可调焦胶囊内窥镜光学系统设计

为解决胶囊内窥镜分辨率与景深相互制约的问题,将一种单液体、电控、可变焦液体透镜应用到内窥镜光学系统中进行光学设计,在保证分辨率的同时,扩大了系统景深.采用CODE V软件进行设计,建立系统初始结构,构造液体透镜模型,基于液体透镜中液体的体积不变,曲率、孔径和厚度可变的结构约束特点,在MATLAB中计算出不同物距下透镜的曲率、孔径和厚度数据,将其导入CODE V的系统模型中,并提出了相应的优化流程.设计并优化带有液体透镜的胶囊内窥镜系统,实现了系统在3~100mm景深范围内的清晰成像,视场角大于110°,全视场范围内调制传递函数在40lp/mm频率下均大于0.3.     

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.     

基于菲涅耳透镜色散的双波长荧光显微深度成像

提出一种非轴向扫描的细胞显微深度成像技术,在显微系统中加入菲涅耳透镜,利用菲涅耳透镜的色散将不同激发光波长聚焦到不同的轴向位置,以实现对两个或多个焦平面同时成像.基于405nm和532nm两种激发光波长,在传统的荧光显微镜的激发路径中加入对应的两个成像探测器来探测两个不同焦平面所对应像面的成像信息,搭建得到一个能够实现探测深度约为12μm的基于菲涅耳透镜的荧光显微深度成像系统,并与基于显微物镜色差无菲涅耳透镜的荧光显微深度成像系统的成像深度和轴向分辨率进行实验对比.实验结果表明:加入菲涅耳透镜能够实现系统对不同焦面的同时成像;对于同一荧光波段,保证系统横向分辨率的同时,扩大了成像景深.该系统可以实现荧光生物细胞内部不同深度处的多波段同时探测.     

转换屏发光光谱对闪光照相成像质量影响研究

转换屏的X射线激发发光光谱与透镜系统的匹配偏差会对闪光照相光电接收系统的成像质量造成影响.提出了一种一维线阵全分辨的模拟计算方法,对在理想光源照射下系统成像视觉全分辨能力进行了模拟计算.用白光光源加滤波片照明分辨率板的实验方法,对不同光源照射下系统的成像质量进行了评估.分析表明,转换屏发光宽光谱及其中心波长与透镜系统不匹配均对成像分辨率造成一定影响,而对图像对比度造成较大影响.只有在透镜系统针对的消像差波段540～550 nm附近窄带发光的转换屏,其成像质量才能基本不受匹配影响,近似于模拟计算的结果.     

脉冲展宽分幅变像管场曲特性研究

介绍了一种脉冲展宽分幅变像管,并对其场曲特性和离轴空间分辨本领进行了分析.该分幅变像管采用多个短磁透镜将产生于阴极的电子图像成像于微通道板接收面.通过模拟仿真对透镜个数成像的场曲特性进行了研究,并通过实验进行了验证.仿真计算结果表明,采用多透镜可有效校正成像系统场曲,提高空间分辨率.当成像比例为1∶1时,在离轴30 mm处单透镜、双透镜、三透镜和四透镜成像面与高斯像面的轴向偏离分别为13 cm、4.7 cm、2.5 cm和1.7 cm.测试结果表明,采用四透镜成像系统的离轴调制度较单透镜提升了约40％.     

如何准确测定薄透镜的焦距

光学实验中,薄透镜焦距的测量是最基本的实验,常用的测量方法有:物距与像距法(简称为物像法),透镜二次成像法、自准直法、辅助透镜成像法、准直光管法等.除了自准直法和准直光管法外,无论使用哪种方法,都必须要直接测定像距.虽然从理论上说,物距和像距都可以近似地用从透镜光心算起的距离来代替而不必考虑透镜本身的厚度,因而测出的焦距一般较为准确,但由于视差、景深等因素的影响,使得在实验过程中难以准确地确定像的位置,故而使得实际的测量结果相当不准确.     

