基于LabVIEW的血管内光声成像系统的设计与实验

冠状动脉中易损斑块的破裂是导致心血管疾病死亡的重要原因。掌握易损斑块形态特性、组成成分(主要是脂质)与空间分布信息,有利实现易损斑块的早期预测和干预治疗,则可以极大降低心血管病带来的危害。介绍了一种基于LabVIEW实现数据采集功能的血管内光声成像系统,并利用其实现对血管斑块脂质的成像与定量分析。实验结果表明,血管内光声成像技术应用于临床血管内介入具有巨大潜力。     

实用光声光谱实验系统

根据光声光谱技术原理,建立了一套由氙灯和单色仪等组成的实用光声光谱实验系统。该系统的光谱范围在360nm~2500nm内连续可调,波长分辨力达0.1nm,测量灵敏度高,使用调节方便。已用于无机物、有机物、生物材料和空气污染物成分的测试,得到了一些有价值的结果。     

基于半导体激光器的乙炔气体光声光谱检测及其定量分析

油中溶解乙炔是变压器等油浸式电气设备早期放电性故障的重要特征气体。基于半导体激光器的光声光谱传感技术具有灵敏度高,选择性好等优点,能很好地应用于微弱气体检测中。论文构建了基于分布反馈半导体激光器光声光谱检测装置,并分析了光声池的特性参数;实验研究了光声信号与激光功率、乙炔气体浓度之间的关系;并借助激光器的波长调制特性,研究了乙炔分子在近红外区第一泛音带1.5μm附近的光声光谱;提出了一种基于最小二乘回归的光声光谱定量分析方法。理论和实验结果为乙炔的光声光谱在线检测及高灵敏度可调谐光声光谱仪的设计提供了参考。     

凸面光栅成像光谱仪的光谱定标

为了对自主研发的凸面光栅成像光谱仪进行光谱定标,基于单色准直光定标法设计了一套由单色仪和平行光管组成的光谱定标系统.采用自行研制的光谱定标数据采集软件及数据处理软件对凸面光栅成像光谱仪进行了光谱定标及定标数据分析.定标结果显示:该定标系统结构紧凑、通用性强,具有较高的定标精度,其光谱范围大于400～800 nm,光谱分...     

FT—IR显微ATR红外光谱图像系统及其应用

ＦＴ－ＩＲ显微ＡＴＲ红外光谱图像系统是研究物体表面微区化学成分各成分在空间分布的分析测试系统。该系统将红外光谱与该光谱所在空间位置有机地联系起来,直接反映了某化合物或官能团在物体表面的分布状况。本文简要介绍了ＦＴ－ＩＲ显微ＡＴＲ红外光谱图象系统的表面微区测试原理和特点,以及在不同领域中的应用。     

基于LCTF多光谱成像的人体指甲特征光谱提取

利用由液晶可调谐滤光片(LCTF)和CCD相机组成的多光谱成像系统在450～1 000 nm光谱范围内每隔10 nm采集人体指甲样本,得到包含56个波段的人体指甲多光谱图像。通过参考白板比较测量法进行反射率反演,得到指甲的准确反射率信息,分别利用主成分分析法(PCA)和波段指数法实现样本图像的降维,得到两个特征空间,并利用光谱角度填图法(SAM)在两个特征空间内对人体指甲进行分类,分类准确度分别为92.5%及82.9%。因此,由主成分分析法得到的特征空间可以作为人体指甲的特征光谱,为指甲多光谱图谱分析和人体健康评估提供了可靠的依据。     

显微高光谱成像系统的设计

设计出一种基于棱镜 光栅 棱镜组合分光方式的显微高光谱成像实验系统.系统根据推帚式成像光谱仪的原理进行设计,采用棱镜 光栅 棱镜组合元件在后光学系统进行光谱分光,利用高精度载物台自动装置驱动样品进行推扫成像,选用PCI总线作为数据采集的微机接口.整个系统由显微镜、分光计、面阵CCD相机、载物台自动装置以及数据采集与控制模块等几部分组成.系统的光谱范围从400nm到800nm,120个波段,光谱分辨率优于5nm,空间分辨率大约1μm.该系统具有直视性、光谱分辨率高、结构紧凑、成本低等优点;不仅能够提供微小物体在可见光范围的单波段显微图像,而且能够获得图像中任一像素的光谱曲线,实现了光谱技术和显微成像技术的结合,成功的将成像光谱技术应用到显微领域,可广泛应用于临床医学、生物学、材料学、微电子学等学科领域.     

