Diffusion of light in turbid media and Kubelka-Munk theory
我们证明了描述混浊介质中光强度传递的Kubelka-Munk方程等价于一维扩散方程，该方程是通过对三维扩散方程在横向上求平均而得到的。这使我们能够确定唯一的Kubelka-Munk参数，并推导出表达式的漫反射和透射系数，包括内反射的影响。没有内部反射，我们恢复这些系数的Kubelka-Munk公式。我们表明，Kubelka-Munk方程是适当的辐射传输方程的一维扩散问题和评论以前的尝试，以获得Kubelka-Munk方程。
2023-03-08 cond-mat.dis-nn physics.optics
Spatio-temporal speckle correlations for imaging in turbid media
我们讨论了在混浊介质中的多散射波的远场时空互相关，其中嵌入了一个隐藏的异质区域（夹杂物），其特征在于由一个独特的散射体动力学（相比于其余的介质）。我们表明，时空相关性的影响，这表明了一种新的方法，在混浊介质中成像的夹杂物。我们的研究结果允许定性解释衍射理论：散射波的互相关的行为类似于由孔径衍射的波的强度。
2001-03-22 cond-mat.dis-nn cond-mat.soft physics.med-ph
Looking through walls and around corners with incoherent light: Wide-field real-time imaging through scattering media
通过高散射介质以光学分辨率成像是长期追求的目标，在深部组织成像中具有重要应用。虽然这是许多作品的焦点，但直到最近，这个目标才被认为是不切实际的。自适应光学技术，这是有效的校正弱波前像差，被认为是不够的混浊样本，其中复杂的散斑图案出现和光被散射到大量的模式，大大超过了控制的度数。这一概念在使用空间光调制器（SLM）通过波前整形聚焦穿过混浊介质的相干光的演示之后发生了变化。在这里，我们表明，波前整形使宽视场实时成像通过散射介质与相干或非相干照明，在传输和反射。与最近推出的通过混浊介质成像的方案相比，我们的技术不需要相干源、干涉检测、光栅扫描或离线图像重建。我们的研究结果使波前整形更接近实际应用，并实现了“穿墙”和“绕角”的愿景。
2012-02-09 physics.optics
High-extinction VIPA-based Brillouin spectroscopy of turbid biological media
布里渊显微镜是近年来发展起来的一种表征生物组织、细胞和生物材料力学特性的有力技术。然而，布里渊显微镜的潜力目前仅限于透明样品，因为布里渊光谱仪没有足够的光谱消光，以拒绝主要的非布里渊散射光的混浊介质。为了克服这个问题，我们开发了一个光谱仪组成的两个VIPA阶段和多程法布里-珀罗干涉仪。法布里-珀罗标准具作为一种超窄带布里渊光滤波器，具有高光谱消光和低损耗。我们报告了来自Intraperoid溶液和鸡肌肉组织内高达100微米深的无背景布里渊光谱。
2016-04-17 physics.bio-ph physics.optics q-bio.QM
Transport in quenched disorder: light diffusion in strongly heterogeneous turbid media
本文从理论和实验两方面研究了在非散射区形成的散射体分布强烈不均匀的无序介质中光的输运问题。步骤的相关性诱导的淬火无序，以防止扩散率发散增加异质性尺度，从退火模型的预期相反。光谱扩散率测量的多孔陶瓷，其中纳米孔作为散射体和大孔使其分布不均匀。结果与蒙特卡罗模拟和建议的分析模型吻合良好。
2013-10-23 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech physics.optics
Evanescent Wave Dynamic Light Scattering of Turbid Media
动态光散射（DLS）是一种广泛应用的表征软相动力学的技术.倏逝波DLS是指探测近界面动力学的全内反射DLS的情况。我们在这里调查使用EWDLS混浊样品。结合光线追迹模拟和实验，我们发现，一个显着的分数检测到的光子被散射一次，并具有相移不同于多次散射分数。由此可见，测量的相关性可以分为两个贡献：一个单一的散射所产生的倏逝波散射，提供信息的运动的“散射体”和相关的近壁动态和多个散射的贡献源于散射内的大部分样品。在足够混浊的样品的情况下，后者提供了扩散波谱（DWS）样的相关贡献。该方法的有效性进行了验证，使用混浊的胶体分散体在休息和剪切。在静止时，我们用去极化散射来区分这两种贡献。在剪切作用下，由于近壁动力学和体动力学很好地分离，这两种贡献很容易区分。近壁流动和整体流动的信息可以从一个单一的实验中检索。测量的相关性的简单结构是开放使用EWDLS的大范围的样本。
2021-06-23 cond-mat.soft physics.optics
