基于双模成像的液晶微透镜阵列

利用向列相液晶材料的各向异性和双折射特点,采用紫外光刻和湿法刻蚀技术,设计并制作了透明的圆孔图案梯度折射率液晶微透镜阵列。搭建了光学测试系统,测试了该阵列的聚焦性能和焦距,并给出了焦距与加载电压之间的关系。将该阵列与主镜头和图像传感器进行耦合,构成一个双模成像相机原型,通过开启或关闭加载电压实现光场成像模式和普通成像模式的快速切换。在两种工作模式下对目标物采集双模原始图像,结果表明该相机既可在光场工作模式下采集三维光场图像,也可在普通工作模式下采集普通图像。     

多焦距微透镜阵列光场成像火焰三维温度场测量

多焦距微透镜阵列可提高聚焦光场相机的深度分辨率。为了研究多焦距微透镜阵列对光场成像火焰三维温度场测量的影响,本文在火焰辐射光场成像模型的基础上,分析了单焦距微透镜阵列和多焦距微透镜阵列的火焰辐射光场成像特征,计算了两种不同微透镜阵列下的火焰辐射图像,根据火焰光场图像重建了火焰的三维温度场。开展了多焦距微透镜阵列聚焦光场相机火焰三维温度场重建的实验研究,并对数值计算和实验结果进行了分析。     

基于微透镜阵列的光场显微镜实验研究

为了解决传统光学显微镜景深小的局限性,结合光场成像技术,搭建了基于微透镜阵列的光场显微镜试验平台.实验获取了绿光照明下碎玻璃片的光场显微镜照片,利用光场成像技术数字重聚焦得到了清晰成像与不同距离的图像序列.通过几何光学的成像原理以及物理光学相关理论,分析了传统显微镜和光场显微镜的空间分辨率和景深.结果表明,光场显微镜的景深较传统显微镜大幅度增加了38倍,而空间分辨率减小了8/9.实验得到的光场图像序列同样表明光场显微镜能够大幅度增加景深.     

基于光场相机的全视差三维显示

针对光场相机采集的三维信息在显示时只能呈现非常窄的视差问题,对光场相机信息记录过程进行了分析,提出一种将光场数据转化为元素图像阵列(EIA),并对EIA中的物体进行重新采样以调整深度的全视差三维显示方法。为了验证该方法的有效性,使用光场相机采集真实三维物体,利用所提方法对光场图像进行处理后,将其在深度优先集成成像(DPII)系统中进行显示。实验结果表明,利用所提方法可以实现光场数据的全视差三维显示。     

新型裸眼悬浮立体显示系统

为了显示可以裸眼周视观看和具有悬浮特性且可触摸的立体图像,通过分析多种立体显示技术原理、应用范围及其优缺点,提出了一种新型的立体显示技术。电机带动定向屏旋转,将多投影机出瞳成像并形成空间的观察域,当观察者双眼位于观察域内时,无需佩戴眼镜即可观察到具有运动视差的立体图像,且此图像具有悬浮可触摸的效果。对系统中的关键技术进行了阐述,通过实验得到了观察距离为580mm、悬浮中心高度为150mm的立体图像。     

基于微透镜阵列的合成孔径去遮挡算法研究

针对光场成像中对焦图像混叠离焦、具有模糊弥散斑的问题,提出了一种基于微透镜阵列的合成孔径去遮挡算法。搭建含微透镜阵列的微型光场单相机系统,进行原始图像数据采集;采用合成孔径技术对遮挡物进行数字聚焦,识别出遮挡物;选择灰度方差,对遮挡物和目标物体像素值范围进行划分,将识别出的遮挡物去除,并进行二次聚焦,提取出目标图像。实验表明:该算法同其他算法相比,无参考图像质量评价值平均提高18.83%,提升了图像质量;同时也呈现了场景的三维信息,具有较高的对比度和信噪比。     

集成成像三维显示系统显示性能的研究进展

集成成像三维显示技术是利用透镜阵列获取和显示立体图像的一种三维显示技术。本文首先综述了集成成像三维显示系统的特点,考虑其系统性能主要受分辨率、景深和观看视场角的限制,对近年来集成成像三维显示系统在增大分辨率、景深和观看视场角方面的研究进展做了综合论述,比较分析了各种改进方法的优劣。最后,对我国集成成像三维显示技术的研究现状进行了总结,并简述了本研究小组在该领域取得的若干研究成果。     

