基于最优化线性波数光谱仪的谱域光学相干层析成像系统

相比传统光谱仪,基于线性波数光谱仪的谱域光学相干层析(OCT)无需对非线性波数干涉光谱数据进行重采样和插值,可大大减少数据计算量并提高成像灵敏度.通过模拟计算干涉光谱信号和点扩散函数,以点扩散函数半峰全宽值的倒数作为评价准则,可以优化包括色散棱镜材料的折射率、顶角角度以及衍射光栅和色散棱镜之间旋转角角度的线性波数光谱仪的结构参数.根据优化结果,实验中选用F2玻璃等边色散棱镜,以光栅-棱镜间旋转角角度为21.8°搭建了最优化线性波数光谱仪,并引入谱域OCT成像系统.实验测得成像系统的轴向分辨率达到8.52μm,灵敏度达到91 dB,6 dB成像深度达到1.2 mm.结合具有通用并行计算能力的图形处理卡,在无需重采样和插值的情况下可实时处理和显示人手指指甲皮肤接缝处的横断面OCT图像,验证了基于最优化线性波数光谱仪的谱域OCT系统的成像性能.     

基于复数主从光学相干层析成像相位信息的离散界面快速定位方法

鉴于谱域光学相干层析成像(spectral-domain optical coherence tomography, SD-OCT)系统通常存在非线性采样与色散失配等问题,需要额外的数据处理步骤.此外,所需要的成像区域往往是整个成像区域的一小部分,对于整个成像区域的计算带来了算力资源浪费,而且在离散界面的定位方面,有限的轴向分辨率下亚像素偏差的存在限制了界面的测量精度.针对以上问题,本文提出了一种基于复数主从(complex master slave, CMS)OCT相位信息的离散界面快速定位方法.联合谱域与深度域的相位信息,精确求解CMS-OCT的重建模板,并利用CMS-OCT的相位信息,实现高精度的光程差检测与离散界面定位.最后,通过精密光学量规和光学透镜离散界面实验验证了所提出方法能够在快速定位的同时,保持较高的分辨率和稳定性.本文所提出的方法有效地解决了SD-OCT系统的非线性采样与色散失配问题,实现了局域范围内的高精度界面快速定位,有望促进SD-OCT在光学透镜离散界面测量方面的应用.     

色散型光谱仪采样调制传递函数及对高斯型光谱谱线的影响

光电探测器参数的选择对色散型光谱仪性能具有重要影响,有必要对光谱仪中光电探测器的离散采样过程进行深入探讨.文章从频率域的角度出发,建立了采样模型,探讨了输入余弦信号的空间频率、光电探测器采样的像元宽度及像元的初始相位对采样结果的影响.引入取整函数,给出了统一的采样调制传递函数表达式,提出并计算了平均采样调制传递函数,消去了初始相位的影响,便于实际应用.对于色散型光谱仪光学系统产生的典型高斯型光谱谱线,将高斯谱线的傅里叶变换与平均采样调制传递函数相乘,得出了光谱仪整系统的调制传递函数表达式.在频率域分析了采样过程的平均混叠误差与空间频率的关系,研究了平均混叠误差极大值与高斯光谱谱线宽度的关系,并给出了要精确恢复谱线所需谱线宽度的阈值.该阈值对于光谱仪系统的光学参数选择有重要的参考意义.     

基于彩色交叉条纹的相机标定北大核心CSCD

针对相位标靶标定相机需采集多幅条纹图获取相位的问题,提出了一种基于彩色交叉条纹的相机标定方法。本方法在每个标定位置仅需一幅条纹图就可以完成特征标识点的提取;通过液晶显示屏显示一幅红蓝交叉条纹图像,由相机拍摄,采用傅里叶变换和多频外差法分别得到水平和垂直方向的绝对相位;根据相位标靶的空间位置与图像中绝对相位的精确对应关系,标定相机内参,采用非线性最小二乘法优化。基于重投影误差的实验结果表明,本方法可以快速精确的实现相机标定。     

扫频光学相干层析成像系统的波数校正与相位测量研究

相位敏感光学相干层析成像(OCT)系统可以用于高灵敏度的相位探测,在细胞分析、材料检测等方面具有重要应用,但扫频光源的不稳定性会影响扫频OCT系统的相位测量精度.本文提出了一种基于马赫-曾德尔干涉仪(MZI)时域相位信息的波数校正方法.利用MZI时域包裹相位的互相关运算确定各采集波数序列的相对偏移量,鉴于时域包裹相位的非严格周期特征,可确定偏移量的大小不受限制.依据相对偏移量对各序列信号进行时域同步,并基于同步后的MZI时域解包裹相位实施待测干涉信号在位相域的等间隔重采样.基于所提出的波数校正方法,实施了各扫频序列波数偏移量的校正,开展了基于位相信息的光程重复性测量实验.结果表明,即使在不稳定扫频光源的前提下,也能获得高精度的相位测量结果.     

