Optical Diffraction Tomography based on 3D Physics-Inspired Neural Network (PINN)
Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne（洛桑联邦理工学院）
光学衍射层析成像（ODT）是一种新兴的三维成像技术，用于半透明样品折射率（RI）的三维重建。已经提出了各种逆模型来基于不同样品的全息检测来重建3D RI，诸如Born近似和Rytov近似。然而，这样的近似通常遭受所谓的缺失锥问题，其导致最终重建沿着光轴的伸长。已经提出了不同的迭代方案来解决丢失锥问题，依赖于物理正演模型和误差函数，该误差函数旨在填充k空间，从而消除丢失锥问题并达到更好的重建精度。在本文中，我们提出了一种不同的方法，其中采用3D神经网络（NN）。神经网络是用从基于光波传播物理学的物理模型导出的成本函数训练的。3D NN从3D RI重建的初始猜测（即Born或Rytov）开始，旨在基于误差函数重建更好的3D重建。使用这种技术，可以在没有不适定重建（Born或Rytov）和地面真实（真实形状）之间关系的任何示例的情况下训练NN。
2022-06-10 cs.CV physics.optics
Single-shot diffraction-limited imaging through scattering layers via bispectrum analysis
最近推出的基于散斑相关性的技术，使非侵入性成像的散射层后面隐藏的对象。在这些技术中，从散射光自相关中检索隐藏对象傅立叶振幅，并且通过迭代相位检索算法恢复丢失的傅立叶相位，该算法收敛到错误的局部最小值解并且不能解决对象取向中的模糊性。在这里，受天文学中使用的概念的启发，我们通过实验证明，除了傅立叶振幅，物体相位信息自然地和固有地编码在散射光双谱中（三重相关的傅里叶变换），并且也可以从单个高分辨率散斑图案中提取，在此基础上，我们提出了一种单次拍摄成像方案，以确定性和明确地检索隐藏在散射层后面的物体的衍射限制图像。
2022-01-15 physics.optics
A Recursive Born Approach to Nonlinear Inverse Scattering
Mitsubishi Electric Research Laboratories (MERL)（三菱电机研究实验室（MERL））
迭代玻恩近似（IBA）是一种用于描述半透明物体散射波的众所周知的方法。在本文中，我们提出了一种新的非线性逆散射方法，结合IBA的边缘保持全变差（TV）正则化。所提出的方法是通过将IBA的迭代与前馈神经网络的层相关联，并开发相应的误差反向传播算法来有效地估计对象的介电常数。仿真结果表明，通过考虑多次散射，该方法成功地恢复了传统的线性逆散射失败的介电常数分布。
2016-03-11 cs.LG physics.optics
Multiple Scattering of Waves in 3D Crystals (Natural or Photonic) Formed by Anisotropically Scattering Centers
本文考虑波在各向异性散射中心形成的三维晶体中的折射和波的衍射。用分波展开法研究了晶体中各中心对波的多次再散射效应。导出了晶体折射率的表达式。它表明，而不是散射矩阵的对角元素$\mathbf{T}$，出现在一个混乱的介质的折射率的表达式，导出的表达式包括反应矩阵的对角元素$\mathbf{K}$。在写描述晶体中波的动态波的衍射的方程时，考虑了这一事实。这些结果可能对研究有意义，例如，冷中子和光子在晶体、纳米晶体材料中的衍射，以及用于描述由各向异性散射中心形成的电磁晶体中的参数和衍射辐射。
2013-07-05 physics.optics
Three Dimensional Imaging using Coherent X-Rays at Grazing Incidence Geometry
针对掠入射小角X射线散射中衬底反射束导致衍射图样偏离简单傅里叶变换的问题，提出采用畸变波玻恩近似的三维相干衍射成像相位反演算法，模拟验证有效，计划开展实验验证。
2023-07-12 physics.ins-det physics.optics
Extension of Friedel's law to Vortex Beam Diffraction
傅里叶变换的模是中心对称的，而相位是反对称的。因此，平面波光子或电子在一阶玻恩近似下的弹性散射以及任何孔径上的夫琅禾费衍射必然导致中心对称的衍射图样。然而，弗里德尔定律并不适用于涡旋光束，并且中心对称性一般不存在于它们的衍射图样中。在这项工作中，我们扩展弗里德尔定律的涡旋光束的衍射图案具有相反的拓扑电荷，散射在同一个二维潜力，总是彼此中心对称的，无论对称的散射对象。我们通过数值模拟和实验数据验证了我们的说法。我们的研究为涡旋光束衍射提供了更深层次的理解，并可用于设计新的实验，测量涡旋光束的衍射光栅的拓扑电荷，或研究一般的涡旋光束衍射。