Polarization Discrimination Imaging of objects hidden in turbid media: Detection of weak sinusoids through Stochastic Resonance
在偏振鉴别成像中，来自旋转分析器的正弦曲线的幅度，代表残留偏振光并携带关于物体的信息，在锁定放大器的帮助下被检测到。当浊度增加超过一个水平时，锁定放大器无法检测到透射光中的微弱正弦分量。在这项工作中，我们采用了随机共振的原则，并使用一个3电平量化器来检测正弦波的幅度，这是无法检测与锁定放大器。在使用三电平量化器时，我们采用了三种不同的方法来提取弱正弦信号的幅度：（a）使用量化输出的概率来跨越量化器中的某个阈值;（b）最大化量化的检测强度数据的似然函数;以及（c）得到检测输出中的预期功率的表达式，并将其与实验测量的功率进行比较。我们已经证明了这些非线性估计方法通过检测隐藏的目标从偏振歧视成像系统的实验数据。当浊度增加到L/l = 5.05（l是传输平均自由程，L是混浊介质的厚度）时，通过所提出的方法分析的数据从估计的振幅揭示了对象的存在。仅使用锁定放大器系统是不可能的。
2019-11-01 eess.IV physics.optics
Speckle-Free Coherence Tomography of Turbid Media
光学相干断层扫描（OCT）是一种强大的生物医学成像技术，它依赖于对后向散射光的相干检测来对体内组织形态进行成像。因此，OCT易受相干噪声（斑点噪声）的影响，这对其诊断能力造成了重大限制。在这里，我们展示了一种纯粹基于光操纵的方法，该方法能够完全去除源于混浊样本的斑点噪声，而不会在分辨率上有任何妥协。我们将这种方法称为无斑点OCT（SFOCT）。使用SFOCT，我们成功地揭示了小的结构，否则隐藏的斑点噪声时，使用传统的OCT，包括内部基质结构的活小鼠角膜，小鼠耳廓内的精细结构，汗管，和迈斯纳小体在人类指尖皮肤。SFOCT通过揭示与早期病理相关的微小特征，有可能显着提高OCT对各种人类疾病的诊断能力。
2016-08-31 physics.ins-det physics.med-ph physics.optics
Holey Random Walks: Optics of Heterogeneous Turbid Composites
本文提出了一种非散射区混浊介质中随机游动的概率理论。它示出的重要特征，如扩散常数，平均步长，交叉统计和空隙间距可以解析预测。利用蒙特卡罗模拟对随机球堆积形式的非均质系统中的光输运进行了模拟，得到了很好的一致性，讨论了阶跃关联的作用，并研究了无界系统和有界系统之间的差异。我们的研究结果是相关的非均质系统的光学一般，并代表了一个重要的一步，特别是在强（分形）的异质性介质的理解。
2012-11-08 cond-mat.dis-nn cond-mat.stat-mech physics.optics
Decoding Orbital Angular Momentum in Turbid Tissue-like Scattering Medium via Fourier-Domain Deep Learning
Faculty of Engineering and the Nanotechnology Center, Bar-Ilan University（巴伊兰大学工程与纳米技术中心）；Optoelectronics and Measurement Techniques Unit, University of Oulu（奥卢大学光电与测量技术单元）；School of Engineering and Computer Science, Victoria University of Wellington（惠灵顿维多利亚大学工程与计算机科学学院）；Aston Institute of Photonic Technologies, College of Engineering and Physical Sciences, Aston University（阿斯顿大学工程与物理科学学院光子技术研究所在）
通过傅里叶域深度学习在复杂介质中解码OAM拓扑电荷，提升光子系统鲁棒性
2025-12-16 physics.optics
Anisotropic diffusive transport: connecting microscopic scattering and macroscopic transport properties
利用扩散理论对各向异性混浊介质中的辐射转移进行了模拟。微观散射特性之间关系的理论（即，一个任意微分散射截面）和宏观扩散张量，在独立散射体的限制，提出。该理论是伴随着能够执行计算的数值方法。此外，一个边界条件适用于建模系统的各向异性辐射。结果表明，各向异性扩散理论，当基于这些发展，确实可以描述辐射转移在各向异性混浊介质。更具体地说，据报道，各向异性扩散方程的解在稳态和时域中都与蒙特卡罗模拟非常一致。这与以前的工作相反，在这个问题上，不适当的边界条件和/或不正确的微观散射特性和扩散张量之间的关系造成了模拟和扩散理论之间的分歧。因此，目前的工作证伪了以前的说法，即各向异性扩散理论不能描述各向异性辐射转移，而不是开放的准确定量扩散为基础的建模各向异性混浊材料。
