Error analysis of moment-based modal wavefront sensing
焦点调制的点扩散函数（PSF）的形状被用作PSF中的像差模式的快速视觉评估工具。形状矩方面的进一步分析可以允许以与典型波前传感器的精度相当的精度量化模态系数。在这封信中，基于矩的波前传感的误差分析描述的像素和光子/读出噪声。所有分量高度依赖于（未知的）PSF形状，但是可以从以合理的空间分辨率采样的测量的PSF和光子计数来估计。数值模拟验证了该模型一致地预测了基于矩的波前传感的模态估计误差的行为。
2014-08-08 astro-ph.IM physics.ins-det physics.optics
Light and Sound Driven Wavefront Shaping and Imaging through Scattering Tissue
Laboratoire Kastler Brossel, ENS-Universite PSL, CNRS, Sorbonne Université, Collège de France（卡斯勒布罗塞尔实验室，巴黎高等师范学院-PSL大学，法国国家科学研究中心，索邦大学，法兰西学院）；European Molecular Biology Laboratory（欧洲分子生物学实验室）；Nhu Department of Electrical Engineering and Computer Science, University of California, Irvine（加州大学尔湾分校电气与计算机工程阮部）
本文提出一种结合光声与荧光的双模成像方法，通过波前塑形和非线性反馈实现高分辨率和深穿透的生物组织成像。
2026-02-01 physics.optics
Moment analysis of focus-diverse point spread functions for modal wavefront sensing of uniformly illuminated circular-pupil systems
提出了一种新的利用焦点分散的点扩散函数进行模式波前传感的概念。这是基于测量的PSF的相对简单的图像矩分析，这将其与其他焦平面波前传感技术（FPWFS）区分开来。所提出的几何分析表明，图像的时刻是波像差系数的非线性函数，但注意到，焦点多样性（FD）基本上是从别人的关注的系数，导致一组线性方程，其解决方案对应于模态系数估计。所提出的概念验证模拟表明，特别是在WFS中具有强烈畸变的高SNR对象的概念的潜力。
2012-02-24 astro-ph.IM physics.ins-det physics.optics
Real-Time Megapixel Kilohertz Neuromorphic Shack-Hartmann Wavefront Sensor
National Research Center for Optical Instrumentation, Zhejiang University（国家光学仪器创新中心，浙江大学）；Central Research Institute of Sunny Optical Technology（舜宇光学科技中央研究院）
针对传统夏克-哈特曼波前传感器的局限，提出实时、兆像素、千赫兹神经形态SHWFS，在静态和动态场景测试中表现出色，能降低波前重建误差，实现高速质心跟踪及高吞吐量处理，建立了统一神经形态框架。
2026-07-29 physics.optics
Single-Pixel Multimode Fiber Spectrometer via Wavefront Shaping
当光通过多模光纤时，由于光纤内的复杂干涉而形成二维随机强度图案。散斑图案对光频率的极端敏感性为高分辨率多模光纤光谱仪铺平了道路。然而，这种方法需要昂贵的红外相机，并阻碍了芯片上光谱仪的集成。在这项研究中，我们提出了一个单像素多模光纤光谱仪利用波前整形。输入光在空间光调制器的帮助下被结构化，并且针对每个波长存储最佳相位掩模，将光聚焦在光纤的远端。在固定的最佳掩模下，通过扫描所有波长来记录聚焦区域中的强度变化。强度测量的基础上，我们表明，一个任意的输入光谱具有两个波长20 pm，彼此分开，可以成功地重建（重建误差为~3%），在近红外区，对应的分辨率为$ R \approx 10^5 $。我们还演示了各种带宽的宽带连续光谱的重建。随着单像素检测器的安装，我们的方法提供了低预算和紧凑的检测在增加的单噪声比。
2022-10-24 physics.app-ph physics.optics
Single-pixel transmission matrix recovery via 2-photon fluorescence
针对不透明材料深度成像难题，提出基于双光子荧光的非侵入式单像素传输矩阵恢复方法，可实现多导星单目标聚焦，且利用记忆效应假设能减少测量次数。
2023-05-05 physics.optics
Electrically Tunable Reflective Metasurfaces with Continuous and Full Phase Modulation for High-efficiency Wavefront Control at Visible Frequencies
