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基于数字衍射的单幅眼底图像增强

光学精密工程 2024年第15期32卷 2429-2438页

作者：张书赫曹良才清华大学精密仪器系北京100084

彩色眼底图像是分析与监控眼底疾病的重要工具。由于照明不均匀的问题,眼底图像视觉质量不足,图像对比度有待提高。为此,基于数字衍射提出了一种兼顾颜色保真与亮度增强的单幅眼底图像光强校正算法。将彩色RGB眼底图像转换到LCH色彩空... 详细信息

彩色眼底图像是分析与监控眼底疾病的重要工具。由于照明不均匀的问题,眼底图像视觉质量不足,图像对比度有待提高。为此,基于数字衍射提出了一种兼顾颜色保真与亮度增强的单幅眼底图像光强校正算法。将彩色RGB眼底图像转换到LCH色彩空间进行基于L通道的光强校正,以解决眼底图像亮度的平衡问题。对C通道进行相同操作使得处理后的彩色眼底图像颜色保真性较好。在Messidor眼底图像数据集的1200组眼底图像上进行分析,并与Gamma校正、Retinex等眼底图像光强校正方法进行对比。本算法不仅具有更好的图像增强效果,改善了彩色眼底图像的颜色失真及对比度低的问题,还可进一步结合自适应直方图均衡化(CLAHE)以提升图像对比度。实验结果表明,在图像多尺度对比度和图像噪声评价指标方面优于传统算法3%~4%。经算法增强后眼底图像亮度分布更加均匀、对比度提升,为后期眼底图像病理位点的识别、血管与病灶分割和分类提供了一种性能更好的预处理方法。

关键词：医学图像处理眼底图像增强对比度增强数字衍射

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相位恢复波前重构技术的发展与应用(特邀)

激光与光电子学进展 2024年第2期61卷 1-17页

作者：魏金文李儒佳吴佳琛张启航高云晖曹良才清华大学精密仪器系北京100084

光波复振幅中相位信息的恢复是科学与工程领域的重要研究热点之一。相位携带了光传播中的重要信息,对成像与智能感知技术的发展有着重要的意义。相位恢复波前重构技术通过优化算法和设计特定成像装置,从光电探测器采集的强度信息中恢复... 详细信息

光波复振幅中相位信息的恢复是科学与工程领域的重要研究热点之一。相位携带了光传播中的重要信息,对成像与智能感知技术的发展有着重要的意义。相位恢复波前重构技术通过优化算法和设计特定成像装置,从光电探测器采集的强度信息中恢复出难以被直接感知的相位信息,是探测微观和宏观世界的重要技术手段之一,已广泛应用于生物显微、工业检测和天文观测等领域。概述基于干涉和非干涉的波前重构技术及其应用,梳理相位恢复波前重构算法的基本原理和发展历程,对常见相位恢复技术手段如交替投影相位恢复算法、基于调制约束和基于深度学习的相位恢复波前重构技术等进行初步的探讨。针对相位恢复波前重构技术的未来发展提出若干可能的研究方向,包括相位恢复算法的进一步优化、新型系统和器件的开发等。

关键词：相位恢复波前重构计算成像深度学习

数字全息与定量相位成像：进展与展望（特邀）

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光子学报 2024年第9期 8-34页

作者：黄郑重曹良才清华大学精密仪器系

全息术的提出为光波场的定量分析提供了一个开创性的技术方案。经过70余年的发展，基于全息术的计算成像已成为光场定量测量的重要工具，它的出现为物理学、生物学和材料科学领域提供了新的观测维度，搭建了光学成像和光散射领域的桥梁... 详细信息

全息术的提出为光波场的定量分析提供了一个开创性的技术方案。经过70余年的发展，基于全息术的计算成像已成为光场定量测量的重要工具，它的出现为物理学、生物学和材料科学领域提供了新的观测维度，搭建了光学成像和光散射领域的桥梁，突破了传统光学成像系统与图像采集设备的物理限制，在疾病的病理研究和材料的表征中起着至关重要的作用。本文从信号分析的角度出发，将全息的记录与重建过程看作是复数域与实数域之间的转换，讨论全息重建的数学原理与物理实现过程，并以生物医学领域为应用导引，总结了全息成像的新挑战和机遇。

