内窥式散斑类共聚焦系统层析能力分析

本文研究了内窥式散斑类共聚焦系统(Endoscope-based speckle quasi-confocal system,EBSQCS)的层析能力。从散斑类共聚焦显微镜(Speckle quasi-confocal microscope,SQCM)成像原理出发,详细分析了内窥镜光学结构对散斑类共聚焦显微镜散斑场波动的影响规律,推导了内窥镜光学结构与内窥式散斑类共聚焦系统轴向分辨力的关系。实验测得了基于光纤束的内窥式散斑类共聚焦系统的轴向分辨力曲线。选用放大倍率4倍,光纤直径5μm的内窥镜系统的内窥式散斑类共聚焦系统轴向分辨力曲线的全峰半高是散斑类共聚焦显微镜的2.3倍,与理论计算值相符。实验结果表明内窥式散斑类共聚焦系统具有很好的轴向层析能力。     

反射式光纤共焦扫描成像的研究

建立了反射式光纤共焦扫描成像系统,分析了光纤－集光透镜参数Ａ及物透镜有效数值孔径等对系统成像分辨率的影响。并在此基础上选择了合适参数的透镜,获得了优化的反射式光纤共焦扫描成像系统,测试结果表明,该系统具有亚微米级横向成像能力,微米级向层析能力,成像稳定性那,它将应用于材料及生物组织三维成像检测中。     

基于光纤阵列的二维微角位移传感器

提出了一种基于光纤阵列的二维微角位移传感器.该传感器采用由十字形排列的光纤阵列构成的轮辐式探头结构.各接收光纤接收光强随被测角位移改变.通过对各光纤接收光强进行高斯拟合确定反射光斑中心位置.这种测量方法可以有效降低表面反射系数变化、光源波动以及环境光对测量结果的影响.由于各接收光纤对应光路损耗不同对微角位移测最精度产生影响.提出了光路损耗的归一化修正方法.实验证明系统测量角度范围-0.16 rad～O.16 rad,归一化修止方法使系统测量分辨率提高到了3.8X 10-4rad.     

内窥式共聚焦成像系统分析

基于点扩展函数和傅立叶光学理论，推导出系统的相干传递函数，并详细研究了光纤对轴向分辨率的影响.研究结果表明：该系统为相干成像系统，系统的轴向分辨率随光纤半径A的增加而降低.最后，搭建了一套内窥式共聚焦成像系统，并测得光栅样品的共聚焦图像.实验结果表明，该系统具有良好的分辨率.     

非相干光对共聚焦显微镜层析能力的影响

在共聚焦显微镜中,通过系统的归一化轴向光强半高宽与探测器有效半径和非相干光源有效半径的关系曲线,获得非相干光源照明下系统光学层析能力的变化规律.发现当探测器和光源的有效半径都小于3时,系统具有较好的光学层析能力;其他情况下,系统光学层析能力下降且会受入射光场分布的影响.     

空间光到少模光纤的耦合效率及影响因素

建立了不同影响因素下空间光-少模光纤耦合效率的理论模型.以两模光纤为例分析了相对孔径对耦合效率的影响,当相对孔径为0.17时,耦合效率最高为82.96%.研究了倾斜、离焦、随机角抖动等因素对少模光纤耦合效率的影响.实验测得当横向偏移量为4μm时,两模光纤的耦合效率比单模光纤高10.23%;当轴向偏移量为125μm时,两模光纤的耦合效率比单模光纤高11.24%;当随机抖动幅度标准差为5μm时,两模光纤的耦合效率比单模光纤高12.1%.结果表明少模光纤对信号光接收过程中的干扰因素如倾斜、离焦和随机角抖动都有很好的抑制作用.     

内窥式扫频光源光学相干层析系统的探头设计

利用自聚焦透镜和单模光纤搭建了基于光纤旋转连接器的内窥式扫频光源光学相干层析成像系统.利用Zemax模拟了内窥探头的光学性能,分析了光纤到自聚焦透镜的距离和自聚焦透镜节距对探头性能参量的影响.在综合考虑元器件成本以及成像要求后,选择无需定制,节距为0.24Pitch的自聚焦透镜,确定光纤与自聚焦透镜之间的距离为0.7mm.经实验测得该系统的横向分辨率约为19.5μm,纵向分辨率约为9μm,工作距离约为7mm,成像深度为6.2mm(空气中),与理论值接近.为了验证该系统对生物组织的成像性能,利用该系统对猪食道进行离体成像,重建后的层析图中可以明显地观察到猪肠道的表皮层和固有层.测量系统的各项成像性能参量以及对生物组织的成像性能表明该探头在内窥成像中是可行的.     

小型化望远式激光共焦扫描显微内窥镜

研制了一种激光共焦扫描显微内窥镜,采用望远式显微内窥光学系统,同时实现长距离的图像中继传输、远心f-theta光学扫描和显微内窥成像功能.二维共焦扫描由双振镜实现,低噪音扫描控制信号由嵌入式系统产生.为实现便携式应用,激光共焦扫描显微内窥镜采用小型化设计方案.首先,体内的显微内窥成像光学系统,外径尺寸为8 mm,工作长度为250.3 mm,可通过标准腹腔镜手术孔进行体内显微内窥成像;其次,采用3 mm通光孔径的小尺寸平面反射镜实现体外共焦扫描,摆动频率为100 Hz,实现快速共焦扫描;最后,激光控制和荧光探测仅通过电缆和光纤与共焦扫描显微内窥镜前端连接,减小了显微内窥镜的前端尺寸和重量.通过实验验证,本系统的成像视场为φ 600 μm,光学分辨率为2.2 μm,可采用手持式或者其他方式工作,进行体内组织的共焦扫描成像,实现微创、在体的荧光显微内窥术.     

