跨尺度光学内窥成像技术

光学成像技术具备高分辨、多尺度、多维度、易集成以及低辐射等优势,在生物医学领域发挥重要的作用。在内窥镜领域,如何进行内窥图像信息的获取、处理及可视化是光学成像技术要解决的核心问题,在医学临床中获取内窥镜所观察部位的跨尺度图像有利于医师对于患者病情的诊断以及提升术中操作的精确程度。本文从跨尺度光学成像技术在内窥镜领域的应用入手,重点阐述了目前内窥镜临床中用于获取跨尺度图像的光学系统类型,包括跨尺度变焦光学系统、光纤扫描成像系统、多通道成像系统等,说明了这些跨尺度光学内窥镜系统如何获取跨尺度图像,并对跨尺度光学成像在内窥镜领域的未来发展做了展望。

向您推荐《液晶与显示》期刊

《液晶与显示》是由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国物理学会液晶分会联合主办的液晶学科和显示技术领域的专业性学术期刊。《液晶与显示》被美国ESCI、荷兰Scopus、英国《科学文摘》(INSPEC)、美国《化学文摘》(CA)、俄罗斯《文摘杂志》(AJ)、美国《剑桥科学文摘》(CSA)、美国《史蒂芬斯数据库》(EBSCO)、北大《中文核心期刊要目总览》、中国科技论文与引文数据库、中国科学引文数据库、《中国学术期刊(光盘版)》等国内外数据库收录。

基于L_(1−2)时空域总变分正则项的红外弱小目标检测算法

针对红外图像序列中复杂背景干扰下容易出现的高虚警问题,提出一种基于L_(1-2)时空域总变分正则项的红外弱小目标检测算法。首先,将红外图像序列转化为时空域红外张量块,该步骤可利用张量的高维数据结构优势关联图像序列中的时空域信息。然后,利用加权Schattenp范数和L_(1-2)时空域总变分正则项对低秩背景成分进行重构,以保留背景中起伏剧烈的边缘和角点,提高稀疏目标的重构精度。最后,将目标张量恢复为图像序列,利用自适应阈值分割方法得到最终的目标图像。与另外5种检测算法进行对比实验,结果显示,该方法的虚警率较Maxemeidan算法、Tophat算法、LIRDNet算法、DNANet算法以及WSNMSTIPT算法平均分别下降了71.4%、71.1%、68.5%、74.3%和20.47%;而在检测实时性方面,该算法耗时为Maxemeidan算法、DNANet算法以及WSNMSTIPT算法的42.4%、82.9%和28.7%。实验结果验证了该方法在检测性能上的优越性,表明该算法能够显著提高复杂背景干扰下的目标检测精度和效率。

双面抛光晶圆干涉测量法及误差分析

为了实现双面抛光晶圆总厚度变化(TTV)和变形程度中弯曲度(Bow)和翘曲度(Warp)的测量,提出了一种干涉测量方法。采用两个带有标准镜的菲索式相移干涉仪对晶圆正反面同时进行测量,将测量所得晶圆正反面形貌与未放置晶圆时两个干涉仪的空腔形貌进行组合运算,可得到不受标准镜误差影响的双面抛光晶圆的表面相关参数。在组合运算中,由于两个标准镜未精确对准会产生映射误差,影响相关参数的测量结果。针对这一问题,在晶圆测量之前,将三点定位装置固定在两个标准镜之间,基于三点定圆定理不断调整两个标准镜的位置,可使映射误差极小,进而减小映射误差对测量结果的影响。实验结果表明,50 mm晶圆横向和纵向的映射误差分别为21.592μm和37.480μm,TTV、弯曲度和翘曲度分别为0.198μm、−0.326μm和1.423μm。为了进一步验证调整方法的有效性,采用单个干涉仪对晶圆进行翻转测量,由测量结果可知晶圆的TTV、弯曲度和翘曲度分别为0.208μm、−0.326μm和1.415μm。所提干涉法在调整好两个标准镜的位置后,可以方便快速的用于大批量大尺寸晶圆的测量,提高了晶圆的检测效率,同时具有较高的测量精度。

