仿生复眼接收系统设计与实验

以生物视觉成像和目标识别为研究背景,深入研究了光学复眼的结构与拼接以及基于光纤耦合的光信号接收成像技术,并设计了一种可应用于凝视激光雷达的新型光学复眼接收系统.通过模仿昆虫复眼结构形式,该系统由16个透镜阵列构成,全视场角为2°.利用Zemax软件完成了光学系统设计,结合光纤耦合技术接收光信号,对复眼探测结果进行了实验...     

光纤传感测量中耦合系统的设计

根据光纤传感测量中光源的选取原则,将半导体激光器作为光纤传感器的光源并选取单模光纤作为尾纤,基于光学设计软件Zemax纯非序列光学系统,设计了一种半导体激光器与单模光纤的耦合系统。通过分析半导体激光器的光束特性及半导体激光器与单模光纤的耦合模场理论,由一个球透镜和一个准直透镜构成组合透镜耦合方式,达到提高耦合效率和容忍度的目的。设计时在非序列光学系统下进行了百万次光线追迹,仿真得到所设计系统的耦合效率为78%左右,而实验测试结果为69.11%,由此对误差产生的原因进行了分析。     

有序金纳米棒阵列的超分辨成像

显微成像技术受限于光学成像系统的衍射极限，无法分辨亚波长尺度的结构。通过饱和散射抑制成像技术已经实现了单个纳米颗粒的超分辨成像，但是涉及到纳米颗粒集合，需要考虑纳米颗粒间的耦合作用。利用超越衍射极限的双光束方法，可以在有序金纳米棒阵列上实现远场超分辨光学成像。本文设计了纳米棒长径比为2的5×5金纳米棒阵列，通过矢量光场理论和热扩散理论计算了金纳米棒阵列在连续波激光下的热分布，并模拟了双光束激光即脉冲激发光和连续波抑制光下的散射成像。仿真结果显示，连续波激光能够有效抑制金纳米棒阵列对脉冲激光的散射，双光束方法实现了80 nm横向特征尺寸的超分辨成像。     

单像素复振幅成像及实验分析

光场的光强信息和相位信息成像在医学、光学测量、三维成像等领域至关重要。设计了一种无需参考光束即可实现光场复振幅成像的单像素成像系统。该成像系统通过相位型光学掩模对光场信息进行调制，利用无分辨率的光电探测器探测调制后的光强信息，应用phaselift算法恢复光场的光强与相位信息。利用单像素成像系统对衍射光场及透明聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜物体进行了成像实验，从成像结果中可以清晰看到衍射环的光强信息与相位信息。实验中物体薄膜的相位差为0.053，刻线宽度为220 μm，实验得到图像相位差为0.046和刻线宽度为256 μm，与传统检测手段得到的图像信息非常接近。该系统的成像光路无需参考光束，系统简单便于集成，促进了便携式成像系统的发展，可应用于宽光谱成像，在光场复振幅成像方面具有较大发展潜力。     

大屏幕激光显示系统中光纤混色技术的耦合过程分析

介绍了在大屏幕激光显示系统中光纤混色技术的原理，并且通过实验方法讨论了在激光和光纤耦合过程中透镜的选择、数值孔径的匹配、消色差组合透镜的作用、对入射光线的要求和光能的损失等问题，从而能提高激光经光纤混色后的光束成象质量。     

采用三向光纤照明成像的三维微结构观测系统

为弥补普通光学显微镜照明系统的不足,针对一般三维微结构的显微成像,提出并设计了一个可实现实时调节的三向光纤照明成像观测系统.系统采用计算机、D/A卡、驱动电路等硬件以及自主研制的控制软件,实现对任一光源的光强进行稳定连续的实时调节.通过自主设计的机械结构将光源、光纤、耦合头以及显微镜连接为一整体,实现光束入射方向、入射角和入射距离的任意调节.与通常的底部透射光照明系统进行实验比较,成像质量显著提高,不仅可以清晰观察目标对像的表面结构,还能得到立体感强的三维图像.针对面阵CCD显微测量系统的标定和标定误差问题,提出了螺旋微缝标定法.将螺旋测微计两铁钻形成的微缝作为标定的样本,配以适当的观测手段和计算方法,有效地消除或减小了各种误差,提高了系统的标定精度.通过系统标定和测量比较,系统的标定精度达到±0.0015μm,测量精度达到±1μm.实验结果表明,螺旋微缝标定法可以基本满足CCD测量系统标定的要求.     