大工作距大相对孔径高分辨率的改进型Dyson光谱成像系统设计

基于反/折射球面罗兰圆建模和宽波段Dyson象散校正方法,解释了大相对孔径高光谱分辨率的Dyson光谱成像系统存在的大工作距设计难题。从工作距的角度,比较了已有文献中报道的三种Dyson光谱成像系统改进思路。在大工作距要求下,采取第一种思路,即在传统型Dyson光谱成像系统结构基础上,引入球面弯月透镜和平面-非球面透镜。建立了平面-非球面校正透镜的三阶像差模型,给出了改进型Dyson光谱成像系统。设计结果表明:改进型Dyson光谱成像系统具有12mm工作距,F/1.8相对孔径,在0.38~0.9μm谱段范围内光谱分辨率约为0.45nm,以及接近衍射极限的优良成像性质,MTF在全波段全视场100lp·mm~(-1)线处大于0.7,最大像面均方根值半径小于1.2μm。同时,系统的Smile(谱线弯曲)和Keystone(色畸变)得到了很好的控制,保证了获取光谱数据的一致性。改进型Dyson光谱成像系统具有大相对孔径和高光谱分辨率的特点,而且系统焦平面探测器和系统入射狭缝两者的彼此间隙位置合适,易于装配。解决了传统型Dyson光谱成像系统实际应用中工作距不足的问题,可为大气遥感、农林调查、海洋生物等领域的高光谱成像信息探测提供一个新型的高光谱成像系统,对光谱成像系统的发展具有良好的促进意义。     

透镜倾斜对焦距测量误差的影响

在测量透镜焦距的实验中,透镜倾斜是导致焦距测量误差的因素之一.由于透镜的倾斜导致测得的物距和像距不是真实的物距和像距,然后代入成像公式计算出的焦距值,必然严重偏离透镜的实际焦距值.文中推导出了透镜的焦距测量误差与物距及透镜的倾斜角二者之间的函数关系式,从理论上分析了焦距测量误差随物距和倾斜角的变化规律.结果表明:大物距情形比小物距情形的焦距测量误差要小,并且得到了实验验证.     

混合仿生鱼眼-复眼的广角高清成像系统

基于多尺度成像理论,采用混合仿生鱼眼-复眼结构,实现了大视场兼具高分辨率的光学成像系统设计。前级物镜系统为大直径球透镜,收集广角目标光线并成像到与球透镜同心的球面中继像面上;次级目镜系统是关于球透镜中心球对称的小口径透镜组阵列,对中继像进行像差校正并成像到探测器阵列上。对比了物镜采用双层同心球和单个球透镜的成像性能,后者可获得更优的成像性能且避免了双胶合球透镜带来的公差控制及力学与热稳定性问题。整个成像系统的视场大于100°,全视场内角分辨率优于10″,而畸变小于5%;系统具有大景深特点,不需调焦即可同时对300 m到无穷远目标清晰成像,可广泛应用于侦查监控等领域。     

3D打印衍射元件的高分辨太赫兹计算机辅助层析成像研究（特邀）

提出了一种由三维打印技术制作的用于0.3 THz波束调控的二元相位型衍射透镜,可产生轴向焦深为25 mm、腰斑直径为1 mm的太赫兹聚焦波束。将该聚焦波束应用于连续太赫兹波计算机辅助层析成像,不仅将成像分辨率提高到1.5 mm,而且由于扩大了系统景深,提高了成像保真度。这类利用三维打印技术制作的二元衍射元件可有效应用于低频太赫兹波段的光束调控,为太赫兹成像系统的性能优化以及聚焦元件的设计制备提供一种有效途径。     

利用变偏振光谱技术实现显微成像深度选择

在正交偏振光谱(OPS)微循环成像系统的基础上,提出了通过改变信号光的偏振态来实现成像深度的选择。传统的OPS系统利用的是正交线偏振光,只能获得图像在某一断层的二维信息,但作者通过控制系统起、检偏单元椭圆偏振光的椭圆度,可以在不进行机械扫描的情况下将成像光束聚焦在不同的断层,从而获得不同深度处的组织信息。构建的变偏振光谱成像系统将光源发射光谱与红血球吸收光谱相匹配,可以实现微血管的探测,且具有较高的信噪比。对一块含标记物的猪肉脂肪进行实验,并通过图像处理得到了对比度与信号光偏振态间的定量关系。实验结果表明：椭圆度由0°～45°增大,即从线偏振光向圆偏振光转变的过程中,对比度逐渐增大,可探测到的最大深度增大。最后利用该系统,对裸鼠耳廓微血管进行了变偏振光谱测量实验,实验证明了控制偏振态可以实现对血管不同深度的探测,为微血管断层光谱成像提供了一种新的研究手段。     

Panel-integration of natural light and the related system of light guiding and illumination

This Letter proposes an idea of a natural light illumination system by using a light collecting panel. The light collecting panel is coupled with a light guide followed by a specifically designed lens to achieve uniform illumination on a target screen. To assess the system specification, we build a primary model in three-dimensional modeling software and make ray tracing simulation based on a Monte Carlo algorithm. The simulation results show a relatively high efficiency of 41.41% for the entire system and achieve a high uniformity of more than 0.8 within the circular illumination area.     

