高分辨率快速数字化光声CT乳腺肿瘤成像

提出了一种基于聚焦线性阵列探测器的快速光声计算机断层成像技术（光声CT）.在光声二维图像重建中,根据阵列探测器机械扫描和电子扫描相结合的组合扫描模式,提出了改进的有限场滤波反投影重建算法.一方面该算法适合多元探测器旋转扫描模式,另一方面探测器的指向性函数作为反投影的权重因子提高了系统的横向分辨率.同时,该成像系统还利用柱面声透镜实现Z轴方向上的聚焦扫描以实现三维层析成像.实验中,这套成像系统空间分辨率达到0.2mm,Z轴方向分辨率为1.5mm,扫描一幅二维图像仅需150s,得到 关键词： 光声CT 有限场滤波反投影算法 声透镜聚焦 乳腺肿瘤检测     

一种基于毛细管X光透镜的微型锥束CT扫描仪

活体小动物成像系统是疾病研究、新药开发的重要组成部分.其中,X射线微型锥束计算机断层成像(X-ray micro cone-beam computed tomography,Micro-CBCT)能实现数十至数百微米空间分辨率的解剖结构成像研究.Micro-CBCT成像仪的一个关键挑战是其空间和对比度分辨率主要取决于X射线源焦斑大小、探测器分辨率和系统几何结构等因素.为提高Micro-CBCT的空间分辨率、对比度分辨率和成像均一性,本文基于毛细管X光透镜研制了一款能够调控照射X射线束斑孔径的Micro-CBCT扫描仪,用于小动物成像研究.此系统由微焦斑X射线源、非晶硅平板探测器、旋转工作台和控制电脑组成,并采用Feldkamp-Daivs-Kress算法重建投影图像.对该系统的性能进行了测试,结果表明,系统在10%调制传递函数下的空间分辨率为9.1 lp/mm,提高了1.35倍.同时,由于毛细管X光透镜对低能X射线的吸收和散射抑制作用,实现了2倍以上的对比度增强,减轻了多色X射线束硬化效应引起的图像均一性恶化问题.应用该Micro-CBCT系统对麻醉小鼠进行了活体成像,验证了该系统在小...     

基于Hadamard优化矩阵的多分辨显微关联成像研究

为满足显微成像领域的多样化需求,解决实际应用中成像质量与成像时间之间的矛盾,提出一种基于数字微镜器件的多分辨显微关联成像方法.该方法利用LED光源作为背景照射光源,对科研级荧光正置显微镜原光路改装设计为关联成像光路,采用多分辨Hadamard优化矩阵作为数字微镜器件的预置图样,实现了生物组织样品的连续多分辨成像.实验结果表明,多分辨显微关联成像系统的分辨率可达218 nm,单组测量后可同时输出8组不同分辨率图像,能够根据实际应用中不同图像质量需求选择不同的分辨率,减少成像时间和存储空间,极大地提高了显微成像的灵活性.这种新型多分辨显微关联成像方法可以扩展至细胞筛选、细胞实时成像等领域,对推动关联成像在细胞和生物组织显微成像领域的应用具有重要意义.     

串联超导纳米线探测器的多光子响应

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)具有探测效率高、暗计数低等优点,但通常工作在非线性模式,不具备光子数分辨的能力.在线性光学、量子计算等许多领域,通常还要求探测器能够对入射的光子数进行分辨.目前基于超导纳米线单光子探测器实现光子数分辨主要有三种途径:阵列结构的读出电路非常复杂,并联纳米线探测器(PND)的漏电流限制了最多可分辨的光子数目和系统效率,串联纳米线探测器(SND)的读出电路简单,而且没有漏电流,理论上可以分辨大量的光子数目,同时获得较高的系统效率.本文基于串联纳米线探测器结构,设计了一种6像元串联纳米线探测器,即6个纳米线单元串联,每个纳米线单元两端并联一个电阻RP.实验结果表明,在不同光功率下,该结构可以实现6个光子的分辨,而且可以工作在0.97IC,没有漏电流影响.     

可应用于CMOS彩色图像传感器的两层垂直层叠结构及其色彩特性的研究

基于两层垂直层叠结构的色彩传感器可同时对偏蓝波段和偏红波段进行感应,配合绿/品红滤波片,为彩色成像提供了可能,由于它完全兼容于标准CMOS工艺,可以作为一种新型的CMOS彩色图像传感器像素的感光功能器件.通过垂直层叠结构,配合两色滤波片,抽取不同深度的光生载流子,即可以得到相应波段的成像信息.通过仿真和实验得到了它的各通道响应曲线,提出了一种增强对了声稳健性的多个多项式回归的方法并得到色彩转换矩阵,把传感器的4通道响应转换为CIE XYZ三刺激值.同时在CIE L*A*B*空间中对器件传感得到的色彩和原始的色彩坐标进行了比对,对器件的色彩准确度进行了一个量化评估.结果表明在应用新转换方法,色彩误差大大优于常用的简单线性转换,其色彩效果甚至优于商用Bayer滤光片式彩色CCD.     

基于石墨烯-ZnO纳米线的复合电极在GaN LED中的应用

使用一维ZnO纳米线和二维石墨烯复合结构集成到p-GaN表面来同时实现电流扩展和提高LED光提取效率。通过两组有无ZnO纳米线器件的对比,发现ZnO纳米线使器件的光提取效率提高了30%.通过分析两组器件的开启电压、工作电压和反向漏电流等关键参数,验证了本结构应用于GaN LED不会恶化其电性能。本文所采用的复合结构用于GaN LED,同时达到了良好欧姆接触、避免使用ITO和增强出光的效果。     

用于彩色光照粒子图像测速的粒子场模拟成像

分析了基于彩色光照的粒子图像测速算法中示踪粒子的成像原理,并根据实际流场中的应用环境以及彩色粒子图像测速算法的实验条件,采用一套由白色光源和波长线性变化的滤波片组成的照明系统,为粒子场提供不同深度、相同光强的彩色体积光照明.根据针孔相机模型和其对应的点扩散函数,建立示踪粒子的三维成像模型,得到在彩色体积光照射下流场中的...     

硅基槽式纳米线多模干涉型模阶数转换器全矢量分析

提出了一种基于硅基槽式纳米线结构的紧凑式1×2多模干涉器型模阶数转换器,其中输入/输出通道为槽式直波导,经线性锥形过渡器连接居于中心的二次锥形槽式多模波导.采用全矢量频域有限差分法详细分析了垂直槽波导的模式特性,选取电场主分量E_y得到增强的quasi-TM模作为转换器的光信号模式.对比分析了矩形结构与二次锥形结构中的周期自镜像效应,发现二次锥形结构尺寸更短、损耗更低的特点.根据自镜像效应中一阶模成像位置设计多模干涉区域长度,经线性锥形过渡器从较宽输出端口输出一阶模,从较窄输出端口输出基模,从而实现模阶数转换功能.采用三维有限时域差分法详细分析了该转换器的光波传输特性,详细讨论了器件关键结构参数的制作容差.参数优化结果表明,该转换器的多模干涉区域的尺寸为3×5μm~2时,在1.55μm工作波长下,quasi-TM基模在输出quasi-TM一阶模端口的插入损耗约为0.35 dB,输出波导间的串扰约为-16.9 dB.另外,给出了输入模场主分量在器件中的传输演变情况.     

基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像

本文结合近场扫描结构和纳米线-微光纤耦合技术,提出了一种基于硫化镉纳米线/锥形微光纤探针结构的被动近场光学扫描成像系统.该系统采用被动式纳米探针,保留了纳米探针对样品表面反射光的强约束优势.其理论收集效率为4.65‰,相比于传统的金属镀膜近场探针收集效率提高了一个数量级,可有效地提高扫描探针对样品形貌信息的检测能力;而后通过硫化镉纳米线与微光纤之间高效的倏逝场耦合,将检测的光强信号传输到远场进行光电探测,最终实现对目标样品形貌的分析成像,其样品宽度测量误差在7.28%以内.该系统不需要外部激发光路,利用显微镜自身光源进行远场照明,被动扫描探针仅作为样品表面反射光的被动收集系统.本文基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像方案,可有效地降低探针的制备难度和目标光场的检测难度,简化扫描成像的结构,为近场光学扫描显微系统之后的发展提供新的思路.     

