本书章节介绍了如何利用散射光场中的光谱相关性来进行高精度的飞行时间感测。本章应作为温和的介绍，旨在用于计算成像科学家和新手合成波长成像主题的学生。技术细节（例如检测器或光源规格）将在很大程度上省略。取而代之的是，不同方法之间的相似性将被强调“绘制更大的图景”。

We present a novel single-shot interferometric ToF camera targeted for precise 3D measurements of dynamic objects. The camera concept is based on Synthetic Wavelength Interferometry, a technique that allows retrieval of depth maps of objects with optically rough surfaces at submillimeter depth precision. In contrast to conventional ToF cameras, our device uses only off-the-shelf CCD/CMOS detectors and works at their native chip resolution (as of today, theoretically up to 20 Mp and beyond). Moreover, we can obtain a full 3D model of the object in single-shot, meaning that no temporal sequence of exposures or temporal illumination modulation (such as amplitude or frequency modulation) is necessary, which makes our camera robust against object motion. In this paper, we introduce the novel camera concept and show first measurements that demonstrate the capabilities of our system. We present 3D measurements of small (cm-sized) objects with > 2 Mp point cloud resolution (the resolution of our used detector) and up to sub-mm depth precision. We also report a "single-shot 3D video" acquisition and a first single-shot "Non-Line-of-Sight" measurement. Our technique has great potential for high-precision applications with dynamic object movement, e.g., in AR/VR, industrial inspection, medical imaging, and imaging through scattering media like fog or human tissue.

作为一种引起巨大关注的新兴技术，通过分析继电器表面上的漫反射来重建隐藏物体的非视线（NLOS）成像，具有广泛的应用前景，在自主驾驶，医学成像和医学成像领域防御。尽管信噪比低（SNR）和高不良效率的挑战，但近年来，NLOS成像已迅速发展。大多数当前的NLOS成像技术使用传统的物理模型，通过主动或被动照明构建成像模型，并使用重建算法来恢复隐藏场景。此外，NLOS成像的深度学习算法最近也得到了很多关注。本文介绍了常规和深度学习的NLOS成像技术的全面概述。此外，我们还调查了新的拟议的NLOS场景，并讨论了现有技术的挑战和前景。这样的调查可以帮助读者概述不同类型的NLOS成像，从而加速了在角落周围看到的发展。

通过动态散射介质进行非侵入性光学成像具有许多重要的生物医学应用，但仍然是一项艰巨的任务。尽管标准弥漫成像方法测量光吸收或荧光发射，但也良好的是，散射的相干光的时间相关性通过组织像光强度一样扩散。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度组织视频重建。在这项工作中，我们利用单光子雪崩二极管（SPAD）阵列摄像机同时监视单photon水平的斑点波动的时间动力学，从12种不同的幻影组织通过定制的纤维束阵列传递的位置。然后，我们应用深度神经网络将所获得的单光子测量值转换为迅速去摩擦组织幻像下散射动力学的视频。我们证明了重建瞬态（0.1-0.4s）动态事件的图像的能力，该动态事件发生在非相关的组织幻影下，并以毫米级分辨率进行重构，并突出显示我们的模型如何灵活地扩展到埋藏的phantom船只内的流速。

神经网络可以表示和准确地重建静态3D场景的辐射场（例如，NERF）。有几种作品将这些功能扩展到用单眼视频捕获的动态场景，具有很有希望的性能。然而，已知单眼设置是一个受限制的问题，因此方法依赖于数据驱动的前导者来重建动态内容。我们用飞行时间（TOF）相机的测量来替换这些前沿，并根据连续波TOF相机的图像形成模型引入神经表示。我们而不是使用加工的深度映射，我们模拟了原始的TOF传感器测量，以改善重建质量，避免低反射区域，多路径干扰和传感器的明确深度范围的问题。我们表明，这种方法改善了动态场景重建对错误校准和大型运动的鲁棒性，并讨论了现在可在现代智能手机上提供的RGB + TOF传感器的好处和限制。

信号处理是几乎任何传感器系统的基本组件，具有不同科学学科的广泛应用。时间序列数据，图像和视频序列包括可以增强和分析信息提取和量化的代表性形式的信号。人工智能和机器学习的最近进步正在转向智能，数据驱动，信号处理的研究。该路线图呈现了最先进的方法和应用程序的关键概述，旨在突出未来的挑战和对下一代测量系统的研究机会。它涵盖了广泛的主题，从基础到工业研究，以简明的主题部分组织，反映了每个研究领域的当前和未来发展的趋势和影响。此外，它为研究人员和资助机构提供了识别新前景的指导。

