线聚焦谱域光学相干层析成像的分段色散补偿像质优化方法

本研究中搭建了一套用于生物样品成像的线聚焦谱域光学相干层析(LF-SD-OCT)系统,针对系统误差引起的轴向展宽和灵敏度衰减问题,提出了一种分段色散补偿的方法,对成像深度内的二阶和三阶色散相位进行了补偿,并通过平面镜和透明胶带样品成像实验来验证该方法的有效性和可靠性。通过本文提出的分段色散补偿方法和其他成熟方法的联合应用,系统在获得57.2 kHz的等效A-scan速率的同时,轴向分辨率提升至6.76μm,对胶带样品2 mm深度范围内及水果样品0.3 mm深度范围内进行了较清晰成像。实验结果表明,该方法可以在兼顾处理效率的同时提高全深度轴向分辨率和灵敏度,未来有望广泛实现线聚焦谱域光学相干层析的生物医学成像应用。

受激辐射损耗超分辨成像技术研究

受激辐射损耗显微成像(STED)是一种超分辨荧光显微成像技术,它能够突破传统光学衍射极限的限制,把远场光学分辨率提高到百纳米以内,被广泛应用于生物医学等领域,是目前光学显微成像领域研究的热点之一。采用了一种基于超连续谱皮秒脉冲白激光光源的STED显微系统,实现超分辨成像。并从精密合束、脉冲延迟和损耗光残留光强几个方面探讨系统优化,从而获得最佳的成像效果。对直径约25 nm荧光微球成像实验的数据表明:该系统成像分辨率可达约60 nm,分辨能力远远高于衍射极限。另外,系统成功实现了对核孔复合物、微管和微丝等一系列生物样品的超分辨成像,共聚焦成像中某些模糊不清的结构在STED成像中清晰可辨。

光片荧光显微镜研究进展

传统落射式荧光显微镜的探测光路和照明光路处于同轴位置,成像质量会受到非焦平面荧光的影响。光片荧光显微镜(Light sheet fluorescence microscopy,LSFM)区别于传统的荧光显微镜,它的探测光路和照明光路呈直角排布,照明光为一个薄片,成像时只有光片区域的样本被照亮,这种照明方式能够有效降低非焦平面荧光激发。同时,激光每次只照亮一个平面,能够有效降低样本的照射时间,由此降低光毒性和光漂白性的影响。本文首先介绍了光片荧光显微镜的基本光路组成结构,以及在这些结构基础上进行的优化创新;之后介绍了针对离体样本和活体样本发展出的多种解决方案。得益于这些创新,光片荧光显微镜能够在较长时间范围内对荧光标记的生物样本进行3D成像。最后提出了光片荧光显微镜发展的潜在方向以及局限性,希望能给研究人员提供更为系统的光片荧光显微镜方面的知识以及一些有益的参考。

用于眼底视网膜图像的去雾状杂散光算法

针对眼底视网膜图像存在雾状杂散光导致血管细节不清晰的问题,本文提出了一种基于暗通道理论并结合Gamma变换的眼底视网膜图像去雾算法,在不丢失血管细节信息的同时提高了图像的清晰度。该算法通过分别处理R、G、B通道来对图像去雾。首先,通过自适应窗口最小值滤波算法计算暗通道图像,按照亮度取前最大0.1%像素的平均值作为大气光照强度值;然后,求解图像的粗略透射率,并此基础上使用改进后的导向滤波算法对透射率进行优化;最后,通过大气散射模型和Gamma变换复原出无雾图像。实验结果表明,不同视场复原图像的信息熵、平均梯度分别平均提高18%、24%。本算法能够快速有效地去除眼底视网膜图像中存在的雾状杂散光,复原后的图像清晰自然,保留了视网膜血管细节信息。

用于眼底成像的双光楔裂像电控调焦系统

为了实现眼底成像时的精准调焦,设计了双光楔裂像电控调焦系统。采用905 nm近红外半导体激光经双光楔和矩形狭缝在视网膜上形成矩形视标的方法,通过电机控制视度补偿镜和双光楔机构移动,得出视度补偿镜和双光楔位移关联关系;根据矩形视标分离情况实时反馈离焦补偿状态,指导控制系统移动双光楔和视度补偿镜,实现眼底成像时的准确调焦,在模拟眼上开展了眼底成像调焦实验。结果表明,系统可实现-10 m^(-1)~10 m^(-1)屈光度补偿,调焦精度在1 m^(-1)以上。该双光楔裂像电控调焦系统调焦速度快、精度高,为发展自动眼底成像仪器提供了基础。

单物镜光片三维荧光成像技术研究进展(特邀)