全介质光学超颖表面可以在纳米尺度上局部控制光的振幅和相位，从而实现任意波前整形。然而，缺乏制造后的可调性限制了超颖表面在许多应用中的真正潜力。在这里，我们利用薄的液晶（LC）层作为可调谐介质周围的超颖表面，以实现在可见光频率的高反射的相位空间光调制器（SLM），表现出与相关的2pi相位控制和非耦合振幅的主动和连续的谐振调谐。动态波前整形是通过编程96个可单独寻址的电极与一个小的像素间距为1微米。通过减小的LC厚度来促进小像素尺寸，从而强烈抑制像素之间的串扰。该器件用于演示具有宽视场和高绝对衍射效率的动态光束转向。我们相信，我们的演示可以为实现下一代高分辨率SLM铺平道路，在动态全息，可调光学和光探测和测距（LiDAR）等方面具有广泛的应用。
2023-03-24 physics.app-ph physics.optics
Fast & Furious focal-plane wavefront sensing
我们提出了两个互补的算法，适用于使用焦平面测量控制波前校正器具有极高的空间分辨率。该算法使用线性近似来迭代地最小化焦平面相机所看到的像差。第一种算法Fast & Furious（FF）使用弱像差假设和光瞳对称性来实现快速波前重建。第二种算法是FF的扩展，可以处理任意瞳孔形状;它使用Gerchberg-Saxton风格的误差减少来确定瞳孔幅度。模拟和实验结果显示的空间光调制器控制的波前分辨率为170 × 170像素。该算法将Strehl比从约0.75增加到0.98-0.99，并且在整个320 x 320像素的记录图像中降低了散射光的强度。剩余波前均方根误差估计为约0.15拉德与FF和约0.10拉德与FF-GS。
2014-06-04 astro-ph.IM physics.optics
High precision wavefront control in point spread function engineering for single emitter localization
点扩散函数（PSF）工程在单发射器定位中用于测量3D中的发射器位置以及可能的其他参数，诸如发射颜色或偶极取向。高级点扩展函数模型（例如实验点扩展函数的样条拟合或矢量点扩展函数模型）可用于相应的定位算法，以便正确地对复杂的斑点形状和变形进行建模。光学架构和拟合模型的复杂性使得PSF工程方法对光学像差特别敏感。在这里，我们提出了一个校准和校准协议的荧光显微镜配备了空间光调制器（SLM）的目标是建立一个波前误差远低于衍射极限的复杂工程PSF的最佳应用。我们实现了高精度的波前控制，在校准程序后的30分钟时间窗口内低于20 m $λ$波前像差的水平，使用单独的光路来校准SLM的像素到像素的变化，以及SLM相对于光轴和傅立叶平面在3 $μ$ m（$x/y$）和100 $μ$ m（$z$）误差内的对准。从矢量PSF模型到珠$z$ -堆叠的拟合中检索像差，并且用与SLM校准步骤的误差相当的残余波前误差来补偿像差。这种经过良好校准和校正的设置使得创建非常适合矢量PSF模型的复杂“3D+ $λ$”PSF成为可能。原理验证珠实验显示，在1 $μ$ m的轴向范围内，$x$、$y$和$λ$的精度低于10 nm，$z$的精度低于20 nm，具有2000个信号光子和12个背景光子。
2018-03-23 physics.optics
Multi-dimensional wavefront sensing using volumetric meta-optics
理想的成像系统将有效地捕获有关光的所有基本属性的信息：强度，方向，波长和偏振。最常见的成像系统仅将光的空间自由度映射到二维图像传感器上，以效率为代价增加了一些波长和/或偏振鉴别。因此，光学中最有趣的问题之一是如何对多个自由度进行分组和分类，并将它们映射到二维传感器空间。在这里，我们通过模拟表明，体积元光学元件组成的高度散射，反向设计的介质结构与亚波长分辨率可以同时排序光的方向，波长和偏振。这是通过将这些属性映射到图像传感器上的像素的不同组合来完成的，用于压缩感测应用，包括波前感测、光束轮廓分析和下一代全光传感器。
2023-01-24 physics.optics
Space-variant Shack-Hartmann wavefront sensing based on affine transformation estimation
在深部组织成像中，存在着波前重构的空变问题。在本文中，我们提出了一个框架的Shack-Hartmann波前空变传感与扩展源照明。空间变化的波前被建模为一个四维函数，其中两个dimensionsare在空间域和两个在傅立叶域的先验，都轻轻地变化。这里，仿射变换被用来表征波前空变函数。实验和仿真结果表明，与传统的空不变相关法相比，空变波前重构精度提高了2 ~ 4倍。
2022-10-12 physics.optics
Fourier pixels for reciprocal light control
ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）；University of Bern（伯尔尼大学）；Technical University of Denmark（丹麦技术大学）
本文提出了一种基于傅里叶光学的多功能像素，通过微型衍射元件实现对光场的精确控制，应用于自适应光学、全息显示等领域。
