中红外宽带消色差超透镜的设计

中红外热成像系统是通过探测物体本身的辐射进行成像,不需要外部光源。而传统的中红外热成像系统体积大,不利于小型化。本文基于传输相位理论,采用时域有限差分（FDTD）法,使用FDTD软件计算仿真,探究了不同的单元半径、纳米柱高度及单元周期对相位延迟及透过率的影响,并且针对不同的纳米柱半径,利用传输相位调控实现中红外（3～5μm）波长下全介质硅材料的宽带消色差超透镜设计。其数值孔径为0.24,仿真焦距值为147.3μm,半峰全宽（FWHM）为8.11μm,透镜透过率达到70%。设计的超透镜不仅体积小、质量轻、全波长聚焦效率可达到54%,而且为平面透镜,因此易于光学系统集成,在红外成像、红外夜视仪、红外遥感等技术中展现出广阔的应用前景。     

平面超透镜的远场超衍射极限聚焦和成像研究进展

突破瑞利衍射极限,实现纯光学的远场超衍射极限聚焦和成像在科学和工程的各个领域都有重要意义.现有光学超分辨技术都存在一些固有的限制因素,如工作距离短、适用领域窄、不利于集成等问题.平面超透镜由于理论上的创新、设计灵活、效率高、方便集成等优势,成为实现超衍射极限的有效途径.本文综述了平面超透镜的物理原理及其在超衍射极限聚焦和成像方面近年来的研究进展,并讨论了该领域面临的问题和未来的研究重点和方向.     

利用维纳滤波改善声透镜光声成像系统的分辨率

为了克服衍射效应对光声成像系统分辨率的限制,需要采用逆卷积方法进行图像反演.从理论上分析了声透镜成像原理,模拟仿真了声透镜的点扩展函数对声透镜成像系统分辨率的影响和维纳滤波解卷积方法复原光声成像的过程,并利用自搭建的声透镜光声成像系统进行了深入的实验研究,得到了物平面上相距4 mm和3 mm的两个黑胶带点的直接成像光声...     

基于深度神经网络的时空编码磁共振成像超分辨率重建方法

单扫描时空编码磁共振成像是一种新型超快速磁共振成像技术,它对磁场不均匀和化学位移伪影有较强的抵抗性,但是其固有的空间分辨率较低,因此通常需要进行超分辨率重建,以在不增加采样点数的情况下提高时空编码磁共振图像的空间分辨率.然而,现有的重建方法存在迭代求解时间长、重建结果有混叠伪影残留等问题.为此,本文提出了一种基于深度神经网络的单扫描时空编码磁共振成像超分辨率重建方法.该方法采用模拟样本训练深度神经网络,再利用训练好的网络模型对实际采样信号进行重建.数值模拟、水模和活体鼠脑的实验结果表明,该方法能快速重建出无残留混叠伪影、纹理信息清楚的超分辨率时空编码磁共振图像.适当增加训练样本数量以及在训练样本中加入适当的随机噪声水平,有助于改善重建效果.     

压缩感知的远场亚波长声成像仿真

压缩感知算法可以利用信号的稀疏性较好地分辨出两个相距较远的目标,但是当两个目标相距较近时仅利用压缩感知算法,分辨性能较差;另外,当分辨目标为硬散射体时,由于偶极散射的影响,分辨性能也会变得较差。考虑到上述两个问题,该文提出了以下解决方案：针对第一个问题,该文将声学超透镜和压缩感知算法进行结合;针对第二个问题,该文提出在压缩感知算法中考虑偶极散射分量的影响。根据上述方案进行仿真,仿真结果证明了在加入声超透镜并考虑偶极散射以后,硬散射体目标在相距较近时实现了较好的分辨率。     

基于周期结构负反射的远场增强成像研究

远场高分辨率成像是近几年来声学和光学领域的研究焦点之一, 倏逝波无法在介质中传播成为将高分辨率成像带入远场的最大困难.本文提出了一种均匀排列的散射钢柱构成的超构散射体成像方式, 利用周期结构负反射现象将倏逝波信息转化为可传播波来增强成像.有限元数值模拟被用来研究和验证该方案的可行性, 结果显示波长3.4 mm的声波可以在20 cm外的远场获得大约0.6个波长的成像分辨能力. 通过减小散射体的晶格常数有希望达到更高分辨率成像.     

光盘上集成的液体微透镜阵列与可重构超分辨成像

微透镜辅助显微镜实现超分辨成像观测,具有免标记、无损伤、实时、定域和环境兼容性好等优势.液体微透镜阵列具有均一、易操控的特性,可实现无复杂机械扫描与驱动的超分辨成像.然而,简单高效地精确控制成像距离是微透镜实现超分辨成像的关键技术挑战.本文利用紫外曝光技术,实现了光盘上光刻胶微孔深度的均一性.结合液体自组装技术,在微孔中填充甘油液滴,保证微透镜辅助超分辨的成像距离.在光学显微镜下实现了对226 nm光栅栅线的可重构超分辨观测与1.59倍成像放大.本文从液体微透镜的阿贝显微成像原理出发,通过理论与模拟解释了液体微透镜的成像放大与超分辨特性.由此可见,光盘上集成的液体微透镜阵列在光学纳米测量与传感等器件中展现了巨大的应用潜力.     

微球透镜亚波长显微成像远场特性实验研究

利用低折射率的二氧化硅和高折射率的钛酸钡微球透镜对蓝光刻录光碟的亚波长表面结构进行了显微成像实验,观察了两类微球在空间上与样品表面分离时的成像特性.实验结果表明:在微球透镜与样品表面分离0～6μm的空间范围内,微球透镜对亚波长纳米结构仍具有分辨能力,且放大作用明显.通过实验比较,发现在浸没方式、放大率大小、成像尺度范围...     

新型超高时空分辨率超分辨成像技术

众所周知,白光通过三棱镜后可以分为赤橙黄绿青蓝紫的七色光,每种颜色代表了一段光谱。最近,北京大学席鹏课题组利用量子点的光谱特性,成功实现了新型超高时空分辨率的超分辨成像技术。相关研究成果发表在Nature出版集团的《科学报告》杂志上。超分辨技术(super-resolution)因其能够提供低于衍射极限的分辨率而获得了2014年诺     

周期性和孤立的纳米结构的超透镜亚波长成像

超透镜光刻技术是一种很有前景的纳米结构成像技术,由于其具有可以克服衍射极限的能力,直到2005年,张翔和他的同事在365 nm紫外线波长下成功的对一排纳米线和刻在高分子膜上的四个字母NANO实现了超分辨成像,分辨率高达1/6入射波长。通过传递矩阵方法优化出超透镜结构,并通过选择适当的材料和设计在超透镜结构中的每个层的厚度以及合理的优化实验等方法制备一个新的超透镜结构,利用这种超透镜结构实现了周期性纳米结构及孤立纳米结构的亚波长成像。实验结果表明,对于周期性的纳米结构,其图像分辨率达到100 nm,而孤立结构的分辨率低于50 nm,小于入射波长的1/7。     

超分辨成像及超分辨关联显微技术研究进展

光学成像系统中有限孔径对光波的衍射,使得光学显微成像技术的分辨率受到"衍射极限"限制而无法进一步提高.自1873年E.K.Abbe提出该问题以来,衍射极限就一直是学术界研究的热点.近年来,随着高强度激光、高灵敏探测器等光电器件研制技术以及新型荧光探针开发等相关领域的快速发展,光学显微技术衍射极限问题的研究迎来了新的契机,超分辨显微成像技术(super-resolution microscopy.SRM)在近十年内取得了令人瞩目的巨大成就.本文从空域和频域角度回顾了衍射极限分辨率的基本原理,并据此对目前常见的各种SRM技术"绕过"衍射极限提高分辨率的机理给予了详解,同时介绍了各类技术的发展动态和研究方向;作为SRM的一个新的重要的发展趋势,本文详细介绍了超分辨关联显微技术的最新研究进展,包括SRM与活细胞实时荧光显微、荧光寿命显微、光谱测量和成像、电子显微、原子力显微、质谱技术等的关联,着重讨论了各类超分辨关联显微技术的作用和意义;最后,对SRM技术和超分辨关联显微技术的未来发展方向进行了展望.     

超分辨率成像荧光探针材料应用进展

为了进一步认知复杂环境中的细胞生物学过程,研究人员发展了各种各样的生物成像技术。在这些技术中,生物荧光成像因简单的成像条件以及对生物样品的相容性而得到了广泛的发展。然而,传统的荧光成像技术受到了光学衍射极限的限制,无法分辨低于200 nm的空间结构,阻碍了对亚细胞结构的生物学过程研究。超分辨荧光显微镜技术突破了传统光学衍射对成像分辨率的限制,能够获取纳米尺度的细胞动态过程。除了对传统的宽场荧光显微镜框架的改进及升级改造之外,目前典型的超分辨成像显微镜技术通常依赖于荧光探针材料的光物理性质。常用的荧光探针材料包括荧光蛋白、有机荧光分子和纳米荧光材料等。本文介绍了几种主流的超分辨荧光显微成像技术并总结了已经成功应用到超分辨生物荧光成像中的荧光探针材料的应用进展。     

Mercury arc lamp based super-resolution imaging with conventional fluorescence microscopes

We present an implementation of localization based three-dimensional super-resolution imaging on a regular microscope. We retain the original arc lamp as the photoactivation light source, and incorporate an inexpensive diode laser for imaging. As alterations to the standard microscope is minimal, this optical setup can be easily adapted in a typical research laboratory and even undergraduate teaching experiments, providing an inexpensive system for students and research scientists who require such super resolution capabilities. With this simple design, a spatial resolution of better than 40 nm at a reasonable frame rate has been achieved, adequate for most routine applications.     

