PhotoniX 论文集锦：计算成像与显示专题

NO.1 

Different channels to transmit information in scattering media

自匹配光源编码的散射介质信息传递微通道

作者

张栩瑜、高敬敬、甘雨、宋纯元、张大伟*、庄松林、韩申生、赖溥祥*、刘红林*

单位

中国科学院上海光学精密机械研究所，上海理工大学光电信息与计算机工程学院，中国科学院大学材料科学和光电技术学院，中国科学院大学杭州高等研究院，香港理工大学生物医学工程系，香港理工大学深圳研究院，香港理工大学光子技术研究院

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PhotoniX4, 10 (2023). https://doi.org/10.1186/s43074-023-00087-3

概述

尽管散射介质结构复杂，光在其中的传播无法追迹，传递过程无法准确描述，仍然存在解构散射介质的可能。通过以深度学习作为信息解构的工具，本研究发现除了整体信道，散射介质的复杂微结构还会构成新的信道，完成图像信息的传递，而不同的照明（即信源编码）方式会自动激发对应的信道，也就是说散射介质能自动完成信道的切换。这一现象迥异于透镜、光阑等传统光学信道，它们不管照明方式如何改变，信道的结构不发生变化。基于此，未来我们有望更深入理解信息在散射介质内传递的具体过程，从而为透散射介质成像问题找到根本性解决方案。同时研究也再次确定深度学习可以作为强大的工具探索复杂系统的物理机制和规律，而不仅仅是复杂系统的近似模拟，这极大了拓展了深度学习可能的应用范围，也将激发对深度学习的物理模型和机理的探索。

NO.2

Continuous optical zoom microscope with extended depth of field and 3D reconstruction

景深扩展和三维重构的连续光学变焦显微镜

作者

刘超，江钊，王鑫，郑奕，郑义微，王琼华*

单位

北京航空航天大学

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PhotoniX3, 20 (2022). https://doi.org/10.1186/s43074-022-00066-0

概述

显微镜被誉为打开微观世界大门的钥匙。自显微镜诞生以来，放大倍率一直是衡量显微镜功能的一项重要指标，目前广泛使用的显微物镜均依靠更换镜头的方式实现倍率切换，倍率切换后，需重新调整待测样本位置，大大限制了显微观测的稳定性、适应性和实时性。近日，北京航空航天大学王琼华教授研究团队提出了一种基于液体透镜的连续光学变焦显微镜，可通过电压调制液体透镜焦距实现显微倍率的连续变化。同时，提出了一种改进型形状聚焦和图像融合算法，并利用液体透镜调节显微镜轴向聚焦位置，获得样本不同深度的图像，进而实现样本的景深扩展和三维重建。该显微镜具有无机械移动、响应快速、功耗低等优点，有望应用于病理诊断、生物检测等领域。该成果以“Continuous optical zoom microscope with extended depth of field and 3D reconstruction”为题发表在国际顶尖学术期刊 PhotoniX 上。

NO.3

From compressive sampling to compressive tasking: retrieving semantics in compressed domain with low bandwidth

关于计算成像前景的深度思索

从压缩采样到压缩解译：低带宽的压缩域语义信息提取

作者

张志宏，张博，袁鑫，郑巳明，苏雄飞，索津莉* , David J. Brady，戴琼海*

单位

清华大学、西湖大学

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PhotoniX3, 19 (2022). https://doi.org/10.1186/s43074-022-00065-1

概述

单曝光压缩成像（Snapshot Compressive Imaging，SCI）和视觉语义信息解译（Semantic Computer Vision，SCV）分别是计算成像和计算机视觉领域的两项重要课题。单曝光压缩成像旨在基于压缩感知原理实现低带宽、高通量的视觉信息采集，而视觉语义信息解译则关注如何从视觉数据中提取高层语义信息，辅助智能决策。近期，清华大学戴琼海院士团队的索津莉副教授课题组和西湖大学袁鑫副教授课题组合作，在PhotoniX 期刊发表综述论文“From compressive sampling to compressive tasking: retrieving semantics in compressed domain with low bandwidth”。文中，作者分析了高通量视觉数据采集和语义信息解析的瓶颈，总结了目前单曝光压缩成像技术的硬件系统和重建算法的发展现状，并提出了一种新的结合单曝光压缩成像技术和视觉语义信息解译任务的端到端联合框架，以期跨过传统的“先重建、再解译”流程，直接在压缩域实现低带宽、高效率的高通量视觉语义信息解析。该框架为计算成像和计算机视觉技术的融合提供了新思路，期待能启发两个不同方向的研究团体提出新的研究方向。

