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基于波前编码的大像面荧光显微成像系统景深延拓研究

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光学技术 2024年第4期 411-418页

作者：鲍猛张磬瀚郑继红韦晓孝万新军申桐金旭东上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海理工大学上海市现代光学系统重点实验室

大像面荧光显微成像系统可以对大尺寸dPCR生物基因芯片进行一次性成像，但其景深(DOF)较小，限制了系统的物方检测深度。文章采用波前编码技术在不降低分辨率的前提下，有效扩展了大像面荧光显微成像系统的景深，为后续高通量多层堆叠式... 详细信息

大像面荧光显微成像系统可以对大尺寸dPCR生物基因芯片进行一次性成像，但其景深(DOF)较小，限制了系统的物方检测深度。文章采用波前编码技术在不降低分辨率的前提下，有效扩展了大像面荧光显微成像系统的景深，为后续高通量多层堆叠式dPCR生物芯片实现一次性成像提供了技术支持。但考虑到显微成像系统正向设计仿真时不适合直接进行景深延拓分析，故对其倒置翻转后在像方(原物方)分析焦深延拓范围(即景深)。为确定最优的相位板参数值，编写遗传算法与ZEMAX的API接口链接，以动态交互的方式对相位板调制系数进行优化、筛选、定值。在大像面荧光显微成像系统孔径光阑前的平行光路处添加特定系数的相位板，对光学系统的波前相位进行调制，使得在焦点附近一段范围内产生成像一致的中间模糊像。采用维纳滤波对中间模糊像进行复原，由模拟的结果可见，在传统光学系统的±10倍景深内，编码复原图像具有较高的分辨率(达到6.5μm),能够实现系统的景深延拓。装配相位板的大像面荧光显微成像实际系统，其延拓倍数在±7倍景深范围内有较好的图像复原分辨率(6.5μm)。

关键词：生物光学波前编码数字PCR 光学设计荧光显微镜图像处理

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单分子免疫检测系统的光学系统设计

光学技术 2023年第4期49卷 497-501,512页

作者：范学仕张薇江奔韦晓孝上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海200093

单分子免疫检测,是指将免疫复合物限制在极小的体积内,对产生的信号进行计数,是一种“数字化”的免疫检测技术。单分子免疫检测仪的核心类似于一个荧光显微系统,但普通的荧光显微镜结构复杂,且与生物芯片规格无法匹配,不能很好地满足检... 详细信息

单分子免疫检测,是指将免疫复合物限制在极小的体积内,对产生的信号进行计数,是一种“数字化”的免疫检测技术。单分子免疫检测仪的核心类似于一个荧光显微系统,但普通的荧光显微镜结构复杂,且与生物芯片规格无法匹配,不能很好地满足检测需求。针对自行研制的生物芯片规格,合计了一套高性能的单分子免疫检测光学系统。根据设计要求,确定了合适的初始结构;在荧光显微系统原理和像差分析理论的基础上,使用光学设计软件Zemax对系统进行反复优化设计;设计出了满足单分子免疫检测成像要求的光学系统。系统的成像部分由15片折射透镜组成,工作距离为4mm,放大倍率为-4.52,调制传递函数值在奈奎斯特频率73lp/mm处均大于0.44,畸变为0.8%,照明部分采用柯勒照明方式,在整个视场范围内,物面上的照度均匀度达到97%。整个系统采用国产常规玻璃,有利于加工和降低成本。经优化后的高分辨率荧光显微系统结合当前发展成熟的全自动化检测技术,可以极大提高单分子免疫检测的检测灵敏度和准确率。

关键词：单分子免疫检测生物芯片光学设计荧光成像系统照明设计高分辨率

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基于条纹偏折法的渐进多焦点镜片屈光度检测

光学技术 2022年第5期48卷 597-603页

作者：韦晓孝邹甜妹万新军张昊王臻磊上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海200093

渐进多焦点镜片以其独特的优势崭露头角,适用人群越来越广泛。为了对其进行快速、精确检测,提出了一种低成本、装置简单、易操作的渐进多焦点镜片屈光度检测方法。基于透射式条纹偏折法,通过对镜片引起的光线偏折角进行计算可以快速得... 详细信息

渐进多焦点镜片以其独特的优势崭露头角,适用人群越来越广泛。为了对其进行快速、精确检测,提出了一种低成本、装置简单、易操作的渐进多焦点镜片屈光度检测方法。基于透射式条纹偏折法,通过对镜片引起的光线偏折角进行计算可以快速得到整个镜片屈光度的分布。文中对屈光度检测方法的优缺点进行综述。对透射式条纹偏折法原理进行了分析和研究;构建了基于透射式条纹偏折法的实验装置,介绍了系统中的相机标定和相位解算技术;对渐进多焦点镜片进行屈光度检测实验,对结果进行分析,并与VM-2000进行数据对比实验。结果表明该方法能有效、快速地检测渐进多焦点镜片的屈光度分布,也可推广应用到其他透镜的检测。

