Two dimensional photoacoustic imaging based on an acoustic lens and the peak-hold technology

A new method of photoacoustic (PA) imaging based on an acoustic lens and the peak-hold technology is presented in this article. A fast PA imaging system, which consists of an acoustic lens, a 64-element linear transducer array, and a peak detection-and-hold circuit, is developed to obtain the two dimensional (2D) PA images of the experimental samples. By utilizing an acoustic lens, the PA signals generated from the sample are directly imaged on the imaging plane and collected by the 64-element linear transducer array which changes the PA signals into the corresponding electronic signals. Then the electronic signals are converted into a one dimensional image using the peak detection-and-hold circuit. After vertical scanning with a step motor on the imaging plane, the 2D PA image of the sample is achieved successfully. The results show that the images reconstructed in this experiment agree well with the original samples. Compared to other methods, this PA imaging system can acquire the PA images more rapidly without any complex algorithms, and it may provide a more convenient method for future in vivo noninvasive imaging of tissues and clinic diagnosis.     

一种MCP光子计数位置灵敏探测器图像采集系统

光子计数位置灵敏探测器在光子、粒子成像领域应用广泛,而图像采集系统是其重要组成部分。在介绍光子计数位置灵敏探测器的工作原理的基础上,分析了实现计数成像功能的软硬件需求,并设计了一套满足该需求的软硬件平台;依据该设计搭建了图像采集系统的硬件平台并采用LabVIEW编写了图像采集软件;最后进行成像实验验证了该套图像采集系统的性能。实验结果显示,基于该图像采集系统光子计数位置灵敏探测器能够将空间频率为7.14lp/mm的目标分开,表明该图像采集系统实现了其预期功能。     

On-line measurement of particle size distribution and mass flow rate of particles in a pneumatic suspension using combined imaging and electrostatic sensors

This paper presents a novel instrumentation system that uses a combination of electrostatic and digital imaging sensors. An inferential approach is adopted for the mass flow measurement of particles, velocity and volumetric concentration of particles being measured independently. The velocity of particles is determined by cross correlating two signals derived from a pair of electrostatic sensors and the volumetric concentration of particles is obtained using a novel digital imaging sensor, which also provides particle size distribution data. The basic principles and limits of operation of the imaging sensor are discussed and explained. Results obtained from a pneumatic conveyor are presented which demonstrate good performance of the measurement system for both mass flow metering (accurate to about ±6%) and particle sizing (reliable to around ±2.5%). Particle size distribution results are also included and the insensitivity of particle sizing to changes in velocity and concentration is assessed. In addition, on-line sizing results are compared to off-line results, measured using an accepted laser diffraction based instrument, and good agreement is observed. In general, the results obtained are encouraging and the system shows great promise.     

Ultrasonic fingerprint sensor in underglass prototype using impedance mismatching

Fingerprint imaging is a powerful tool in biometric identification systems. There are several methods for measuring fingerprints, such as optics, capacitive, and ultrasonic methods. The previous ultrasonic imaging techniques have been available in immersion systems which require the hands to be put into water. Also, pulse-echo system in dry condition has coupling layer which is similar acoustic impedance to human tissue or high impedance materials based on waveguide. For fingerprint imaging in the dry state, we propose an ultrasonic imaging technique in underglass by using the impedance mismatch between the fingertip and the solid plate. We present the image results according to the plate material such as acrylic, glass and PDMS. In addition, simulation results based on small 2-D array transducers in a near field suggest the feasibility of compact and fast fingerprint scanning system. Therefore, this work presents feasibility of ultrasonic pulse-echo fingerprint sensing method for dry hand.     