用于SS-OCT成像系统的侧视型全光纤镜头及其聚焦性能

为研制适用于扫频光学相干断层成像（Swept Source Optical Coherence Tomography,SS-OCT）系统的高性能侧视型全光纤镜头，分析了侧视型光纤镜头的性能影响因素及样品制作方法。对基于梯度折射率（Graded-Index,GRIN）光纤的侧视型全光纤镜头的光学模型进行解析，得出与侧视型全光纤镜头性能相关的特征参数。研究了“单模光纤+无芯光纤+GRIN光纤+转角介质”四段式侧视型镜头各组件长度对其光学聚焦性能的影响，设计各组件的适宜长度范围。最后，制作了外径小至0.5 mm、刚性长度2.75 cm的超小侧视型全光纤镜头样品，通过实验测得镜头的工作距离（0.52mm）和光斑直径（26.82μm），与理论分析结果基本一致，并将镜头样品集成于SS-OCT成像系统，获得了清晰的生物组织层析图像。实验结果表明，本文提出的分析方法可用于侧视型全光纤成像镜头结构参数的优化设计。     

808nm和980nm半导体激光迭阵波长耦合技术

为提高半导体激光器输出光功率,可将多个半导体激光器输出光束耦合成一束激光直接输出或者由光纤耦合输出,以提高半导体激光源的亮度及光束质量.本文采用波长耦合技术进行激光合束,将两种不同波长的半导体激光束通过非相干技术经波长耦合器件耦合输出以实现大功率高效率输出.介绍了非相干耦合技术中波长耦合原理及关键技术,根据波长需要设计了耦合器件,并自行设计光学系统对光束进行扩束聚焦.实验将808 nm和980 nm两半导体激光迭阵光束通过上述技术进行合束, 最终实现了更高功率输出,耦合效率达70%,光斑大小为3 mm×3 mm,可满足将半导体激光器直接应用于熔覆、焊接等场合的要求.     

基于非线性光纤环镜的全光波长变换综述

介绍了非线性光纤环镜的基本原理,以及利用光束传输法对耦合非线性薛定谔方程组进行数值分析,研究并搭建了采用非线性光纤环境作为介质,实现波长变换的实验系统,经实验证明,非线性光纤环路境能够将2.5 G bit/s归零码光脉冲波长变换20 nm,也能同时实现两个波长的转换。     

基于荧光成像的准分子激光系统多路光束自动准直

研究了基于准直光束成像的准分子激光主振荡功率放大(MOPA)系统的多路光束自动准直,实现了激光在放大器中的多程放大及高的靶面指向精度。采用352nm He-Cd激光作为准直光源,提出了多光束感光屏同步接收与可见光CCD荧光成像相结合的复合图像采集技术,解决了自动准直系统多路激光的近场、远场图像获取问题。利用图像区域分割处理方法编制了准直信息处理软件,实现了对多光束的自动准直闭环反馈控制。最后,结合准分子激光MOPA系统中的预放大器光学设计进行了自动准直验证实验。结果表明:准直成像光强可调谐倍数为300,成像系统在放大器窗口处固有误差占放大器口径比例小于设计值1.08%,3路激光的自动准直时间为40s,完全满足放大器的几何填充和能量提取要求。     

Magnetic resonance-coupled fluorescence tomography scanner for molecular imaging of tissue

