基于电子束剪切干涉的PIE成像技术研究

提出了基于M?llenstedt电子双棱镜的电压扫描剪切干涉全场ptychographic iterative engine(PIE)显微成像技术.从低到高逐步改变电子双棱镜的电压,并同时记录所形成的剪切干涉条纹,待测样品透射电子束的强度和相位分布就可以用PIE算法得以快速重建,而且双棱镜的方向、位置和实际电场强度分布等诸多实验中不可避免地偏差都可以在迭代过程中自动得以更正.所提技术能够克服现阶段用电子束进行PIE成像的诸多技术困扰,从而有望推动PIE技术在电子显微成像领域的发展和应用.     

用于光学显微成像的无像差双二维微机电系统振镜光束扫描方法

光束扫描系统在光学显微成像中扮演着重要的角色,针对现有光束扫描中继系统尺寸、像差较大以及装调精度要求高的问题,提出一种双二维微机电系统（MEMS）振镜光束扫描方法。该方法采用两片二维MEMS振镜进行光束远心扫描,其中,一片MEMS振镜替代传统中继系统中的scan lens和tube lens,避免像差的引入,缩减系统尺寸,最终完成了小型化、结构简单和无像差的光束扫描系统设计。基于该方法构建了小型化共焦扫描显微镜,并对台阶样品进行扫描成像,验证了该方法的可行性。该方法为光学显微成像提供了一种新型的光束扫描手段,可为光学显微成像技术在深空探测、现场检测和生物医学等领域的进一步应用提供一种新的技术途径。     

二维扫描镜像旋特性分析

扫描拼接技术由于原理简单、易于实现而被广泛应用于全景成像系统中,然而该系统中使用的二维扫描镜在工作过程中会引起图像旋转.对二维扫描镜引起的像旋进行特性分析能够指导全景成像系统中像旋校正.假设物理为球面,基于光学反射矢量理论基础对水平扫描和俯仰扫描进行像旋特性分析比较.仿真结果表明二维扫描镜在水平扫描时像旋角与旋转角比例为1∶1,而俯仰扫描不存在比例关系,可以对精确实现光机消像旋提供指导作用.     

太赫兹逆合成孔径雷达相位误差分析和补偿方法

通过对太赫兹逆合成孔径雷达(THz-ISAR)成像原理进行分析,构造目标回波距离维相位误差的多项式表示形式,提出了基于启发式最小熵搜索的二次相位误差校正方法和基于距离维自聚焦的三次及三次以上相位误差校正方法,校正了THz-ISAR回波信号距离维的相位误差,进而消除THz-ISAR一维距离像和二维成像结果中的散焦和展宽现象。理论分析和仿真实验结果都表明该方法能够有效补偿目标回波距离维相位误差,提高一维距离像和二维成像的聚焦效果。     

超光谱成像差分吸收光谱系统烟羽测量研究

研究一种测量污染气体(如SO2,NO2)二维分布的光学遥感方法,即采用超光谱成像差分吸收光谱(DOAS)系统在扫描转台上对污染源排放烟羽进行扫描测量,利用被动差分吸收光谱处理方法对采集到太阳散射光谱进行处理获得柱浓度,结合转台扫描,最终实现污染气体的二维成像解析.着重描述了基于成像差分吸收光谱仪、紫外镜头及扫描转台的超光谱成像差分吸收系统,并利用该系统对热电厂烟羽排放进行了外场测量,该技术为污染源实时成像测量提供了一种简便的方法.     

基于光栅分光法的相干衍射成像

提出一种可以通过单次曝光实现 PIE(ptychographic imaging engine)成像的方法, 该方法用正交光栅将入射细光束衍射为传播方向不同的子光束簇以对样品进行照明, 并用CCD同时记录各个子光束所形成的衍射光斑阵列. 该方法很好地克服了现有PIE方法的成像质量易受机械扫描误差影响和数据采集时间过长两个缺点, 具有很好的实用价值. 关键词： 相干衍射成像 相位恢复 显微成像 迭代算法     

连续太赫兹激光透射扫描成像实验研究

太赫兹成像可用于安检、反恐和工业生产等领域,已成为研究热点。由于连续太赫兹激光源体积较小、操作简单,因此,近几年对连续太赫兹激光成像的研究越来越多。基于C02激光泵浦甲醇气体生成的118．83μm激光,采用室温单元探测器、二维位移平台、聚乙烯透镜、光阑和计算机等器件组成的扫描透射成像系统对物体进行了成像实验,比较分析了扫描步长分别为1mm和0．5mm的成像结果。实验结果表明,由于增加光阑,实际成像功率下降,但此套成像系统在激光输出功率约为20mW时,仍成像清晰,且步长为0．5mm的成像效果更好。     

