基于记忆效应和关联成像的抗散射光学成像研究

Image quality will be greatly reduced by scattering from the media in the optical path. Self-correlation of speckles based on memory effect can offer sharp image under scattering. Ghost imaging also gains ability of imaging under scattering. However, the field of view of the former method is limited and ghost imaging cannot work over strong scattering. Actually, both methods obtain the image based on second-order coherence of light field, and they are kind of mutually complementary considering the ability of imaging and the scope of application. We propose to investigate the physics of memory effect and self-correlation imaging, especially on the physical reason of limitation on the field of view. By comparing between two imaging methods, make it clear about the similarity in the fundamental and possible combination for applications. New optical imaging method and corresponding experimental verification are expected for imaging against scattering. Based on this project, novel imaging protocols with wide field of view, which can imaging over strong scattering, will help to improve the scope of applications. Those methods can be applied for clinical imaging, bio-imaging, imaging against bad weather, and so on.

光学传输路径上的散射导致光学成像质量下降甚至不能成像。基于散射记忆效应的散斑自相关成像能够在散射条件下清晰成像，关联成像也具有一定的抗散射能力。但前者视场角受限，后者能“看透”的散射不强。对比两种成像方法，两者都利用了光场的二阶关联特性进行成像，且在成像能力和适用范围上有互补性。因此，本项目拟从记忆效应及散斑自相关成像的物理机理入手，研究其视场角受限的物理机制，对散斑自相关成像和关联成像从成像原理、抗散射原因、成像能力及适用范围等方面进行对比，明确其原理上的共通之处和应用层面的结合点，进一步通过两种成像方式的结合提出新的抗散射成像方案，并在实验上进行验证和优化。通过本项目研究，有望提出广视角、抗强散射的光学成像新方案，提高散射条件下的光学成像质量，拓宽抗散射光学成像的应用范围，推动相关技术在医学诊断、生物成像、恶劣气象条件应对以及军事侦查等等方面的实际应用。

光学传输路径上的散射导致光学成像质量下降甚至不能成像。项目深入分析了记忆效应自相关成像的物理机理，建立了散射介质模型，对比研究了自相关成像和关联成像的联系与区别，研究了两种成像方式各自的优点与缺点，进而提出了通过光场涨落关联获取散射介质点扩展函数的方法，实现了大视场抗散射光学成像。还研究了散射对偏振、时域波形等的影响；针对关联成像走向实际应用的问题，研究了低信噪比下的图像质量提升方法，明显提升了系统成像能力。主要进展如下：.1）分析了几种典型散射介质的光场特性，并提出了能够模拟记忆效应的散射介质数值模型；.2）基于光场二阶相关性研究了记忆效应物理机理，讨论了自相关图像获取的物理机制，并确定了关联成像与记忆效应自相关成像的共同点及区别；.3）提出了基于涨落关联获取散射介质点扩展函数的方案，并基于此实现了跨记忆效应区间的抗散射光学成像；.4）分析了物体反射与介质散射光的偏振特性差异，并实验实现了偏振关联成像，分析了其抗散射能力；.5）针对散射及环境背景光影响，提出并实现了时域互相关关联成像，提升了关联成像在低信噪比情况下的图像恢复能力；.6）结合光场设计、成像策略优化，突破了运动物体关联成像技术，将对物体准静止状态下采样次数要求降低了几个数量级；.7）基于时间域双光子干涉，实现了单光子时域波函数探测。.共发表SCI论文12篇，其中Optics Letters论文2篇，Phys. Rev. A论文2篇，Optics Express论文5篇；发表国内核心期刊特邀综述论文2篇；获批专利2项。在国际国内学术会议作邀请报告超过15人次，参加国际国内学术会议30余人次。圆满完成了项目目标。.通过研究，对散射条件下的光场传输和成像机理有了更深的理解，提出了大视角、抗强散射的光学成像新方案，提高了散射条件下的光学成像质量，有利于推动相关技术在医学诊断、生物成像、恶劣气象条件应对以及军事侦查等方面的实际应用。