多靶点全景数字病理:从原理到应用

数字病理凭借其便捷的存储、管理、浏览、传输等特点,为远程病理会诊及联合会诊带来了新契机。然而,显微镜的视场有限,在保证分辨率的前提下,无法兼顾全景成像。全景数字病理的提出弥补了这一缺陷,其在保证分辨率的同时可兼顾全景成像。但单张切片仅能实现单靶点检测,而疾病诊断需同时观测多个靶点的表达情况。近年来,多靶点全景数字病理技术发展迅速,因其在药物研发、临床科研以及基础科研等领域有巨大的应用潜力而广受关注。该系统凭借视场大、颜色多、通量高的特点,可在短时间内原位检测整张组织切片上的多种生物标记物的表达情况,借以识别组织上每个细胞表型、丰度、状态及其相互关系。本文首先梳理了数字病理、全景数字病理以及多靶点全景数字病理的发展过程,并简要介绍发展过程中技术的更新迭代,以及发展多靶点全景数字病理的重要性。然后,分别从生物样本准备、多色光学成像以及图像处理3个部分重点介绍多靶点全景数字病理。接下来,阐述了多靶点全景数字病理在肿瘤微环境与肿瘤分子分型等生物医学领域的应用情况。最后,对多靶点全景数字病理的技术优势、目前面临的挑战及其未来的发展趋势进行了总结。

同步相移横向剪切干涉中偏振器件的误差建模

为了对同步相移横向剪切干涉系统中偏振器件的选型、装调以及误差补偿提供可靠的理论依据,本文根据琼斯矩阵原理,构建了系统中1/4波片和偏振片阵列误差对测量结果影响程度的误差模型,对四分之一波片的相位延迟误差、快轴方位角误差以及偏振片阵列透光轴方位角误差对测量结果的影响进行了定量分析。仿真结果表明:1/4波片的相位延迟误差在±1°以内时,波面测量误差为0.00002λ(PV)和0.000062λ(RMS);1/4波片的调整精度在±2°以内时,波面测量误差为0.0001λ(PV)和0.00006λ(RMS);偏振片阵列方位角误差在±1°以内时,测量误差为0.003λ(PV)和0.001λ(RMS)。根据仿真结果对测量系统中偏振元器件进行选型,同时选择两种不同精度的偏振元器件进行对比实验。实验结果的残差值与仿真结果的残差值的PV以及RMS值偏差均小于λ/20,可以在一定程度上验证模型的有效性。本文提出的数学模型可以为同步相移横向剪切干涉系统中偏振器件的选型提供可靠的理论依据。

星间通信系统高精度分光镜的研制

随着星间通信系统的迅速发展,数据传输的精度要求不断提高。分光镜作为系统的核心元件,其光谱特性和面形精度直接影响整个系统的传输精度。本文基于薄膜干涉理论,选取Ta_(2)O_(5)与SiO_(2)作为高低折射率膜层材料进行膜系设计,采用电子束蒸发的方式在石英基板上制备高精度分光镜。同时根据膜层应力补偿原理建立面形修正模型,修正分光镜面形。光谱分析仪检测结果显示,分光镜在入射角度为21.5°~23.5°内,1563 nm透过率大于98%,1540 nm反射率大于99%。激光干涉仪检测结果显示,分光镜反射面形精度RMS由λ/10修正至λ/90(λ=632.8 nm),透过面形精度RMS为λ/90。

高精度倒装焊机光学对位系统研制及算法研究

针对国内红外焦平面倒装焊机对高精度光学对位系统的迫切需求,对光学对位系统进行了设计及验证,并对该系统用到的平行调整、光学对位及坐标系误差补偿算法进行研究。文章首先对倒装焊接光学对位工艺进行分析;然后对平行性调整及光学对位算法进行介绍,并根据光学对位系统测试流程,提出更加合理的误差补偿算法;最后,以上述算法为理论依据,设计光学对位系统,其包括准直系统、显微成像系统和激光测距三部分。所设计的光学系统可实现平行性粗调,特征点识别及平行性精调功能。试验结果表明,准直系统准直效果较好,显微成像系统分辨率高,成像质量较好,激光测距系统的测距精度为0.084μm。设计的高精度光学对位系统解决了国内红外焦平面倒装焊机对高精度光学对位系统的迫切需求,已经在国内某型号的倒装焊机中得到应用,对于提高国产高端集成电路的自主研发和生产能力具有非常重要的意义。

