基于衍射光学元件色散特征的三维建模系统

为了重建复杂形状的三维物体,在此提出了一种便捷的基于衍射光学元件（DOE）色散成像特性的三维建模算法,该算法在一种新型的三维建模系统中实现,它充分利用了DOE在红外波段的模式投影和探测.给出了重建复杂形状的三维物体的仿真试验结果,证明该算法及系统的有效性和可行性.     

微扫描显微热成像系统的降采样高分辨力图像重建算法

提出了一种基于降采样模型的显微热图像高分辨力重建算法,该算法通过与三次样条插值放大得到的像素点相比较以补偿微扫描产生的系统误差。仿真和实验结果表明,提出的方法减少了由于微扫描误差所带来的图像重建质量下降,提高了光学微扫描显微热成像系统的空间分辨力,具有较强的实用价值。提出的方法还可以应用到其他光电成像系统中以提高系统空间分辨力。     

光学扫描全息术研究进展

光学成像技术极大地拓展了人类的视觉极限,提高了人们观察和理解现实世界的能力。越多地获得目标的光学信息,对其的认识越充分。数字全息术是一种可以将样本的三维信息以二维全息图的形式编码记录下来的一种成像技术。通过获得由携带物体信息的物光波和参考光波叠加产生的干涉图案,可以以数字化的方式实现多种重建模态,例如图像恢复、相位成像和切片成像等。光学扫描全息术是一种独特的数字全息成像技术,通过主动式二维化扫描对三维物体进行成像,其完整的波前信息可以被单像素探测器记录,并基于光外差检测进行信号解调,从而恢复出复数全息图。对光学扫描全息术的最新进展进行介绍。首先,基于双光瞳成像系统,通过特殊的硬件和算法设计,提高光学成像系统的性能,如提高空间分辨率、缩短扫描时间。其次,基于计算成像原理,通过改进和优化全息像重建算法,实现高质量的图像恢复,主要涉及切片成像和三维成像等重建模态。第三,介绍光学扫描全息术的其他研究方向,并讨论该领域未来可能的发展方向。     

光学分层热成像法重建火焰三维温度场分布的研究

本文提出了用光学分层成像法（Optical Sectioning TOmography,OST）重建火焰三维温度场分布的理论和方法。用一个固定位置CCD摄像机分别聚焦火焰的不同截面,得到一系列的叠加火焰图像,对该组图像建立模型,采用图像反演算法,可以重建火焰不同截面的辐射分布。该测量方法实验设备简单,有一定的空间和时间分辨率。     

光电成像系统中的光学传递函数

本文研究了光电成像系统中的光学成像、抽样和重建等各个过程对整个系统的光学传递函数的影响。分析了光电成像系统在积分抽样和图像运动情况下的光学传递函数，重建图像中的频谱混叠和假响应情况，由此给出光电成像系统获取图像的一些原则。     

融合结构先验信息的稳态扩散光学断层成像重建算法研究

扩散光学断层成像作为一种无辐射损伤、低成本的光学在体成像技术,有着良好的应用前景,但具有空间分辨率低、难以定量的缺陷.为了提高扩散光学断层成像的分辨率,实现光学参数分布的精确重建,基于有限元方法,提出了融合结构先验信息的稳态扩散光学断层成像重建算法.该算法以扩散近似作为成像模型,通过软先验的Laplace 正则化方法引入由MicroCT提供的空间结构信息.采用伴随法计算Jacobian矩阵,Levenberg-Marquardt方法用来进行迭代优化.仿真结果表明该算法不仅能获得精确的光学参数值分布,而且显著地提高了迭代收敛的速度.     

三维磁共振电阻抗成像的改进分层灵敏度算法

针对人体组织电导率的三维成像问题,提出一种改进的分层灵敏度磁共振电阻抗重建算法.利用单方向磁感应强度信息,对三维电导率图像实行分层重建,每层重建仅利用该层磁通密度分量测量数据,然后对单层重建结果进行修正以获得三维电导率重建图像.三介质长方体模型上的仿真实验证明,改进的分层重建算法改善了层间串扰现象,可以获得比一般分层算法甚至整体算法更高的图像分辨率,而且重建时间较整体算法显著减少;基于人体腿模型的仿真实验表明该算法对复杂模型三维重构的可行性;最后通过仿体实验验证算法的重建效果.改进的分层灵敏度重建算法降低了灵敏度矩阵法的计算机硬件需求,减少了重建时间,对MREIT的三维重建具有较高的成像精度和求解效率.     

