无透镜全息显微细胞成像

为了同时满足较大的视场和较高分辨率的需求,开发了一套全息无透镜显微成像系统和配套算法,实现对微米级样品的无透镜显微成像。搭建了一套由LED光源、针孔、被测样品与CMOS图像传感器组成的全息无透镜显微成像系统,并对针孔直径、成像面尺寸、光源到样品的距离,以及样品面到CMOS图像传感器的距离进行了优化。其次,开发了从系统采集的全息图中恢复样品图像的角谱法算法。最后,使用该成像系统和配套算法,分别对具有微米级结构分辨率测试靶,和肺癌细胞悬浮液进行了显微成像。该全息无透镜显微成像系统的分辨率为4.4μm,成像视场尺寸为5.7 mm×4.3 mm,实现了微米级结构和肺癌细胞较清晰的显微成像。全息无透镜显微成像系统结构简单、无像差干扰,可以实现大视场下较高分辨率的显微成像。     

一种空间细胞培养与在线观测一体化装置的研制

空间生物学的蓬勃发展,给相关实验仪器的发展带来了新的机遇和挑战,而细胞模型是空间生命科学应用最广泛的模型之一,为此世界航天强国开发了一系列细胞培养装置。本文报道了一种空间细胞培养与在线观测一体化装置的研制与相关性能测试结果。本装置由专用培养单元、通用培养单元和通用操作单元组成,培养基由注射泵驱动,其余液体试剂由蠕动泵驱动。专用培养单元的主要功能是开展细胞间接共培养实验;通用培养单元是通用细胞培养平台;通用操作单元可驱动多种试剂进入通用培养单元中完成固定、裂解、染色或消化等操作。装置内通用培养模块和专用培养模块均配有可调焦可见光显微成像系统,可对培养的细胞进行实时观测并记录细胞的形态。最后,我们测试本装置的温度控制和显微成像分辨率,并使用本装置对U-87 MG细胞和SF767细胞进行培养、显微成像和染色,结果表明本装置满足哺乳动物细胞培养以及在线观测的要求。本装置可广泛应用于空间环境下细胞的培养,同时也可用于其他需要自动化细胞培养与在线观测的实验中。     

基于超精密复眼加工的光场成像研究

复眼透镜是光场成像系统中的关键光学元件。提出一种针对复眼透镜的新型设计加工方法:该设计方法可根据不同的相机参数,优化复眼透镜的设计参数,提高成像质量;该加工方法主要包含超精密车削加工和模压注塑两道工艺,并对车削加工工艺进行了改良。在光场相机的基础上,对光场成像中合成孔径以及数字重聚焦等关键问题进行了深入探讨。试验结果表明,设计加工的复眼透镜阵列具有较高的精度和较好的一致性,可有效实现光场成像的核心功能。     

仿生复眼接收系统设计与实验

以生物视觉成像和目标识别为研究背景,深入研究了光学复眼的结构与拼接以及基于光纤耦合的光信号接收成像技术,并设计了一种可应用于凝视激光雷达的新型光学复眼接收系统.通过模仿昆虫复眼结构形式,该系统由16个透镜阵列构成,全视场角为2°.利用Zemax软件完成了光学系统设计,结合光纤耦合技术接收光信号,对复眼探测结果进行了实验...     

仿复眼视觉系统的研究进展

复眼是昆虫重要的光感受器,由成千上万的小眼构成,具有大视野的动目标快速检测能力。仿复眼的多孔径系统在机器人视觉导航、大视角测量和全景成像等领域应用广泛。首先介绍了复眼的生物机理、成像特性及现有的大视场成像系统;其次介绍了微透镜阵列的仿复眼光学设计现状,分析了微透镜阵列的大视角与多景深的全景成像质量,指出目前曲面微透镜一体化制造存在的成像缺陷;最后提出结合曲面与平面微透镜阵列实现大视角、多景深分辨率的仿复眼系统的可行性。该成像系统不仅可以实现全景范围内的清晰成像,而且还具有全景范围内的目标位置估计能力。     

