光子计数成像系统的自适应累积时间扫描方法

得益于单光子探测器的超高灵敏度,光子计数成像系统近年来成为极弱光探测成像领域的研究热点.基于单点扫描的光子计数成像系统,以光子累积的方式获取大量返回光子事件后重建目标图像.然而,单像素探测时间固定导致的光子事件累积冗余或累积不足的问题,限制了系统的成像效率.本文提出了一种基于自动选取单像素最佳累积时间的时间自适应扫描方法,并分别进行了单点测距和扫描成像实验.结果表明,本文提出的方法在重建质量接近的深度图像(64×88)时的数据总获取时间相比单像素固定累积时间的扫描方法降低了一个数量级,极大地提高了扫描数据获取的效率,为光子计数成像系统快速成像提供了新思路.     

时空域联合编码扩频单光子计数成像方法

本文结合空间编码单像素成像技术和扩频时间编码扫描成像技术,提出一种时空域联合编码扩频单光子计数成像方法.该方法具备可避免距离模糊、大时宽带宽积的优势,并且在噪声干扰下,能够准确恢复距离像.本文推导了基于单光子探测的时空域联合相关非线性探测模型、成像正向模型和信噪比模型,并通过凸优化反演算法恢复深度图像,理论模型和仿真实验均证明,与传统的基于空间编码的单像素成像方法相比,本方法提高了重建的质量.其中,采用m序列作为时间编码,成像的噪声鲁棒性更高.和传统的空间编码单像素成像技术相比,本文提出方法的成像均方误差降低了4/5,引入二次相关方法后,成像均方误差降低了9/10.本文所提出的成像架构为非扫描激光雷达成像方法提供了新思路.     

基于小波树和哈达玛矩阵的自适应快速三维压缩成像方法

针对光子计数系统实现三维成像速度缓慢的问题,提出一种基于小波树和哈达玛矩阵的自适应快速三维压缩成像方法。利用哈达玛矩阵调制投影图案提高采样效率,被调制的短脉冲结构光照射场景,单像素光子计数探测器采集回波。通过分析低分辨率图像的小波树选择采样区域,使用哈达玛矩阵调制所选采样区域得到的投影图案,可采集图像细节,多阶段采样后利用哈达玛反变换恢复出高分辨率图像。实验结果表明,采集并恢复出一幅512×512像素的三维图像的时间最快可达到41 s。     

基于时间相关单光子计数的荧光寿命成像技术

采用时域法中的时间相关单光子计数方法记录荧光寿命,时间相关单光子计数采用多波长通道同时记录荧光光子数,可以提高计数效率和信息量,还可以在稳态图像中分离不同荧光团,形成4维图像。并采用多光子激发技术,利用长波长光源发出的两个或多个光子可以激发出一个短波长的光子。多个光子必须几乎同时到达激发点,才能提供被激发分子足够的能量以产生荧光。多光子激发波长较长,生物组织对其散射减小,因而可以穿透到更深层的组织,从而提高荧光成像深度和空间分辨力,并减少对活体样品的损伤。     

基于压缩感知的后调制远距离三维成像研究

基于压缩感知(CS)理论,提出使用高功率纳秒脉冲激光器照射远距离目标物体,通过望远系统将目标物体成像到数字微镜阵列(DMD)上,利用DMD加载的调制图像对目标物体的像进行调制(后调制),采用光电倍增管(PMT)作为单像素探测器收集调制后的光强,通过压缩感知计算,完成对远距离目标物体的三维图像重建。将此系统应用于远距离三维成像,通过搭建实验系统,分别对距离为230m和4.5km左右的目标物体完成了绝对距离的测量,实现了64pixel×64pixel的三维成像。同时也证实利用压缩感知进行远距离图像恢复,随着采样率的提高,图像恢复的质量和对比度都有一定程度的提高;目标物体图像越稀疏,重构图像所需的采样次数越少。     

显微光子计数成像系统及其应用

光子计数成像系统可以探测生物超微弱发光,但是只能探测生物的宏观图像,若要深入到细胞、分子水平,必须有显微光子计数成像系统。二者的区别类于显微光子计数成像系统是噪声受限系统。本文报道的显微光子计数成像系统,采用＾１４Ｃ同位素光源来监测系统的状态,保证实现极限探测。该系统可以用来研究痕量生物分子的分布和功能,显示钙离子在细胞内外的分布,活性氧、基因表达的监测等。由单光子到单分子、组织学图像到功能图像的     

数字微镜器件在会聚成像光路中的像差分析

数字微镜器件(DMD)应用于会聚成像光路中时,其表面微镜绕各自旋转轴做偏转运动,且微镜相对平面反射镜呈非连续分布,这导致了经过DMD反射后的光束轴外视场主光线与轴上视场主光线存在光程差。利用几何光学和像差理论,在基于DMD的会聚成像光路中得到了DMD面上的像高、光线入射角度、DMD像素大小及偏转角与最终光程差之间的关系。分析了影响光学系统像质的因素及补偿方法,并通过仿真模拟和实验验证了理论的正确性。该研究结果对采用DMD器件的光学系统设计和装调均具有重要意义。     

