基于单次曝光光场成像的全焦图像重建技术

为了实现大景深信息全焦面高质量成像,提出了基于单次曝光光场成像的导向滤波全焦图像重建技术:结合光场成像采集视场信息,并采用光场重建的方式获取多聚焦图像源集,利用导向滤波的方法确定各级图像融合权重,进行图像融合得到大景深的全焦图像.实验证明,提出的基于单次曝光光场成像的导向滤波全焦图像重建技术不仅有效保证了多聚焦图像背景...     

微结构形貌的光场显微三维重构分辨率增强技术

扫描式的测量技术是目前微结构表面形貌测量的主流技术,但需要高精度的机械扫描、较长的测量时间。针对其问题,结合光场显微技术和傅里叶叠层显微技术,提出了一种分辨率增强的三维重构技术,通过在常规显微成像系统中加入光学编码元件,使用单次曝光而获得被测工件的光学切片序列,基于傅里叶叠层显微技术实现了对切片图像横向分辨率的增强,克服了光场成像技术中的分辨率损失。实验证明,提出的三维重构技术对于微结构表面加工过程的在线测量具有较好的应用前景。     

透射式扫描近场光学显微镜探针光场分布及其受激荧光分子光场分布研究

通过利用经Grober发展的Bethe模型,计算了透射式近场光学显微镜探针针尖附近及进入样 品后的光场分布,研究了它的横向分辨率、透射深度、透射系数等问题.模拟在光学近场激 发下生物荧光分子成像的过程,研究了荧光分子的极化方向和入射光偏振方向对信号收集的影响,发现荧光图像是偏振极性和荧光分子极性共同作用的结果. 关键词： 近场光学 光场分布 荧光分子成像     

随机光学重构显微成像技术及其应用

光学显微成像技术在生命科学、生物医学、临床医学诊断和材料科学等领域有着非常广泛的应用。但由于光学衍射极限的存在,传统光学显微镜无法观察到纳米尺度的物质及生命活动,极大地限制科学研究和医学的发展。近年来,随着突破光学衍射极限的超分辨成像技术的不断发展,显微成像分辨率得到不同程度的提高。目前在基于不同原理的各种超高分辨率显微镜中,随机光学重构显微镜(STORM)分辨率最高,可达几十纳米,真正实现了单分子水平检测。着重介绍了STORM超分辨显微成像技术的原理、实验方法及其应用。     

显微镜景深拓展技术研究

随着生命科学需求的日益迫切,显微镜的景深拓展成为显微领域的一个重要发展方向,为了更好地了解、研究显微景深问题,对景深拓展技术进行研究与总结。以显微景深的大幅提升为出发点,就光学切片扫描、空间光调制、波前编码及光场显微4个方面进行了全面的综合性论述。对这些技术的原理、方式及拓展水平进行了阐述,并就其技术缺陷、发展方向进行了归纳总结。随着技术水平的提高,显微景深较传统显微镜可提高1~2个数量级。     

基于图正则化的高分辨率光场显微成像研究

针对光场显微成像中空间分辨率较低的问题,提出了一种基于图正则化的方法,并进行了光场超分辨率重建,得到了光场的高分辨率视图。首先,通过非周期性提取的方法,获得了光场的视角图;然后,将光场的超分辨率问题,转化为一个全局优化问题,利用光场视图之间的互补信息,进行正则化平滑处理;最后,用最速下降迭代算法,对目标函数最小化求解,重构出高分辨率视图。实验中,采用显微物镜、微透镜阵列以及CCD相机,搭建光场显微镜采集数据,使用图正则化的方法进行光场高分辨率重建;相较于传统方法,所提方法视差估计计算量较小,成像质量较高,并有效保留了原始光场结构。     

基于累积量标准差的超分辨光学涨落成像解卷积优化

超分辨光学涨落成像方法通过计算一组随机闪烁图像序列的累积量来提高空间分辨率.在实际实验中,由于计算的图像序列帧数有限,每个像素上累积量估计的误差将显著影响重构图像的均匀性和连续性.传统超分辨光学涨落成像技术由于缺乏对累积量估计的误差分析,在其后续的Lucy-Richardson解卷积算法中,没有对累积量重构图像的噪声添加约束条件.本文利用基于单组有限长数据的累积量标准差公式,计算了超分辨光学涨落显微图像每个像素上的累积量标准差,并将结果引入Lucy-Richardson解卷积算法中作为迭代优化的偏差阈值.模拟和实验结果表明,在相同图像序列长度下,该优化方法显著提高了超分辨重构图像的均匀性和连续性;在同等图像质量下,该方法可缩短图像序列帧数至原来的一半以下,有望用于活细胞动态超分辨成像.     

