折射率失配对双光子三维信息存储中信息点的影响

根据Torok的光在多层介质中传播的理论,模拟了在折射率失配情况下点扩展函数的强度分布.在介质折射率为1.48,多种物镜数值孔径NA=0.25、0.45、0.65、0.85条件下,分析了信息点轴向尺寸及读出信号强度变化趋势.选取合适的光学参数(如物镜的数值孔径NA=0.45,存储介质的折射率1.48),能够使信息点在深度200μm内轴向尺寸变化率小于4%,信号读出强度变化率小于30%,提高了存储效果.对选取各种物镜和介质折射率的情况下信息点的变化趋势分析表明,折射率失配使信息点横向尺寸随深度变化不大,而轴向尺寸及信号读出强度产生较大的变化,变化的程度与物镜NA、介质的折射率及存储深度密切相关.采用与模拟时相同的光学参数,在光致变色材料中进行了双光子三维存储实验.通过观察信息点的轴向及横向扫描图像和信号的读出强度,证实了这种变化趋势.实验结果为双光子三维存储提供了参考依据.     

采用特殊镀膜分束器的OCT系统性能分析

基于共焦模式的OCT蒙特卡罗仿真模型,研究了在OCT系统中高散射生物组织背向散射光的反射率。仿真结果:表明对OCT成像有贡献的背向散射光强是样品臂入射光强的10^-8~10^-10,这样微弱的有用信号限制OCT系统的成像速度、探测灵敏度、信噪比和图像对比度等系统的性能。为此设计了一种带有特殊镀膜分束器的OCT系统。采用这种结构的分束器,第一,在保证入射光对生物组织无热损伤的情况下,可以尽量提高光源的输出功率,改进之后的干涉仪可以使参考光衰减4个量级,因此不会使光电探测器的输出轻易达到饱和状态。第二,大幅度减小了参考光与信号光之间的能量差距,图像干涉对比度大约提高2个数量级,即使在高速成像的情况下,仍然能够使OCT系统具备较高的成像质量。第三,这种特殊结构的干涉仪可以使样品臂的入射光最强,并将背向散射信号光因分束器反射的损失减少到最低程度,从而使系统的信噪比提高了6 dB,并通过对样品的测试可以测得系统的探测灵敏度可以提高到43 dB。     

基于米氏理论的蒙特卡洛光学相干层析成像系统模拟研究

光学相干层析成像(optical coherence tom ography,OCT)是近年来快速发展的一种生物组织高分辨力实时成像技术。由于生物组织的复杂性,故一直没有完美的OCT理论模型。现利用结合米氏理论(M ie theory)的蒙特卡洛算法研究光在生物组织(高散射介质)内的行为,并以此为基础建立了一种OCT理论模型。然后利用该模型模拟重建了多层介质的图像,分析了空间滤波和偏振光对图像质量的影响,获得了较理想的结果。     

聚光系统对显微物镜杂光测量影响的分析与实验

显微物镜通常采用部分相干照明,测量它的杂光时,有必要研究照明系统的影响。实验表明,对于中、低倍物镜来说,当照明系统的数值孔径变化时,物面相干性变化对显微物镜杂光测量的影响可以忽略,从而可以采用积分球面扩展光源去测量它们的杂光系数。文中对相关的问题进行了分析讨论。     

基于三维精密位移工作台的显微图像拼接测量系统

设计了一种大面积无缝无特征显微图像拼接测量系统,该系统基于光学显微系统和大行程纳米级计量型三维精密位移工作台,建立了以测量系统自身的计量系统来标定CCD摄像机和计算CCD与水平工作台夹角的数学模型,解决了一般图像测量系统需借助外部设备进行标定和夹角测量的问题。构建了非正交水平工作台移动策略,用于光学显微图像大面积无缝无特征拼接,减小了拼接量,扩大了横向测量范围,解决了测量视场与横向测量分辨率受限于物镜数值孔径的问题。     

