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用于内窥光学相干层析成像探头的小型化及焦深拓展技术

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中国激光 2020年第2期47卷 163-176页

作者：邱建榕韩涛王迪孟佳刘智毅丁志华浙江大学光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室浙江杭州310027

小型化探头是内窥光学相干层析成像(Optical coherence tomography,OCT)中的普遍需求。介绍了包括基于球透镜、光纤透镜、自聚焦光纤、自由曲面透镜、无透镜的OCT技术的发展历程,总结和比较了各种技术的优劣,为探头的小型化设计提出了... 详细信息

小型化探头是内窥光学相干层析成像(Optical coherence tomography,OCT)中的普遍需求。介绍了包括基于球透镜、光纤透镜、自聚焦光纤、自由曲面透镜、无透镜的OCT技术的发展历程,总结和比较了各种技术的优劣,为探头的小型化设计提出了建议。研究探头的焦深拓展技术对分辨人体内细胞的在体成像的发展具有重要意义。介绍了几种重要的适用于小型化探头的焦深拓展技术,其中基于模式干涉的探头由于易于制作、结构紧凑、传输效率高,同时具有可以优化工作距离、焦深和轴向光强均匀性的优点,在拓展小型化探头的焦深方面具有一定的发展潜力。

关键词：生物光子学光学相干层析成像内窥成像光纤探头模式干涉焦深拓展

小型化软X射线显微成像技术及焦深拓展方法研究

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小型化软X射线显微成像技术及焦深拓展方法研究

作者：刘炜华中科技大学

学位级别：硕士

由于软X射线显微成像系统采用了水窗波段(2.3-4.4 nm)的软X射线,在对自然状态下含水活细胞进行纳米尺度的高衬度成像方面有着独特的优势,是观测细胞内真实超微结构的关键工具。三维软X射线显微成像将X射线显微成像技术与传统断层成像(CT... 详细信息

由于软X射线显微成像系统采用了水窗波段(2.3-4.4 nm)的软X射线,在对自然状态下含水活细胞进行纳米尺度的高衬度成像方面有着独特的优势,是观测细胞内真实超微结构的关键工具。三维软X射线显微成像将X射线显微成像技术与传统断层成像(CT)技术相结合,通过基于多层膜反射镜和波带片等器件的X射线显微成像技术实现含水活细胞的高分辨显微成像,并通过基于多角度投影的传统断层成像(CT)技术实现样本的三维结构重构。目前软X射线显微成像较多采用同步辐射光源,此类光源必须使用大型同步加速器,成像装置须搭建在具有同步辐射设施的地方,并有着极高的建设成本和建设复杂度,使其在光源的可获得性上受到了极大的制约,很大程度地限制了这项技术的应用普及。近年来,随着小型化软X射线光源技术的不断发展、光源性能的不断提升,基于等离子体辐射的小型化软X射线光源得到了越来越多的应用,这种光源具有体积小、成本低、易获取的优势,为小型化软X射线显微成像技术的发展提供了有力的支持。本文针对软X射线显微成像系统提出一种基于激光等离子体的小型化软X射线光源的实现方案,能够提供低碎屑、稳定、高强度、易调节、低成本的软X射线,用于对含水样本的成像。波带片作为软X射线成像系统中的物镜,是系统的关键部件,通过X射线的衍射实现对生物样本的放大,波带片的成像模型对于整个系统成像模型的研究至关重要,本文采用角谱分析法对波带片成像模型进行仿真,并利用了菲涅尔波带片的圆对称性降低计算量,最终获得菲涅尔波带片的衍射角谱以及不同离焦平面下的点扩散函数(PSF),有助于进一步了解系统的成像模型,为成像系统的焦深拓展算法研究提供了理论支持。对于具有一定焦深的软X射线显微成像系统,由于波带片成像时具有一定的焦深(DOF),样本在焦深内时成像分辨率较高,若样本有部分处于焦深外时,会由于离焦而出现模糊的现象,造成最终重建三维图像的分辨率较低。本文使用基于PSF去模糊及图像堆栈融合的方法,对成像系统的固有焦深(DOF)进行拓展,能提高成像系统的观察范围,使厚度大于焦深的样本也能够在不损失分辨率的情况下进行成像。最后本文介绍了基于等离子体光源的小型软X射线成像实验平台的搭建情况,该系统目前正在搭建中。激光等离子体光源是该系统的核心部件,目前已经能够实现长时间的稳定工作。另外,设计了一个配套小型化软X射线显微成像系统的软件,能够实现硬件控制、数据预处理、三维重建、图像后处理等功能,为使用小型化软X射线显微的科研人员提供一个功能丰富的可交互操作软件。