幅值和相位配准技术及其在光学相干层析血流成像中的应用

频域光学相干层析系统中扫描机构定位精度、 机械抖动及样品移动会造成A扫描信号幅值和相位发生波动, 影响生物组织成像质量. 利用最小灰度差匹配、Lorentzian曲线极值拟合和谱域光程差补偿等方法对A 扫描信号进行幅值配准. 通过对A扫描信号相位分布特征的匹配实现相位差检测与配准. 通过求已配准的A 扫描复信号之差, 消除静态组织对血流成像的影响. 进行了人眼扫描实验, 有效提取了视网膜三维血流图像. 实验结果表明, 提出的幅值及相位配准方法大大减小了系统扫描精度、人眼跳动等因素对生物组织在体成像质量的影响. 快速、精确的相位配准方法也可广泛应用在多普勒OCT、相位显微等与相位分辨有关的光学成像领域. 关键词： 频域光学相干层析 配准 血流成像 相位分布特征     

基于图像自标定的3D打印模型高效生成方法

为了克服三维重建高度依赖标定板,满足3D打印模型的工业需求,提出基于图像自标定的高效3D打印模型生成方法,无需借助标定板计算相机参数,直接使用单相机采集序列图像进行三维重建。为了克服基于自标定方法易受图像质量和特征点匹配精确度的影响,根据人机交互与自适应分割算法相结合的方法去除原始图像背景及过滤噪声,使图像感兴趣区域特征更为明显,采用快速稳定特征算法提取序列图像中特征点并根据特征点的匹配度进行精确的特征点匹配,再使用匹配信息自标定求解得到相机模型参数,最后根据相机模型以及特征点信息完成三维目标的稠密重建。实验结果表明,自标定及重建方法对大小各异,表面材质不同的目标均可实现重建。     

基于傅里叶条纹分析的多摄像机标定方法

提出一种新的摄像机标定方法,该方法基于2D共面参照物摄像机标定方法和傅里叶条纹分析方法.将已知相位分布的平面二维正弦灰度调制条纹图作为平面标定靶,通过傅里叶条纹分析方法计算出两个截断正交相位分布,利用截断正交相位分布并结合二维正弦条纹图特点提取相应的图像特征点,建立像素坐标与2D平面坐标的对应关系.将该二维平面靶在摄像机成像空间中放置不同的位置,并完成相应的特征点提取,根据2D共面参照物摄像机标定方法即可完成摄像机标定.该方法利用平面相位测量的高准确度来提高标定特征点的提取准确度,从而提高标定准确度.实验对双摄像机系统进行了标定,标定后该系统对标定靶进行测量,标准偏差达到0.010 mm.     

摄像机标定中的特征点自动提取方法

提出了一种在复杂背景下,无需人工干预、自动提取二维正弦标靶特征点的方法。以液晶显示器作为平面标靶,标定图像为正弦强度条纹。摄像机拍摄标定条纹图后,算法根据条纹调制度自动分离背景和有效条纹区域;先将水平和垂直相移条纹的截断相位进行相位展开,再将两个相位分布构造成新的二维正交条纹图,通过多项式拟合建立各相位分布与其像素坐标的关系,以正交条纹亮点(对应相位为2π)作为标定特征点,并对这些亮点进行定位操作,获取其对应的亚像素坐标;最后利用展开相位的级次与条纹周期信息自动计算出它们的世界坐标,用于后续的摄像机标定。与常用的二维棋盘格对比实验结果表明,该方法标定结果可靠,而且精度更高,最为关键的是,该方法无需人机交互的手动操作,自动易行,可在以二维正弦条纹为标靶的摄像机标定中推广应用。     