飞行时间（TOF）传感器提供了一种成像模型加油，包括自主驾驶，机器人和增强现实的激光雷达。传统的TOF成像方法通过将光的脉冲发送到场景中并测量直接从场景表面反射的第一到达光子的TOF而没有任何时间延迟来估计深度。因此，在该第一响应之后的所有光子通常被认为是不需要的噪声。在本文中，我们通过使用第一到达光子的原理来涉及全光子TOF成像方法来结合第一和​​后退光子的时间 - 极化分析，这具有关于其几何和材料的丰富现场信息。为此，我们提出了一种新的时间 - 偏振反射模型，一种有效的捕获方法和重建方法，其利用由表面和子表面反射反射的光的时间 - 极性变化。所提出的全光子偏振子TOF成像方法允许通过利用系统捕获的所有光子来获取场景的深度，表面法线和材料参数，而传统的TOF成像仅从第一到达光子获得粗糙的深度。我们使用原型验证我们的模拟方法和实验。

在部署非视线（NLOS）成像系统中，越来越兴趣，以恢复障碍物背后的物体。现有解决方案通常在扫描隐藏对象之前预先校准系统。在封堵器，对象和扫描模式的现场调整需要重新校准。我们提出了一种在线校准技术，直接将所获取的瞬态扫描到LOS和隐藏组件中的所获取的瞬态耦合。我们使用前者直接（RE）在场景/障碍配置，扫描区域和扫描模式的变化时校准系统，而后者通过空间，频率或基于学习的技术恢复后者。我们的技术避免使用辅助校准设备，例如镜子或棋盘，并支持实验室验证和现实世界部署。

Control of light through a microscope objective with a high numerical aperture is a common requirement in applications such as optogenetics, adaptive optics, or laser processing. Light propagation, including polarization effects, can be described under these conditions using the Debye-Wolf diffraction integral. Here, we take advantage of differentiable optimization and machine learning for efficiently optimizing the Debye-Wolf integral for such applications. For light shaping we show that this optimization approach is suitable for engineering arbitrary three-dimensional point spread functions in a two-photon microscope. For differentiable model-based adaptive optics (DAO), the developed method can find aberration corrections with intrinsic image features, for example neurons labeled with genetically encoded calcium indicators, without requiring guide stars. Using computational modeling we further discuss the range of spatial frequencies and magnitudes of aberrations which can be corrected with this approach.

Multispectral imaging has been used for numerous applications in e.g., environmental monitoring, aerospace, defense, and biomedicine. Here, we present a diffractive optical network-based multispectral imaging system trained using deep learning to create a virtual spectral filter array at the output image field-of-view. This diffractive multispectral imager performs spatially-coherent imaging over a large spectrum, and at the same time, routes a pre-determined set of spectral channels onto an array of pixels at the output plane, converting a monochrome focal plane array or image sensor into a multispectral imaging device without any spectral filters or image recovery algorithms. Furthermore, the spectral responsivity of this diffractive multispectral imager is not sensitive to input polarization states. Through numerical simulations, we present different diffractive network designs that achieve snapshot multispectral imaging with 4, 9 and 16 unique spectral bands within the visible spectrum, based on passive spatially-structured diffractive surfaces, with a compact design that axially spans ~72 times the mean wavelength of the spectral band of interest. Moreover, we experimentally demonstrate a diffractive multispectral imager based on a 3D-printed diffractive network that creates at its output image plane a spatially-repeating virtual spectral filter array with 2x2=4 unique bands at terahertz spectrum. Due to their compact form factor and computation-free, power-efficient and polarization-insensitive forward operation, diffractive multispectral imagers can be transformative for various imaging and sensing applications and be used at different parts of the electromagnetic spectrum where high-density and wide-area multispectral pixel arrays are not widely available.