2014-08-12 physics.optics
Holistic random encoding for imaging through multimode fibers
Gwangju Institute of Science and Technology（光州科学技术院）；Korea University（高丽大学）
通过在多模光纤（MMF）输入端放置混浊介质，可以有效地提高MMF的输入数值孔径（NA）。这提供了通过MMF进行高分辨率成像的可能性。当输入NA增加时，MMF中的传播模式的数量以及因此输出NA保持相同。这使得图像重建过程欠定，并且可能限制图像重建的质量。在本文中，我们的目标是提高信噪比（SNR）的成像通过磁动势。我们注意到，放置在MMF的输入端的混浊介质将入射波转换为更好的格式，用于信息传输和信息提取。我们称这种转换为混浊介质的整体随机（HR）编码。通过采用HR编码，我们在图像重建的信噪比上有了相当大的提高。为了有效地利用HR编码，我们采用稀疏表示（SR），一个相对较新的信号重建框架时，它提供了一个HR编码的信号。这项研究表明，第一次，我们的知识的好处，利用的HR编码的混浊介质中的光学欠定系统的恢复，它的输出NA小于通过MMF成像的输入NA。
2014-12-30 cs.CV physics.optics
Imaging dynamics beneath turbid media via parallelized single-photon detection
Duke University（杜克大学）；Tsinghua University（清华大学）；Lund University（隆德大学）；Tsinghua Shenzhen International Graduate School（清华大学深圳国际研究生院）
通过动态散射介质的非侵入性光学成像具有许多重要的生物医学应用，但仍然是一个具有挑战性的任务。虽然标准的漫射成像方法测量光学吸收或荧光发射，但也公认的是，散射相干光的时间相关性非常像光学强度那样漫射通过组织。然而，迄今为止，很少有作品旨在通过实验测量和处理这种时间相关数据，以证明去相关动力学的深层组织视频重建。在这项工作中，我们利用单光子雪崩二极管（SPAD）阵列相机，同时监测散斑波动的时间动态的单光子水平从12个不同的幻影组织表面位置通过定制的光纤束阵列提供。然后，我们应用深度神经网络将获取的单光子测量值转换为快速去相关组织模型下的散射动态视频。我们证明了重建图像的瞬时（0.1-0.4s）动态事件发生到8毫米以下的解相关组织模型与毫米级分辨率，并强调我们的模型可以灵活地扩展到监测内埋的幻影血管流速的能力。
2022-06-13 cs.CV eess.IV physics.optics
Theoretical optimal modulation frequencies for scattering parameter estimation and ballistic photon filtering in diffusive media
本文从理论上定量分析了强度调制光用于混浊介质散射特性估计和弹道光子鉴别的效率。使用调制光子传输的扩散模型，并考虑噪声正交解调方案，最小方差界估计的参数的兴趣解析推导和分析。方差最小化的最佳调制频率的存在示出和其演化与中介介质的属性推导和研究。此外，定义了一个度量来量化弹道光子过滤的效率，当通过混浊介质成像时可以寻求该效率。这个度量的分析推导表明，达到显着的弹道歧视所需的最小调制频率仅取决于在一个高度散射介质的线性方式减少的散射系数的介质。
2016-02-22 physics.data-an physics.med-ph physics.optics
Deep penetration fluorescence imaging through dense yeast cells suspensions using Airy beams
提出了一种基于艾里光束扫描的荧光物体透过混浊介质成像的新方法。这是通过使用艾里光束的非衍射性质来实现的，即它们在穿透高度散射介质时保持其形状的能力。我们表明，我们的技术可以成像荧光物体浸没在混浊介质中具有更高的分辨率和信噪比比共聚焦成像。作为原理证明，我们证明了1个$μ$ m大小的荧光珠通过酵母细胞的稠密悬浮液的成像，衰减系数为51 cm $^{-1}$，深度为90 $μ$ m。最后，我们证明了我们的技术也可以提供成像对象的深度，而无需任何额外的切片。
2019-02-24 physics.bio-ph physics.optics
Imaging through scattering media by exploiting the optical memory effect: a tutorial
本教程介绍如何利用光的多重散射相关性知识，实现通过强散射层的非侵入式成像，并重点讲解实验运行的实际细节。
