成像技術的案例
懸浮成像技術與VR，Ansys Speos光學在手機背殼立體成像中的應用
為了實現手機外觀設計的差異化，各家廠商開始在手機背殼上越來越多地應用新型光學成像技術。當前，使用集成成像技術的懸浮成像技術開始被多家手機廠商應用于其高端型號的背板設計上。
懸浮成像技術，又稱空中成像技術，是一種通過特殊的光學裝置將圖像投射到空中，形成懸浮在空中的三維立體影像技術。作為一種全新的顯示和交互技術，懸浮成像技術的獨特魅力體現在其能夠在無實體接觸的情況下實現立體、真實的空中成像，并支持直觀的人機交互體驗。
近年來，在相關企業的積極推動下，搭載這一先進技術的產品正在逐步從實驗室走向市場，實現商業化落地。例如，部分智能座艙、懸浮精靈以及車載顯示產品已成功實現了規模化量產。但由于懸浮成像技術的設計和仿真難度，供應商通常要耗費比通常設計更多的時間成本和打樣次數來獲得理想的產品效果。因此，供應商們需要通過光學仿真軟件來實現最優的產品解決方案。
作為一款專業用于光學設計、環境與視覺模擬系統、成像應用的光學仿真軟件，Ansys Speos提供完美的可視化光學系統和直觀的人機交互平臺。基于三維模型CAD數據，Ansys Speos進行人眼視覺分析和人因環境評估，在產品設計階段對方案可行性進行驗證，在設計前期發現、反饋和處理問題，實現最優的產品解決方案。
基于此，7月18日，Ansys 系列網絡研討會將推出「Ansys 光學在手機背殼立體成像中的應用」主題。在本次研討會中，將介紹通過Ansys Speos搭建和仿真懸浮成像技術的方法，幫助設計者預測產品成像效果，定位設計錯誤，降低打樣次數從而降低設計成本。另外Ansys Speos 支持在VR頭顯中直接觀察懸浮成像效果，相比于普通屏幕，通過VR頭顯，設計者可以直接觀察到產品的懸浮效果，實現對設計更加高效的評估。
展開 3D成像技術和CMOS傳感器的發展方向簡析
一. 3D成像和傳感市場
早期的3D成像和傳感技術主要應用于傳統的醫療和工業領域，但市場規模很小，數年來一直維持在1億美元以下。隨著近年來技術不斷取得突破，3D成像和傳感技術已經開始進軍消費電子和汽車電子領域，未來將迎來爆發式的增長。
據最新預計（圖1），3D成像與傳感的全球市場規模將從2017年的21億美元擴大至2023年的185億美元，年復合增長率達到44%。在2017年iPhone X Face ID采用了3D像機的觸發下，未來消費類3D成像和傳感市場將持續成為增長最快、規模最大的領域：從2017至2023年，消費類3D成像和傳感市場的年復合增長率將達到82%，到2023年的市占比將超過七成（圖2）。
圖1 2011~2023年3D成像和傳感市場預測
圖2 2017年和2023年3D成像和傳感細分市場占比
目前在移動消費市場，全球已經建立了完善的3D成像產業鏈（圖3）。由于技術領先，蘋果及其聯盟公司目前牢牢把控3D成像技術，預計Android陣營大規模普及3D成像可能要到2019年。屆時一旦Android智能手機的替代供應鏈就位，3D成像的市場的體量將快速增大。
在中國，諸多手機制造商已經開始布局3D成像技術：小米8探索版中搭載了3D人臉識別技術；OPPO和華為預計今年下半年相關機型也將會搭載3D傳感器。雖然中國在手機應用端已經在全球率先切入3D成像，但是3D成像供應鏈基本都是海外公司，國內供應鏈缺失。由于技術壁壘較高，未來中國廠商很難打進3D成像的供應鏈。
圖3 2018~2023年全球移動消費類3D成像生態鏈
二.