2026-01-13 physics.optics
Single-Axis Ptychographic Coherent Diffractive Imaging for Spectroscopic and Wavefront Retrieval
单轴投影衍射成像技术通过单轴扫描提高通量，实现光谱和波前的同步成像，用于高效多模式实时成像。
2025-11-21 physics.optics
Inverse-Designed Metasurfaces for Wavefront Restoration in Under-Display Camera Systems
Hanyang University（汉阳大学）；University of Washington（华盛顿大学）
本文提出了一种逆向设计的超表面，用于在显示屏相机系统中实时恢复波前，以解决由金属像素结构引起的衍射失真问题。
2025-04-24 physics.comp-ph physics.optics
Metasurface-encoded optical neural network wavefront sensing for high-speed adaptive optics
CFD Research Corporation（CFD研究公司）；US Army Space and Missile Defense Command（美国陆军太空与导弹防御司令部）
本研究提出了一种基于元表面编码的混合光电子神经网络波前传感器，实现超高速、低成本的波前传感与校正，提升自由空间通信系统性能。
2026-02-18 physics.optics
Full frame denoising for pyramid wavefront sensors
UK Astronomy Technology Centre（英国天文学技术中心）；Diamond Light Source（钻石光源）；Marseille Univ, CNRS, LAM, Laboratoire d'Astrophysique de Marseille（马赛大学、法国国家科学研究中心、天体物理学实验室）
针对低通量下金字塔波前传感器（PyWFS）的噪声问题，提出结合FFT加速分组与3D小波滤波的全帧去噪策略，经VLT规模SCAO系统模拟验证，可提升斯特列尔比、极限星等及PSF质量，扩展其对暗导星的适用范围。
2026-08-21 physics.optics
Diffraction-limited operation of micro-metalenses: fundamental bounds and designed rules for pixel integration
本文研究了微金属透镜在衍射极限下的操作，揭示了小像素尺寸下衍射限制对性能的影响，并提出了优化微型光学超材料性能的设计规则。
2025-10-05 physics.optics
Rapid stochastic spatial light modulator calibration and pixel crosstalk optimisation
本研究提出一种基于随机优化与随机散斑图案的SLM快速校准技术，通过数字孪生模型实现高精度波前测量与像素串扰优化，大幅提升校准速度并降低光势误差，可应用于量子技术与全息显示领域。
2024-08-14 physics.atom-ph physics.optics quant-ph
Single-shot hybrid photoacoustic-fluorescent microendoscopy through a multi-mode fiber with wavefront shaping
我们提出了一种基于多模光纤的微创内窥镜，它结合了光声和荧光传感。根据在先前校准步骤期间的传输矩阵的测量，产生聚焦光斑，并通过使用快速空间光调制器在光纤的远端尖端处的样本上进行光栅扫描。放置在光纤旁边的用于光声检测的超灵敏光纤超声传感器与光电检测器相结合，以获得荧光和光声图像，远端成像尖端不大于250 μ m。基于波前整形的聚焦和超灵敏超声波传感器提供的高信噪比使每个像素的单次激光照射成像成为可能，展示了红细胞和荧光珠的快速二维混合成像。
2020-06-18 physics.bio-ph physics.optics
Inverse design of a spatial demultiplexer for free-space optical communications: direct optimization over turbulence statistics
本文研究了自由空间光学通信中空间解复用器的设计，通过比较不同模基的功率耦合统计，发现模式的空间支持比基的选择更重要，提出了一种基于随机梯度下降的紧凑双平面折射系统逆设计方法，优化了湍流统计。
2026-03-19 physics.optics
Closing the loop as an inverse problem: the real-time control of THEMIS adaptive optics
本文提出将THEMIS太阳望远镜自适应光学控制环路建模为逆问题，通过实时估计波前斜率与噪声协方差并施加Kolmogorov时空约束求解最优指令，实现延迟低于300微秒的实时控制。