关键词：全息术数字全息定量分析光学成像信号分析

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基于脉冲受激布里渊散射光谱的非接触式黏弹性测量

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物理学报 2024年第12期73卷 367-376页

作者：李佳芮乐陶然尉昊赟李岩清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室北京100084

细胞和组织的力学特性在决定生物功能中起着至关重要的作用,布里渊光谱技术作为一种黏弹性显微成像方法,可以无标记、非接触地以高空间分辨率表征样品的力学特征变化.为了更加灵敏地识别生物系统的微小力学性质差异,在提高布里渊散射效... 详细信息

细胞和组织的力学特性在决定生物功能中起着至关重要的作用,布里渊光谱技术作为一种黏弹性显微成像方法,可以无标记、非接触地以高空间分辨率表征样品的力学特征变化.为了更加灵敏地识别生物系统的微小力学性质差异,在提高布里渊散射效率的同时,结合多种黏弹性对比机制进行测量是需要关注的问题.本文报道了基于脉冲受激布里渊散射的光谱测量方法,采用脉冲光激发、连续光时域探测的方式,通过一次时域测量即可得到完整光谱并根据光谱信息反演样品的多种黏弹性参数.得益于受激散射和时域探测,实验中以毫秒级的光谱积分时间即可得到信噪比为26 dB的光谱,弹性纵模的存储模量和损耗模量的平均测量精度分别达0.1%和1%.基于此方法,测量并对比了常见液体及聚合物材料的布里渊光谱,并研究了不同固化阶段的PDMS弹性变化,与琼脂糖凝胶进行了对比.最后,基于多种黏弹性对比机制对6种食用油进行鉴别,不仅为物质鉴别提供了新的思路,也拓展了布里渊光谱的测量能力,提高了黏弹性测量的灵敏性.

关键词：布里渊散射黏弹性生物力学

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宿主无损光照消毒技术综述

清华大学学报（自然科学版） 2024年第2期64卷 370-380页

作者：张婉清苏萍马建设巩马理清华大学深圳国际研究生院深圳518055 清华大学精密仪器系北京100084

细菌、病毒等病原体给人类社会造成巨大危害。化学药剂、热能和紫外线被广泛应用于灭活有害微生物,但这些方法也会对病原体的宿主产生无差别伤害。宿主无损光照消毒技术能够在不损伤宿主细胞的同时灭活病原体,因而受到越来越多的关注。... 详细信息

细菌、病毒等病原体给人类社会造成巨大危害。化学药剂、热能和紫外线被广泛应用于灭活有害微生物,但这些方法也会对病原体的宿主产生无差别伤害。宿主无损光照消毒技术能够在不损伤宿主细胞的同时灭活病原体,因而受到越来越多的关注。目前主流的宿主无损光照消毒技术包括207~222 nm远紫外线(far-ultraviolet C,far-UVC)、抗菌蓝光(antibacterial blue light)和低功率超短脉冲激光消毒。该文综述了这3种技术的基本原理、研究动态、适用场景和优缺点;对比了宿主无损光照消毒技术与传统紫外线消毒技术的技术特点;从理论模型建立和实际应用2方面提出了宿主无损光照消毒技术的研究展望。宿主无损光照消毒技术将有助于阻止大规模疫情中有害病原体的传播,可为食品保鲜和医疗产品消毒提供一种新方案,具有广阔的应用前景。

关键词：生物光学消毒技术远紫外线抗菌蓝光飞秒激光

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突破微腔光梳转换效率瓶颈

中国科学:物理学力学天文学 2024年

作者：鲍成英清华大学精密仪器系

近年来基于相干泵浦的高品质因子微腔所产生的微腔光梳受到了广泛关注,并极大地推动了光梳系统小型化的进程.但进一步提升系统的集成度和降低对光梳模块的功耗要求,提升泵浦光的转换效率是一个亟待解决的问题.本文通过简化的理论模式分... 详细信息

近年来基于相干泵浦的高品质因子微腔所产生的微腔光梳受到了广泛关注,并极大地推动了光梳系统小型化的进程.但进一步提升系统的集成度和降低对光梳模块的功耗要求,提升泵浦光的转换效率是一个亟待解决的问题.本文通过简化的理论模式分析了微腔光梳系统转换效率较低的原因,并提出利用二阶非线性和非线性耦合器的概念来提升转换效率,为微腔光梳的进一步集成迈出了重要一步.