2024-04-22 physics.optics
Non-invasive dynamic or wide-field imaging through opaque layers and around corners
在混浊介质中，光的光的散射扰乱了入射光束的信息，并且表示对光学成像的障碍。由于不可靠的图像重建过程，通过不透明层的非侵入性成像对于动态和宽视场对象是具有挑战性的。在这里，我们提出了一个新的视角来解决这些问题：而不是使用全点扩散函数（PSF），在散射层中的波失真可以表征只有相位的光学传递函数（OTF，傅里叶变换的PSF），衍射极限图像可以解析求解。然后，我们开发了一种方法，利用冗余信息的动态对象，并可以可靠和快速恢复OTF的相位在几个迭代。它不仅可以对隐藏在混浊介质中的运动物体进行25 ~ 200 Hz的无创视频成像，而且可以在弱照明下成像，这是以前的方法无法实现的。此外，通过扫描物平面上的局部照明，我们提出了一种宽场成像方法，与此同时，我们展示了一个应用程序，其中隐藏在四层不透明聚乙烯薄膜后面的光致发光样品与修改后的多光子激发显微镜设置成像。
2018-10-16 physics.optics
Measuring optical transmission matrices by wavefront shaping
介绍了一种简单实用的测量复杂介质光传输矩阵的方法。通过调制入射到复杂介质上的光束的波前并成像透射的全场散斑强度图案来获得复杂介质的光学TM。使用检索到的TM，我们演示了通过复杂的介质按需多个焦点的生成和线性组合。这种方法将被用作一个通用的工具，通过混浊介质的波的相干控制。
2015-02-17 physics.optics
Towards a sensing model using random laser combined with diffuse reflectance spectroscopy
本研究针对随机激光定量光学传感稀缺的问题，提出随机激光结合漫反射光谱的浑浊介质通用定量传感模型，验证了峰值波长偏移为理想传感参数，且标度参数可简化为一个，为多类浑浊介质光学特性直接传感提供了可行方案。
2024-03-28 physics.optics
Quasiannealed Monte Carlo method for light transport in strongly heterogeneous media
本文提出准退火蒙特卡罗方法，利用无限介质中的典型随机游走轨迹替代显式微观结构建模，高效模拟强非均匀介质的光传输，并在两相乳液平板反射率预测中验证了约百分之一的典型误差。
2025-03-11 physics.ao-ph physics.optics
Fluctuations and correlations of transmission eigenchannels in diffusive media
扩散系统的传输本征通道的选择性激发使得能够操纵其内能分布。然而，到目前为止，本征通道的空间分布的波动和相关性仍然是未知的。在这里，我们表明，高传输本征通道的深度配置文件表现出低的实现到实现的波动。此外，我们的实验和数值研究揭示了通道间的相关性，这是低传输本征通道的存在。由于高传输本征通道是鲁棒的，并且独立于其他本征通道，因此它们可以可靠地将能量传递到混浊介质的深处。
2020-10-14 cond-mat.dis-nn physics.optics
Exploring the origin of stronger survival of polarized vortex beams through scattering media
携带轨道角动量（OAM）的拉盖尔-高斯（LG）光束由于其通过散射介质的鲁棒传播特性而在深部组织成像、医疗诊断和光通信中显示出前景。然而，一个精确的模型，提供了一个机制，增强的散射特性的LG光束高斯光束至今尚未建立。在这里，我们通过研究偏振涡旋光束通过组织状混浊散射介质的传输来研究这个问题。我们证明了LG光束的强度分布比相位分布对退偏有更深刻的影响。我们的结果表明，观察到的较强的传输高阶LG光束是由于较高的各向异性因子g所看到的入射光束。这一见解有望有助于建立一个完整的光传输在散射的存在下，以及指导优化的强度和偏振结构的光用于生物医学应用。
2022-12-21 physics.optics
Single-shot optical imaging through scattering medium using digital in-line holography
通过复杂介质的非侵入性和单次全息成像是技术上具有挑战性的，因为随机光散射显著地扰乱光学信息。最近，已经提出了几种方法来解决这个问题。然而，它们需要光学传输矩阵的复杂测量，或者现有技术仅检索强度信息。在这里，我们提出并实验证明了一种基于数字同轴全息术的散斑强度的自相关相结合的散射层的单次拍摄成像的全息方法。使用一个简单的光学配置和实验过程中，所提出的方法能够检索位于散射介质后面的任意平面的物体的复振幅图像。该技术在生物医学成像、深层组织显微镜和通过混浊介质的3D成像中具有潜在的应用。