利用DMD获取高动态范围图像技术

高动态范围的图像可用于同时探测具有较大对比度的亮暗目标,利用数字微镜(DMD)获取高动态范围图像是目前最为先进的一种技术。本文在分析DMD工作原理的基础上,设计了一种像素级的高动态范围图像获取系统,该系统由光学系统、机械系统、DMD像素级调光算法及成像单元组成。光学系统采用二次成像光路,其中第一次成像物镜采用像方远心光路,第二次成像的转置镜头采用放大倍率近似1: 1的准对称结构,机械系统采用光学元件的包边设计和定心车工艺,达到秒级的光学装配精度;DMD像素级调光算法采用搜索单个微镜像素在图像帧周期间的控制权值实现,成像单元可同时兼顾科学级12 bit sCMOS和8 bit CCD,设计完成的原理样机验证了系统设计的正确性,其获取的图像动态范围可达140 dB以上,远高于传统摄像机78 dB的动态范围。     

紫外单光子成像系统的研究

搭建了紫外单光子成像系统,详细介绍了该系统的组成、工作原理和分辨率性能测试.由汞灯发出的紫外光经过大气散射、多块减光片得到了紫外单光子流.单光子直接打在微通道板上,微通道板产生的倍增电子由楔条形阳极收集,电荷灵敏前置放大器将阳极输出的电荷信号转变为电压信号,主放大器对前放信号进行滤波整形.利用高速数据采集卡连续采集主放大器的输出波形,通过软件对采集波形进行处理,采用图像处理技术得到了紫外单光子10min的计数图像,并对图像进行了畸变校正.此外,通过自己设计的分辨率板,测得该系统的分辨率可达150μm.该系统在极微弱光探测成像,生物发光,空间环境探测等方面具有广泛应用. 关键词： 单光子计数成像 阳极探测器 楔条形阳极 分辨率     

实时观察光的波粒二象性

利用现代单光子探测技术，自行研制成功一种光子计数成像系统，利用它在１０＾－１５Ｗ的极弱的探测功率下，完成了光的双缝干涉，单缝衍射和圆孔衍射实验，可实时观察图像形成过程，用光子本身验证了光的波粒二象性。     

基于数字微镜器件的自适应高动态范围成像方法及应用

在结构光三维扫描测量中,强反射表面因编码结构光照射后易产生局部镜面反射的特性,引起相机曝光饱和,淹没了所要检测的表面几何特征信息.为解决强反射表面的视觉成像难题,基于数字微镜器件(digital micromirror device,DMD)具有调制入射光线空间信息的特性,本文提出一种基于DMD的自适应高动态范围成像方法.设计与搭建了一套新型可编程的计算成像系统,建立其光学系统模型,并实现了DMD微镜与CMOS像素的匹配与映射;分析了基于逐像素编码曝光的高动态范围成像原理,并设计了基于DMD的光强编码控制算法,实现对入射光线强度的自适应精确调制,从而使进入成像系统中的入射光强始终处于相机的合适曝光强度内.实验表明:该方法突破了普通数字相机的动态范围限制,能够精确地控制被测强反射表面各个区域的入射光线强弱,并实现了对强反射表面的局部过曝光区域的清晰成像.该研究成果将为从根源上解决强反射表面因局部过曝光造成的三维点云缺失问题提供重要的解决方案.     

一种提高频谱编码成像技术信噪比的方法

频谱编码成像技术是一种采用衍射光栅把不同波长照明到样品的不同位置处的新型反射式显微成像技术。搭建了一个基于50 k Hz扫频光源的频谱编码显微系统,为解决无后置放大器情况下探测微弱样品光的问题,采用平衡探测的方法进行了成像测试。通过对USAF-1951分辨率板成像测得横向分辨率由13.93μm提高到5.52μm,采用平衡探测的方法使得洋葱样品图像信噪比(SNR)由15.07 d B提高到22.6 d B。研究结果表明,采用平衡探测的方法能够提高图像分辨率和信噪比。对离体猪胃小凹样品进行成像,验证了频谱编码成像技术在生物消化道内成像的可行性,为下一步该方法实现临床应用奠定了理论基础。     

一种提高频谱编码成像技术信噪比的方法EI北大核心CSCD

频谱编码成像技术是一种采用衍射光栅把不同波长照明到样品的不同位置处的新型反射式显微成像技术。搭建了一个基于50 k Hz扫频光源的频谱编码显微系统,为解决无后置放大器情况下探测微弱样品光的问题,采用平衡探测的方法进行了成像测试。通过对USAF-1951分辨率板成像测得横向分辨率由13.93μm提高到5.52μm,采用平衡探测的方法使得洋葱样品图像信噪比(SNR)由15.07 d B提高到22.6 d B。研究结果表明,采用平衡探测的方法能够提高图像分辨率和信噪比。对离体猪胃小凹样品进行成像,验证了频谱编码成像技术在生物消化道内成像的可行性,为下一步该方法实现临床应用奠定了理论基础。     

