提出一种基于偏振比检测和支持向量机的颗粒物实时检测与分类方法。采用双波长的半导体激光器作为光源，使用高灵敏度的雪崩光电二极管分别测量散射光的两个偏振分量，计算出单个颗粒散射光的偏振比，从而实现颗粒分类与识别。结合支持向量机算法与神经网络模型可进一步提升颗粒物的分类精度。针对所研究的二元及三元分类场景，分类精度分别由64%和83%提升至100%和98%。该方法在制药、化妆品以及工业生产控制与检测等领域具有很好的应用前景。
光散射 偏振比 支持向量机 颗粒检测 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0412007
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
随着生物医学研究对复杂组织结构和功能的深入探索，高分辨率、高信噪比的深组织成像技术变得愈加重要。传统的显微镜技术往往局限于二维、透明的生物薄样本的观测，这在很大程度上无法满足当前生物医学领域对三维深组织体成像的研究需求。光片荧光显微镜凭借其低光损伤、高采集速率、大视场、体成像等优点被生物学家广泛使用。然而，生物组织固有的高散射特性仍然为深层成像带来了巨大的挑战。本文重点介绍了光片荧光显微成像技术在深组织成像领域的最新进展，特别是应对高散射样本挑战的解决策略，旨在为相关领域的研究人员提供有价值的参考，助力其对该前沿技术的最新进展和应用前景的理解。首先，阐述了光片荧光显微镜的基本原理和高散射吸收特性的形成原因及影响；然后，进一步阐明了增加组织穿透深度、应对光散射和吸收等问题的最新进展；最后，探讨了具有大穿透深度和强抗散射能力的光片荧光显微成像技术的发展前景以及潜在应用。
荧光显微 光片照明 深组织成像 三维成像 光学散射 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211010
1 北京科技大学数理学院, 北京 100190
2 中国人民解放军总医院神经外科医学部, 北京 100853
针尖增强拉曼散射技术是一种具有高灵敏、高空间分辨率的表征技术, 作为非接触式无损检测系统, TERS已逐渐成为了许多学科领域的研究热点。本文介绍了TERS技术原理与金属针尖的特点, 对TERS技术在物质和生命科学的研究进展进行了综述, 并对TERS技术在教学科研与学科交叉方面的应用进行了分析, 探讨了TERS技术在化学、物理、生物医学和学科教研融合方面的应用。这些研究进展为TERS技术在物质科学研究以及教育科研中的应用提供了重要的参考, 有助于推动TERS技术进一步的发展和应用。
针尖增强拉曼光谱 光学散射 无损检测 tip-Enhanced Raman Spectroscopy optical scattering non-destructive detecting
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 国科大杭州高等研究院基础物理与数学科学学院, 浙江 杭州 310024
在空间引力波探测的超长臂干涉测量过程中，杂散光问题长期以来受到广泛关注。一方面，本地干涉仪发出的激光通过望远镜时会产生后向相干杂散光。另一方面，在轨情况下，来自空间的环境辐射入射到航天器还会产生前向非相干杂散光。一直以来，前向非相干杂散光受到的关注较少，然而却是空间引力波望远镜设计必须要考虑的因素。因此，本文对空间引力波探测望远镜在轨情况下产生的杂散光进行测量与抑制。首先，根据太极计划三星卫星编队的轨道数据对全年太阳角进行计算，对1064 nm波段附近的太阳辐射进行评估，推导了遮光罩投影函数，最终给出遮光罩设计指标。然后，对望远镜进行光学与机械建模，并对关键光学元件进行散射测量。最后，根据入射太阳光能量对到达望远镜出瞳的杂散光进行计算。结果表明：当入射光与光轴夹角为60°时，出瞳处的杂散辐射可达到3.9×10−12 W，对应点源透射比为8.7×10−9，满足空间引力波探测超低杂散光的需求。
空间引力波探测 杂散光 散射光学 spaceborne gravitational wave detection optical scattering stray light 赵景怡 1,2,3,4赵茂雄 1,2,3,4,*石磊 1,2,3,4,**资剑 1,2
1 复旦大学应用表面物理国家重点实验室，上海 200433
2 复旦大学微纳光子结构教育部重点实验室，上海 200433
3 上海微纳制程智能检测工程技术研究中心，上海 200433
4 复旦大学-光检测与光集成校企联合研究中心，上海 200433
