像差理論與計算系列（八）位置色差的計算任何光學介質，對透明波段中不同波長的單色光具有不同的折射率,波長短者折射率大。 光學系統多半用白光成像，白光入射于任何形狀的介質分界面時，只要入射角不為零,各種色光將因色散而有不同的傳播途徑,結果導致各種色光有不同的成像位置和不同的成像倍率。這種成像的色差異稱為色差。通常用兩種按接收器的性質而選定的單色光來描達色差。對于目視光學系統，都選為藍色的 F光和紅色的C光。色差有兩種。其中描述這兩種色光對軸上物點成像位置差異的色差稱為位置色差或軸向色差,因不同色光成像倍率的不同而造成物體的像大小差異的色差稱為倍率色差或垂軸色差。如下圖,軸上點A發出一束近軸白光,經 ...

由一系列校正像差的折射光學元件組成笨重的鏡頭，是為相機尺寸的下限。還有一個基本的障礙在于鏡頭焦距難以縮短，因為這會引入更大的色差。基于計算設計的超表面光學(meta-optics)是成像器小型化的可行手段之一。超薄的meta-optics使用亞波長級納米天線(nano-antennas)，以比傳統的衍射光學元件(DOE)更大的設計自由度和空間帶寬積來調制入射光。此外，meta-optical散射體豐富的模態特性使得其比DOE具有更多的能力，如偏振、頻率、角度多路復用等。meta-optics可以使用廣泛可用的集成電路代工技術制造(如深紫外光刻(DUV))，而無需基于聚合物的DOE或二元光學器件 ...

，不考慮離軸像差，用平面波看作為一個無窮遠處的點光源，其經過光學元件的相位調制后，用波動光學理論在自由空間傳播到圖像傳感器表面得到的光強作為點擴散函數。只考慮點擴散函數為平移不變的情況，這樣可以簡化問題。圖像源與點擴散函數卷積，在圖像傳感器每個像素上隨波長和時間積分，加上傳感器的讀取噪聲，zui終成像。圖像重建可以看作為求解一個Tikhonov正則化zui小二乘問題。(2) 端到端優化框架。用隨機梯度法優化有一個光學元件的計算相機。將成像模型的每一步描述為一個可微的模塊。光學元件的光學高度分布h是一個優化變量，光學元件的尺寸、圖像傳感器像元尺寸、傳輸距離z和圖像傳感器讀取噪聲水平等，均為超參數 ...

地聚焦誘導、像差校正能力等因素。全息近眼顯示能夠解決上述多種問題，并且可以唯一的使用單個空間光調制器(spatial light modulator,SLM)和相干光源，合成三維強度分布。盡管全息的基本原理已經在70多年前就已經被提了出來,但是高質量的全息圖獲取在21世紀初才實現。使用SLM生成高質量的數字全息圖的主要挑戰在于計算生成全息(computer generated holography,CGH)的算法。傳統的CGH算法依賴于不足以準確描述近眼顯示物理光學的波傳播模型，因此嚴重限制了能夠獲得的圖像質量。直到最近(2018年開始)，基于機器學習的全息波傳播模型提出，能夠相對的改善圖像質 ...

致嚴重的光學像差，從而降低圖像分辨率和信噪比(SNR)。強光劑量會干擾正常的細胞行為和細胞器功能，導致活體成像的光子劑量有限，即信噪比低，時間分辨率也會下降。為了解決組織長時間高時空分辨率監測非常困難的問題，研究人員開發出了各種各種的技術手段。過去的十年中，亞細胞活體顯微鏡有了大幅的發展，例如轉盤共聚焦顯微鏡、自適應光學(AO)、高速雙光子顯微鏡和光片顯微鏡(LSM)，它們與新的動物模型一起促進了神經科學、發育生物學、免疫學和癌癥生物學領域的各種研究。然而，在分辨率、速度、SNR和樣本健康之間存在難以躲避的矛盾，這在實時熒光成像中被稱為“挫折金字塔(pyramid of frustration ...

的大器件完成像差校準，利用衍射光學元件(DOE)、相干光纖束、神經網絡的結合，實現直徑小于0.5mm，分辨率約1um的超細內窺鏡。(1)利用CFB的記憶效應，使用靜態的DOE(雙光子聚合光刻(2-photon polymerization lithography)制造)替代SLM的動態調制來補償畸變。(2)DOE的隨機pattern將三維物體的信息編碼成二維的散斑pattern，沿著超細的CFB傳輸。基于U-Net的神經網絡對散斑pattern解碼，完成三維重建。a、DOE-Diffuser內窺鏡的方案和原理。遠端的diffuser將三維目標信息編碼為二維散斑圖案，該圖案通過CFB傳輸到近端， ...

圖像模糊(如像差)，解卷積可以在計算上消除其中的一些模糊。在顯微鏡中，解卷積可以減少離焦熒光，從而產生更銳利的三維圖像。另外，還可以將分布式點擴散函數(PSF)有意設計到成像系統中，從而獲得如單幀高光譜成像、單幀三維成像這樣的能力。在這種情況里，采用多路復用的光學器件通過將物空間中的每一點映射到成像傳感器上的分布式模式以將二維和三維信息編碼，然后利用解卷積算法從模糊或編碼的測量來重建編碼的清晰圖像或體積。現有的解卷積算法應用場景有限。現今已有多種解卷積算法。經典的有Wiener濾波(屬于closed-form方法)、Richardson-Lucy和快速迭代收斂閾值算法(屬于迭代優化方法)等。但 ...

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件獲得更好的像差控制和耦合效果，也可以通過自己小心設計可以滿足使用要求的結構來降低成本。3.2c腔內元件泵浦激光從一個二向色鏡M2（980nm透射率98%，激光波長1040nm反射率99.9%）進入振蕩器的激光諧振腔。反射鏡M1和M3為高反射率（≥99.98%，Layertec GmbH, Mellingen, Germany）曲面反射鏡，曲率半徑500mm。色散補償由激光在一對Gires-Tournois干涉儀(GTI)反射鏡（Layertec）之間反射4次實現，每次反射約1300fs。早期的KGW/KYW激光設計，使用棱鏡對在腔內做色散補償，通過改變棱鏡的插入距離，可以改變輸出激光的中心波 ...

PSF形狀的像差的敏感性，并以這種方式對精度和準確性產生負面影響。為了實現精確到Cramér-Rao下限（CRLB），即無偏估計器的精度，光學系統的像差水平應該被控制在衍射極限（0.072λ均方根波前像差），這個條件在實踐中往往無法滿足。因此，需要使用可變形鏡或為產生工程PSF而存在的SLM對像差進行校正。自適應光學元件的控制參數可以使用基于圖像的指標或通過測量待校正的像差來設置。后者可以通過基于引入相位多樣性的相位檢索算法來完成，通常采用通焦珠掃描的形式。這已經在高數值孔徑顯微鏡系統、定位顯微鏡中實現，并用于提高STED激光聚焦的質量。三、PSF應用對液晶空間光調制器的要求1.光利用率對于這 ...