光片显微镜由于具有强大的光学层切能力、较快的成像速度和较低的光损伤,成为三维成像的重要工具。光片显微镜通常利用两个垂直放置的物镜分别进行照明和成像,这带来了对样品的空间限制并禁用了高数值孔径的成像物镜。以倾斜平面照明和微镜微器件反射技术为代表的单物镜光片显微技术突破上述限制,展示出在高分辨率和体积高速成像方面的优势,并且可与超分辨显微术等多种技术结合,在近年来取得了巨大发展。介绍单物镜光片显微成像技术的原理、关键性能的提升和其在生物医学的应用。

线扫描共聚焦成像技术在生物医学成像中的应用

线扫描共聚焦成像技术基于共聚焦成像原理,使用线光束一维扫描照明样品以提高成像速率;通过共焦狭缝滤除样品成像光束中的非聚焦层面杂散光,提高成像分辨率和对比度;近年来,该技术因分辨率高、成像快、成像视场大、系统结构简单等优点而在生物医学成像中的应用越来越广泛。介绍了线扫描共聚焦成像技术的基本原理,列举了成像系统的主要参数及其影响因素,并举例说明了其在生物医学成像,尤其是眼底成像和生物组织细胞观察等方面的应用,最后总结了该技术的优缺点及其应用前景。

高转换效率单谐振连续波近红外光学参量振荡器

提出了一种高功率及高转换效率的可调谐连续波近红外外腔单谐振光学参量振荡器。为了获得短波段近红外可调谐激光光源,基于准相位匹配晶体的光学参量振荡技术是其中一项有效的技术手段。光学参量振荡器采用连续波532 nm激光器作为泵浦源,掺杂氧化镁的周期性极化化学计量比钽酸锂(MgO:sPPLT)晶体作为准相位匹配晶体,通过在周期调谐的基础上再结合温度调谐的组合调谐方式,在8.3~8.6μm的4个极化周期内实现了信号光807~879nm和闲频光1352~1567nm近红外宽波段的无跳模可调谐激光输出。通过闲频光单谐振设计,当泵浦功率5.4 W时,在8.6μm周期处,获得了3.1 W的821 nm的近红外信号光输出,实现了57.4%的信号光光-光转换效率。当泵浦功率达到13.6 W时,在8.6μm周期处,获得了6.8 W的高功率输出。

3D-STORM超分辨成像中单分子轴向定位精度优化研究

为定量描述柱透镜参数对三维成像过程中荧光分子轴向定位精度的影响,本文研究了柱透镜参数与点扩散函数椭圆率的相互关系.基于Olympus IX-83倒置荧光显微镜搭建成像系统,利用3个不同焦距柱透镜进行实验,通过柱透镜标定曲线的线性变化范围及该范围内曲线的斜率分析柱透镜参数选择上的优劣,优化并提高轴向定位的精度和深度.选择合适的柱透镜参数可实现标定曲线在焦平面上下1μm范围线性变化,轴向定位精度为16nm,并采用优化的标定曲线对肌动蛋白微丝进行三维超分辨成像.

多面转镜激光器扫频光学相干层析成像系统的全光谱重采样方法

在多面转镜激光器扫频光学相干层析成像系统中,激光器存在着输出光谱错位与扫频范围波动的问题.目前的重采样方法中,普遍利用互相关运算校正光谱错位,并进行大范围的截取,保证扫频范围的一致性,但这会导致成像信噪比与分辨率的降低.本文用马赫-曾德尔干涉仪(MZI)采集到的干涉信号对扫频范围波动的问题进行了详细的测量与分析,其中干涉信号的解缠相位曲线的非随机性和平行性,表明该类激光器输出光谱的波长分布具备一致性.在此基础上,提出了一种用最长扫频范围的MZI干涉信号,对样品干涉信号进行时域光谱对齐、然后进行一对多插值的重采样方法.实验与分析表明,该方法利用了所有的光谱信号,保证了样品干涉信号的能量利用率,能有效提高图像的信噪比与分辨率.

长时程双光子成像技术

双光子成像(Two-Photon Imaging)技术以其优越特性被广泛用于活细胞动态三维成像,但光功率极高的短脉冲光对焦平面荧光分子严重的光漂白极大地影响了双光子长时间成像的图像质量,针对双光子荧光漂白问题,本文提出一种优化光照的双光子(Optimized Lighting-Two Photon,OL-TP)成像技术。通过预扫描获取双光子图像分析高低阈值,以预设的高低阈值为标准优化一幅图像中不同区域的光照时长,利用扫描过程中记录的荧光信息和光照时间信息可以重建OL-TP图像,既保证信噪比又降低荧光漂白。重建的OL-TP图像与传统双光子图像基本一致,信噪比略有降低,但图像并未失真。对110 nm的荧光小球样本分别连续取30幅普通双光子和优化光照的双光子图像,到第30幅图时,重建后的优化光照双光子图像比普通双光子图像荧光漂白降低了28.86%。OL-TP通过优化光照时间大幅降低双光子成像的荧光漂白,使双光子荧光显微镜能够更好地对生物样本进行长时间观测。

