基于相移结构光照明的浮雕成像技术研究

详细介绍了一种基于相移结构光照明的浮雕成像技术,对该成像技术的原理和成像特性进行了实验研究,并采用相移结构光照明的方法实现彩色浮雕成像。实验中,将多幅相移正弦条纹光场斜投射到被拍摄物体上,数码相机依次拍摄被照明的物体,再利用拍摄到的多幅相移图像,通过计算的方法重建出所需要的图像。理论分析和实验结果表明,相移结构光照明成像技术能有效地消去环境不均匀光照的影响,获取的反射率分布图像只与结构光照明有关,突显了斜投射照明所形成的阴影,图像的明暗变化反映出物体表面的法线变化,因而在视觉上形成了明显的浮雕效果。     

定量光声层析成像的研究进展

光声层析(Photoacoustic tomography,PAT)成像结合了超声成像的高分辨率和光学成像的高对比度的优势,是一种新型的生物医学成像模式。PAT成像算法包含两个逆问题,即根据组织产生的光声信号构建初始声压分布图(即图像重建)以及在此基础上估算成像区域的光学特性参数。后者是一个非线性的不适定问题,通常称为定量光声层析(Quantitative photo-acoustic tomography,q PAT)成像。本文在介绍光声成像原理的基础上,对主要的q PAT算法进行综述,讨论各自的优势和不足,并对未来可能的发展方向进行展望。     

声速不均匀介质的光声成像重建算法

为提高声速不均匀介质的光声成像精度,提出一种基于反卷积的光声成像重建算法.本算法不需预先知道介质的声速分布.先通过探测到的光声信号构造出一个新函数,并用不同位置探测到的光声信号间的相关性来估计空间两点间的声波传播时间,以补偿声速的不均匀性.然后基于反卷积方法由该函数解出待测组织内的电磁波吸收分布.仿真研究结果表明,当介质声速差异在10%以内时,重建图像能正确反映待测目标的大小、位置和电磁波吸收系数,算法具有良好的抗噪性能.由于生物软组织内的声速差异一般小于10%,因此本算法是一种有效的光声成像重建算法.     

校正光通量变化的定量光声内窥成像

在光声内窥成像中,不均匀或不稳定的照明,以及生物组织的复杂光学特性均会导致成像平面内光通量分布不均匀,从而造成重建图像质量和成像深度的下降。提出了一种校正光通量变化的定量光声内窥成像方法,对光吸收能量分布进行稀疏分解,采用贪婪算法重构得到光吸收系数和光通量的稀疏表示,并通过稀疏矩阵分解实现光吸收系数与光通量分布的联合重建。仿真和体模实验结果表明,与一步法和基于模型的定量重建方法相比,采用所提方法估算光吸收系数的均方根误差（RMSE）可降低约48%,重建图像的归一化平均绝对距离（NMSAD）和结构相似度（SSIM）可分别降低约25%和提高约24%。与其他校正光通量的重建算法相比,所提方法估计光吸收系数的RMSE可降低约22%、NMSAD可降低约20%、SSIM可提高约10%。     

考虑超声探测器脉冲响应和方向性的光声图像重建方法

在光声成像中,假设超声探测器为具有全向响应的理想点探测器通常会导致图像分辨率下降。为了解决探测器效应引起的图像质量下降问题,提出一种考虑探测器特性的光声图像重建方法,建立包含探测器方向性和脉冲响应的前向成像模型,通过迭代求解前向模型的逆问题,实现光吸收能量分布图的高质量重建。仿真和仿体实验结果表明,与未考虑或未充分考虑探测器特性的传统重建方法和其他重建增强方法相比,所提方法可以显著提高图像分辨率和对比度,改善图像质量。     

基于维纳滤波反卷积的光声成像

为了提高光声成像(PAT)的对比度和分辨率,需对组织样品的光声(PA)信号进行基于探头脉冲响应的滤波反卷积以恢复其频谱特性.对宽带光声信号而言,由于带通滤波的截止频率由人为确定,噪声不能得到有效抑制,很难获得稳定的反卷积结果.针对此问题,提出了基于维纳滤波反卷积的光声成像方法,利用点光声源获得超声探头的脉冲响应.利用维纳滤波抑制反卷积过程中噪声的影响,滤波器参数由离散小波变换(DWT)动态估计,样品光声图像由时域后向投影算法重建.数值模拟与成像实验均表明该方法有效地抑制了噪声对反卷积的影响,提高了光声成像的对比度和分辨率.     