基于相机阵列的光学组件缺陷在线检测方法

利用调焦方式可以实现焦距的连续变化从而对不同物距下的光学组件进行在线检测,但是调焦过程操作复杂且对调焦位移精度要求较高,景深内光学元件缺陷无法区分,难以实现真正意义上的在线检测。因此,本文提出了基于相机阵列的光学组件缺陷在线检测方法。首先建立了相机阵列的成像模型并给出了数字重聚焦表达式以及空间分辨率的表达式。接着利用MATLAB模拟相机阵列成像过程和数字重聚焦过程。最后进行实验验证,通过二维位移台带动相机对不同物距下的多个光学元件表面缺陷进行成像获得阵列相机图像,通过数字重聚焦算法得到不同物距下的光学元件表面缺陷分布信息。实验结果表明,基于相机阵列的光学组件缺陷在线检测技术能够同时对位于景深范围内的光学组件进行在线检测。该方法在光学元件缺陷在线检测方面有着一定的应用价值。     

用于等离子体三维重建的光场反卷积方法

目前常用的光学诊断大部分局限于二维成像,而基于层析成像的三维重建方法受限于空间和时间分辨率,无法实现等离子体边界的三维实时重建。提出一种基于光学分层理论的光场反卷积算法,利用光场重聚焦特性,结合聚焦测距法和刃边法,建立了光场深度与现实深度的关系,计算出点扩散函数,实现了单相机零调焦情况下的等离子体边界重建。为验证所提方法的可行性,以火焰为成像对象进行实验,其结果表明所提方法能够去除火焰分层图像中的离焦模糊,复原分层图像的原始结构。     

不同荧光波长的双光子共焦成像分析

研究了双光子共焦显微镜中不同荧光波长对成像特性的影响,导出了不同荧光波长的三维脉冲响应函数和三维光学传递函数并进行数值计算.研究结果表明：不同荧光波长对双光子共焦显微镜的三维光学传递函数、三维脉冲响应函数和空间截止频率产生明显的影响,随着荧光波长的增大,分辨率明显下降,但不会出现单光子共焦显微镜中的失锥现象,选取适当的荧光波长进行成像,有利于进一步改善图像分辨率和成像质量.     

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.     

基于声光可调谐滤光器的显微光谱成像技术

为了解决传统声光可调谐滤光器(AOTF)成像模糊的缺点,设计了一种新的AOTF。该器件通过在传统的AOTF的出射孔后面放置一个自行设计的等边色散棱镜来实现对衍射光的色散展宽进行补偿,明显地提高了成像的对比度和空间分辨率。将此器件附加在传统光学显微镜上,获得了一种新型的光谱显微成像仪器。其光谱分辨率在575nm波长处为4.2nm、成像空间分辨率为2μm、图像采集速度为毫秒量级。为基于AOTF的光谱成像技术在生物医学等领域的更广泛的应用奠定了基础。     

荧光显微镜自组实验设计

利用光学支架、透镜、滤光片、平移台等在光学面包板上组装了荧光显微镜,组装仪器是集白光照明成像、激光激发荧光成像、荧光光谱探测等功能于一体的开放式系统.利用光学分辨率板白光照明条件下测量了荧光显微镜的空间分辨能力,采集了荧光样品CdTe/CdS量子点的荧光光谱和荧光图像.     

三维集成成像显示系统分辨率的测试模型设计

建立了三维集成成像显示系统的分辨率测试模型,对模型所采用的形状、比例和条纹宽度等进行设计研究.首先,根据集成成像技术多角度拍摄测试模型得到视差图;然后,根据二维分辨率测试卡的测试方法对视差图清晰度线进行标定;最后,计算视差图得到合成图像并显示到集成成像系统上,测试得到系统重构三维物体的分辨率.实验结果表明:该设计支持观察者测试不同角度、不同深度的显示分辨率,量化了集成成像显示系统分辨率.模型包含8级分辨率清晰度线,基本满足当前三维显示系统分辨率的测试范围,可用于测量集成成像显示系统的重构景深和视场角.     