应用Hilbert变换提取拉曼光谱相位信息进行血液识别分类方法的研究

将拉曼光谱技术和化学计量学方法相结合实现了对人血和动物血种属的区分,并提出了一种基于Hilbert变换的拉曼光谱相位提取方法,提高了人血与动物血区分的准确度。分别对血液光谱数据和它所对应的相位信息进行主成分分析(PCA),通过主成分得分图比较两者对人与动物血液的区分程度,并建立偏最小二乘判别分析(PLS-DA)模型,通过设置合适的分类阈值y,可以实现人与动物血液的有效区分。结果表明在选取第一、第二主成分分析时,利用光谱数据相位信息建立的PCA模型,识别率更高,人与动物血液明显区分开来。其所对应的PLS-DA模型最优主成分数为3,预测标准误差(RMSEP)和决定系数(R2)分别为0.044 3和0.993 2。而用血液原始光谱建立的PLS-DA模型最优主成分数为6,RMSEP和R2分别为0.053 7和0.990 1。说明利用拉曼光谱相位信息建立的PLS-DA模型可以拟合较少的主成分数来获得误差更小的预测结果。进一步观察PLS-DA模型拟合不同主成分数的预测标准误差曲线图,当选取同样多的拟合主成分数时,利用血液拉曼光谱相位信息建立的PLS-DA模型其所对应的预测标准误差均低于原始血液光谱数据。所以,通过提取血液拉曼光谱数据的相位信息,可以降低模型的复杂程度,提高识别准确度。

光纤传输调Q铥激光微外科手术刀切割生物软组织实验研究

为了评估光纤传输波长为2．013μm的调Q铥激光作为微外科手术刀的可行性，研究200μm芯径的光纤传输频率为1kHz、脉宽为400-1400ns的调Q铥激光在不同能量和不同切割速度条件下切割新鲜猪肾组织的性能。采用专业相机拍摄组织切割后的切割线形貌，光学显微镜拍摄组织切片凹坑形貌，使用科学图像分析软件测量凹坑形貌参数，数据统计分析软件分析实验数据。结果表明相同能量条件下切割速度越大，切割效果越不明显。相同切割速度时，激光脉冲能量越大切割效果越明显。光纤传输高频调Q的铥激光可期望作为微外科手术刀在临床上得到应用。

偏振激光照明对多层薄膜结构成像对比度影响

光学多层干涉断层扫描技术(Optical multilayer interference tomography,OMLIT)应用于光电关联显微镜中以实现清晰的光学大视场成像,为高分辨率电镜图像提供目标区域标定。为了进一步提升成像对比度和定位精度,将偏振照明和OMLIT成像技术相结合,提出一种多层薄膜偏振照明的理论模型,使用矩阵传输方法对不同入射角的偏振光在不同材质、厚度的多层薄膜介质间的传播及干涉成像进行了仿真。结果表明,当照明光的电场振荡方向平行于入射面时,能够获得比非偏振光更高的图像对比度。当照明光以62°入射角照射金属银镀层样品表面,成像对比度提升高达138倍。这项工作为偏振照明OMLIT提供了理论基础,为光电融合显微成像技术的发展提供了全新的技术方案。

共聚焦激光扫描检眼镜研究进展与应用(特邀)

眼底成像对眼科学研究、眼底疾病诊断和治疗都有着重要的意义,而共聚焦激光扫描检眼镜由于具有优越的成像质量和泛用性,并具有独特的轴向分辨能力,在眼底成像领域中已经占据主导地位。主要综述了共聚焦激光扫描检眼镜检查法在超广角眼底成像方面和高分辨率眼底成像方面的实现原理和技术发展,分析了目前仍面临的挑战,并基于现存的挑战对其未来发展进行展望。

大功率半导体激光器驱动电源及温控系统设计

为了解决大功率半导体激光器的输出波长和功率的稳定性问题,设计了一套大功率激光器恒流驱动电源及温控系统。利用深度负反馈电路实现对激光器驱动电流的恒流控制,采用硬件比例-积分(Proportional-Integral,PI)温控电路结合恒流驱动,控制半导体制冷器(Thermoelectric Cooler,TEC)的工作电流,实现激光器工作温度的精确控制。所设计的驱动电源可实现输出电流0~12.5 A连续可调,同时具有电流检测、过流保护、晶体管-晶体管逻辑(Transistor-Transistor Logic,TTL)信号调制等功能。所设计的温控系统的控制精度可达到±0.05℃,同时设定温度连续可调,温度可实时监测。实验结果表明该设计能够保证稳定的电流输出和温度控制,满足大功率激光器的使用要求。