电场不均匀性对外场中负离子光剥离的影响

用蒙特卡罗方法研究了不均匀外场中氢负离子的光剥离.模拟结果显示出电场的不均匀抑制了光剥离截面和相应调制函数的振荡.光剥离截面的高能部分比阅值附近部分对电场的不均匀性更为敏感.结後果对纯电场和平行电场与磁场两种情形均适用.     

基于超声干涉测量的光声断层成像方法性能优化*

生物组织声学参数的不均匀性是光声断层成像技术面临的棘手问题,基于超声干涉测量的光声断层成像方法已被初步证明可以适用于声参数不均匀情形,但对如何取得最佳成像效果缺少深入研究。针对这一问题,该文将基于超声干涉测量的光声断层成像方法应用于同时含有声速不均匀和随机声散射现象的复杂成像媒质模型,并对如何优化成像效果开展相关研究。该文首先验证了该方法在数值模型中的有效性,随后针对相关测量参数与成像质量之间的关系开展定量研究,提出了优化成像效果的方法。结果表明,设计适合的波形滤波器、合理选择干涉测量过程中超声信号的中心频率均可优化成像效果,该文的相关研究结果可为进一步拓展基于超声干涉测量的光声断层成像的应用范围提供参考。     

结构光照明光切片显微图像的高保真重构方法

光切片图像的质量与使用的重构算法直接相关,传统的均方根算法虽然简洁,但在原始图像信噪比和条纹对比度不高时重构效果不佳,得到的三维重建结果并不理想。针对该问题,提出一种去背景和去卷积相结合的光切片方法。与传统均方根算法相比,该方法能有效减少残留条纹,提高微小细节的可见性。实验搭建了一套基于数字微镜器件的结构照明显微系统,以小鼠肾脏细胞、牛肺动脉内皮细胞等为样品进行了光切片实验。实验结果表明,该方法能获得更好的光切片和三维成像效果。     

光动力治疗中热效应的理论分析与计算

基于Pennes传热方程，从理论上分析了光动力治疗中激光作用所引起的组织温升的变化.结果表明，激光照射在生物组织内形成热源，该热源在一维生物组织空间引起组织的温升一般随时间呈指数形式增大，随激光照射处的距离呈指数减少.激光照射生物组织产生热效应，存在一个最小阈值光剂量，仅当照射的激光剂量大于阈值光剂量时，才能产生热效应.阈值光剂量大小由生物组织的光学参量和热物性参量决定，并随激光照射处的距离呈指数增加     

CCD尺寸测量光学系统设计原理

介绍ＣＣＤ尺寸测量光学系统的设计原理．重点分析远心光路中的像点弥散、一维光纤列阵照明系统及利用像点弥散斑评价ＣＣＤ光学系统像质的方法。给出一种ＣＣＤ测量光学系统设计实例及其像质评价结果．     

大视场光学系统像面照度均匀性优化

为提高大视场光学系统像面照度的均匀性,从理论上分析了光学系统像面照度的影响因素,提出使用中心遮拦产生的轴外斜光束截面积与轴上光束截面积之比对像面照度进行优化的思路。以理想系统建立数学模型,得到了中心圆形遮拦影响下不同视场角光束截面积比值的变化规律,并分析了遮拦对调制传递函数(MTF)的影响。进一步提出采用Zemax与Matlab软件动态数据交换(DDE)进行像面照度自动计算优化的方法。以某焦距56mm,相对孔径=1/5.6,视场角2ω=80°的航测镜头为例进行了优化,通过在光学系统第5表面上增加半径为4.384mm的中心遮拦,像面照度的不均匀性由优化前的22.3%降低至3.5%,均匀性明显改善。在优化实例中讨论了MTF曲线的变化,指出采用中心遮拦后的传函指标仍满足CCD探测器成像使用要求。     

大气非均匀路径中图像退化光学模型

均匀路径中图像退化光学模型广泛应用于大气中退化图像的复原,而对于斜程观测情况,视线路径中的光照和光学性质是非均匀的,即使在水平路径中也会面临不均匀的状况。从平面平行大气辐射传输理论出发,建立了非均匀路径中图像退化光学模型,并在典型大气、观测条件下对模型进行了仿真分析。结果表明,对于近水平观测,非均匀路径退化模型简化为均匀路径中的退化模型;当观测距离较小时,两个模型在表达形式上是一致的,并且相对于长波段,短波段更满足此结论;不同观测方向和太阳的方位角差对退化模型的影响只在于观测处背景光的不同;此外,退化模型依赖于近地面水平能见度。     