大数值孔径物镜的波像差测量及其特殊问题

设计了基于振幅型棋盘光栅的二维剪切干涉仪,用于测量大数值孔径(NA)物镜的波像差。研究了棋盘光栅剪切干涉仪的基本原理,分析了大数值孔径物镜波像差测量时涉及的几个特殊问题。首先,根据棋盘光栅的远场衍射函数分析了棋盘光栅的衍射效率和衍射级分布,给出了剪切干涉图数据的处理方法。接着,根据球面光瞳坐标与平面探测器坐标的投影关系,分析了光瞳坐标畸变的影响;采用几何光线追迹方法,分析了光栅方程非线性对系统误差的影响。最后,推导了物镜光瞳边缘的相对照度与数值孔径的关系。试验结果表明:采用相同光瞳坐标,NA为0.6的显微物镜的波像差测量重复性(3σ)可达到3.7 mλ。对大数值孔径物镜测量过程中涉及的特殊问题进行了探讨,结果提示:测量大数值孔径物镜的波像差时,需要考虑光瞳坐标畸变、光栅方程引入的系统误差、光瞳边缘照度衰减的影响等。     

光纤熔接机高清显微物镜光学系统设计

在光纤熔接过程中,为了实现光纤高质量熔接,需要一个高清显微物镜来确保纤芯的准确对准。运用Zemax软件设计一款用于光纤纤芯对准的显微物镜,该物镜由6片透镜组成,放大率为8倍,数值孔径为0.25,工作距为13.4mm,共轭距为85mm,以CCD作为图像接收器件。显微物镜采用正向光路进行优化设计,正向光路设计的显微物镜更能贴近实际使用状态,能够更加清晰准确地检测到纤芯位置。该物镜工作波长为486~656nm,具有工作距离长、共轭距短、精度高等特点。     

医用内镜双通道光学接口的设计原理

设计了一种医用内镜图像显示双通道光学接口。接口由分光棱镜和变焦距物镜组成。本文介绍光学接口的分光及光孔承接;分析变焦物镜的光学特性;论述小型线性差动变焦物镜的设计原理;并给出了一种设计实例及评价结果。所设计的光学接口已应用于胃镜计算机彩色显微图像显示仪中。使用证明：该光学接口结构简单、体积小、重量轻,其像质可与多种内镜和CCD彩色摄像机相匹配。因此,接口可适用于多种内镜的图像显示。     

基于动态权重PSO算法的眼科OCT设备横向分辨率检测

眼科光学相干层析成像(OCT)设备的横向分辨率检测易受光斑噪声和干涉条纹影响,为提高横向分辨率检测精度,提出一种基于动态权重粒子群优化(DWPSO)算法的眼科OCT设备横向分辨率检测方法。通过构造动态权重因子对局部PSO算法进行改进,构建了DWPSO算法;建立了光束光强分布模型,采用DWPSO算法辨识模型参数并获得光束宽度,应用最小二乘算法拟合光束宽度得到数值孔径,用于实现眼科OCT设备横向分辨率检测。实验结果表明:DWPSO算法与其他相关算法相比较能够快速得到光束光强分布模型的全局最优解;被测眼科OCT设备在近焦点位置的横向分辨率为18. 21μm,远焦点位置的横向分辨率为49. 91μm,该横向分辨率检测方法使光斑噪声和干涉条纹的影响有效降低,具有较好的噪声鲁棒性。     

光学表面微缺陷的高对比度暗场成像检测方法

提出了一种新型的暗场显微成像方法(环状孔径显微术,Circular-Aperture Microscopy,CAM)用于光学加工表面的缺陷检测。该方法的关键在于,在CAM物镜中心放置一个遮挡片用于消除照明直射光的影响,而缺陷的散射光能够通过物镜的环状透射区域形成高对比度的图像。对划痕和麻点标准比对板、分辨率测试板、微粒悬浊液等样品的成像结果表明,CAM具有原理简单、对比度高、分辨率高、精度高的优势,能够为光学表面加工中的缺陷检测提供一种有效的方法。     