2023-11-29 astro-ph.IM physics.optics
Comparison of Gini index and Tamura coefficient for holographic autofocusing based on the edge sparsity of the complex optical wavefront
梯度稀疏度（SoG）是一种稳健的全息自聚焦准则，它计算复重聚焦全息图的梯度模量，并在其上应用稀疏度度量。在这里，我们比较了SoG中使用的两种不同的稀疏性度量选择，特别是基尼指数（GI）和田村系数（TC），用于密集/连接或稀疏样本的全息自动聚焦。我们提供了一个理论分析预测，对于均匀分布的图像数据，TC和GI表现出类似的行为，而对于自然稀疏的图像，包含一些高值的信号条目和许多低值的噪声背景像素，TC是更敏感的分布变化的信号和更耐背景噪声。这些预测也得到了实验结果的证实，实验结果使用基于SOG的全息自动聚焦在密集和连接的样本（如染色的乳腺组织切片）以及高度稀疏的样本（如孤立的贾第鞭毛虫囊肿）。通过这些实验，我们发现ToG和GoG在密集和连接的样本上提供几乎相同的自动聚焦性能，而对于自然稀疏的样本，GoG应该在紧密围绕对象的相对较小的感兴趣区域（ROI）上计算，而ToG在选择包含更多背景像素的较大ROI方面提供了更大的灵活性。
2017-08-27 physics.app-ph physics.optics
Sparse Reconstruction of Wavefronts using an Over-Complete Phase Dictionary
University of Oxford（牛津大学）；Ludwig-Maximilians-Universität München（慕尼黑大学）；Universidad de Salamanca（萨拉曼卡大学）
本文提出利用过完备相位字典和稀疏表示技术重建复杂波前，结合可训练仿射变换处理未对准，通过稀疏性避免过拟合并增强噪声鲁棒性。
2024-11-05 cs.LG physics.optics
High sampling rate single-pixel digital holography system employing a DMD and phase-encoded patterns
提出一种基于DMD和相位编码图案的高采样率单像素数字全息系统，利用DMD高速切换和计算机生成全息图实现快速复振幅记录与重建，并能在漫射器存在时恢复相位和振幅信息。
2024-02-06 physics.optics
Tutorial: How to build and control an all-fiber wavefront modulator using mechanical perturbations
本教程介绍了利用机械扰动构建全光纤波前调制器“光纤钢琴”的设计与实验方法，并回顾其在多模光纤光传播控制中的应用。
2024-08-29 physics.ins-det physics.optics
Controlling Light Transmission Through Highly Scattering Media Using Semi-Definite Programming as a Phase Retrieval Computation Method
介绍了复半定规划（SDP）作为一种新的相位恢复方法，使单色光通过高散射介质的传输控制。在简单的光学设置中，空间光调制器用于生成相位调制波前的随机序列，并且在相机上获取透射光中的所得强度散斑图案。SDP算法允许从该仅强度测量序列计算系统的复传输矩阵，而不需要参考光束。一旦确定了传输矩阵，就计算出将入射光束聚焦到散射介质远侧上的任何位置或位置序列的最佳波前，而不需要任何后续测量或波前整形迭代。所需的测量次数和焦点处强度的增强程度由空间光调制器控制的像素数量决定。
2017-05-01 physics.optics
Zernike Mode Sorting with Vortex Phase Filters: Perfect Coronagraphs and Ideal Wavefront Sensors
本文提出一种基于涡旋相位滤波器的泽尼克模式排序架构，可实现无损无串扰的波前传感与日冕仪，达到量子灵敏度极限，助力系外行星高对比度成像。
2025-10-24 astro-ph.IM physics.optics
Fast and light-efficient wavefront shaping with a MEMS phase-only light modulator
本文测试了一种融合液晶SLM高效率与DMD快速切换的MEMS纯相位光调制器（PLM），演示了任意图案投影、像差校正及1.44 kHz高速多模光纤波前整形，并公开了C++控制软件库。
2024-09-02 physics.optics
High-Resolution Speckle-based Single-Pixel Imaging using Silicon Photonic Non-Redundant Optical Phased Array