基于界面信号的扫频光学相干层析成像系统相位矫正方法

由于扫频光源的采集触发信号和采样时钟信号存在时间上的随机延时,导致扫频光学相干层析成像(SS-OCT)系统干涉信号光谱的整体错移,进而引发OCT空间域信号的相位跳变,阻碍了基于相位信息的功能成像.为了获得稳定的相位,便于开展功能OCT的研究,提出了一种基于界面信号的数字相位矫正方法.对界面附近相邻A-line间同一深度的相位信号进行差分运算,计算得到相位跳变的A-line位置与光谱错移量(以像素为单位),然后在原始干涉信号上对齐光谱,重新傅里叶逆变换,得到矫正后的复信号.该数字矫正算法不会引入额外的相位噪声,可以实现OCT信噪比受限的相位探测.通过对反射镜、荧光板和小鼠脑皮层血流的多普勒成像验证了该方法的可行性.     

自由曲面零补偿计算全息图离散相位的B样条拟合

在设计自由曲面光学元件零补偿检测的计算全息图(CGH)时,利用光线追迹可得到散乱分布的离散相位点,需通过插值得到连续的相位分布函数,以计算CGH刻线位置。采用双三次B样条插值法,对散乱分布的离散相位点进行拟合并用较少的采样点满足精度要求。利用双三次B样条的矩阵表达式及CGH加工相位函数在所加载频方向单调递增的性质,简化了求解插值曲面与x-y平行平面精确交线的方法,高精度地求取了相位型CGH的上下沿刻线位置。最后给出了一例用于自由曲面干涉零补偿检测的CGH图样。     

基于辐射法和原子发射光谱法的转炉口火焰温度测量

转炉炼钢的终点控制包括钢水出钢时温度及其成分的控制,炉口火焰能够反映炉内脱碳速率及转炉运行参数等。工业炉燃烧火焰可见光谱段,普遍存在着钾(K)和钠(Na)等碱金属元素的原子发射谱线,利用K的特征谱线相对比值可以计算火焰温度。基于辐射双色法,三色法和谱线相对强度法对转炉口火焰温度进行了测量;数据处理过程中对特征谱线进行了基线拟合提取,小波脊线拟合提取;特征谱线进行了Gauss函数和Lorenz函数拟合。结果表明,辐射测温法对谱线比较敏感,选择合理的波段能够有效,精确地测量火焰温度;采用谱线相对强度法受制于特征谱线的数学模型、谱线的跃迁机率、能级的简并度及火焰的光学厚度,需要分辨率非常高的光谱仪才能进行高温转炉火焰中电子温度的测量。     

单相机监控偏折术测量方法

基于相位测量偏折术的测量原理,针对移动屏幕偏折术测量方法中的重复标定问题,提出了基于单相机监控的偏折术测量方法。通过辅助相机监控LCD显示屏幕的两个位置,通过PnP方法和坐标系变换确定LCD显示屏幕在主相机中的位姿关系。利用绝对相位追踪对应同一像素的LCD显示屏幕两个位置上的同名相位点,确定入射光线,最终确定法线和梯度信息,并根据径向基函数插值法精确重建镜面面形。采用镜面标定法对具有不同视场的主辅相机进行标定。该方法只需标定一次,不会产生重复标定误差。仿真和实验验证了该方法的可行性,初步实验结果验证该方法具有较高的检测精度。     

计算全息检测离轴非球面的离散相位拟合

为了计算补偿用计算全息图的刻线位置,需要对光线追迹得到的离散相位数据进行拟合。为此详细推导了均匀三次B样条和非均匀三次B样条的基函数,介绍了各自对应的曲面拟合方法。以一块抛物型离轴非球面数据为例,对其非对称的离散相位分布进行了三次B样条曲面拟合。拟合结果表明,三次B样条曲面拟合能使拟合面经过所有数据点,保证拟合精度,且得到的连续的相位补偿函数表达式结构简单（最高次数只有3次）, 还能根据实际情况优化采样点数量,控制计算量。     

基于相位相关性的傅里叶变换光谱数据的相位误差修正方法

 相位误差的校正是傅里叶变换成像光谱仪数据处理的重要环节之一。针对干涉曲线的对称性特征,利用相位相关性计算方法,提出一种新的傅里叶变换光谱数据的相位校正的方法。将相位相关性拟合为Sinc函数,计算亚像素的偏移量,采用离散余弦变换转换到光谱域。使用标准光谱库中的源光谱数据作为原始数据,将通过离散余弦变换仿真的干涉数据与该方法得到的结果进行比较和验证,并与Mertz方法进行了对比。结果表明：该方法精度优于Mertz方法,并且计算简单。     