基于时域结构的光学相干层析系统的调试

基于时域结构的光学相干层析系统由于光线多次通过,按照光路可逆原理调整会很困难.在理论分析和多次实验基础上,现总结出一套快速调试方法,大大缩短光路调试时间.详细分步骤描述了纵向傅里叶快速扫描光学延迟线和横向扫描部分的调试方法,给出快速寻找干涉系统光程匹配点的调试方法.利用构建好的光学相干层析系统进行层析成像实验调试,纵向...     

眼底OCT成像系统的研制

光学相干层析（OCT）成像技术是一种高分辨率生物成像手段,能非侵入、无接触地对活体内部的结构与生理功能进行检测。在生物医学领域,OCT主要还是应用在眼科学,主要是因为近红外光很容易穿透人体眼睛介质。本文利用中心波长为854nm的宽带弱相干光源SLD实现了光学相干层析成像系统在眼科中的应用。系统采用傅里叶域光学快扫描延迟线实现了快速扫描成像,成像深度为3mm。我们自行设计了一种用于眼底信号探测的眼科探头,包括：眼底OCT成像光路;眼底照明光路;眼底照相光路,获得了眼底黄斑和眼底视神经乳头的眼底照片以及OCT图像。     

Differences between time domain and Fourier domain optical coherence tomography in imaging tissues

It has been numerously demonstrated that both time domain and Fourier domain optical coherence tomography (OCT) can generate high‐resolution depth‐resolved images of living tissues and cells. In this work, we compare the common points and differences between two methods when the continuous and random properties of live tissue are taken into account. It is found that when relationships that exist between the scattered light and tissue structures are taken into account, spectral interference measurements in Fourier domain OCT (FDOCT) is more advantageous than interference fringe envelope measurements in time domain OCT (TDOCT) in the cases where continuous property of tissue is taken into account. It is also demonstrated that when random property of tissue is taken into account FDOCT measures the Fourier transform of the spatial correlation function of the refractive index and speckle phenomena will limit the effective limiting imaging resolution in both TDOCT and FDOCT. Finally, the effective limiting resolution of both TDOCT and FDOCT are given which can be used to estimate the effective limiting resolution in various practical applications.     

应用于玉石结构分析的光学相干层析技术

本文首次尝试将光学相干层析方法的微观结构层析分辨能力应用于检测玉石结构进而分析其质地,阐述了光学相干层析图像中反映的玉石结构特征以及物理解释。实验中利用中心波长1310nm的宽带光源和傅立叶域光学延迟线实现了扫描速度1帧/秒、纵向分辨率15um、成像深度3mm的光学相干层析成像系统,根据翡翠样品在层析成像中的光学散射特性随深度变化梯度和在二维被测切面内的强弱分布,提出了评估翡翠透明度和净度特性的光学方法,同时OCT图像特征亦可直观显示古玉钙化沁色部分的光学特性差异。实验结果验证了OCT检测方法用于区分翡翠透光特性的可行性,显示了OCT成像在辨别古玉钙化沁色特征中的应用潜力。     

Contrast in confocal scanning microscopy with a finite detector

The optical properties of a general scanning microscope are determined within the framework of Fourier imaging theory. For a simple model optical system, with Gaussian lens and detector apertures, the contrast transfer function can be expressed in terms of elementary functions. The theory predicts that spatial resolution and depth discrimination vary continuously with detector aperture and that defocus phase contrast is present in transmission images obtained with a symmetric objective, collector lens confocal microscope.     

