激光共焦高速扫描显微成像的高帧速重构算法

针对激光共焦扫描显微镜的往复式逐行扫描成像方式带来的帧图像数据分割难的问题,在分析系统扫描方式、振镜的实际运动方式与理论运动方式差异的基础上,利用相邻两帧图像相似性大的特点,提出了一套完整的高帧速重构算法。该算法通过连续帧特征区域差分的方式实现了一维信号序列的自适应分割,即实现了对一维信号序列进行动态排列及分割成二维阵列图像数据,从而重构出多帧高精度图像。实验表明,该算法的成像误差低于1.6%,适用于成像速度高达300帧/s的激光共焦扫描显微成像。     

激光共焦显微光束的偏转扫描

为了提高激光共聚焦系统的扫描速度,本文提出一种逐场扫描的场同步扫描方法。构建了激光共焦显微系统,将美国THORLABS公司的GVS002型二维检流计振镜应用于该系统,根据光学系统参数以及扫描范围要求计算振镜的整场扫描波形。借助NI公司的PCIe6353多功能数据采集卡,输出行同步的扫描波形,同时,对共焦显微系统共焦位置上针孔处的光强信号进行采集,先后扫描一幅256×256和512×512的图像,记录扫描图像和成像时间;然后,在相同的硬件结构下,以场同步的方式输出扫描波形,记录扫描图像和成像时间。实验结果表明:场同步方式扫描256×256图像的速度可提高10倍,扫描512×512图像的速度可提高5倍,且满足共焦显微成像的清晰、抗干扰能力强等要求。与行同步扫描方法相比,场同步扫描方法可以消除行与行之间转换的停留时间,在不改变硬件的情况下大幅提高扫描速度。     

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。     

动态聚焦激光振镜扫描系统的误差分析及图形校正算法

动态聚焦激光振镜扫描系统广泛应用于大幅面激光扫描领域,在实现振镜高速扫描的同时,必须要保证扫描图形的精度。本文从动态聚焦激光振镜扫描系统的原理入手,分析了动态聚焦激光振镜扫描系统图形误差产生的原因,并给出了扫描图形的误差校正模型和精确校正算法,并在华中科技大学快速成型中心的粉末烧结快速成型设备上进行了试验验证。     

激光振镜扫描失真分析及算法研究

激光振镜是一种优良的扫描器件。但是激光振镜扫描方式存在着固有扫描场的几何畸变,表现为x方向上的枕形失真、y方向上的桶形失真和一般的线性失真。当扫描场较大时,极大地影响了激光加工的质量。本文以提高校正精度为目标,通过分析和对比几种软件校正算法原理及试验效果,从而找出了其中一种实用、简单、灵活的校正方法。     

基于连续扫描方式的激光共焦扫描显微镜的研制

研发了一套基于连续扫描的激光共焦扫描显微镜(laser confocal scanning microscopy,LCSM)系统。该系统采用工作台连续运动方式实现扫描,提出了利用单次采集的数据滤除随机噪声的方法,避免了多帧取平均对成像速度造成的影响。实现连续扫描的关键在于解决工作台运动与数据采集的同步问题,利用采集卡有限采集模式,合理匹配工作台参数和采集参数,成功解决了这一问题。详细介绍了影响分辨率的因素,通过合理选取探测器针孔直径,取样间隔,确保了实现高分辨率的要求。系统利用Visual C#开发的控制平台,成功地对生物细胞进行了扫描成像。实验结果表明:基于连续扫描的LCSM具有较高的分辨率,生成的显微图像没有任何畸变,并且成像速度有了大幅度提高。     

基于振镜扫描的生物芯片荧光信号光强校正

鉴于传统生物芯片检测装置结构较复杂,共聚焦逐点扫描速度较慢,设计了一种使用激光光源、二维高速振镜和冷却型CCD相结合的新装置,并且建立相应的检测数学模型。新装置以STM32为控制核心,采用弓字型扫描方式采集载玻片上的荧光信号。实验对同一片载玻片上的Cy5荧光染料进行五个不同位置的扫描,并由冷却型CCD曝光采集图片。经实验得到了五个相应位置的灰度图像,通过公式推导建立了检测数学模型并用其进行图像灰度校正,校正后的图像灰度误差在2%以内,可以满足光强一致性的要求。     

光子计数三维成像激光雷达反转误差的校正

实施光子飞行时间测量法时,光子飞行时间测量值受激光回波信号能量的影响会出现测量反转误差,从而影响系统三维成像的精度.本文描述了一种光子计数三维成像激光雷达系统反转误差的校正方法及其实验.提出的反转误差校正方法包含先验模型标定和反转误差校正两个步骤.首先,通过标定法得到系统反转误差相对于激光脉冲响应率的函数关系,建立系统的反转误差预测函数.然后,由系统反转误差函数预测出原始三维图像的反转误差图像并实现原始三维图像的反转误差校正.实验搭建了光子计数三维成像激光雷达系统,采用盖格-雪崩光电二极管(Gm-APD)作为光子探测器,由高速扫描振镜二维扫描获取三维图像.通过时间相关记录仪获取光子到达时间分布,分别得到原始三维图像和激光脉冲响应率.在反转误差校正的测试实验中,系统的测量均方差由校正前的33.2 mm提高至8.1 mm.实验结果表明,该反转误差校正方法可以有效降低光子计数三维成像激光雷达的反转误差.     