等周期变倾角干涉条纹复用法扩展增强现实耦合元件体光栅角度带宽

为了提高光波导近眼显示成像系统的视场角,本文提出了一种等周期变倾角干涉条纹复用方法,用于扩展增强现实眼镜耦合元件体光栅的角度带宽。该方法通过复用等周期变倾角干涉条纹满足了不同入射角的布拉格条件,并且消除了体光栅周期变化对入射光衍射角度的影响,从而提升耦合元件体光栅的角度响应范围,降低光栅衍射引入的杂散光。利用严格耦合波理论对复用三幅等周期变倾角干涉条纹的体光栅进行模拟,在波长为530 nm的TE和TM偏振态下,复用后的体光栅角度带宽分别为3.6°和3.3°,与单幅干涉条纹体光栅相比,角度带宽扩展了1倍。该方法有望打破体光栅角度带宽受光栅材料的限制,用于扩展近眼显示成像系统的视场角,实现轻量化、高效率、大视场、低杂散光的增强现实眼镜。

基于主成分分析的白光干涉微观形貌测量算法

为了解决白光干涉相位求解问题,实现微观形貌的高度测量,提出了基于主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)的白光干涉(White Light Interferometry,WLI)微观形貌测量算法。通过搭建的白光干涉显微系统采集多幅干涉图,将其重构成向量形式。在一组干涉图中,用时间平均值来估计背景照明,消除背景光成分。然后,通过矩阵运算得到代表原始数据的特征值及其特征向量。最后,通过反正切函数计算物体的包裹相位分布。实验结果表明,本文所提方法对于标定高度为956.05 nm的台阶测量结果为953.66 nm,且可以获得与迭代算法近似的解,而本文所提方法与迭代算法相比,处理速度提高了2个数量级。利用本文方法分析了表面粗糙度为0.025μm样块的干涉条纹。结果显示:计算得到的表面粗糙度均值为24.83 nm,标准差为0.3831 nm。本文提出的方法解决了单色光干涉测量中的不足,还具有计算简单、速度快及精度高等优势。

大口径环形分段光学系统基准构建方法

为了更好地对大口径分段望远镜进行集成检测与稳定性保持基准构建,本文提出一种大口径环形分段光学系统基准构建方法。首先,采用局部光瞳投射的方式实现光瞳对准映射;其次,利用微透镜阵列构建系统共焦空间基准;之后,基于环带整体调控模式,采用共焦与曲率半径联合分析,实现曲率半径与系统对准的共同调节;最后,利用白光干涉所形成的条纹包络进行粗共相探测,并利用通道光谱方法实现粗共相与精共相间的精度衔接,空间共焦基准定位精度优于125μm,共相基准覆盖范围优于20μm,精度优于0.5μm,光谱基准不确定度优于5%。实现了不同时空特征扰动的分层次、多模态抑制,利用以上共基准原位测量新方法有效提升了光学系统原位计量检测精度并缩短了溯源链长度,增加了检测效率与准确度。

基于二维光子晶体全光逻辑门的设计

在二维光子晶体中嵌入了线缺陷,利用线性干涉效应和波导耦合,设计了一种基于二维光子晶体的同或门和与非门结构。主要采用平面波展开法对该二维光子晶体的能带结构进行分析,采用时域有限差分法,结合线性干涉效应,在Rsoft平台对所设计的同或门和与非门进行稳定电场图和归一化功率仿真。仿真结果标明:设计的同或门对比度高达29.5 dB,响应时间为0.073 ps,数据传输速率为13.7 Tbit/s;设计的与非门对比度高达24.15 dB,响应时间为0.08 ps,数据传输速率为12.5 Tbit/s。这些结果表明所设计的结构对比度高、响应时间短和数据传输速率快。