关键词：条纹偏折法相位测量相机标定自由曲面屈光度

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全息光存储双波长非球面光学头物镜设计

光学技术 2023年第3期49卷 281-285页

作者：文静杨冠东韦晓孝徐学科陶春先上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海200093 恒迈光学精密机械(杭州)有限公司浙江杭州311421

全息光存储是一种利用全息方式去进行信息的记录和再现的存储方式。在同轴全息光存储中,需要光学头物镜对532nm和650nm两个工作波长聚焦于全息材料不同的焦面上,且都能达到良好的聚焦效果。由于记录和读取都在全息记录材料上,全息材料... 详细信息

全息光存储是一种利用全息方式去进行信息的记录和再现的存储方式。在同轴全息光存储中,需要光学头物镜对532nm和650nm两个工作波长聚焦于全息材料不同的焦面上,且都能达到良好的聚焦效果。由于记录和读取都在全息记录材料上,全息材料由保护层和记录层组成,由于折射率不均匀导致的像差会对物镜的聚焦效果产生影响。目前的商业物镜无法满足全息光存储中光学头的物镜需求。为了满足这类需求,达到良好的性能效果,论文利用Zemax OpticStudio光学设计软件设计了一款针对全息光存储的双波长非球面光学头物镜,整体由一片非球面镜和一片球面镜组成。工作波长为532nm和650nm两个波长,焦距大于4mm小于6.2mm,像方数值孔径大于0.5,MTF值在空间频率为900lp/mm内均大于0.4,在全息材料上聚焦获得的波面相差均方根低于0.07波长。在上述技术指标下,该物镜具有较好的分辨能力和成像质量,论文方案为全息光存储光学头物镜的设计提供了新的思路。

关键词：光学设计非球面全息光存储

大视场dPCR芯片荧光检测系统的设计与优化

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光学技术 2023年第4期49卷 502-507页

作者：徐振超张磬瀚郑继红韦晓孝万新军上海理工大学光电信息与计算机学院上海200093 上海理工大学上海市现代光学系统重点实验室上海200093

数字PCR(dPCR)技术作为传统PCR技术的更新迭代,有着绝对定量的特点,在新冠病毒核酸序列检测、癌细胞探测等生物学领域有着巨大的潜力。现有的dPCR荧光检测系统在检测通量、检测速度以及成本之间难以做出合理的权衡。由于成像视野小、需... 详细信息

数字PCR(dPCR)技术作为传统PCR技术的更新迭代,有着绝对定量的特点,在新冠病毒核酸序列检测、癌细胞探测等生物学领域有着巨大的潜力。现有的dPCR荧光检测系统在检测通量、检测速度以及成本之间难以做出合理的权衡。由于成像视野小、需多次图像拼接极大影响了dPCR荧光检测系统效率和时间。文章构建了一套采用大视场荧光显微设计的多通道dPCR检测系统实验平台,依托该实验平台,运用Zemax软件优化结构,改进显微成像物镜设计,能够实现直径18mm的全视场范围FAM、HEX、ROX三种荧光通道分辨率在6μm的多通道成像。采用随机霍夫变换算法(RHT)图像处理分析方法,对常规均匀“圆孔”和新型“雪花”、“树枝”等非均匀结构的微流控荧光芯片,均能实现高效检测,得到清晰、稳定的荧光图像。

关键词：应用光学数字PCR 光学设计荧光显微镜微流控芯片

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一种降低柱透镜式裸眼3D串扰度的方法

光学技术 2022年第3期48卷 271-276页

作者：周德峰张薇张朝财范学仕韦晓孝万新军上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海200093

柱透镜式裸眼3D显示系统近年来在各个领域发展迅速。为了进一步解决柱透镜式裸眼3D串扰问题,提出一种通过平移LCD图像面板上的像素位置,并减小像素间隔和调整柱透镜倾斜角度来降低柱透镜光栅自由立体显示器相邻视点间串扰的方法。针对... 详细信息

柱透镜式裸眼3D显示系统近年来在各个领域发展迅速。为了进一步解决柱透镜式裸眼3D串扰问题,提出一种通过平移LCD图像面板上的像素位置,并减小像素间隔和调整柱透镜倾斜角度来降低柱透镜光栅自由立体显示器相邻视点间串扰的方法。针对双视点柱透镜式裸眼3D显示系统分析其串扰原因,计算了柱透镜厚度、节距、焦距以及曲率半径等参数,分析了LCD图像面板像素位置、柱透镜倾斜角度、像素间隔与串扰面积及莫尔条纹厚度之间的关系,在保证莫尔条纹厚度不变的情况下降低了视区边缘最大串扰度。采用Lighttools软件对上述方法进行仿真,对像素数为120×60的局部区域进行模拟,结果显示改进前后视区边缘最大串扰度由50%降低至30%,最佳视点串扰度由0.93%降低至0.32%,且最佳视点区域扩展了±15mm,对降低柱透镜式裸眼3D串扰具有借鉴意义。

