三维表面形貌测量中的共聚焦显微成像技术研究进展

随着精密仪器制造和半导体加工产业的蓬勃发展，对微小结构表面形貌的观察和测量是现代科学研究的一个重要方向。激光扫描共聚焦显微成像技术因高分辨率、高信噪比和优秀的层切能力在三维表面形貌测量领域备受青睐。介绍共聚焦显微成像技术的基本原理，并对适用于三维表面形貌测量领域的共聚焦显微成像方法进行综述，包括共聚焦成像的不同扫描方法、不同探测手段及基于光谱的共聚焦成像技术。最后，对共聚焦显微成像技术未来的发展趋势进行展望。     

激光扫描共聚焦技术在近红外荧光成像中的应用

为实现高信噪比(SNR)的深层生物组织成像,结合了激光扫描共聚焦成像技术和近红外(NIR)荧光成像技术,根据近红外荧光成像要求设计了一套激光扫描共聚焦近红外荧光成像实验系统,对注入近红外荧光染料LDS925小鼠的尾部成像后获得了小鼠尾部近红外荧光图像和近红外共聚焦荧光图像。实验结果表明小鼠尾部近红外共聚焦荧光图像信噪比显著优于小鼠尾部近红外荧光图像,采用均方差和峰谷(PV)值进行评估时,近红外荧光成像荧光信号强度分布的均方差值和PV值分别为864和102;共聚焦荧光成像的荧光信号强度分布的均方差值和PV值分别为1459和255;进一步表明激光扫描共聚焦成像技术在近红外荧光成像中应用是可行的,可以实现深层组织的高信噪比共聚焦成像。     

远程激光拉曼光谱探测系统前置光学系统设计

为实现远程物质高空间分辨力的拉曼光谱探测,设计了共孔径远程激光拉曼光谱探测系统的前置光学系统。光学系统采用共孔径结构,实现了激光发射系统、拉曼光收集系统及微区成像系统的共孔径、共光轴。设计的光学系统能够对激光进行聚焦以缩小激光光斑尺寸,使系统具有优于0.125 mrad的空间分辨率。该拉曼光收集透镜有效通光口径为50 mm,拉曼散射光在耦合透镜焦平面上的像高小于25m,可以与50m狭缝宽度的光谱仪进行空间光耦合,也可使用50m芯径的光纤来耦合光学系统与光谱仪。该系统可用于远距离物质的激光聚焦、拉曼光谱探测及微区成像。     

激光共聚焦显微镜样品制备方法（二）——组织切片样品

应用激光共聚焦显微镜技术对荧光标记的组织切片样品进行三维观察成像是生物学研究的常规手段。本文主要介绍实验室制备用于激光共聚焦显微镜成像的冷冻组织切片及免疫荧光标记过程。     

双激光共聚焦生物芯片荧光分析仪

国家自然科学基金科学仪器专款项目“双激光共聚焦生物芯片荧光分析仪”于2002年获批准资助，由浙江大学和深圳益生堂生物企业有限公司共同承担。该项目旨在开发面向科研及临床应用的激光共聚焦微阵列芯片荧光分析仪。该仪器运用激光共聚焦成像原理，对生物芯片进行双激光扫描荧光成像。采用光学机械结合的扫描设计，其中光学扫描由远心f-q物镜结合振镜实现，机械扫描由步进电机驱动精密导轨实现。     

共聚焦成像技术在生物芯片检测中的应用

共聚焦成像技术广泛应用于采集精细的荧光图像,在生物芯片技术领域,共聚焦成像技术用于生物芯片检测,能显著减少样本点以外光的收集率,明显降低背景噪声,增大信噪比。与CCD成像技术相比,共聚焦成像技术可以做到更大的数值孔径,具有更高的检测灵敏度。     

自适应光学高分辨率共聚焦显微成像技术

生物样品折射率的空间变化导致了光学畸变的产生,这种畸变对于共聚焦显微镜观察厚的生物样品和活体体内组织成像是一种严重的限制。自适应光学(AO)技术是通过快速反应的变形镜使镜面发生形变来补偿像差,在共聚焦显微镜中应用自适应光学技术可以校正光学畸变,观察深层组织活动,进行活体成像和实时检测。详细分析了共聚焦显微镜中像差的来源及光学畸变的特点,讨论了目前在共聚焦显微镜中自适应光学校正的方案及研究现状,讨论了共聚焦显微镜中自适应光学的波前传感器、畸变测量和波前校正器,并探讨了目前超高分辨率显微成像技术的发展方向。     