基于磁悬浮式基因生物成像扫描仪电磁结构设计

针对常规基因生物芯片成像系统由于基因芯片位姿调整频繁而引起的调整机构机械磨损的关键问题,设计一种基于磁悬浮的基因生物芯片成像扫描仪。根据基因生物芯片成像扫描仪的工作原理及磁悬浮技术的结构特点,建立由电磁参数与成像分辨率组成的系统微分阵列,通过理论优化确定电磁结构参数,采用有限元分析法对系统进行电磁热结构耦合分析,优化分析结果并搭建实验测试装置。利用本装置对基因生物芯片成像扫描仪进行参数标定,验证扫描仪磁悬浮系统结构设计结果,并与进口PCR仪进行实验测试数据比对。结果表明,本文设计的磁悬浮式基因生物成像扫描仪电磁结构匝数为340 N时产生的有效电磁面积为180 mm~2,此时磁悬浮系统精度误差小于0.15 mm,与仿真数据基本吻合,与美国Bio-Rad数字PCR系统做T790M突变检测的数据对比实验所测得结果CV<5%。本文设计的基于磁悬浮的基因生物芯片成像扫描仪精度可以满足基因生物芯片成像检测的要求,为提升调整装置使用寿命方面提供核心技术保障,在提升临床肿瘤筛查、基因诊断技术中发挥重要的作用。     

大幅宽长波红外变帧频变焦成像

为了验证变焦扫描大幅宽成像时扫描方向边缘视场图像畸变的矫正效果,并降低扫描镜控制难度。首先分析了变焦成像时扫描镜扫描速度与扫描视场角间非线性变化关系;针对扫描镜变速扫描稳定性低且控制难度大的问题,在结合探测器变帧频分析与实现的基础上,提出采用扫描镜匀角速度扫描结合探测器变帧频变焦成像方法。推导了扫描镜匀角速度扫描时,光学系统焦距、相机实时帧频与扫描成像视场角的关系式。最后基于课题组已有的可连续变焦长波红外光学系统,搭建了一套基于扫描镜扫描成像的大幅宽长波红外变焦实验系统,并利用该系统进行了成像验证。成像结果表明,采用变帧频结合变焦成像方法,可有效抑制大幅宽成像时扫描方向边缘视场图像畸变问题。变帧频成像方法降低了变焦扫描时扫描镜扫描复杂度,证明了变焦扫描方法具备图像畸变矫正能力。     

基于CarSim和Matlab的智能车辆视觉里程计仿真平台设计

基于特征的视觉里程计系统主要由特征检测与跟踪模块以及位姿计算模块两部分组成。为分析车载视觉里程计系统中引入车辆运动学约束的位姿计算算法性能,根据摄像机成像及视觉几何学原理,采用Matlab结合车辆动力学仿真软件CarSim建立车载视觉里程计仿真平台。该仿真平台由车辆运动仿真模块、成像仿真模块、数据显示与分析模块组成,仿真平台的测试对象为视觉里程计的位姿估计算法模块。该仿真平台充分考虑车载视觉定位系统的运动特性,为研究车辆运动学约束在视觉里程计系统中的应用提供新的思路和工具。对提出的一种全新的基于车辆运动学约束的位姿估计内层算法,在此仿真平台上进行性能验证。仿真结果表明,该算法在计算精度与效率上都能够满足实时车载视觉定位的要求。     

THz焦平面连续波透射成像系统的成像面积及对比度

研究了THz辐射和THz焦平面器件的特性,分析了THz焦平面探测器连续波透射成像系统的能量传输过程。考虑大气衰减、器件限制等影响因素以及连续激光照射、目标场景与焦平面探测器之间的信号传递关系,推导出了连续波透射成像系统的成像面积及对比度两个重要的参量模型。然后设计并组建了连续波THz透射成像系统。根据所建模型分别对信封中的环三亚甲基三硝铵(RDX)粉末和塑料盒中的金属刀片两种不同被测物体的成像面积及对比度进行了计算。结果表明:基于理论推导的两种实例其最大成像面积可达4.74cm×6.32cm和3.534cm×4.712cm,图像对比度分别为0.242 2和0.306。与美国麻省理工学院(MIT)的成像系统进行了对比,该系统的成像面积为3cm×3cm或4cm×4cm,与本文推导结果处于同一数量级,由此验证了本文提出的模型和方法的合理性和有效性。     

一种基于网格的图像测量系统高精度标定方法

提出一种图像测量系统高精度标定方法,设计一种网格靶标,给出了图像分块处理和平行直线拟合方法的靶标特征点提取方法,并采用了一种基于靶标的摄像机位置调整方法。采用两步法对图像测量系统进行标定,首先进行线性标定,然后进行多项式拟合畸变校正。实验结果表明畸变校正后标定精度达到0.18像素,具有较高标定精度。     

