光学相干层析成像（OCT）是一种高空间分辨率的光学成像方法，可以对生物组织进行非接触、无标记的二维截面和三维体积成像，能为临床疾病的诊断提供具有重要参考价值的影像信息。在传统的台式OCT系统中，扫描探头被固定在工作台上，探头结构较大，灵活性差，不利于深入狭小腔体内部成像或在床旁检测。本团队设计了一种视频引导的手持式高速OCT系统，其手持探头结构紧凑、体积小巧，便于抓取和深入狭小腔体内部；探头内部集成了相机成像功能，可以实时获得成像区域的视频图像，引导OCT成像。该系统的A线扫描速率可以达到200 kHz。为了克服成像过程中的抖动问题，本团队提出了图像自动配准算法，该算法能显著提高图像质量。采用该系统对离体猪眼角膜和离体猪牙齿进行成像，以验证系统的性能。结果显示该系统能够高速获取高分辨的组织图像。

提出一种结合显微镜和微流控芯片技术的红细胞多角度形态学分析方法, 实现了红细胞的动态显微成像, 用于红细胞多角度形态学的测量与分析。利用微流控芯片的缩/扩结构使红细胞在特定位置产生旋转或翻转; 利用MATLAB对采集到的视频图像进行分帧处理, 通过灰度调整、中值滤波、形态学处理、质心法、目标物识别、动态跟踪等算法处理后, 实现对血细胞的有效识别与准确的分类、计数; 对分类结果进行多角度形态学分析, 并对不同形态红细胞进行最大直径的测量。通过对单细胞多帧关联图像的分析, 验证方法的准确性; 并利用红细胞多角度形态学分析方法, 对糖尿病患者血液及正常人血液进行实验。结果表明, 糖尿病患者红细胞相比于正常人红细胞, 其平均最大直径及分布宽度均增大。微流控芯片结合图像处理的方法可以实现糖尿病患者与正常人红细胞高通量检测及多角度分析, 为其他类型样本细胞多角度形态学测量提供新方法。

随着光谱分析及荧光检测技术的快速发展, 单色荧光标记已无法对细胞样本进行精准判断, 必须采用双染色或多色荧光标记来分析细胞内部结构。 然而, 使用光谱测量方法进行多色荧光分析时, 由于通常使用多种标记物同时对待测细胞进行标记, 发射光谱会产生部分光谱重叠, 为了准确对其进行分析, 需将重叠峰分解为独立谱峰。 针对光谱重叠现象, 提出了遗传算法优化BP神经网络(GA_BP)的重叠峰解析算法。 首先确定了BP神经网络具体结构, 并对重叠峰信号进行二次微分预处理, 确定重叠峰中单峰个数及单峰位置, 将其作为重叠峰信号的特征值送入BP神经网络的输入层； 其次将BP神经网络权值及阈值初始化, 利用遗传算法全局搜索的优势, 进行算法初始种群及种群规模等最优参数的选取, 通过选择、 交叉、 变异等一系列遗传进化操作进行寻优计算, 得到包含BP神经网络最优权值和阈值的个体； 然后确定网络最优参数并进行相应网络训练, 使优化后的BP神经网络可从输出节点处获得独立单峰的峰宽及强度； 最后结合二次微分处理得到的重叠峰特征值, 即可分离出单个谱峰。 以随机生成的多组高斯重叠峰数学模型作为实验数据进行仿真实验, 结果表明该方法具有较高的精确度。 其中, 双峰重叠峰及三峰重叠峰分解后峰强度及峰宽的最大相对误差分别为0.30%, 3.57%和0.64%, 3.83%； 同时也可对四峰重叠峰进行较为准确的分解。 此外, 将GA_BP网络模型与未经优化的BP神经网络模型作对比, 结果表明GA_BP网络运行5步后即可达到预设的误差值, 而未经优化的网络模型则需19步方可达到, 进一步证明GA_BP网络模型收敛更快且误差较低。 由此可见, GA_BP算法在重叠光谱分析中有较好的效果, 并可应用于其他能谱重叠峰的分解, 与传统方法相比具有明显的优势, 具有一定的实用价值。

使用光谱测量方法进行细胞多色荧光分析时，发射光谱会产生部分光谱重叠，为定性和定量分析造成了一定的困难。为此，提出基于优化迭代算法的细胞荧光光谱解析算法，建立重叠峰模型并确定单峰顶点；根据每次构造峰面积的大小，重新确定构造峰的构造方式，最终得到模拟峰的顶点及面积信息。利用该算法对高斯函数叠加形成的重叠峰进行解析，并与常规方法进行对比，结果表明优化迭代算法解析误差稳定在0.15%以内；加入随机噪声后，解析误差可稳定在0.85%以内，均优于另外两种算法。此外，计算了该算法下的迭代效率，结果表明该算法较常规方法提高了32.2%。