立体成像眼底相机光学系统设计

为了实现从不同角度同时拍摄同一眼底视网膜区域的图像,使采用双目立体视觉法进行眼底三维重建成为可能,设计了一种免散瞳立体成像眼底相机光学系统。该光学系统由成像系统和照明系统两部分组成,在成像系统中,使用Gullstrand-Le Grand眼模型来模拟正常人眼,运用体视显微镜成像原理进行分光设计;在照明系统中,通过设置黑点板的方式消除网膜物镜产生的杂散光,并加入环形光阑以避免角膜反射光的产生。设计结果表明,本立体成像眼底相机光学系统截止频率在95lp/mm处各视场的MTF值均大于0.2,成像系统畸变小于-3%,场曲值小于0.1mm,色差矫正良好,并且具有较强的调焦能力,能对-10~+5m~(-1)的人眼清晰成像。     

含三次位相元件照相物镜的设计

设计了一个光学/数字成像系统,该成像系统利用三次位相元件辅以数字图像处理技术,在保持系统光通量及分辨率不变的前提下,提高了光学系统焦深。进行了仿真实验,实验以传统的双高斯型照相物镜为光学系统模型,选取焦点及离焦-1.6λ(λ=550 nm)近似-6.4倍焦深两个成像位置。对比分析了传统光学系统及光学/数字系统的焦点位置调制传递函数(MTF)、离焦1.6λ处调制传递函数(MTF)及在瑞利判据±100倍焦深范围内的离焦传递函数。通过光学设计软件CODEV9.7新增图像模拟功能,得到了光学系统的模拟成像结果。利用自编图像处理程序,得到最终的成像结果。结果表明,该光学/数字成像系统确实能够有效扩大光学系统焦深6倍以上。     

Optical coherence tomography as a tool for characterization of complex biological surfaces

The advent of scanning electron microscopy has facilitated our understanding of the biology in relation to surface microstructure of many invertebrates. In recent years, interest in biomimetics and bio‐inspired materials has further propelled the search for novel microstructures from natural surfaces. As this search widens in diversity to nurture deeper understanding of form and function, the need often arises to examine rare specimens. Unfortunately, most methods for characterization of the microtopography of natural surfaces are sacrificial, and as such, place limiting constraints on research progress in situations where only a few rare specimens are known, such as the rich resources lodged in natural history museum collections. In this paper, we introduce the use of optical coherence tomography (OCT) as a noninvasive tool for bioimaging surface microtopography of crab shells. The technique enables the capture of microstructures down to micron level using low coherence near‐infrared light source. OCT has allowed surface microtopography imaging on crab shells to be carried out rapidly and in a nondestructive manner, compared to the scanning electron microscope technique. The microtopography of four preserved crab specimens from Acanthodromia margarita, Ranina ranina, Conchoecetes intermedius and Dromia dormia imaged using OCT were similar to images obtained from scanning electron microscope, showing that OCT imaging retains the overall morphological form during the scanning process. By comparing the physical lengths of the spinal structures from images obtained from OCT and scanning electron microscope, the results showed that dimensional integrity of the images captured from OCT was also maintained.     

Polarization contrast in reflection near-field optical microscopy with uncoated fibre tips

Using cross-hatched, patterned semiconductor surfaces and round 20-nm-thick gold pads on semiconductor wafers, we investigate the imaging characteristics of a reflection near-field optical microscope with an uncoated fibre tip for different polarization configurations and light wavelengths. It is shown that cross-polarized detection allows one to effectively suppress far-field components in the detected signal and to realize imaging of optical contrast on the sub-wavelength scale. The sensitivity window of our microscope, i.e. the scale on which near-field optical images represent mainly optical contrast, is found to be ≈100 nm for light wavelengths in the visible region. We demonstrate imaging of near-field components of a dipole field and purely dielectric contrast (related to well-width fluctuations in a semiconductor quantum well) with a spatial resolution of ≈100 nm. The results obtained show that such a near-field technique can be used for polarization-sensitive imaging with reasonably high spatial resolution and suggest a number of applications for this technique.