1 中国科学技术大学生物医学工程学院（苏州）生命科学与医学部，江苏 苏州 215163
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所医用光学技术研究室，江苏 苏州 215163
在显微成像过程中，受系统景深限制，沿光轴方向不同层面之间聚焦位置存在显著差异，同时不同层面的显微图像存在部分聚焦区域重叠，现有多聚焦融合算法往往无法并行提取和融合多幅显微图像中最清晰的聚焦部分。提出一种多聚焦显微图像融合算法，首先构造了一种类高斯四邻域梯度算子并结合快速引导滤波，实现高频聚焦信息的提取；同时针对大视场显微图像序列中存在聚焦信息重叠、像素数量大的情况，引入了一种小区域聚焦度量方法，提高了对聚焦清晰区域高频信息提取的能力，实现了多图最佳聚焦点的融合。拍摄3组包括4 mm和2 mm对角线视场的多聚焦显微图像序列进行测试，相较5种常用多聚焦图像融合算法，所提算法的峰值信噪比平均提高了2.4772，结构相似性指数达0.9400以上，对聚焦清晰区域有更好的融合效果，融合图像细节丰富且清晰度高，能够满足大视场多聚焦显微图像融合的准确性要求。
图像处理 多聚焦显微图像 引导滤波 聚焦信息检测 多图融合 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618022
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所医用光学室，江苏 苏州 215163
3 济南国科医工科技发展有限公司，山东 济南 250102
为满足目前生物医学活体成像研究领域对多波段荧光成像的迫切需求，提出并设计了一种可见光（486~656 nm）、近红外（900~1700 nm）双波段长后工作距有限远变焦光学系统。针对双波段、长后工作距变焦系统带来的色差变化范围大、组分光焦度选择受限等技术难题，通过理论分析，选择了适合该双波段系统的变焦结构，计算得到了系统4组变焦结构的初始光焦度，并利用理想近轴面验证变焦方案初始结构的可行性，在此基础上对系统每一组元进行独立像差设计，共光路部分兼顾双波段像差进行优化，后组采用分光棱镜对两个波段分光，并针对双波段设计不同的后固定组以校正系统残余像差，同时实现长后工作距下的双波段成像。系统公差特性良好，变焦曲线平滑无拐点，变倍过程中像面稳定，成像质量良好。
几何光学设计 变焦光学系统 双波段成像 近红外二区 激光与光电子学进展
2023, 60(21): 2122004
1 中国科学技术大学生物医学工程学院（苏州），生命科学与医学部，江苏 苏州 215163
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所医用光学室，江苏 苏州 215163
3 济南国科医工科技发展有限公司，山东 济南 250102
4 沈阳国科医工科技发展有限公司，辽宁 沈阳 110167
针对现今非接触眼科测量仪器对焦对准速度慢、通用性差和操作复杂的问题，搭建了应用于眼科测量仪器的人眼自动对焦及瞳孔中心自动对准系统，并提出了基于四邻域-多方向两级梯度函数的自动对焦算法以及融合卷积神经网络智能感兴趣区域（ROI）窗口的瞳孔中心定位算法。通过实验实拍人眼离焦图像序列及人眼图像测试集，分别对提出的两个算法进行验证。结果显示：所提出的自动对焦算法的平均计算时间约为13 ms，清晰度比率为93.531，优于6种传统的评价算法；所提出的瞳孔中心定位算法的平均计算时间为10.2 ms，准确度为97.14%，相比Hough法、改进Hough法有较大的性能提升。实验结果证明所搭建的系统能够满足眼生物参数测量的准确性、实时性和鲁棒性要求，提升了仪器的自动化水平，有助于眼科测量仪器的智能化发展。
成像系统 医疗光学仪器 自动对焦 瞳孔中心定位 自动对准 图像处理
1 中国科学技术大学 生物医学工程学院(苏州) 生命科学与医学部, 江苏 苏州 215163
2 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所, 江苏 苏州 215163
现代生物学和生物医学领域迫切需要研制兼顾大视场、高分辨率的显微成像技术和仪器以对生物样品实现跨尺度观测，满足重大科学问题的研究需求。受限于系统的空间带宽积，传统商业显微镜无法满足这一需求，且现有高空间带宽积显微成像系统存在体积庞大、实施成本高昂等问题。本文基于HiLo光切片技术和自主设计的大视场高分辨显微物镜，研发了具有高空间带宽积特点的大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统，测试了系统的成像视场和分辨率。应用该系统对小鼠脑切片开展了白光照明明场成像实验，并与OLYMPUS商业显微镜成像结果做了对比；对小麦种子荧光切片开展了光切片成像和宽场荧光成像对比实验。实验结果表明, 大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统的成像视场达到4.8 mm×3.6 mm (对角视场为6.0 mm)，横向分辨率达到0.74 μm，轴向分辨率达到4.16 μm。大视场高分辨HiLo光切片显微成像系统兼有大视场和高分辨率成像的优势和快速光切片成像的能力，能够对大体积生物样本开展快速三维成像，将为胚胎发育、脑成像、数字病理诊断等研究提供有力的技术支撑。