大孔径面视场PG成像光谱仪的光学设计

针对成像光谱仪通过狭缝进行线视场成像时存在的孔径较小、光学透过率较低等问题,研究了一种基于棱镜-光栅型分光结构的大孔径面视场成像光谱仪。该棱镜-光栅成像光谱仪采用表面浮雕型透射光栅,极大地降低了光栅的制作难度与成本。大孔径面视场的成像光谱仪相较于线视场成像光谱仪有较高光学效率和时间效率。但是面视场成像光谱仪的色畸变与谱线弯曲较难校正。本文将前端望远系统与分光系统进行一体化设计,满足远心光路匹配和孔径匹配,较好地校正了面视场光谱成像系统中的谱线弯曲和色畸变。并且通过加入非球面反射镜及校正镜很好的校正了由于大孔径面视场所引入的非对称性离轴像差。结果表明,设计的大孔径面视场PG成像光谱仪光谱波段范围400~1 000nm,光学调制传递函数达到0.65以上,光谱分辨率达2.5nm,全谱段不同视场的谱线弯曲小于5μm,色畸变小于8μm。     

新型X光成像系统及其性能分析

本文设计了新型的X光成像系统，它的核心部件X光影像增强器是一个混合型器件。该成像系统具有数字化、大视野成像和可移动的优点，成像视野在6-15英寸连续可调。在文中，对这种新型成像系统的成像性能进行了定量的评价，并给出了系统所成的图像。结果表明新型X光成像系统的性价比高，可以广泛应用在机场安检、工业探伤、无损检测等领域。     

机载宽视场大相对孔径成像光谱仪

根据宽视场大相对孔径成像光谱仪的应用要求和技术指标,采用离轴Schwarzschild望远成像系统和双Schwarzschild光谱成像系统匹配的结构型式,设计了一个视场为28°、相对孔径为1/2.5、工作波段为0.4~1μm的机载成像光谱仪光学系统;根据双Schwarzschild光谱成像系统的像散校正条件计算了初始结构参数。然后,利用光学设计软件ZEMAX-EE进行了光线追迹和优化设计,并对设计结果进行了分析与评价。结果显示:光谱成像系统中心波长和边缘波长88%以上的能量集中在一个探测器像元内;谱线弯曲和谱带弯曲均小于像元的5%,便于光谱和辐射定标;成像光谱仪全系统在各个波长的光学传递函数均达到0.59以上,完全满足设计指标要求。该成像系统体积小、重量轻,非常适合航空遥感应用。     

一种提高太赫兹波成像分辨力的方法

成像分辨力低是影响太赫兹波成像系统在质检、安全和医疗领域应用的重要因素之一。用返波管（BWO）作为太赫兹波辐射源搭建了一个连续太赫兹波点扫描透射成像系统。采用扫描步长小于系统聚焦光斑尺寸的方式获得样品物体的太赫兹透射图像,并利用增量维纳滤波法对该图像进行复原获得了超过系统衍射极限分辨力的太赫兹图像。实验结果表明该方法可以有效提高太赫兹波成像的空间分辨力。     

一种新型鼻咽癌诊断与定位的荧光成像装置

用传统鼻咽镜的白光光源传输系统 ,建立一套用于鼻咽癌诊断与定位的激光诱导药物荧光成像装置。给出了系统的光学整体设计方法 ,还包括激光器出射光束与光纤高效率耦合技术及同光轴非接触两光纤间的光束耦合技术。光学模型实验结果表明 :实验样机的灵敏度和成像衬比度都达到了临床应用的基本要求     

静态锥束CT成像系统的几何标定方法研究

采用X射线源阵列的静态CT成像系统为消除机械运动伪影,提高重建图像质量以及扫描成像效率提供了有效途径。高效、准确的几何标定方法是对X射线源阵列标定的关键。提出通过对一个已知三维标定模板的一次投影成像,采用最小二乘的直接线性变换法实现X射线成像系统的内、外参数准确估计的方法,以此方法用于静态CT扫描成像系统的几何标定。实验和仿真结果表明,该标定方法无需辅助装置,避免了满足要求条件的多次投影成像的过程;不受标定模板空间姿态的限制,一个X射线源与探测器的几何标定只需一次投影成像过程,方法简单、准确、易于操作,适于平面探测器的静态锥束X射线源阵列的成像系统几何参数的准确标定。     