模型自适应的扫描视点自动规划

当进行扫描重建时,示教扫描繁琐且通用性差,目前视点规划的重点依然是自动获取覆盖模型的最少视点集。为了实现对不同复杂程度零部件的自动化三维扫描重建,本文对视点规划过程中可能发生的视点冗余、视点遮挡、双目重建约束等问题进行研究。首先,针对现有视点规划难以对模型进行完整扫描的问题,通过分析面结构光扫描特性,对Lloyd’s算法进行改进,提出使用欧式距离和法向量偏差的能量函数对模型进行Voronoi划分,生成初始扫描视点。接着,针对视点冗余问题,提出了对初始扫描视点进行分裂的迭代算法。最后,针对生成的视点容易产生遮挡的问题,提出了一种视线去遮挡策略,并以提高模型覆盖率为目的,提出了使用追扫视点的方法。实验结果表明:在最佳视点数量下,对于汽车铸件和壳体的覆盖率达到了94%以上,对于简单曲面汽车钣金的覆盖率达到了99.5%以上,并实现了汽车转向节的自动规划扫描,满足视点自动规划的覆盖率和效率以及对不同复杂程度零件的适应性要求。

离轴超构透镜设计与特性分析

本文提出了一种离轴超构透镜的设计方法,并分析了不同数值孔径、离轴角度等参数对于离轴超构透镜的光谱分辨率、聚焦效率以及仿真结果的影响。利用Lumerical软件分别仿真了参数为NA=0.408、α=13°;NA=0.180、α=13°及NA=0.408α=20°等多个离轴超构透镜。仿真结果表明:离轴角度与光谱分辨率大小成正相关,离轴角度越大,光谱分辨能力越强,但聚焦效率越低;数值孔径越小,相位分布的覆盖范围越小,会导致仿真聚焦位置与理论值偏差变大。设计者需要根据需求合理平衡数值孔径、离轴角度等参数,最终实现理想效果。本文得出的结论对离轴超构透镜的理论分析和实际应用中的参数设计具有重要参考价值。

向您推荐《液晶与显示》期刊

《液晶与显示》是由中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国物理学会液晶分会联合主办的液晶学科和显示技术领域的专业性学术期刊。

鬼像影响下的调制传递函数计算模型

为了探究鬼像对成像系统性能的影响,构建了二次反射产生的鬼像影响下的调制传递函数(MTF)的计算模型。本文首先介绍了在近轴近似下的鬼像分析与描述的方法。接着,从调制传递函数的定义出发,考虑鬼像在像面处的照度对像面调制度的影响,构建了鬼像影响下的MTF计算模型。通过对一系统进行实例计算,并与仿真结果进行对比,均方误差最大不超过0.049373,进而验证了该模型的准确性。同时针对误差较大的结果进行了详细分析,明确了该计算方法的适用范围。研究结果表明,利用近轴近似的方法计算鬼像影响下的MTF在大多数情况下是真实准确的,该研究在光学系统的鬼像分析方面做出了有益探索。

光纤法珀传感器的改进型相位生成载波法解调

为解决相位生成载波-反正切解调算法(PGC-Atan)的非线性失真问题,搭建了基于改进型PGC-Atan算法的非本征型法珀传感器(EFPI)解调系统。首先,理论分析了载波相位调制深度(C)偏离最优值、伴生调幅、载波相位延迟等非线性因素对经典PGC-Atan算法中参与反正切运算的正弦与余弦两路信号的影响。然后,针对外调制或伴生调幅较小的情况,提出了一种基于系数补偿的改进型PGC-Atan算法(PGC-CC-Atan)。该算法通过构造与C值和载波相位延迟有关的系数,消除反正切运算中的非线性参数。针对内调制情况,提出了一种基于椭圆拟合的改进型PGC-Atan算法(PGCEF-Atan)。该算法通过基于分块矩阵的最小二乘法拟合椭圆并提取3个椭圆参数,进而将受非线性因素影响的正弦与余弦两路信号校正为正交信号。最后,通过仿真验证了改进型算法的正确性,并采用高调制特性的垂直腔面发射激光器(VCSEL)和常规腔长的EFPI等搭建PGC解调系统,对比经典PGC-Atan算法与两种改进型算法的解调性能,证实了改进型算法非线性失真抑制的有效性。实验结果表明:一定C值范围内,两种改进型算法可在非线性因素影响下有效解调。PGC-EF-Atan算法相较于PGC-CC-Atan算法,解调信纳比提升了11.602 dB,总谐波失真降低了10.951%。两种改进型算法中,PGC-EF-Atan算法对非线性失真的抑制效果更好,且解调线性度良好,准确度高。

