小孔扫描傅里叶叠层成像的关键参量研究

小孔扫描傅里叶叠层成像术已在三维全息重聚焦和超分辨宏观成像领域显示出巨大的潜力。对小孔扫描傅里叶叠层成像技术的关键参量对光场恢复质量的影响进行了研究,根据小孔扫描傅里叶叠层成像的迭代算法,通过仿真实验研究了小孔的交叠率和孔径大小对光场恢复质量的影响。仿真结果表明:在相同孔径情况下,小孔交叠率存在一个阈值,当交叠率大于该阈值时,光场恢复质量随交叠率增大而显著提高;在相同交叠率情况下小孔孔径越小光场恢复质量越高。该研究成果对小孔扫描傅里叶叠层成像术在进一步应用中的参数优化能起到一定程度的理论指导作用。     

基于非均匀快速傅里叶变换的干涉合成孔径显微算法

在频域光学相干层析(SDOCT)系统中,样品仅在焦深范围内有高横向分辨率,在焦外分辨率降低。干涉合成孔径显微术(ISAM)是一种三维图像重构算法,可以改善离焦区的图像模糊状况,达到在所有成像深度中都可以获得焦平面处横向分辨率的效果,同时可以解决SDOCT中系统的横向分辨率和成像深度之间的矛盾。介绍了ISAM重构算法的原理和适用的范围,对比分析了传统SDOCT成像算法和经过ISAM重构算法处理的成像图像结果。将非均匀快速傅里叶变换引入ISAM算法,实验结果表明该方法极大地节省了运算时间,提升了实时成像高分辨率SDOCT系统的性能。     

基于观察矩阵的频域光学相干层析成像图像重构算法

频域光学相干层析成像技术是一种新型的医学成像技术,其传统的图像重构算法主要是基于傅里叶变换。但这种重构算法的主要缺陷在于其纵向分辨率随着深度位置的变化而明显下降。为了使频域光学相干层析成像系统的纵向分辨率在整个成像深度内基本保持不变,提出了一种基于观察矩阵的图像重构法,并用该法重构了平面镜以及皮肤信号。结果表明,这种图像重构法能够使频域光学相干层析成像系统保持纵向分辨率不变。与文献报道相比,这种方法在保持系统简单性的同时,还保持了高的纵向分辨率,并在成像深度范围内使得纵向分辨率基本保持不变。     

模拟退火算法色差校正的傅里叶叠层显微彩色成像技术

提出一种基于模拟退火算法的自动聚焦方法,可以分别重建三种照明色光的高分辨率图像,从而实现高分辨率彩色图像的构建。模拟仿真和分辨率靶及生物切片样品实验结果均表明,即使色差较严重的显微系统,利用该方法也能准确地获得高分辨率彩色图像,极大降低了对显微镜的性能要求,扩展了傅里叶叠层彩色成像的适用范围。     

对称照明在傅里叶叠层成像中的应用

傅里叶叠层成像技术是一种全新的能够恢复出大视场下高分辨率图像的技术,而较长的采样时间限制了傅里叶叠层成像的实际应用.本文阐述了一种利用对称照明提高傅里叶叠层成像速度的方法,研究了傅里叶叠层成像在空域和频域上的对称性,指出在不考虑相位的情况下,利用对称照明可提高照明强度,减少傅里叶叠层成像所需要的图像数,同时可以提高傅里叶叠层成像图像重建的速度.实验表明使用对称照明可以在不改变算法复杂性的前提下,得到与传统傅里叶叠层成像同样的高分辨率,且所需的图像数减少约50%,采样时间减少约70%,图像重建时间减少约50%.基于对称照明的方法将促进傅里叶叠层成像技术在实时成像中的应用.     