一种八谱段滤光片成像系统设计

针对多光谱滤光片阵列成像采样率低,原始(Raw)数据稀疏所导致的重建图像模糊,高频信息丢失等问题,提出了一种新八谱段滤光片阵列分布方案,利用基于邻域梯度延伸方法对光谱Raw图像进行重建.首先基于二叉树生成法,在重复排列的4×4阵列中设计了一种等空间概率比的八谱段滤光片分布方案;然后针对传感器直接获取的稀疏Raw图像,计算各谱段采样点的梯度信息,在保持图像结构特征和纹理信息的基础上,利用邻域采样点的像素值和梯度值对未采样点进行重建,从而获得完整的光谱图像信息;最后,基于已重建的八谱段光谱图像,采用伪逆矩阵法重构各像素位置的31波段光谱值.结果表明,相对于主流图像重建方法,本文算法提高了重建八谱段光谱图像的峰值信噪比、复合峰值信噪比,降低了光谱均方差,更好地保留了图像的纹理和边缘,有效降低了多光谱滤光片阵列成像中的颜色伪影和图像模糊等现象.     

充氖夫兰克-赫兹管的发射光谱研究

用光栅光谱仪测量了夫兰克-赫兹实验中Ne原子的发射光谱.光谱分析表明,橙黄色的发射光包含多条谱线,已标定的谱线都是Ne原子从第二激发态的各个子能级跃迁到第一激发态的对应能级所产生的.     

基于连续光谱光源的单色仪标定方法

单色仪在加工和安装过程中不可避免的存在误差,必须对其进行标定后才能使用。传统上采用汞灯的标定方法,波长数量有限,限制了单色仪的标定精度。在研究光栅单色仪原理的基础上,提出了一种基于连续光谱光源的单色仪标定方法,设计并搭建了标定实验系统,系统由宽波段光源、光源电源、滤光片、单色仪、光谱仪及计算机构成。采用卤钨灯作为光源,用光谱仪分别测量卤钨灯经单色仪后的辐射、直接测量卤钨灯的辐射,二者相比得到单色仪透过率函数,消除了卤钨灯辐射以及光谱仪响应函数的影响。在刻度盘的某一读数位置,获得单色仪透过率函数并进行归一化,并计算峰值波长,得到一组峰值波长和刻度盘读数的数据。该方法共采集了22组波长数据,用于单色仪的标定。分别采用8点、14点、18点、22点,采用线性拟合和二次拟合,得到了单色仪的波长与刻度盘读数的关系式。标定点数从8个(8点标定类似于汞灯特征谱标定)增加到22个,误差减小明显,将22点二次拟合的结果作为单色仪最终的标定结果。实验结果表明,采用连续光谱光源的单色仪标定方法获得的标定点数更多,标定结果优于传统的采用汞灯的标定方法。     

宽光谱膜厚监控系统中光谱实时测量技术研究

 在宽光谱膜厚监控系统中,利用光栅光谱仪分光,线阵CCD接收,完成光谱的一次性快速扫描来控制膜层厚度,达到实时监控的要求。而系统光谱扫描的准确性,直接影响膜厚实时监控的有效性。为了得到准确的光谱信息,首先确定CCD像素和光波波长的对应关系,基于特征谱线的离散关系,采用最小二乘拟合法建立了光谱标定函数,经实验,标定波长均方根误差为0.037 nm;对于CCD实时输出的光谱监控信号,利用小波阈值优化算法抑制信号中的随机噪声,保留了光谱信号的细节成分,峰值误差的最大值为1.0%,峰位误差的最大值为0.3%,满足了监控中光谱分辨率的要求。     

快速傅里叶变换湍流相位屏高频误差的补偿方法

基于快速傅里叶变换(FFT)的湍流相位屏模拟方法存在低空间频率及高空间频率湍流分量采样不足的问题。提出了一种相位屏高频误差补偿方法。在这种补偿方法中,通过数值积分计算出未采样部分高频功率谱对应的二维相位自相关矩阵,然后该自相关矩阵经过FFT得到各功率谱采样点需补偿的功率谱值。仿真结果表明,该方法可以很好地补偿高频误差,模拟的相位结构函数误差约为0.1%。