基于间接波前整形的近红外二区荧光共聚焦成像研究 被引量：2

1

作者 谭天 史天悦 +1 位作者 吴长锋 彭洪尚 《中国光学（中英文）》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第1期150-159,共10页

生物组织散射引起的光学像差限制了光学系统的成像性能。本文研究了基于间接波前整形的近红外二区荧光共聚焦成像技术。首先,制备了高效率近红外二区荧光探针,降低该波段生物组织的散射有助于实现高对比度的活体组织成像。其次,研究了... 生物组织散射引起的光学像差限制了光学系统的成像性能。本文研究了基于间接波前整形的近红外二区荧光共聚焦成像技术。首先,制备了高效率近红外二区荧光探针,降低该波段生物组织的散射有助于实现高对比度的活体组织成像。其次,研究了基于间接波前测量的自适应光学方法,将间接波前整形技术应用于激光扫描共聚焦显微系统中,以实现对生物组织引起的光学像差的测量与补偿,获得生物组织的高信噪比成像。最后,对基于间接波前整形的近红外二区荧光共聚焦成像系统开展了相关实验。实验结果表明,本系统对空气平板、散射介质和小鼠颅骨等产生的像差具有良好的补偿效果,最终信号强度较初始值分别提升了1.47、1.95和2.85倍,显著提升了最终的成像质量。 展开更多

关键词 间接波前整形 近红外二区成像 共聚焦成像 活体实验

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自适应光学随机并行梯度下降算法波前整形规律仿真(英文) 被引量：7

2

作者 王卫兵 王挺峰 郭劲 《中国光学》 EI CAS 2014年第3期411-420,共10页

本文首先介绍了基于Zernike模式的SPGD算法对大气湍流畸变波前的整形原理,通过推导得到了关于性能指标的简明表达式,使SPGD算法收敛速率得到明显提升。然后建立了自适应光学随机并行梯度下降算法波前整形系统模型,主要对SPGD算法收敛速... 本文首先介绍了基于Zernike模式的SPGD算法对大气湍流畸变波前的整形原理,通过推导得到了关于性能指标的简明表达式,使SPGD算法收敛速率得到明显提升。然后建立了自适应光学随机并行梯度下降算法波前整形系统模型,主要对SPGD算法收敛速率、整形能力和整形效果随波前畸变量和变形镜模型的变化规律作了较为详细的仿真研究,整体定性结果表明：三者的变化规律有一定的相似性,同时利用最小二乘法得到了关于整形能力和整形效果变化规律的定量表达式,若从自适应光学波前整形系统的实时性和简单性考虑,在保证一定整形效果的情况下,选择37单元变形镜对畸变波前的3~27（25）阶Zernike像差进行整形即可。 展开更多

关键词 自适应光学波前整形 随机并行梯度下降算法 收敛速率 整形能力 整形效果

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基于超像素方法的多点可控波前整形研究 被引量：3

3

作者 赵杨 丁迎春 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第9期338-344,共7页

提出一种用于迭代优化波前整形的新算法,即将混合型非支配排序遗传算法与超像素方法结合,使用数字微镜对光场进行调制,以实现反射式波前整形的多点可控光聚焦。该方法的优势在于:一方面,在提高增强因子的同时保证多个聚焦点强度的均匀... 提出一种用于迭代优化波前整形的新算法,即将混合型非支配排序遗传算法与超像素方法结合,使用数字微镜对光场进行调制,以实现反射式波前整形的多点可控光聚焦。该方法的优势在于:一方面,在提高增强因子的同时保证多个聚焦点强度的均匀性可控,即所有焦点具有均匀的强度;另一方面,反射式波前整形的结构更有利于应用。为验证算法的功能,采用毛玻璃作为散射介质进行实验。实验结果表明,相较于基于超像素的遗传算法的实验,聚焦点的增强因子提高了24.12%,变异系数由13.3%降为4.2%。该研究为反射式波前整形多点光聚焦提供了一种新方法,在光遗传学和光捕获领域有潜在的应用价值。 展开更多