2016-09-06 physics.optics
Reflection-mode diffraction tomography of multiple-scattering samples on a reflective substrate from intensity images
提出反射模式衍射层析成像技术，结合多散射模型、边界条件及伴随方法，通过强度图像同时恢复前向与后向散射信息，实现高分辨率3D折射率重建，经仿真和实验验证其在高对比度复杂样品中的鲁棒性与多功能性。
2025-02-11 physics.optics
Exact scattering theory for any straight reflectors in two dimensions
本文以衍射散射级数的形式给出了平面上任意一组完全反射的直镜（它们可以连接成角）的标量波动方程的精确格林函数。这将是光学中的狭缝衍射，或薛定谔方程内部（或外部）的一般多边形外壳（“量子多边形台球”）。该方法是基于开创性的1896年黎曼螺旋面解决方案索末菲光学衍射的一个单一的角落。它是广义的，以适应分析Stovicek的一个密切相关的问题：一个集合的磁通量线（点）在一个平面上，多通量Aharonov玻姆效应的多重散射。短波长极限被证明是产生“几何衍射理论”。对于狭缝衍射的确切系列是符合史瓦西在1902年。
2003-03-21 physics.optics
Polarization effects in light-by-light scattering: Euler-Heisenberg versus Born-Infeld
非偏振光的光散射的微分截面的角度依赖性在最终偏振上相加，在量子电动力学的任何低能有效理论中以及在玻恩-因菲尔德电动力学中是相同的。在本文中，我们推导出一般表达式的偏振相关的低能散射振幅，包括一个假设的宇称破坏的情况。这些评估与带电标量或旋量粒子，这给显着不同的极化效应的量子电动力学。普通的量子电动力学被发现表现出相当复杂的线性极化极化模式，而超对称量子电动力学和玻恩-因菲尔德电动力学给出了特别简单的形式。
2017-04-05 hep-ph physics.optics
Scatting theory for reflective Fourier ptychographic diffraction tomography
一个前向模型的反射傅里叶重叠关联显微镜的应用中出现的逆散射问题。该模型允许我们使用傅立叶重叠关联层析成像确定弱散射半透明物体的折射率的3D分布。推导结果表明，这两个传输类型先前报告和反射类型目前在这篇文章中是对应的一个具体应用，在沃尔夫的工作（埃米尔沃尔夫，光学通讯。1969年第1（4）页。153-156）。透射型测量前向散射场，而反射型测量后向散射场。该模型也适用于全息法
2020-08-24 physics.optics
Resonant-state-expansion Born approximation with a correct eigenmode normalisation
玻恩近似（Born 1926 Z.Phys.38.802）是物理学中的一个基本结果，它允许通过散射势的傅里叶变换来计算弱散射。如先前作者所做的（Ge等人2014 New J.Phys.16 113048），通过在公式中包括散射体的共振态（RS）来扩展玻恩近似。然而，在这项研究中，与以往的研究不同，所包含的本征模式被正确地归一化，对方法的准确性产生了巨大的积极影响。在Ge等人（2014 New J. Phys. 16 113048）中进行的先前RSE Born近似或共振态膨胀Born近似中使用的RS的归一化在Muljarov等人（2014 arXiv：1409.6877）中以及通过此处的分析已经被证明是数值上不稳定的。系统的RS可以使用我最近发现的用于色散电动散射体的RSE微扰理论（Muljarov等人2010 Europhys. Lett. 92 50010; Doost等人2012 Phys，Rev. A 89; Doost et al 2014 Phys. Rev. A 90 013834），并正确归一化以出现在光谱格林函数中，因此通过通量体积归一化得到RSE Born近似，我最近在Armitage et al（2014 Phys.Rev.A89），Doost等人（2014 Phys.Rev.A90 013834）（2016 Phys.Rev.A93 023835）。在有效的一…
2017-01-11 physics.optics
Can N-th Order Born Approximation Be Exact?