2016-03-24 physics.optics
Non-invasive imaging of object behind strongly scattering media via cross-spectrum
我们开发了一种基于强度调制CW激光器的互谱的方法，该方法可以从极其嘈杂的环境中提取信号并对隐藏在混浊介质中的物体进行成像。我们从理论上分析了我们的方案，并通过扫描放置在两个毛玻璃扩散器之间的物体进行了实验。通过收集所有互谱的调制频率处的幅度来检索对象的图像。我们的方法是非侵入性的，易于实现，并可以工作的静态和动态媒体。
2021-05-20 physics.bio-ph physics.optics
Bin Latent Transformer (BiLT): A shift-invariant autoencoder for calibration-free spectral unmixing of turbid media
Institute of Photonic Technologies (LPT), Friedrich-Alexander-Universit\"at Erlangen-N\"urnberg (FAU), Konrad-Zuse-Stra e 3/5, 91052 Erlangen, Germany
本文提出BiLT自编码器，通过交叉注意力扫描替代传统密集编码，实现对浊介质中光谱成分的校准自由解混，实验显示其在不同光谱带宽下均保持高精度。
2026-05-12 cs.LG eess.SP physics.med-ph
Real-time wavefront-shaping through scattering media by all optical feedback
聚焦光通过动态变化的异质介质是一个抢手的目标，具有重要的应用范围从自由空间通信纳米手术。潜在的挑战是控制的光学波前与大量的自由度（DOF）的时间尺度短于介质的动态。最近，在使用具有>1000 DOF的空间光调制器（SLM）通过波前整形聚焦穿过混浊样本的演示之后，已经报道了许多进步。不幸的是，基于SLM的波前整形需要来自检测器/相机的反馈，并且仅限于缓慢变化的样本。在这里，我们展示了一种新的方法，波前整形使用全光反馈。我们表明，通过高度散射的样品，包括薄的生物组织，可以在亚微秒的时间尺度上产生的复杂的波前聚焦的过程中的字段自组织内的多模激光腔，而不需要电子反馈或SLM。这种波前整形机制比现有技术快五个数量级以上，达到了许多应用所需的时间尺度。
2013-03-13 physics.optics
Reconfigurable optical logic operations through scattering media with wavefront shaping
光逻辑门是光计算加速信息处理的基本模块。虽然近年来已经取得了重大进展，但现有的实现方式通常依赖于预先设计为针对特定逻辑功能精确地调制光束的相位和强度的专用结构。因此，这些光闸通常缺乏可重构性，并且不能在动态复杂介质/环境（诸如雾和浑浊的水）内或通过动态复杂介质/环境。在这项工作中，作为一个概念性的演示，我们提出了可重构的光学逻辑操作，通过散射介质与传输矩阵为基础的波前整形。光束被空间光调制器反射，该空间光调制器被划分为用作逻辑单元的若干子区域，每个子区域经由基于传输矩阵的波前整形而显示有预定的波前。每个调制的波前透射通过散射介质以形成期望的光场。这些光场的干涉在预先指定的位置产生明亮的光学焦点，表示不同的逻辑状态。作为概念的证明，我们实验性地演示了五个基本逻辑函数（AND，OR，NOT，NAND，NOR）。由于散射介质/系统的传输矩阵可以立即测量以适应环境扰动，因此该方法如果进一步设计，将为动态复杂环境中的可重构光学逻辑计算开辟新的途径。
2022-08-28 physics.optics
Non-invasive single-shot 3D imaging through a scattering layer using speckle interferometry
通过复杂散射介质的光学成像是在许多研究领域具有重要应用的主要技术挑战之一，所述研究领域包括生物医学成像、天文数字复制和空间复用光通信。虽然最近已经提出了各种方法来成像通过混浊层，他们都局限于二维成像。在这里，我们提出并实验证明了一种方法，用于隐藏在不透明散射层后面的物体的三维单次拍摄成像。我们证明，在适当的条件下，它是可能的执行三维成像，以重建位于不同深度的物体的复振幅。
2015-11-15 physics.optics
A Physics-Guided Neural Framework for Rheology Measurement from Dynamical Laser Speckles
Technical University of Munich（慕尼黑工业大学）；University of Oxford（牛津大学）；TUM University Hospital, Technical University of Munich（慕尼黑工业大学附属塔姆大学医院）；Peking University Third Hospital（北京大学第三医院）；China Jiliang University（中国计量大学）
