浙江大学、上海交通大学、北京理工大学、天津大学、四川大学、电子科技大学、哈工大等编委论文 |《激光与光电子学进展》六十周年特辑⑪
激光与光电子学进展》创刊六十周年之际，特推出创刊六十周年编委、青编委特辑，在此对各位倾力支持本次专辑的编委、青编委专家致以最诚挚的感谢！创刊六十周年特辑将以系列推文的形式持续推送，包涵了不同领域不同方向的高质量综述或研究论文，还请多多关注。
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创刊六十周年特辑⑪包括：
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多光子微型化显微系统结构图。（a）初代多光子微型显微系统光路及成像方案；（b）头戴部分光路结构
为探究在生物体自由状态下大脑内部的结构和功能，大型台式显微镜已无法满足越来越多的应用需求。微型化显微镜的发展突破了众多难题，它能够固定在研究目标区域，并提供长时程、单细胞分辨率的实时成像，为神经环路动态研究提供开创性技术。近些年，结合神经科学领域不同应用范式的需求，微型化显微系统的功能性不断丰富，无线传输、双色成像以及光遗传调控等系统的出现为复杂行为研究、神经结构监测和“控脑”提供了进一步支持。
创刊六十周年编委专辑特邀论文从成像原理、基本结构、系统优化、应用方案及未来发展方向等方面对微型化显微成像系统进行分析和讨论，综述各方向研究进展，旨在为该领域技术提升和神经科学家应用提供参考。
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光纤光学相干层析成像（OCT）探头是光纤内窥OCT系统的关键器件，可搭配介入导管深入人体器官内成像，尤其适用于对现有成像技术无法到达的狭小腔道内的组织病变进行高分辨率检测和早期诊断。目前市场上在售主流商用OCT探头基本都采用全光纤设计。但球形光纤透镜和GRIN光纤透镜因自身抛物线型折射率分布都不可避免地产生像差，导致成像分辨率劣化。第三代探头即新型光纤复合型OCT探头，借助电子束光刻、双光子聚合3D打印等现代先进光刻技术，可在光纤端面基底上一体化制备拥有复杂曲面设计和光学结构设计的光纤内窥镜头，通过色散补偿和像差纠正获得高分辨率和长焦深成像。
光纤OCT在呼吸道系统、消化道系统、泌尿系统、心血管系统的临床医学检测中具有广泛应用前景，尤其在心血管方面，血管内OCT有望替代血管内超声成为心血管疾病监测的金标准。此外，光纤OCT与荧光、超声、光声成像等技术融合的一体化多模态成像探头可提供多维度的组织病变信息，同时分析组织成分的形态血特征、化学组成、生物力学特性，进一步提高对病变组织的识别能力与诊断效率。
多模态光纤OCT探头。(a)US/OCT；(b)光声/US/OCT
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计算光学成像是一个多学科交叉的研究课题。扫描和多次测量为光学成像系统性能提升带来契机。然而多次测量增加了计算成像过程的负担，甚至严重影响成像速度。创刊六十周年编委专辑特邀论文，综述了一些快速计算成像方法，从测量和计算方面提高成像效率。介绍轴向、横向、多波长、散射介质、多距离等调制方式的计算成像方法。还包括定量相位成像方法、基于Kramers-Kronig关系快速定量相位成像方法、基于对角扩展采样的计算成像方法、基于对称照明的单帧计算成像方法。在轴向定位方面，介绍自动聚焦技术分类与核心算法、基于谷本系数和多向梯度的自动聚焦方法、基于特征区域提取和细分搜索的快速自动聚焦方法。
三维锥形螺旋扫描成像：(a)装置，(b)轨迹
基于KK关系的快速定量相位成像：(a)装置，(b)结构，(c)环照，(d)频谱
基于谷本系数的快速自动聚焦：(a)系统，(b)堆栈，(c)方案
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偏振成像技术在散射环境成像探测中具有突出优势。偏振光学成像去散射技术通过采集同一场景的不同偏振图像，估算出大气光的强度并将其从雾霾图像中抑制，再对退化后的目标信号光进行反演，最终得到清晰的去散射图像。相比于传统图像，偏振图像包含更丰富的场景细节信息，基于偏振成像的复原方法可以从多幅不同的偏振图像中获得更多的信息。但是在强散射场景中，偏振光场分布非常复杂，估算出所需的偏振参数十分具有挑战性，这是限制偏振去散射算法的一大难题。
为了克服这一困难，提高偏振去散射方法在不同环境中的适用性，天津大学胡浩丰教授课题组聚焦于图像区域细节，结合对比度和Stokes矢量来确定两幅待复原的偏振子图，初步筛选出场景中包含最丰富/稀少细节信息的偏振图像；通过在频域上分别对高频信息和低频信息进行处理，获得细节增强图和背向散射光用于估计场景透射率，并利用散射退化模型反解出两张复原图，最终融合形成去散射图像。实验结果表明所提方法在雾霾、浑浊水体等不同散射环境和不同散射强度下均具有良好的图像复原效果 ，提高了偏振成像算法的适用性和散射环境下的成像能力；同时，充分利用了偏振图像的区域信息，突出了原图中的强偏振区域，增强了图像的区域细节信息。
雾霾场景去散射结果细节对比图