NO.4

Dual-plane coupled phase retrieval for non-prior holographic imaging

 基于双平面耦合相位恢复的无先验全息成像

作者

黄郑重，Pasquale Memmolo，Pietro Ferraro*，曹良才*

单位

清华大学，意大利国家科学委员会应用科学与智能系统研究所

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PhotoniX3, 3 (2022). https://doi.org/10.1186/s43074-021-00046-w

概述

数字全息成像通过引入参考光干涉，利用计算方法重构原始物光波，可对光与物质相互作用进行定量分析，目前已广泛应用在生医成像、缺陷检测、形貌测量等领域。全息成像的带宽受限于系统数值孔径与相机的采样频率。离轴全息和同轴全息是两种典型的全息成像模式，离轴模式具有复振幅求解的数学完备性，但不能充分利用相机的像素带宽；同轴模式可充分利用像素采样带宽，实质是已知衍射强度图下的光学目标重建，性能受制于迭代投影面数目、初始相位、先验假设等信息。近日，清华大学曹良才教授课题组联合意大利国家科学委员会应用科学与智能系统研究所Pietro Ferraro教授团队，将同轴全息与离轴全息结合，利用离轴最优化初始相位，实现了快速、无先验、全带宽的定量相位测量，该研究内容于2022年1月以Dual-plane coupled phase retrieval for non-prior holographic imaging为题发表于 PhotoniX 上。

NO.5 

Smart computational light microscopes (SCLMs) of smart computational imaging laboratory (SCILab)

智能计算光学显微镜

作者

范瑶，李加基，卢林芃，孙佳嵩，胡岩，张佳琳，李卓识，沈茜，王博文，张润南，陈钱*，左超*

单位

南京理工大学

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PhotoniX2, 19 (2021). https://doi.org/10.1186/s43074-021-00040-2

概述

南京理工大学的智能计算成像实验室（SCILab: www.scilaboratory.com）致力于研发新一代计算成像与传感技术，在国家重大需求牵引及重点项目支持下开展新型光学成像的机理探索、工程实践以及先进仪器的研制工作，并开拓其在光学显微、光学计量、生命科学、生物医药、智能制造、遥感监测以及军事国防领域的前沿应用。通过多年不懈努力，实验室研制出了四台基于计算成像原理的“智能计算光学显微镜，smart computational light microscopes（SCLMs）”。它们由一系列先进前沿的计算光学显微成像技术所赋能，不仅可以对未染色的样品进行多模态观察，还可以定量地获取其三维形貌数据，实现实时、动态、高精度、多维度的定量检测与数据分析。该研究成果以Smart computational light microscopes (SCLMs) of smart computational imaging laboratory (SCILab)为题发表在 PhotoniX 。该文章从基本原理与工程实现的角度对这四台智能计算光学显微镜进行了全方位的介绍与剖析，并展示了它们在生物医学成像与工业测量方面的典型应用。南京理工大学为本文的第一通讯单位，范瑶、李加基、卢林芃、孙佳嵩为论文的共同第一作者，南京理工大学陈钱、左超教授为论文的共同通讯作者。

NO.6 

Domain multiplexed computer-generated holography designed by wavevector filtering embedded algorithm

基于嵌入波矢滤波算法设计的“域”复用计算全息图

作者

武霖，张紫阳*

单位

西湖大学

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PhotoniX2, 1 (2021). https://doi.org/10.1186/s43074-020-00023-9

概述

西湖大学张紫阳教授课题组于2021年1月5日在PhotoniX最新发表了题为“Domain multiplexed computer-generated holography designed by wavevector filtering embedded algorithm”的研究论文。该工作首先在传统计算全息迭代Gerchberg–Saxton（GS）算法中加入了数值波矢滤波的功能，在每一次迭代所产生的相位图中过滤目标图片的高频分量，大幅提升了全息图的清晰度，而无需在光路中使用任何的实体滤波器件。另外，基于对光的不同描述，一束光可以被分解为不同位置的球面波或者不同传播方向的平面波（如图1所示），该工作证明，这两种不同的分解方式也可以复用起来，实现光经过同一个相位片后，在这两种分解域呈现出不同图片的功能！而且，这两幅图片之间的切换仅需做一次光学傅里叶变换，即插入一个普通透镜！该全息图复用技术是对目前常见的空间复用，波长复用和偏振复用方法的一种新的补充，并可以与现有技术同时使用，从而增加复用信道，在多维成像、信息安全、全光计算等领域具有潜在的应用价值。