医用电子内窥镜彩色成像系统

医用电子内窥镜彩色成像系统实际上是一套微型摄像系统。在分析各种基于CCD的彩色成像系统的基础上，提出了采用特殊结构的微型CCD，实现用单片单色CCD完成彩色成像的场顺序制成像系统，有效地满足了在体积受限的情况下实现医用电子内窥镜高清晰度成像的要求。     

基于剪切波域改进Gamma校正的医学图像增强算法

通过傅里叶光学理论和透镜成像理论对轴棱锥线 聚焦与凸透镜点聚焦两种成像系统进行分析, 并探讨了它们对成像系统焦深的影响。利用ZEMAX光学设计软件,仿真模拟出系统在不同轴 向距离的截面 光强分布图。以蓝光LED为光源,对这两种成像系统进行实验验证,拍摄不同轴向距离处的 截面光强分布 图。结果表明,轴棱锥所具有的线聚焦特性,能将光线连续地会聚到沿轴线不同位置上,图 像的清晰度高, 且在最大无衍射距离内无需调焦,具有更大的焦深;理论分析、仿真模拟与实验结果相吻合 。     

共聚焦荧光寿命显微系统

提出一种集成了激光扫描共聚焦显微术和荧光寿命测量技术的共聚焦荧光寿命显微系统,用于观察生物细胞等样品微观结构以及对环境条件信息成像。通过配合使用空心角锥棱镜和平面反射镜简化光路调整,成功搭建系统。实验结果显示,系统的空间分辨率能达到约180nm,荧光寿命时间分辨率达到约20ps。本文系统能为生物细胞学、材料学等学科研究提供直观途径。     

Reconstruction performance for image transmission through multimode fibers

Due to the applications in the fields of optical communication, neuronal imaging, and medical endoscopic imaging, the study of multimode fiber (MMF) wavefront transmission is crucial for image reconstruction and wavefront generation in user terminals. State of art studies in this area focus on high-quality image reconstruction and wavefront shaping. Besides the way of imaging reconstruction, the performances of image reconstruction and wavefront shaping are also dependent on system and environment parameters. This paper numerically analyzes the influence of key factors, such as the numerical aperture (NA) of the near-end objective lens of the MMF imaging system, the charge coupled device (CCD) noise of the acquired image, and the ambient temperature at close distances. This work would help to the optimization of the MMF-based imaging system and provide a theoretical basis for potential applications in optical communication systems, neuron imaging and endoscopic diagnosis.     

Optimizing light delivery in scanning photoacoustic imaging for prostate

The purpose of this study was to optimize the light delivery method in a prostate photoacoustic imaging system. A three dimensional(3D) optical model of the human prostate was developed, and the optical energy distribution in the prostate was estimated via three-dimensional Monte Carlo simulation. Then, the feasibility of prostate photoacoustic imaging(PAI) using two endoscopic light delivery methods was studied. Photoacoustic pressure generation and the corresponding photoacoustic images had been obtained and the comparisons were made between each other. Also, the results of cylinder diffusing light source with different lengths were compared. After that, phantom experiment was carried out to validate the simulation results. Our results would be significant in the optimizing photoacoustic imaging system for an accurate diagnosis of prostate cancer.     

激光和照明白光共轴传输的鼻咽镜成像系统

基于现有医用鼻咽喉镜的导光系统,建立一个用于激光诱导荧光成像的激光和照明白光共轴传输系统,以实现对鼻咽癌的诊断和定位.给出了系统的光学设计,其中包括用于激光与传输光纤进行高效耦合的转换透镜,以及实现激光与照明白光共轴传输的分光棱镜.文中还分析了对所采集荧光图像进行衬比度增强处理的方法.动物实验结果表明,新设计鼻咽镜所采集的荧光图像和白光图像视场完全一致,有利于实现对病灶的精确定位.同时,黑白荧光图像经过处理后的衬比度得到显著增强.     