关键词：软X射线显微成像小型化软X射线光源激光等离子体菲涅耳波带片点扩散函数(PSF) 焦深拓展

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光学相干层析成像焦深拓展方法研究进展

激光与光电子学进展 2024年第20期61卷 187-201页

作者：谷成富张浩然兰琦张伟逸刘畅杨建龙上海交通大学生物医学工程学院上海200240

伴随着光学相干层析成像(OCT)技术的临床应用从眼科拓展至各类人体腔道、功能成像、诊疗一体化、手术机器人等,亟需提升其分辨率以解析细胞及以下尺度的生物组织结构。然而,OCT横向分辨率提升伴随着焦深的下降,难以在整个OCT成像范围内... 详细信息

伴随着光学相干层析成像(OCT)技术的临床应用从眼科拓展至各类人体腔道、功能成像、诊疗一体化、手术机器人等,亟需提升其分辨率以解析细胞及以下尺度的生物组织结构。然而,OCT横向分辨率提升伴随着焦深的下降,难以在整个OCT成像范围内获得较为均一的点扩散函数。针对这一挑战,研究人员提出了多种焦深拓展策略,包括贝塞尔光束、相位掩模、色散效应、合成孔径、计算成像、多模干涉和动态聚焦等。这些方法通过不同的原理实现焦深的扩展,优化OCT成像的深度和质量。详细讨论了这些技术的工作原理、实现方法、优势和局限性,并基于自由空间和内窥OCT两种主要探测形式,比较了各类焦深拓展方法的效果。最后,对OCT焦深拓展技术及应用的未来发展进行了展望,指出了潜在的研究方向和挑战。

关键词：光学相干层析焦深拓展分辨率内窥成像

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波前编码超分辨成像技术

红外与激光工程 2016年第4期45卷 227-236页

作者：赵惠魏静萱庞志海刘美莹中国科学院西安光学精密机械研究所空间光学应用研究室陕西西安710119 西安电子科技大学计算机科学与技术学院陕西西安710071

波前编码作为一种经典的计算成像技术,以能够大幅度拓展光学成像系统的焦深而闻名,并得到了学术界及工业界长期的关注。实际上,除了焦深的拓展,波前编码还具备实现超分辨率成像的潜力,而这在已有的研究中鲜有讨论。一方面,相位掩膜板的... 详细信息

波前编码作为一种经典的计算成像技术,以能够大幅度拓展光学成像系统的焦深而闻名,并得到了学术界及工业界长期的关注。实际上,除了焦深的拓展,波前编码还具备实现超分辨率成像的潜力,而这在已有的研究中鲜有讨论。一方面,相位掩膜板的引入在降低光学系统传递函数并使其对离焦不敏感的同时,也有效降低了欠采样数字成像系统中的混叠效应,从而提供了更适合于进行超分辨率重构的数据源。另一方面,相位掩膜板所引起的点扩散函数支持域的巨大化效应使得以数字的方式、从采样间隔可以被认为是无限小的、理想的光学焦平面点扩散函数来计算与特定探测器物理像元大小相对应的采样点扩散函数成为可能。因此,从这两个特点出发,提出了一种为波前编码系统定制的、基于单帧图像放大的超分辨率重构算法,并且研制了原型样机对超分辨率的效果进行了检验。试验表明:焦距50 mm/F数4.5的Cooke三片系统除了焦深拓展超过20倍且具有接近衍射受限成像品质之外,利用复原算法能够实现至少3倍的高品质超分辨率重建效果。

关键词：波前编码计算成像焦深拓展超分辨率

用于谱域干涉系统测量范围优化的相位调制技术研究

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用于谱域干涉系统测量范围优化的相位调制技术研究

作者：范知礼华中科技大学

学位级别：硕士

随着加工技术的不断发展,集成电路、智能制造领域内器件的加工精度日益增加。相应地,表面形貌检测仪器的检测精度也需要达到微米量级。谱域干涉测量技术具有速度快,能三维成像等优点,常用于工业领域的样品表面检测。但是干涉测量系统中... 详细信息

