利用共焦扫描显微术和变迹术相结合实现光学超分辨

运用适当形式匠光瞳滤波器民成像系统点振响应的分布，歙 具心于冲击函数的形式，这样就有可能实现光学超分辨，但变迹术的运用往往会因其强烈的旁瓣效应而导致成像系统对比度的急剧下降。本文提出的共焦型超分辨方案则能有效地抑制上述旁瓣。此外，本文学进一瞠提出了实现三维光学超分辨手理论框轲。     

基于最大似然法的共焦拉曼光谱成像方法

随着现代科技对纳米微观区域兴趣的增加,如DNA测序、分子纳米器件微结构检测等,其对拉曼光谱技术的空间分辨力提出了更高的要求,而现有共焦拉曼光谱技术受自身原理限制,空间分辨力已无法满足科学需求。针对这一问题,在现有共焦拉曼光谱技术的基础上,提出一种基于最大似然算法的共焦拉曼光谱成像方法。该方法将超分辨图像复原技术与共焦拉曼光谱技术相结合,利用基于Poisson-Markov约束的最大似然超分辨复原算法对共焦拉曼光谱图像进行超分辨图像复原处理,恢复图像高频成分,进而改善共焦拉曼光谱系统的空间分辨能力,实现超分辨成像。仿真分析和实验结果表明,提出的基于最大似然算法的共焦拉曼光谱成像方法在不改变现有共焦拉曼光谱系统光学结构的前提下,仅对单幅拉曼光谱图像进行超分辨图像复原处理,即可将系统空间分辨力提高到200 nm,实现超分辨成像,同时该方法具有较强的噪声抑制能力。该方法有效地提高了共焦拉曼光谱系统的空间分辨力,为物理化学、材料科学等前沿领域中的高空间分辨微区光谱探测提供了一种新的途径,是一种行之有效的高空间分辨的共焦拉曼光谱成像方法。     

共焦显微系统中光学超分辨光瞳滤波器的设计

利用矢量衍射理论设计了适用于共焦显微等大数值孔径系统的三区二元相位型超分辨光瞳滤波器.数值模拟了等效数值孔径为1.4的共焦显微系统焦点附近的光强分布,根据系统所需要的斯特雷尔比和轴向分辨率,采用优化搜索算法求解了能够实现光学超分辨的三区二元相位型光瞳滤波器结构.结果表明,利用所设计的三区二元相位型光瞳滤波器可以在较低旁...     

双Toraldo光瞳的共焦系统

Toraldo光瞳是超分辨中研究最多的光瞳之一.不过，由于实际中在制作精确度以及制造效率上的限制，它的应用受到了很大程度的制约.提出了双Toraldo光瞳的共焦系统，它能够用两个相对容易制作的Toraldo光瞳实现多区复杂Toraldo光瞳的功能. 关键词： 超分辨 Toraldo光瞳 共焦成像     

具有高空间分辨力的整形环形光式差动共焦测量法

提出一种新的具有高空间分辨力的整形环形光式差动共焦测量方法。该方法通过整形环形光式共焦测量法和锐化爱里斑主瓣，改善系统横向分辨力；通过差动共焦测量法改善系统的轴向分辨力，最终达到提高系统空间分辨能力的目的。理论分析和实验表明：整形环形光内孔归一化半径ε越大，横向分辨力改善越明显，量程扩展范围越宽；当入射光波长λ=632.8nm，物镜数值孔径取NA=0.85，ε=0.5时，该系统的横向分辨力优于0.2μm，轴向分辨力优于2nm。该方法为光触针测量系统空间分辨力的提高提供了1种新的方法，可广泛应用于超精密三维微细结构工件的超精密测量。     

超分辨在共焦三维形貌检测术中的应用

通过对共焦三维形貌检测术的分析,根据超分辨理论,在共焦系统中加入环形光瞳滤波器,以期延长系统的动态检测范围,并提高系统的横向分辨率。理论和实验结果表明该方法在适当牺牲轴向分辨率的条件下,能有效地延长系统的动态检测范围,且提高其横向分辨率。     

位相型光瞳滤波器对共焦系统离焦工作状态横向分辨特性的影响

分析了共焦显微系统(CMS)离焦状态工作时分辨特性的变化,指出了离焦状态是导致CMS横向分辨特性变差的主要影响因素之一。提出并采用了位相型超分辨光瞳滤波技术来改善CMS工作在离焦状态下的横向分辨特性,分析了超分辨光瞳滤波器位置变化对CMS横向分辨特性的影响。理论分析和实验验证表明,位相型超分辨光瞳滤波技术的引入,显著抑制了CMS工作在离焦状态时艾里斑旁瓣的增长,克服了CMS因工作在离焦状态而引起的横向分辨特性下降的缺点。     