基于薄膜干涉分光技术的便携式多光谱成像系统

基于薄膜干涉分光技术开发了多光谱图像采集分析系统样机,样机由分光滤光片、CCD相机、逻辑控制组件和计算机终端软件等组成,并在农产品检测、成分检测等方面开展了多光谱检测技术的实验研究。实验表明,多光谱成像系统能够进行高分辨率的光谱图像采集,并进行光谱重建和聚类等分析。在农产品检验中利用多光谱成像技术能够将霉变的黄豆与优质黄豆进行快速区分;在电解液浓度和成分检验中能够将不同浓度或不同成分的液体进行识别;在笔墨检验中能够将不同油墨的笔迹进行准确有效地判别。     

油中溶解C2H4气体的光声探测

光声光谱气体分析技术灵敏度高,不消耗被测气体,克服了传统的变压器检测的气相色谱分析方法的缺点。文中采用了光声光谱法对C2H4气体进行探测,论述了光声信号的产生原理,用CO2激光器作光源对C2H4气体浓度进行了测量,证实了该技术在油中溶解气体浓度测量中的实用价值。     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪的实验室定标

采用四通道凸面光栅成像光谱仪设计了星载大气痕量气体差分吸收光谱仪,该光谱仪用天底推扫方式探测地球地表或天空散射光信号,基于痕量气体对不同谱段光信息的“指纹”吸收和差分吸收光谱算法定量获取大气痕量气体分布.针对该光谱仪的大视场、宽谱段、高分辨率(光谱、空间)等特点,提出了相应的光谱定标和辐射定标方法,建立了定标系统,实现了对载荷的光谱定标和辐射定标,并对其定标的不确定度进行了分析.结果表明,载荷光谱定标不确定度为0.027 nm,辐射定标不确定度为2.96％,满足给定的技术指标要求,为载荷的定量反演提供了保证.     

基于消色差透镜的单像素与计算关联光谱成像

光谱成像系统受色差影响会导致图谱混叠，本文将单像素成像以及计算关联成像分别与光谱成像系统相结合，并在系统中引入900～1 700 nm适用的消色差透镜来校正色差。首先计算出不同胶合消色差透镜的色差大小并以此选取透镜，所选消色差透镜相较其它透镜对色差校正可以提高一个量级。其次分析了色差对光谱成像系统的影响以及单像素成像和计算关联成像的差异。最后仿真和试验分析单像素光谱成像和计算关联光谱成像特点。试验结果表明对于900～1 700 nm的近红外光谱成像，基于消色差透镜的单像素光谱成像系统取得了更好的图像重构结果，其峰值信噪比（Peak Signal to Noise Ratio,PSNR）提高了3.93 dB，结构相似度（Structural Similarity, SSIM）提高了0.96%。消色差透镜的单像素光谱成像系统在近红外光谱成像中重构图像效果优于无消色差透镜的计算关联光谱成像。     

湿度和SF_6在石英增强光声光谱中对CO分子弛豫率的影响

为了研究六氟化硫(SF_6)气体分子和水汽(H_2O)对一氧化碳(CO)气体分子的弛豫率的影响,建立了一个基于石英增强光声光谱(QEPAS)技术的痕量气体传感器系统。采用1.57μm的近红外分布式反馈二极管激光器作为激励光源,并对不同SF_6和H_2O气体浓度下的CO的光声信号进行对比研究。首先用CO传感器系统探测CO与N_2的气体混合物中CO的光声信号,然后在CO与N_2气体混合物中加入不同浓度的SF_6气体,分别探测不同浓度SF_6气体下的CO光声信号强度。最后在CO与N_2的气体混合物中加入不同浓度H_2O,探测加入H_2O后的CO的光声信号强度。实验结果表明随着CO和N_2气体混合物中SF_6气体浓度的增加,CO的光声信号幅值几乎没有变化,而在混合物中加入2.5%的H_2O后,发现CO的光声信号提高了约5倍。因此,SF_6对CO气体的弛豫率没有明显的影响,然而H_2O的添加能够有效缩短CO气体的弛豫时间。     

星载高光谱成像仪光学系统的选择与设计

本文概述了目前高光谱成像仪所采用的光学系统结构,分析讨论了棱镜色散、光栅色散、傅立叶变换三种主流高光谱成像仪分光方式的结构原理和优缺点,棱镜色散光能利用率高,但体积大,棱镜材料受空间环境变化影响较大,光栅色散效率低,但体积小,受环境影响小,傅立叶变换光谱成像系统由于分光棱镜的存在,能量至少损失50%以上。文中对国内外高光谱成像仪采用较多的Offner凸光栅光谱成像系统进行了论述,根据应用目标设计了一个离轴三反射镜望远系统和变倍Offner凸光栅组合的高光谱成像仪光学系统,该系统具有体积小、成像质量好、无光谱畸变的优点,通过加大光学系统的相对孔径,增加系统的入射光能量,弥补了光栅衍射效率低的缺点。     

快照式光谱光场成像技术

针对快照式多维成像系统难以实现高维成像的问题,本文提出了一种快照式光谱光场成像方法,使用单个探测器实现了对目标场景光谱光场信息的快速获取。该方法将聚焦光场成像结构引入到快照式超光谱成像傅里叶变换光谱仪中,首先获取混叠了目标场景光场信息和干涉信息的原始图像,然后使用基于卷积神经网络的信息重建算法,将光场信息和干涉信息从原始图像中分别提取出来,并分别利用光场和干涉信息来重建目标场景的深度和光谱。本文搭建了快照式光谱光场成像系统,并对该系统在空间、光谱以及时间维度上的表现进行了实验验证。实验结果表明,该系统在将获取信息的维度扩展到七维的同时,其深度重建的均方根误差为7.7 mm,光谱重建的归一化均方根误差为6.87%。     