展開 新型“無鏡頭”成像技術：未來智能手機有望變得更加輕薄！
導讀
新加坡南洋理工大學的科學家們開發出一種新型攝像頭技術，無需鏡頭和濾色鏡，就可以拍出清晰的彩色圖像。
背景
傳統的成像系統，例如智能手機和數碼相機，是采用由玻璃或者塑膠制成的透鏡捕捉光線，并將光線引導到濾色鏡和攝像頭傳感器上，從而獲取清晰的彩色圖像。然而為了糾正像差，形成無缺陷、清晰、完整的圖像，鏡頭部分往往需要由一系列的透鏡組合而成。
（圖片來源：維基百科）
（圖片來源：蘋果公司）
這么多的透鏡占據了相對較大的空間，攝像頭成為智能手機等數碼產品身上最凸出的部分，不僅影響產品美觀，同時也容易招致損傷。此外，鏡頭需要經過緊密制造加工，價格也會變得很昂貴。
然而，科技創新為我們燃起了新希望。“無鏡頭”的成像技術，讓我們看到了智能手機和數碼相機等成像設備中的鏡頭被取代的美好前景。接下來，讓我們來看幾個典型案例：
1）日本日立公司開發的完全“無鏡頭”的相機技術，其核心技術點就是采用摩爾紋原理的成像技術，并且在拍攝后調整影像的對焦。
（圖片來源：日立）
2）美國加州理工學院開發的超薄“光學相控陣”（Optical Phased Array），取代原有的透鏡組，處理入射光線并且捕捉圖像。
（圖片來源：加州理工學院）
3）美國萊斯大學開發的“無鏡頭”的超薄熒光顯微鏡“FlatScope”。
（圖片來源：Jeff Fitlow/萊斯大學）
創新
今天，我再為大家介紹一項“無鏡頭”的成像技術。新加坡南洋理工大學（NTU Singapore）的科學家們開發出一種新型攝像頭技術，無需鏡頭和濾色鏡，就可以拍出清晰的彩色圖像。
展開 光譜成像技術如何重塑視覺邊界？
</p><p><strong>二、按光譜分辨率分類</strong></p><p><strong>（1）多光譜成像儀</strong></p><p>獲得的目標物的波段數在3~12之間，光譜分辨率一般在10nm-30nm，主要用于農作物分類等方面。</p><p><strong>（2）高光譜成像儀</strong></p><p>獲得的目標物的波段數在100~200之間，光譜分辨率在10nm左右，被廣泛用于礦物勘探、醫學腫瘤邊界檢測、工業質檢中。</p><p><strong>（3）超光譜成像儀</strong></p><p>獲得的目標物的波段數在1000~10000之間，光譜分辨率在1nm以下，通常用于大氣微粒探測等精細探測領域及實驗室級分子光譜分析中。 </p><p><strong>三、按技術原理分類</strong></p><p><strong>（1）色散型（根據色散原理）</strong></p><p>通過棱鏡或光柵分光，直接分離不同波長的光。<strong>該技術成本低廉，能夠同時對所有波長進行成像，技術比較成熟。但同一時刻只能獲得一條線的影像，光譜分辨率容易受到狹縫寬度的限制，很難做到5nm以下。</strong>通常應用于工業線掃描相機、醫學影像等。
展開 
薩斯喀徹溫大學：基于X射線傳播成像技術的生物打印水凝膠支架的無創3D原位和體內表征
此外，由于當前成像技術的局限性，生物打印水凝膠支架的評估仍然具有挑戰性，但對于支架設計，制造和縱向研究仍然至關重要。
最近，
薩斯喀徹溫大學
Ning Zhu
博士
/
Xiongbiao Chen
教授
團隊
介紹了
團隊
對水凝膠支架的生物打印的研究以及基于
同步加速器傳播的計算機斷層掃描成像（SR-PBI-CT）的新型無創成像方法的發展，以研究水凝膠支架及其結構的特性原位和體內對環境刺激的反應。
通過嚴格的印刷工藝規程成功地對具有
不同結構模式的水凝膠支架進行了生物印刷，然后在生理環境中通過
SR-PBI-CT進行了成像。受到可控壓縮載荷的影響，對支架的結構響應進行了可視化，并根據由壓縮載荷引起的結構變形進行了表征。隨后將水凝膠支架植入大鼠體內，作為SR-PBI-CT成像的神經導管，獲得的圖像說明了其高相襯度，并經過了進一步處理以進行3D結構重建和定量表征。
結果表明，
支架的設計和印刷條件在印刷的支架結構和機械性能中起著重要作用。更重要的是，
團隊
從SR-PBI-CT獲得的圖像使我們能夠以高成像分辨率可視化水凝膠3D結構的細節。
它證明
了該成像技術在多種生理環境中植入前后植入
3D水凝膠結構的非侵入性原位表征的獨特能力。因此，已建立的成像平臺可以用作組織工程中水凝膠支架的設計和縱向研究的可靠，高精度工具。
相關論文以題為
Noninvasive Three-Dimensional In Situ and In Vivo Characterization of Bioprinted Hydrogel Scaffolds Using the X-ray Propagation-Based Imaging Technique
發表在《
ACS Appl. Mater.
