无波前传感器自适应光学在生物成像中的应用

获取生物体的高质量图像对生命科学的研究至关重要,但成像光学系统和生物体本身都含有像差,导致成像分辨率和对比度下降.由于不同生物体引入的像差不同且可能随时间变化,因此无法通过传统的光学设计手段进行补偿.发端于天文成像观测的自适应光学技术具有克服动态像差影响的能力,因此也可以用于生物成像中提高成像质量.传统自适应光学一般用波前传感器(如夏克-哈特曼传感器)测量波前误差,而近年来发展的无波前传感器自适应光学技术则省去了专用的波前传感器,不但简化了系统结构,降低了成本,还可以克服传统自适应光学的一些限制,具有良好的应用前景.本文在介绍无波前传感器自适应光学原理的基础上,重点讨论该技术在眼底成像和荧光显微成像方面的应用并对未来的发展提出展望.     

哈特曼波前探测器波面重构精度研究

活体人眼波前像差的精确探测一直是人眼自适应成像系统波前探测和波前校正的难点。以Shark-Hartman波前探测器(S-H)和液晶空间光调制器(LCOS)搭建了一套活体人眼像差探测及眼底自适应成像系统。对Shark-Hartman波前探测器(S-H)波面探测精度的影响进行研究。在液晶空间光调制器LCOS施加同阶等大小的波前畸变,探测不同情况下的哈特曼波前探测器上的波面重构值并且加以分析,并对当前波前探测精度的自适应像差校正及成像结果进行对比分析。利用优化参数的哈特曼波前探测器进行自适应校正成像实验。实验证明,人眼动态像差的精确探测是自适应系统像差校正的基础。哈特曼波前传感器的波前探测及重构精度是获得人眼眼底视网膜的衍射极限分辨的根本,哈特曼波前传感器的子孔径数选择及子孔径大小对眼底自适应成像系统起到关键作用。     

自适应光学随机并行梯度下降控制算法的研究

随机并行梯度下降算法(SPGD)是一种比较有潜力的自适应光学的系统的控制算法,它具有速度快、无需信标光且不需要依赖波前传感器就可以对畸变波前进行校正的优点,近年来受到人们的广泛关注。本文应用zernike多项式模拟大气湍流畸变波前,以32单元变形镜为校正器,利用SPGD算法对畸变波前进行了初步校正研究。结果表明,SPGD算法可以用于校正波前畸变,且不同的参数如扰动幅值、增益系数的选取都会影响校正的效果,此外本文提出的分段增益方法可以在一定程度上优化该算法。     

液晶自适应校正在眼底成像中的应用

眼底视网膜的病变不仅会导致眼睛本身的大部分疾病,而且可以反映人体的其他疾病。对人眼视网膜的精确观察可以对这些疾病进行早期诊断和预防,但由于人眼波前像差的存在会使获得的眼底图像难以达到临床诊断的要求,因此与自适应像差校正技术相结合的眼底视网膜成像课题具有极重要的研究意义。研究了自适应光学在眼底成像中的应用,并分析了自适应成像系统存在的问题及未来的发展方向。基于自适应技术的人眼视觉科学设备难以普及和商业利用的原因是缺少一种有效而且低成本的波前校正器。液晶自适应光学技术能够有效校正眼底成像系统的实时波前误差,提升系统的成像质量。介于自适应光学技术在眼底成像广阔的应用前景,自适应眼底成像系统将逐步走向产业化。     

微变形镜补偿激光器波前畸变

推导出热畸变与微变形镜镜面形变量及反射镜驱动单元上电压的关系,建立了补偿激光器腔内畸变的自适应光学系统试验平台．试验结果表明,给变形镜的37个驱动电极施加不同的控制电压,改变镜面弯曲程度．能有效校正激光波前畸变,为基于微变形镜的自适应光学在热畸变校正系统中的应用提供了必要的试验依据．     

一种新的Mems变形反射镜主要性能参数测试

通过对37单元Mems变形镜面形的测量得到了变形镜的电压-位移静态曲线。通过对自适应光学微变形反射镜理论研究推导和实验测试,导出了变形反射镜光学影响函数的矩阵并由此得到电压控制矩阵,从而利用控制电压校正了变形镜的初始面形,为系统波前畸变校正提供了与理论相一致的实验依据。对变形镜校正能力进行了测评,为今后全面优化设计微变形反射镜及其更完美的适应自适应光学系统的需要提供了实验数据与理论支持。     

自适应光学技术在天文观测中的研究进展

自适应光学技术克服大气湍流的干扰,使大口径光学望远镜的角分辨率不再受限于大气相干长度,成像接近光学系统的衍射极限.自适应光学技术在波前探测、校正和提高成像视场等方面的不断进步,极大地促进了天文学的发展.目前,天文观测中的自适应光学技术按应用主要分为三类:传统的大视场高分辨率天文观测、系外行星观测和太阳观测等.它们对自适应光学技术的要求各不相同,本文分别对自适应光学技术在这三方面的应用和其他关键单元技术的进展,进行了详细的总结与展望,这些对未来我国发展大口径自适应光学望远镜有参考价值.     