光学低通滤波器的光学传递函数分析

光电成像系统的抽样过程会引起图像频谱在频谱空间上的多次复制,如果抽样过程不满足系统的奈奎斯特条件,相邻的频谱项就会产生混叠.光学传递函数可以反映系统中光学成像,抽样和重建等各个过程对图像信号频谱的响应.通过对使用光学低通滤波器(OLPF)光电成像系统的光学传递函数的分析,表明光学低通滤波器可以有效地限制图像的频谱宽度,使抽样满足奈奎斯特条件,达到消除频谱混叠,改善重建图像质量的目的.     

新型衍射光学成像光谱仪的设计和分析

为了克服在传统衍射光学成像光谱仪中,衍射透镜的焦距随波长变化引起系统放大率随波长变化,从而导致光谱图像的像元配准误差,得到并不精确的相对光谱信号强度,提出了将衍射透镜与消色差透镜系统相结合的新型折/衍混合、二组元复合远心成像光学系统的技术方案,具体分析推导了该系统的成像理论.在此理论指导下,利用光学设计软件Zemax设计了一套可见近红外成像光谱仪光学系统.结果表明,不但系统的放大率不随波长变化,而且进一步降低了衍射透镜的加工难度,改进了衍射光学成像光谱仪的光学性能,为新型衍射光学成像光谱仪的研制提供了重要的理论依据和设计指导.     

复眼式光学成像系统畸变测量与校正技术研究

复眼式光学成像系统在大视场侦查、图像识别、目标探测等领域较传统单孔径光学系统优势突出,但随着视场的增加,子孔径本身的成像畸变及多个子孔径的安装位置误差引起的畸变会直接影响拼接图像的质量。针对该问题,采用光电测量技术对复眼系统进行畸变测量与校正,生成多模动态电子畸变测量靶标,构建畸变测量校正模型,建立多项式拟合算法,采用最小二乘法获得畸变系数,通过双线性插值法模型对图像进行重建。实验结果表明,校正后的平均相对畸变优于0.1%,满足大视场复眼式光学成像系统的畸变校正和图像拼接的精度要求。     

光学微操纵过程的轴平面显微成像技术

光学俘获技术利用光与物质相互作用产生的光势阱效应来实现对微粒的操控,已经成功应用于生物医学、材料科学等交叉领域.在对微粒进行三维俘获时,传统的宽场光学显微技术只能观测到某一平面内微粒的横向运动,对微粒沿轴向运动的观测受到很大限制.本文将轴平面显微成像技术引入光学微粒操控研究中,利用45?倾斜的反射镜把微粒的轴向运动信息转换到横向平面进行观测,与传统宽场显微成像技术相结合,实现了对二氧化硅小球俘获过程横向和轴向运动的同步观测.该成像方法无需扫描和数据重构,具有实时快速等优点,在新型光束光镊、厚样品三维观测和成像等领域具有潜在的应用价值.     

Three-dimensional visualization of objects in scattering medium using integral imaging and spectral analysis

This paper presents a three-dimensional visualization method of 3D objects in a scattering medium. The proposed method employs integral imaging and spectral analysis to improve the visual quality of 3D images. The images observed from 3D objects in the scattering medium such as turbid water suffer from image degradation due to scattering. The main reason is that the observed image signal is very weak compared with the scattering signal. Common image enhancement techniques including histogram equalization and contrast enhancement works improperly to overcome the problem. Thus, integral imaging that enables to integrate the weak signals from multiple images was discussed to improve image quality. In this paper, we apply spectral analysis to an integral imaging system such as the computational integral imaging reconstruction. Also, we introduce a signal model with a visibility parameter to analyze the scattering signal. The proposed method based on spectral analysis efficiently estimates the original signal and it is applied to elemental images. The visibility-enhanced elemental images are then used to reconstruct 3D images using a computational integral imaging reconstruction algorithm. To evaluate the proposed method, we perform the optical experiments for 3D objects in turbid water. The experimental results indicate that the proposed method outperforms the existing methods.     