基于单元件干涉仪的计算机断层扫描重建光纤三维折射率分布

提出了一种基于单元件干涉仪的计算机断层扫描方案,用于测量光纤三维折射率分布。该单元件干涉仪基于显微成像的原理,提高了系统的横向分辨率。利用快速傅里叶变换提取相位,采用滤波反投影算法重建了光纤的折射率分布。搭建了实验测量装置,实际测量了单模和多模光纤的折射率分布。结果表明,提供的方法可以简单快速地得到全光场数据,同时具有无损和非接触的优点,并且光路结构紧凑稳定,可为计算机断层扫描设备的小型化提供一种新的思路。     

基于超广角成像的粗糙面反射光场测量方法

针对目前“扫描式”反射光场测量系统依赖复杂机械装置、测量效率低以及“照相式”反射光场测量系统测量角度范围小等问题,提出一种基于超广角成像的粗糙面反射光场测量方法。分析了粗糙面反射光场测量原理,优化设计了折反射超广角成像光学系统,实现了天顶角范围0～54°的周视反射光场测量;校准了反射光场测量系统的空间关系与光场强度,校准后反射光场测量最大相对误差为4.12%,周视反射光场测量平均相对误差最大为2.06%;通过模拟Labsphere Permaflect-80漫反射板、WhiteOptics-DF60漫反射板和美国ACA镜面铝板3种粗糙面的反射光场测量结果,证明了所提表面反射光场测量方法的可行性,丰富了粗糙表面反射光场的测量手段,为对材料表面光学反射特性与损伤等的测量、模拟与重构提供了研究基础与技术支撑。     

含镜面反射面形的傅里叶变换轮廓术

对于反射光含镜面反射的物体而言,由于镜面反射的存在,将会导致图像中存在许多的高亮区。因为镜面反射光强相对较强,因此图像中高亮区镜面反射光会不可避免地掩盖漫反射光场分布中的相位信息,从而导致错误的三维面形测量。从分析傅里叶变换轮廓术中光场的偏振特性出发,利用光学器件的滤光作用,结合现有傅里叶变换轮廓术和Phong光照模型,实现了含镜面反射的物体面形的三维测量。理论分析与实验结果均证明了镜面反射将影响调制光场的高度分布,并且还证明了提出的测量方法可有效消除投影光源造成的高反光区域,极大地扩展了傅里叶变换轮廓术的测量领域。     

厚样品三维叠层衍射成像的实验研究

叠层衍射成像是一种新兴的无透镜成像技术,目前限制这项技术发展的是光束透过样品时的乘法近似假设,这意味着在可见光域微米级分辨率下,叠层衍射成像的样品厚度不能超过数十微米.通过将样品沿轴多层切片的方式,在模拟实验和光学实验中均实现了对毫米量级厚样品的三维叠层衍射成像.模拟实验结果表明,单波长并不能很好地恢复三维厚样品,从而有必要引入多波长光束照明,随着波长数量的增加,三维厚样品的复原质量不断提高.光学实验使用两组不同厚度的样品进行实验验证,进一步研究了波长数量对复原结果的影响.随着波长数量增加,复原图像质量不断提高,证明了模拟实验的结论.利用所建光学实验装置,在三波长照明条件下取得了最好的成像与分离效果.同时针对实验中出现的叠影现象做出了合理的解释.研究结果对提高厚样品三维叠层衍射成像的质量具有现实意义.     

基于凸优化的傅里叶叠层成像技术研究

在傅里叶叠层成像（FPM）过程中采集的低分辨率图像会对重建图像质量产生直接影响,已有的研究提出用图像超分辨率重建技术和对低分辨率图像进行传统去噪处理的方法来解决该问题,但超分辨率重建的方法需要采集大量的原始图像,会加大采集端的时间损耗,而传统去噪算法会造成原始信息丢失,严重影响重构图像质量。因此论文引入凸优化算法,噪声图像的恢复可以通过求解一个凸优化模型来实现,并用迭代收缩阈值算法来求解该模型,算法中采用Barzilai-Borwein（BB）规则在每次迭代时初始化线搜索步长,加快收敛速度,选用软阈值函数,使图像去噪时原始信息丢失减少,最终重构图像的PSNR为27.634 6 dB,SSIM为0.926 1,所需处理时间为5.850 s,因此基于凸优化的傅里叶叠层成像技术具有时间损耗不大的情况下提高重构图像质量的优点。     

二值条纹高速离焦投影的旋转风扇面形测量

傅里叶变化轮廓术将结构光投影与傅里叶条纹分析相结合,只需一帧变形条纹就可以重建被测物体三维面形,是动态三维面形测量中的首选。选择最适用于傅里叶变换轮廓术测量系统的二值条纹编码方法,对二值化后的正弦条纹进行离焦投影,既克服了普通商用数字投影仪的刷新频率限制和非线性响应影响,又能充分利用光学成像系统的低通滤波特性获得很好的高速正弦光场。设计搭建了一套高速离焦投影条纹并同步采集的三维面形测量系统,利用该测量系统对高速旋转的散热器风扇进行测量,得到任意采样时刻风扇扇叶的三维面形信息,重建完整的风扇转动过程。能进一步分析散热器风扇扇叶在高速转动过程中的形变,为散热器风扇材料选择以及改善其性能提供可靠的测量技术方案与原始数据,有效地拓展了动态三维面形测量的应用。     

相干场成像技术分辨率研究

根据光学传递函数的相关理论, 推导了相干场成像技术(又称傅里叶望远镜)的光学传递函数和点扩散函数, 给出了T型、O型两种发射镜阵列布局相干场成像系统的分辨率计算公式, 为分析相干场成像系统能实现的极限角分辨率提供了理论依据. 在此基础上研究了T型、O型两种发射镜阵列布局相干场成像系统的分辨率之间的关系. 关键词： 相干场成像 傅里叶望远镜 分辨率 光学传递函数     

高精度数字全息显微衍射层析成像

采用样品转动结构的光学衍射层析技术存在"苹果核频谱缺失"的问题,为此,本文提出傅里叶衍射映射正约束迭代算法以恢复缺失频谱,实现高精度折射率层析成像.首先基于光学衍射层析成像原理,采用带有样品转动装置的数字全息显微成像系统记录下360°视角内各个角度的显微全息图,计算得到每个角度的复振幅像分布;然后运用傅里叶衍射映射和正约束迭代相结合的衍射层析成像算法,计算得到样品内部折射率的三维分布.实验结果表明,该方法能有效地恢复缺失频谱,高精度地测量微小样品内部的折射率三维分布.     

中国科学院生物物理研究所生物成像中心简介

<正>中国科学院生物物理研究所的生物成像中心是中科院蛋白质科学研究平台二期建设当中的重点项目。该中心定位于生命科学研究前沿,致力于实现对生物学对象从纳观尺度到介观尺度的高分辨率三维成像技术,通过对生物超微高分辨率三维结构的研究来回答生命科学的关键问题。目前,该中心集成了超分辨率光学显微技术、低温电子显微技术、三维重构技术、低温扫描微加工技术、单分子荧光成像技术、光电关联显微成像技术以及一系列生物显微成像样品技术,并承担了北京及周边地区生物显微成像技术服务工作,极大促进了相关生命科学前沿研究的进展,成为我国生命科学基础研究的重要支撑平台。     

基于三维分数阶微分增强的边缘曲面重构算法

提出一种基于三维分数阶微分增强的三维边缘曲面重构算法,可重构出更多的三维不规则目标的细节结构信息,克服了原边缘曲面重构算法重构细节信息不充分的缺点.根据分数阶微分傅里叶变换的可分离性原理,将二维分数阶微分算子推广至三维并推导出三维分数阶离散滤波模板,利用三维分数阶微分对图像具有非线性增强作用的特性,对三维切片数据场进行三维分数阶微分增强.与传统三维边缘曲面重构算法相比,经过三维分数阶微分增强且采用分数阶梯度追踪细节改进的重构算法,能够重构出更丰富的三维目标细节结构信息.算法运用于神经元细胞的共焦显微图像中三维不规则目标的边缘曲面重构,实验结果验证了该算法的正确性和高效性,可推广应用至生物医学领域的三维可视化研究.     

基于光场成像的三维粒子追踪测速技术

将光场成像理论与三维颗粒追踪测速(PTV)技术相结合,实现了单相机三维流场的测量。结合高斯光学和相似原理,推导出了深度与最优重聚焦系数的关系。搭建了光场标定与流场测量系统,提出基于光场成像理论模型的深度标定方法,并与泰勒多项式拟合方法进行对比,证明了其具有较高的稳健性。利用清晰度最大原理,获得原始光场图像的全聚焦图,采用最小特征值角点检测算法对全聚焦图上的颗粒进行定位,结合三维粒子追踪技术,得到颗粒的三维速度。形成了光场PTV的图像处理流程,并对后向台阶流场进行了实测,结果表明光场PTV技术能够较好地测量三维流场。     

基于图正则化的高分辨率光场显微成像研究

针对光场显微成像中空间分辨率较低的问题,提出了一种基于图正则化的方法,并进行了光场超分辨率重建,得到了光场的高分辨率视图。首先,通过非周期性提取的方法,获得了光场的视角图;然后,将光场的超分辨率问题,转化为一个全局优化问题,利用光场视图之间的互补信息,进行正则化平滑处理;最后,用最速下降迭代算法,对目标函数最小化求解,重构出高分辨率视图。实验中,采用显微物镜、微透镜阵列以及CCD相机,搭建光场显微镜采集数据,使用图正则化的方法进行光场高分辨率重建;相较于传统方法,所提方法视差估计计算量较小,成像质量较高,并有效保留了原始光场结构。     

随机光学重构显微成像技术及其应用

光学显微成像技术在生命科学、生物医学、临床医学诊断和材料科学等领域有着非常广泛的应用。但由于光学衍射极限的存在,传统光学显微镜无法观察到纳米尺度的物质及生命活动,极大地限制科学研究和医学的发展。近年来,随着突破光学衍射极限的超分辨成像技术的不断发展,显微成像分辨率得到不同程度的提高。目前在基于不同原理的各种超高分辨率显微镜中,随机光学重构显微镜(STORM)分辨率最高,可达几十纳米,真正实现了单分子水平检测。着重介绍了STORM超分辨显微成像技术的原理、实验方法及其应用。     

基于滤波成像的大视角数字全息技术

为提高数字全息再现像视角,提出一种基于滤波成像的数字全息技术来实现大视角的三维物体面型测量.利用离轴像面数字全息技术,通过在4F相干图像处理系统的空间频谱面处放置可移动的低通滤波器,使满足CCD分辨率的物光波与参考光波干涉形成全息图,并控制低通滤波及成像区域分别记录不同谱段的子全息图.再现时,首先对子全息图进行数字傅里叶变换,重构对应频谱段,并对频谱段进行拼接形成完整的物光频谱;而后通过数字再现获得大视角的数字全息再现像.利用该方法测量了圆柱形表面(光滑的缝纫针)的三维形貌,并取得了较好的实验结果.     

基于滤波成像的大视角数字全息技术

为提高数字全息再现像视角,提出一种基于滤波成像的数字全息技术来实现大视角的三维物体面型测量.利用离轴像面数字全息技术,通过在4F相干图像处理系统的空间频谱面处放置可移动的低通滤波器,使满足CCD分辨率的物光波与参考光波干涉形成全息图,并控制低通滤波及成像区域分别记录不同谱段的子全息图.再现时,首先对子全息图进行数字傅里叶变换,重构对应频谱段,并对频谱段进行拼接形成完整的物光频谱|而后通过数字再现获得大视角的数字全息再现像.利用该方法测量了圆柱形表面（光滑的缝纫针）的三维形貌,并取得了较好的实验结果.