随着机器视觉技术在先进制造系统、机器人系统、智能监控、航天**等领域的广泛应用, 仿生视觉系统的小型化、灵巧化成为研究的重要方向之一。针对传统机器视觉系统变焦结构复杂、易磨损、寿命低等缺点, 在分析液体透镜原理和成像特点的基础上, 设计并搭建了一种基于液体透镜的仿人眼光学系统, 系统的主要技术指标为: 焦距范围18.5 mm~22.5 mm, 镜头变倍比为1.22, 视场角为38°×24°。设计结果符合各项指标, 像质在不同焦距处均满足使用要求, 可实现实时对焦。整个光学系统尺寸为36 mm×55 mm×30 mm, 结构紧凑, 实用性强。

荧光检测和分析技术中, 荧光寿命的精确测量具有重要意义。针对纳秒级荧光寿命在流式细胞分析系统中无法直接测量的问题, 提出一种基于互相关算法的脉冲时延估计荧光寿命表征方法。该方法将改进的线性调频Z变换算法与相关峰内插算法相结合, 并与标准FFT算法仿真做对比, 通过对哺乳动物细胞的荧光寿命进行测量, 将所得数据进行处理, 验证线性调频Z变换(MCZT)和相关峰内插(FICP)算法性能。实验结果表明, 使用该算法降低了FFT计算带来的栅栏效应, 可以提高互相关函数的分辨能力, 测量荧光寿命的相对误差提高了4.344 3%。

针对传统仿生视觉系统中目标图像获取单一性问题, 提出一种仿人眼自适应调节的多光谱视觉成像技术。首先, 通过改进的自动调焦算法使成像系统同时采集可见光高分辨率图像及近红外低分辨率图像。然后, 对于多光谱成像系统中由于分光棱镜折射率不同导致的在固定焦距下, 可见光和近红外图像清晰度有所不同的问题, 采用改进的二代小波变换进行近红外图像增强, 提高图像对比度, 改善视觉效果。最后, 搭建基于液体变焦透镜的多光谱实验系统验证自动调焦算法及图像增强算法的实际性能。实验结果表明: 系统完成有效自动调焦的平均用时为756 ms。同时,近红外图像增强后其灰度方差函数值提高了79.4%, 解决了对比度低和细节模糊的问题, 最终实现自适应调节。

矢量光束独特的空间偏振结构使之应用于空间偏振编码成为可能。提出了一种用一阶矢量光束的偏振分布进行极角空间编码的方法。通过矢量光束生成、光束偏振分布再调制实现了空间编码光束的生成, 并采用斯托克斯参数法对空间编码光束进行检测。实验结果证实了一阶矢量光束应用于极角空间偏振编码的可行性, 为基于空间偏振编码的激光驾束制导提供了新方法。

为了解决传统单通道仿生视觉成像系统应用场景受限的问题，提出一种基于可见光及近红外的仿生视觉成像技术。首先，对多光谱光学成像系统进行研究，设计了以棱镜为分光元件的同口径双通道成像系统，对目标物体进行初步成像。然后，利用基于Roberts算子的图像清晰度评价函数并结合自适应变步长搜索策略对目标物体进行清晰成像。最后，搭建了以液体变焦透镜为调焦执行机构的实验装置，验证仿生视觉成像系统及自动调焦算法的实际性能，实验结果表明：光学系统的成像质量可满足实际需求，同时，自动调焦算法完成一次调焦过程的时间仅为1050ms。

为了提高自动调焦算法在动态环境下的性能,对调焦评价函数和调焦搜索策略进行了研究。在分析人类视觉系统特性研究成果的基础上, 提出一种基于8方向Sobel算子边缘加权的调焦评价函数。同时, 为了克服传统爬山法搜索速度慢的缺点, 采用自适应变步长极值搜索策略, 通过仿真实验可知, 提出的8方向Sobel边缘检测算子具备良好的边缘提取效果, 同时基于此算子结合人类视觉机制特性给予各边缘不同权重系数计算的调焦评价函数,比经典两方向Sobel算子调焦评价函数具备更好的抗干扰能力。最后搭建基于液体透镜的实验平台, 在动态环境下验证改进算法的性能。实验结果表明, 提出的自动调焦算法在动态环境下调焦准确率达到97.5%。