本文提出了一种基于物理的深度学习框架，通过分析动态激光散斑数据，实现对混浊介质中流变学性质的高效测量。
2026-03-01 physics.optics
Object Detection and Geometric Profiling through Dirty Water Media Using Asymmetry Properties of Backscattered Signals
通过混浊的水下信道观察到的光的光的散射通常被认为是设计水下电光成像系统时的主要挑战。已经有许多方法来解决散射的影响，例如使用脉冲激光源来暂时抑制散射光，或者使用强度调制波形和匹配滤波器来光谱地去除散射光。本文提出了一种新的方法，主要是利用后向散射的不对称性进行目标检测和几何轮廓。在我们的方法中，两个平行和相同的连续波（CW）激光束与窄光束宽度（~ 2 mm）被用作主动照明源。这两束光还具有可控的间距和瞄准角，以及初始相位差，以便于扫描和轮廓的目标。通过理论和实验结果，它将表明，当一个对象倾斜或倾斜的光束的中心轨迹之一，在后向散射信号的不对称性，可以用来指示目标的表面的位置或斜率，分别。通过改变两个光束的间距或瞄准角度，可以收集许多表面样本，以几何重建物体的形状。我们的方法的分辨率和范围限制也测量和报告在这项工作中。在应用中，我们提出的方法提供了一个经济的解决方案，通过混浊的水下环境进行成像。此外，该想法可以与脉冲或调制激光信号相结合，以增强成像效果。
2018-04-13 cs.IR physics.app-ph physics.optics
Modeling multiple scattering transient of an ultrashort laser pulse by spherical particles
利用蒙特卡罗模拟研究了超短激光脉冲在混浊色散介质（水中气泡云）上的多次散射。Gouesbet和Gréhan的理论[部分。部分系统特性17 213-224（2000）]用于导出散射瞬态的能量模型。脉冲的扩展和消光与散射的瞬态解耦，以单独描述每种现象。散射的瞬态是用Lorenz-Mie理论建模的，因此对于低于1的相对折射率也是有效的，这与德拜级数展开相反，德拜级数展开不收敛于接近临界角。为此，散射脉冲响应函数（SIRF）允许检测在时间和方向上的散射瞬态的不同模式。本方法更通用，可以模拟水中的气泡云。提出了两种Monte-Carlo方法。第一种是纯蒙特卡罗方法，其中由于散射而导致的延迟在每个事件处随机绘制，而第二种是基于整个散射信号的传输。它们都被嵌入到蒙特卡罗程序Scatter 3D [JOSA A 24，2206-2219（2007）]中。这两种模型产生相同的趋势，并对已发表的数值结果进行验证。并将它们应用于水中气泡云对超短脉冲的正向多次散射。由于在水中的传播的脉冲扩展计算的行程距离和脉冲持续时间的宽范围内，并给出最佳的脉冲持续时间，以尽量减少在给定的距离的脉冲扩展。主要结果是散射光子比弹道光子更早地离开混浊介质，并在气泡中产生与折射有关的双峰。这表明了开发新的诊断方法来表征动态气泡流的可能性。
2021-05-12 physics.comp-ph physics.optics
GPU-Accelerated Monte Carlo Simulation and Experimental Study of Radiative Transfer in Multiple Scattering Media
针对传统蒙特卡罗光散射模拟采用H-G近似存在精度不足、计算效率低的问题，提出GPU加速的严格Mie散射传输模型，通过实验验证其精度优势，为复杂散射环境高精度光学应用提供支撑。
2025-07-31 physics.optics
Diffuse Optical Ptychography
Nanyang Technological University（南洋理工大学）；Indian Institute of Technology Goa（印度理工学院果阿分校）
本文提出扩散光学影子成像(DOP)，通过多重重叠照明模式获取空间信息，实现对厚散射介质中二值和灰度物体的高分辨率重建，具有1毫米分辨率和无需校准的鲁棒性。
2025-05-02 physics.optics
Wide-Field Multiphoton Imaging Through Scattering Media Without Correction
荧光、光谱和形态学成像的光学方法在过去十年中取得了非凡的进展。超分辨率成像和宽场多光子成像现在是生物医学科学重大进展的基础。虽然这些进展令人吃惊，但迄今为止，所有形式的光学成像都面临着一个关键的挑战，那就是更深入地渗透。许多方案实施像差校正或使用复杂光子学来解决此需要。相比之下，我们通过实施一个不需要关于介质或其属性的先验信息的方案来应对这一挑战。利用我们的创新方案中的时间聚焦和单像素检测，我们通过各种混浊介质获得宽场双光子图像，包括散射体模和达到高达7个散射平均自由程长度的深度的组织。我们的研究结果表明，它与标准的点扫描双光子成像竞争有利，信号与背景比提高了五倍，同时显示出显着较低的光漂白。