模型人眼的视网膜自适应成像系统

为了更好的进行人眼视网膜成像探测及人眼像差校正,建立了一套基于液晶波前校正器的模型,模拟人眼眼底的自适应成像系统。该系统采用Shark-Hartman波前探测器进行波面探测,将探测所得波前畸变经过计算处理转化为灰度图通过电脑施加到LCOS上进行波面校正,通过校正人眼像差的方式来提高系统成像质量。经过校正后,系统波误差从1．92μm降低到0．048μm系统分辨率接近70lp／mm已经到达该光学系统衍射极限分辨。可以满足低阶大像差情况下的模拟人眼视网膜成像要求。     

起伏地表下合成震源记录剩余偏移速度分析

提出一种起伏地表下新的剩余偏移速度分析方法.应用控制照明技术,克服了由于在起伏地表上合成的震源波场不是平面波震源波场而不能应用剩余速度校正公式的障碍,使得射线参数在偏移和速度分析过程中保持一致,且避免了因横向变速而导致的平面波震源波场在传播过程中的畸变.利用改进的合成震源记录叠前深度偏移,直接从起伏地表延拓波场和成像,偏移前无需对地震数据做静校正或重定基准面.合成数据试算表明该方法是有效和实用的.     

基于径向基函数神经网络的栅格图像非线性畸变校正

为了减小光电成像测量系统中存在的非线性畸变,提高测量精度,提出了一种基于径向基函数神经网络的图像畸变校正方法。提取带有桶形畸变的栅格图像中的栅格交叉点作为控制点,利用光学成像关系推算出栅格交叉点的理想无畸变位置,构成径向基函数神经网络的训练集。经过训练,可以确定径向基函数神经网络结构的优化参数。针对栅格图像进行了畸变校正实验,并与多项式变形法进行了比较。实验结果表明,所提方法能够自动、有效地校正图像畸变,效果优于多项式变形法。     

基于小波分形插值算法的大气湍流波前畸变重构

波前传感器自适应光学系统的波前畸变校正效果主要取决于重构波前的精度,而现有的模式法、区域法等方法重构波前精度较低,波前畸变校正性能有待提高。针对这一问题,提出一种基于小波分形插值算法的大气湍流波前畸变重构,在对原始波前进行小波变换的基础上采用分形插值的方法,能够有效提高精度,同时避免高频信息丢失,最后进行小波逆变换得到重构波前。仿真结果表明,与传统的最小方差估计算法相比,该方法重构波前的灰度平均梯度由0.065增加到0.765 4,均方根误差由3.249 2下降到0.634 6。     

大视场CMOS相机图像的畸变校正

由于光学成像系统存在着非线性误差,大视场CMOS成像相机获取的图像会产生较严重的几何畸变.为了改善其图像质量,必须对其进行畸变校正.分析了畸变校正的思路,建立了畸变校正的模型,并通过对标准正方形网格成像的办法进行曲线拟合得到所需的校正系数,然后利用最近邻点法和双线性插值法分别对失真的网格进行校正.对比其校正效果,可以看出采用双线性插值法时,网格的直线形状保持较好,图像质量比最近邻点法时有所改善.最后对CMOS获取的图像进行校正,获得了较好的校正效果.     

基于极大似然法的超分辨荧光显微成像方法研究

由于光的衍射极限限制,人们无法观察精细的细胞结构和获得纳米级的蛋白质以及生物分子信息.本研究采用极大似然算法来实现单分子定位.首先,对荧光分子图像进行解卷积和二值化处理降噪;其次,对荧光显微成像过程建立极大似然模型;最后,用优化工具箱函数进行求解.模拟结果表明:相邻20 nm的2条分子带可以分辨;将此算法应用于实际生物...     

近场光学显微法研究CdS及CdS_xSe_(1-x)一维纳米结构光学传输特性

利用扫描近场光学显微系统,研究了CdS及CdSxSe1-x一维纳米结构的荧光传输特性.实验表明光致荧光可以在直的或者弯曲的一维纳米结构中传输,并实现在纳米结构的端部出射.根据在不同激发光强度下的CdS纳米带端部的三维扫描近场光学像,分析了随着激发光强度增加,纳米带可能出现的受激发射现象.通过近场扫描成像,分析了CdSxSe1-x一维纳米结构光致荧光在结构端部的光出射现象.对于不同组分的CdSxSe1-x一维纳米结构分别测其原位以及传导一定距离之后的光致荧光谱,观测到红移现象.分析表明,红移是由于荧光在纳米结构的传输中的吸收效应造成的.对于CdS及CdSxSe1-x一维纳米结构的光学传输的研究,有助于发展新型功能的纳米器件.     