共振扫描显微成像中的图像畸变校正

设计了一种校正算法用于校正双光子荧光显微镜等高速扫描成像系统中共振振镜扫描导致的图像畸变。首先对共振振镜的扫描运动建立模型,推导出非线性扫描的运动公式,进而得到图像畸变公式;然后对一块朗奇光栅样品扫描成像,设计了多峰高斯拟合算法得到光栅所有条纹的宽度变化并通过最小二乘法将条纹宽度数据拟合成一条畸变曲线;最后利用畸变曲线对图像进行校正。结果表明:采用提出的校正算法可使系统最大畸变减小到传统正弦校正方法的1/3,相对畸变减小到1/5,校正效果比传统的正弦校正法提高了2倍。由于提出的曲线拟合校正算法不用增加额外的光路,且不需要切割边缘图像,故显示了极好的图像使用效率和校正效果。

瞳孔中心点自动定位与对准装置

为了辅助无人值守式眼底筛查设备在不同光照环境下自动进行眼底成像,搭建了瞳孔中心点自动定位与对准装置,并提出了一种基于圆近似模型的算法来实现瞳孔中心点的自动定位。首先,使用二值化、轮廓提取与填充等方法对图像进行了预处理,以消除噪声和光斑对后续处理的影响;接着,使用本文提出的新型的圆近似算法来实现瞳孔中心点的精准定位;最后,根据定位的瞳孔中心点位置,来控制步进电机移动平移台,从而实现图像采集视场中心和瞳孔中心的对准。为验证有效性,将文中算法、传统Hough圆算法及改进的Hough圆算法在定位精度、平均定位时间上进行了比较。本文算法的定位精度为93.33%,平均定位时间为95.67ms,比传统Hough圆检测定位精度提高了约3.5倍,定位时间减少了约68.86%,比改进的Hough圆算法检测定位精度提高了约2倍,定位时间减少了约63.11%。实验结果表明,该系统在光照参量无法严格控制的拍摄环境下,对瞳孔自动定位与对准的准确度和计算效率均有显著地提升。基本满足无人值守式眼底筛查设备的实时性、精确性、鲁棒性要求,有助于无人值守式眼底筛查设备的推广。

结合高位深相位光栅图的LC-SLM标定

为了提高对液晶空间光调制器(LC-SLM)的校准精度,采用高位深相位光栅图对LC-SLM进行了标定。在LC-SLM上加载16位深度相位光栅图,并使光束经LC-SLM调制后生成衍射光斑;测量衍射光斑中心光强,经过计算分析得出计算机灰度信号与相位调制量之间的映射关系,最终得出针对488nm激光的LC-SLM标定LUT文件(LUT16)。结果表明,在LC-SLM上加载0~2π涡旋相位,并结合LUT16文件调制光束可以得到光斑质量很好的中空光斑,这与结合LUT8文件调制的中空光斑相比,光斑质量从0.53提高到0.76,提高了1.43倍。针对特定波长,利用高位深相位光栅图标定LC-SLM得到的LUT文件可以使LC-SLM根据加载相位对光束进行有效调制,且调制效果优于结合LUT8对光束进行调制的结果,对LC-SLM的校准精度得到提高。

聚焦调Q脉冲激光水下诱导空化泡和冲击波实验研究

为研究聚焦调Q脉冲激光诱导水下空化效应,理论分析了激光击穿诱导等离子体空化泡初始半径与绝热指数对空泡动力学的影响。理论研究表明,初始半径影响后期空泡半径的变化,初始半径增大,空泡运动周期、最大泡半径也变大。最大泡半径随绝热指数的增大而增大,与初始半径影响相比,绝热指数对空泡动力学的影响相对较小,表现在不同绝热指数时,空泡运动周期差别不大。聚焦调Q的Nd∶YAG脉冲激光聚焦后作用于水中诱导空化泡,使用高速摄影技术准确记录等离子体与空泡动态变化序列图片;使用针式水听器探测辐射的冲击波信号。实验结果表明空泡与冲击波能量主要集中在第一个振荡周期内,第二次、第三次空泡最大半径时空泡能量分别为第一次空泡最大半径时最高能量的31.9%和9.96%,第二次、第三次闭合时辐射的声波能量分别为第一次闭合时辐射最高声波能量的51%和16.8%,后期的泡能和冲击波能量剧烈衰减。