光谱是物质的光学指纹信息，是研究光与物质相互作用的重要手段。角度分辨光谱技术是对光谱在角度维度的进一步解析，能够分辨光的强度、偏振态和相位等信息，从而在生物医学、材料科学和微纳光子学等研究领域得到广泛应用。为了实现角度分辨光谱，目前已经开发了多种实验系统，并涌现出了大量数据处理算法。本文将介绍角度分辨光谱的生成方法、数据处理技术及其在不同研究领域中的应用。
角度分辨光谱 光学逆散射问题 光学散射成像 光学特征尺寸 缺陷检测 光学学报
2023, 43(16): 1623016
红外与激光工程
2022, 51(9): 20210825
湘潭大学 物理与光电工程学院, 湘潭 411105
近年来, 随着神经网络的发展, 多种光电神经网络框架相继提出, 在图像和语音处理等方面表现出强大的应用潜力。设计一种新型的基于透明介质成像的光学散射神经网络框架。描述透明介质双向散射传播的物理特性, 采用多层堆叠散射介质构建神经网络单层智能单元, 并利用非线性光电材料薄膜实现非线性激活, 级联单层智能单元构建深度网络物理模型; 根据双向散射物理模型构造对应的双向数字复值神经网络, 并根据复值求导链式法则推导数字权重更新的后向传播算法,其复值网络权重参数通过调控散射介质的物理参数来实现; 在MNIST数据集上验证其智能分类的有效性。
透明散射成像 光学散射矩阵 双向复值神经网络 后向传播算法 transparent scattering imaging optical scattering matrix bidirectional complex-valued neural network backpropagation algorithm
1 国防科技大学文理学院, 湖南 长沙 410073
2 国防科技大学气象海洋学院, 湖南 长沙 410073
散射体内部颗粒分布及折射率分布的不均匀对经过散射体的携带目标信息的光子传播造成干扰,导致直接探测的图像失真。针对该问题,发展了众多的光学散射成像技术,实现了部分特定散射介质条件下的目标成像。介绍了基于弹道光子优化采集的部分传统散射成像技术的原理,还介绍了最新发展的计算散射成像技术的基本原理与技术特点。计算散射成像技术正朝着充分利用大光学厚度散射介质引起的非弹道光子的方向发展,其中基于光学记忆效应和相位恢复的算法、相干衍射成像、叠层迭代引擎等计算成像技术可能适应厚散射介质动态变化、目标非稀疏性等特点,有望应用于宽视场、远距离散射成像领域。
图像处理 光学散射成像 弹道光采集 非弹道光成像 宽视场 远距离 非稀疏性
1 中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院, 北京 100083
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所精密仪器与装备研发中心, 吉林 长春 130033
3 中国科学院大学, 北京 100049
针对当前水驱开发油田井下注入水的颗粒度难以实现外场在线检测的技术难题,设计了一个基于光学散射原理的注入水颗粒度的在线检测光学系统。采用波长为640 nm的激光光束,通过4×准直扩束系统获得了8 mm的照明孔径。利用光瞳匹配和像差平衡,完成了直径为42 mm的紧凑型光学系统的优化设计,该系统可实现1~100 μm粒径的井下实时在线检测。光学系统的焦距为50 mm,视场角为17°,通光口径为8 mm,所有视场点斑半径均小于6 μm,可有效避免非散射光对感光环带能量的干扰。利用样机对标准颗粒试样进行检测,测试误差小于5%,满足设计要求,从而验证了设计系统的可行性和合理性。
非线性光学 光学散射 水驱开发 颗粒尺寸 在线检测 光学设计 激光与光电子学进展
2020, 57(19): 191901
1 中国科学院光学天文重点实验室(国家天文台), 北京 100101
2 中国科学院大学, 北京 100049
对主体为铝球用于雷达定标的一批卫星进行了地基光学观测, 验证了其光度变化和光谱特性简单, 易于开展光度和光谱特性影响因素分析。实验室对铝球的仿真测量也证明了铝球具有各向同性好、反射特性和光谱特性平稳等特点。研究团队基于测量结果构建了铝制球体卫星的光度计算模型, 与实测结果的对比分析表明, 利用铝制球体的材料特性和外形特征可最大程度的简化卫星光度计算模型, 也证明了实测方法和光度计算模型构造方法的正确性, 使得卫星光度可实时保精计算, 可应用于天基和地基光电探测设备的动态能量定标和高速、变速运动状态下的探测能力标定。
光学散射特性 雷达定标卫星 铝球 光度 optical scattering properties radar calibration satellite aluminum ball photometry 红外与激光工程
2020, 49(1): 0105003