本文针对二维与三维标量波及三维电磁波散射问题，识别出散射相互作用的一个条件，在此条件下N阶玻恩近似可给出精确解。
2024-07-29 physics.optics quant-ph
Controlling light in complex media beyond the acoustic diffraction-limit using the acousto-optic transmission matrix
用光研究复杂样品的内部结构是一项重要的任务，但由于光散射，这是一项艰巨的挑战。虽然多重散射引起的复杂光学畸变可以通过介质的散射矩阵的知识有效地消除，但是该矩阵通常是未知的，并且在所有感兴趣的点处不存在荧光或吸收探针的情况下不能以高分辨率测量。为了克服这些局限性，我们在这里介绍的声光传输矩阵（AOTM）的概念。利用超声波在复杂样品中的近无散射传播，我们非侵入性地测量超声编码的，空间分辨的光学散射矩阵。我们表明，奇异值分解分析的AOTM，获得使用单个或多个超声波束，允许控制光学聚焦超过散射介质中的声衍射极限。我们的方法提供了一个通用的框架，分析声光实验，非侵入性的，高分辨率的复杂介质的研究。
2017-07-08 physics.optics
Comment on "Scattering of light by a parity-time-symmetric dipole beyond the first Born approximation"
本文针对一篇计算三维PT对称双δ函数势散射振幅的论文，指出其分析存在基本错误、结果无定论，并给出了该势散射振幅的精确闭式表达式。
2022-04-20 physics.optics quant-ph
Haze and light diffraction of dielectric line-gratings
对周期明显大于探测波长的介质周期线光栅的光学特性进行了实验、数值和解析研究。实验衍射效率进行了分析，在传输的帮助下，在一个单一的散射图片内的封闭形式的近似解。特别地，显著散射的角宽度和雾度被分析用于增加光栅轮廓振幅的样品。
2023-02-14 physics.optics
Born-Padé approach to electromagnetic scattering in complex one-dimensional inhomogeneous slabs
微扰理论应用于一维散射系统，包括一般类的非均匀和各向同性板的大小$L$描述的相对介电常数$\varepsilon(z) = 1 + αχ(z)$，其中$χ(z)$是的电极化和$α$的扰动参数。透射和反射振幅被表示为以$α$的幂表示的Born级数，并且使用Padé逼近来获得具有高且任意准确度的分析结果。该方法具有很强的通用性，可以处理斜入射。给出了具有已知和未知精确解的平面波与厄米特和非厄米特结构相互作用的透射和反射振幅的例子。
2022-07-23 physics.class-ph physics.optics
Inverse problem solver for multiple light scattering using modified Born series
逆散射问题是基础波物理学中的重要问题，在成像科学中有着广泛的应用，其目标是从未知散射物体的散射波中重建未知散射物体。然而，准确有效地反演多次散射仍然具有挑战性。在这里，我们利用修改后的玻恩级数来演示一个反问题求解器，它可以有效地直接计算逆多次散射，而不需要做任何假设。反演过程是基于物理直观的方法，可以很容易地扩展到其他精确的正演求解器。我们利用所提出的方法在光学衍射层析成像和数值模拟和实验证明了三维重建的光学厚标本具有更高的保真度比使用传统的方法的基础上获得的弱散射近似。
2021-09-02 physics.comp-ph physics.med-ph physics.optics
On electron imaging of small molecules, Part I: relative roles of multiple scattering and Fresnel diffraction
讨论了在小分子透射电子显微术中，多次电子散射和分子内自由空间传播的相对作用。有人认为，虽然多重散射往往只有一个温和的效果，在这种情况下，在分子菲涅耳衍射可能是显着的，由于浅的焦点深度在相关的实验条件下。因此，与本质上基于投影近似的传统计算机断层摄影相比，基于第一玻恩或第一Rytov近似的衍射断层摄影表示用于在此背景下重建静电势的三维分布的更合适的方法。提出了一种衍射层析的简化方法，并通过数值模拟实例进行了验证。
