中科院量子光学重点实验室

研究方向2:量子关联成像理论及光场全要素关联成像技术研究

更新时间:2020-07-03 【打印】 【关闭

  本研究方向学术带头人沈夏副研究员、吴建荣副研究员、李恩荣副研究员 

  1. 研究队伍情况 

    工:沈夏、李恩荣、吴建荣、刘震涛 

  博士后:林锦达、陈紫艳 

  博士生:胡晨昱、童智申、刘盛盈、王鹏威   

  2. 课题组简介     

  “光场全要素关联成像”是除了能够像传统相机一样记录目标的空间信息,还能够单次拍照获取目标的光谱、偏振等光学维度的信息的“鬼成像”相机  

  现有光学成像技术的图像信息获取采用物空间到像空间的“点”到“点”一一对应模式,由于无法利用图像像素之间的关联信息,因此其图像信息获取效率远低于光学成像系统信道容量的香农极限。课题组致力于将现代信息理论应用于光学成像中,以光的量子或经典涨落为编码载体,在成像的同时对图像信息编码压缩,拉开光学成像的信息化革命大幕。从而,大幅提高光学成像系统的信息获取效率,在单次曝光光谱成像、超分辨成像领域提供全新的理论框架和技术方案,满足信息时代不断发展的工程应用和科研需求。

1  “鬼成像“相机与传统相机的对比     

  课题组部分成员近年来一直以强度关联成像在遥感探测领域的应用为牵引,开展了较为系统性的理论和实验研究。课题组承担并完成了“十一五“国家863计划项目经典热光场强度关联量子成像技术及其在新概念空间遥感器中的应用研究”十二五“国家863计划项目激光三维强度关联成像技术研究被动光学多光谱强度关联成像技术研究等多项国家重点项目。    

  近年来,课题组在强度关联成像理论和实验研究上取得了一系列的研究成果,在国际高水平期刊上发表多篇SCI论文,授权多项发明专利。2016年,在国际上首次提出并构建了被动光学强度关联成像应用于光谱成像的理论体系,并完成了相关台面实验验证和外场原理验证。相关研究成果发表在Scientific ReportOptics ExpressIEEE Access等杂志上,并多次在CELOCOSI等国际学术会议做口头报告。该研究成果获得了4项中国专利授权,同时获得美国、日本、俄罗斯等国的专利授权。并经科技部推荐,荣获第十二届“中国专利优秀奖“ 

   

  2  第十二届“中国专利优秀奖“证书。     

  2017年,率先搭载800米高系留气球,实现了对自然场景的单次曝光被动光学多光谱强度关联成像,相关工作获得863专家组的一致肯定,保持在国际前沿水平。   

 

  3  800米系留气球强度关联光谱成像试验场景。(a)强度关联多光谱成像载荷;(b)载荷与系留气球的联试;(c)升空前的联试;(d)载荷搭载气球升空到800米高度。  

 

  4  系留气球强度关联光谱成像试验典型结果(右下角为全色合成图)     

  近三年来,利用平场光栅实现了光谱“鬼成像“相机的空间与光谱分辨设计的解耦合,并将光谱分辨率提升至1 nmOptics Express, 26(13): 17705-17716, 2018)。在优化成像质量方面,利用字典学习获取待测目标的结构先验信息优化系统测量矩阵,大幅提高了成像系统的采样效率及重构图像质量(Optics Express, 27(20): 28734-28749, 2019);同时,通过超瑞利散斑场的优化设计提升了GISC光谱相机的抗噪声能力和成像信噪比(Optics Communications, 472: 126017, 2020)。针对高速运动平台的推扫式成像模式的应用需求,利用一幅随机调制光场实现了基于推扫模式的鬼成像(Optics Express, 27(9):13220, 2019; Optics Communications, 448: 89-92, 2019)。 

 

  5  高光谱“鬼成像“相机实验原图及实验结果图 

        Optics Express, 26(13): 17705-17716, 2018)。    

  2019年,与上海高等研究院合作,将该成像技术应用于显微成像,实现了单次曝光80 nm的分辨率成像,相比STORM显微系统,在相同分辨率下,成像帧频提高一个数量级。相关工作已经发表在Optica杂志上(Optica, 6, 12, 1515-1523, 2019),获得了OSA的高度评价(Ghost Imaging Speeds Up Super-Resolution Microscopy, “The new method should make it possible to capture the details of processes occurring in living cells at speeds not previously possible”),并在OSA新闻首页、The Optical SocietyPhotonicsScience DailyEurekAlert等国际学术媒体的专门报道,中科院官网头条、科学大院等国内媒体也做了相关追踪报道。

 

  6  “鬼成像“相机显微成像的研究工作(GISC STORM 

  Optica, 6, 12, 1515-1523, 2019

 

