量?jī)?yōu)化技術(shù)背景：虛擬現(xiàn)實(shí)(virtual reality,VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmented reality,AR)中的近眼顯示要求具有高圖像質(zhì)量，在緊湊的設(shè)備外形中支持大視野、聚焦提示(focus cues)以及大小合適的眼盒。全息近眼顯示有希望滿足這些要求，并在過(guò)去的數(shù)年里取得了顯著的進(jìn)展。 全息近眼顯示不同于傳統(tǒng)的近眼顯示，它使用相位型空間光調(diào)制器(spatial light modulator,SLM)對(duì)入射光波整形，目標(biāo)圖像通過(guò)干涉的方式形成。用于全息顯示的相位型SLM存在衍射效率低的問(wèn)題。這是由于其有限的像素填充因子、背板架構(gòu)和其它因素，使得多達(dá)20%的入射光可能不會(huì)被衍射，從而 ...

和延伸技術(shù)背景：熒光成像已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療實(shí)踐，隨著對(duì)光與生物組織相互作用認(rèn)識(shí)的深入以及檢測(cè)技術(shù)成本的下降，熒光成像波長(zhǎng)整體上從可見(jiàn)光區(qū)域不斷紅移到近紅外（NIR）區(qū)域。光在生物介質(zhì)中傳播時(shí)的能量損失可歸咎于吸收衰減和散射干擾。吸收損耗決定了我們能否捕捉到信號(hào)，而散射信號(hào)總是降低圖像的清晰度。此外，生物組織過(guò)度吸收光可能會(huì)導(dǎo)致組織損傷。一些生物分子的自發(fā)熒光總是與有用信號(hào)混合在一起，zui終成為拍攝圖像的背景。因此，光吸收和散射對(duì)熒光圖像采集完全有害的根深蒂固的信念促使大多數(shù)研究人員追求具有z小光子吸收和散射的完美窗口用于生物成像。基于第二近紅外窗口(NIR-II)的生物熒光成像被普遍公認(rèn)為具有 ...

內(nèi)窺鏡技術(shù)背景：光學(xué)內(nèi)窺鏡廣泛用于對(duì)人體內(nèi)部進(jìn)行成像，從而實(shí)現(xiàn)疾病診斷和手術(shù)圖像引導(dǎo)。此外，光纖顯微內(nèi)窺鏡正成為對(duì)活體動(dòng)物進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能腦成像的非常有價(jià)值的工具。此類行為研究需要具有高時(shí)空分辨率的工具，在大空間范圍上成像，從而捕捉大腦深處的大規(guī)模神經(jīng)活動(dòng)。當(dāng)前的一種方法是通過(guò)單芯光纖的頭端(distal)掃描或使用多芯光纖的近端(proximal)掃描來(lái)獲取場(chǎng)景的每個(gè)圖像像素。這種設(shè)計(jì)通常使用機(jī)械掃描儀和微透鏡，并以高空間分辨率恢復(fù)圖像，但視野受掃描儀偏轉(zhuǎn)角的限制。另一種方法為寬場(chǎng)照明，使用多芯光纖或光纖束進(jìn)行檢測(cè)，其中纖芯傳輸場(chǎng)景的圖像像素。在這種情況下，由于纖芯之間的串?dāng)_和像素化偽影，圖像 ...

習(xí)算子技術(shù)背景：早期的光學(xué)計(jì)算機(jī)被用于做一些線性運(yùn)算的計(jì)算(如傅立葉變換和相關(guān)性),并主要應(yīng)用于模式識(shí)別和合成孔徑雷達(dá)。然而，隨著現(xiàn)代超大規(guī)模集成技術(shù)和高效算法的出現(xiàn)，基于硅電路的數(shù)字信號(hào)處理變得如此快速和并行，以至于模擬光學(xué)計(jì)算難以與之匹敵。隨后出現(xiàn)的數(shù)字光計(jì)算將非線性光開(kāi)關(guān)與取代電線的線性光互連(optical interconnections)相結(jié)合，并在1980年代得到了熱烈追捧。光互連在功耗方面具有優(yōu)勢(shì)；然而，在全光實(shí)現(xiàn)中，與電子開(kāi)關(guān)相比，光開(kāi)關(guān)的功率低下和大尺寸抵消了這一優(yōu)勢(shì)。因此，全光數(shù)字計(jì)算機(jī)還沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)力。光學(xué)還被用于不基于布爾邏輯(Boolean logic)的非線性計(jì)算的實(shí) ...

D全息技術(shù)背景：AR/VR、人機(jī)交互、教育和培訓(xùn)等領(lǐng)域切實(shí)需要具有連續(xù)深度感知的三維場(chǎng)景顯現(xiàn)。計(jì)算生成全息是一種可行的手段，它通過(guò)數(shù)值模擬衍射和干涉來(lái)實(shí)現(xiàn)具有高空間-角度分辨率的3D投影。全息將動(dòng)態(tài)光場(chǎng)編碼為相位和振幅變化的干涉圖案，即全息圖。通過(guò)選擇照明光束，全息圖將入射光衍射成原始光場(chǎng)的準(zhǔn)確再現(xiàn)。重建的3D場(chǎng)景呈現(xiàn)準(zhǔn)確的單目和雙目深度線索(depth cues)，這是傳統(tǒng)的顯示手段難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)的。然而，高效、實(shí)時(shí)地創(chuàng)建逼真的計(jì)算機(jī)生成全息圖(CGH)仍然是計(jì)算物理學(xué)中尚未解決的挑戰(zhàn)。其主要挑戰(zhàn)是對(duì)連續(xù)3D空間中的每個(gè)目標(biāo)點(diǎn)執(zhí)行菲涅耳衍射模擬所需的巨大算力要求。有效的菲涅耳衍射模擬極具挑戰(zhàn)性 ...

