大焦深成像系统仿真实验研究

如何增大非相干光学成像系统的焦深是应用光学研究领域的热点问题.本文对采用高次非球面光学掩模板与图像处理相结合增大成像光学系统焦深的新方法进行了深入分析,建立了大焦深成像系统仿真实验模型,并进行了大焦深成像系统仿真实验.实验结果证明了该方法在维持原相对孔径的同时使光学系统在较大的离焦范围内有好的成像质量.实际应用中还要综合考虑模板参量、信噪比等关键因素.     

扩大光学系统焦深范围的光学成象新技术研究

如何增大非相干光学系统的焦深已成为一项有意义的研究主题.对于普通光学系统,其焦深与光学系统的相对孔径平方成反比.为了增大焦深,通常的做法是缩小相对孔径,但这种做法有其缺点:会降低光学系统的光通量及调制传递函数(MTF)和分辨率.本文提出了一种新方法,通过在光学系统光路中加入一特殊设计的非球面掩模板,并用图象处理技术对相位掩模板编码后的图象进行解码得到清晰图象.保证了光学系统在维持原有相对孔径的同时扩大其焦深范围,使光学系统在离焦范围内有好的成象质量.     

大焦深内窥镜光学系统设计

医用内窥镜技术要求在大的物距范围内实现清晰成像,但其使用环境又对系统尺寸及镜片数目的要求非常严格,难以利用传统方法实现光学调焦。在传统的光学设计中,通常依靠减小相对孔径来增大系统焦深,往往会造成许多负面影响。介绍了一种电润湿型液体可变焦透镜,并在这一新型元件的基础上,设计了一种微型可调焦光学系统。该系统依靠外加电压控制液体透镜焦距做微小改变,从而校正由于物距变化产生的离焦,增大内系统的焦深,同时保证系统的微型结构。这一设计将使内窥镜的使用更加方便,有着广泛的应用前景。     

带有波前编码板的虹膜采集光学系统的设计

设计了一款采用波前编码技术的虹膜采集光学系统,以实现大景深、自然非约束状态下的成像.以传统的光学系统评价指标斯特利尔比和能量集中度作为波前编码系统的成像特征,利用ZEMAX软件对波前编码系统进行设计,权衡了离焦不敏感性和图像可恢复性.比较了带有立方相位编码板和带有修正项的立方相位编码板的虹膜采集系统以及传统系统的焦深延拓效果.发现采用立方相位编码板的虹膜采集光学系统的焦深延拓效果最佳,其焦深是传统系统的8倍.该系统增大了虹膜采集的距离,对于自然状态虹膜成像系统设计有一定的参考价值.     

应用波前编码技术提高空间相机的稳健性

通常情况下,焦面在光学系统焦深范围内移动,空间相机像质变化较小,一旦移出焦深范围,像质将出现不同程度的下降。波前编码(WFC)成像技术具有很好的扩展焦深功能,能够使光学系统表现出离焦不敏感的特性。采用了扩展多项式在光瞳处引入三次相位分布,以光学传递函数作为系统像质衡量准则构建了自定义评价函数,进行了波前编码光学系统的设计,并搭建了实验装置。实验结果表明,复原后的波前编码图像不仅与原系统成像质量相当,并且在较大的焦深范围内保持一致,验证了波前编码技术提升空间相机稳定性的可行性。     

大口径红外离轴三反光学系统设计及公差分析

在空间光学领域中,光学系统的发展趋势为长焦距、大视场、轻量化、大相对孔径、高成像质量等。为适应该发展趋势,对大口径反射式光学系统进行研究,在共轴三反系统的成像理论基础上,为避免中心遮拦,提高成像质量,采用视场离轴方式,设计了一款大口径离轴三反式光学系统。该光学系统在奈奎斯特空间频率17 lp/mm处,光学传递函数MTF大于0.75,成像质量接近衍射极限。此外,光学系统公差的合理分配是影响相机总体性能的主要因素,运用公差灵敏度分析和反转灵敏度分析,计算各公差对光学系统成像质量的影响,给出了合适的公差分配,经过模拟分析,按照给定的公差加工装调,系统光学传递函数大于0.55。     

三次位相板编码系统的频率信噪比分析

建立了一个基于新型光学/数字成像系统（三次位相板编码系统—CPP系统）的信噪比模型.该模型主要考虑了读出噪音及散粒噪音两种探测器噪音,同时加入光学系统调制传递函数（Modulation Transfer Function,MTF）的影响,考虑不同空间频率下噪音对信号的影响,推导出频率信噪比模型.利用该模型对一个光学/数字成像系统进行信噪比分析,结果表明,利用该模型进行分析后此光学系统可达到的理论焦深扩展范围为5个波长.     