近场光学显微术对凋亡HeLa细胞成像的探索

用扫描近场光学显微镜对凋亡的HeLa细胞进行了近场光学成像,得到优于光学衍射极限的光学分辨率.由于近场光学显微镜同时测量细胞表面形貌信息和透射光强信息,可以将细胞表面及其内部的物质结构特性和光学特性与空间位置相结合,获得凋亡细胞的结构信息与光学细节信息的对应关系.运用近场光谱方法在不同波长进行透射光谱成像时,不同波长的光在细胞内的传播与吸收所造成的光强分布存在显著差别,这种特性可以用于对细胞内不同组分的超高空间分辨率成像.结合近场光学成像和光谱成像结果,表明凋亡HeLa细胞内部为非均匀结构,并且其物质分布也极不均匀.研究表明,运用近场光学显微镜和近场光谱成像技术,不但提供优于衍射极限的高分辨本领,还可以提供生物细胞精细结构的更深层次的光学信息.     

贵金属纳米材料用于生物成像研究进展

 贵金属纳米材料在光稳定性、光信号强度、生物兼容性等方面具有其他材料无法比拟的优势,已成功应用于各科学研究领域,尤其是在生命科学与生物医学研究等方面具有广阔的应用前景。本文简介贵金属纳米材料在荧光成像、拉曼成像、暗场成像的成像原理及优缺点,综述贵金属纳米材料在生物成像方面的最新研究进展。随着纳米合成技术的快速发展及检测手段的提高,贵金属纳米材料将会从基础的科学研究领域更全面地走向实际应用。而单分子光谱和光学显微成像技术取得了长足的进步,很有可能带给生物成像表征手段一次全新的革命。     

遗传算法的涡旋光束畸变波前校正技术研究

涡旋光束复用能提高自由空间光通信的容量,而实际链路的大气湍流使得涡旋光束发生相位畸变,进而裂化轨道角动量模式,产生模式串扰,降低通信质量.因此,高质量校正畸变的涡旋光束对提升通信质量尤为重要.结合Zernike多项式和遗传算法,以光强相关系数为目标函数,对畸变的涡旋光束进行波前校正.结果表明:在最优的交叉变异算子组合下,能将畸变单模涡旋光束的光强相关系数从0.37、0.19分别校正至0.97、0.79,拓扑荷纯度从0.76、0.15分别上升至0.99、0.97.对拓扑荷为+1、-2的多模畸变涡旋光束进行校正,光强相关系数从0.16增加至0.78.可见,在最优的交叉变异算子组合子下,畸变单模和多模涡旋光束都能得到高质量波前校正.     

基于增强倏逝波的声透镜光声成像系统设计

光声成像是一种新近迅速发展起来、基于生物组织内部光学吸收差异、以超声作媒介的无损生物光子成像方法。在分析当前光声成像系统中传统声学透镜的倏逝波衰减导致包含图像细节的高频信息丢失的基础上,提出使用负折射透镜,让倏逝波参与成像,突破传统声学透镜的衍射极限,从而大幅提高成像分辨率。同时依据光声效应产生的超声波具有波的特性,在研究中还发展、完善了声学信息系统的相关理论以及三维声成像技术。通过实验对比得到了超越普通声学透镜的生物组织的光声成像效果。     

黏声TTI介质中纯qP波逆时偏移成像方法

地下介质广泛存在黏滞性及各向异性特征,使得地震波在传播过程中发生相位畸变和振幅衰减。若在偏移成像时不对这些黏滞性及各向异性影响进行校正,则会引入成像噪声而降低成像分辨率。针对上述问题,首先将黏滞性引入到TTI介质波动方程,得到一种黏声TTI介质纯qP波波动方程。然后,基于新推导的黏声TTI介质波动方程,发展相应的逆时偏移成像方法。由于黏滞性补偿过程中能量会被放大,波场中指数增加的高频噪声易造成波场传播不稳定。鉴于此,将正则化算子引入到逆时能量补偿过程,以压制波场中的高频噪声。结果表明：新提出的黏声TTI介质逆时偏移成像算法可校正相位畸变,补偿能量衰减,实现对含黏滞性及各向异性介质的高精度成像。     

光声傅里叶变换成像理论

依据光声效应产生的超声波具有波的特性，借鉴光学成像理论，提出了一种新的光声信号成像模式－利用声透镜直接成像。以声场复振幅来描述声场分布，根据基尔霍夫衍射理论，从理论上推导了声透镜的脉冲响应，并通过实验得到了生物组织的功能成像。