  7  OSAThe Optical SocietyPhotonics对“鬼成像“相机显微成像研究工作的新闻报道     

  3. 主要研究方向     

  1)基于光场高维空间可辨识度的超衍射极限成像理论 

  针对计算成像框架,构建基于光学信息论的超衍射极限/超分辨成像理论体系。     

  2)基于深度学习和边缘计算的鬼成像图像重建技术 

  结合深度学习和边缘计算,构建“感(知)存(储)(计)算“一体化成像系统 。    

  3)宽场高速荧光及拉曼显微成像应用 

  利用鬼成像的高信息获取效率,突破显微成像的空间分辨率、时间分辨率和视场之间的制约。    

  4. 国际合作项目     

  本课题组获得“中国留学基金委创新型人才国际合作培养项目“支持,近两年来学生公派赴伯利克加州大学东京大学出国交流2人,与美国贝尔实验室视频编码与分析首席研究员袁鑫博士伯克利加州大学顾明教授课题组复旦大学王健课题组上海高等研究院王中阳课题组莱斯大学谭诗语博士等建立了长期合作关系,联合培养人才。    

  附: 

  1近三年发表SCI论文     

  [1] Zhishen Tong, Feng Wang, Chenyu Hu., Jian Wang, and Shensheng Han. Preconditioned generalized orthogonal matching pursuit. EURASIP Journal on Advances in Signal Processing, 1: 1-14, 2020. 

  [2] Shengying Liu, Zhentao Liu, Chenyu Hu, Enrong Li, Xia Shen, and Shensheng Han. "Spectral ghost imaging camera with super-Rayleigh modulator." Optics Communications, 472: 126017, 2020. 

  [3] Wenen Li, Zhishen Tong, Kang Xiao, Zhentao Liu, Qi Gao, Jing Sun, Shupeng Liu, Shensheng Han, Zhongyang Wang, Single-frame wide-field nanoscopy based on ghost imaging via sparsity constraints, Optica, 6(12), 1515–1523, 2019. 

  [4] Shuang Ma, Zhentao Liu, Chenglong Wang, Chenyu Hu, Enrong Li, Wenlin Gong, Zhishen Tong, Jianrong Wu, Xia Shen, and Shensheng Han, Ghost imaging LiDAR via sparsity constraints using push-broom scanning, Optics Express, 27, 13219-13228, 2019. 

  [5] Chenyu Hu, Zhishen Tong, Zhentao Liu, et al. “Optimization of light fields in ghost imaging using dictionary learning” [J]. Optics Express, 27(20) 28734-28749, 2019. 

  [6] Shuang Ma, Zhentao Liu, Chenglong Wang, Chenyu Hu, Enrong Li, Wenlin Gong, Zhishen Tong, Jianrong Wu, Xia Shen, and Shensheng Han, Ghost imaging LiDAR via sparsity constraints using push-broom scanning, Optics Express, 27, 13219-13228,2019. 

  [7] Zhentao Liu, Xia Shen, Honglin Liu, Hong Yu, Shensheng Han. “Lensless Wiener-Khinchin telescope based on high-order spatial autocorrelation of thermal field”[J]. Chinese Optics Letters, 17(9): 091101, 2019. 

  [8] Shengying Liu, Zhentao Liu, Jianrong Wu, et al. Hyperspectral ghost imaging camera based on a flat-field grating[J]. Optics Express, 26(13): 17705-17716, 2018. 

  [9] Jianrong Wu; Enrong Li; Xia Shen et al., "Experimental Results of the Balloon-Borne Spectral Camera Based on Ghost Imaging via Sparsity Constraints," IEEE Access, vol. 6, pp. 68740-68748, 2018. 

  [10] Shensheng Han, Hong Yu, Xia Shen, Honglin Liu, Wenlin Gong and Zhentao Liu. “A review of ghost imaging via sparsity constraints”. Appl. Sci. 2018, 8(8), 1379; doi: 10.3390/app8081379, 2018.     

  2国际授权发明专利     

  [1] 韩申生, 刘震涛, 吴建荣, 李恩荣, 谭诗语, 陈喆. Random Grating based Compressive Sensing Wideband Hyperspectral Imaging System,俄罗斯专利,2017104839.(授权)2018.5.14. 

  [2] 韩申生, 刘震涛, 吴建荣, 李恩荣, 谭诗语, 陈喆. Random Grating based Compressive Sensing Wideband Hyperspectral Imaging System. 美国专利,US10136078B22018.11.20. 

  [3] 韩申生, 刘震涛, 吴建荣, 李恩荣, 谭诗语, 陈喆. Random Grating based Compressive Sensing Wideband Hyperspectral Imaging System,日本专利,64156852018.10.12.     

  3中国授权发明专利     

  [1] 韩申生, 刘震涛, 刘盛盈, 吴建荣, 李恩荣, 谭诗语, 沈夏, 童智申. 利用基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统实现消除大气湍流的方法. 中国专利,201710099827.6. 

  [2] 韩申生, 刘震涛, 吴建荣, 李恩荣, 谭诗语, 陈喆. 基于随机光栅的压缩感知宽波段高光谱成像系统. 中国专利,ZL201410348475.X. 

  [3] 韩申生,陈喆,吴建荣. 压缩光谱成像系统的测量矩阵获取方法. 中国专利:ZL 2014 1 0161282.3. 

  [4] 韩申生,吴建荣,沈夏. 基于随机波前相位调制的压缩光谱成像系统. 中国专利:ZL 2012 1 0266203.6.