基于可编程LED阵列照明的透射体视显微镜EI北大核心CSCD

为了实现对待测样品高质量的体视显微成像,提出了基于可编程发光二极管(LED)阵列照明的透射体视显微镜。该显微镜光学系统使用可编程LED阵列作为照明双光源,照明孔径、角度以及波长均可自由选择,通过改变可编程LED阵列上红蓝圆形光源的半径r和圆心间距d分别实现对体视显微镜焦深和体视角的灵活可控。实验结果表明,该显微镜系统简便,观察者根据自身需要选择合适的焦深和体视角可有效解决因人眼瞳距个体差异大引起单一体视角出现的双像不能重合等问题,实现对待测样品的直接体视显微观看。使用数值孔径NA=0.1(4×)的显微物镜,在最佳参数r=2,d=3时可清晰观测到待测样品的层次关系以及相对位置等三维信息。     

基于可编程LED阵列照明的透射体视显微镜

为了实现对待测样品高质量的体视显微成像,提出了基于可编程发光二极管(LED)阵列照明的透射体视显微镜。该显微镜光学系统使用可编程LED阵列作为照明双光源,照明孔径、角度以及波长均可自由选择,通过改变可编程LED阵列上红蓝圆形光源的半径r和圆心间距d分别实现对体视显微镜焦深和体视角的灵活可控。实验结果表明,该显微镜系统简便,观察者根据自身需要选择合适的焦深和体视角可有效解决因人眼瞳距个体差异大引起单一体视角出现的双像不能重合等问题,实现对待测样品的直接体视显微观看。使用数值孔径NA=0.1(4×)的显微物镜,在最佳参数r=2,d=3时可清晰观测到待测样品的层次关系以及相对位置等三维信息。     

基于光场相机的四维光场图像水印及质量评价

光场相机通过在主镜组和传感器间特定位置设置微透镜阵列,在采集物方光强的同时可记录光线方向。提出一种在频域内对光场相机获取的四维光场图像加密的图像数字水印方法。植入信息经Base64编码后生成二维图像,并通过Aronld迭代对此图像进行均匀化处理,建立与原始光场坐标系匹配的虚拟计算光场,在四维傅里叶域内以切片替换的方式将加密信息植入原始光场中,实现光场图像加密,然后,基于二者坐标对应关系,应用傅里叶逆变换提取加密光场图像中的植入信息。搭建光场采集系统,应用本文方法对采集的原始光场图像进行加密处理。实验结果表明,加密光场图像信噪比高,与原始光场图像相关性强,加密光场图像无明显伪迹和失真,算法简便快捷,稳定可靠。     

Programmable aperture microscopy: A computational method for multi-modal phase contrast and light field imaging

We demonstrate a simple and cost-effective programmable aperture microscope to realize multi-modal computational imaging by integrating a programmable liquid crystal display (LCD) into a conventional wide-field microscope. The LCD selectively modulates the light distribution at the rear aperture of the microscope objective, allowing numerous imaging modalities, such as bright field, dark field, differential phase contrast, quantitative phase imaging, multi-perspective imaging, and full resolution light field imaging to be achieved and switched rapidly in the same setup, without requiring specialized hardwares and any moving parts. We experimentally demonstrate the success of our method by imaging unstained cheek cells, profiling microlens array, and changing perspective views of thick biological specimens. The post-exposure refocusing of a butterfly mouthpart and RFP-labeled dicot stem cross-section is also presented to demonstrate the full resolution light field imaging capability of our system for both translucent and fluorescent specimens.     

