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(通讯员:刘飞,吕强)近日,西安电子科技大学光电工程学院邵晓鹏团队联合法国Sorbonne Université的SylvainGigan教授在国际光学顶级期刊《Nature communications》刊发了题为“Large field-of-view non-invasive imaging throughscattering layers using fluctuating randomillumination”的文章,利用时变随机照明实现了透过散射介质超光学记忆效应范围的非侵入式成像,解决了散射自相关成像技术中光学记忆范围受限的难题,为计算照明领域的一大突破。西安电子科技大学在读博士生朱磊为第一作者,SylvainGigan教授为通讯作者。

研究背景

透过散射介质非侵入式光学成像在生物医学、光学检测等诸多方面都有重要应用,但是非均匀样品(例如生物组织)所引入的散射现象会导致探测器上出现复杂的散斑图案。随着穿透深度的增加,散射光场中对弱弹道光信息的提取就成为了光电成像中的挑战性难题。多年来,克服透散射介质的非侵入成像主要方法是通过角散斑相关性,即光学记忆效应,然而光学记忆效应会导致成像范围受到极大限制。

在此研究的背景下,邵晓鹏教授团队联合Sylvain Gigan教授团队利用计算光学思想,提出了一种利用时变随机照明透过散射介质超光学记忆效应范围非入侵成像方法,该方法通过计算照明中对光源信息进行调制操控,获得不同点源的“散斑指纹”信息,利用“散斑指纹”信息的相关性进行光场解译,最终实现透过散射介质超光学记忆效应范围非入侵成像。

本文亮点

考虑到非入侵散射成像的照明特点,同时受到计算照明思想的启发,提出了利用时变随机散斑照明的方式,实现了透过散射介质非入侵超光学记忆效应范围成像。与目前方法相比,该方法工作的唯一条件是在样本平面上生成时变的随机照明模式。既不需要表征介质传输矩阵也不需要通过它聚焦光,也不需要使用自适应光学或波前整形系统的情况下实现。该方法将散射介质后隐藏目标看作为无数独立地点源目标,每个独立点源目标会在系统中产生独特地散斑图案,称为“散斑指纹”。因此,相机上所接收到地散斑图案是来自于不同点光源的散斑指纹的非相干叠加,不同随机照明时具有不同的权重。在获得一系列随机照明对应的散斑图案后,利用散斑指纹之间的相关性,通过散斑指纹成对去卷积方法实现了隐藏目标的图像重建。

该工作首次提出了基于散斑指纹成对去卷积的图像重建方法,极大地简化了图像重建过程。实验结果证明了所提出的方法对于各种荧光目标重建的有效性,且能够远远超出光学记忆效应范围成像。

论文信息

在本工作中,采用时变随机散斑照明的方式成功实现了透过散射介质非入侵超光学记忆效应范围成像,克服了透过散射介质成像的视场受限问题。与现有的其它方法相比,该方法无需波前整形技术,无需测量介质光学传输矩阵,将在生物医学成像领域有着重要的应用前景。

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图1实验系统示意图。连续激光器的输出光经过准直后照射至旋转散射介质进行随机调制,经过调制后的光通过光学系统照明荧光目标,荧光目标被激光后产生荧光信号并且荧光信号反向传播,被探测器所接收。其中,RD:旋转散射介质,DM:二向色散镜,OB:物镜,Scat.:散射介质,Fluo. Obj.:荧光目标,SF:光谱滤波片,TL:镜筒透镜。

图2(a-b)荧光目标(无散射介质);(c-d)重建图像。虚线圆圈表示光学记忆效应范围。

图3 (a-d)复杂荧光目标(无散射介质);(e-h)重建图像。虚线圆圈表示光学记忆效应范围。

论文链接:

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29166-y

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