展開 前沿進展 | 多焦點光場顯微成像技術
在后續的工作中，研究人員將探索更復雜的相位編碼，進一步優化sLFM的成像性能，推動高質量大范圍活體三維成像技術的發展。
主要作者
戴瓊海，教授，博士生導師。清華大學信息學院院長、中國工程院院士、中國人工智能學會理事長。從人工智能立體視覺、計算成像到腦與認知開展了基礎理論與關鍵技術系列研究，承擔了國家973、重大儀器和基礎科學中心等項目。在Nature, Cell, Nature Biotechnology, Nature Methods, Nature Photonics等發表論文百余篇，培養研究生百余名。獲國家技術發明一等獎、國家科技進步獎二等獎、全國高校黃大年式教師團隊。
季向陽，清華大學自動化系教授，獲國家杰出青年科學基金、國家“萬人計劃”領軍人才、中國青年科技獎等人才獎勵。主要研究方向為光學成像、視覺信號獲取與智能處理等。主持基金委重大科研儀器研制項目“散射場景編碼攝像儀器”、科技部重點研發計劃“無人系統自主智能精準感知與操控”等一系列國家重大科研項目。
展開 紅外成像與微光成像的區別
微光成像技術
微光夜視技術又稱像增強技術，是通過帶像增強管的夜視鏡，對夜天光照亮的微弱目標像進行增強，以供觀察的光電成像技術。微光技術是光電高新技術中的重要組成部分。在微光夜視產品中，圖像增強器是核心器件，利用圖像增強器將夜空中微弱的自然光，如月光、星光、大氣灰光增強幾百倍、幾萬倍達到使人眼能夠進行遠距離觀察的程度。黃綠光是人眼最敏感的波長，因此，這種顏色的熒光屏常常被應用到增像器上。我們在電影電視里看特種部隊進行夜視成像時，夜視鏡頭里的圖景呈現黃綠色就是因為這個原因。
紅外成像技術
紅外夜視技術分為主動紅外夜視技術和被動紅外夜視技術。主動紅外夜視技術是通過主動照射并利用目標反射紅外源的紅外光來實施觀察的夜視技術，對應裝備為主動紅外夜視儀。被動紅外夜視技術是借助于目標自身發射的紅外輻射來實現觀察的紅外技術，它根據目標與背景或目標各部分之間的溫差或熱輻射差來發現目標。其裝備為熱成像儀。現階段監控攝像機裝備的都是主動紅外系統，對被動紅外系統的應用還較少。
微光成像技術優點
微光成像技術之所以被各國軍隊大量應用在夜視上，是因為它的全面性。該技術相比紅外技術，不需要紅外燈發射紅外線、不需要被觀測物體必須有熱量。從而很好的適應軍隊在不同環境下作戰。選擇紅外成像技術，第一得考慮紅外燈的損耗和維護，第二要考慮被觀測物體是否自身含有熱量。而微光成像技術不需要考慮這么多，只需借助自然光即可達成夜視效果。同時，微光夜視儀圖像清晰、體積小、重量輕、價格低、使用和維修方便、不易被電子偵察和干擾，應用范圍廣，這些也是紅外夜視成像不可比擬的。
微光成像技術的缺點
微光成像技術的缺點在于易受周邊環境影響。如怕強光，具有暈光現象。在遇到強光的時候夜視儀無法進行觀測，觀測者會感到眩暈。
展開 多光譜成像+AI系統技術是如何來監測植被的？
蜂巢航宇無人機基于多光譜成像+AI系統技術對植被（包括農作物、經濟作物、草場和森林等）的長勢和病蟲害監測有機動靈活、及時、快速、成本低廉、精確度高的優勢，可以為農林業的信息化和現代化作出貢獻。特別是提供及時準確的作物生長信息有益于合理使用肥料和農藥，直接為改善和保護環境提供幫助。
機器人視覺三維成像技術全解析
摘要