关键词：裸眼3D 柱透镜光栅串扰莫尔条纹

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圆偏场瞬时光弹相移法的波长失配误差及补偿

光学学报 2022年第21期42卷 160-167页

作者：万新军高阳韦晓孝王臻磊汪嘉欣上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海200093

利用偏振相机实现瞬时相移获取光弹条纹的方法缺乏定量误差及补偿分析。圆偏场瞬时光弹相移法的误差主要是1/4波片与光源波长不匹配造成的。首先,基于Stokes矢量和Mueller矩阵,从理论上推导了光弹特性的误差及补偿方程,讨论了样品应力... 详细信息

利用偏振相机实现瞬时相移获取光弹条纹的方法缺乏定量误差及补偿分析。圆偏场瞬时光弹相移法的误差主要是1/4波片与光源波长不匹配造成的。首先,基于Stokes矢量和Mueller矩阵,从理论上推导了光弹特性的误差及补偿方程,讨论了样品应力方向角和相位延迟量的误差分布。结果表明:等差线条纹误差正比于失配值;等倾线条纹误差是非线性的,但正比于失配值的余弦,反比于两个光强之差。然后,分析了光源谱线宽度对补偿效果的影响,结果显示谱宽的限制与波长成正比,与失配误差成反比。最后,结合对径受压圆盘的模拟和实验验证了误差分析及补偿方法的正确性,并论述了等倾线应力方向分离的问题。

关键词：测量光弹相移法误差分析

基于光场成像原理和混沌系统的多图像加密方法

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光子学报 2020年第3期49卷 193-202页

作者：韩思敏张薇张翔韦晓孝万新军上海理工大学光电信息与计算机工程学院教育部光学仪器与系统工程研究中心上海现代光学系统实验室上海200093

针对现有光学加密方法对加密系统要求高、受器件性能限制、加密效率低、解密图像易失真的局限性,提出一种基于光场成像原理和混沌系统的多图像加密方法.该方法利用混沌系统随机生成光场成像系统的个数与系统参数,并在计算机中构造出相... 详细信息

针对现有光学加密方法对加密系统要求高、受器件性能限制、加密效率低、解密图像易失真的局限性,提出一种基于光场成像原理和混沌系统的多图像加密方法.该方法利用混沌系统随机生成光场成像系统的个数与系统参数,并在计算机中构造出相应的多个光场成像系统;将多幅待加密图像拼接后置于光场成像系统中依次计算得到光场图像,通过提取光场图像的多幅子孔径图像并进行拼接,实现多幅图像的快速加密.解密过程为加密过程的逆过程.该方法将计算成像的方式引入加密过程,使加密不受硬件条件的限制,易于实现.实验结果表明,提出的算法密钥复杂度低,易于传输;对噪声有较好的鲁棒性,密钥空间大,密钥敏感度高,安全性好;加密效率高,解密图像无损失.在需要大量图像进行安全传输的领域具有广泛的应用前景.

关键词：信息光学计算成像光场成像混沌系统多图像加密

基于三维缺陷检测的双光路双远心光学系统设计

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光学技术 2020年第1期46卷 14-19页

作者：韦晓孝李雪宸万新军张薇上海理工大学光电信息与计算机工程学院上海200093

针对基于SMT技术生产的PCB板产品的三维缺陷检测问题,设计了一款高分辨率、高远心度及低畸变的双光路双远心光学系统。它通过远心投影物镜经共光路物镜将DMD数字条纹均匀投影至待测物面,同时经由共光路物镜和成像物镜收集物面反射条纹光... 详细信息

针对基于SMT技术生产的PCB板产品的三维缺陷检测问题,设计了一款高分辨率、高远心度及低畸变的双光路双远心光学系统。它通过远心投影物镜经共光路物镜将DMD数字条纹均匀投影至待测物面,同时经由共光路物镜和成像物镜收集物面反射条纹光至CMOS接收面。使用ZEMAX光学软件分别对三部分镜组进行优化设计,分析了系统的像差和调制传递函数。设计结果表明:共光路物镜部分采用长工作距离、大视场角及物方远心结构,空间频率50lp/mm处,各视场的MTF接近衍射极限;投影光路畸变小于0.1%,在投影面上全视场范围MTF在6lp/mm处大于0.8且条纹周期均匀;成像光路畸变小于0.05%,在全视场范围MTF在80lp/mm处大于0.3。仿真成像结果表明,在离焦量为+/-6mm时仍能达到景深范围内分辨率要求,能有效提高3D AOI检测质量。且双光路双远心系统所用材料基本为普通玻璃且重复率较高,利于加工和节省成本。

关键词：应用光学光学设计双光路结构双远心镜头高分辨率投影