Wei Yin 1,2,3†Yuxuan Che 1,2,3†Xinsheng Li 1,2,3Mingyu Li 1,2,3[ ... ]Chao Zuo 1,2,3,****
Author Affiliations
Abstract
1 Smart Computational Imaging Laboratory (SCILab), School of Electronic and Optical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China
2 Smart Computational Imaging Research Institute (SCIRI) of Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210019, China
3 Jiangsu Key Laboratory of Spectral Imaging & Intelligent Sense, Nanjing 210094, China
4 Department of Electrical and Electronic Engineering, The University of Hong Kong, Pokfulam, Hong Kong SAR 999077, China
Recently, deep learning has yielded transformative success across optics and photonics, especially in optical metrology. Deep neural networks (DNNs) with a fully convolutional architecture (e.g., U-Net and its derivatives) have been widely implemented in an end-to-end manner to accomplish various optical metrology tasks, such as fringe denoising, phase unwrapping, and fringe analysis. However, the task of training a DNN to accurately identify an image-to-image transform from massive input and output data pairs seems at best na?ve, as the physical laws governing the image formation or other domain expertise pertaining to the measurement have not yet been fully exploited in current deep learning practice. To this end, we introduce a physics-informed deep learning method for fringe pattern analysis (PI-FPA) to overcome this limit by integrating a lightweight DNN with a learning-enhanced Fourier transform profilometry (LeFTP) module. By parameterizing conventional phase retrieval methods, the LeFTP module embeds the prior knowledge in the network structure and the loss function to directly provide reliable phase results for new types of samples, while circumventing the requirement of collecting a large amount of high-quality data in supervised learning methods. Guided by the initial phase from LeFTP, the phase recovery ability of the lightweight DNN is enhanced to further improve the phase accuracy at a low computational cost compared with existing end-to-end networks. Experimental results demonstrate that PI-FPA enables more accurate and computationally efficient single-shot phase retrieval, exhibiting its excellent generalization to various unseen objects during training. The proposed PI-FPA presents that challenging issues in optical metrology can be potentially overcome through the synergy of physics-priors-based traditional tools and data-driven learning approaches, opening new avenues to achieve fast and accurate single-shot 3D imaging.
optical metrology deep learning physics-informed neural networks fringe analysis phase retrieval 
Opto-Electronic Advances
2024, 7(1): 230034
弓箭 1陈谦 1李阳 1,*马梦恩 2[ ... ]麦耀华 2
作者单位
摘要
1 五邑大学 智能制造学部, 广东 江门  529020
2 暨南大学 物理与光电工程学院, 广东 广州  510632