2019-11-28 eess.IV physics.optics
Domain of Applicability of the Distorted Wave Born Approximation (DWBA): A Critical Analysis for X-ray and Visible-Light Interface Scattering
本文批判性分析了扭曲波玻恩近似（DWBA）的适用域，指出其隐含依赖的小折射率偏差条件对X射线成立但对可见光不成立，还讨论了其理论不一致性的替代方案并概述了扩展转移矩阵方法（ETMA）。
2026-10-16 cond-mat.soft physics.optics
A Tutorial on the Classical Theories of Electromagnetic Scattering and Diffraction
从麦克斯韦方程组出发，导出了惠更斯-菲涅耳-基尔霍夫和瑞利-索末菲标量衍射和散射理论的基本结果。然后将这些结果推广到矢量电磁场的情形。著名的索末菲解决问题的衍射从一个完美的半导体平面阐述。详细讨论了平面波在障碍物上的远场散射问题，导出了将障碍物的散射截面与其前向散射振幅联系起来的著名的光学截面定理。还检查的情况下，从温和的不均匀性内的散射，否则均匀的介质，其中，在第一玻恩近似，一个相当简单的公式被发现有关的远场散射振幅的主机介质的光学性质。本文最后讨论了中子在铁磁材料中的散射问题。
2020-09-14 physics.class-ph physics.optics
Light-by-Light Scattering Constraint on Born-Infeld Theory
最近ATLAS对LHC铅-铅碰撞中光-光散射的测量是这一基本过程的第一个直接证据。我们发现它要求QED的非线性Born-Infeld扩张的质量尺度为$\gtrsim 100$ ~GeV，这比以前导出的约束强得多。在标准模型的玻恩-因菲尔德扩展中，U（1）$_{\rm Y}$超荷规范对称性是非线性实现的，相应的质量标度的极限是$\gtrsim 90$ ~GeV，这反过来又对这种U（1）$_{\rm Y}$玻恩-因菲尔德理论中的磁超荷质量施加了$\gtrsim 11$ ~TeV的下限。
2017-05-24 hep-ex hep-ph hep-th
Scattering properties of a PT dipole
对PT偶极子的电磁响应进行了解析和数值研究。在解析法中，偶极子被表示为两个点散射体。在第一玻恩近似下，证明了散射场关于偶极子取向的不对称性。在数值模拟中，偶极子由两个无限长、折射率虚部符号相反的平行圆柱体表示。数值数据证实了在弱散射极限的玻恩近似的有效性，而显着偏离玻恩近似观察到较强的散射体和近场范围。
2017-10-25 cond-mat.mtrl-sci physics.optics
Refraction and Diffraction of Waves in Electromagnetic (Photonic) Crystals Formed by Anisotropically Scattering Elements
本文讨论了波在天然晶体和由各向异性散射中心形成的人工晶体中的折射和波的衍射。通过实例详细研究了电磁波在由平行线构成的二维光子晶体中的折射。导出了真空中单根细丝散射各向异性时，细丝（晶体中）对波散射的有效振幅的表达式。已经确定，对于具有正交偏振的波，与具有平行偏振的波不同，由金属线构建的晶体中的折射率可以大于1，并且瓦维洛夫-切伦科夫辐射在其中成为可能。在真空中单中心散射为各向异性的情况下，导出了描述波在晶体中的动态波的衍射的方程组。因为一个最一般的方法被应用到描述的散射过程中，从而获得的结果是有效的，为广泛的情况下，而不限于电磁波或晶体从线程。
2012-05-29 physics.acc-ph physics.optics
High-fidelity intensity diffraction tomography with a non-paraxial multiple-scattering model