A robust super-resolution approach with sparsity constraint in acoustic imaging

Acoustic imaging is a standard technique for mapping acoustic source powers and positions from limited observations on microphone sensors, which often causes an ill-conditioned inverse problem. In this article, we firstly improve the forward model of acoustic power propagation by considering background noises at the sensor array, and the propagation uncertainty caused by wind tunnel effects. We then propose a robust super-resolution approach via sparsity constraint for acoustic imaging in strong background noises. The sparsity parameter is adaptively derived from the sparse distribution of source powers. The proposed approach can jointly reconstruct source powers and positions, as well as the background noise power. Our approach is compared with the conventional beamforming, deconvolution and sparse regularization methods by simulated, wind tunnel data and hybrid data respectively. It is feasible to apply the proposed approach for effectively mapping monopole sources in wind tunnel tests.     

Image super-resolution based on local self-similarity

A new image super-resolution method based on a codebook mapping is proposed. The codebook mapping represents the internal relationship between low-and high-frequency image components, and is used for the estimation of highfrequency image components lost in the sampling process. In the proposed method, codebooks are first generated by the low-and high-frequency image components of the original image itself that is to be processed. Then, a resultant superresolution image, that is, an enlarged image, is obtained by combining the estimated high-frequency image components with the low-frequency ones obtained by a typical interpolation-based method. The effectiveness of the proposed method is verified by comparing it against some conventional methods.     

Near-field multiple super-resolution imaging from Mikaelian lens to generalized Maxwell's fish-eye lens

Super-resolution imaging is vital for optical applications, such as high capacity information transmission, real-time bio-molecular imaging, and nanolithography. In recent years, technologies and methods of super-resolution imaging have attracted much attention. Different kinds of novel lenses, from the superlens to the super-oscillatory lens, have been designed and fabricated to break through the diffraction limit. However, the effect of the super-resolution imaging in these lenses is not satisfactory due to intrinsic loss, aberration, large sidebands, and so on. Moreover, these lenses also cannot realize multiple super-resolution imaging. In this research, we introduce the solid immersion mechanism to Mikaelian lens (ML) for multiple super-resolution imaging. The effect is robust and valid for broadband frequencies. Based on conformal transformation optics as a bridge linking the solid immersion ML and generalized Maxwell's fish-eye lens (GMFEL), we also discovered the effect of multiple super-resolution imaging in the solid immersion GMFEL.     

正交光楔激光远场焦斑测量方法

为验证正交光楔激光远场焦斑测量方法在提取光斑高频组分、扩展CCD测量动态范围和减小光束质量测量误差等诸方面的有效性,以常用的光束质量因子作为衡量新方法有效性的指标,建立离焦光斑强度分布理论模型并搭建相应的实验平台进行实验验证。验证结果表明:新方法与传统远场测量方案相比,使实验所用CCD的测量动态范围拓展了约9倍,实际光斑远离中心主核区域的大量高频旁瓣分布特征从CCD背景噪声起伏中凸显出来,光束质量因子的测量平均相对误差也有约16%的精度改善。     

变像管扫描相机超分辨诊断技术研究

 时间分辨力是变像管扫描相机的重要技术参数,提出了将超分辨率图像复原理论应用于超快诊断研究,首先阐述了图像超分辨率复原在超快诊断中应用的可能性,给出了变像管扫描相机图像点扩散函数的分析和计算方法。最后,基于Poisson MMAP（MPMAP）超分辨力复原算法,获得了Au阴极X射线变像管扫描相机的图像复原结果,实验结果证明了方法的有效性,为变像管扫描相机时间分辨力的提高提供了一种新的途径。     

Far-field superlens for nanolithography

A far-field optical lithography is developed in this paper. By designing the structure of a far-field optical superlens, lithographical resolution can be improved by using a conventional UV light source. The finite different time domain numerical studies indicate that the lithographic resolution at 50~nm line width is achievable with the structure shown in this paper by using 365~nm wavelength light, and the light can be transferred to a far distance in the photoresist.     

结构光照明超分辨光学显微成像技术与展望

结构光照明显微镜(Structured Illumination Microscopy,SIM)通过结构化照明在频率域以空间混频的方式将物体高频信息载入光学系统的探测通带内实现突破衍射极限的超分辨光学显微成像。SIM凭借其较低的激发光强、对荧光染料的非特异性需求以及快速的宽场成像优势已成为活细胞超分辨光学显微成像方面应用最多的技术。本文系统回顾了SIM的技术进展,对SIM的基本原理与实现方法进了详细的分析,重点介绍了本课题组研发的基于光谱分辨的单光子激发超分辨显微镜和结合自适应光学的双光子激发超分辨显微镜这两种最新的SIM技术,最后简要讨论了SIM技术在生物成像中的应用及未来发展方向。