钙钛矿太阳能电池仅用十年左右的时间将效率提升至认证的26.1%,非常接近晶硅太阳能电池26.81%的认证效率,展现出巨大的产业化潜力。当前,钙钛矿太阳能电池器件效率还在提升,然而在器件制备过程中,钙钛矿太阳能电池的性能受到许多不可分割的因素影响,传统方法往往采用试错的方式来优化钙钛矿太阳能电池的制备工艺,花费了大量的时间。贝叶斯优化是一种全局优化算法,在解决人工智能的黑盒问题方面取得了很大的成功。本文利用贝叶斯优化算法对钙钛矿层涉及到的碘化铅(PbI2)过量百分比、退火温度、退火时间、真空萃取时间四个工艺参数进行优化选择,显著降低了研发成本,缩短了研发时间。通过五轮实验迭代,累计34组工艺条件,制备出了器件效率为23.56%的反型钙钛矿太阳能电池。
钙钛矿太阳能电池 机器学习 工艺优化 高效率 perovskite solar cells machine learning process optimization high efficiency 
发光学报
2024, 45(3): 399
马海钢 1,2,3,*吴家辉 1,2,3朱亚辉 1,2,3魏翔 1,2,3[ ... ]左超 1,2,3,**
作者单位
摘要
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院智能计算成像实验室(SCILab),江苏 南京 210094
2 南京理工大学江苏省光谱成像与智能感知重点实验室,江苏 南京 210094
3 南京理工大学智能计算成像研究院(SCIRI),江苏 南京 210019
光声显微成像(PAM)是一种具有无损、多功能、高分辨率等特点的生物医学成像技术,通过检测光声信号进行图像重建可实现高分辨率和高深度的结构和功能成像,在生命科学、基础医学和医疗诊断中发挥着越来越重要的作用。首先概述光声显微技术的发展背景和原理特点,然后对利用光学增强、声学增强、人工智能增强及光学与声学互补的光声显微成像术促进成像性能提升的方法进行论述,最后讨论当前光声显微技术在生物医学研究中的广泛应用,并对未来技术的发展趋势进行展望。
生物医学影像 光声显微成像 高分辨 多功能 无损 
激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618006
金子蘅 1,2,3徐可 1,2,3张宁远 1,2,3邓潇 1,2,3[ ... ]冯世杰 1,2,3,*
作者单位
摘要
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院智能计算成像实验室,江苏 南京 210094
2 南京理工大学智能计算成像研究院,江苏 南京 210019
3 南京理工大学江苏省光谱成像与智能感知重点实验室,江苏 南京 210094
近年来,深度学习技术广泛应用于计算光学三维成像的研究中。在条纹投影轮廓术中,通过训练深度学习网络,可从单幅条纹图像中恢复高精度的相位信息。然而,为了训练神经网络模型,通常需要耗费大量的时间成本和人力成本来采集训练数据集。为了解决该问题:首先,建立数字孪生条纹投影系统,并利用域随机化技术对虚拟照明光栅进行增强,使用计算机进行虚拟扫描,生成大量仿真光栅条纹图像;其次,利用仿真光栅图像对U-Net神经网络进行预训练;最后,引入迁移学习,采用少量真实光栅条纹图像对神经网络进行参数微调。由于U-Net的结构特殊性,提出并分析了“从左至右”“从上至下”“全局微调”等3种U-Net神经网络微调策略。实验结果表明,采用“从上至下”策略微调U-Net“瓶颈”网络模块的方法可获得最佳的迁移学习结果,神经网络的相位预测精度可得到显著提升。相比于使用大量真实数据进行训练,所述方法仅利用20%的数据就可训练神经网络获得高精度的相位重建结果。
计算成像 条纹投影 深度学习 迁移学习 条纹分析 
激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211024
李晟 1,2,3王博文 1,2,3管海涛 1,2,3梁坤瑶 1,2,3[ ... ]左超 1,2,3,**
作者单位
摘要
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院,智能计算成像实验室(SCILab),江苏 南京 210094
2 南京理工大学智能计算成像研究院(SCIRI),江苏 南京 210019
3 江苏省光谱成像与智能感知重点实验室,江苏 南京 210094
4 陆军装备部驻南京军事代表处,江苏 南京 210024
光学合成孔径探测 计算成像 超分辨 傅里叶叠层 非相干合成孔径 远场成像 optical synthetic aperture detection computational imaging super resolution Fourier ptychography incoherent synthetic aperture far-field imaging 
光电工程
2023, 50(10): 230090
作者单位
摘要
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
2 北京卫星制造厂有限公司, 北京 100094
9-芴酮是一种典型的含氧多环芳烃, 是多环芳烃含羰基官能团的衍生物。 含氧多环芳烃可以通过母体的直接光解或氧化而形成。 9-芴酮是一种廉价、 无毒的光催化剂, 并且, 通过时间分辨红外光谱和共振拉曼光谱可以将具有芳香羰基的9-芴酮作为研究光化学过程的原型分子。 此外, 由于9-芴酮是具有良好偶极矩的含氧多环芳烃, 它有望作为射电天文学研究的重要目标, 可以为确认深空多环芳烃的存在和揭示星际介质化学的内涵提供新的有效途径。 目前, 9-芴酮的纯转动光谱已逐渐在毫米波和微波范围内捕获。 本次工作的目标是扩大9-芴酮在微波C波段(4~8 GHz)的实验室观测范围, 进一步支持该分子和其他多环芳烃的天体物理研究。 具体而言, 在微波C波段, 利用具有加热电磁阀气体脉冲喷嘴的宽带啁啾脉冲傅里叶变换微波光谱仪(cp-FTMW)对潜在的天体物理分子(9-芴酮)进行了研究。 精确测量并归属了9-芴酮的27个全新的b类型纯转动跃迁。 将实验数据与微波数据结合进行拟合, 得到了9-芴酮的精确转动常数: A=1 445.884 739 29(10)MHz, B=584.871 673 6(71)MHz, C=416.550 607 8(81)MHz。 将测定的9-芴酮的光谱数据与各种理论计算和较高微波频率的实验结果进行了比较, 此次结合拟合的转动常数的精度有了明显提高。 可见, 结合新测量数据与现有的微波区转动数据进行全局拟合分析, 不仅有利于对基态结构的准确表征, 也为此类分子的计算研究提供了基础。 9-芴酮在振动基态下的新的转动跃迁的准确观测, 也为在深空寻找多环芳烃分子提供了更多的光谱数据, 将促进天体物理领域对多环芳烃的更广泛探索。 这项工作也证明了cp-FTMW谱仪利用加热喷嘴检测超音速喷射膨胀中非挥发分子的能力。
天体物理学 多环芳烃 9-芴酮 转动光谱 微波 Astrophysical Polycyclic aromatic hydrocarbon 9-fluorenone Rotational spectrum Microwave 