提高仿生复眼定位精度研究

自然界中昆虫复眼的定位属于视觉定位技术的一种,其具有的大视场、小体积、高灵敏度的特点,满足了诸多场合对定位装置的要求。参照昆虫复眼研制的新型仿生复眼系统由复眼球壳、微透镜阵列、弯月折转透镜和大面积CMOS相机等组成,为实现复眼系统定位功能,需要先完成系统标定工作。针对系统标定过程中存在的图像光斑中心定位精度不足的问题,提出了基于能量对称的光斑中心定位算法,该算法首先需要完成复眼各子眼通道成像的传感器辐射响应标定,再根据能量对称的原则提取光斑中心坐标。并对该算法的定位效果进行试验验证。为了验证改进方案对复眼系统目标点定位精度的提升效果,在复眼系统60°视场内进行目标点定位试验,试验结果表明,方案改进前后整体角度误差最大值从4.92mrad降低到4.23mrad,定位精度提升约14%,表明改进方案对复眼系统定位精度起到了较好的提升效果。     

显微立体视觉小尺度测量系统的标定

结合透视投影模型、非参数化的光学畸变模型以及光束平差算法,提出并实现了一种标定显微立体视觉系统光路的方法。首先,通过光刻方法制作了用于显微立体视觉系统标定的标定参考物,并利用待标定系统采集标定参考物不同方位的图像。然后,基于非参数化的光学畸变模型,采用样条曲面计算得到显微立体视觉系统的畸变校正场,并结合透视投影模型建立显微立体视觉系统的完整成像模型。最后,利用光束平差算法对所建立的成像模型进行标定计算和优化调整。搭建了显微立体视觉小尺度测量装置,验证了提出的标定方法的可行性。通过标定获得了测量装置两个光路的焦距和相对方位等参数,并借助于高精度四轴位移台对标定结果进行了精度验证。结果表明,采用本文方法标定后位移测量的精度优于1%,能够满足微胀形实验中三维变形测量的要求。该标定方法也可用于其他显微视觉检测领域。     

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。     

基于无线工业以太网的DR柔性检测装置控制系统设计

DR成像是一种直接将X射线转换为数字图像的成像方式。该检测方式具有准确度高、透视性能好等优点,但其系统复杂、效率低等不足,这限制了DR成像检测的应用。在一种多级升降机构的基础上,采用无线工业以太网传输模块实现了对DR检测装置的远距离控制,完成了硬件系统设计和控制软件的开发与调试工作,将研制成功的DR检测装置应用于电力变电站设备的检测中,使操控人可以远离辐射源,并可以对成像装置进行连续操控,提高了DR成像装置的工作效率。     

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.     

液晶微透镜技术研究新进展

液晶微透镜是一种利用电光效应来改变透镜折射率空间分布和微电子技术工艺制作的新型微透镜,是结合了微透镜技术和液晶良好电控特性的新型光学微纳器件。液晶微透镜具有尺寸微小,焦距可调等优点,在微光学系统和微光机电系统中具有广阔的应用前景。简要概述了液晶微透镜的基本原理和几种典型液晶微透镜类型,包括液晶(LC)和聚合物分散液晶(PDLC)透镜的发展,阐述了液晶微透镜的研究现状以及研究发展趋势。     