随着加工技术的不断发展,集成电路、智能制造领域内器件的加工精度日益增加。相应地,表面形貌检测仪器的检测精度也需要达到微米量级。谱域干涉测量技术具有速度快,能三维成像等优点,常用于工业领域的样品表面检测。但是干涉测量系统中测量光束的横向分辨率与焦深相互限制,难以同时满足高精度与大量程的双重需求。本文优化系统测量范围的主要方式为增加系统焦深和实现动态调焦,优化后的系统能够实现大量程范围内样品表面形貌的高精度测量。本论文主要对相位调制技术进行研究,采用理论分析、光学软件仿真与实验测量的方法,探究相位调制技术对于系统焦深和焦点位置的影响。具体研究内容如下:(1)构建谱域干涉测量系统模型,对模型的探测光束进行随机相位调制。仿真证明调制后系统的模拟测量结果的相对误差小于2.89×10,证明方案的可行性。在此基础上生成三次相位矩阵与菲涅尔透镜相位矩阵,分别应用于系统实现焦深拓展和动态调焦的功能。(2)使用无衍射的艾里光束实现系统焦深拓展方案的研究。通过对艾里光束的仿真研究了影响艾里光束主瓣直径和主瓣能量占比的因素。测量了焦深扩展后系统的基本性能参数。艾里光束谱域干涉系统的焦深扩展为原系统的6倍,横向分辨率为8.9μm。能够同时实现复合样品的4 mm厚度和100μm深度的孔径结构测量。(3)基于可变焦距菲涅尔透镜的相位实现系统动态调焦方案的研究。在干涉测量系统中加入相位调制器,可通过在调制器上加载不同焦距的菲涅尔透镜图案以实现焦点位置的灵活变换。搭建实验系统进行分析,结果表明改进后的系统具备动态调焦功能,调焦范围大于8 mm,信号的峰值强度变为调制前的14.61倍,信噪比维持在15.18 d B以上。展现了该系统对工业领域中表面形貌复杂样品测量的价值所在。

关键词：光谱干涉测量相位调制焦深拓展艾里光束动态调焦

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波前编码成像技术特性和实验研究

波前编码成像技术特性和实验研究

作者：胡江飞苏州大学

学位级别：硕士

大焦深成像光学系统具有诸多的优点，研究人员探索出了多种焦深拓展方法，其中波前编码（WFC）成像技术因其独特的性能成为目前的研究前沿。波前编码技术包含光学设计和数字图像处理部分，创造性地将它们紧密结合在一起，通过在光学系... 详细信息

大焦深成像光学系统具有诸多的优点，研究人员探索出了多种焦深拓展方法，其中波前编码（WFC）成像技术因其独特的性能成为目前的研究前沿。波前编码技术包含光学设计和数字图像处理部分，创造性地将它们紧密结合在一起，通过在光学系统的出瞳面加入一块特殊设计的相位板光学元件，对光学系统的波前进行编码调制，使得在较大的焦深范围内，系统的光学传递函数保持离焦不敏感特点，从而在探测器上形成模糊一致的中间像，利用数字图像处理将一定焦深范围的中间图像恢复成清晰像。本文通过模拟仿真实验和应用成像实验，分析研究了基于旋转对称位相板和非旋转对称位相板的成像特性并比较了两者差别，同时对三次位相板的波前编码系统对不同像差的抑制作用进行了研究，并从软件模拟和实验两方面实现了对模糊的中间像进行图像滤波复原及图像评价工作。论文主要完成了以下几个方面的工作：1.在理论分析波前编码成像系统的机理和计算方法的基础上，对三次位相编码系统的焦深和焦深拓展率进行了理论分析。2.运用光学设计软件，研究了三次位相板波前编码成像系统的离焦不变性及成像特性，对模糊中间像进行了滤波处理和图像恢复研究，得到了清晰的复原像并对像质进行了评价研究。论文同时分析了三次位相波前编码系统对各种像差的抑制作用。3.比较研究了旋转对称与非旋转对称位相板在波前编码成像系统中的离焦特性和焦深拓展率。4.实验加工制作了三次位相板，并对三次位相板进行了检测。设计和搭建了WFC实验成像系统，获得了实验室的成像结果和图像复原结果，验证了波前编码系统的焦深拓展有效性。

关键词：波前编码位相板焦深拓展像差光学传递函数图像复原