基于光场成像的表面三维重构

传统的成像方式单次曝光只能获取物空间二维横向分辨率信息,无法获取纵向深度信息,导致单次拍摄过程中物空间的深度信息丢失, 无法对物空间的目标物进行三维重构。光场相机内部采用光场传感器,不同于传统成像系统单次采集只能获取二维信息而造成的信息缺失,光场传感器可获取物空间的多维光场信息,同时其还具有便携等优点。采用光场相机进行拍摄,利用数字重聚焦以及散焦测距和相关计算的方法,实现密集深度图像的获取,基于matlab软件平台,对所获取的图像深度数据矩阵进行处理,最终实现物空间的三维重构。得到物空间的相对深度的归一化结果。本实验中,在深度范围为100 mm~1 500 mm范围内,实现平均误差为5.47%深度信息的表面三维重构,最大重构误差为8.30%。     

基于辅助光学系统的KB显微镜瞄准方法

 研究了利用辅助可见光系统精确瞄准KB显微镜物点的方法。设计了工作能点8 keV的周期多层膜KB显微镜系统,通过光线追迹和X射线成像实验,得到5 μm空间分辨率所对应的视场和景深,进而计算出诊断实验对应的指向和景深要求。基于KB系统的物像关系和精度要求,设计了辅助的可见光成像系统,实现了可见光系统与X射线KB系统间的等效瞄准,利用耦合好的系统进行了瞄准和X射线成像实验。实验结果表明:辅助光路可以实现±20 μm的垂轴面和±300 μm的轴向定位精度,满足KB显微镜的瞄准要求。     

增大全息光学元件集成成像显示离屏距离的方法

为了提升全息光学元件集成成像3D显示的离屏距离,提出了一种采用计算全息波前设计,对集成成像显示时的每个像素发散角进行精细的调控,来实现增大3D显示的离屏距离的方法。通过对设计波前进行计算机仿真得到了66.0 mm的连续3D景深,基于空间光调制器的光学重建实验实现了140.0 mm的集成成像离屏距离和75.0 mm的连续景深3D显示。该方法可以为基于全息光学元件的集成成像3D显示提供一种很好的离屏、3D分辨率增强和景深增强解决方案。     

分波段照明法实现单透镜大景深成像

基于透镜色散原理,提出了运用分波段照明法扩大单透镜成像景深的方法.理论推导出物距和照明光波长之间存在正相关关系,据此选择相应波段的照明光源,通过照明光学设计,使不同物距的物体均能清晰成像在同一像面上.ZEMAX软件模拟结果与理论分析吻合.采用自行设计的图像采集系统,只用一个35mm焦距普通双凸透镜进行实验测试.人眼主观和专业软件测试结果均表明:采用分波段照明方式比用白光照明景深扩大81.8%,分辨率最大提升200.3%;比只用单色光照明景深扩大了93.6%,分辨率最大提升189.7%.     

基于相机扫描的太赫兹光场成像预处理方法

太赫兹光场成像是一种太赫兹波段内的计算成像手段。在太赫兹相机扫描成像的基础上进行了图像预处理和光场计算。针对太赫兹相机受器件性能限制导致输出图像存在噪声大、分辨率低和视场小等问题,对基于相机扫描的太赫兹光场成像进行了预处理,通过控制二维平移台,采集到一系列存在特定视角差别的目标图像;采取高通滤波方式对图像进行处理,得到噪声小、锐化程度好的图像;在不降低图像分辨率的基础上利用Harris特征图像拼接算法计算得到较大视场的图像。通过上述方法,有效地提高了光场成像质量,为实现太赫兹光场成像三维重构奠定了基础。     

显微热成像系统自适应位置标定方法

利用光学微扫描技术,可在不改变探测器结构的情况下,提高显微热成像系统空间分辨率。但为了获得高质量过采样重构图像,微扫描位置需要标定。基于零点定标,提出一种各点自适应定标的微扫描位置标定方法。模拟实际系统在定标前后的欠采样图像,采用不同重构方法进行仿真对比验证;完成了实际采集的欠采样显微热图像序列的重构对比实验。实验结果表明该方法明显改善了显微热成像系统的过采样重构图像质量,提高了系统空间分辨率。此方法还可以应用在其他光电成像系统中。