压缩光场重建与深度估计

针对光场深度估计过程中数据量大、边缘处深度估计结果不准确问题,利用压缩感知原理重建光场,提出一种新的多信息融合的光场图像深度估计算法。利用压缩感知重建算法重建5×5视角光场数据,获取光场数据后首先移动子孔径实现重聚焦,然后利用角度像素块散焦线索和匹配线索计算出场景初始深度和置信度。计算图像边缘信息,通过融合初始深度、置信度、边缘信息获取最终深度。实现压缩光场仿真重建,并对仿真光场数据和公开光场数据进行深度估计,实验结果表明:可以仿真重建出5×5视角光场数据,且仿真重建的光场可用于深度估计。该深度估计算法在场景边缘处的深度估计结果边界清晰,层次分明,验证了重建光场深度估计的可行性与准确性。     

蝗虫视觉光谱效应与趋光响应光谱的对比测定

为给蝗虫诱导光场光谱的确定提供理论支持,探讨蝗虫趋光性视觉机理,利用AvaLight-DHS光源和AvaSpec光纤光谱仪系统,进行了蝗虫视觉系统接受光照能量刺激后蝗虫视觉光谱效应的测定,在此基础上,利用蝗虫趋光响应光谱装置,对照验证蝗虫趋光响应光谱差异性。结果表明：蝗虫视觉系统对430,545,610 nm单光光子的吸收程度显著且存在差异,行为响应表现为蝗虫对橙、紫、绿、蓝光光照具有选择敏感差异性,并以紫光响应活动强度最大,橙光响应程度最优,同时,蝗虫对光谱光子能量吸收具有选择差异性和光照时间的要求,而光谱的敏感程度及光照能量的强弱,影响蝗虫趋光定向响应程度,且蝗虫光感受器对光子能量强度的吸收转化,所致蝗虫趋光视觉生物光电效应的生理微反应,是蝗虫趋光响应的原因,因此,蝗虫视觉光谱效应,仅在蝗虫视觉生物光电效应被光谱光照激活状态下,才能呈现出光谱吸收效应的敏感性,依据紫光较强的粒子激发性,进行橙、紫、绿、蓝光谱光场机制的合理组合,可形成有效的蝗虫趋光诱集光场,然而,蝗虫趋光机理的阐述缺乏量化性数据,尚需进行光照刺激蝗虫的趋光行为、视觉电位及视觉光谱效应的测定对照,来完善蝗虫趋光机理。     

基于菌落挑选仪的暗视场照明的优化设计

针对高通量菌落挑选仪研发的照明设计,采用暗视场照明方式,在保证照度均匀的同时大幅提升了所采集菌落图像的对比度,以提高仪器整体性能。分析了影响照度均匀度的三个重要因素,LED环形光源中灯珠的投射角度、LED环形光源的阵列层数以及LED环形光源距目标面距离。模拟结果表明,当灯珠投射角度为75°、LED环形光源阵列为三层以及LED环形光源距目标面距离为61cm时,照度均匀度最优为93.16%。采用所设计的暗视场照明方式搭建实验系统,实验结果达到项目要求,并与软件模拟结果相匹配。     

Stray light analysis of low-level-light optical system with LightTools software北大核心CSCD

为解决低照度微弱信号探测的微光光学系统杂散光问题,研究了杂散光的原理和特性。利用光学系统建模软件LightTools对微光光学系统进行仿真建模,并开展杂散光分析。为减少杂散光,在物镜筒的筒壁加工消光螺纹,并针对不同形式的消光螺纹,开展了能量仿真模拟。仿真结果表明,采用螺距0.35 mm的消光螺纹,能够将杂散光系数从7%降低到4%。仿真分析结果与实验结果一致,为其他微弱信号探测光学系统在设计阶段对杂散光进行消除提供了指导。     

国家自然科学基金(40776059)资助

为了克服水下探测中后向散射光背景噪音的影响,提出了非均匀光场水下探测方法,推导得出非均匀光场的照度分布函数与接收口径、目标与接收器的距离以及海水的体积衰减系数几个因素有关.通过搭建集束光水下图像系统,对其产生的非均匀光场的分布特性和水下探测特性进行了水池实验.观测结果为,在0.6倍能见度下,可分辨1 mm细节,在1倍能见度时,可分辨目标轮廓,在1.5倍能见度时,可探测到目标.结果证明,该系统具有宽视角、全景深、图像清晰度高等特点.     