激光扫描共聚焦光谱成像系统

在激光扫描共聚焦显微成像技术基础上引入了光谱成像技术以便区分生物组织中的不同荧光成分。采用分光棱镜对荧光进行光谱展开,在光谱谱面处设置两个可移动缝片形成出射狭缝,两个步进电机带动安装其上的两个缝片设置系统在整个工作波长（400~700 nm）内的光谱带宽,其最小光谱带宽优于5 nm。用488 nm激光和低压汞灯实际测量了几条谱线对应的狭缝位置并和理论值做了比较,结果显示实际狭缝位置和理论值的差值均小于0.1 mm。在全光谱和50 μm出射狭缝（对应2.5 nm光谱带宽）对老鼠肾脏组织进行了共聚焦光谱成像实验,获得了老鼠肾脏组织中DAPI标定的细胞核图像和Alexa Fluor^®488标定的肾脏小球曲管图像,实现了对老鼠肾脏组织不同成分的区分。实验结果表明：提出的系统能够进行共聚焦光谱成像,扩大了共聚焦显微镜的适用范围。     

数字微镜器件光谱成像技术进展

数字微镜器件（DMD）作为一种灵活、可编程、可独立寻址的空间光调制器件，广泛地应用于无掩膜光刻、光束整形、全息成像、共焦测量等领域。在光谱成像领域，DMD能够对成像视场进行精细可控的调制，从而代替传统的机械掩膜版和机械扫描结构。综述了近年来DMD在光谱成像领域的研究进展和应用情况，详细论述了基于DMD的编码孔径和推扫式光谱成像系统的光学系统基本结构及工作原理；梳理了基于DMD的光谱成像系统从哈达玛变换光谱成像到推扫式光谱成像的发展脉络；详细介绍了研究人员为克服DMD微镜的衍射以及像面倾斜等像差所做的相关研究工作。最后，总结了基于DMD的光谱成像技术的独特优势，讨论了基于DMD的光谱成像技术未来的发展方向与应用前景。     

光声光谱气体探测器的新发展

首先回顾了光声光谱仪的历史。接着介绍了光声光谱气体探测器的工作原理,讨论了近十年来出现的新颖的光源、微音器及光声池这三个光声系统中的主要器件,详尽介绍了其优缺点及适用范围。最后探讨了气体光声光谱探测系统的发展趋势。     

基于负折射率声透镜的亚波长分辨率光声实时成像方法

基于负折射率材料的信号处理技术为光声图像的研究提供了新的思路。光声成像是一种全新的非破坏性生物光子技术,是一种基于生物组织内光吸收差异的成像方法。然而,当前的光声成像方法主要依靠传感器扫描工作,而传感器阵列有其固有的缺点,导致实时性较差,因此,普通的光声成像方式具有一定的局限性。但是,利用具有负折射率的声透镜特性(如聚焦、滤波、定向等)构成的成像方式可以解决普通光声成像中的这些局限性问题。本文在对负折射率声透镜的负质量响应和负折射率成像进行优势分析后,提出了利用声透镜改变当前扫描成像的方法。模拟分析实验结果表明,所设计的声透镜直接成像方案达到了预期效果,透镜成像后像点的声压分布与吸收体原始的声压分布基本一致。此外,0.6倍波长的实验图像结果说明本文实现了亚波长的光声成像效果。     

基于滤光轮双相机系统的高光谱分辨率成像

滤光轮光谱成像系统在光谱成像领域应用广泛,空间分辨率高,但是光谱分辨率较低。针对这一问题,提出了基于滤光轮双相机系统的高光谱分辨率成像,设计了一种基于插分补偿的多光谱计算重构方法,实现系统的高光谱分辨率、高空间分辨率成像。首先利用滤光轮双相机成像系统采集多光谱图像以及RGB图像,然后从多光谱图像获取离散的光谱响应曲线,最后根据RGB三通道数据与光谱高维数据之间的映射关系以及能量守恒定理,进行光谱响应曲线的插分补偿并实现高光谱分辨率成像。实验结果表明,本文方法能够在保持空间分辨率的情况下,高效地实现光谱分辨率为5 nm甚至更高光谱分辨率的成像,重建结果与真实值的均方根误差为0.017 1,具有较好的准确性和鲁棒性。     

显微荧光光谱成像仪的研究与设计

将光谱分析技术快速、灵敏、准确等独特的优点,与光学成像技术的定位记录特点融合、构成光谱成像技术,可以提供分析试样中各种化学或生化成份的分布图像,因而可以获得定性、定量和定位综合、更丰富的分析信息。报导在商售落射荧光显微镜基础上,实现显微镜荧光光谱成像技术的理论基础、系统组成、设计技术关键等一系列研究工作,设计研制成了可在250~680nm波长范围内自动扫描的光纤激发显微荧光光谱成像仪样机,并获得了满意的实验结果。