浅谈共聚焦显微技术

共聚焦显微镜以其高对比度、高分辨率及可重建三维图像的独特优势,在生物医学研究、微细加工、半导体和高分子材料的生产检测等领域获得广泛应用。常用的共聚焦技术方法有:传统的激光扫描共聚焦显微镜(LSCM),其特点是获得的图像对比度和分辨率高,但需要逐点扫描,帧成像时间长,系统复杂,体积大,价格昂贵;碟片共聚焦显微镜(SDCM)是采用多光束扫描的方法来获得共聚焦图像,速度可以大大提高,但牺牲了共聚焦图像的分辨率,系统更为复杂,且不能调整轴向分辨率;结构光显微镜(SIM)具有方法简单,可模块化设计,成本低,成像质量接近于激光扫描共聚焦显微镜,成像速度快,性价比较高。     

浅谈激光共聚焦显微镜使用技巧

本文简要介绍了激光扫描共聚焦（LSCM）成像原理,并以花粉为例,详细介绍了共聚焦针孔直径、光电倍增管检测器增益、激光强度、扫描速度、扫描方式、Z轴步距等重要参数设置对共聚焦成像的不同影响。探讨了正确使用LSCM的方法与技巧,如获取高质量的图像、图像保存及图像处理,以便为科技人员利用LSCM开展更多植物学与环境科学相关的研究提供参考。     

水下透视投影图像非线性畸变校正方法

针对水下成像多界面折射引起的图像非线性畸变,提出一种水下透视投影图像校正方法,将相机透过多界面拍摄的水下图像转化为空气中相机拍摄目标的透视投影图像。首先,在多层平面折射模型下,以四维光场参数化的形式对水下相机成像过程建模,通过光场的方向信息计算出水中像点与校正像点间坐标的映射关系。然后,利用两者映射关系将水下相机获取的图像转化为空气中透视投影图像。经仿真优化,物距在2～4 m的透视投影图像平均误差在1 pixel以内。实验结果也验证了该方法的可靠性与准确性,当物距在2 m时,校正后的透视投影图像平均误差为0.56 pixel,行匹配平均误差为0.4 pixel。     

共面点的摄像机非线性畸变校正

采用传统的Tsai两步法进行摄像机标定时,标定精度会受一阶径向畸变模型的限制。本文提出了一种同时考虑摄像机镜头径向畸变和切向畸变的摄像机模型并研究了模型求解方法来提高畸变校正精度。考虑图像中心区域畸变较小,故用中心附近点列出线性方程组计算了摄像机的部分参数;建立了综合畸变模型,将摄像机参数代入模型计算畸变参数的初始值。由于焦距和平移分量在标定板与相机平面的距离深度变化不够时难以一次性准确标定,故将其代入综合畸变模型重新计算,并运用两步迭代法逐步逼近精确解。最后,对世界坐标系进行空间几何变换、透视变换和成像变换得到的重投影图像的像素坐标并与实际测得的像素坐标值进行比较,得到校正误差。结果表明,本文的畸变校正方法平均像素误差可以达到0.114 9pixel,优于Tsai校正方法的0.367 0pixel,且重复性较好。     

双光子三维微结构快速制备技术

建立了一种利用双光子聚合技术快速制备三维微结构的方法,并对加工分辨率进行了研究。通过对高速扫描原理的研究,提出了采用二维振镜与一维压电微移动台相结合,利用跳跃和扫描协同的运动模式,以段段扫描方式进行三维微结构加工的系统来提高其加工速度。实验制备千里马和具有木堆结构的三维光子晶体结构说明,采用上述扫描方式可使其加工速度较点点扫描方式提高10倍至1 000倍。实验结果表明,使用一定的激光功率时,其加工分辨率随曝光时间减小而显著提高,实验得到了50 nm的线宽分辨率,超过文献报道的100 nm的最高值。研究还表明,上述加工方法可实现激光三维微结构的快速制备并具有高分辨率加工的特点。     

激光主动探测系统二维均匀扫描设计

二维扫描振镜是激光主动探测系统实现一定视场范围内扫描探测的重要部件.针对振镜非均匀扫描的缺陷,讨论了二维扫描振镜的工作原理,分析了扫描激光光斑全覆盖条件,推导了等间距扫描量与驱动信号之间的关系式,结合单片机控制电路,给出了均匀扫描的软件实现方法,并对实现均匀扫描的电路进行了时序分析.该方法过程简单,激光光斑的均匀采样易...     

