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。     

基于深度学习的虚拟相衬成像方法

对于传统的显微镜来说,其相衬成像模式需要通过配备专用光阑、聚光镜或者在物镜上添加嵌件来实现,这就增加了相衬显微成像的难度和成本.鉴于此,本文提出了一种基于深度学习算法的虚拟相衬成像方法,只需要采用一台普通的光学明场显微镜获取细胞明场图像,然后使用深度学习方法,就可以将明场图像转换成相衬图像.将虚拟相衬图像与显微镜获取的标准相衬图像进行对比,对比结果证明了这种虚拟相衬成像方法的有效性,为低成本相衬显微成像提供了范例.     

CCD成像在线测量玻璃棒直径的方法研究

近年来,CCD成像在线测量技术得到广泛的应用.提出了一种可应用于玻璃棒直径在线测量的图像测量方法.该方法利用CCD成像技术实时动态获得玻璃棒的在线图像;根据玻璃棒图像的特点,使用图像处理技术提取玻璃棒的轮廓边缘信息;并使用亚像素边缘检测技术精确确定玻璃棒的边缘位置.最后采用直线拟合的方法动态实时获得所测玻璃棒的直径.其方法代替了传统的手工测量,而且易于机器自动反馈控制玻璃棒的直径变化.实验表明此方法达到了理想的测量结果.     

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.     

双光子激光扫描显微镜中折射率失配引起的图象变形研究

双光子激光扫描显微镜(TPLSM)在观察生理溶液中的生物样品的结构时,水浸物镜是最好的选择.但是TPLSM在进行生物样品的三维结构观察时,需要样品和物镜在Z轴方向上做相对移动,这种移动很容易引起样品在水溶液中飘动.为了防止这种样品的漂移,往往要在水物镜和样品之间加入盖波片.由于盖波片和水及样品间的折射率失配将会导致TPLSM荧光图象的变形,给观察结果带来误差.本文主要利用TPLSM的外源探测器(ex-ternal detection)观察荧光小球的TPLSM的荧光图象,比较插入盖波片前后小球荧光图象的变化情况,研究水浸物镜在插入盖波片后折射率失配引起TPLSM图象的变形程度及共焦小孔对改进图象变形的作用.结果显示盖波片的折射率失配不仅导致TPLSM荧光图象的畸变,同时还导致TPLSM图象的荧光强度和信噪比的下降.进一步的研究表明共焦小孔可以部分改进由于折射率失配引起畸变的TPLSM荧光图象的质量.     

单光束光镊实验与理论分析

给出了一种实现稳定捕获微小粒子及其显微成像的单光束光镊实验系统,基于此系统研究了单个二氧化硅微球的动态捕获过程.实验中发现要稳定捕获粒子的同时还能够实时观察粒子的运动变化,必须保证物镜的聚焦平面与CCD的成像平面重合.其次,聚焦物镜的数值孔径与激光功率的大小,对实现粒子的稳定捕获具有重要的影响.实验结果与理论分析表明物镜的数值孔径越大、激光功率越大,粒子的捕获力越大,可实现微粒的稳定捕获.此研究有望在大学物理教学及生物的微操控领域具有一定的参考价值.     

无造影剂增强的超快超声脊髓微血管成像方法

微小血管及其血流实时成像对监测生物体血氧代谢等具有重要意义.在无微泡造影剂的情况下,传统超声多普勒技术仍较难实现高信噪比的微小血管成像.本研究提出了一种无造影剂增强的超快超声脊髓微血管成像方法.本研究从基于多角度复合平面波的高帧频成像技术出发,提出基于特征值分解的频率-幅值双阈值滤波法,从而将脊髓组织信号和微血流信号分离,可实现脊髓内微血流的动态成像.在体成像实验结果表明,无超声造影剂时,超快超声多普勒成像技术仍可获得较为清晰的大鼠脊髓内微血流的实时图像,并能够清晰地呈现脊髓受损所致的微血流缺失状况.定量分析结果表明,增大复合平面波角度数可有效提高图像的信噪比.综上,超快超声多普勒成像技术有潜力被应用于脊髓内微血管成像及功能实时监测与动态评价,相关结果可为脊髓功能成像方法的研究提供借鉴.     

轴向多光阱微粒捕获与实时直接观测技术

传统的光镊技术使用单个物镜同时进行光学捕获与显微成像,使得捕获与成像区域被限制在物镜焦平面附近,无法同时观察到沿光轴方向(即Z向)捕获的多个微粒.本文提出一种轴平面(XZ平面)GerchbergSaxton迭代算法来产生沿轴向分布的多光阱阵列,将轴平面成像技术与光镊结合,实现了沿轴向对二氧化硅微球的多光阱同时捕获与实时观测.通过视频分析法测量了多个二氧化硅微球在轴向光镊阵列中的布朗运动,并标定了光阱刚度.本文提出的轴向多光阱微粒捕获与实时观测技术为光学微操纵提供了一个新的观测视角和操纵方法,为生物医学、物理学等相关领域研究提供了一种新的技术手段.     