部分相干光学成像系统的光学传递函数和像质评价准则

根据光学成像理论，建立了部分相干成像光学系统的光学传递函数。该函数与非相干成像光学系统传递函数相同，因而部分相干成像和非相干成像两者的光学系统波面像差公差标准也是相同的。这一点解释了显微镜光学系统的光学设计惯用法则：镜头像差公差标准的选择，并不因为采用成像照明方式的不同而有所差异。     

光电成像检测系统像面照度均匀性分析

非均匀发光光源、大视场角等因素会造成光学成像检测系统像面照度分布不均匀,进而导致检测效率下降。研究非均匀发光光源和大视场角对像面照度均匀性的影响程度,首先建立光源间距与受光面接收照度间的关系模型,仿真分析不同LED间距对像面照度均匀性的影响,然后建立光学耦合系统的物面张角和像面照度间的关系模型,仿真分析物面张角对像面照度均匀性的影响。实验结果表明:在非均匀发光光源和大视场角的作用下,检测系统会造成像面照度严重不均匀现象。研究结果为后续像面照度校正算法设计提供了理论依据。     

深空光通信中图像信标的捕获和跟踪

用激光进行深空探测科学数据回传,上行信标光衰减严重,不能提供足够高的跟踪速率,因此常采用自然天体图像作为信标。对该信标的捕获和跟踪是深空光通信链路成功建立和保持的关键。在航天器上存储一幅目标天体图像做参考,利用该图像和探测图像的相关性对该信标进行捕获,理论分析和仿真结果都表明,可以精确地确定光通信天线的初始对准方向,使跟瞄系统进入跟踪模式。基于离散傅里叶变换和极大似然方法对信标的平移进行计算,需要解一个非线性方程组,线性近似计算结果表明平移量总误差在0.5个像素以内,X方向的平移误差为3.3%,Y方向的平移误差为2.7%,可以满足深空通信的要求,因而是一种可行的方案。     

i线投影光刻曝光系统的光学设计

叙述具有同轴对准特性的光学投影物镜双远心结构和均匀照明光学系统原理。为了满足ｉ线光刻所需的光学传递函数要求，讨论了光刻分辨率和数值孔径的关系。设计了一种新的双远心投影物镜，其数值孔径ＮＡ＝０．４２，放大倍率Ｍ＝－１／５，像场尺寸１５ｍｍ×１５ｍｍ（直径２１·２ｍｍ），共轭距Ｌ＝６０２ｍｍ。用光学设计程序ＺＥＭＡＸ－ＸＥ计算此ｉ线物镜的像质。设计结果说明，整个视场内波差＜λ／４，ＭＴＦ＞０．５５，当空间频率为７１５ｐａｉｒｌｉｎｅｓ／ｍｍ，使用波长为３６５士３ｎｍ时。可以实现０．７μｍ光刻分辨率；照明均匀器，由８１个小方型透镜组成一方列阵。用本文模拟计算软件ＯＰＥＮＧ计算被照像平面上的光能分布，说明实际系统的照明不均匀性为土２％。     

利用光切方法测量微结构的三维微运动

微结构动态特性的测试方法对研发可靠的、能市场化的微机电系统(MEMS)是必需的。开发出了一种测试系统,能使微结构的三维运动可视化。系统包括:利用光学显微镜来实现微结构的放大,并将图像投影到CCD摄像机上;利用光切方法来获取一系列图像,以此来表征微结构的三维运动;利用频闪照明来冻结微结构的高速运动。通过研究微加工水平谐振器在激励条件下的三维运动,论证了系统的功能。     

An Image Array System for Uniform Illumination of Laser Fusion Target

ＡｎＩｍａｇｅＡｒａｙＳｙｓｔｅｍｆｏｒＵｎｉｆｏｒｍＩｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｏｆＬａｓｅｒＦｕｓｉｏｎＴａｒｇｅｔＱＩＵＹｕｅＦＡＮＤｉａｎｙｕａｎＨＵＡＮＧＨｏｎｇｙｉＪＩＡＮＧＭｉｎｈｕａＧＵＺｈｅｎ（ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＯｐ...