【中国光学】液晶与显示 | 智能成像与显示专刊251
 期刊封面 |《液晶与显示》2023年第38卷第6期 视觉是人类最重要的感官体验之一，人类大脑几乎一半的运算能力都用于视觉图像处理。如何将真实世界中物体的信息记录并呈现，是成像与显示领域工作者追求的重要目标。智能成像与显示技术作为人工智能的前端技术，通过大数据和智能算法辅助硬件进行成像与显示，能够实现信息的准确获取和处理，以及信息的智能交互。在智能成像方面，多孔径成像、无透镜成像、散射成像、光场成像、非视域成像等技术拓宽了成像的维度，智能算法的引入有助于实现体积轻薄、低功耗、低延迟的成像系统。在智能显示方面，光场显示、全息显示、近眼显示等技术为三维立体显示的发展奠定了基础。目前，基于深度学习与人工智能的先进成像技术和元宇宙背景下的VR/AR与三维显示技术已经成为领域前沿和热点。智能成像与显示技术采用先进的器件、算法和系统方案，可为用户提供更加清晰多维的图像信息和更深层次的沉浸式体验。 为及时总结最新的研究进展和促进相关领域不同学科方向之间的学术交流，《液晶与显示》编辑部邀请曹良才教授和左超教授共同组织出版了“智能成像与显示”这一专刊，共同推动智能成像与显示创新发展和技术进步。在智能成像方面，中国科学院西安光学精密机械研究所马彩文研究员团队和北京理工大学郝群教授团队分别对先进光学显微技术进行了阐述，南京理工大学左超教授团队对高精度模型重建优化进行了介绍，四川大学张启灿教授团队和天津工业大学宋丽梅教授团队对三维重建与测量技术分别开展了研究，北京理工大学柯钧教授团队和江南大学胡立发教授团队对透过散射介质与大气湍流成像开展了研究，华南理工大学龚湘君教授团队对高分子薄膜的三维显微表征进行了研究。在智能显示方面，北京邮电大学桑新柱教授团队和四川大学邓欢教授团队对裸眼三维显示及增强显示技术开展了研究，东南大学周平教授团队围绕光场成像中元素图像不失真开展了研究，清华大学曹良才教授团队综述了基于深度学习的计算全息显示技术进展。在本专刊中，国内相关团队围绕智能成像与显示中的器件、算法和系统开展了深入的研究，取得了令人关注的研究成果。 以上一系列前沿研究成果的展示，希望能为广大同行提供借鉴，同时带来一些有益的启发。智能成像与显示技术正随着信息技术的发展而受到广泛关注，其创新研究方兴未艾，值得我们共同期待。我们坚信智能成像与显示领域必将产生更多的新理论、新技术、新成果和新应用。 金国藩 中国工程院院士 清华大学精密仪器系教授 2023年6月2日 智能成像 二维高通量光学显微成像技术研究进展 作者：高宇婷, 潘安, 姚保利, 马彩文 摘要：传统光学显微镜的视场与空间分辨率是相互制约的，如何突破这一限制，同时能兼得高分辨率和大视场的高通量成像，成为当前显微成像技术领域的主要研究方向之一。该科学问题的突破将有助于加速科学研究、提高生产制造能力、为医疗辅助诊断提供新工具。本文介绍比较了大孔径物镜制造与曲面探测技术、扫描拼接技术、傅里叶叠层显微成像技术、宽场结构光照明技术和无透镜片上显微成像技术在内的5种高通量显微成像技术。分析了高通量显微成像技术研究的当前现状、所面临的问题以及未来的发展趋势。分析指出，计算光学成像技术正逐渐成为目前高通量显微技术的主要手段 ，通过计算绕过或者突破光学系统的物理限制将开辟高通量显微成像新时代。 关键词：显微成像; 高通量; 计算成像 原文阅读（复制或点击下方网址）： https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2023-0024 傅里叶叠层显微术的光源位姿校正 作者：郑传建, 杨德隆, 张韶辉, 胡摇, 郝群 摘要：傅里叶叠层显微术（Fourier Ptychographic Microscopy， FPM）通过采集不同照明角度下的一组低分辨率强度图像，并利用合成孔径与相位恢复技术拼接融合，实现了大视场和高分辨率的定量复振幅成像。精确的频谱位置是重构算法的重要先验知识，对获得高质量的重构图像至关重要。因此，校正决定图像频谱位置的照明光源位姿成为了实现鲁棒FPM系统的重要工作。近年来，多种校正照明光源位姿的方法相继被提出：采用多自由度精密机械平台校准的机械校正法、根据采集图像强度或频谱信息的数据驱动校正法及基于显微镜光学原理的成像机制校正法。本文简要介绍了FPM的基本原理和光源的位姿偏差，对3类校正方法的原理和特点进行了综述。机械校正法可以从源头上消除位姿偏差，但费时费力；数据驱动校正法能够自动校正位姿偏差，但存在校正时间长和校正参数耦合的问题；成像机制校正法不仅校正鲁棒性高，还能够从多种系统误差中分离出准确的位姿参数，是一种极具发展潜力和应用前景的校正方法。 关键词：傅里叶叠层显微术; 计算光学成像; 相位恢复; 位姿校正 原文阅读（复制或点击下方网址）： https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2023-0016 基于条纹投影的三维形貌与形变测量技术研究进展 作者：吴周杰, 张启灿 摘要：基于条纹投影的三维形貌测量技术，已经在提升测量精度、提高测量速度、扩大测量景深、增加测量场景适应性等方面被进行了大量研究。但由于条纹投影技术本身的原理限制，仅利用传统条纹投影方法难于实现准确的对应点匹配。而依赖于对应点追踪的形变测量和应变分析可以进一步分析物体的运动状态、材料特性以及结构力学参数，在运动仿生学、材料力学、结构力学等诸多领域中起着不可或缺的作用。本文回顾了近年来新发展出的一系列基于条纹投影的三维形貌与形变测量技术，论述了学者们如何在条纹投影系统上一步步实现从简单刚体位移的测量到复杂、精细结构的形变测量和应变分析。分析了此类技术在测量完整度、分辨率以及计算效率上相比于已有形变测量技术的优势，给出了此技术所面临的挑战和潜在发展动向。 关键词：三维测量; 条纹投影; 数字图像相关; 三维形貌测量; 三维形变测量; 应变分析 原文阅读（复制或点击下方网址）： https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2023-0082 基于全局优化的实时高精度模型重建 作者：许新傲, 李艺璇, 钱佳铭, 冯世杰, 左超 摘要：三维形貌测量在先进制造、航空航天、生物医学等领域发挥着重要的应用。凭借高精度、全视场、非接触等优点，条纹投影轮廓术是目前使用最广泛的一种光学三维测量手段。为了获得物体全局三维信息，通常需要将待测物置于转台之上，通过不断地扫描和拼接来获得物体的全局信息。然而，传统的扫描和拼接是以离线的方式进行的，导致整个三维模型的重建速度缓慢。现有的实时点云配准方法虽然能够有效提高点云扫描与拼接的速度，但实时点云拼接的精度依然受待测物的运动状态影响。本文针对上述问题进行优化改进，提出一种基于全局优化的实时高精度模型重建方法。首先，介绍了一种由粗配准到精配准的快速点云配准算法并提出了基于点云法向量约束的点云初始化算法，能够提升粗配准过程中点云初始位姿计算的稳定性与精度。其次，在精配准阶段引入了图优化算法以获得全局点云位姿的最优解，进一步提升了全局点云配准的精度。实验结果表明，所提方法相比于现有实时模型重建方法，能够实现更高精度且稳定的全局点云配准。特别地，针对动态场景中由于抖动等因素引起的被测物体速度突变等情况，本方法依然能够鲁棒地完成三维模型重建，全方位模型重建的精度达84 μm。 关键词：条纹投影轮廓术; 图优化; 实时; 三维重建; 点云配准 原文阅读（复制或点击下方网址）： https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2023-0086 基于多视角红外传感器的三维重建方法 作者：宋丽梅, 张继鹏, 李云鹏, 刘镇宁, 罗菁 摘要：为了实现有特征物体和无特征物体更精准的三维重建，本文研究了多视角传感器下三维点云的自动拼接算法。首先由不同视角的传感器双目标定后进行轴线数据的标定，接着在三维空间内对多条轴线数据进行分析并提出了一种基于多视角传感器轴线融合的点云拼接方法，从而计算出误差最小的最优轴线数据，最后以拟合出的轴线数据为轴心在世界坐标系内进行三维点云的拼接。实验结果表明，在1.3~1.9 m的测量范围内，本文所提出的拼接方法对直径为144.954 2 mm的标准球进行三维重建的误差在0.037 mm以内，重建无特征点物体和有特征点物体都能有较好的拼接效果且拼接时间不受点云总量大小的限制。该拼接方法基本满足三维重建的稳定性好、效率快、精度高等要求。 