A multichannel spectrally resolved optical tomography system to image molecular targets in small animals from within a clinical MRI is described. Long source/detector fibers operate in contact mode and couple light from the tissue surface in the magnet bore to 16 spectrometers, each containing two optical gratings optimized for the near infrared wavelength range. High sensitivity, cooled charge coupled devices connected to each spectrograph provide detection of the spectrally resolved signal, with exposure times that are automated for acquisition at each fiber. The design allows spectral fitting of the remission light, thereby separating the fluorescence signal from the nonspecific background, which improves the accuracy and sensitivity when imaging low fluorophore concentrations. Images of fluorescence yield are recovered using a nonlinear reconstruction approach based on the diffusion approximation of photon propagation in tissue. The tissue morphology derived from the MR images serves as an imaging template to guide the optical reconstruction algorithm. Sensitivity studies show that recovered values of indocyanine green fluorescence yield are linear to concentrations of 1 nM in a 70 mm diameter homogeneous phantom, and detection is feasible to near 10 pM. Phantom data also demonstrate imaging capabilities of imperfect fluorophore uptake in tissue volumes of clinically relevant sizes. A unique rodent MR coil provides optical fiber access for simultaneous optical and MR data acquisition of small animals. A pilot murine study using an orthotopic glioma tumor model demonstrates optical-MRI imaging of an epidermal growth factor receptor targeted fluorescent probe in vivo.     

生物医学用荧光光纤传感探头综述

荧光光纤探头具有较强抗干扰能力和较高精度,可实现对生物参数快速、方便、准确地检测,为基础医学研究及临床诊断提供了一种快速简便的工具。介绍了荧光光纤探头设计的基本原理以及荧光探头的几种基本结构,并介绍了其在临床医学诊断、医学检验中的应用,展望了其在医学领域广泛的应用前景和巨大的潜在价值。     

Micro axial tomography: a miniaturized, versatile stage device to overcome resolution anisotropy in fluorescence light microscopy

With the development of novel fluorescence techniques, high resolution light microscopy has become a challenging technique for investigations of the three-dimensional (3D) micro-cosmos in cells and sub-cellular components. So far, all fluorescence microscopes applied for 3D imaging in biosciences show a spatially anisotropic point spread function resulting in an anisotropic optical resolution or point localization precision. To overcome this shortcoming, micro axial tomography was suggested which allows object tilting on the microscopic stage and leads to an improvement in localization precision and spatial resolution. Here, we present a miniaturized device which can be implemented in a motor driven microscope stage. The footprint of this device corresponds to a standard microscope slide. A special glass fiber can manually be adjusted in the object space of the microscope lens. A stepwise fiber rotation can be controlled by a miniaturized stepping motor incorporated into the device. By means of a special mounting device, test particles were fixed onto glass fibers, optically localized with high precision, and automatically rotated to obtain views from different perspective angles under which distances of corresponding pairs of objects were determined. From these angle dependent distance values, the real 3D distance was calculated with a precision in the ten nanometer range (corresponding here to an optical resolution of 10-30 nm) using standard microscopic equipment. As a proof of concept, the spindle apparatus of a mature mouse oocyte was imaged during metaphase II meiotic arrest under different perspectives. Only very few images registered under different rotation angles are sufficient for full 3D reconstruction. The results indicate the principal advantage of the micro axial tomography approach for many microscopic setups therein and also those of improved resolutions as obtained by high precision localization determination.     

微型牙齿三维测量技术与系统

为方便扫描牙齿等微小物体的三维形貌,设计了一套专门用于口腔内部直接测量的牙齿三维扫描系统,该系统利用数字光栅投影仪投射结构光,通过远心成像镜头将光栅图像缩小,经光纤传像束传输投射到待测微小物体上,同时采用电子内窥镜获取图像,最后重构出物体的三维形貌。实验证明,该系统切实可行,满足牙齿扫描的微型化、直接化、灵活性的需求,拓展了结构光微测量三维形貌的适用范围。     