The University of Tokyo（东京大学）；ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）；Sumitomo Electric Industries, Ltd.（住友电气工业株式会社）；Toyota Technological Institute（名古屋工业大学）
该研究提出基于硅光子非冗余光学相控阵的成像方案，结合散斑式单像素成像，以127个天线实现超1万可分辨成像点，为紧凑OPA芯片实现百万像素成像提供了可行方向。
2026-08-24 physics.optics
The vanishing distance: a depth-range boundary for dynamic wavefront shaping
ONERA, Université Paris-Saclay（法国航空航天研究院，巴黎萨克雷大学）；Institut Langevin, ESPCI Paris, PSL University, CNRS（巴黎高等物理化工学院，巴黎文理研究大学，法国国家科学研究中心）；Complex Photonic Systems (COPS) Chair, Faculty of Science and Technology, University of Twente；Complex Photonic Systems (COPS) group, Photonic and Semiconductor Nanostructures (PSN) Chair, Department of Applied Physics and Science Education (APSE), Eindhoven University of Technology (TU/e)；Chair “Seeing Through Fog”, ONERA
该研究提出基于模式功率的消失距离概念，通过半解析模型结合模拟与实验验证，确定动态波前整形的实用范围边界，为评估其实际应用提供简单指南。
2026-10-14 physics.optics
Inverse designed full-Stokes polarimetric metasurface with simultaneous wavefront sensing for visible light
Brno University of Technology（布尔诺理工大学）；Meopta s.r.o.（梅奥塔有限公司）
本文提出一种反向设计的全斯托克斯极化表面，实现可见光波前传感与极化状态的同时测量，通过优化纳米结构几何和旋转，提升系统效率和精度。
2026-04-20 physics.app-ph physics.optics
Backscatter analysis based algorithms for increasing transmission through highly-scattering random media using phase-only modulated wavefronts
最近的理论和实验进展揭示了在强后向散射随机介质中存在所谓的“完全透射”波前，其透射系数接近1。这些完全透射的本征波前可以通过空间振幅和相位调制来合成。在这里，我们考虑使用相位调制波前的传输增强的问题。我们开发了物理上可实现的迭代和非迭代算法，通过这种随机介质使用后向散射分析增加传输。我们从理论上表明，尽管只有相位调制约束，非迭代算法将实现至少约25 $π$ %或约78.5%的传输假设有至少一个完美的传输本征波前和传输矩阵的奇异向量服从最大熵原理，使它们是各向同性随机的。我们用完全光谱精确的模拟器数值分析了二维相位调制传输的极限，并提供了严格的数值证据，证实了我们在具有周期性边界条件的随机介质中的理论预测，该介质由数十万个非吸收散射体组成。我们通过数值模拟表明，我们已经开发的迭代算法收敛迅速，产生高透射波前使用相对较少的测量的后向散射场。具体地，在非迭代算法产生约78.5%的透射率但需要测量整个模态反射矩阵的情况下，最佳性能的迭代算法仅使用15-20次测量就产生约70%的透射率。
2014-06-20 cond-mat.dis-nn physics.optics
Wavefront shaping in multimode fibers by transmission matrix engineering
利用多模光纤的最大挑战之一是模式混合和模式间干扰，这会扰乱光纤传递的信息。消除这些效应的常用方法是调整光纤输入端的光场，以在其输出端获得所需的光场。在这项工作中，我们提出了一种新的方法，它依赖于调制光纤的传输矩阵，而不是入射光。我们将计算机控制的机械扰动应用于光纤，以在其输出处获得所需的强度图案。使用全光纤装置，我们演示了在光纤的远端聚焦光和光纤模式之间的转换。由于在这种方法中，控制的度数可以大于光纤模式的数量，因此它允许同时控制多个输入和多个波长。
2019-10-07 physics.optics quant-ph
Mask Responses for Single-Pixel Terahertz Imaging