集成成像系统中高填充率微透镜阵列的设计与加工

针对目前微透镜设计与加工中存在的问题,本文提出了一种大尺寸、高填充率的微透镜阵列设计与加工方法,并成功应用于基于手机屏幕的三维集成成像显示系统。根据焦面模式下的集成成像原理,建立了透镜阵列参数与集成成像显示关键参数的关系,并设计了高填充率透镜阵列的孔径与焦距。采用超精密铣削方法加工出金属母板,通过纳米压印和图形转移复制的方法,在涂有UV固化胶的PET透明膜上得到了高填充率的微透镜阵列膜,并将其应用于基于手机显示屏的集成成像系统。测试结果表明,在5.7英寸全高清手机屏幕上,直接覆盖孔径为0.526mm、焦距为2mm、填充率为100%的透镜阵列,可以实现立体图像出屏距离达4cm、视场角为12.5°的集成成像显示效果。系统的设计与透镜阵列的制作完全满足集成成像要求,裸眼观看立体图像清晰、逼真,系统集成度高,使用方便。     

基于TMS320F2812的液晶屏显示方案

LCD模块逐渐被广泛应用于对体积和显示模块功耗有较高要求的各种便携式智能型仪器仪表领域。通过对TMS320F2812和液晶屏模块特性的介绍,提出了基于TMS320F2812的液晶显示器的硬件接口电路以及程序设计方法,并给出了主要软件算法。上位机采用TI CCS开发环境,该设计方案能达到与程序运行相符合的显示结果,为液晶屏显示在类似的应用提供了有意义的参考。     

便携式多功能钻孔成像测量系统的研制

该文研究了一种基于OMAP4460嵌入式平台的便携式多功能钻孔成像测量系统,设计了钻孔成像测量系统的总体方案,详细阐述了微处理器、图像采集模块、深度采集模块、光源模块以及电源模块的硬件设计。为了实现钻孔成像测量系统的人机交互和信息展示,开发了钻孔成像测量系统APP,能够完成图像预览、拍照、录像、姿态显示、深度显示、参数设置、数据存储等功能。为了测试该钻孔成像测量系统的应用效果,选取了一个地面水文地质观测孔进行测量。试验结果表明:钻孔成像测量系统能够清晰观测孔内情况,准确采集钻孔轨迹和深度信息,完全满足目前地质勘测领域的测量要求。     

大视场并列型仿生复眼光学系统

为了实现大视场微型仿生复眼系统的增材制造,对仿生复眼的成像原理、微透镜阵列与中继系统的设计以及复眼系统的机械结构进行了研究。根据仿生复眼的光学原理设计出单个微透镜,并完成微透镜阵列。通过设计中继系统,使曲面阵列所成的曲面像转换成平面像,从而被平面探测所接收。将微透镜阵列与中继系统组合并对其进行优化。为了满足复眼系统3D增材制造工艺,对其机械结构进行设计。整个复眼系由3481个紧密拼接的正六边形微透镜组成,每个微透镜的视场为4°,通光口径为110μm,整个复眼的视场为123.7°。在120 lp/mm处,复眼各视场的MTF值均大于0.3,各视场点列图的RMS半径均小于艾里斑半径。该系统成像质量良好,公差分析结果表明其像质满足成像要求,满足增材制备工艺需求。     

电控可变焦128×128元自适应液晶微透镜阵列

借鉴已有的单圆孔电极液晶透镜的结构与设计方法,发展得到了新型的电控可变焦128×128元的液晶微透镜阵列。该面阵液晶微透镜使用ITO玻璃作为上下基板,其中上基板电极是将ITO膜通过光刻技术和盐酸腐蚀方法得到了128×128元圆孔阵列图案;而下电极基板就是ITO膜。上基板电极的圆孔阵列整齐的排列,每个圆孔的直径为50μm,圆孔之间的间隔为100μm。夹在上下基板之间的液晶层的厚度为20μm。该面阵液晶微透镜的特性为：在0.2VRMS～5.0 VRMS电压范围下,该面阵液晶微透镜的焦距范围为50μm～400μm。进一步的测试实验结果表明,该面阵液晶微透镜的点扩展函数近似于理论数值,并且该面阵液晶微透镜的工作电压与焦距是成反比例关系,以及该面阵液晶微透镜具有与传统制作的面阵微透镜一样的多重像成像效果。     

基于相机阵列获取元素图像的集成成像抗串扰参数设计

为了得到理想的抗串扰三维图像,研究了用相机阵列记录三维场景时,如何排列所获取的元素图像并使其与重构的微透镜阵列匹配的问题.通过分析集成成像原理,讨论了元素图像间距、微透镜阵列间距、焦距等几个重要参数之间的关系,证明了对于固定的微透镜阵列,元素图像间距是场景重构时的重要因素,并结合分析给出了最佳设计参数.系统分析了元素图...     