关键词 波前整形 混合型非支配排序遗传算法 反射式 多点可控 均匀性

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AO算法改善波前整形技术 被引量：3

4

作者 张峻玮 张艳珠 +1 位作者 陈勇 刘义杰 《激光与红外》 CAS CSCD 北大核心 2023年第12期1908-1915,共8页

光场调控中的波前整形技术解决了相干光透过无序散射介质聚焦问题,以迭代优化方法简化实验装置,以达到加强对漫射光的控制目的。引入AO算法对入射波前进行处理,实现对波前整形技术的改善。实验中进行了与标准粒子群算法(PSO)、灰狼算法(... 光场调控中的波前整形技术解决了相干光透过无序散射介质聚焦问题,以迭代优化方法简化实验装置,以达到加强对漫射光的控制目的。引入AO算法对入射波前进行处理,实现对波前整形技术的改善。实验中进行了与标准粒子群算法(PSO)、灰狼算法(GWO)这类群体智能优化算法的比较,AO算法改善后的波前整形技术具备更佳光学聚焦能力。研究表明,与标准粒子群算法和灰狼算法相比,经过AO算法改善后波前整形技术可得到更高的目标光强值,取得更好的散斑聚焦效果。 展开更多

关键词 AO算法 波前整形 散斑聚焦 优化算法

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一种通用的反馈式波前整形优化算法改进策略 被引量：3

5

作者 刘卉 朱香渝 +2 位作者 张晓雪 陈旭东 林志立 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第6期250-260,共11页

提出一种通用式突变算子用于增强反馈式波前整形系统的调控效率,进而实现激光透过散射介质后的高效聚焦。为验证该突变算子提高聚焦效率的有效性,在经典优化算法,包括遗传算法、粒子种群算法、蚁群算法、模拟退火算法等四种算法的基础... 提出一种通用式突变算子用于增强反馈式波前整形系统的调控效率,进而实现激光透过散射介质后的高效聚焦。为验证该突变算子提高聚焦效率的有效性,在经典优化算法,包括遗传算法、粒子种群算法、蚁群算法、模拟退火算法等四种算法的基础上引入突变算子,以优化结束后的增强因子和达到最高增强因子时的迭代周期数来表征聚焦效率。经过数值仿真和实验验证,该突变算子的引入使得四种经典优化算法的聚焦效率均得到大幅提升,增强因子提升了25%以上,同时迭代周期数减少了63%以上。当增加调控单元数量时,突变算子的高效性将更为显著。为进一步验证该突变算子的通用性,对二元振幅型调制以及多点聚焦进行了数值模拟分析,结果表明该突变算子有效增强了聚焦效率。该研究为反馈式波前整形的多种经典算法与多种调控方式提供了更高效的聚焦策略,实现了散射介质后更快更强的光斑聚焦,在光捕获、光遗传学等领域具有潜在的应用价值。 展开更多

关键词 光场调控 波前整形 优化算法 散射介质

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基于光学相位共轭的数字化波前整形技术 (特邀) 被引量：2

6

作者 沈乐成 梁瀚朋 +1 位作者 赵佳玉 罗嘉伟 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2022年第8期30-39,共10页

光在生物组织中传播时,会被微观尺度上不均匀的组织随机散射,这种现象严重制约了光学技术在生物医学中的应用。波前整形技术将散射过程当成一个确定性的过程,通过测量散射效应造成的相位延迟并利用空间光调制器进行逐点补偿,可以实现散... 光在生物组织中传播时,会被微观尺度上不均匀的组织随机散射,这种现象严重制约了光学技术在生物医学中的应用。波前整形技术将散射过程当成一个确定性的过程,通过测量散射效应造成的相位延迟并利用空间光调制器进行逐点补偿,可以实现散射光的操控与重新聚焦。在各类波前整形技术中,基于光学相位共轭的数字化波前整形技术具有可调控自由度高、系统响应速度快等优点,最适宜与生物医学应用相结合,如生物活体成像、操控、治疗等。文中将重点关注基于光学相位共轭的数字化波前整形技术的发展,探讨该技术在应用研发中面临的主要技术瓶颈和挑战,并概述其应用开展情况。 展开更多