浑浊水下场景去散射结果细节对比图
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光学感前计算是一种在光电传感器前端的光学域进行信息计算处理的技术，由于其具备传输即计算、结构即功能、瞬时处理、超低功耗等优点，该技术为星上海量数据的处理提供了一种潜在解决方案。光学感前计算包括编码压缩、全光智能推理等多种计算范式。针对大视场高分辨率卫星光学遥感图像下传难的问题，可通过光学感前计算，在光学域对图像进行编码调控实现视场压缩，然后在地基端利用高通量极速解码算法实现遥感图像的解码重建。针对光学遥感图像无法在轨实时处理的问题，可利用光场调控元器件模拟卷积神经网的操作，完成全光智能计算推理，实现在轨目标识别，感兴趣区域ROI发现等多种时效性强的任务。
基于光学感前计算的遥感数据处理流程
创刊六十周年编委专辑特邀论文首先对用于光学感前计算的光场调制器件进行介绍，包括数字微镜器件（DMD）、液晶空间光调制器（LC-SLM）、衍射光学元件（DOE）及超表面（metasurface）等。然后分别梳理了感前编码压缩及全光智能推理的相关技术发展，在此基础上，着重探讨了光学感前计算在卫星遥感领域的应用途径和未来发展趋势。
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创刊六十周年编委专辑特邀论文文章结构示意图
超透镜作为最具代表性的超表面，通过对轴向光束添加不同相移，实现平面波到球面波的转化。超透镜在尺寸上具有超薄的结构特性，在功能上具有高度灵活性，可以实现大数值孔径、宽带消色差和三维等，在光学成像这一领域具有巨大的创新潜力。
创刊六十周年编委专辑特邀论文重点阐述了超透镜在显微成像中的应用，并从超透镜的设计、加工和成像应用等 3 个方面进行了深入的探讨。首先，介绍了超透镜的相位设计原理，涵盖了共振相位调制、几何相位调制，以及传播相位调制。其次，对超透镜的主要制造工艺进行了回顾，包括光刻、EBL，以及纳米压印技术。最后，回顾了各种显微系统的进展，详细介绍了超透镜在光片荧光显微镜、双光子显微镜，以及内窥镜成像系统中的广泛应用，从而突出超透镜在生命科学领域所具有的显著价值。
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传统的相衬显微镜需要大块的折射棱镜，难以实现紧凑型的光学系统，并且测量的强度与样品的相位具有非线性关系，无法定量地检索相位信息。得益于设计灵活度和功能多样性，超表面如今在超透镜、光谱成像、全息显示、波束整形以及光学计算等领域得到广泛的应用。将超表面与传统光学显微镜结合，可以实现定量恢复、体积更小、光路简单的相位成像。
三种不同原理的超表面相位成像技术
创刊六十周年编委专辑特邀论文系统地介绍了近年来超表面在定性相位成像和定量相位成像方面的研究进展和最新成果。按相位成像原理可以大致分为剪切干涉、涡旋相衬和强度传输方程三类。传统的微分干涉显微镜沿单方向剪切干涉，无法获得各项同性的相位梯度图。超表面通过对光场的径向旋转对称剪切干涉，能够实现各向同性的相位梯度成像，这是传统折射棱镜无法做到的。涡旋相衬超表面，将拓扑荷为1的涡旋相位板和透镜相位相结合，可以对二维光场的振幅和相位进行微分成像，获得具有各向同性的定性相位图。并且这类超表面与光学显微镜兼容性极好，放置在样品和探测器之间的任意位置即可快速实现相衬成像，有望在显微镜的模块化的使用上得到推广。应用于强度传输方程相位成像的超表面，能够将多张不同平面距离处的强度图分束并成像在同一平面上，通过求解偏微分方程实现定量相位成像。该方法具有信息获取速度快、光路简单等优点。
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计算成像是融合了光学设计、光学传感和图像处理的新兴技术领域，突破了传统成像技术在获取信息时的深度和广度限制，成为国际研究热点，是先进光学成像技术发展的重要方向。创刊六十周年编委专辑特邀论文以计算成像在信息复原及信息增强应用场景的技术发展为主线，结合新理论、新方法、新系统和新算法探讨了各个子领域的主要进展；介绍了端到端相机优化成像模型、衍射光学模型以及基于可微光线追踪的复杂透镜模型等。计算成像技术通过光学系统各子模块间的联动优化和有机交互，根据特定成像任务完成整体过程优化，联合设计光源编码、光路编码、传感编码与计算解码，实现分布式编解码计算成像系统，完成高质量的信息增强与复原。成像链路中光信息传播路径的统一规划，改善了光学系统硬件编码及图像算法解码流程，实现了完整、高效的信息采集及处理。这一技术的革命性优势包括系统精简、信息维度扩展、极端环境成像等，兼顾科学前沿和工程应用需求。未来，随着深度神经网络框架的日趋成熟和硬件算力的飞速提升，计算成像技术的发展空间广阔。而光学与计算科学的跨学科融合，也为信息传递及空间带宽拓展提供了无限可能，助力推进新一代智能化工业革命进程，相信未来也会在安防监控、医疗诊断、工业检测等众多领域展现它的价值。
“光学编码-算法解码”的全链路计算成像框架
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