相干X射线衍射成像技术及在材料学和生物学中的应用

无损获取高分辨率、高衬度微纳米材料结构图像,并能够原位、定量分析是X射线成像技术发展方向之一.最新发展起来的相干X射线衍射成像技术,也称为无透镜成像技术,为实现这一目标提供了可能.本文介绍了相干X射线衍射成像技术的成像原理和发展过程,以及在材料学和生物学中的一些典型应用和最新进展,例如掺杂铋元素在硅晶体中的分布成像,GaN量子点壳层结构的三维高分辨成像,染色大肠杆菌的二维成像,鱼骨的二维成像及矿化机理研究,单个未染色疱疹病毒的二维高衬度成像,未染色酵母菌细胞的三维高分辨成像及原位定量分析.最后对相干X射线衍射成像技术的发展方向做了展望.随着X射线自由电子激光的应用和冷冻技术与相干X射线衍射成像技术的结合,相干X射线衍射成像技术将得到快速的发展和广泛的应用.     

光学扫描全息术研究进展

光学成像技术极大地拓展了人类的视觉极限,提高了人们观察和理解现实世界的能力。越多地获得目标的光学信息,对其的认识越充分。数字全息术是一种可以将样本的三维信息以二维全息图的形式编码记录下来的一种成像技术。通过获得由携带物体信息的物光波和参考光波叠加产生的干涉图案,可以以数字化的方式实现多种重建模态,例如图像恢复、相位成像和切片成像等。光学扫描全息术是一种独特的数字全息成像技术,通过主动式二维化扫描对三维物体进行成像,其完整的波前信息可以被单像素探测器记录,并基于光外差检测进行信号解调,从而恢复出复数全息图。对光学扫描全息术的最新进展进行介绍。首先,基于双光瞳成像系统,通过特殊的硬件和算法设计,提高光学成像系统的性能,如提高空间分辨率、缩短扫描时间。其次,基于计算成像原理,通过改进和优化全息像重建算法,实现高质量的图像恢复,主要涉及切片成像和三维成像等重建模态。第三,介绍光学扫描全息术的其他研究方向,并讨论该领域未来可能的发展方向。     

基于成像矩阵的物数据求解方法

提出了一种利用成像矩阵求解物数据的方法。通过对物、像矩阵的一维化处理，构建了二维成像矩阵，将物矩阵卷积点扩散函数矩阵得到像矩阵的卷积运算关系转变为物向量乘以成像矩阵进而得到像向量的乘积运算关系。最后将像向量乘以成像逆矩阵便可求解物向量，实现了从光学系统像数据中对物数据的精确求解，且计算误差为10-12量级。     

Phase imaging with rotating illumination

A modified extended-ptychographical-iterative-engine （ePIE） algorithm is proposed to overcome the dis- advantages of ePIE technique and reduce the influence of stage hysteresis or backlash error. The exit wave of a rotatable ＂screen＂ illuminated by plane wave is used as the illumination on the specimen, and the complex transmission functions of the rotatable object and specimen can be simultaneously reconstructed. Compared with the standard x - y scanning PIE algorithm, the proposed algorithm can completely avoid the influence of stage hysteresis （or backlash error）. The proposed algorithm also has higher convergence s!oeed and better accuracy than the standard PIE algorithm.     

菲涅耳望远镜合成孔径激光成像雷达实验室验证

对菲涅耳望远镜合成孔径激光成像雷达进行了实验室尺度条件下的原理验证实验。实验中利用不同曲率半径、垂直正交偏振的两个球面波通过二维(2D)扫描方式照明远距离处的目标,接收望远镜接收到的目标回波经过偏振分光镜分成两束作为信号光和本振光进入2×4 90°桥接器,桥接器输出的四路光信号被两个平衡探测器接收,平衡探测器输出电信号经模数转换后经过复数化、两维相位二次项匹配滤波算法处理后可以重构出目标图像。对4.3m处点目标和2D面目标进行了成像实验,取得了具有良好成像分辨率和对比度且带有散斑效应的预期成像结果,证明了该合成成像激光雷达概念的正确性。     

非相干照明条件下的ptychographic iterative engine成像技术

在传统多波长相干衍射成像理论的基础上提出适用于 X-射线和电子束等非相干光源照明成像的改进多波长ptychographic iterative engine 方法, 同时将小孔形状和照明光谱信息用于叠代计算, 可以在非相干照明条件下精确重建出物体的强度透射像和相位透射像, 并对光源带宽对重建精度的影响进行了分析, 对于解决如何在非相干照明条件下对大尺寸物体进行精确相位成像的问题具有较好的科研和实用价值.     