提出了一种基于分步非傍轴（SSNP）模型的强度衍射层析（IDT）重建算法，用于恢复多次散射生物样品的三维折射率（RI）分布。高质量IDT重建需要高角度照明来编码3D生物样本的低空间频率和高空间频率信息。我们表明，我们的SSNP模型可以更准确地计算从高角度照明的多重散射相比，基于傍轴近似的多重散射模型。我们将此SSNP模型应用于顺序和复用IDT技术。我们开发了一个统一的重建算法的IDT模式，是高度计算效率和模块化的自动微分框架。我们证明了我们的重建算法在弱散射颊上皮细胞和强散射活$\textit{C. elegans}$蠕虫和活$\textit{C. elegans}$胚胎上的能力。
2022-08-09 eess.IV physics.optics
Exactness of the first Born approximation in electromagnetic scattering
本文研究了三维各向异性静止线性介质对平面电磁波的散射问题，提出了一个关于介质电容率和磁导率张量的条件，使得当入射波数k不超过预设值α时，第一玻恩近似能给出散射波的精确表达式，并证明了在k≤α/2时介质具有全向宽带隐身特性。
2024-01-15 math-ph math.MP physics.optics
Single-Pixel Fluorescent Diffraction Tomography
光学衍射层析成像是一种不可或缺的工具，研究对象的三维，由于其能够准确地重建散射对象。到目前为止，这种技术一直限于相干光，因为空间相位信息需要解决逆散射问题。我们介绍了一种方法，扩展光学衍射层析成像空间不相干的对比机制，如荧光发射。我们的策略模仿了两个空间相干照明光束的相干散射过程。干涉照明图案在荧光发射的时间变化中编码空间相位，从而允许非相干荧光发射模仿相干照明的行为。的时间变化允许恢复的传播相位，因此可以恢复与逆散射模型的非相干荧光发射的空间分布。
2020-08-05 eess.IV physics.optics
On the Validity of Physical Optics for Narrow-band Beam Scattering and Diffraction from the Open Cylindrical Surface
由于任意窄带光束在开口圆柱表面上的感应表面电流（在散射现象中）和等效表面电流（在衍射现象中）的精确公式已经在圆柱谐波的上下文中以其封闭形式的表达式示出，这给出了关于物理光学（PO）近似的有效性的信息。电场积分方程（EFIE）和磁场积分方程（MFIE）都被用来在圆柱谐波的上下文中找到感生（等效）表面电电流。给出了厄米高斯光束在开口柱面上散射和衍射的数值例子。这一结果对于评价PO近似在类圆柱面上的有效性是有用的。
2020-07-01 physics.app-ph physics.class-ph physics.optics
Quantitative spectral analysis of electromagnetic scattering. I: $ L^2$ and Hilbert-Schmidt norm bounds
我们对玻恩方程进行定量谱分析，玻恩方程是一个电磁散射的积分方程，它是从麦克斯韦方程组推导出来的。我们建立了与玻恩方程相关的格林算子的范数界，从而为光散射问题玻恩近似的误差估计提供了数值工具。
2021-10-12 cond-mat.mtrl-sci cs.NA math-ph
Quasi-Exactly Solvable Scattering Problems, Exactness of the Born Approximation, and Broadband Unidirectional Invisibility in Two Dimensions
多年来，在有限频带内实现精确的单向不可见性一直是一个突出的问题。我们提供了一个简单的解决方案，这个问题在两个维度的基础上，我们的解决方案的另一个更基本的开放问题的散射理论，即寻找散射潜力$v(x,y)$在两个维度的散射问题是完全可解的能量不超过一个临界值$E_c$。这扩展了散射理论的准精确可解性的概念，并产生了一个简单的条件下，第一玻恩近似给出了散射振幅的精确表达式时，入射波的波数不大于$α:=\sqrt{E_c}$。因为这个条件只限制了$v(x,y)$的$y$依赖性，所以我们可以用它来确定具有某些理想散射特征的这类势。这导致了部分逆散射计划，我们采用实现完美的宽带单向二维不可见性。我们讨论了后者的光学实现，通过确定一类二维各向同性的有源介质，不散射入射TE波的波数范围内的$(α/\sqrt 2,α]$和源位于$x=\infty$，而散射相同的波，如果他们的源被重新定位到$x=-\infty$。