太赫兹（THz）辐射是指在0.1 THz（3 mm）至10 THz（30 mu）范围内的电磁辐射，其独特的优点是容易穿透许多障碍物，同时由于其是非电离的，对有机组织无害。该领域的缺点是具有>1k像素的高灵敏度检测器阵列相应THz相机的有限可用性。为了克服太赫兹域的成像限制，压缩成像与光学可控的太赫兹空间光调制器相结合是一种有前途的方法，特别是当用于单像素成像模式时。这种方法的成像保真度、性能和速度关键取决于成像过程中使用的成像图案（也称为掩模）及其属性。因此，在本文中，它是研究如何重建后的图像质量是具体影响不同的掩模类型和它们的属性在压缩成像模式。该评估得出了在太赫兹单像素成像设置中使用的具体准则，相应的太赫兹单像素相机采用光学可控的太赫兹空间光调制器。作为展望，建议的方法，建立在本文中提出的结果，并扩展所讨论的优点，以改善压缩成像设置适合于远离安全成像应用又名单像素探测器身体扫描仪。
2017-10-23 physics.optics
High Frame-Rate Phase Camera for High-Resolution Wavefront Sensing in Gravitational-Wave Detectors
我们提出了一种新的波前传感方式，使用市售的，连续波飞行时间与QVGA分辨率的相机。这款CMOS相位相机能够感应频率高达100 MHz的外部调制光源。传感器的高空间分辨率与我们的集成控制电子器件相结合，使相机能够成像低至-62 dBc/秒/像素的功率调制指数。相位相机适用于需要校准和模式失配感测的问题，并且适合于引力波探测器中的诊断和控制应用。具体来说，我们探索使用的相位相机在感应拍频信号由于热变形从点样的吸热器上的测试质量在先进的LIGO探测器。该相机能够感测Advanced LIGO输入镜中大于约2纳米的光路失真，这受到相位分辨率的限制。在零差读出中，性能可以达到0.1 nm，受到调制幅度灵敏度的限制。
2021-05-13 gr-qc physics.ins-det physics.optics
Three-sided pyramid wavefront sensor. II. Preliminary demonstration on the new CACTI testbed
下一代的巨型地面和太空望远镜将具有光收集能力，首次使用高对比度成像来探测和表征潜在的宜居类地系外行星。这只有在巨型分段镜望远镜（GSMTs）极端自适应光学（ExAO）系统的性能被优化到其全部潜力时才能实现。ExAO系统的关键部件是波前传感器（WFS），其测量来自大气湍流的像差。当前和下一代仪器的常见选择是金字塔波前传感器（PWFS）。ExAO系统需要波前的高空间和时间采样以优化性能，因此，需要用于WFS的大型检测器。我们提出了一个闭环试验台演示的三面金字塔波前传感器（3 PWFS）作为替代传统的四面金字塔波前（4PWFS）传感器的GSMT-ExAO应用的新的综合自适应光学和日冕测试仪器（CACTI）。3 PWFS对读取噪声的敏感度低于4PWFS，因为它使用较少的探测器像素。3 PWFS还有其他好处：高质量的三面棱锥光学元件比四面棱锥更容易制造。我们详细介绍了两个组成部分的CACTI系统，自适应光学模拟器和PWFS测试平台，包括一个3 PWFS和4PWFS的设计。在CACTI上进行了初步实验，研究了使用原始强度和斜率图信号处理方法在不同湍流强度下3 PWFS到4PWFS的性能。对于1.6 λ/D和3.25 λ/D的调制半径重复该实验。我们发现，两个波前传感器的性能是可比的，如果模态回路增益调谐。
2022-10-07 astro-ph.IM physics.optics
A Simple Phase Retrieval Algorithm from a Single Shot Interferogram
传统的相移干涉技术不能用于测量时变相位分布。但Single Shot技术可以解决这个问题。人们对从Single Shot干涉图中恢复相位的方法做了大量的研究。本文提出了一种简单而有效的方法，无需复杂的计算。利用查表法将干涉条纹转换为相位分布。然后根据每个像素的奇偶性将其划分为不同的区域。相同区域中的像素具有相同的奇偶性，这决定了包裹相位。此外，还得到了局部波前的光斑位移，从而解决了全局符号模糊问题。理论模拟结果表明，波前误差的PV值为0.00054（λ），均方根值为0.000125（λ），比快速傅里叶变换法的结果好得多。我们还将其用于实验测量的干涉图中。该算法具有简单、精度高、对开放和封闭干涉条纹均有效等优点，对光学元件加工过程中的实时形貌监测具有重要的应用价值。
2020-03-24 physics.ins-det physics.optics
Single-shot 3D characterization the spatiotemporal optical vortex via a spatiotemporal wavefront sensor (STWFS)
Key Laboratory of High Power Laser and Physics, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences（中国科学院上海光学精密机械研究所高功率激光物理重点实验室）；Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences（中国科学院大学材料科学与光电技术研究中心）；School of Physics, Xi'an Jiaotong University（西安交通大学物理学院）；College of Information Science and Technology, Donghua University（东华大学信息科学与技术学院）