视觉辅助的激光振镜加工畸变校正及精度分析

为了解决激光振镜加工畸变校正过程中人工测量效率低、精度差的问题，提出一种视觉辅助的畸变校正和精度测量方法。该方法分析了误差来源，建立了畸变数学模型，采用螺旋式填充圆标刻配合最小包络圆检测获取振镜系统误差特征描述，用曲线拟合或线性插补算法补偿误差，最后采用误差标准测量点阵进行精度标定。实验结果表明，该方法可以消除86%图形畸变，平均相对误差为7×10^-4,提升了校正精度和校正效率。     

光栅成像光谱仪图像畸变校准方法研究

成像光谱仪是一种"图谱合一"的光学遥感仪器。光栅型成像光谱仪由于原理简单,性能稳定,技术发展成熟等优点得到了广泛的应用。光栅成像光谱仪中不同采样步长的选择及不合理的拼接方法会导致目标图像(分划板图像)的畸变,会使原来分划板图像中的正方形发生不同程度拉伸或者压缩成为矩形。现采用He-Ne激光器确定成像光谱仪的通带宽度,并利用低压汞灯进行波长定标,确定特定波长所对应的像元数,通过基于区域和小波变换的拼接方法完成目标图像,从而对目标图像的畸变进行校正。实验证明,可以使畸变量相比原始块匹配拼接方法减小一个数量级。     

深孔内表面结构光图像几何畸变校正

在针对深孔类零部件内表面检测过程中因曲面特性引起的结构光图像几何畸变校正问题,一直是深孔内表面检测领域的难点。本文提出了一套针对结构光条纹图像的几何校正算法:该算法首先针对无差别建模的深孔内壁模型内表面进行结构光检测;然后基于离散映射理论搭建深孔内壁模型和内壁展开模型内表面之间的几何位置对应关系;最后基于映射关系校正深孔内表面结构光图像存在的几何错位(畸变)。检测结果表明,所提算法能够有效提高几何错位的校正精度,在不考虑图像边缘的基础上,校正偏差达到亚像素水平;并且因条纹斜率不一致造成的对应条纹最大间距(即距离偏差)控制在1.5 pixel范围内,即0.135 mm。     

用于SLS快速成形制造中振镜式激光扫描系统的关键技术

针对选择性激光烧结快速成形制造的需求，探讨并深入研究了振镜式激光扫描系统的组成，成形过程中线性扫描、图形畸变的校正、扫描系统机械滞后性的补偿、激光功率与扫描速度的匹配及成形精度等关键技术问题。     

航空变焦距斜视成像几何畸变的自动校正

针对变焦距航空摄像机斜视成像产生的几何变形,提出一种同时校正斜视梯形失真和变焦距镜头非线性畸变的自动校正方法。根据直线透视投影不变性原理,利用单参数除式模型通过变步长优化搜索方法得到不同焦距对应的镜头畸变系数和畸变中心坐标;研究了焦距变化对畸变的影响规律,校正了镜头畸变使其满足针孔成像模型;引入飞机位置、姿态和摄像机视轴指向方位等因素,将航空图像重投影到地图坐标系中,对坐标变换后的像素亮度值进行重采样得到校正斜视变形和镜头畸变后的正射投影图像。对不同焦距和位置姿态下拍摄的地面靶标畸变图像和实际航空变焦距斜视图像进行了校正。结果表明,该方法能够有效准确地校正图像的几何变形,当飞行高度为2 500m时,在文中给定的位置姿态精度下的图像几何校正均方误差约为2m,较好地满足了后续图像拼接需求。该方法效率高,便于自动化实现,对提高图像拼接精度和实现目标精确定位与实时稳定跟踪具有重要意义。     

长波红外相机在轨扫描成像畸变消除控制策略

为消除长波红外相机在轨扫描成像的地面畸变,研究了变焦扫描成像畸变消除系统控制技术。针对变焦扫描控制的多电机位置同步要求,提出一种高精度多电机位置同步算法。依据设计的变焦扫描成像控制原理,设定每个扫描时刻点变倍组电机和补偿组电机的同步位置。变焦控制系统实现与扫描控制系统的同步计时,根据当前位置和下一时刻的同步位置,每隔0.01s计算出电机的运行速度,实时对电机的速度进行控制。实验结果表明,变倍组和补偿组电机的位置同步偏差分别在±0.003mm、±0.002mm以内;沿轨方向地面分辨率的最大偏差不超过±0.047m。长波红外相机在连续变焦扫描控制过程中成像清晰,达到消除畸变的效果,满足变焦扫描成像的要求。