荧光蛋白与超分辨显微成像

超分辨显微成像技术使细胞生物学进入到了一个全新的时代,但如何进一步提高超分辨显微成像技术的时空分辨率仍是光学领域需要解决的重要问题。目前为止几乎所有的超分辨显微成像技术都依赖于荧光探针,光调控荧光蛋白作为一类特殊的荧光探针,可以被不同波长的激发光所激活,产生随机或者特殊结构样式的信号。利用这些信息,透镜系统的空间分辨率得到了提高。通过总结光调控荧光蛋白的各类参数,从荧光探针入手,寻找进一步提高成像系统空间分辨率的方法与策略,为选取适当的荧光探针提供建议,并且阐述了荧光蛋白与超分辨显微成像技术之间的关系。     

基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像

本文结合近场扫描结构和纳米线-微光纤耦合技术,提出了一种基于硫化镉纳米线/锥形微光纤探针结构的被动近场光学扫描成像系统.该系统采用被动式纳米探针,保留了纳米探针对样品表面反射光的强约束优势.其理论收集效率为4.65‰,相比于传统的金属镀膜近场探针收集效率提高了一个数量级,可有效地提高扫描探针对样品形貌信息的检测能力;而后通过硫化镉纳米线与微光纤之间高效的倏逝场耦合,将检测的光强信号传输到远场进行光电探测,最终实现对目标样品形貌的分析成像,其样品宽度测量误差在7.28%以内.该系统不需要外部激发光路,利用显微镜自身光源进行远场照明,被动扫描探针仅作为样品表面反射光的被动收集系统.本文基于半导体纳米线/锥形微光纤探针的被动式近场光学扫描成像方案,可有效地降低探针的制备难度和目标光场的检测难度,简化扫描成像的结构,为近场光学扫描显微系统之后的发展提供新的思路.     

ZnO纳米线紫外探测器的制备和快速响应性能的研究

一维ZnO纳米结构由于具有比表面积大、室温下具有大激子结合能等特点而受到广泛关注. 但是如何实现纳米结构的器件一直是目前研究的一个挑战. 文章通过水热方法, 在玻璃衬底上实现了ZnO纳米线横向生长, 并制备出基于ZnO纳米线的金属-半导体-金属紫外探测器. 测量结果显示器件在365 nm处探测器的响应度达到5 A/W, 并且制备的探测器在空气中对紫外光照具有快速的响应, 其上升时间约4 s, 下降时间约5 s, 这与ZnO纳米线中的氧空位吸附和脱附水分子相关.     

利用不同空间频率的组合光栅实现任意进制的光逻辑计算和光学加密

利用阿贝成像和θ调制原理实现了任意进制光逻辑计算以及彩色与灰度图像加密.在8f系统中,前后2次输入采用空间频率和取向不同的光栅组合时,滤波面上的图像将呈现高度的几何对称性,即所谓"大圆套小圆"的模型,进行2次空间滤波后,可以调控像屏上的图像输出,实现任意进制的逻辑计算,并可进一步应用于彩色或灰度图像的加密.利用电寻址液晶光阀系统进行实验,结合Mathematica软件的计算机模拟,证明了该方案的可行性.     

探测器采样频率与光学系统衍射截止频率比值对航空图像质量的影响

以Q值作为参照指标,考虑光学系统分辨率和探测器分辨率,通过图像仿真效果的对比讨论了不同Q值成像系统的成像质量.结果表明:成像系统设计过程中需在光学系统分辨率和探测器分辨率之间进行权衡,Q=2时成像系统的成像质量最好,但实际设计过程中考虑到其他因素(系统信噪比、场景大小、运动模糊等),往往取Q＜2可获得高品质图像.因此,Q值可作为参考指标为光电成像系统设计提供一定指导.     

探测器采样频率与光学系统衍射截止频率比值对航空图像质量的影响

以Q值作为参照指标,考虑光学系统分辨率和探测器分辨率,通过图像仿真效果的对比讨论了不同Q值成像系统的成像质量.结果表明:成像系统设计过程中需在光学系统分辨率和探测器分辨率之间进行权衡,Q=2时成像系统的成像质量最好,但实际设计过程中考虑到其他因素(系统信噪比、场景大小、运动模糊等),往往取Q<2可获得高品质图像.因此,Q值可作为参考指标为光电成像系统设计提供一定指导.     