超分辨成像及超分辨关联显微技术研究进展

光学成像系统中有限孔径对光波的衍射,使得光学显微成像技术的分辨率受到"衍射极限"限制而无法进一步提高.自1873年E.K.Abbe提出该问题以来,衍射极限就一直是学术界研究的热点.近年来,随着高强度激光、高灵敏探测器等光电器件研制技术以及新型荧光探针开发等相关领域的快速发展,光学显微技术衍射极限问题的研究迎来了新的契机,超分辨显微成像技术(super-resolution microscopy.SRM)在近十年内取得了令人瞩目的巨大成就.本文从空域和频域角度回顾了衍射极限分辨率的基本原理,并据此对目前常见的各种SRM技术"绕过"衍射极限提高分辨率的机理给予了详解,同时介绍了各类技术的发展动态和研究方向;作为SRM的一个新的重要的发展趋势,本文详细介绍了超分辨关联显微技术的最新研究进展,包括SRM与活细胞实时荧光显微、荧光寿命显微、光谱测量和成像、电子显微、原子力显微、质谱技术等的关联,着重讨论了各类超分辨关联显微技术的作用和意义;最后,对SRM技术和超分辨关联显微技术的未来发展方向进行了展望.     

结构光照明超分辨光学显微成像技术与展望

结构光照明显微镜(Structured Illumination Microscopy,SIM)通过结构化照明在频率域以空间混频的方式将物体高频信息载入光学系统的探测通带内实现突破衍射极限的超分辨光学显微成像。SIM凭借其较低的激发光强、对荧光染料的非特异性需求以及快速的宽场成像优势已成为活细胞超分辨光学显微成像方面应用最多的技术。本文系统回顾了SIM的技术进展,对SIM的基本原理与实现方法进了详细的分析,重点介绍了本课题组研发的基于光谱分辨的单光子激发超分辨显微镜和结合自适应光学的双光子激发超分辨显微镜这两种最新的SIM技术,最后简要讨论了SIM技术在生物成像中的应用及未来发展方向。     

基于斯托克斯参量测量的偏振共焦显微成像技术的研究

提出了一种基于斯托克斯(Stokes)参量测量的偏振共焦显微成像新方法。以斯托克斯参量、偏振度、相位差、方位角和椭率角等偏振参量作为成像物理量,通过系统集成方法将斯托克斯参量测量系统整合到共焦显微成像系统,通过共焦显微成像系统的显微物镜将激光聚焦到样品表面,而带有样品偏振信息的反射光进入斯托克斯参量测量系统进行偏振测量,把从斯托克斯参量测量系统中出射的4个斯托克斯光分别聚焦到4个点探测器进行光电探测,实现斯托克斯参量的共焦探测,同时获得同一物点的4个斯托克斯参量以及偏振度、相位差、方位角和椭率角等偏振参量。对样品进行二维扫描,获得不同物点的4个斯托克斯参量及其相关的偏振参量,利用计算机软件进行图像重建,从而获得样品的斯托克斯参量及其相关偏振参量的共焦显微图像。     

A shaped annular beam tri-heterodyne confocal microscope with good anti-environmental interference capability

A shaped annular beam tri-heterodyne confocal microscope has been proposed to improve the anti-environmental interference capability and the resolution of a confocal microscope. It simultaneously detects far-, on-, and near-focus signals with given phase differences by dividing the measured light path of the confocal microscope into three sub-paths (signals). Pair-wise real-time heterodyne subtraction of the three signals is used to improve the anti-environmental interference capability, axial resolution, and linearity; and a shaped annular beam super-resolution technique is used to improve lateral resolution. Theoretical analyses and preliminary experiments indicate that an axial resolution of about 1 nm can be achieved with a shaped annular beam tri-heterodyne confocal microscope and its lateral resolution can be better than 0.2 $\mu $m for $\lambda =632.8$~nm, the numerical aperture of the lens of the microscope is NA $=0.85$, and the normalized radius $\varepsilon =0.5$.     

一种基于改进频域图像配准技术的超分辨力图像处理方法

为提高光电成像系统的空间分辨力,提出了一种基于改进的频率域图像配准技术的超分辨力图像处理方法。首先利用改进的频域图像配准方法估算出低分辨力图像之间的微位移量,然后采用Papoulis-Gerchberg超分辨力处理方法完成图像复原。利用不同重构方法进行了仿真及实验研究,给出了评价参数。模拟和实际显微热图像的处理结果表明:该算法可使图像质量得到改善,分辨的细节更多,可有效地提高光电成像系统的空间分辨力;处理算法简单,计算量小,可实现快速处理。该算法还可应用于其他不可控光学微扫描成像系统中,具有广泛的应用前景。     

基于Poisson-Markov分布最大后验概率的多通道超分辨率盲复原算法

在Poisson和Markov随机场分布假设基础上,改进了存在噪声时多通道互限制原则,提出了一种基于最大后验概率判据的多通道图像盲复原算法,可在无需已知通道内离散点扩散函数性质、类型和具体分布等先验知识的情况下,在图像幅度限制约束空间和离散点扩散函数能量恒定约束空间内,通过对图像和离散点扩散函数的交替迭代,使两者收敛到全局最优解,最终复原出超分辨率图像.对计算机模拟和实际存在微平移、微离焦情况的图像处理表明：算法在不同信噪比水平和非命中PSF尺寸下具有良好的图像复原效果和稳定性. 关键词： 泊松-马尔科夫分布 最大后验概率 多通道 盲复原     