2018-11-23 physics.bio-ph physics.optics
Distortion matrix concept for deep optical imaging in scattering media
在光学成像中，光的传播受到介质的不均匀性的影响。样品引起的像差和多次散射会严重降低图像分辨率和对比度。基于入射和/或反射波前的动态校正，自适应光学已经被用于补偿这些像差。然而，它仅适用于空间不变的像差或薄的像差层。在这里，我们提出了一个全球性的和非侵入性的方法的基础上的失真矩阵的概念。该矩阵基本上将图像的任何聚焦点与其反射波前的扭曲部分连接起来。畸变矩阵的奇异值分解允许校正多个等晕模式上的高阶像差和前向多重散射。通过包括混浊角膜的生物组织进行概念验证实验。我们证明了斯特列尔比增强到2500，并恢复衍射限制的分辨率，直到10个散射平均自由程的深度。
2020-07-31 physics.bio-ph physics.optics
Inverse Design of Perfectly Transmitting Eigenchannels in Scattering Media
混浊介质内部的光-物质相互作用可以通过调整整个系统的能量密度的空间分布来控制。波前整形允许入射光选择性地耦合到不同的传输本征通道，产生显著不同的空间强度分布。与由普遍双峰分布决定的传输本征值的密度相反，本征通道的空间结构不是普遍的，并且取决于系统的限制几何形状。在这里，我们开发和验证传输本征信道与相应的本征值接近统一的模型。通过将均匀散射介质中的二维扩散问题投影到一维非均匀扩散问题上，得到了约束波导形状与光强分布的解析表达式。反转这种关系使得波导形状的逆设计能够实现理想传输本征信道的期望能量分布。我们的方法还允许预测这样的通道中的无序板与开放的边界的强度分布，指向可控的光传递到不同的深度与局部照明的可能性。
2017-03-15 cond-mat.dis-nn physics.optics
High-resolution tomographic reconstruction of optical absorbance through scattering media using neural fields
School of Information Science and Technology, ShanghaiTech University（上海科技大学信息科学与技术学院）；School of Physical Science and Technology, ShanghaiTech University（上海科技大学物理科学与技术学院）；Institute of Mathematical Science, ShanghaiTech University（上海科技大学数学科学研究所）；School of Mathematics, University of Birmingham（伯明翰大学数学学院）
提出基于神经场的NeuDOT方案，通过连续编码光吸收实现高分辨率层析重建，在14毫米深度解析复杂3D物体，优于现有方法。
2023-04-04 cs.CV physics.optics
Meshless Monte Carlo Radiation Transfer Method for Curved Geometries using Signed Distance Functions
意义：蒙特卡罗辐射传输（MCRT）是模拟混浊介质中光传输的黄金标准。典型的MCRT模型使用体素或网格来近似实验几何形状。基于体素的几何形状不允许对平滑弯曲表面进行精确建模，例如可以在生物系统或食品和饮料包装中找到。目的：我们提出了我们的算法，我们长期signedMCRT（sMCRT），一个新的基于几何的方法，它使用有符号的距离函数（SDF）来表示几何模型。SDF能够精确地建模光滑的曲面，同时也能建模复杂的几何形状。方法：我们表明，使用SDF来表示问题的几何形状更准确，并且可以比基于体素的方法更快。sMCRT，可以很容易地结合到现有的基于体素的模型。结果：sMCRT与理论表达式和其他基于体素的MCRT代码进行了验证。我们表明，sMCRT可以准确地模拟任意复杂的几何形状，如微血管血管网络使用SDF。与目前最先进的专门用于曲面的MCRT方法相比，sMCRT的准确度高达45倍。结论：sMCRT是一种高度准确、快速的MCRT方法，由于其能够对平滑曲面进行建模，因此其性能优于可比的基于体素的模型。对于等效场景，sMCRT比体素模型快三倍。sMCRT可在https://github.com/lewisfish/signedMCRT上公开获取
2021-12-15 cs.GR physics.comp-ph physics.optics
Monte Carlo method for polarized radiative transfer in gradient-index media