本文提出一种时空波前传感器，实现单次成像三维表征时空光学涡旋，提供高精度相位重建和超快三维诊断。
2025-05-22 physics.ins-det physics.optics
Image-guided Computational Holographic Wavefront Shaping
提出一种无需导星的无创图像引导计算全息波前整形方法，利用自动微分优化虚拟SLM，仅用100次全息测量校正超30万散射模式，在多成像模态中展现卓越通用性。
2023-05-20 physics.app-ph physics.med-ph physics.optics
SSR-PR: Single-shot Super-Resolution Phase Retrieval based two prior calibration tests
我们提出了一种新的方法和算法的基础上，两个初步的测试的光学系统元件，以提高超分辨复值成像。该方法被开发用于单次拍摄无透镜光学装置中的反相位成像。成像是基于波前调制由一个单一的二元相位掩模。初步测试补偿了光学系统中的误差，并校正了承载波前，缩小了现实生活中的实验和计算建模之间的差距，从而在定性和定量方面显着改善了成像。这两个测试是为了观察激光束和相位掩模，可以被认为是一个初步的系统校准。将校正后的载波波前嵌入到所提出的迭代单次超分辨相位恢复（SSR-PR）算法中。改进的初始衍射图案上采样以及基于稀疏和深度学习的滤波器的组合实现了超分辨率重建。仿真和物理实验证明了高质量的超分辨相位成像。在模拟中，我们表明SSR-PR算法校正了所提出的光学系统的误差，并重建了比传感器像素尺寸小4倍的相位细节。在物理实验中，2um厚的线的美国空军相位目标被解决，这是几乎2倍小于传感器像素大小，并对应于最小的可分辨组使用的测试目标。对于相位生物成像，我们提供了以计算超分辨率重建的颊上皮细胞，其质量与具有40倍放大物镜的数字全息系统相同。此外，单次拍摄的优势提供了记录动态场景的可能性，其中帧率仅受所用相机的限制。我们提供了一个单细胞真核生物的幅相视频剪辑。
2021-08-12 eess.IV physics.optics
Modal decomposition of complex optical fields using convolutional neural networks
最近的研究表明，卷积神经网络（CNN）可以被训练成使用光场的强度图像来执行模态分解。这些技术的一个基本限制是模态相位不能使用单个强度图像唯一地计算。模式相位的知识对于波前传感、对准和模式匹配应用是至关重要的。外差成像技术可以获得高分辨率和高帧频的激光束横向复振幅和相位分布图像。在这项工作中，我们训练一个CNN使用模拟外差图像进行模态分解，允许预测完整的模态相位。据我们所知，这是第一个利用复相位信息来执行模态分解的机器学习分解方案。我们将我们的网络与传统的重叠积分和质心定心算法进行了比较，结果表明，它对光束定心不太敏感，平均而言更准确。
2021-04-17 physics.comp-ph physics.ins-det physics.optics
Assessing Phase Reconstruction Accuracy for Different Nonlinear Curvature Wavefront Sensor Configurations
本文首次系统探索了非线性曲率波前传感器（nlCWFS）测量平面的位置、数量和空间采样，发现原始对称四平面配置在广泛视宁度下精度最高且耗时最短，为未来传感器设计提供了重要指导。
2023-10-04 astro-ph.IM physics.optics
Accurate holographic light potentials using pixel crosstalk modelling
该研究针对超冷原子实验中任意光势的生成需求，通过亚像素级SLM像素串扰建模，结合共轭梯度算法、相机反馈等技术，生成了精度更高、效率更优的全息光势，可应用于冷原子相关实验。
2023-03-16 cond-mat.quant-gas physics.atom-ph physics.optics
Single-pixel coherent diffraction imaging
复场成像对于从X射线到THz波长的许多应用是必不可少的，其振幅描述透射率（或反射率），相位揭示目标物体的内在结构。相干衍射成像（CDI）采用迭代相位恢复算法来处理衍射测量，是对复杂场进行成像的主要非干涉方法。然而，CDI的工作光谱非常窄，因为它所依赖的衍射测量需要具有超高动态范围的密集阵列检测。在这里，我们报告了一个单像素的CDI技术，适用于宽波段。在远场采用单像素探测器代替阵列传感器进行探测。它重复记录的直流只有部分的衍射波前散射的对象，因为它是由一系列的二元调制模式。这将测量的动态范围降低了几个数量级。我们采用了一个有效的单像素相位检索算法，共同恢复对象的二维振幅和相位图从一维强度只有测量。在恢复过程中不需要先验对象信息。我们验证了该技术的定量相位成像的性质，使用校准的相位对象和生物样品，并证明其广泛的工作光谱与488 nm可见光和980 nm近红外光。我们的方法为在更宽的波段中进行复杂的场成像铺平了道路，其中2D探测器阵列不可用，在生命和材料科学中具有广泛的应用。