表面疵病动态彩色编码融合成像检测技术

表面微小疵病在用不同波长的光照明时,其光学图像会存在不同程度的非线性放大畸变现象,对成像信息中的目标提取和信噪比(SNR)将产生一定的影响。提出利用红、绿、蓝三基色光源辐照下的疵病图像进行动态彩色编码成像的方法,经像素级图像融合后可实现高冗余信息的图像合成,从而在获取表面微小疵病丰富细节的同时可进一步提高信噪比。分析了针对三基色图像进行彩色编码的理论,提出了基于图像梯度的动态权值融合成像方法,同时给出了光谱非线性放大信号的噪声分析模型,通过理论分析和数值模拟两方面,充分验证了动态权值融合降低标准偏差的有效性。在明场表面疵病成像实验中,采用三基色平衡响应的彩色互补金属氧化物半导体(CMOS)相机,分别获取了单个微米量级表面疵病点的三基色滤波图像,并通过与传统边缘提取、非动态权值组合等方法的结果比对,验证该优化方法可得到一幅细节更为丰富的高SNR图像。在暗场表面疵病成像实验中,以图像灰度平均梯度和提取到的疵病数量为评价参数,即从优化图像质量和疵病识别能力两个方面,进一步验证该优化在高保真和低噪声方面的有效性。提出的动态彩色编码融合成像方法可有效降低光谱非线性放大带来的噪声。     

基于波前相位调制的宽视场光片显微镜研究

为解决光片显微镜成像视场范围小的问题,通过光束波前相位调制与图像拼接技术实现了光片显微镜对样本的宽视场成像。数值模拟了照明光束在波前相位调制后物镜聚焦面处的光强分布。搭建了光片显微镜光路系统,并对荧光微球、菊花花粉进行成像实验。采用片状照明光束对不同聚焦位置处的样本进行成像,再将图像进行剪裁、拼接得到宽视场成像结果。实验结果表明,488nm激发光通过数值孔径为0.3的物镜照明样本成像,可在保持光片厚度为0.81μm的情况下达到31.93μm的成像视场,视场扩展到原视场的3倍以上。仿真和实验表明,采用光束波前相位调制与图像拼接技术可在不损失层切能力的前提下扩展光片显微镜的成像视场。     

新型生物芯片扫描仪光学系统设计

传统生物芯片检测扫描仪光学系统的特点是分辨率高、孔径大,但工作距离较短,一般只有1mm左右,有的甚至更短。由于组织芯片、细胞芯片等需要进行实时添加药物与试剂,工作距离越大操作越方便,因此扫描仪光学系统需要具有很长的工作距离。介绍了一种用于组织芯片、细胞芯片扫描仪的新型光学系统。该光学系统的工作距离为15mm,数值孔径为0 67,物方分辨率<350nm。这种新型光学系统首先是要确定物镜的光学结构,然后再通过计算机辅助设计方法设计出成像质量优良的物镜。     

一种使用高灵敏度荧光显微镜系统进行活细胞研究的方法

利用显微镜进行细胞观察和实验，一般的做法都是将细胞做成切片，细胞难免会受到损伤，从而影响实验及观察结果。为了使细胞研究更为准确，便于临床应用，开发、研制活细胞的观察工具是必由之路。以高灵敏度荧光显微镜为基础，合理设计了一种新型暗场照明器。这种新型暗场照明器的工作距离可达３００ｍｍ，完全可以满足为活细胞滴加试剂的需要，已采得经过荧光染色的活细胞图像。这一设计解决了一个非常实际的问题，为活细胞的医学研究奠定了坚实的基础。     

基于双螺旋点扩散函数工程的多焦点图像扫描显微

在传统共聚焦显微技术的基础上,图像扫描显微技术使用面阵探测器来代替单点探测器,结合虚拟数字针孔并利用像素重定位和解卷积图像重构算法将传统宽场显微镜的分辨率提高一倍,实现了高信噪比的超分辨共焦成像.但是,由于采用逐点扫描的方式,三维成像速度相对较慢,限制了其在活体样品成像中的应用.为了进一步提高图像扫描显微术的成像速度,本文提出了一种基于双螺旋点扩散函数工程的多焦点图像扫描显微成像方法和系统.在照明光路中,利用高速数字微镜器件产生周期分布的聚焦点阵对样品进行并行激发和快速二维扫描;在探测光路中,利用双螺旋相位片将激发点荧光信号的强度分布转换为双螺旋的形式;最终,利用后期数字重聚焦处理,从单次样品扫描数据中重构出多个样品层的超分辨宽场图像.在此基础上,利用搭建的系统分别对纤维状肌动蛋白和海拉细胞线粒体进行成像实验,证明了该方法的超分辨能力和快速三维成像能力.     