本文針對智能制造領域機器人視覺感知中的三維視覺成像技術進行綜述,系統地總結了一些有代表性的機器人視覺成像方法的特點和實際應用中的局限性,內容涉及飛行時間三維成像、點線掃描三維成像、色散共焦成像、結構光投影三維成像、光學偏折成像、單目與多目立體視覺三維成像和光場成像等。繪制了各種視覺成像的圖譜,并探討了機器人手眼系統最佳三維成像方法。
在工業4.0時代，國家智能制造高速發展，傳統的編程來執行某一動作的機器人已經難以滿足現今的自動化需求。在很多應用場景下，需要為工業機器人安裝一雙眼睛，即機器人視覺成像感知系統，使機器人具備識別、分析、處理等更高級的功能，可以正確對目標場景的狀態進行判斷與分析，做到靈活地自行解決發生的問題。
一、機器視覺系統組成
典型的機器視覺系統可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運動控制部分。基于PC的視覺系統具體由如圖1所示的幾部分組成：
圖1 機器視覺系統組成
①工業相機與工業鏡頭——這部分屬于成像器件，通常的視覺系統都是由一套或者多套這樣的成像系統組成，如果有多路相機，可能由圖像卡切換來獲取圖像數據，也可能由同步控制同時獲取多相機通道的數據。根據應用的需要相機可能是輸出標準的單色視頻（RS-170/CCIR）、復合信號（Y/C）、RGB信號，也可能是非標準的逐行掃描信號、線掃描信號、高分辨率信號等。
②光源——作為輔助成像器件，對成像質量的好壞往往能起到至關重要的作用，各種形狀的LED燈、高頻熒光燈、光纖鹵素燈等都容易得到。
展開 金屬凝固過程組織結構演變的完美呈現 | 同步輻射在金屬材料表征方面的應用
圖8 一幅明場Ti64_900C_HT條件下的STEM圖像，用保留比例的正方形區域呈現Ti、Al、V和Fe面分布規律的EDS能譜圖
雖然同步輻射成像技術極大地促進了合金微觀組織的研究，但由于同步輻射成像技術尚處于發展階段，其在凝固過程中，特別是固態相變中的潛力尚未得到充分發揮。
同步輻射原位成像技術在合金結構研究中具有重要的優勢，將成為材料科學與工程領域一種強有力的技術手段。該技術在非晶和準晶材料的生長動力學以及微裂紋的萌生和擴展研究中也得到了很好的應用。
特別是同步輻射成像技術在三維重建中具有獨特的優勢，傳統的電子顯微鏡分析技術無法實現。因此，同步輻射多維原位成像技術有望成為材料科學與工程領域最有力的技術手段之一。例如，同步輻射技術可以實時觀察合金在高轉速下凝固組織的演變。
參考文獻：
[1] B. Callegari, J.P. Oliveira, K. Aristizabal,R.S. Coelho, P.P. Brito, L. Wu, N. Schell,F.A. Soldera, F. Mücklich, H.C. Pinto.In-situsynchrotron radiation study of the aging response of Ti-6Al-4V alloy with differentstarting microstructures. Materials Characterization 165 (2020) 110400.
[2] Akira Nambu, Akio Yoneyama, DaikohTakamatsu, Kumiko Konishi, Ryuusei Fujita.