关键词 波前整形 光学相位共轭 超声调制 生物成像

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遗传算法在激光整形中的应用 被引量：5

7

作者 王卫兵 赵帅 +1 位作者 郭劲 王挺峰 《激光与红外》 CAS CSCD 北大核心 2012年第10期1115-1119,共5页

同爬山算法相比,遗传算法具有全局优化能力,为了研究遗传算法的波前整形能力,利用32单元变形镜和12项Zernike多项式构成的畸变波前建立了激光波前整形系统仿真模型。基于Zernike多项式的单位正交性特点,得到了两个常数矩阵,简化了算法... 同爬山算法相比,遗传算法具有全局优化能力,为了研究遗传算法的波前整形能力,利用32单元变形镜和12项Zernike多项式构成的畸变波前建立了激光波前整形系统仿真模型。基于Zernike多项式的单位正交性特点,得到了两个常数矩阵,简化了算法的运算过程,加快了算法运行时间。然后分别对遗传1000,10000和100000代后的斯特列尔比和整形效果进行了模拟仿真,仿真结果为:进行100000代遗传后,遗传算法可分别将初始畸变波前的斯特列尔比从0.3771整形到0.9049,波前峰谷值从0.8078λ整形到0.3758λ,均方根从0.1572λ整形到0.0503λ,并且随着遗传代数的增加,斯特列尔比逐渐和整形效果均逐渐趋于最优,进一步表明遗传算法是一种优化逼近控制算法,可以通过对变形镜驱动电压的优化控制来实现波前整形,为遗传算法应用于波前整形技术中提供了理论依据。 展开更多

关键词 激光波前整形 遗传算法 仿真 ZERNIKE多项式 变形镜

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基于传输矩阵的公里级多模光纤计算成像技术(特邀)

8

作者 马梓豪 刘淏天 +2 位作者 叶建伟 徐毅 秦玉文 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2024年第9期235-242,共8页

多模光纤因其高通量的优点,成为短距光纤通信的重要传输介质之一。然而,不同模式在多模光纤的传输过程中会发生模式色散,导致输出端形成杂乱无序的散斑,无法直接通过简单的强度探测解调出输入信息。为解决这一问题,该研究探讨了基于传... 多模光纤因其高通量的优点,成为短距光纤通信的重要传输介质之一。然而,不同模式在多模光纤的传输过程中会发生模式色散,导致输出端形成杂乱无序的散斑,无法直接通过简单的强度探测解调出输入信息。为解决这一问题,该研究探讨了基于传输矩阵方法在公里级多模光纤上实现信息并行传输,结合精准传输矩阵测量及求逆,不仅成功实现了256阶灰度图像信息的高保真计算成像,而且实现了基于传输矩阵的公里级多模光纤视频传输,验证了该方法的准确性和有效性。实验结果表明:借助空间光波前调制手段,结合传输矩阵求逆方法,随机二维码和高清全彩视频传输的准确性均达到了100%,解调准确率优于传统的散斑相关散射矩阵方法。该研究的成果可为短距光纤通信、空间光通信和光学安全保密通信等领域的发展提供新的思路。 展开更多

关键词 多模光纤 传输矩阵 波前整形 计算成像

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基于Zernike模式的随机并行梯度下降算法的收敛速率 被引量：6

9

作者 王卫兵 赵帅 +1 位作者 郭劲 王挺峰 《中国光学》 EI CAS 2012年第4期407-415,共9页

为了加快控制变形镜进行波前整形的随机并行梯度下降(SPGD)算法的收敛速率,提高实时波前整形能力,本文利用由12阶Zernike多项式构成的畸变波前和32单元变形镜建立了仿真模型。基于Zernike多项式的单位正交性,得到了两个常数矩阵,当斯特... 为了加快控制变形镜进行波前整形的随机并行梯度下降(SPGD)算法的收敛速率,提高实时波前整形能力,本文利用由12阶Zernike多项式构成的畸变波前和32单元变形镜建立了仿真模型。基于Zernike多项式的单位正交性,得到了两个常数矩阵,当斯特列尔比(SR)达到0.8时,需要算法迭代660次,简化了算法的运算过程,加快了算法运行时间。通过Matlab7.8.0对6种SPGD算法进行仿真对比,结果显示:当SR要求不高时,可使用间接固定双边SPGD算法来提高收敛速度;当SR要求较高时,则应当使用间接自动双边SPGD算法。提出的算法为实际的激光整形提供了理论指导。 展开更多

关键词 波前整形系统 随机并行梯度下降算法 仿真 ZERNIKE多项式 变形镜

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关于散射成像研究现状的一些思考 (特邀) 被引量：3

10

作者 刘红林 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2022年第8期1-3,共3页

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... 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。 展开更多