原文阅读（复制或点击下方网址）： https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2023-0026 透过薄散射介质的目标事件分类方法 作者：杨泊钰, 柯钧 摘要：现有的通过散射介质的目标分析主要针对静止目标，同时，环境或外部亮度条件对目标分析结果有着至关重要的影响，这就对图像采集设备的动态范围、时间分辨率等性能提出了极高要求。事件相机由于其高动态范围、高时间分辨率与低延迟等特点为应对上述问题提供了新的解决思路。本文针对低照度情况下运动目标透过薄散射介质探测效果差的问题，利用事件相机开展了透过薄散射介质的目标探测的研究。采用V2E算法利用灰度散斑制备“事件散斑”数据集，并采用ResNet分类网络进行目标分类，获得了94.27%的十分类精确率。实验结果表明，使用事件流在分析通过散射介质的目标信息方面有着巨大的发展潜力。 关键词：散斑成像; 事件相机; 神经网络 原文阅读（复制或点击下方网址）： https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2023-0027 高分子薄膜的三维显微表征 作者：何炳恩, 邵盛培, 梁霄, 陈家董, 殷盼超, 毛雁, 吴明星, 龚湘君, 张广照 摘要：高分子薄膜通常具有结晶、相分离等微尺度结构，同时在制备和加工过程中也会形成表面缺陷、气泡等不均匀结构，这些都会严重影响其性能。然而，表征这些结构目前还没有很好的方法。本文探究了数字全息显微镜（Digital Holographic Microscopy， DHM）这一原位、无损、高精度的光学三维显微技术在高分子薄膜表面及内部结构、缺陷表征中的应用。利用自建的DHM和三维连续定位算法对100 nm聚苯乙烯纳米颗粒在液相薄层中的分布、晶圆涂覆聚氨酯后表面的形貌、聚甲基丙烯酸酯薄膜与水的相分离过程、聚乙二醇薄膜干燥过程中的边缘结晶、聚乙烯醇薄膜内的微纳气泡进行了表征，证明DHM具有很高的成像分辨率，能够对高分子薄膜的表面和内部同时实现高精度的原位三维缺陷监测与结构表征，具有独特的优势和应用前景。 关键词：高分子薄膜; 数字全息; 三维成像 原文阅读（复制或点击下方网址） https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2023-0029 基于深度神经网络的大气湍流压缩波前探测 作者：华晟骁, 胡启立, 冯佳濠, 姜律, 杨燕燕, 吴晶晶, 俞琳, 胡立发 摘要：压缩感知技术用于光学波前测量时，常规的斜率恢复方法精度较低，难以测量大气湍流引起的复杂波前，本文利用深度神经网络进行斜率恢复，提高斜率恢复精度，从而提高压缩波前探测方法测量大气湍流波前的精度。传统的压缩波前探测方法在稀疏化过程中忽略相对较小的斜率值，导致波前测量误差的增加。为了快速测量大气湍流引起的复杂波前，本文提出了一种深度神经网络，可以高精度地恢复斜率，从而提高了波前重构的精度。在压缩比为0.1~0.9情况下，基于深度神经网络的压缩波前探测算法（DNNCWS）的波前重构误差PV优于0.014 μm，算法的运行时间为4.4 ms。在暗弱星等情况下，残差波前的峰谷值（PV）优于0.011 μm。模拟结果表明，DNNCWS具有良好的抗噪声性能。深度神经网络DNNCWS提高了压缩波前的探测精度，可以用于测量大气湍流引起的复杂像差，还可用于其他自适应光学应用，如激光通信和视网膜成像。 关键词：压缩波前探测; 自适应光学; 大气湍流 原文阅读（复制或点击下方网址） https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2023-0011 基于Transformer结构的高精度湍流波前重构 作者：冯佳濠, 胡启立, 姜律, 杨燕燕, 华晟骁, 吴晶晶, 胡立发 摘要：动态变化的大气湍流和观测目标的亮度的降低严重影响了夏克-哈特曼波前传感器（SHWFS）探测波前的精度。针对这两种复杂的观测条件，本文提出了一种以Transformer结构为基础的神经网络模型，它具有很好的全局建模能力，可以高精度地从SHWFS光斑阵列图像中重建波前。通过在动态变化的典型大气湍流相干长度r0下进行仿真模拟，所提出的网络模型的残余波前RMS误差值稳定在0.010~0.024 μm之间。与已有的方法相比，本文方法能够更准确地重构波前像差。此外，本文方法的重构精度受导星或观测目标的亮度变化影响很小。因此，本文方法的重构精度对两种观测条件变化均具有较强的稳定性，为大口径天文光学望远镜的高分辨率成像提供了一种有前景的方法。 关键词：自适应光学; 深度学习; Shack-Hartmann波前传感器; Transformer; 波前重构 原文阅读（复制或点击下方网址） https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2023-0067 智能显示 基于多种眼动行为的裸眼3D显示视觉疲劳评估方法 李一帆, 颜玢玢, 王鹏, 陈铎, 王葵如, 桑新柱, 赵思铭 摘要：在裸眼3D立体视频观看中，由于存在辐辏调节的矛盾，观看者会产生诸如眩晕、呕吐等视疲劳症状，尤其在医疗、A/VR等场景下，3D视频观看通常为任务驱动，眼动行为由于受到主观控制，单一的眼动特征很难准确评估视觉疲劳，更无法得到视疲劳等级，导致视疲劳无法及时被发现，从而造成不可预估的损失。针对以上问题，本文提出了一种基于多种眼动行为的3D视疲劳等级评估模型，旨在观看3D内容时，通过对注视、扫视、眨眼等眼动行为进行建模分析，得到实时视疲劳等级。本文采用主客观相结合的方法进行实验：受试者观看3D内容，实验人员记录受试者主观打分并利用眼动仪提取受试者客观眼动行为；通过进行相关性分析，探究任务驱动下能够表征3D视疲劳的各种客观眼动行为；利用神经网络建立基于16种眼动行为的视疲劳四等级评估模型。模型对3D视疲劳等级的预测准确率达到82%，证明了模型的有效性。 关键词：裸眼3D显示; 视疲劳; 眼动行为; 任务驱动; 神经网络 原文阅读（复制或点击下方网址） https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0414 基于深度学习的计算全息显示进展 作者：刘珂瑄, 吴佳琛, 何泽浩, 曹良才 摘要：计算全息作为一种三维显示手段，能够基于衍射计算实现对目标光场的精确重建，在元宇宙通讯、AR/VR头戴显示、车载抬头显示等方向均有着重要的应用。如何实现高速且高质量的相位全息图生成是计算全息领域发展的关键问题，也是当前该方向的重要研究课题。近年来，深度学习技术的飞跃式发展为上述问题的解决提供了一条新的技术路径。本文介绍了计算全息技术的基本原理及算法分类，综述了近年来所提出的基于深度学习的计算全息解决方案，比较了各类方案的优势与不足，展望了深度学习技术在计算全息领域的发展与挑战。 关键词：计算全息; 深度学习; 三维显示; 卷积神经网络; 液晶空间光调制器 原文阅读（复制或点击下方网址） https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2023-0081 光场成像中元素图像的不失真条件 作者：杨尚鹏, 许成才, 颉一凡, 周光泉, 周平 摘要：在实际应用中，受应用环境狭小空间的限制，可能出现元素图像偏移与部分缺失等失真问题，进而影响光场图像的解码、深度估计与三维成像等应用。为了研究该问题，本文分析并提出了元素图像不失真条件。将环境空间的约束抽象为主透镜物空间的孔阑，根据孔阑尺寸、位置与元素图像之间的关系，将光场成像分为3种情况分别进行理论研究，并设计了元素图像中心偏移、孔阑等差移动10 mm实验进行验证。实验结果表明，元素图像中心偏移的实验结果与理论分析的相关性高于99%，孔阑等差移动测量值为（9.97±1.5）mm，验证了本文元素图像不失真条件的正确性。该不失真条件可用于指导光场成像系统设计，定量分析元素图像失真参数。 关键词：光场成像; 孔阑; 元素图像失真; 元素图像偏移 原文阅读（复制或点击下方网址） https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2023-0021 不同重建深度的微图像阵列生成 作者：杨翠妮, 李姣姣, 郭兆达, 邓欢 摘要：由于集成成像显示系统具有有限的景深，在微图像阵列获取与生成过程中，要考虑3D图像的重建深度，确保再现的3D图像在集成成像显示系统的景深范围内。当3D图像的重建深度与显示系统景深不适配时，需要重新调节拍摄参数以清晰地显示3D图像。为了避免对目标三维场景进行重新采集，提高微图像阵列生成效率，本文提出一种不同重建深度的微图像阵列生成方法。该方法通过调整图像元节距、调节相邻图像元间的视差值来改变光场的采样间隔，使微图像阵列可以适配不同景深的3D显示系统，提升集成成像微图像阵列的实用性。实验结果表明，该方法能实现不同深度的3D图像重建，验证了所提方法的正确性和可行性。 关键词：图像元缩放变换; 集成成像; 同名点视差; 3D像点重建深度 原文阅读（复制或点击下方网址） https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2023-0015 基于反射偏振膜的增强现实2D/3D兼容显示 作者：饶凤斌, 冀清霖, 李强, 邓欢 摘要：为了将2D/3D兼容显示技术应用于增强现实设备中，本文提出了一种基于透镜阵列全息光学元件和反射偏振膜的增强现实2D/3D兼容显示系统。该系统利用反射偏振膜将投影光源进行反射或透射。反射光束载有2D显示片源，以此实现2D显示；透射光束载有3D显示片源，经透镜阵列全息光学元件调制后实现3D显示。反射偏振膜和透镜阵列全息光学元件对环境光均有较好的透过率，从而保证系统具有增强现实的光学透过性能。实验结果表明，所提增强现实2D/3D兼容显示系统能够在2D显示模式和3D显示模式之间进行自由切换，并且其环境光对比度高于显示标准要求的标准值3∶1。 关键词：2D/3D兼容显示; 增强现实显示; 反射偏振膜; 全息光学元件; 环境光对比度 原文阅读（复制或点击下方网址） https://cjlcd.lightpublishing.cn/thesisDetails#10.37188/CJLCD.2022-0433 专刊客座主编介绍  曹良才，清华大学精密仪器系教授、博士生导师。国际光学工程学会SPIE和美国光学学会OPTICA会士。2005年获得清华大学光学工程专业博士学位，毕业后留校工作至今，加州大学圣塔克鲁兹分校和麻省理工学院访问学者，主讲“信息光学”和“现代光学实验”课程，主要研究方向为全息光学成像与显示技术。主持国家自然科学基金委重点项目和科技部重点研发计划项目，已发表学术期刊论文100余篇，申请发明专利40余项，曾获得北京市科学技术一等奖、中国仪器仪表学会技术发明一等奖、清华大学“学术新人奖”和清华大学“先进工作者”等称号，获得由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所Light学术出版中心主办的2021年全国光学与光学工程博士生学术联赛冠军导师。  左超，教授、博士生导师。南京理工大学智能计算成像实验室（SCILab: www.scilaboratory.com）学术带头人，研究方向为计算光学成像与光信息处理技术，在非干涉定量相位显微成像、高速结构光投影三维成像、计算光电成像探测等领域取得系列研究成果。在SCI源刊上发表学术论文200余篇，其中28篇论文被选作Light: Science & Applications、Optica等期刊封面论文，20余篇论文入选ESI高被引/热点论文，论文被引超过12000次。入选国家“优青”、江苏省“杰青”、国际光学工程学会会士（SPIE Fellow）、美国光学学会会士（Optica Fellow）、科睿唯安全球高被引科学家。获国际应用和纯物理协会（IUPAP-ICO）光学青年科学家奖、Light全球未来光学之星（Rising Star of Light）、日内瓦国际发明展特别嘉许金奖等。现为PhotoniX、Optics and Lasers in Engineering、《红外与激光工程》、《激光与光电子学进展》等期刊编辑。指导研究生5人次获全国光学工程优秀博士论文/提名，4人次获得中国光学学会王大珩光学奖，7人次入围Light全国光学博士生学术联赛全国百强，获“挑战杯”、“创青春”、“研电赛”全国金奖十余次，“互联网+”全国总冠军。 监制：张莹、赵阳 编辑：赵唯 来源｜中国光学 排版 | 孙菲 复审 | 左超 终审 | 徐峰 |