Endoscopic video manifolds for targeted optical biopsy

Gastro-intestinal (GI) endoscopy is a widely used clinical procedure for screening and surveillance of digestive tract diseases ranging from Barrett's Oesophagus to oesophageal cancer. Current surveillance protocol consists of periodic endoscopic examinations performed in 3-4 month intervals including expert's visual assessment and biopsies taken from suspicious tissue regions. Recent development of a new imaging technology, called probe-based confocal laser endomicroscopy (pCLE), enabled the acquisition of in vivo optical biopsies without removing any tissue sample. Besides its several advantages, i.e., noninvasiveness, real-time and in vivo feedback, optical biopsies involve a new challenge for the endoscopic expert. Due to their noninvasive nature, optical biopsies do not leave any scar on the tissue and therefore recognition of the previous optical biopsy sites in surveillance endoscopy becomes very challenging. In this work, we introduce a clustering and classification framework to facilitate retargeting previous optical biopsy sites in surveillance upper GI-endoscopies. A new representation of endoscopic videos based on manifold learning, "endoscopic video manifolds" (EVMs), is proposed. The low dimensional EVM representation is adapted to facilitate two different clustering tasks; i.e., clustering of informative frames and patient specific endoscopic segments, only by changing the similarity measure. Each step of the proposed framework is validated on three in vivo patient datasets containing 1834, 3445, and 1546 frames, corresponding to endoscopic videos of 73.36, 137.80, and 61.84 s, respectively. Improvements achieved by the introduced EVM representation are demonstrated by quantitative analysis in comparison to the original image representation and principal component analysis. Final experiments evaluating the complete framework demonstrate the feasibility of the proposed method as a promising step for assisting the endoscopic expert in retargeting the optical biopsy sites.     

车载式北斗光学三维成像系统技术研究

本文论述了车载式光学成像系统的定位原理,在此基础之上,设计实现车载式北斗光学三维成像系统,该成像系统通过北斗高精度接收机实现成像系统的中心点位置解算,并辅助惯导设备实现成像系统姿态信息解算。通过对比试验,分析说明北斗高精度定位在光学三维成像中发挥的重要价值及成像系统优化方向。北斗定位传感器与光学传感器的有机结合,对提升光学图像信息的有效获取、特定目标的精准感知意义非凡。     

一种提高四杆靶标空间频率的光学系统设计

针对高性能红外成像系统MRTD测试用的小尺寸四杆靶标加工难度大,甚至以现有加工水平根本无法加工的问题,采用ZEMAX软件设计了一款离轴全反射成像光学系统。系统由三个非球面反射镜组成,放大倍数为0.4。仿真结果表明,本文设计的光学系统成像质量良好,接近衍射极限,加入现有的测试系统中可以满足高分辨率红外成像系统MRTD测试需求。     

基于凝视成像探测器的平板调制式微扫描器设计

光学微扫描技术是微扫描亚像元成像系统中的核心技术之一。研究了基于凝视成像探测器的平板调制式微扫描器的原理和设计方法，分析了微扫描平板的误差对亚像元成像的影响，设计了一种基于凝视型面阵CCD探测器的光学平板调制式微扫描器，并实现了与亚像元成像实验系统的联调成像。设计方法不仅适于可见光成像，也适于基于凝视焦平面探测器的亚像元热成像。     

眼检光学相干层析成像系统及实验研究

眼检光学相干层析 (opticalcoherencetomography)成像技术是一种新型成像方法 ,本文阐述了OCT系统的基本原理、组成、建立了一种相干成像实验装置 ,用该实验装置得到了纵向分辨率为 10 μm的实验结果 ,最后 ,本文给出了OCT眼检系统的实验结果     

温度和气压对车载光学系统成像质量的影响研究

为了研究温度和气压对车载光学系统成像质量的影响,在分析温度和气压变化对光学系统结构参数影响的基础上,以某型履带式装甲侦察车CCD摄像机为研究对象,建立其光学系统模型,通过设置不同的温度和气压对系统模型进行了仿真分析。利用光学调制传递函数来表征系统的成像质量,得到了不同温度和气压下系统成像质量的变化规律。仿真结果表明:温度和气压的变化幅度越大,光学系统的成像质量越差,并且气压变化对光学系统成像质量的影响程度大于温度变化。此研究对新型车载光学系统的环境适应性设计提供了重要的参考。     

自由曲面成像光学系统的初始结构设计方法

自由曲面设计自由度多、面型表征能力强等优势使成像光学系统突破了传统面型表征和系统结构的限制,在进一步提高成像质量的同时可以实现大视场、大孔径、小型化、轻量化等设计目标。良好的初始结构可以充分发挥自由曲面对像差的校正能力,提高系统设计效率。与共轴光学系统相比,自由曲面成像光学系统设计存在可参考样例少、像差理论尚不完善等问题,其初始结构的构造与求解仍然是先进光学设计领域的前沿热点问题之一。结合课题组多年的研究心得,探讨了现有的自由曲面成像光学系统初始结构设计方法,依据自由曲面构造原理将其分为同轴系统离轴化法、直接设计法、视场孔径扩展法和分段拼接融合设计方法,并分别介绍其设计原理和思路。最后对自由曲面成像光学系统初始结构设计中亟待解决的问题进行了分析总结。