多光谱成像的粒子图像测速

基于时间分辨的粒子图像测速技术(time-resolved particle image velocimetry, TR-PIV)是一种广泛应用的非接触式二维瞬时流场可视化测量技术。为了得到流场精细的瞬态空间结构和演变过程,提出了一种利用多光谱成像技术来提高流场测量的时间分辨率的方法。利用多个不同波长的脉冲激光照明流场中的同一测量区域,使用多光谱成像系统采集不同波长的粒子图像,经过图像分离,判决计算产生速度矢量场。为了验证这一原理的可行性,使用三种不同波长(488,532和632.8 nm)的单色光谱脉冲搭建了一套基于多光谱成像的TR-PIV系统,通过多波长激光脉冲之间时序的精确控制,将两帧图像之间的时间间隔从10 ms缩短至3.4 ms,时间分辨率提高了3倍。结果表明基于多光谱的TR-PIV测量系统在保持PIV技术瞬时全场测量特点的同时,时间分辨率大为提高。     

基于Dyson结构的新型快照式分光成像系统光学设计

快照式光谱成像系统可实时获取运动目标的光谱图像,在动态目标跟踪和识别等领域有着迫切的应用需求.快照式光谱成像系统的光谱分辨率与空间分辨率相互制约,针对现有快照式分光成像系统数值孔径小、难以同时实现高光谱分辨率和高空间分辨率的问题,提出了一种基于Dyson同心结构的新型快照式分光成像系统,它具有数值孔径大、成像性能优和结...     

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     

基于立体像素匹配的图像重构技术研究

为了解决目前全景成像技术中分辨率低的问题,提出了一种新的基于3D场景立体像素光线映射的全景图像计算机重构技术.在全景成像技术中,3D场景的每个立体像素点经全景成像系统的编码系统分别映射在一定区域的多个体元素图像的不同像素点上.在计算机重构全景图像时,根据逆光学路径原理,提出了从立体像素映射到的体元素图像区域中提取对应立体像素的多个2D像素点来重构全景图像,使重构的全景图像最大分辨率可达到传统成像方法图像分辨率的N倍（N为映射区域面积）.提出的立体像素的匹配技术大大提高了重构的计算机全景图像分辨率.     

光学相干层析成像技术原理及研究进展

光学相干层析成像(Optical Coherence Tomography,OCT)是一种基于低相干光干涉原理,利用样品背散/反射光与参考光相干的非接触非侵入性的新型成像技术,可提供具有微米级分辨率的一维深度,二维截面层析和三维立体的实时扫描图像。OCT技术具有非接触、无损伤、图像分辨率高且操作简单、便携等优点,主要应用于生物医学成像和诊断领域,弥补了共聚焦显微镜成像穿透深度低和超声波成像分辨率低的不足。目前,OCT技术已作为诊断视网膜疾病的临床标准,而且OCT技术结合内窥镜技术已成为临床上心血管及肠胃疾病诊断的重要工具,同时也为肌肉骨骼疾病,乃至癌症早期诊断、手术指导及术后康复提供依据。为了拓宽OCT技术的应用范围、提高医疗检测水平,研究人员正致力于增加OCT系统在生物组织中的穿透深度、提高系统的分辨率和信噪比、优化系统综合性能等方面的研究。本文论述了OCT系统的原理、分类,以及其在不同生物医学领域的应用及最新进展。     

基于太赫兹量子级联激光器的实时成像研究进展

太赫兹(THz)实时成像是THz技术中颇具潜力的一个领域,具有成像速度快、成像分辨率高等特点,基于THz量子级联激光器(QCL)的实时成像系统是其中最重要的一种,系统体积小、重量轻、成像信噪比高等特点使其在实际应用中具有独特的优势。本文主要介绍了THz QCL器件及其实时成像系统的研究进展,采用超半球高阻硅透镜改善了THz QCL的输出激光,实现了准高斯光束输出,搭建了基于二维摆镜消干涉技术的THz实时成像系统,单帧成像光斑面积45mm×30 mm,实现了对刀片、药片的实时成像演示,成像分辨率优于0.5 mm;最后对成像系统激光源、成像光路和探测端的改进以及成像效果的改善方面进行了综述,并探讨了THz实时成像系统未来的发展趋势及其在材料分析和生物医学成像方面的应用前景。     