变焦光学系统的景/焦深延拓及其分析

变焦光学系统在连续变焦过程中,由于变焦曲线的计算和加工精度,导致实际像面离焦,成像质量下降。变焦系统的特点是长焦距对应窄视场,短焦距对应宽视场。将波前编码技术应用于变焦系统,在系统的光瞳面设置相位掩模,则扩展了原系统的焦深和景深,使调制传递函数对离焦不敏感,同时提高短焦距宽视场的边缘成像质量。文章对原系统和应用波前编码技术的新系统的成像特性进行了分析和对比,随后讨论了掩模板的相位因子对系统的景深、焦深延拓以及对像质的稳定作用。仿真显示:变焦波前编码光学系统对离焦不敏感,可以很好地扩大系统的焦深和景深、稳定边缘视场的像质,具有很高的实用价值。     

红外大变倍比连续变焦距系统光学被动式无热化设计

为了实现大变倍比连续变焦距红外光学系统的光学被动无热化设计,研究了连续变焦距系统的无热化设计基本理论及方法。提出了在大相对孔径大变倍比连续变焦距红外系统中采用光学被动式消热差的方法。推导出了连续变焦距系统光学被动消热差的计算方法。基于这种计算方法,设计了一个焦距30~150mm,长波红外工作波段在8~12μm,相对孔径1∶1.1的大变倍比、大相对孔径连续变焦距系统,并进行光学被动消热差设计,使系统在-30℃~60℃温度范围内MTF大于0.3满足成像要求。系统设计合理,成像质量满足要求,通过系统设计充分验证设计理论的可行性和实用性。     

基于MTF一致性的波前编码相位板参数研究

波前编码成像系统因能够在不降低系统分辨率和入射光能量的情况下扩大非相干光学成像的景深（焦深）而倍受关注。在波前编码技术理论的基础上,以波前编码成像系统离焦时的MTF和未离焦时的MTF的均方差来表征系统离焦时的MTF一致性,即系统的离焦不变性,分析得到了三次相位板系数的合理选取范围。利用模糊函数的性质和系统传递信息能力分析相位板系数的选择对系统传递信息的影响,从而确定三次相位板参数选择的依据。     

Three-dimensional integral imaging with large depth of focus by use of real and virtual image fields

We present an integral imaging method to enhance the depth of a three-dimensional image by displaying it throughout real and virtual image fields. When the product of depth and resolution square of the displayed three-dimensional image is used as a figure of merit in integral imaging systems, our method can maximize this merit especially when three-dimensional images with large depth of focus are displayed. The feasibility of our method is experimentally demonstrated by generation of elemental images by a computer.     

基于成像机理的小波包变换多聚焦图像融合

由于可见光成像系统的聚焦范围有限,因而在成像过程中,除聚焦良好的物体能生成清晰的图像外,该物体前后一定距离外的所有物体都将呈现不同程度的模糊.为了获得场景内所有物体均清晰的图像,在分析了多聚焦图像成像机理的基础上,提出了一种基于小波包变换的融合方法.它是将成像系统先聚焦在一部分对象上,得到其清晰的图像;然后再将其聚焦在另一部分对象上,得到另一清晰的图像;最后把这两幅实验图像加以融合,从而获得场景内所有物体均清晰的图像.实验结果表明,基于小波包变换的融合方法能够将信号的频带进行多层次划分,对高频成分也能进一步地分解,可有效综合多聚焦图像.     