计算光学成像（COI）系统利用其设置中的光学编码元素（CE）在单个或多个快照中编码高维场景，并使用计算算法对其进行解码。 COI系统的性能很大程度上取决于其主要组件的设计：CE模式和用于执行给定任务的计算方法。常规方法依赖于随机模式或分析设计来设置CE的分布。但是，深神经网络（DNNS）的可用数据和算法功能已在CE数据驱动的设计中开辟了新的地平线，该设计共同考虑了光学编码器和计算解码器。具体而言，通过通过完全可区分的图像形成模型对COI测量进行建模，该模型考虑了基于物理的光及其与CES的相互作用，可以在端到端优化定义CE和计算解码器的参数和计算解码器（e2e）方式。此外，通过在同一框架中仅优化CE，可以从纯光学器件中执行推理任务。这项工作调查了CE数据驱动设计的最新进展，并提供了有关如何参数化不同光学元素以将其包括在E2E框架中的指南。由于E2E框架可以通过更改损耗功能和DNN来处理不同的推理应用程序，因此我们提出低级任务，例如光谱成像重建或高级任务，例如使用基于任务的光学光学体系结构来增强隐私的姿势估计，以维护姿势估算。最后，我们说明了使用全镜DNN以光速执行的分类和3D对象识别应用程序。

椭圆测量技术允许测量材料的极化信息，需要具有不同灯和传感器配置的光学组件的精确旋转。这会导致繁琐的捕获设备，在实验室条件下仔细校准，并且在很长的获取时间，通常按照每个物体几天的顺序。最近的技术允许捕获偏振偏光的反射率信息，但仅限于单个视图，或涵盖所有视图方向，但仅限于单个均匀材料制成的球形对象。我们提出了稀疏椭圆测量法，这是一种便携式偏光获取方法，同时同时捕获极化SVBRDF和3D形状。我们的手持设备由现成的固定光学组件组成。每个物体的总收购时间在二十分钟之间变化，而不是天数。我们开发了一个完整的极化SVBRDF模型，其中包括分散和镜面成分以及单个散射，并通过生成模型来设计一种新型的极化逆渲染算法，并通过数据增强镜面反射样品的数据增强。我们的结果表明，与现实世界对象捕获的极化BRDF的最新基础数据集有很强的一致性。

低成本毫米波（MMWAVE）通信和雷达设备的商业可用性开始提高消费市场中这种技术的渗透，为第五代（5G）的大规模和致密的部署铺平了道路（5G） - 而且以及6G网络。同时，普遍存在MMWAVE访问将使设备定位和无设备的感测，以前所未有的精度，特别是对于Sub-6 GHz商业级设备。本文使用MMWAVE通信和雷达设备在基于设备的定位和无设备感应中进行了现有技术的调查，重点是室内部署。我们首先概述关于MMWAVE信号传播和系统设计的关键概念。然后，我们提供了MMWaves启用的本地化和感应方法和算法的详细说明。我们考虑了在我们的分析中的几个方面，包括每个工作的主要目标，技术和性能，每个研究是否达到了一定程度的实现，并且该硬件平台用于此目的。我们通过讨论消费者级设备的更好算法，密集部署的数据融合方法以及机器学习方法的受过教育应用是有前途，相关和及时的研究方向的结论。

Ever since the first microscope by Zacharias Janssen in the late 16th century, scientists have been inventing new types of microscopes for various tasks. Inventing a novel architecture demands years, if not decades, worth of scientific experience and creativity. In this work, we introduce Differentiable Microscopy ($\partial\mu$), a deep learning-based design paradigm, to aid scientists design new interpretable microscope architectures. Differentiable microscopy first models a common physics-based optical system however with trainable optical elements at key locations on the optical path. Using pre-acquired data, we then train the model end-to-end for a task of interest. The learnt design proposal can then be simplified by interpreting the learnt optical elements. As a first demonstration, based on the optical 4-$f$ system, we present an all-optical quantitative phase microscope (QPM) design that requires no computational post-reconstruction. A follow-up literature survey suggested that the learnt architecture is similar to the generalized phase contrast method developed two decades ago. Our extensive experiments on multiple datasets that include biological samples show that our learnt all-optical QPM designs consistently outperform existing methods. We experimentally verify the functionality of the optical 4-$f$ system based QPM design using a spatial light modulator. Furthermore, we also demonstrate that similar results can be achieved by an uninterpretable learning based method, namely diffractive deep neural networks (D2NN). The proposed differentiable microscopy framework supplements the creative process of designing new optical systems and would perhaps lead to unconventional but better optical designs.

Lensless cameras are a class of imaging devices that shrink the physical dimensions to the very close vicinity of the image sensor by replacing conventional compound lenses with integrated flat optics and computational algorithms. Here we report a diffractive lensless camera with spatially-coded Voronoi-Fresnel phase to achieve superior image quality. We propose a design principle of maximizing the acquired information in optics to facilitate the computational reconstruction. By introducing an easy-to-optimize Fourier domain metric, Modulation Transfer Function volume (MTFv), which is related to the Strehl ratio, we devise an optimization framework to guide the optimization of the diffractive optical element. The resulting Voronoi-Fresnel phase features an irregular array of quasi-Centroidal Voronoi cells containing a base first-order Fresnel phase function. We demonstrate and verify the imaging performance for photography applications with a prototype Voronoi-Fresnel lensless camera on a 1.6-megapixel image sensor in various illumination conditions. Results show that the proposed design outperforms existing lensless cameras, and could benefit the development of compact imaging systems that work in extreme physical conditions.

