。在散射环境中,由于散射介质对光的散射作用,ToF成像受到多径干扰的影响,深度测量误差较大,限制了ToF相机在散射场景中的应用。ToF透散射介质成像技术是校正因散射光引起的多径干扰效应,从传感器接收到的混叠信号中分离出目标分量,实现散射场景中的深度信息恢复,其在雾天自动驾驶、水下勘测、生物医学等领域具有广阔的应用前景。依据ToF成像系统的不同,详细介绍了PL-ToF和CW-ToF成像的基本原理,阐述和分析了散射场景中ToF稳态成像和瞬态成像的机理和特点,分别回顾和总结了ToF稳态成像和瞬态成像的透散射介质成像研究现状,并介绍了ToF透散射介质成像的应用前景,最后依据现有ToF透散射介质成像技术的优缺点,对未来发展趋势进行了展望。     

基于平面波谱理论的目标散射特性近场成像方法

提出了在微波暗室内基于平面波谱展开理论重构目标散射二维图像的方法,探讨了该方法的成像原理,建立成像算法流程,最后通过了计算机数值仿真实验验证,仿真结果表明了方法的正确性和有效性.     

2.52THz离轴数字全息成像和焦平面成像特性比较

利用已搭建的2.52THz焦平面成像装置和离轴数字全息装置,通过分辨率测量和水印及铅笔字成像,研究了焦平面成像和离轴数字全息成像这两种面阵成像的性能。实验证明,常规的焦平面成像由于太赫兹波长较长,很难获得较高的成像分辨率,且成像效果受放置位置的影响严重;太赫兹离轴数字全息成像可以提高成像分辨率,但成像物体大小受系统分辨率制约;焦平面成像较离轴面阵数字全息成像更适于大目标低分辨率成像。     

用蒙特卡罗法研究高散射介质中的成像

用蒙特卡罗方法模拟了均匀介质中含有散射系数和吸收系数不同的物体时 ,物体的位置和大小对表面漫射强度时间响应函数的影响 ;在频率域分析了用幅度差和相位差成像时 ,物体位置和大小对成像质量的影响。结果表明相位的探测比幅度的探测灵敏 ,高频探测比低频探测灵敏 ;物体与光源的几何位置影响物体的像质 ,光源与物体共线时成像最灵敏 ,横向位置变化比纵向位置变化影响大 ;物体越大 ,成像效果越好 ,物体小到一定程度时 ,对幅度和相位的影响超出系统的探测能力 ,这决定成像系统的分辨率 ,它是诸多因素的综合     

数字成像时间平均全息振动分析

提出用时间平均数字全息与数字成像相结合的技术测量物体的振幅场,在时间平均数字全息光路中引入成像透镜,使时间平均数字全息技术适用于大尺寸物体的振动分析。阐述了该技术的基本理论,设计了测量光路,并用圆形压电陶瓷片作了实验验证。实验结果表明,在相同条件下,使用数字成像时间平均全息技术记录和再现的数字全息干涉图与使用传统的时间平均全息干涉计量技术记录和再现的全息干涉图相吻合,比较两者的振幅计算结果误差很小。     

透过随机散射介质成像的光学技术

本文综述了目前正在研究的各种医学成像光学技术，并了作者研究的“相干调制成像技术”。     

基于散斑理论重建光子相关谱信噪比判据

概述了现行的光子相关谱信噪比判据、建立过程及其不足。提出了动态光散射场的散斑场模型。讨论了动态光散射场中的散斑平均面积。利用统计方法重建了光子相关谱信噪比的散斑判据,并分析了散斑判据的物理意义。     

沉没在高散射介质中的吸收体和散射体的 扩散光子密度波取象

我们使用扩散光子密度波法研究了沉没在高散射介质中的吸收体和散射体的取象,并对含有吸收体和加入不同颜色染料的散射体的取象实验结果进行了比较和分析。从实验结果可以得出用扩散光子密度波法可以探测强散射介质中吸收体或散射体的存在、大小和形状;以及在强散射介质中的散射体内加入不同颜色的颜料时,散射信号会发生不同的变化。     

基于卷积核网格化二维近程微波全息

引入一种二维近程微波全息成像算法,该方法采集的散射数据不仅包括后向散还包括前向散射,对目标的入射场不做任何假设,完全由测量或仿真获得,具有较强抗噪声性能,成像分辨率较高,较适于近程成像。为了探讨算法在实际应用中的影响因素,利用FEKO 软件模拟目标散射场和入射场,验证了该算法能够获得高质量目标图像,比较和分析了不同扫描频率、扫描间隔以及天线位置的成像效果,为实际应用提供参考依据。针对该算法中外部干扰源等引起的混叠效应,提出利用卷积核网格化方法处理采集的散射数据来纠正网格。给出几种典型的卷积核函数,比较分析了它们的抗混叠性能,得出球谐函数是一种较优的卷积核函数,抗混叠较强。     

数字全息技术在温度场测量中的应用

温度的微小变化必然会引起空气折射率的微小变化,进而影响通过该区域光的相位。采用迈克耳孙干涉仪与数字全息技术相结合的技术方案,实现对温度场分布的测量。借助数字视频技术,该技术架构可直接推广用于测量透明介质的流场分布及变化过程,如气流或水流中的密度分布以及变化过程等。