辊筒模具微透镜阵列的慢刀伺服成形加工

目的：为实现辊筒模具表面微透镜阵列高效率、高精度加工,本文对微透镜阵列成形法加工轨迹的拟合方法和机床伺服参数的优化方法进行了理论与实验研究。首先,分析了微透镜阵列的原始轨迹特征,确定了过渡台阶的突变是微透镜表面振纹的主要诱因。其次,为保证加工轨迹二阶导数的连续性,本文提出了三次样条插值与傅里叶级数拟合拼接的方法优化加工轨迹。最后,在优化加工轨迹的基础上,通过调整伺服系统的前馈参数,提高了进给轴响应能力,减小了因驱动质量和阻尼效应而产生的跟踪误差。口径800μm、深度26.7μm的微透镜阵列加工实验表明,采用优化的刀具轨迹和伺服参数,机床加工效率可以达到8Hz,进给轴跟踪误差小于300nm,消除了微透镜阵列的表面振纹。微透镜单元口径的尺寸误差约为设计值的1.075%,随机检测结果表明口径尺寸变化范围为2μm,加工一致性良好。三次样条插值与傅里叶级数拟合优化的加工轨迹可有效抑制进给轴的振动,改善了微透镜阵列表面质量。     

Phase evolution in cholesterol/DPPC monolayers: atomic force microscopy and near field scanning optical microscopy studies

A combination of atomic force microscopy (AFM) and near field scanning optical microscopy has been used to study domain formation in dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC)/cholesterol monolayers with cholesterol concentrations ranging from 0 to 50%. The results show a clear evolution from a mixture of liquid expanded and liquid condensed phases for cholesterol concentrations < 10% to a mixture of liquid expanded and two cholesterol‐containing phases at intermediate concentrations, and finally to a single homogeneous liquid ordered phase for 33% cholesterol. Mixtures of the various phases are clearly identified by height differences in AFM and in some cases by fluorescence imaging for samples containing 0.5% BODIPY dye, which localizes preferentially in the more fluid phase. Note that fluorescence imaging, at least with the dye used here, is unable to distinguish between the cholesterol‐rich and cholesterol‐poor phases detected at intermediate cholesterol concentrations. The combination of fluorescence and AFM imaging provides a more complete picture of the phase evolution for cholesterol/DPPC monolayers than could be obtained by either technique alone, and presents substantial advantages over conventional fluorescence microscopy in that submicrometre‐sized domains can be readily detected.     

Conditions for imaging emulsions in the environmental scanning electron microscope

Environmental scanning electron microscopy (ESEM) is a technique capable of imaging volatile and/or insulating samples in their natural state, without prior specimen preparation. It is thus a powerful potential tool for the study of the structure and dynamics of emulsions and other complex liquid systems, at a resolution greater than that obtainable by conventional optical microscopy. We present images of a variety of liquid systems containing micron-scale and smaller features. The morphology of these systems may be clearly discerned. The contrast observed between the liquid phases was consistent with the model proposed by Stokes et al. (1998). The limits of resolution were determined by sample motion and by beam damage effects; under optimum conditions, resolution of a few tens of nanometers was obtained. This compares favourably with conventional and confocal optical microscopy. In some samples, thin films (solid or liquid) could be observed at the liquid/gas interface. Some of these films were so thin that they did not completely obscure the underlying structure of the bulk sample.