拉曼光谱编码的荧光液相生物芯片检测系统研究

随着医疗诊断需求的增加,生物分子检测技术越来越受到人们的重视,液相生物芯片技术作为一种高通量,多通道的分子检测手段在近几年得到了飞速发展。通过层层自组装方法制备以微片为载体的拉曼光谱编码液相生物芯片,并利用自行搭建的一套高灵敏度、高分辨率的光学系统,实现对液相生物芯片的定性与定量分析。光学系统由拉曼光谱检测系统与荧光显微成像系统耦合而成。在拉曼光谱检测系统中激光器发射出785 nm波长的激光,通过二向色镜,带反反射镜与物镜汇聚到样品上,样品产生的拉曼散射光,经物镜,带反反射镜,二向色镜与拉曼滤波片,最后通过凹透镜聚焦到光谱仪的狭缝上,光谱仪色散实现在线阵CCD上拉曼光谱的获取。荧光显微成像系统应用光学成像原理,通过调节凹透镜与405 nm的激发光之间的距离,使激发光通过物镜均匀的照射到样品之上,样品激发出的荧光,通过物镜,带反反射镜,二向色镜,滤波片与相应的凹透镜,最后成像到面阵CCD上。改进传统便携式拉曼光谱检测系统光路并选用相应波段的带反反射镜与焦距20倍的物镜完成拉曼光谱检测系统与荧光显微成像系统的耦合。为了减少两路系统之间的相互影响选用合适的二向色镜以及滤波片,在提高耦合系统获取数据的准确性中有着重要的作用。该系统通过对反应之后的液相生物芯片进行拉曼光谱检测,以完成对每个编码玻片的定性识别,即解码;同时激发反应后液相生物芯片的荧光并采集荧光强度图,根据每个解码玻片上的荧光强度值完成对目标检测物的定量分析。区别于传统荧光编码液相生物芯片, 拉曼光谱编码具有稳定性更强,光谱分辨率更高等优点。该光学系统集拉曼光谱检测系统与荧光显微成像系统于一体,解决了目前未有基于拉曼编码的液相生物芯片的检测系统的问题,并且可同时对多种目标物进行识别和定量分析,提升了实验结果的准确性。     

基于字典学习的稠密光场重建算法

相机阵列是获取空间中目标光场信息的重要手段,采用大规模密集相机阵列获取高角度分辨率光场的方法增加了采样难度和设备成本,同时产生的大量数据的同步和传输需求也限制了光场采样规模.为了实现稀疏光场采样的稠密重建,本文基于稀疏光场数据,分析同一场景多视角图像的空间、角度信息的关联性和冗余性,建立有效的光场字典学习和稀疏编码数学模型,并根据稀疏编码元素间的约束关系,建立虚拟角度图像稀疏编码恢复模型,提出变换域稀疏编码恢复方法,并结合多场景稠密重建实验,验证提出方法的有效性.实验结果表明,本文方法能够对场景中的遮挡、阴影以及复杂的光影变化信息进行高质量恢复,可以用于复杂场景的稀疏光场稠密重建.本研究实现了线性采集稀疏光场的稠密重建,未来将针对非线性采集稀疏光场的稠密重建进行研究,以推进光场成像在实际工程中的应用.     

Optimization of transmitting beam patterns of a conformal transducer array

A method is presented to calculate the driving-voltage weighting vector of a conformal array of underwater acoustic transmitting transducers to obtain a low-sidelobe beam pattern based on the measured receiving array manifold. The relationship among three quantities is given, which are, respectively, the radiated acoustic field, the measured receiving array manifold matrix and the driving-voltage weighting vector of the transducer array. Then, the driving-voltage weighting vector of the array is calculated using the optimization method to obtain a low-sidelobe transmitting beam pattern. At the frequency of 12.5 kHz, the receiving array manifold matrix of a 27-element conformal array is measured in an anechoic water tank. The driving-voltage weighting vector of the array is calculated using the proposed method. In addition, the computer simulation and experiments are carried out. The results agree well and show that the proposed method can obtain a low-sidelobe transmitting beam pattern and at the same time provide the largest amplitude of pressure in the axial direction when the maximum amplitude of the driving voltages of the array elements keeps unchanged.     