关键词 透过散射介质成像 弹道光 散射光 波前整形 散斑自相关成像 深度学习

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随机并行梯度下降算法性能与变形镜排布规律的关系研究 被引量：2

11

作者 陈惠颖 王卫兵 +1 位作者 王挺峰 郭劲 《中国光学》 EI CAS CSCD 2016年第4期432-438,共7页

对随机并行梯度下降算法(SPGD)性能与不同变形镜排布规律的关系进行了研究。以采用Roddier方法生成的由52项Zernike像差构成的畸变波前为整形对象,对SPGD算法的收敛速率和整形效果与变形镜排布规律(单元数分别为19、21、32、37、45、60... 对随机并行梯度下降算法(SPGD)性能与不同变形镜排布规律的关系进行了研究。以采用Roddier方法生成的由52项Zernike像差构成的畸变波前为整形对象,对SPGD算法的收敛速率和整形效果与变形镜排布规律(单元数分别为19、21、32、37、45、60、61、77、91)之间的关系进行了仿真研究。结果表明:从整体分析,随着变形镜单元数逐渐增多,SPGD算法的收敛速率和整形效果均逐渐变差;从局部分析,由于变形镜元胞类型变化和边缘占空比的影响,在渐变规律中产生了局部差异。 展开更多

关键词 波前整形 随机并行梯度下降算法 变形镜

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计算光学成像在散射中的应用 被引量：10

12

作者 郑珊珊 杨婉琴 司徒国海 《红外与激光工程》 EI CSCD 北大核心 2019年第6期53-67,共15页

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... 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。 展开更多

关键词 散射成像 波前整形 散斑相关 深度学习

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一种非侵入式散射介质内聚焦方法

13

作者 田冰心 韩军 +1 位作者 刘丙才 龚昌妹 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2021年第12期226-232,共7页

针对现有非侵入式聚焦技术存在计算复杂、抗噪性能低、优化速度慢等问题,提出一种基于波前整形的非侵入式散射介质内聚焦技术。该技术利用荧光目标的线性激发特性,通过最大化荧光散斑的强度和对比度的线性组合,利用空间光调制器优化外... 针对现有非侵入式聚焦技术存在计算复杂、抗噪性能低、优化速度慢等问题,提出一种基于波前整形的非侵入式散射介质内聚焦技术。该技术利用荧光目标的线性激发特性,通过最大化荧光散斑的强度和对比度的线性组合,利用空间光调制器优化外部输入激光的波前相位,实现输入光在散射介质内的聚焦。实验结果表明,该方法实现了散射介质内对单个目标粒子的聚焦,且具有收敛速度快、抗噪性强的特点,为复杂介质内的无创成像提供了一种新的实现途径,并有望在生命科学领域得到广泛应用。 展开更多

关键词 聚焦 非侵入式 波前整形 荧光散斑 散射

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透过散射介质聚焦时背景噪声抑制的实验研究 被引量：2

14

作者 刘宇 黄建华 +2 位作者 赵传江 郭翠霞 黄峰 《光子学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2023年第1期240-248,共9页

针对波前整形的背景噪声问题,提出了一种有效抑制背景噪声的算法。首先搭建闭环波前整形聚焦系统,并基于传统遗传算法进行聚焦实验以验证系统的有效性。然后从增强信噪比的目的出发,提出与以往的多目标优化遗传算法不同的迭代方法,即采... 针对波前整形的背景噪声问题,提出了一种有效抑制背景噪声的算法。首先搭建闭环波前整形聚焦系统,并基于传统遗传算法进行聚焦实验以验证系统的有效性。然后从增强信噪比的目的出发,提出与以往的多目标优化遗传算法不同的迭代方法,即采用增强倍数而不是绝对强度的判别式来评估目标点的聚焦质量。实验结果表明,改进后的遗传算法将显著噪点亮斑的面积减少了70.4%,聚焦光斑的圆度由0.83提升到0.93。基于实验结果提出背景平均光强与调控面积之间的量化关联模型,并通过量化关联模型对统计实验数据进行拟合,验证了该模型的有效性,实现对聚焦后背景噪声的定量表述。 展开更多

关键词 光场调控 波前整形 反馈优化算法 散射介质 光聚焦 背景噪声

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