一维阵列涡旋光束在海面大气中的传输特性

相较于单涡旋光束,涡旋阵列光束能够扩充信息的传输容量,研究其传输特性对其光通信应用具有重要意义。本文选取阶数为n的螺旋因斯-高斯(HIG_(n,n))模式,采用海上大气折射率变换的功率谱,模拟海面大气湍流。基于相位屏法研究了一维阵列涡旋光束在海面大气湍流中光强、相位、闪烁因子和质心漂移的变化情况。结果表明:(1)HIG_(n,n)模式的闪烁因子和质心漂移标准差随湍流强度以及大气湍流内尺度的增加而增加;(2)n为奇数的HIG_(n,n)模式的闪烁因子随着阶数的增大而减小,且高于n为偶数的HIG_(n,n)模式;(3)阶数n>1的HIG_(n,n)模式比LG_(0,1)模式具有更好的稳定性;(4)阶数越高,HIG_(n,n)模式的质心漂移标准差越小。其次,选取线性阵列涡旋光束(LAVBs)进行对比,研究得出虽然LAVBs比HIG光束具有更好的传输性能,但由于HIG光束具有独特的结构,故可适用于不同的应用场景。最后,分析了椭圆参量和椭圆环数对HIG模式传输的影响,结果表明适当地增大椭圆参量或椭圆环数有助于提高HIG模式的抗湍流能力。本文研究结果对涡旋光束的海上应用具有指导意义。

自注入锁定激光器的频率热调谐方法改进

为了提高自注入锁定激光器的频率连续可调谐范围,对法布里-珀罗(FP)微腔在频率热调谐过程中注入锁定相位的变化关系进行研究。在传统频率热调谐的基础上,对自注入锁定激光器频率和相位等参数特性进行研究,提出一种在频率热调谐时加入自注入锁定相位补偿和DFB芯片电流补偿的改进算法,并在一台基于FP微腔自注入锁定激光器上对此算法进行验证实验。这台激光器的波长为1550 nm,3 dB线宽为785 Hz,通过一对加热电阻对FP微腔进行频率热调谐。实验结果表明:激光器硬件部分未作任何修改的情况下,改进后的算法在激光器原有驱动控制电路的单片机程序中实现了6 GHz的频率连续调谐范围。该工作为自注入锁定激光器提供一种简单高效且稳定性好的频率调谐方案,具有较高的实用性和市场前景。

基于可调谐半导体激光吸收光谱的氧气浓度高灵敏度检测研究

可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)是近年发展起来的一种激光光谱气体检测技术,相比于常见的电化学、离子导电陶瓷等技术,其具有选择性强、灵敏度高、响应快、可在线测量、抗背景光谱干扰能力强等优点,适用于复杂环境中气体的长期在线检测。氧气(O_(2))是人类生存环境中的重要气体,O_(2)浓度的检测在生产生活各个领域应用广泛、意义重大。基于此,本文采用TDLAS技术对空气中的O_(2)进行高灵敏度测量。采用输出波长为760 nm的半导体激光器作为光源,直接吸收光谱法获得环境中的氧气浓度为20.56%,最小检测极限为5.53×10^(-3)。在波长调制方法中,优化了激光波长调制深度,得到了完整的二次谐波波形,可用于标定氧气浓度。此系统的信噪比为380.74,最小检测极限约为540×10^(-6)。本文的传感系统具有良好的O_(2)检测能力,可广泛用于各个领域中的O_(2)浓度检测。