展開 重慶大學研究團隊利用高光譜技術實現石質文物的全面“體檢”
本研究通過基于高光譜成像技術的石質文物劣化模式識別方法，為石質文物的保護工作提供了新的技術路徑。通過建立砂巖表面強度預測模型、典型病害智能識別模型和風化病害定量評估方法，研究團隊成功解決了傳統風化病害評估方法中的局限性，大大提高了文物保護的效率和準確性。隨著文物保護工作的深入，基于高光譜成像技術的文物“體檢”方法必將在未來得到更廣泛的應用。
中達瑞和作為一直專注于高光譜成像設備及光譜智能分析平臺的專業品牌，我們致力于將前沿科技轉化為文物保護的實際工具，讓這些無價的文化遺產在歲月的長河中亙古長青，繼續講述屬于它們的故事。
每秒攝10萬億次！加州理工造出世界最快相機，可記錄光的慢動作
這種超高時間分辨率的相機，主要基于一種稱為壓縮超快速攝影（CUP）的技術。這項研究最近發表在 Light: Science & Applications 雜志上。
圖 | 每秒萬億幀的壓縮超快速攝影系統。（來源：魁北克大學國立科學研究院）
近年來，在非線性光學和成像技術的創新為生物學和物理學動態現象的顯微分析提供了高效的方法。但提高這些方法還需要一種能夠在非常短暫的時間內實時成像的技術。
利用當前的成像技術，對超短極光脈沖的測量還需要重復多次，這差不多可以用來測量一些類型的惰性樣品，但對于更脆弱的樣品來說還不夠。例如，激光雕刻玻璃只能容忍一個激光脈沖，留下不到一皮秒的時間來捕獲結果。在這種情況下，成像技術必須能夠實時捕獲整個過程。
CUP 技術是一個很好的起點。可以在一秒內鎖定 1000 億幀圖像。但這種方法還不符合集成飛秒激光器所需的規格。新的 T-CUP 改進了這項技術。該技術基于飛秒條紋相機開發，并采用了在斷層成像技術中使用的數據采集類型，通過計算，研究者可獲得 10 萬億幀圖像。
圖 | 飛秒激光脈沖在 2.5 Tfps 聚焦的實時成像（來源：Light: Science & Applications）
“我們知道，僅使用飛秒條紋相機，圖像質量會受到限制，”加州理工學院醫學工程與電氣工程學院教授、加州理工學院光學成像實驗室主任 Lihong Wang 教授說，“為了改善這一點，我們還添加了另一臺采集靜態圖像的相機。結合飛秒條紋相機獲得的圖像，我們可以通過 Radon 變換來獲得高質量的圖像，每秒鐘可記錄 10 萬億幀。”
T-CUP 創造了實時成像速度的世界紀錄，可促進生物醫學，材料科學和其他應用的新一代顯微鏡性能提高。該相機的時間分辨率使分析光與物質之間的相互作用成為了可能。
展開 南京大學蔣錫群-甄敘團隊系統評述：半導體共軛聚合物光學探針的設計及在自發光成像和光聲成像中的應用
分子成像技術能夠為疾病的早期診斷和治療提供重要的信息。分子成像技術可以通過外源性成像探針或內源性信號在細胞和分子水平對生物體內生理病理學變化過程進行可視化、可量化的表征。相比于傳統的分子成像技術，光學成像技術是一種非侵入性的、高時空分辨率、高靈敏度的非電離輻射成像技術。為了增強光學成像的信噪比和穿透深度，自發光成像(self-luminescence imaging)和光聲成像(photoacoustic imaging, PAI)最近引起越來越多的關注。
自發光成像不需要實時光激發，避免了實時光激發所造成的組織自發熒光，可以提高光學成像的靈敏度和信噪比；光聲成像是一種結合了光學激發和超聲傳播檢測的新型成像技術，其利用脈沖激光激發吸收體，吸收體將吸收的光能轉化成熱量引起局部溫度升高，導致熱膨脹繼而轉化成超聲波，通過超聲傳感器接收產生的超聲波信號，并將信號處理圖像重建形成光聲圖像。聲信號在組織中的散射遠低于光在組織中的散射，因此光聲成像突破了光學成像的穿透深度限制，可以實現更深組織的成像。