采用变焦液体透镜的共焦检测系统的设计与仿真

共焦显微技术越来越广泛地应用于微机电系统和半导体器件的三维轮廓测量。设计一种新型采用变焦透镜作为轴向扫描方式的共焦显微系统,利用变焦透镜的焦距变化来代替传统的轴向位移扫描。系统实现了无机械运动的轴向扫描,消除了传统共焦系统中由位移台移动带来的振动,不仅减小了系统的复杂度,而且降低了成本。进一步设计了基于位移台和变焦透镜的两种共焦检测系统,并且对其进行了仿真实验。实验结果表明:基于位移台和基于变焦透镜的共焦系统的聚焦成像和离焦成像结果类似,并且光强的轴向分布曲线也基本相同,表明此方法可行。     

共路径光相干成像系统光纤探头的研究

本文提出了基于楔形光纤以及端面成角度光纤的共路径光相干成像系统探头,实现背向散射信号在其端部的共路径相位干涉,从而获得待测件断面成像信息.首先,建立了共路径光相干成像系统光路及探头相位干涉的理论模型,分析了各光纤探头尺寸与干涉信号强度、系统性能的关系.其次,分别设计出楔形光纤、端面成角光纤探头,开展了共路径光路干涉实验...     

Improved axial resolution in confocal fluorescence microscopy using annular pupils

The axial image of a thick fluorescent layer is studied in a confocal microscope consisting of either circular or annular pupils. The response for circular pupils is sharper than that for annular pupils if a small pinhole detector is used. But when the size of the pinhole is larger than a certain value, the response in the latter case can become sharper than that in the former. This result implies that for a given detector of finite size, axial resolution in confocal fluorescence microscopy can be improved when an annular lens is used. Our experimental results qualitatively demonstrate the theoretical prediction. The strength of optical sectioning and the axial cross-section of the three-dimensional optical transfer function are also derived from the measured data.     

Optical sectioning by two-pinhole confocal fluorescence microscopy

A two-pinhole axially superresolving confocal fluorescence imaging system is presented. Based on the concept of subtractive incoherent imaging, the system described here is equipped with a zero-focus complex-transmittance pupil filter in one of the collector paths. The optical sectioning capacity of the system is 25% superior to that of a free-pupil one-pinhole instrument.     

Fiber-optic-bundle-based optical coherence tomography

A fiber-optic-bundle-based optical coherence tomography (OCT) probe method is presented. The experimental results demonstrate this multimode optical fiber-bundle-based OCT system can achieve a lateral resolution of 12 microm and an axial resolution of 10 microm with a superluminescent diode source. This novel OCT imaging approach eliminates any moving parts in the probe and has a primary advantage for use in extremely compact and safe OCT endoscopes for imaging internal organs and great potential to be combined with confocal endoscopic microscopy.     

Full-field optical sectioning and three-dimensional localization of fluorescent particles using focal plane modulation

We present a technique for imaging fluorescent particles based on the axial modulation of the objective's focal plane position. This technique provides full-field optical sectioning and can be used to localize the fluorophores in three dimensions. We describe the technique and apply it to image 200 nm diameter fluorescent beads immobilized in a gel. We show that full-field optical sectioning is obtained and that the beads are localized with a precision of 10 nm in the transverse plane and 14 nm in the axial direction.     

共焦扫描显微成象的光学断层平面分辨率与信噪比之间的关系

在Fried的一维分辨度理论的基础上,系统地讨论了光学成象系统两维分辨率与信噪比之间的定量关系,并以反射式共焦显微成象为例,建立了实际显微成象系统分辨率的定量计算方法.所得出的结果对于选择共焦扫描显微成象系统的最佳参量及评价所设计的显微成象系统的性能具有重要的意义.     

无扫描光源调制层析成象显微镜(1)-理论

分析普通显微镜的成象过程可以看到,它不能进行层析成象的原因在于并非所有的空间频率都随着离焦量的增加而衰减.通过改装普通显微镜的照明光路,采用调制光源照明物体,从而获得物体的层析象与普通显微镜成象的叠加象,该叠加象经过快速算法运算后,可实时获得类似于共焦显微镜的层析象,最终实现层析成象.本文通过对本显微镜成象光学系统物理模型的简化,解释了该系统的层析能力和解码方法.根据分析可以发现,这种照明调制显微镜实际上是一种选择性照明显微镜,即选择有限宽度的层进行照明.     

Subtractive imaging in confocal scanning microscopy using a CCD camera as a detector

We report a scheme for the detector system of confocal microscopes in which the pinhole and a large-area detector are substituted by a CCD camera. The numerical integration of the intensities acquired by the active pixels emulates the signal passing through the pinhole. We demonstrate the imaging capability and the optical sectioning of the system. Subtractive-imaging confocal microscopy can be implemented in a simple manner, providing superresolution and improving optical sectioning.     

一种实现共焦显微镜空间微分成像的新方法

提出了一种实现共焦显微镜空间微分成像的新方法。为了获得空间微分图像,首先利用时间分辨技术结合互补调制技术,获得两束相位相反的调制光,然后利用这两束相位相反的调制光结合共焦扫描技术,实现共焦显微镜的空间微分成像。实验表明:这种空间微分技术可以准确实现共焦显微镜的空间微分成像,从而获得成像物体的边缘轮廓和实现边缘增强。