压缩感知光谱成像技术的编码孔径与探测器匹配优化

编码孔径光谱成像仪在实际应用中存在着编码模板与探测器分辨率不匹配从而降低系统分辨率的问题。针对该问题进行了两种情况分析,并通过数学理论建模给出了相应的解决方案。对于编码模板分辨率高于探测器分辨率这一情况,提出引入邻域嵌入超分辨技术的方法,实现了基于压缩感知的超分辨光谱成像。对于编码模板分辨率低于探测器分辨率这一情况,提出区块阈值划分的编码孔径,将编码微元按照区块阈值重新划分并进行灰度分级,从而实现低分辨率编码模板的高分辨率编码孔径。利用梯度投影稀疏重构(GPSR)算法进行数据立方体重建,实验结果表明:运用基于超分辨理论的编码孔径快照光谱成像系统所测得的光谱图像更精准,内容更丰富;采用基于区块阈值划分的编码孔径的编码孔径快照光谱成像系统具有更高的空间分辨率和光谱分辨率。结果证实优化后的编码孔径快照光谱成像系统,其分辨率和成像质量大幅度提升,并实现了高分辨率元件的100%利用。     

超高分辨光学相干层析成像技术与材料检测应用

本文报道了一种超高分辨率谱域光学相干层析成像(SD-OCT)系统. 该系统基于超连续谱激光光源并截取部分光谱作为宽带光源, 其中心波长为665 nm, 光谱半高全宽(FWHM) 230 nm. 系统轴向分辨率0.9 μm, 轴向扫描速率28600行/秒, 横向分辨率3.9 μm, 横向视场1 mm, 最大成像深度0.6 mm(空气中). 利用研制的超高分辨率SD-OCT系统, 对不同型号的工业砂纸精细结构进行了成像, 并与普通SD-OCT的成像结果进行对比, 充分展示了研制系统在材料无损检测中优势.     

投影式头戴静脉显像光学系统的设计

为了辅助静脉穿刺及相关的医疗操作, 设计了一款基于投影式头戴显示器(HMPD)的静脉显像系统, 其光学系统由近红外成像系统和穿透型HMPD构成。利用光学设计软件ZEMAX优化设计近红外成像系统, 使其具有F/2.6的大数值孔径, 有利于弱反射红外光的收集成像。穿透型HMPD采用与近红外成像系统相同的光学结构, 有利于简化系统的加工装调。设计结果表明, 近红外成像系统成像质量优异, 分辨率达到QXGA(2 048×1 536)。穿透型HMPD具有18 mm的大出瞳直径及25 mm的大出瞳距离, 场曲小于0.03 D, 畸变小于0.32%, 达到QXGA分辨率显示模式。与现行的静脉显像系统相比, 本显像系统结构简单紧凑、佩戴舒适, 且具有超高分辨率, 是一款适用于辅助医疗的目视系统。     

带像差校正功能的柔性变焦透镜

快照式光谱成像系统可实时获取运动目标的光谱图像,在动态目标跟踪和识别等领域有着迫切的应用需求。快照式光谱成像系统的光谱分辨率与空间分辨率相互制约,针对现有快照式分光成像系统数值孔径小、难以同时实现高光谱分辨率和高空间分辨率的问题,提出了一种基于Dyson同心结构的新型快照式分光成像系统,它具有数值孔径大、成像性能优和结构紧凑等优点;视场离轴和复杂化设计可在保持光学成像性能的同时,增大机械装调空间,具有很好的工程可实施性。优化设计得到的新型快照式分光成像系统的数值孔径达到了0.3,光谱分辨率优于0.54 nm,空间采样点数为112×24。这种高光谱分辨率和高空间分辨率的快照式分光成像系统可为研究对大视场内快速运动目标进行精确探测识别的快照式光谱成像系统提供重要的理论基础。     

A study on quantitative analysis of field size and dose by using gating system in 4D conformal radiation treatment

This study evaluated the gating-based 4-D conformal radiation therapy (4D-CT) treatment planning by a comparison with the common 3-D conformal radiation therapy (3D-CT) treatment planning and examined the change in treatment field size and dose to the tumors and adjacent normal tissues because an unnecessary dose is also included in the 3-D treatment planning for the radiation treatment of tumors in the chest and abdomen. The 3D-CT and gating-based 4D-CT images were obtained from patients who had undergone radiation treatment for chest and abdomen tumors in the oncology department. After establishing a treatment plan, the CT treatment and planning system were used to measure the change in field size for analysis. A dose volume histogram (DVH) was used to calculate the appropriate dose to planning target volume (PTV) tumors and adjacent normal tissue. The difference in the treatment volume of the chest was 0.6 and 0.83 cm on the X- and Y-axis, respectively, for the gross tumor volume (GTV). Accordingly, the values in the 4D-CT treatment planning were smaller and the dose was more concentrated by 2.7% and 0.9% on the GTV and clinical target volume (CTV), respectively. The normal tissues in the surrounding normal tissues were reduced by 3.0%, 7.2%, 0.4%, 1.7%, 2.6% and 0.2% in the bronchus, chest wall, esophagus, heart, lung and spinal cord, respectively. The difference in the treatment volume of the abdomen was 0.72 cm on the X-axis and 0.51 cm on the Y-axis for the GTV; and 1.06 cm on the X-axis and 1.85 cm on the Y-axis for the PTV. Therefore, the values in the 4D-CT treatment planning were smaller. The dose was concentrated by 6.8% and 4.3% on the GTV and PTV, respectively, whereas the adjacent normal tissues in the cord, Lt. kidney, Rt. kidney, small bowels and whole liver were reduced by 3.2%, 4.2%, 1.5%, 6.2% and 12.7%, respectively. The treatment field size was smaller in volume in the case of the 4D-CT treatment planning. In the DVH, the 4D-CT treatment planning showed a higher dose concentration on the part to be treated than the 3D-CT treatment planning with a lower dose to the adjacent normal tissues. Overall, the gating-based 4D-CT treatment planning is believed to be more helpful than the 3D-CT treatment planning.     

基于平场全息凹面光栅的舌诊用光谱仪的研制

由于传统的望舌诊断法过于依赖中医师的经验判断,导致误诊的概率相对较大,而基于图像处理的舌诊法受光源、图像采集设备影响较大,同时对于病理不同而颜色相近的舌象识别率不高。为了克服上述缺点,利用舌光谱的“指纹效应”,通过使用光谱法来对不同性状的舌象进行诊断,为了实现这一目标,研制了一款用于舌象诊断的光谱仪,同时为了克服传统分光器件的不足,分光系统中采用了平场全息凹面光栅作为分光器件,能保证系统小型化、光通量利用率提高的同时,改善光谱成像的质量和分辨率。通过系统实验测试,该光谱仪的光谱范围达到340～850 nm, 分辨率优于2 nm,同时通过模拟实验充分验证了该系统的有效性。     

基于灰度投影法运动估计的成像CCD平移补偿法

为了提高成像质量,得到高分辨率的图像,通过对灰度投影法进行分析,提出一种基于灰度投影法运动估计的成像CCD平移补偿法,给出其系统结构图。该方法采取只平移成像CCD,探测CCD固定,即在成像CCD补偿位移量的过程中,探测CCD不补偿位移,探测CCD在成像开始的第一帧为全局参考帧,其他帧与之比较来获得位移量。验证了分辨率标板在各种运动情况下系统的补偿效果,对拍摄的实物图像进行恢复,结果证明：该补偿法对慢速运动图像和随机振动图像具有较高的恢复能力。     

锥束射线三维大视场工业CT成像方法研究

基于FDK重建算法和圆轨道锥束扫描的三维ICT(industrial computed tomography)因算法的简洁性和工程实现的可行性已成为目前主要的3D-ICT成像技术。由于受探测器长度的限制,该技术的扫描视场小,所以可检构件尺寸受到限制。为解决较大尺寸构件3D-ICT的检测问题,讨论了一种仅需旋转检台偏置的大视场3D-ICT成像方法,推导了基于FDK原理的滤波反投影(filter back-projection,FBP)重建算法。计算机模拟和实验结果证明了该技术的正确性。分析表明,其水平方向的有效扫描视野比基于FDK的圆轨道锥束扫描三维CT提高了80%以上。     