基于LD激发荧光粉白光光源的窄光束照明光学系统设计

蓝光半导体激光器激发荧光粉产生白光光源技术发展迅速,但由于大功率蓝光半导体激光器在快轴、慢轴方向的光场分布差别较大,使得日前激光照明整体光学性能仍旧较差,难以实现大规模推广应用。针对该问题,设计了一款高质量激光照明光学系统,基于蒙特卡洛光线追踪理论,对激光光束进行准直调控、均匀光斑整形以及对荧光片进行设计,使得整体光源模块各元件得到最佳整合,最终实现了窄光束激光照明。仿真结果表明:激光光源的光收集率达98.3%,激光光斑的不均匀度为1.7%,白光均匀度为98%,光斑是出射准直角为1.6°的方形窄光束白光光斑。     

多波长激光探测微小摄像头机理研究北大核心CSCD

基于激光不同波段的探测传输特点,通过分析典型微小摄像头的回波传输特性,提出了一种针对多波长激光特征检测微小摄像头的研究方案。利用几何光学和波动光学理论,分析微小摄像头结构及其反射光谱特征,计算并仿真了一定探测距离下的回波光场,在此基础上搭建多波长激光检测系统。实验结果表明,在一定的景深范围内,具有红外截止滤光片的微小摄像头对可见光的回波光斑衍射环特征明显、条纹对比度高且可探测距离远;近红外波段的目标回波功率低、后向散射干扰严重,可探测距离近;短波红外波段几乎不受红外截止滤光片影响,且1550 nm处于人眼安全波段。实验结果与数值分析、理论仿真结果一致,验证了短波红外激光用于探测微小摄像头的可行性。     

皮肤组织容积脉搏波400~1000 nm光谱特性仿真研究

根据皮肤组织解剖结构特性建立了六层层状模型,并给出了皮肤组织各层的特性参数;考虑了氧合血红蛋白和还原血红蛋白的吸收特性,依据皮肤组织各层的水、血、脂肪、血氧饱和度含量以及血管大小给出了皮肤组织各层的光谱吸收系数;对不同波长散射系数做了适当简化,给出了皮肤组织各层的光谱散射系数。利用蒙特卡罗方法仿真血管组织在收缩与舒张两种状态下, 400~1 000 nm波长光在皮肤组织多层模型中的传输过程,并通过统计大量光子的分布特性,获得了皮肤组织光谱反射系数,并利用模拟所得的两种状态下的反射系数计算得到了光谱容积脉搏波幅度。仿真结果表明,当入射光强一定时,绿光的容积脉搏波幅度优于红光和蓝光。通过计算不同波长光沿皮肤组织深度方向光能流率衰减为1/e时对应的皮肤组织深度,获得了皮肤组织光谱穿透深度。结果显示,血管舒张状态下蓝光和绿光的穿透深度较小,蓝光大部分只能达到表皮层,绿光能到达微循环层,红光可直达真皮层。考虑到光在皮肤组织中传播包含了一个从收缩到舒张的动态过程,基于此,根据穿透深度定义了脉搏波信号产生深度,利用血管舒张与收缩两种不同状态下的穿透深度计算得到了光谱产生深度。结果表明,不同波长光产生深度大于其穿透深度,蓝光产生深度较浅,且其受到的血液吸收调制较小,因而其获得的脉搏信号易受噪声干扰;红光的容积脉搏波产生深度较大,但是相比于绿光其受血液吸收调制较小,且绿光产生深度足够达到真皮血管层,因而红光容积脉搏波的幅度小于绿光。上述仿真结果明确了皮肤组织部分光谱特性,为皮肤组织多光谱容积脉搏波的精确获取及其他相关研究提供了一定的理论基础。