光谱学与光谱分析
2023, 43(6): 1988
邱娅璐 1,2高鹏 1,2,*何江 1,2,3陈谦 1,2王艳 1,2
作者单位
摘要
1 四川省原子能研究院成都 610101
2 辐照保藏四川省重点实验室成都 610101
3 成都理工大学,核技术与自动化工程学院成都 610059
为了建立川芎指纹图谱,考察不同剂量60Co-γ辐照对川芎8种有效成分的影响,以川芎为材料,采用SHIMADZU Shim-pack GIST C18色谱柱(250 mm×4.6 mm,5 μm)对8种有效成分的标准品和对照品储备液进行分析。设定不同剂量(3 kGy、6 kGy、10 kGy、15 kGy)60Co-γ辐照处理川芎,处理后样品通过液相色谱法得到指纹图谱。采用《中药色谱指纹图谱相似度评价系统(2004A版)》对相似度进行评价。结果表明:川芎各成分相似度均大于0.988;在低于10 kGy的射线辐照处理后,川芎的8种有效成分含量无明显差异。结果表明该方法稳定可靠。该研究为辐照技术在川芎品质保障及川芎药材辐照标准的制定提供理论依据和支撑。
川芎 60Co-γ辐照 有效成分 指纹图谱 Ligusticum chuanxiong 60Co-γ irradiation Active ingredients Fingerprints 
辐射研究与辐射工艺学报
2023, 41(5): 050303
作者单位
摘要
南京理工大学 电子工程与光电技术学院,南京 210094
针对图像增强算法中普遍存在暗部区域细节丢失、亮部区域过度增强等问题,提出了基于自适应截断模拟曝光和深度融合的增强算法。对原始低照度图像进行模拟曝光,通过卷积网络学习曝光序列对应的权重图并在网络内部实现加权融合,获得增强结果。在生成模拟曝光序列的过程中,对图像进行亮暗区域分割,然后对其进行截断性自适应伽马校正,最后通过引导滤波降噪获得合适的曝光序列。获得多曝光序列后,通过基于空洞卷积的上下文聚合网络,实现快速灵活地加权融合,得到最终增强结果。收集了大量公开数据集,并使用微光夜视相机和三通道真彩色相机收集了实验室环境测试集,在不同数据集上和经典主流算法进行了对比实验。实验结果表明,本算法的NIQE、PSNR和SSIM指标都是最好的,其中NIQE降低了4.49%,PSNR提高了4.28%,SSIM提高了1.94%。此外,算法的色彩还原效果也很好,色差指标是所有算法中最小的,在8.71×10-2 lx照度下,本算法色差减小了14.83%,在1.02×10-2 lx下减小了3.05%。本文算法可以明显提高图像亮度和对比度,鲁棒性较好,不会产生过度增强现象,有效恢复图像细节的同时兼顾色彩信息,增强结果真实自然。
彩色夜视 图像增强 自适应曝光 曝光融合 卷积神经网络 图像质量评价 Color night vision Image enhancement Adaptive exposure Exposure fusion Convolutional neural networks Image quality assessment 
光子学报
2023, 52(9): 0910002
Author Affiliations
Abstract
We propose a high-accuracy artifacts-free single-frame digital holographic phase demodulation scheme for relatively low-carrier frequency holograms—deep learning assisted variational Hilbert quantitative phase imaging (DL-VHQPI). The method, incorporating a conventional deep neural network into a complete physical model utilizing the idea of residual compensation, reliably and robustly recovers the quantitative phase information of the test objects. It can significantly alleviate spectrum-overlapping-caused phase artifacts under the slightly off-axis digital holographic system. Compared to the conventional end-to-end networks (without a physical model), the proposed method can reduce the dataset size dramatically while maintaining the imaging quality and model generalization. The DL-VHQPI is quantitatively studied by numerical simulation. The live-cell experiment is designed to demonstrate the method's practicality in biological research. The proposed idea of the deep learning-assisted physical model might be extended to diverse computational imaging techniques.
quantitative phase imaging digital holography deep learning high-throughput imaging 
Opto-Electronic Science
2023, 2(4): 220023
作者单位
摘要
南昌航空大学无损检测技术教育部重点实验室,江西 南昌 330063
介绍了一种基于螯合剂功能化的拉锥光纤传感器,用于定量检测低浓度重金属铅离子Pb2+。该传感器由单模和四芯光纤制成,并对中间四芯光纤进行拉锥到直径15 μm。在此基础上,使用乙二胺四乙酸(EDTA)作为金属螯合剂固定在拉锥四芯光纤传感器表面,从而实现对铅离子Pb2+的高灵敏度检测。实验结果表明,该传感器对重金属铅离子Pb2+检测限为1 ng/mL。此外,该传感器具有良好的稳定性,以及制备工艺简单和响应速度快等优点。
锥形光纤 传感器 乙二胺四乙酸 Pb2+检测 
激光与光电子学进展
2023, 60(11): 1106025

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