大视场 高分辨率 高空间带宽积 光切片显微技术 wide field of view high resolution high space bandwidth product optical sectioning microscopy 光子学报
2021, 50(11): 1111003
1 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春130022
2 北京大学分子医学研究所, 北京 100871
为了校正大长径比、大扫描视角共形整流罩引入的动态像差,提出了一种固定自由曲面透镜阵列校正器。通过设计透镜阵列校正器中各透镜自由曲面的面形和旋转角度,校正不同扫描视角大长径比共形整流罩引入的动态像差。实验结果表明,自由曲面透镜阵列校正器可以对长径比为1.2的共形整流罩实现±50°扫描视角的动态像差校正。这种新型校正器具有动态校正器和固定校正器的优点,可适用于扫描视角大、长径比大以及稳定性高的共形整流罩光学系统。
光学设计 共形光学 整流罩 自由曲面透镜 透镜阵列
长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
Ritchey-Chretien(R-C)光学系统广泛应用于航空和航天等远距离探测领域,因其视场较小,所以通常采用附加光学元件的方法实现大视场成像,但这会导致结构复杂,不利于系统实现小型化和轻量化。鉴于此,提出一种R-C系统间接成像方法。首先分析系统的像差特性,接着基于波前像差理论和Zernike多项式构建波前模型,然后通过傅里叶变换建立PSF模型,最后结合反卷积算法处理图像。在仅采用主、次镜的情况下,可以实现R-C系统大视场成像。对焦距为1300 mm、全视场为0.9°和F数为4的R-C光学系统进行仿真模拟。模拟结果表明,所提方法的MTF在频率为40 cycle/mm处平均提升约为0.25,成像质量显著提升。
光学设计 图像复原 计算成像 点扩散函数 Ritchey-Chretien光学系统
1 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春130022
2 北京大学分子医学研究所, 北京 100871
为了校正大扫描视场机载共形窗口引入的像差,提出一种基于固定校正板和透镜阵列的静态校正方法。首先使用固定校正板校正静态像差;然后在像面前安置固定的透镜阵列,利用透镜阵列中的各个透镜单元分别校正不同扫描角度的动态像差;最后基于所提方法设计应用在机载共形光学系统中的像差校正器。设计结果表明,所提方法在±42°的扫描视场范围内能够良好地校正共形窗口引入的像差。与其他动态或静态校正方法相比,所提方法可以实现大扫描视场机载共形光学系统像差的校正,同时降低机载共形光学系统的质量,提高系统的稳定性。
光学设计 共形光学 共形窗口 像差校正 透镜阵列
长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
环境温度的变化会引起光学系统产生热离焦现象,导致系统像质不稳定。由于材料的限制,在深紫外波段内,光学系统的无热化设计过程和结果十分复杂。因此,提出了拆分设计和单层衍射光学元件相结合的方法实现深紫外光学系统的无热化设计。该方法首先求解了消热差、消色差方程组,并用结果对深紫外光学系统进行拆分再组合,简化了无热化设计过程。然后在组合系统中加入单层衍射光学元件以简化设计结果。用该方法对焦距为110 mm,F数为3.5,温度为-60~100 ℃的深紫外侦察相机镜头进行无热化设计,得到的系统在奈奎斯特频率为18.5 lp/mm处,调制传递函数均大于0.65。结果表明,该方法能解决深紫外透射式光学系统在宽温度范围内的热离焦问题,同时能提升系统的光学性能。
光学设计 拆分设计 深紫外波段 无热化 单层衍射光学元件 光学学报
2020, 40(17): 1722001
长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
卡塞格林光学系统的结构严重限制了视场,通常需添加辅助光学元件来扩大视场,但将导致系统结构复杂,不利于光学系统的小型化、轻量化。提出一种计算成像设计方法,首先优化系统结构参数,控制像差;然后构建系统的点扩展函数模型;最后采用反卷积算法处理图像。所提方法仅利用主、次镜结构就扩大了卡塞格林系统的视场。对F数为5.5,焦距为470 mm的卡塞格林系统进行仿真实验,实验结果表明,在1.5°视场范围内,处理后图像的轴外视场调制传递函数在20 lp/mm处提升了约0.2,图像质量得到明显提升。
光学设计 计算成像 卡塞格林 点扩展函数 图像复原 光学学报
2020, 40(15): 1522001