X射线光场成像技术研究

X射线三维成像技术是目前国内外X射线成像研究领域的一个研究热点.但针对一些特殊成像目标,传统X射线计算层析(CT)成像模式易出现投影信息缺失等问题,影响CT重建的图像质量,使得CT成像的应用受到一定的限制.本文主要研究了基于光场成像理论的X射线三维立体成像技术.首先从同步辐射光源模型出发,对X射线光场成像进行建模;然后,基于光场成像数字重聚焦理论,对成像目标场在深度方向上进行切片重建.结果表明:该方法可以实现对成像目标任一视角下任一深度的内部切片重建,但是由于光学聚焦过程中的离焦现象,会引入较为严重的背景噪声.当对其原始数据进行滤波后,再进行X射线光场重聚焦,可以有效消除重建伪影,提高图像的重建质量.本研究既有算法理论意义,又可应用于工业、医疗等较复杂目标的快速检测,具有较大的应用价值.     

Three-dimensional diffuse optical imaging of hand joints: System description and phantom studies

In this paper we describe a three-dimensional (3D) continuous wave (CW) diffuse optical tomography (DOT) system and present 3D volumetric reconstruction studies using this DOT system with simple phantom models that simulate hand joints. The CCD-based DOT system consists of 64×64 source/detector fiber optic channels, which are arranged in four layers, forming a cylindrical fiber optic/tissue interface. Phantom experiments are used to evaluate system performance with respective to axial spatial resolution, optical contrast and target position for detection of osteoarthritis where cartilage is the primary target region of interest. These phantom studies suggest that we are able to quantitatively resolve a 2 mm thick “cartilage” and qualitatively resolve a 1 mm thick “cartilage” using our 3D reconstruction approach. Our results also show that optical contrast of 3:1–7:1 between the “disease cartilage” and normal cartilage can be quantitatively recovered. Finally, the target position along axial direction on image reconstruction is studied. All the images are obtained using our 3D finite-element-based reconstruction algorithm.     

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...     

Three-dimensional integral imaging with improved visualization using subpixel optical ray sensing

In this Letter, we propose an improved three-dimensional (3D) image reconstruction method for integral imaging. We use subpixel sensing of the optical rays of the 3D scene projected onto the image sensor. When reconstructing the 3D image, we use a calculated minimum subpixel distance for each sensor pixel instead of the average pixel value of integrated pixels from elemental images. The minimum subpixel distance is defined by measuring the distance between the center of the sensor pixel and the physical position of the imaging lens point spread function onto the sensor, which is projected from each reconstruction point for all elemental images. To show the usefulness of the proposed method, preliminary 3D imaging experiments are presented. Experimental results reveal that the proposed method may improve 3D imaging visualization because of the superior sensing and reconstruction of optical ray direction and intensity information for 3D objects.     

基于扫描相机的激光三维成像研究

随着条纹管器件技术的发展,条纹管作为瞬态光学器件的应用不再局限于高速摄影和光谱学研究领域。建立以单狭缝条纹管为核心器件的扫描相机激光成像系统,对目标进行推扫成像,获得原始条纹图像,并进行特征数据提取和三维重建。理论计算出的两目标的距离差与实际距离差较接近,从而验证采用该系统作激光雷达成像的可行性。实验结果表明,基于扫描相机激光雷达具有高分辨率,具有较好的应用前景。     

基于时间分辨测量的近红外光三维层析成像研究

针对近红外漫射光层析成像中的三维成像问题展开了理论和实验研究.利用开发的以强度和平均飞行时间作为数据类型的三维重建算法对数值仿真模型进行了重建,同时采用多通道时间相关单光子计数层析成像系统对固体样品进行了三维成像.结果表明：所发展的算法较忠实地重建出了样品内部的异质体结构;采用的差分重建方法有利于提高重建的抗噪性能;提出的单层测头配置模式对于三维成像具有实际意义.     

The characteristics of three-dimensional skin imaging system by full-colored optical coherence tomography

In the present cosmetic market, the skin image obtained from a hand-held camera is two-dimensional (2-D). Due to insufficient penetration, only the skin surface can be detected, and thus phenomena in the dermis cannot be observed. To take the place of the conventional 2D camera, a new hand-held imaging system is proposed for three-dimensional (3-D) skin imaging. Featuring non-invasiveness, optical coherence tomography (OCT) has become one of the popular medical imaging techniques. The dermal images shown in OCT-related reports were mainly single-colored because of the use of a monotonic light source. With three original-colored beams applied in OCT, a full-colored image can be derived for dermatology. The penetration depth of the system ranges from 0.43 to 0.78 mm, sufficient for imaging of main tissues in the dermis. Colorful and non-invasive perspectives of deep dermal structure help to advance skin science, dermatology and cosmetology.