关键词：光学微腔非线性光学光学计量集成光学

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微腔光梳重频调控与光谱应用

科学通报 2024年第12期69卷 1552-1564页

作者：王子皓杨昌喜鲍成英清华大学精密仪器系精密测量技术与仪器国家重点实验室北京100084

利用高品质因子(高Q)微腔中材料的光学非线性可以实现高相干微腔光梳的产生,这为光频梳系统的小型化和片上集成开辟了新的可能性.对于光学频率梳,梳齿间距是光频梳的关键参数,其与产生方式相关,反过来也影响了光梳的应用.芯片化的微腔... 详细信息

利用高品质因子(高Q)微腔中材料的光学非线性可以实现高相干微腔光梳的产生,这为光频梳系统的小型化和片上集成开辟了新的可能性.对于光学频率梳,梳齿间距是光频梳的关键参数,其与产生方式相关,反过来也影响了光梳的应用.芯片化的微腔光梳一般具有高重频的特点,这一特点适用于波分复用光通信、光计算、太赫兹波合成等应用.但对于精密光谱分析等应用,过大的梳齿间隔会带来光谱欠采样等问题,这一问题在中红外波段尤为明显.本文重点介绍了微腔光梳的重频调控,特别是其在光谱测量中的应用;简要分析了不同方式所产生光频梳的重频特点,以及不同应用对光梳重频的要求,特别是对双光梳测量系统;还介绍了微腔光梳与电光梳相结合的间隔光学差频(interleaved difference frequency generation,iDFG)技术,基于此技术可以实现GHz重频的中红外光梳的产生.将iDFG技术与相向传播(counter-propagating,CP)的孤子对相结合,可以实现中红外波段高相干、高分辨率的光谱测量.本文简要介绍了微腔光梳的发展,侧重于微腔光梳在光谱分析上的应用.

关键词：微腔光梳光学孤子双光梳测量重频

基于双光束写和双光束读的超分辨三维纳米光子存储器

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科学通报 2024年第10期69卷 1248-1250页

作者：孙洪波清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室北京100084

光存储技术(optical data storage,ODS)是一种很有前景的长寿命大数据存储解决方案[1].但是传统的光盘有着比闪存设备和硬盘低得多的容量,如何在有限体积内有效增加存储密度成为光存储亟待解决的问题[2].研究人员通过开发多维物理量复... 详细信息

光存储技术(optical data storage,ODS)是一种很有前景的长寿命大数据存储解决方案[1].但是传统的光盘有着比闪存设备和硬盘低得多的容量,如何在有限体积内有效增加存储密度成为光存储亟待解决的问题[2].研究人员通过开发多维物理量复用的光存储[3,4],写入多层的三维空间光存储[5]等来提高光学存储介质的存储密度.但以上方法都没有突破光学衍射极限的限制.仅有极少研究讨论了光和材料相互作用之后,信息点被超分辨地写入随后被超分辨地读出,即超分辨率纳米光子存储技术.

关键词：存储密度超分辨率光存储大数据存储信息点双光束存储器存储介质

“三位一体”育人理念在仪器学科人才培养中的实践

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控制工程 2024年第9期31卷 1644-1650页

作者：孟子阳董瑞琦清华大学精密仪器系北京100084

近些年来,“三位一体”已逐渐从一种人才培养模式上升到教育理念层面。该理念要求人才培养过程中保持价值塑造、能力培养、知识传授三者的不可分割性。在面向第二个百年奋斗目标进军的关键时刻,“三位一体”理念符合国家对创新人才培养... 详细信息

近些年来,“三位一体”已逐渐从一种人才培养模式上升到教育理念层面。该理念要求人才培养过程中保持价值塑造、能力培养、知识传授三者的不可分割性。在面向第二个百年奋斗目标进军的关键时刻,“三位一体”理念符合国家对创新人才培养提出的迫切需求。针对仪器学科人才培养过程中价值观引导不足的问题,作者采用“三位一体”理念对仪器学科人才培养开展了教育改革,对课堂和实践教学等环节进行了调整与优化,将价值塑造、能力培养与知识传授结合在一起,引导学生树立积极正确的价值观、塑造学生的家国情怀、培养学生的思辨能力和创新能力。实践反馈表明,“三位一体”教育理念对于培养符合新时代需求的仪器科学与技术人才具有重要的价值和意义。

关键词：三位一体教育理念仪器科学与技术人才培养