基于彩色相机的运动燃煤颗粒温度测量研究

基于McKenna燃烧器的平面火焰携带流燃烧器系统的燃烧环境,采用彩色相机测温系统对运动中的燃煤颗粒进行拍摄。彩色相机测温系统经过黑体炉进行温度测量标定后,利用其r、g波段的响应,采用双色法对燃煤颗粒的温度进行测量。测温系统的标定采用基于BP神经网络训练的方法进行,通过对蜡烛燃烧火焰的拍摄,将得到的颗粒温度与热电偶数据进行对比,验证了测温系统的可靠性。实验研究了燃烧器出口不同距离处燃煤颗粒的温度信息,结果表明,燃煤颗粒温度随颗粒到喷嘴出口距离的变化整体呈先上升后下降趋势。该结果为研究煤粉燃烧过程及着火机理提供了参考。     

Design of X-ray digital imaging and data acquisition system

X-ray digital imaging technology is a new method of nondestructive testing. Non-film real time digital radiograph, which has high efficiency and low cost, especially the characteristics of digital image exchangeability and storage convenience, has become the development direction. Because the existing system has the disadvantage of low imaging quality and only being used at low X-ray energy, a high quality imaging system based on scientific CCD camera has been developed, which has high spatial solution and high contrast sensitivity and can be used both at high energy and low energy. This paper introduces the constitution of the system, and designs the relative circuits. The experimental results show that the system has the better imaging quality and wider adapting range for X-ray energy, can needs the requirements of measurement.     

太赫兹光致力近场显微成像技术及应用研究

设计并搭建了太赫兹光致力显微成像系统(THz PiFM),首次在太赫兹波段实现了近场光力纳米显微成像测量。该系统基于原子力显微镜,利用探针对所受力的灵敏检测能力,通过探测探针与样品之间近场偶极相互作用产生的光场梯度力,实现无探测器的太赫兹近场显微成像。利用该系统,对可见光激发下的单层MoS₂晶粒进行了近场纳米显微成像表征,并分析了晶粒边缘近场光力信号增强的机制。研究结果表明,THz PiFM对二维材料中的载流子具有高灵敏的探测能力。与传统的太赫兹近场显微成像技术相比,THz PiFM无需太赫兹探测器,而且可获得更加优越的空间分辨率和成像信噪比,是一种低成本、高性能的新型太赫兹近场显微成像技术。     

微型X射线数字成像系统研究

X射线数字成像检测与诊断技术是X射线检测的发展趋势,微型X射线数字成像系统采用X射线敏感CCD面阵探测器作为射线探测元件,具有体积小、分辨率高、实时性好的特点。本文研制了基于X射线敏感CCD的微型X射线数字成像系统,介绍了整个系统的组成,阐述了X射线敏感CCD的工作原理,选定了系统采用的X射线敏感CCD,设计了CCD探测器的驱动电路、模数转化电路、数据采集与通讯电路、图像获取及处理软件等。该系统采用USB2.0接口与计算机进行通讯,直接采用USB接口电源供电,无需外部电源,结构简单。分辨率测试表明,该系统的分辨率>10lp/mm。     

光纤共聚焦显微内窥镜活体内实时成像系统的设计和研究

介绍了一种光纤共聚焦显微内窥镜实时活体内成像系统。该系统采用高速扫描振镜、超细成像光纤束、大尺度几何形变理论图像拼接技术,并结合自主研发的综合软件,使该系统具有实时检测、探头物理尺寸小、图像分辨力高、用户界面友好、操作方便等多方面优势。实验表明:该系统可为医生提供丰富的组织学和病理学影像信息,提高诊断准确率。该系统为临床医学提供了一种能在活体内进行实时细胞尺寸检测的医疗仪器,是癌症早期诊断的重要工具。