金属框结构对碲镉汞红外焦平面调制传递函数的影响

调制传递函数(MTF)值是表征碲镉汞(HgCdTe)红外探测器成像性能的重要参数。串音是减小探测器MTF值的主要因素之一。合理的器件结构设计可有效地抑制串音,从而提高器件MTF值。介绍了一种含金属框结构的HgCdTe红外焦平面探测器,该器件可有效吸收横向扩散光生载流子并减小器件的串音干扰。对含金属框结构的器件和无金属框结构的器件进行MTF测试及对比分析。测试结果表明,与无金属框结构的器件相比,含金属框结构的器件的MTF值得到显著提高。     

一种校验带电粒子速度成像探测器的新方法

带电粒子(离子或者电子)速度成像技术可以精确测量带电粒子产物的速度分布和角分布,获得光谱级别分辨率的原子分子能级结构,广泛应用于光电离和光解离等分子反应动力学实验中.速度成像探测器的效率和信号相对强度对带电粒子速度分布信息的提取具有重要的影响.由于难以精确测量入射离子数,至今仍然没有直接校验速度成像探测器的方法报道.本文基于铷原子磁光阱搭建了一套离子速度成像实验装置,实现了入射离子数的精确测量及连续可调,并对冷原子的光电离过程、微通道板探测器采集的飞行时间信号、电荷耦合器件采集的荧光屏信号进行了校验,对可能影响速度成像信号相对强度的因素进行了检验.实验结果表明:当入射离子数低于1×105个/(100 ns)时,微通道板探测器的增益稳定,而荧光屏信号强度与入射其表面的电子数量的关系受荧光屏电压影响比较严重.同时,结果表明本方法可以有效校验带电粒子速度成像探测器的效率和信号的相对强度,对使用速度成像技术的实验具有一定的借鉴意义.     

闪耀型亚波长光栅透镜的柱矢量光聚焦优化和调控

柱矢量光束的紧聚焦在光学微操纵、光学存储、激光微加工、超分辨率成像和粒子加速等领域发挥着重要作用。亚波长光栅平凹透镜对柱矢量光束的紧聚焦的能力仍有提升空间,本文利用闪耀结构将光的能量从零级转移并集中到-1级,对亚波长光栅平凹透镜的聚焦性能进行优化。提高了透镜的衍射效率,增强了焦场的能量。通过调整高斯径向偏振光的形状参数,改变入射光振幅及入射区域半径实现对焦场能量的动态调控。进一步地,调控柱矢量光束的偏振组分能够直接有效地横向调制焦场,获得多样化形貌的焦斑。本文的优化手段对于其他光栅透镜也具有参考意义,该研究结果在超分辨率成像以及光场调控等领域具有潜在的应用价值。     

像素刻划偏振相机的高精度像素级偏振非均匀性矫正

金属纳米线栅是像素刻划偏振相机的核心器件,线栅上刻划了与光电探测器像元一一对应的微偏振片阵列,该阵列具有较大的非均匀性,对成像质量有较大影响。基于此,根据纳米线栅的结构与偏振传输理论,建立纳米线栅像素级矢量传输矩阵的测量数学模型,并结合矩阵最小二乘法,推导出多次测量以拟合最优传输矩阵的方法,为偏振相机像素级非均匀性矫正提供了核心的矫正参数。然后,兼顾纳米线栅刻划方式,提出了高空间分辨率的矫正算法。通过矫正后,偏振相机非均匀性由原来的2.00%降低至0.26%。外景成像实验中,目标偏振度图像的信息熵由5.34提升至15.15。结果表明,所提算法可以有效矫正纳米线栅的非均匀性,提升了偏振图像质量。     

硅纳米线阵列光电探测器研究进展

硅(Si)作为最重要的半导体材料之一,被广泛应用于太阳电池、光电探测器等光电器件中.由于硅和空气之间的折射率差异,大量的入射光在硅基表面即被反射.为了抑制这种反射带来的损失,多种具有强陷光效应的硅纳米结构被研发出来.采用干法蚀刻方案多数存在成本高昂、制备复杂的问题,而湿法蚀刻方案所制备的硅纳米线阵列则存在间距等参数可控性较低、异质结有效面积较小等问题.聚苯乙烯微球掩膜法可结合干法及湿法蚀刻各自的优点,容易得到周期性硅纳米线(柱)阵列.本文首先概述了硅纳米线结构的性质和制备方法,总结了有效提升硅纳米线(柱)阵列光电探测器性能的策略,并分析了其中存在的问题.进而,讨论了基于硅纳米线(柱)阵列光电探测器的最新进展,重点关注其结构、光敏层的形貌以及提高光电探测器性能参数的方法.最后,简要介绍了其存在的主要问题及可能的解决方案.