2020-03-30 eess.IV physics.optics
Coordinate-based neural representations for computational adaptive optics in widefield microscopy
本文提出自监督机器学习算法 CoCoA，利用坐标神经表示与正向物理模型从单个三维图像堆栈中联合估计波前并提取三维结构信息，无需外部训练数据，实现了首次基于机器学习自适应光学的活体小鼠脑宽场成像。
2025-03-07 cs.SY eess.IV eess.SY
Adaptive optical focusing through perturbed scattering media with dynamic mutation algorithm
通过/内部散射介质（如多模光纤和生物组织）的光学聚焦在生物医学中具有显著影响，但由于光的强散射性质而被认为具有挑战性。在此之前，已经取得了可喜的进展，受益于迭代光学波前整形，其中深部组织高分辨率光学聚焦成为可能。大多数迭代算法可以克服噪声扰动，但不能有效地适应噪声之外，例如突然的强扰动。对于显著去相关的介质，通常需要重新优化，因为这些算法严重依赖于先前迭代中的优化。这种无效性可能是由于缺乏一种度量，该度量可以基于同时测量的光学聚焦来测量瞬时波前与最佳补偿的偏差。在这项研究中，二进制振幅调制的平方规则，直接关系到测量的聚焦性能与优化波前的误差，从理论上证明和实验验证。利用这个简单的规则，对于介质或整个系统的瞬时状态，量化空间光调制器上有多少像素不正确地调制波前是可行的。作为应用的一个例子，我们提出了一种新的算法，动态变异算法，具有较高的适应性对扰动探测多远的优化已经走向理论上的最优。当介质的扰动导致聚焦性能显著下降时，可以有效地恢复散射光的减小的焦点，这是现有算法由于其固有的对先前优化的强烈依赖而无法实现的。随着进一步的改进，这项研究可能会促进或启发许多应用，例如不稳定散射环境中的高分辨率成像和刺激。
2020-10-17 physics.app-ph physics.optics
Evaluation of a multimode receiver with a photonic integrated combiner for satellite to ground optical communications
基于空间分集或模式分集的多模接收机是一种很有前途的接收机结构，可以实时减轻大气湍流对自由空间光通信的影响。在本文中，我们评估和评论的FSO模式分集接收机的动态通信性能，基于空间解复用器和硅光子相干组合器，从地球同步轨道卫星到光地面站（OGS）的光链路。我们模拟的OGS接收到的失真波前的时间序列，我们数值表明，空间模式的相干组合相比，传统的单模光纤（SMF）接收器减轻信号衰落。我们在实验室环境中验证了这一属性，通过生成与大气传播信道仿真器的用例相对应的波前。然后，我们调制的光载波之前的波前仿真器与10 G OOK和DPSK数据序列，以测量的BER性能的建议接收机在时间序列仿真。最后，我们研究和评论的合并模式的数目和波长复用的BER性能的影响。我们证明了模式分集接收机提供了更高的收集效率，具有更好的BER性能和更小的同步损失。
2022-07-04 eess.SP physics.optics
Pixel super-resolved lensless on-chip sensor with scattering multiplexing
提出一种散射复用的集成无透镜片上传感器及模型与数据驱动结合的PSR算法，实现低成本、高分辨、高对比度和强噪声鲁棒性的大规模显微成像。
2024-09-05 eess.IV physics.optics
High resolution multispectral spatial light modulators based on tunable Fabry-Perot nanocavities
空间光调制器（SLM）是用于动态波前操纵的最相关的技术。他们发现了从新型显示器到光学和量子通信的各种应用。在用于相位调制的商用SLM中，硅基液晶（LCoS）提供最小的像素尺寸，并且因此提供最精确的相位映射和最大的视场（FOV）。然而，由于像素间串扰，进一步的像素小型化在这些器件中是不可能的，像素间串扰是由调制全相位控制所必需的厚液晶（LC）单元所需的高驱动电压引起的。新引入的基于超颖表面的SLM通过经由谐振调谐调制相位来提供用于像素小型化的手段。然而，这些器件本质上是单色的，限制了它们在需要多波长操作的应用中的使用。在这里，我们介绍了一种新的设计，允许小像素和多光谱操作。基于LC可调谐法布里-珀罗纳米腔，设计用于支持可见光范围内的多种谐振（包括红色，绿色和蓝色波长），我们的设计提供了连续的2 pi相位调制，在每个工作波长处具有高反射率。在实验上，我们实现了一个具有96个像素（约1μm间距）的器件，可以通过电偏压单独寻址。使用它，我们首先展示了FOV~18度和绝对效率超过40%的多光谱可编程光束转向。然后，我们重新编程的设备，以实现可调焦距和效率~ 27%的多光谱透镜。我们的设计为新型SLM在显示器、光学计算等领域的未来应用铺平了道路。
2021-09-28 physics.app-ph physics.optics