基于离焦图像复原的光学设备实时视频对焦方法

针对大口径光学设备使用过程中因传感器靶面离焦导致的图像模糊问题,从图像复原方法入手,推导光学设备的离焦点扩散函数和离焦传递函数,提出图像离焦程度判断方法,运用爬山法、逆滤波方法,寻找最佳离焦量值和方向,复原模糊图像为清晰图像,给出了大口径光学设备的实时视频对焦方法,并进行实验验证。结果表明该方法在外场光学设备的自动调焦中具有重要的推广应用价值。     

Differential confocal measurement method of linear scanning based on dual linear array camera北大核心CSCD

针对目前微观三维表面形貌测量技术中存在检测效率和测量范围较小的问题,提出一种基于双线阵相机的线扫描差动共聚焦三维形貌测量方法。采用线扫描光源,利用线扫描拼接算法,分别合成焦前和焦后图像;再利用差动算法获得样本位于测量区域的差动图像,结合预先刻度的轴向响应曲线,完成样本的三维形貌还原,实现大范围高效测量。实验结果证明:基于双线阵相机的线扫描差动共聚焦三维形貌测量方法在相同时间内测量范围和测量效率分别是白光干涉仪的16.48倍和6.59倍,并且该方法在测量过程中不需要停顿,只需实现一次对焦,就可以对样品进行连续不间断的扫描检测。研究成果为满足智能制造中在线在位、实时高效、大范围测量的检测需求提供依据。     

基于光学系统像面分割的图像恢复方法研究

实际光学系统的点扩散函数随视场的不同而变化,因此基于线性不变成像系统的图像恢复方法在处理由大视场系统得到的图像时,恢复效果不理想。若把成像系统作为线性空变系统来进行处理,根据等晕成像原理,如将降质图像分割为不同区域进行复原的话,则可以有效地提高图像的恢复效果。针对区域间边界不连续性的问题,提出了区域延拓的解决方法,通过数字仿真,验证了图像分割处理与区域延拓方法的可行性。     

Dual-axes differential confocal microscopy with high axial resolution and long working distance

We discover that the slight transverse offset of a point detector results in a shift of the axial intensity response curve in a dual-axes confocal microscopy (DCM). Based on this, we propose a new dual-axes differential confocal microscopy (DDCM) with high axial resolution and long working distance, in which two point detectors are placed symmetrically about the collection axis. And a signal is obtained through the differential subtraction of two signals received simultaneously by the two point detectors. Theoretical analyses and preliminary experiments indicate that DDCM is feasible and suitable for the high precision tracing measurement of microstructures and surface contours.     

基于图像的树木测量方法

树木是城市绿化、美化的一个重要的组成部分,具有重要的科学、历史和观赏价值。传统的树木生长信息采集方式,利用人工使用卷尺或不易操作、低效率和复杂麻烦的大型测量仪器等,费时、费力、准确度又不高。结合计算机视觉、数学几何模型等技术,设计了一种新式的树木高度、胸径和冠幅测量模型,提出了基于图像的树木测量方法和实现了树木信息采集软件系统;为了得到更精确的测量结果,使用摄像头标定技术和坐标校正方法对图像进行畸变矫正;并且利用正交试验分析法分析本设计使用的最佳拍摄环境,最终相对误差控制在4%左右。本方法具有携带方便、操作简单、适用面广、准确度高的优势。     

基于改进NAS-RIF的三维显微图像盲复原

对二维NAS-RIF算法进行了改进,并将它用于三维显微图像复原,分别用模拟样本和真实生物样本进行了实验。针对原算法对噪声有放大作用,提出了基于中值滤波去噪的改进。在支持域的确定、最小点的搜索上进行改进,提高复原质量。改进了原算法仅适用于均匀背景的不足,扩大了应用范围。实验结果表明,该算法在三维显微图像盲复原中具有较好的效果。     

Satellite image blind restoration based on surface fitting and iterative Multishrinkage method in redundant wavelet domain

In view of the non-unique, unstable and even divergent properties of the solution of iterative blind restoration, a non-iterative blind image-restoration algorithm was proposed, which included MTF estimation step and image-restoration step. In the MTF estimation stage, based on every degradation process of satellite imaging chain, a combined parametric model of MTF was given and used to fit the surface of normalized logarithmic amplitude spectrum of degraded image. In the image-restoration stage, a multivariate statistical model was introduced that can perfectly characterize the dependency of the neighboring wavelet coefficients and of reference coefficient and its parent. During the image-restoration, optimization-transfer method was adopted to decompose the image-restoration procedure into two simple steps: Landweber iteration and Multishrinkage denoising. In the numerical experiment, the comparison of restored panchromatic SPOT-5 (5 m) images with corresponding panchromatic SPOT-5 (2.5 m) image and higher resolution aerial image from the Google Earth software shows that the proposed algorithm can significantly restore some detailed information and effectively inhibit noise.