1 昆明理工大学国土资源工程学院，云南 昆明 650093
2 中国科学院空天信息创新研究院数字地球重点实验室，北京 100094
针对激光同步定位与制图（SLAM）算法在扫描轨迹过长时，获得的点云容易出现漂移误差且精度变差的问题，提出一种基于图优化的激光SLAM点云整体配准方法。对于有一定漂移误差的激光SLAM点云，先后构建初始位姿图和迭代位姿图进行级联优化。首先基于分段点云相似性和形心距离，构建初始位姿图进行优化，以减小轨迹漂移误差，获得漂移误差较小的SLAM点云。然后基于分段点云重叠度构建迭代位姿图，依次进行点云迭代粗优化和精优化，获得更高精度的SLAM点云。使用一组手持和三组车载激光SLAM数据进行实验。优化后，4组实验数据的各自重复扫描点云很好地重叠在一起，匹配关键点之间的距离的均方根误差（RMSE）分别由优化前的2.667 m、10.348 m、19.018 m和3.412 m降为0.158 m、0.211 m、0.218 m和0.157 m。实验结果表明，所提算法可以有效解决激光SLAM点云长轨迹扫描的漂移误差问题，提升点云数据精度。
点云整体配准 同步定位与制图 图优化 K-means算法 激光与光电子学进展
2024, 61(10): 1015003
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Automation, Tsinghua University, Beijing 100084, China
2 Research Institute for Frontier Science, Beihang University, Beijing 100083, China
3 Institute for Brain and Cognitive Sciences, Tsinghua University, Beijing 100084, China
4 National Laboratory of Biomacromolecules, New Cornerstone Science Laboratory, CAS Center for Excellence in Biomacromolecules, Institute of Biophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
5 College of Life Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
6 Laboratory of Image Processing and Intelligent Control of Ministry of Education of China, School of Artificial Intelligence and Automation, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
Detection noise significantly degrades the quality of structured illumination microscopy (SIM) images, especially under low-light conditions. Although supervised learning based denoising methods have shown prominent advances in eliminating the noise-induced artifacts, the requirement of a large amount of high-quality training data severely limits their applications. Here we developed a pixel-realignment-based self-supervised denoising framework for SIM (PRS-SIM) that trains an SIM image denoiser with only noisy data and substantially removes the reconstruction artifacts. We demonstrated that PRS-SIM generates artifact-free images with 20-fold less fluorescence than ordinary imaging conditions while achieving comparable super-resolution capability to the ground truth (GT). Moreover, we developed an easy-to-use plugin that enables both training and implementation of PRS-SIM for multimodal SIM platforms including 2D/3D and linear/nonlinear SIM. With PRS-SIM, we achieved long-term super-resolution live-cell imaging of various vulnerable bioprocesses, revealing the clustered distribution of Clathrin-coated pits and detailed interaction dynamics of multiple organelles and the cytoskeleton.
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Automation, Tsinghua University, Beijing 100084, China
2 Institute for Brain and Cognitive Sciences, Tsinghua University, Beijing 100084, China
3 National Laboratory of Biomacromolecules, New Cornerstone Science Laboratory, CAS Center for Excellence in Biomacromolecules, Institute of Biophysics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101, China
4 College of Life Sciences, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
5 Beijing National Research Center for Information Science and Technology, Tsinghua University, Beijing 100084, China
6 e-mail: wang-yuwang@mail.tsinghua.edu.cn
Optical aberrations degrade the performance of fluorescence microscopy. Conventional adaptive optics (AO) leverages specific devices, such as the Shack–Hartmann wavefront sensor and deformable mirror, to measure and correct optical aberrations. However, conventional AO requires either additional hardware or a more complicated imaging procedure, resulting in higher cost or a lower acquisition speed. In this study, we proposed a novel space-frequency encoding network (SFE-Net) that can directly estimate the aberrated point spread functions (PSFs) from biological images, enabling fast optical aberration estimation with high accuracy without engaging extra optics and image acquisition. We showed that with the estimated PSFs, the optical aberration can be computationally removed by the deconvolution algorithm. Furthermore, to fully exploit the benefits of SFE-Net, we incorporated the estimated PSF with neural network architecture design to devise an aberration-aware deep-learning super-resolution model, dubbed SFT-DFCAN. We demonstrated that the combination of SFE-Net and SFT-DFCAN enables instant digital AO and optical aberration-aware super-resolution reconstruction for live-cell imaging.