基于分块平滑投影二次重构算法的单像素成像系统

单像素成像系统是通过无空间分辨能力的单像元探测器来获取目标二维分布信息的计算光学成像技术,与传统直接成像技术相比具有高能量收集效率、高灵敏度等一系列优点,在高能物理诊断技术领域有着广阔的应用前景。针对实际单像素压缩感知成像系统在复杂诊断环境中存在的重建噪声较大的问题,提出并实现了基于分块平滑投影Landweber二次重构算法的单像素成像系统。根据算法观测矩阵分布特性以及数字微镜硬件输入要求实现了实际投影观测矩阵的变换,利用二次重构算法实现了单像素诊断的仿真分析与实验测试。仿真结果表明,在采样率为20%～30%的条件下,重建图像峰值信噪比大于20 dB,结构相似性高于0.8。进一步搭建单像素成像平台完成实验研究及验证,实验结果表明,利用二次重构算法模型对目标场景进行恢复的效果优于其余两种传统算法。二次重构单像素成像系统在采样率仅为20%的条件下能够重建出清晰的原始图像,具有较好的噪声抑制特性。     

压缩感知理论在光学成像中的应用

压缩感知以信号的稀疏性或可压缩性为条件,以远低于耐奎斯特采样频率对信号数据进行采样和编码。简要概括了压缩感知的基本理论,它采用非自适应线性投影来保持信号的原始结构, 能通过数值最优化问题精确或高概率地重构原始信号。详细介绍了其在光学成像系统中的应用,主要包括单像素相机、超薄成像、编码孔径成像、多路技术智能成像、多光谱成像和CMOS成像等成像系统。最后对该理论的应用前景进行了阐述。     

空变环形编码孔成像模拟与图像复原

环形编码孔成像技术具有高的探测效率和信噪比,是一种解决低强度脉冲辐射源成像较好的技术。基于该技术,利用Geant4建立环形编码孔中子成像的模拟过程,获取6个不同位置的点扩散函数(PSF)和编码图像。根据空间移变图像分块原理,将图像分成矩形和圆形分块,每一块图像用RL迭代法复原,去除边界明显畸变的像素,这些像素强度由相邻的图像块像素到边界距离的加权系数叠加而成。模拟结果表明,该方法提高了图像复原效果,能够更好地诊断射线区域的空间分布情况。     

基于数字微镜成像系统的响应曲线标定方法研究

高动态范围成像技术是当前光学成像领域的研究热点。基于数字微镜器件(DMD)具有调制入射光线空间信息的特性,设计了一种DMD相机,可提高成像系统的动态范围。同时,为了合理有效地编码控制DMD,根据该成像系统的结构及成像特征,利用数学分析方法先后标定了DMD调光响应曲线和CMOS图像探测器的响应曲线,并在此基础上提出基于DMD相机的响应曲线标定方法。实验表明,该成像系统突破了普通数字相机动态范围的限制,动态范围可提高至96dB以上。同时,还完成了DMD相机响应函数的快速标定,为实现DMD掩模的自适应调整提供了重要依据。     

光子计数模式下的目标探测与成像

 当光微弱到以单个光子发射时,成像系统只有利用光子计数模式才能探测到单光子信息。采用基于碰撞电离效应的全固态雪崩光电二极管作为探测元件,构成微光环境下的光子计数成像实验系统。该系统的硬件主要由雪崩光电二极管构成的单光子计数器、计算机、微光照度计、2维电控导轨、控制器、暗箱等组成。控制器的软件在Altera公司Quartus环境下设计,主要完成导轨运动的控制;上位机软件采用VC++编程实现系统的数据采集处理、系统功能控制和光子计数图像显示等。该系统为全固态结构,工作电压小于35 V,暗计数率小于4 Hz。所建光子计数成像系统在10－5 lx微光环境下实现了目标的探测成像。     

频谱编码深度成像实验研究

频谱编码显微镜是用衍射光栅和光谱分析装置来获得显微图像.样品上不同的位置被不同的波长照明,通过对反射光光谱进行解码来得到空间信息.搭建了一个基于超连续光源和自制光谱仪的频谱编码显微成像系统,其横向分辨率为1.72±0.13μm(编码线方向)和1.26±0.08μm(垂直于编码线方向),测得不同横向位置处的轴向分辨率有差异.对离体猪肝组织不同部位进行了成像(可见血管、肝窦内皮细胞和肝细胞);对鸡心组织以10μm深度间隔进行成像,测得不同深度处结构信息不一样.结果表明,采用该频谱编码成像的方法能够进行高分辨的深度成像.     

用于层析粒子图像测速的模拟粒子场成像

对层析粒子图像测速(PIV)技术中示踪粒子成像部分进行理论分析,并结合真实风洞的相应参数,通过搭建模拟粒子成像平台的方法来进行研究。设计了一套体积为80 mm×100 mm×100 mm的激光照明系统,以提供粒子场的入射光强。建立了示踪粒子的三维成像模型,从而得到层析PIV系统的模拟图像。分析了影响PIV系统成像质量的相关因素。在单像素粒子数为0.007 7的情况下,通过真实粒子图像和模拟粒子图像比较,验证了该方法的正确性。