基于紫外LED阵列光催化降解抗生素的研究

抗生素的大量使用对生态环境造成巨大的影响,光催化技术具有操作简单且无二次污染等特点被广泛应用于污染物的降解。在光催化降解抗生素过程中,光源对其降解效率至关重要,与传统的汞灯催化光源相比,紫外LED技术具有更高的能源效率及更低的功耗,使光催化工艺发生了巨大的变化。首先建立基于紫外LED阵列的光催化平台,采用光栅光谱仪和紫外照度计对LED阵列光源光谱特性及装置内光场分布进行测量分析。结果显示紫外LED光源波长介于265～295 nm之间,其主波长为275 nm,由于光场叠加效果,光照强度随着装置径向位置距离的增大而明显增大,装置轴向位置光照强度分布较为均匀;其次通过三维超景深显微镜、UV-Vis光谱测量技术对P25型光催化剂的粒子结构进行表征分析,同时使用半导体求导公式对TiO₂粉末进行禁带分析,结果显示TiO₂为球形,由于空气中相对湿度过大,水在TiO₂微粒表面的润湿性加强了微粒间的粘附力,因此有团聚现象产生,其禁带宽度为3.1 eV;最后以紫外LED阵列和高压汞灯为催化光源,P25型TiO₂为催化剂分别对甲基橙、磺胺类抗生素进行光催化降解,使用紫外-可见光分光光度计测量降解过程中的吸收光谱曲线,进而对抗生素降解率进行分析。结果表明,甲基橙和磺胺二甲嘧啶在紫外LED阵列为光源条件下均能够被降解,分别经过160和240 min的催化降解过程后,降解率分别达到70%和36%,符合一级动力学方程,经计算LED阵列光源与汞灯对甲基橙的降解动力学常数分别为-0.007 5和-0.113 5 min-1,对磺胺二甲嘧啶的降解动力学常数分别为-0.001 9和-0.019 4 min-1。因此对甲基橙和磺胺二甲嘧啶进行降解时,汞灯降解速率高于紫外LED阵列;由于紫外LED阵列和汞灯系统在催化降解污染物过程中功率和其与反应器中轴线距离不同,对两种光源的抗生素降解效率建立评价方法,即对紫外LED和汞灯以单位功率为标准进行距离降解效率分析,对于甲基橙,汞灯在单位功率下的距离降解效率高于紫外LED,但对于抗生素,紫外LED阵列的距离降解效率明显高于汞灯。依据以上各类光谱分析和应用结果,紫外LED阵列是一种有竞争力的光催化应用替代光源,此技术的广泛应用为抗生素的降解提供新途径。     

Concave grating miniature spectrometer with an expanded spectral band by using two entrance slits

A new miniature spectrometer with two entrance slits is proposed to expand the spectral band. The proposed spectrometer is designed such that the two entrance slits share the same concave grating and detector array. The two slits are located at different positions such that the spectral range of the same light source incident on the detector array varies greatly between the two slits. Only one of the two slits is illuminated at a given time; as such, the two spectral ranges are sequentially measured. Theoretical calculation and experimentation are conducted to verify the proposed design.     

利用线列CCD像机交汇测量弹丸攻角

提出了一种新的测量弹丸攻角的方法。利用线列CCD像机交汇形成一光靶 ,测量弹丸通过光靶的瞬时位置 ,将获得的位置信息按时间序列进行排列后即可获得弹丸的攻角。首先分析了利用线列CCD像机交汇测量弹丸攻角的测量原理及可行性 ,在此基础上提出了实现这一目标的测量系统的组成与功能 ,然后对测量系统的攻角测量精度进行了分析和讨论。结果表明 ,在目前CCD狭缝像机还不具备实际应用条件的前提下 ,利用此方法可以解决狭缝像机不能实时测量的问题     

Discrimination of Smoke Particles Using Infrared Photoelectrical Detection

A method of discrimination of smoke particles using infrared photoelectrical detection is proposed in this paper. Principle of the method is that smoke particles of different materials have different scattering light intensities at same scattering angle according to Mie Theory. Facility used to realize the method includes an infrared laser as light source and an array of avalanche photodiodes distributed at assigned angles as sensing devices. Scattered light signal at these angles are collected and processed. Categories of smoke particle are discriminated by signal processing results. Experiments show that by using this method cigarette smoke, kerosene smoke and water vapor can be discriminated with rate of discrimination of greater than 95%. Application of this technology in the field of fire detection will eliminate some effects of human activities such as cigarette smoking and steam on smoke detection, and improve sensitivity as well as reliability of smoke detection.     

Theoretical calculation on distance amplitude curve of ultrasonic phased array

Ultrasonic phased array technology has been gradually applied to industrial nondestructive testing in recent years. The sound field of the focusing and steering beam radiating from the phased array is a nonuniform distribution in the spatial position so that the echo signals of same size defects will be changed according to defect positions. To analyze these defects quantitatively, a model-based method for the distance amplitude correction is proposed for the phased array system. Based on a non-paraxial multi-Gaussian beam model and flaw scattering models, an ultrasonic measurement model for the phased array system is proposed to calculate the echo signals from side-drilled holes at different positions. Furthermore, these model-based distance amplitude curves are compared with the traditional experimental results for different focusing and steering beams. The two methods have a good agreement.