由半導體共軛聚合物(semiconducting polymer, SP)組成的半導體共軛聚合物納米材料(semiconducting polymer nanoparticles, SPNs)是一類新興的有機光學探針。電子離域的π共軛體系是SPs 的結構特征，SPNs 的光學性質大多由SPs 的化學結構決定，因此可以通過對SPs的結構進行合理設計來調節其光學性能。迄今為止，SPNs已經被用于開發一系列的光學應用上，例如熒光成像、化學發光成像、長余輝成像、光聲成像、光動力治療和光熱治療。
展開 光刻技術第7期 | 二維與三維矢量成像模型對比-零波像差雙遠心成像
光刻成像模型中x-y坐標系和i-j坐標系示意圖
在二維矢量成像模型中，光瞳面的瓊斯矩陣（二維形式）可以轉換為3×3的矩陣（適配三維分析）：只需借助入瞳側轉換矩陣T?與出瞳側轉換矩陣T?，將這兩個矩陣與瓊斯矩陣依次結合，即可得到對應的三維矩陣。
而這兩個轉換矩陣的參數，由入瞳、出瞳處衍射光的方向余弦決定（比如入瞳的α?、β?、γ?，出瞳的α?、β?、γ?）——這些方向信息是實現二維到三維矩陣轉換的關鍵支撐。
坐標系一致性與矩陣等價條件
?物方坐標系一致性：若光刻成像模型中各級次衍射光從物面到入瞳面的i-j坐標系，與光線追跡中對應光線在第一個面前的i-j坐標系一致，則Oo與To相等；否則不相等。
?像方坐標系一致性：若各級次衍射光從出瞳面到像面的i-j坐標系，與光線追跡中對應光線在最后一個面后的i-j坐標系一致，則Oi與Ti相等；否則不相等。
零像差雙遠心物鏡下的一致性
當采用零像差雙遠心物鏡時，二維矢量成像模型的假設成立：
?成像模型中入瞳面各級衍射光傳播方向與光線追跡中對應光線在第一個面前的傳播方向相同；
?出瞳面各級衍射光傳播方向與光線追跡中對應光線在最后一個面后的傳播方向相同。
因此，成像模型中各級次衍射光在物方和像方的i-j坐標系，與光線追跡中對應光線的i-j坐標系相同，即Oo與To、Oi與Ti相等，三維矢量成像模型和二維矢量成像模型仿真結果相同。
03/先進技術與未來發展方向
1. 先進制程與新光源適配升級
面向3nm及以下節點，開發EUV光刻雙遠心物鏡適配的三維矢量模型，深化極紫外光與遠心偏振光路的耦合作用機制研究。針對高NA雙遠心物鏡（NA>1.5），構建“遠心度-偏振態-深度衍射”多物理量耦合模型，解決超高清三維圖形的成像畸變問題。
展開 光刻技術第8期 | 二維與三維矢量成像模型對比-零波像差非雙遠心成像
當物鏡所成像不在無限遠處時，光線經過出瞳面后，其傳播方向在 z 軸上的方向余弦可以表示為：由橫向方向余弦（kx,ky）推導得出的平方根形式，具體會關聯到像面與出瞳面的位置參數（α?、α?、β?、β?）。
而在偏振光學的計算中，三維偏振光線矩陣與瓊斯矩陣之間，可通過入射光學系統的瓊斯矩陣（J）、入瞳面偏振矩陣（O?）、出瞳面偏振矩陣（O?）的運算來實現轉換。
先進技術與未來發展方向
面向3nm及以下節點，開發EUV非雙遠心適配模型，深化極紫外光與矢量光場耦合機制研究；結合Transformer架構與FPGA加速，實現毫秒級動態光場仿真，搭建數字孿生系統實時調整參數；跨場景拓展：拓展至生物芯片、量子芯片光刻，構建多材質適配模型，支撐全鏈路工藝優化。
展開 