半导体激光鼓膜造孔术的光学系统设计

设计并研制了一套可在视频监控和红光指示下实施半导体激光鼓膜造孔术的光学系统.首先,利用光束整形和波长合束技术将半导体激光单管出射的650 nm激光和半导体激光列阵出射的810 nm激光耦合到芯径为200 μm,数值孔径为0.22的光纤中;然后,利用消色差透镜准直光纤出射的双波长激光,再利用另一个消色差透镜将光束聚焦到耳鼓膜上,该聚焦镜可通过机械部件沿光轴方向移动,从而调节鼓膜上光斑的大小;成像部分则直接使用商用视频耳镜;热反射镜用于使激光和成像光同轴.手术时,根据显示器上的红色指示光斑确定造孔位置.测量结果显示:该系统出光孔处的激光功率在0～13.3 W间连续可调,造孔直径在1～3mm内连续可调.使用本系统可缩短手术时间,减少并发症;儿童患者手术时无需全身麻醉.另外,该系统还具有整机体积小、重量轻、电光转换效率高等优点.     

视网膜细胞显微镜的照明系统

为满足视网膜细胞成像照明光束的高亮度、窄谱宽要求,提出了一种用于视网膜细胞成像的照明系统,将半导体激光器发出的632.8nm激光耦合到芯径为105μm的多模光纤中,用聚光镜将多模光纤的出光端汇聚到一个旋转毛玻璃上,再用一个投射物镜将毛玻璃上的光源像投射到眼睛里照亮视网膜。试验发现该照明方法很好地消除了激光散斑,满足视网膜显微成像对高亮度光源的要求,光源有较窄的谱宽,成像系统色差很小,成像质量优于采用传统氙灯做照明光源的图像。该照明系统能较好地满足视网膜显微成像。     

CCD口腔内窥镜结构设计及其工艺分析

CCD口腔内窥镜是口腔内窥系统的重要组成部分,它通过探头前部的光学系统成像后利用监视器进行观察,并可对图像进行编辑、存储和打印。就其结构设计及其工艺进行了分析,并利用CAD三维软件对其外观进行了辅助设计。     

Optical diagnostics of mercury jet for an intense proton target

An optical diagnostic system is designed and constructed for imaging a free mercury jet interacting with a high intensity proton beam in a pulsed high-field solenoid magnet. The optical imaging system employs a backilluminated, laser shadow photography technique. Object illumination and image capture are transmitted through radiation-hard multimode optical fibers and flexible coherent imaging fibers. A retroreflected illumination design allows the entire passive imaging system to fit inside the bore of the solenoid magnet. A sequence of synchronized short laser light pulses are used to freeze the transient events, and the images are recorded by several high speed charge coupled devices. Quantitative and qualitative data analysis using image processing based on probability approach is described. The characteristics of free mercury jet as a high power target for beam-jet interaction at various levels of the magnetic induction field is reported in this paper.     

时间分辨荧光光纤生物传感器的研制及应用

首次研制了一种完全利用光纤实现光耦合及传输的时间分辨荧光光纤生物传感器.该传感器以镧系离子(铕离子)作为被检测物质的荧光标记物,根据铕离子的荧光特性,利用时间分辨检测技术进行生物医学检测.光学部分采用光纤耦合器和石英光纤作生物样品激发光的传导光学元件,生物样品受激发产生的荧光也同样由光纤耦合器及光纤收集和传导,实现了该传感器的紧凑性和小型化,提高了检测灵敏度.经性能测试,该仪器不稳定性小于2.3%,重复测量的互相关高达99.9%.测铕离子标准液的检测限为7.3×10^-10g/L,达到国外有关文献报道的水平.     

Cr:Forsterite-laser-based fiber-optic nonlinear endoscope with higher efficiencies

We demonstrate a beam-scanning nonlinear light endoscope based on a flexible fiber bundle. Excited with a femtosecond Cr:Forsterite laser, the degradation in multiphoton multiharmonic excitation efficiency due to the pulse-broadening effect is significantly reduced without utilizing any external devices. The system resolution has been characterized to be 5.4 microm in the two-photon fluorescence endoscope, limited by the sampling theory. Finally, several image examples have been given.