自动化驾驶系统（广告）开辟了汽车行业的新领域，为未来的运输提供了更高的效率和舒适体验的新可能性。然而，在恶劣天气条件下的自主驾驶已经存在，使自动车辆（AVS）长时间保持自主车辆（AVS）或更高的自主权。本文评估了天气在分析和统计方式中为广告传感器带来的影响和挑战，并对恶劣天气条件进行了解决方案。彻底报道了关于对每种天气的感知增强的最先进技术。外部辅助解决方案如V2X技术，当前可用的数据集，模拟器和天气腔室的实验设施中的天气条件覆盖范围明显。通过指出各种主要天气问题，自主驾驶场目前正在面临，近年来审查硬件和计算机科学解决方案，这项调查概述了在不利的天气驾驶条件方面的障碍和方向的障碍和方向。

可以使用X射线自由电子激光器的强脉冲和短脉冲直接通过单次相干衍射成像直接观察到自由飞行中孤立的纳米样品的结构和动力学。广角散射图像甚至编码样品的三维形态信息，但是该信息的检索仍然是一个挑战。到目前为止，只有通过与高度约束模型拟合，需要对单镜头实现有效的三维形态重建，这需要有关可能的几何形状的先验知识。在这里，我们提出了一种更通用的成像方法。依赖于允许凸多面体描述的任何样品形态的模型，我们从单个银纳米颗粒中重建广角衍射模式。除了具有高对称性的已知结构动机外，我们还检索了以前无法访问的不完美形状和聚集物。我们的结果为单个纳米颗粒的真实3D结构确定以及最终的超快纳米级动力学的3D电影开辟了新的途径。

传感器是将物理参数或环境特征（例如温度，距离，速度等）转换为可以通过数字测量和处理以执行特定任务的信号的设备。移动机器人需要传感器来测量其环境的属性，从而允许安全导航，复杂的感知和相应的动作以及与填充环境的其他代理的有效相互作用。移动机器人使用的传感器范围从简单的触觉传感器（例如保险杠）到复杂的基于视觉的传感器，例如结构化灯相机。所有这些都提供了可以由机器人计算机处理的数字输出（例如，字符串，一组值，矩阵等）。通常通过使用传感器中包含的数字转换器（ADC）的类似物来离散一个或多个模拟电信号来获得此类输出。在本章中，我们介绍了移动机器人技术中最常见的传感器，并提供了其分类法，基本特征和规格的介绍。对功能和应用程序类型的描述遵循一种自下而上的方法：在描述现实世界传感器之前，介绍了传感器所基于的基本原理和组件，这些传感器通常基于多种技术和基本设备。

我们提出了使用镜面多声激光雷达返回的方法来检测和映射镜面表面，这些表面可能是依赖直接单刻钟返回的常规LIDAR系统看不见的。我们得出将这些多声音返回的时间和到达的表达式与镜面表面上的散射点相关联，然后使用这些表达式来制定技术以检索镜面几何时，当场景被单光束扫描或照亮时带有多光束闪光灯。我们还考虑了透明的镜面表面的特殊情况，可以将表面反射与散布在表面后面的物体上的光混合在一起。

随着Terahertz（THZ）信号产生和辐射方法的最新进展，关节通信和传感应用正在塑造无线系统的未来。为此，预计将在用户设备设备上携带THZ光谱，以识别感兴趣的材料和气态组件。 THZ特异性的信号处理技术应补充这种对THZ感应的重新兴趣，以有效利用THZ频带。在本文中，我们介绍了这些技术的概述，重点是信号预处理（标准的正常差异归一化，最小值 - 最大归一化和Savitzky-Golay滤波），功能提取（主成分分析，部分最小二乘，t，T，T部分，t部分，t部分正方形，T - 分布的随机邻居嵌入和非负矩阵分解）和分类技术（支持向量机器，k-nearest邻居，判别分析和天真的贝叶斯）。我们还通过探索他们在THZ频段的有希望的传感能力来解决深度学习技术的有效性。最后，我们研究了在联合通信和传感的背景下，研究方法的性能和复杂性权衡；我们激励相应的用例，并在该领域提供未来的研究方向。