基于光场成像原理和混沌系统的多图像加密方法

针对现有光学加密方法对加密系统要求高、受器件性能限制、加密效率低、解密图像易失真的局限性,提出一种基于光场成像原理和混沌系统的多图像加密方法.该方法利用混沌系统随机生成光场成像系统的个数与系统参数,并在计算机中构造出相应的多个光场成像系统;将多幅待加密图像拼接后置于光场成像系统中依次计算得到光场图像,通过提取光场图像的多幅子孔径图像并进行拼接,实现多幅图像的快速加密.解密过程为加密过程的逆过程.该方法将计算成像的方式引入加密过程,使加密不受硬件条件的限制,易于实现.实验结果表明,提出的算法密钥复杂度低,易于传输;对噪声有较好的鲁棒性,密钥空间大,密钥敏感度高,安全性好;加密效率高,解密图像无损失.在需要大量图像进行安全传输的领域具有广泛的应用前景.     

An f-Theta Lens Design for Bio-Medical System: Laser Scanning Microarray Reader

Laser scanning technology has put in microarray image system for its characteristic of non-contact measurement, high performance, and good sensitivities for the development of bio-technology. In the requirement of metrology, microarray biochip image has become more precisely and non-contact measurement like optical detector or ultra wave sensor is plenty applied in the imaging system. The paper provides the new type construction of laser con-focal microarray scanning and fluorescent detection system. The enabling key component, f-theta lenses, is designed as micro-meter focusing scanning lens. The scanner exploits the functional advantages and the optical system has small spot size, great linearity and large depth of focus. The system is expected to be simply operate, small hardware size, and fast speed. The optical design of the scanning lenses and the fabrication of scanner are also introduced and discussed     

Microscopic Computed Tomography Based on Generalized Analytic Reconstruction from Discrete Samples

We propose a computed tomography (CT) for the incoherent optical system based on a generalized analytic reconstruction method from discrete samples (GARDS), by which an object image defined in a continuous space is reconstructed from discrete images acquired through the imaging system. We apply this method to reconstruct depth structures of micro-specimens using conventional fluorescence microscopes. Also, we discuss the optimal sampling distance in the depth direction through a generalized singular value decomposition of a continuous-to-discrete imaging system. We next apply the GARDS-based CT method to a double-axis microscope, in which two microscopes are set up perpendicularly to cover a missing frequency band of each microscopic imaging system. We show simulation results which verify the effectiveness of our proposed method.     

小鼠卵母细胞染色体三维双光子荧光图像的轴向衰减

双光子荧光显微镜作为一种高分辨光学仪器,已经被广泛应用于生物样品的非侵入式三维光学成像中。相比共聚焦显微镜,双光子荧光显微镜拥有更深的探测深度。然而,即便如此,在对较厚的生物样品进行非侵入式光学三维成像时,样品的成像质量也往往会随着探测深度的增加而下降。在临床和生物学领域对研究母性遗传起重要作用的小鼠卵母细胞拥有较大的直径(80～100 μm),吸收和散射效应较为明显。本文研究小鼠卵母细胞染色体的三维双光子荧光图像随探测深度增加图像质量的衰减程度。通过对所得图像进行轴向衰减矫正,利用体积作为参数,将矫正前后小鼠卵母细胞内染色体三维双光子荧光图像进行对比。结果表明,由于吸收和散射效应,卵母细胞存在较严重的光学轴向衰减问题,因此,对用双光子荧光三维成像手段获得的小鼠卵母细胞图像进行衰减矫正是有必要的。这为进一步精确定量的研究卵母细胞内染色体的三维构像打下良好的基础。     

大口径精密表面疵病的数字化检测系统

 根据散射光成像原理,采用大小两个视场来获取不同精度的暗背景下的亮疵病图像,设计了完整的数字化表面疵病检测系统。该系统采用多区域自适应阈值分割算法对图像进行分割,然后采用基于等价归并标记方法快速提取疵病的特征参数,最后利用BP神经网络对疵病进行分类。实验结果表明该方法既满足实时性需求,又取得了较好的分类检测效果。     

多谱段短波红外小鼠静脉荧光观测成像研究

短波红外(short-wave infrared,SWIR)一般指900～1700 nm的光波段,是肉眼不可见的光波段,这种波段目前主流的探测器以InGaAs为主,主要用于军事、生物以及材料光谱分析等领域.短波红外荧光成像以其对生物组织光学损伤小、成像深度大、成像信噪比高、空间和时间成像分辨率高等特点,使得基于InGa...