2019-12-05 hep-th math-ph math.MP
Optical diffraction neural networks assisted computational ghost imaging through dynamic scattering media
State Key Laboratory of Photonics and Communications（光子与通信国家重点实验室）；Institute for Quantum Sensing and Information Processing（量子传感与信息处理研究院）；Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学）；Hefei National Laboratory（合肥国家实验室）；Shanghai Research Center for Quantum Sciences（上海量子科学研究中心）；Lenovo Research（联想研究）
本研究提出基于光学衍射神经网络的鬼成像方法，用于通过动态散射介质实现高质量成像，结合物理先验算法提升欠采样条件下的成像质量。
2025-11-28 cs.LG physics.optics
Time-domain Brillouin scattering assisted by diffraction gratings
沉积在透明样品上的金属光栅中的超短激光脉冲的吸收在不同的声学衍射阶数的方向上发射相干压缩/膨胀声学脉冲。通过测量一阶衍射光的瞬时强度变化，由延迟的激光脉冲检测它们的传播，该延迟的激光脉冲也被金属光栅衍射。所获得的数据包含多个频率分量，其通过考虑通过金属光栅对光和相干声音的传播方向的复用而实现的光的布里渊光的散射的所有可能角度来解释。发射声场可以等效地表示为平面非均匀声波的叠加，其构成用于探测光的声学衍射光栅。因此，所获得的结果也可以被解释为探测光的金属和声学光栅衍射的结果。在反射模式下工作的金属光栅的时域布里渊散射的实现方案提供了从最小到最大可能在一个单一的实验配置的探测光入射和散射光检测的方向的声学频率的访问。这是通过并行监测后向和前向布里渊散射过程来实现的。应用包括测量的声学色散，同时测定声速和光学折射率，并与可能的光学访问的单一方向的样品的评价。
2017-04-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph physics.optics
Efficient Inversion of Multiple-Scattering Model for Optical Diffraction Tomography
École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）
本文提出基于非线性Lippmann-Schwinger模型的高效反演方法，通过显式推导雅可比矩阵公式，提升数据保真度梯度计算效率，适用于稀疏约束下的反散射问题求解。
2017-08-31 cs.CE cs.NA math.NA
Transfer matrix in scattering theory: A survey of basic properties and recent developments
我们给出了一个教学介绍时间无关的散射理论在一维集中在基本属性和最近的应用转移矩阵。特别是，我们开始调查一些基本概念的潜在散射，如传输矩阵及其解析性，多δ函数和局部周期性的潜力，约斯特解决方案，频谱奇异性和他们的时间反演，单向反射和不可见性。然后给出了Lippmann-Schwinger方程和玻恩级数的简单推导，并讨论了玻恩近似。接下来，我们概述了最近发展的动态制定的时间无关的散射理论在一维。这个公式将转移矩阵和给定势的散射问题的解与有效非幺正二能级量子系统的含时薛定谔方程的解联系起来。我们提供了一个独立的治疗这个配方和它的一些最重要的应用。具体来说，我们用它来设计一个强大的替代玻恩级数和玻恩近似，推导出动力学方程的反射和透射振幅，讨论它们的应用在构建精确的可调单向不可见的潜力，并使用它们来提供一个精确的解决方案，单模逆散射问题。后者在设计具有各种功能的光学器件中具有重要的应用，相当于为有限范围的复势提供了一个明确的构造，该复势的反射和透射振幅在任何给定的波数下都取任意规定的值。
2020-09-22 cond-mat.other hep-th math-ph