鏡成像技術(shù)背景：近幾十年來(lái)，強(qiáng)度傳感器的小型化使得當(dāng)今的相機(jī)在許多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。如，醫(yī)學(xué)影像、智能手機(jī)、安防、機(jī)器人和自動(dòng)駕駛等。然而，成像器(imager)的尺寸如果能夠再小一個(gè)數(shù)量級(jí)，那它將在納米機(jī)器人、體內(nèi)成像、AR/VR、健康檢測(cè)等領(lǐng)域激發(fā)更多的新應(yīng)用。雖然確實(shí)存在亞微米像素尺寸的圖像傳感器，但是傳統(tǒng)光學(xué)限制了成像器的進(jìn)一步小型化。傳統(tǒng)成像系統(tǒng)由一系列校正像差的折射光學(xué)元件組成笨重的鏡頭，是為相機(jī)尺寸的下限。還有一個(gè)基本的障礙在于鏡頭焦距難以縮短，因?yàn)檫@會(huì)引入更大的色差。基于計(jì)算設(shè)計(jì)的超表面光學(xué)(meta-optics)是成像器小型化的可行手段之一。超薄的meta-optics使用 ...

面重建技術(shù)背景：非視域(Non-line-of-sight,NLOS)成像可以對(duì)視域之外的目標(biāo)進(jìn)行成像，其應(yīng)用遍布遙感、國(guó)防、機(jī)器人視覺(jué)和自動(dòng)駕駛等領(lǐng)域。通常，使用一個(gè)光源(如激光)不直接照射目標(biāo)場(chǎng)景，而是通過(guò)一個(gè)中介面將光反射到目標(biāo)場(chǎng)景上，目標(biāo)場(chǎng)景將光反射到中介面，再由中介面反射到傳感器上。傳感器捕捉到由中介面反射回的場(chǎng)景信息，并將它們記錄為二維圖像(或瞬態(tài))的時(shí)間分辨序列，通過(guò)計(jì)算的方法重建出場(chǎng)景圖像。除了基于瞬態(tài)的成像外，其它NLOS成像模式還包括基于散斑或非相干強(qiáng)度測(cè)量以及被動(dòng)傳感和聲學(xué)成像技術(shù)的成像模式。基于瞬態(tài)的 NLOS 成像，其隱藏的NLOS場(chǎng)景通常被渲染為空間的三維反照率體積 ...

層析術(shù)技術(shù)背景：在時(shí)域和頻域中編碼量子信息已被證明是可擴(kuò)展量子信息處理的合適替代方案。這些編碼使得人們可以訪問(wèn)高維希爾伯特空間，從而對(duì)量子信息提取、密碼學(xué)和通信任務(wù)等有增強(qiáng)作用。此外，此類編碼僅占用一種單一的空間模式，因此可以與單模光纖網(wǎng)絡(luò)直接兼容。然而，具有足夠高分辨率的可靠時(shí)間測(cè)量仍然具有挑戰(zhàn)性(特別是在通訊波長(zhǎng)下)。量子信息技術(shù)一般包括量子計(jì)算，量子模擬和量子通信三種。在量子計(jì)算中，研究人員通常采用量子態(tài)或量子過(guò)程作為數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)描述所屬量子系統(tǒng)的特征。認(rèn)識(shí)一個(gè)量子系統(tǒng)的量子態(tài)和量子過(guò)程等價(jià)于可以掌握在此系統(tǒng)中進(jìn)行任何測(cè)量的結(jié)果。在量子信息科學(xué)領(lǐng)域，量子系統(tǒng)表征通常被稱為量子層析。壓縮策略 ...

維信息技術(shù)背景一個(gè)光場(chǎng)可以用七維全光函數(shù)來(lái)表征，。沿所有維度記錄光線可揭示輸入場(chǎng)景的體積、光譜和時(shí)間信息。然而，傳統(tǒng)的圖像傳感器僅測(cè)量二維全光函數(shù)，大部分信息都未記錄，且測(cè)量效率低下。測(cè)量高維全光函數(shù)面臨兩個(gè)主要難題：降維和測(cè)量效率。一方面，由于大多數(shù)光子探測(cè)器是二維(圖像傳感器）、一維(線傳感器)或零維(單像素傳感器)的，用低維傳感器采集高維全光函數(shù)通常需要沿另一個(gè)維度進(jìn)行大量掃描。例如，為了獲取全光數(shù)據(jù)立方體，高光譜成像儀通常在空間域或光譜域中進(jìn)行掃描，從而導(dǎo)致采集時(shí)間延長(zhǎng)。相比之下，像映射光譜儀(image mapping spectrometer, IMS)、編碼孔徑快照光譜成像(co ...

解卷積技術(shù)背景：許多現(xiàn)代的成像系統(tǒng)集成了解卷積(deconvolution)算法，用于實(shí)現(xiàn)圖像質(zhì)量提升以及增強(qiáng)成像系統(tǒng)的能力。光學(xué)器件的缺陷可能會(huì)在無(wú)意中讓圖像模糊(如像差)，解卷積可以在計(jì)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(chǎn)生更銳利的三維圖像。另外，還可以將分布式點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)有意設(shè)計(jì)到成像系統(tǒng)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(fù)用的光學(xué)器件通過(guò)將物空間中的每一點(diǎn)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(cè)量來(lái)重建編碼的清晰圖像或體積。現(xiàn)有的解卷積算法應(yīng)用場(chǎng)景有限。現(xiàn)今已 ...