一种组件透射式成像光谱仪设计

针对反射式成像光谱系统普遍存在多次反射(和衍射)产生杂散光和装调难度大等问题,设计了一种高性能透射式系统,全部使用通用光学组件,简化了系统结构,降低了成本和装调难度,较传统成像光谱仪有更广的适用范围。该设计中全部部件都非定制,可以根据应用场合更换,具有较好的灵活性,采用透射的方式,减少了杂散光的影响。利用ZEMAX软件仿真、优化了搭配两组不同物镜的系统光路,对畸变、MTF、色差等性能进行测试。对比25和50 mm物镜的系统性能,发现望远镜头的更换对整个系统成像质量的影响不大。参照设计参数成功搭建出一台成像光谱仪,其中望远物镜采用准对称双高斯结构,有利于控制场曲和畸变;采用透射式平面衍射光栅作为分光器件,制作工艺成熟,无需定制,装调简单。光谱分辨率和畸变测试结果显示该系统拥有良好的畸变控制能力,光谱分辨率达到2 nm,满足设计要求,利用标定后的系统测得的氘灯光谱取得了较为理想的结果。     

Fourier Telescopy extrapolation based on the sampling theorem

Fourier Telecopy (FT) technique plays a promising role in deep space target detection. To improve the imaging quality of circular transmitting telescope array FT, a new processing method which adopts an extrapolation method based on the sampling theorem is proposed. Simulation results show that the extrapolation method can obviously improve system imaging resolution as well as reconstructed image quality. Even at a relative low SNR level the method improves system imaging resolution to a certain extent.     

基于水下成像系统模型的水下图像超分辨率重建技术研究

水下成像技术在诸多领域获得了越来越多的应用,然而由于受到成像器件参数、水体特性等成像系统参数的影响,水下图像的分辨率普遍较低、像质较差。基于包括点扩散函数、衍射极限等水下成像系统模型的图像超分辨率重建技术,能够在提高图像分辨率的同时增强图像质量。为了尽可能提高图像分辨率,建立了基于光束传播理论的超分辨率成像模型,并将其应用于水下脉冲激光距离选通成像结果图像的超分辨率重构。重构实验的结果表明,所提出的方法可以有效地提高水下成像的分辨率和质量。     

基于CCD电极直接驱动控制的双脉冲发光图像高速曝光技术原理研究

电荷耦合器件(CCD)是一类高性能的光电成像器件,具有成像阵列大、图像质量好的特点。但由于正常工作驱动时序复杂,工作帧频一般较低,无法满足较高成像帧频的要求。针对一种双脉冲发光图像的高速高分辨高质量成像要求,根据CCD信号电荷收集及转移的电极驱动特性,选择合适的CCD类型,以电荷转移时序为时间分隔界限,设计了一种电极直接进行控制的时序,实现了两个光脉冲图像的分离积分及信号转移、读出等,完成了双脉冲发光图像的等效高帧频曝光的原理验证,在保持CCD原有高成像质量的情况下获得了μs级间隔的两幅图像可分辨的能力,并实现了一种二分幅相机系统。     

Analysis of the features and reconstruction of a high resolution infrared image based on a multi-aperture imaging system

Infrared images of good quality are strictly important for such applications as targets detection, tracking and identifying. Traditional single aperture infrared imaging system brings in some defects for its imaging scheme. Multi-aperture imaging system shows promising characteristic of improving image quality and reducing size of optical instruments. We reconstruct a high resolution infrared image from the low resolution sub-images collected by the compact multi-aperture imaging system. A novel reconstruction method called pixels closely arrange (PCA) is proposed based on analyzing the compound eye imaging process, and this method is verified in a simulated 3D infrared scene to capture sub-images. An evaluation of the reconstructed image quality is presented to discuss the significant factors that affect the final result. Experimental results show that the PCA method can be efficiently applied to the multi-aperture infrared imaging system as long as the structure of the micro-lens array is specifically designed to be adaptive to the infrared focal plane array (IFPA).     

超光谱成像探测系统的图谱标定和评估

超光谱成像是一种场景图谱合一的技术,在战场侦察中得到了迅速应用。超光谱成像系统的标定是确定其输出准确数值的过程。分析了一种基于背照减薄CCD和凹面光栅成像光谱部件的UV/Vis/NIR超光谱军用探测系统,其光谱分辨力为3.3 nm;探讨了0.25～1.1μm工作波段内超光谱成像系统的标定和评估方法,详细介绍了以带有测试靶均匀辐射源为对象的空间成像质量评估、以激光和Hg灯为基础的光谱质量评估以及利用高精度标准辐射源的辐射性能标定。在经过多步辐射校正和光谱真实性检测验证后,最终获得的景物反射率光谱曲线真实反映了光谱特性,满足了0.2mrad的空间分辨力和±0.5％色散线性率的精度要求并在军用探测系统中进行了反伪装的成功应用。