光在梯度折射率介质中的传输通常遵循弯曲的光线轨迹，即使在介质透明的情况下，这也会导致光束在传输过程中会聚或发散，并引起偏振椭圆的旋转。此外，沿弯曲射线路径的散射和传输的组合过程使问题更加复杂。本文提出了一种蒙特卡罗方法来模拟只支持平面射线轨迹的梯度折射率介质中的偏振辐射转移。射线方程求解到二阶，以解决弯曲的射线轨迹引起的影响。给出了透明介质、假设折射率梯度分布的Mie散射介质和真实大气折射率分布的瑞利散射三种情况下的实验结果，验证了该方法的有效性。结果表明，大气折射对长距离偏振光传输有显著影响。
2014-12-14 physics.ao-ph physics.optics
Determining optical properties of skin ex-vivo: An inverse solution
输运方程的快速精确数值解（即，反相加加倍）的漫反射率已被用于计算尤卡坦小型猪皮作为人类替代皮肤的光学性质。该方法适用于各种光学特性，并可适用于各种探头几何形状，前提是进行了校准测量。逆加法加倍（IAD）是基于输运方程的正解的数值解，其中光学性质可以用作计算混浊介质的其他性质的先验。在这项工作中，积分球与安装激光二极管和单色器被实验用作照射源。使用冷冻切片机精确切片组织样品。共聚焦和原子力显微镜的光学方法被用来可视化组织照射后。这项工作的结果提供了一个额外的方法来确定生物组织的光学特性。
2021-09-06 physics.bio-ph physics.optics
Computation of frequency- and time-domain Jacobians in optical tomography with Monte Carlo simulations
Aalto University（阿尔托大学）；Finnish Geospatial Research Institute FGI, National Land Survey of Finland（芬兰地理空间研究所FGI，芬兰国家土地测量局）；Northeastern University（东北大学）
本文提出利用蒙特卡罗模拟计算频域和时域雅可比矩阵的方法，通过高斯-塞德尔迭代法和有限元方法验证结果，强调蒙特卡罗方法在低散射域的重要性。
2026-04-30 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Accelerating mesh-based Monte Carlo simulations using contemporary graphics ray-tracing hardware
Northeastern University（东北大学）
利用现代GPU的光线追踪硬件加速基于网格的蒙特卡洛模拟，提升计算效率并简化模拟流程。
2025-11-27 cs.DC physics.med-ph physics.optics
Simulating Light Propagation through Biological Media Using Monte-Carlo Method
针对生物组织复杂结构导致光诊断困难的问题，本研究采用蒙特卡洛方法模拟光在多层吸收散射介质中的传输，引入并行计算优化效率，采用离散非参数相位函数，并支持含折射率不匹配边界的多形状内嵌体模拟，输出多维度光场分布矩阵。
2024-05-15 physics.bio-ph physics.optics
A Monte Carlo Framework for Rendering Speckle Statistics in Scattering Media
我们提出了一个蒙特卡罗渲染框架的相干波的体积散射所产生的散斑图案的物理精确模拟。这些类似噪声的模式的特征在于强统计特性，例如所谓的记忆效应，其是用于如组织成像、运动跟踪和非视线成像等多种应用的成像技术的核心。我们的框架允许这些属性被复制计算，在某种程度上，是数量级更有效的替代品的基础上直接求解波动方程。在我们的框架的核心是一个路径空间制定的散斑图案的协方差所产生的散射量，我们来自第一原理。我们使用这个公式来开发两个蒙特卡洛绘制算法，用于计算散斑协方差以及直接散斑场。虽然基于波动方程求解器的方法需要知道波长大小的散射体的微观位置，但我们的方法仅将描述体积内这些散射体的统计分布的批量参数作为输入。我们通过与使用波动方程求解器模拟的散斑图案进行比较来验证我们框架的准确性，使用它来模拟以前只能通过实验室测量进行的记忆效应观测，并证明其适用于计算成像任务。
2019-01-21 cs.GR physics.optics
Infinite Series Solution of the Time-Dependent Radiative Transfer Equation in Anisotropically Scattering Media
本文将各向异性散射介质中的含时辐射传输方程作为无穷级数求解，推导了零次和单次散射的解析解，并利用隐藏对称性加速高阶项的数值计算，在同等精度下比传统Monte Carlo模拟快数个数量级，显著提升了计算效率。
2024-07-23 hep-ph math-ph math.MP