基于离焦的微操作机器人系统光轴方向深度测量

在分析显微物镜成像原理的基础上,提出并实现了一种微操作机器人系统光轴方向深度测量方法,该方法通过显微物镜离焦光学传递函数（optical transfer function, OTF）建立物方离焦程度与显微图像模糊程度的关系,由此实现深度测量.由于考虑了透镜参数与衍射效应的影响,方法具有较高的测量精度和较好的线性度,同时利用条状物体快速辨识算法,对原始方法进行了简化,使深度测量可在线完成.进一步,将上述方法应用于实际微操作机器人系统,通过离焦状态双针互插实验验证了方法的有效性,同时拓展了微操作机器人系统的有效操作空间. 关键词： 深度测量 微操作机器人 显微镜系统成像模型 光学传递函数     

光学元件损伤在线检测装置及实验研究

 利用暗场成像原理，研制成功一套应用于大型激光装置的光学元件损伤在线检测装置，并在多程放大系统上进行了实验研究。与传统的检测手段相比，该检测装置可以实现对光学系统的在线检测，并可对损伤点的图像进行分析处理，最后提出通过减小像差和扩大检测范围的方法来改进该装置的检测效果。     

基于DMD的高动态范围场景成像技术

为了对高动态范围场景进行实时有效的观测,设计了一种采用数字微镜器件作为空间光调制器的成像系统.通过改进数字微镜器件的驱动时序,提高数字微镜扩展成像系统动态范围能力.针对光学系统存在畸变,采用多项式拟合法获得数字微镜器件到图像传感器的精确映射关系.针对一般调光算法导致调光后图像可视性差的问题,引入色阶映射算子生成调光模板,获得符合人眼视觉特性的调光结果.实验结果表明,在10帧/s的条件下采用数字微镜器件可提高传统成像系统动态范围66dB,成像系统总的动态范围达到126dB,图像传感器控制准确度达到0.69个像素级别,调光后场景高亮目标与暗背景可同时观测到,调光后采集图像的信息熵得到提高,系统满足对高动态范围场景实时成像观测的需求.     

基于Hadamard优化矩阵的多分辨显微关联成像研究

为满足显微成像领域的多样化需求,解决实际应用中成像质量与成像时间之间的矛盾,提出一种基于数字微镜器件的多分辨显微关联成像方法.该方法利用LED光源作为背景照射光源,对科研级荧光正置显微镜原光路改装设计为关联成像光路,采用多分辨Hadamard优化矩阵作为数字微镜器件的预置图样,实现了生物组织样品的连续多分辨成像.实验结果表明,多分辨显微关联成像系统的分辨率可达218 nm,单组测量后可同时输出8组不同分辨率图像,能够根据实际应用中不同图像质量需求选择不同的分辨率,减少成像时间和存储空间,极大地提高了显微成像的灵活性.这种新型多分辨显微关联成像方法可以扩展至细胞筛选、细胞实时成像等领域,对推动关联成像在细胞和生物组织显微成像领域的应用具有重要意义.     

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.     

非平行光干涉照明显微镜三维形貌检测研究

为实现表面微观形貌快速而较简单的检测, 一种使用非平行光干涉照明的光学显微三维形貌检测方法被提出。该方法使用空间光调制器对激光光束进行衍射, 选取光强相近的2个衍射级通过显微物镜, 双光束干涉可得到周期接近图像分辨率、相位可精确调节的照明条纹, 被测样本的三维形貌可通过拍摄4帧等相位差的条纹照明图像来计算得到。该方法不需借助干涉物镜产生条纹, 不需要轴向扫描装置记录条纹变化, 相位调节精确, 成像直观。此外, 该方法所产生干涉条纹的相位随坐标线性变化, 不需对条纹周期进行修正。因为照明条纹参数调节光路独立于显微成像光路, 系统装置具有光路简洁、易于调节的优点。为验证所提出三维检测精度, 以粗糙度100 nm的粗糙度对比模块和硅片为被测样品进行了三维轮廓重建实验, 实验结果显示, 所提出方法轴向重复性测量精度为8.6 nm(2σ)。     

一种成像式亮度计校正方法北大核心CSCD

采用图像传感器的成像式亮度计可通过短焦距成像物镜实现大视场和空间分辨的亮度测量,但仍存在图像传感器像素非线性响应,短焦物镜产生的强烈渐晕效应及图像边缘畸变等问题。因此提出了一种成像式亮度计校正方法,利用标准辐射源法进行线性校正与平场校正,以获得线性修正系数和平场校正矩阵,通过几何坐标标定法获得畸变校正矩阵。采用焦距为12 mm的物镜及200万pixel的图像传感器搭建了成像式亮度计,经校正后完成了液晶显示屏发光亮度测量,与商用分光辐射亮度计进行了对比测试,测量相对误差不超过±2%,实现了大视场高精度空间分辨亮度测量。