质子照相中基于能量损失的密度重建

提出了一种质子能量在中高能时利用能量损失进行密度重建的方法，并利用Bethe-Bolch公式给出了利用能量损失进行密度重建的方程及条件.针对1.6 GeV的质子能量，通过定量计算常见材料的阻止本领，得出质子能量在1.45–1.6 GeV范围内时，材料的阻止本领的变化率小于1%，可近似为常数.最后，通过理论计算和Geant 4模拟，得出质子能量在1.6 GeV时，可以对面密度为113 g/cm²的缩比法国实验客体进行密度重建.     

基于FP微阵列的压缩感知光谱重建研究

针对现有星载扫描光谱成像中无法同时实现高通量、高光谱分辨率的问题,提出采用法布里珀罗（FP）微阵列与压缩感知光谱成像方法。该方法通过在成像探测器前加FP微阵列,FP微阵列调制器每一单元对应不同高度,进而对输入光信号进行调制得到不同的光谱响应。结合扫描和压缩感知复原算法,最终获得高光谱图像数据立方体。该系统光谱范围为400 nm～700 nm,光谱通道数高达700个。通过仿真激光入射光谱与压缩感知重构光谱进行对比,仿真均方误差（MSE）为0.002。此外,通过实验对两个不同颜色的单色光光谱进行重构,实验结果与标准光谱仪测得的光谱基本一致,验证了该方法光谱重构的可行性。该方法可广泛应用于高通量、高光谱星载或扫描光谱成像测量中。     

Motion predicted online dynamic MRI reconstruction from partially sampled k-space data

In this work we address the problem of reconstructing dynamic MRI sequences in an online fashion, i.e. reconstructing the current frame given that the previous frames have been already reconstructed. The reconstruction consists of a prediction and a correction step. The prediction step is based on an Auto-Regressive AR(1) model. Assuming that the prediction is good, the difference between the predicted frame and the actual frame (to be reconstructed) will be sparse. In the correction step, the difference between the predicted frame and the actual frame is estimated from partially sampled K-space data via a sparsity promoting least squares minimization problem. We have compared the proposed method with state-of-the-art methods in online dynamic MRI reconstruction. The experiments have been carried out on 2D and 3D Dynamic Contrast Enhanced (DCE) MRI datasets. Results show that our method yields the least reconstruction error.     

Cardiac-induced physiological noise in 3D gradient echo brain imaging: effect of k-space sampling scheme

The physiological noise in 3D image acquisition is shown to depend strongly on the sampling scheme. Five sampling schemes are considered: Linear, Centric, Segmented, Random and Tuned. Tuned acquisition means that data acquisition at k-space positions k and -k are separated with a specific time interval. We model physiological noise as a periodic temporal oscillation with arbitrary spatial amplitude in the physical object and develop a general framework to describe how this is rendered in the reconstructed image. Reconstructed noise can be decomposed in one component that is in phase with the signal (parallel) and one that is 90° out of phase (orthogonal). Only the former has a significant influence on the magnitude of the signal. The study focuses on fMRI using 3D EPI. Each k-space plane is acquired in a single shot in a time much shorter than the period of the physiological noise. The above mentioned sampling schemes are applied in the slow k-space direction and noise propagates almost exclusively in this direction. The problem then, is effectively one-dimensional. Numerical simulations and analytical expressions are presented. 3D noise measurements and 2D measurements with high temporal resolution are conducted. The measurements are performed under breath-hold to isolate the effect of cardiac-induced pulsatile motion. We compare the time-course stability of the sampling schemes and the extent to which noise propagates from a localized source into other parts of the imaging volume. Tuned and Linear acquisitions perform better than Centric, Segmented and Random.     

Piecewise spectrally band-pass for compressive coded aperture spectral imaging

Coded aperture snapshot spectral imaging(CASSI) has been discussed in recent years. It has the remarkable advantages of high optical throughput, snapshot imaging, etc. The entire spatial-spectral data-cube can be reconstructed with just a single two-dimensional(2D) compressive sensing measurement. On the other hand, for less spectrally sparse scenes,the insufficiency of sparse sampling and aliasing in spatial-spectral images reduce the accuracy of reconstructed threedimensional(3D) spectral cube. To solve this problem, this paper extends the improved CASSI. A band-pass filter array is mounted on the coded mask, and then the first image plane is divided into some continuous spectral sub-band areas. The entire 3D spectral cube could be captured by the relative movement between the object and the instrument. The principle analysis and imaging simulation are presented. Compared with peak signal-to-noise ratio(PSNR) and the information entropy of the reconstructed images at different numbers of spectral sub-band areas, the reconstructed 3D spectral cube reveals an observable improvement in the reconstruction fidelity, with an increase in the number of the sub-bands and a simultaneous decrease in the number of spectral channels of each sub-band.