Photonics Research
2024, 12(3): 474
1 西安交通大学动力工程多相流国家重点实验室，陕西 西安 710049
2 西安交通大学第二附属医院眼科，陕西 西安 710004
光声成像是一种结合光学和声学原理的多模态成像技术，可用于观察和获取组织内部的结构和功能信息。血液流速是评估血管功能的重要指标，血液流速的测量与疾病的发生和发展密切相关。推导了基于热测量法测量血液流速的基本理论，搭建了光声测速/成像实验系统，并开展了光声速度测量和成像实验。通过实验研究，获得了光声声压与流体速度间的定量关系，经实验验证流速测量的平均误差为8.2%，最大测速范围可达200 mm·s-1。在此基础上，采用二维机械扫描的方式实现了分辨率为10 μm的光声形态/流速协同测量。
医用光学 光声成像 光声测速 热测量法 光声显微镜
1 石家庄铁道大学机械工程学院，河北省工程机械动力与传动控制重点实验室，河北 石家庄 050043
2 中国电子科技集团公司信息科学研究院，北京 100041
3 天津大学精密仪器与光电子工程学院，光电信息科学与技术教育部重点实验室，天津 300072
针对传统光栅耦合器在耦合过程中需要入射光倾斜一定角度且耦合效率低的缺点，提出了一种双层Si3N4减反射垂直光栅耦合器结构。基于时域有限差分法，对双层Si3N4薄膜结构的上、下层Si3N4厚度，下层Si3N4与光栅的距离及上、下层Si3N4之间的高度进行了详细讨论。分析结果表明，对于双层Si3N4减反射垂直光栅耦合器结构，横电波（TE）模式下在1550 nm波长处可以获得超过94%（-0.26 dB）的垂直耦合效率，3 dB带宽为107 nm（1485~1592 nm），具有良好的低损耗特性和带宽特性。同时，在现有加工工艺基础上，对该器件进行了容差分析。分析得知，当光纤光栅对准容差在-1.92~1.92 μm范围内、对准角度容差在-1.8°~1.8°范围内时，双层Si3N4减反射垂直光栅耦合器可以获得超过80%的耦合效率。
垂直光栅耦合器 Si3N4薄膜 减反射 耦合效率
1 西安应用光学研究所，陕西 西安 710065
2 陆装航空局洛阳室，河南 洛阳 471000
光谱范围和信噪比是评价太赫兹时域光谱仪性能的重要参数。为了解决太赫兹时域光谱仪光谱范围和信噪比的校准问题，介绍了太赫兹时域光谱仪的构成及原理，比较了目前常用的光谱范围和时域信噪比校准方法的优缺点，并优选其中一种方法，设计了太赫兹时域频域信噪比参数校准方法。以空测时频域信号幅值最大值的1/M对应的频率范围作为光谱范围，研究了M取值对光谱范围的影响。M值越大，则光谱范围越宽。当M值≥50时，光谱范围变化不大。对空测时域信号的信号和噪声进行定义，并计算出时域信噪比。以空测时的频域功率谱作为信号，以金属板遮挡光路时的频域功率谱作为噪声，从而计算出频域信噪比。进行了光谱范围和信噪比校准实验，采用对照法研究了湿度变化对太赫兹时域光谱仪测量范围和信噪比参数的影响。当相对湿度≤50%时，对光谱范围和时域信噪比影响不大；当相对湿度＞50%时，因为空气中水蒸气对于太赫兹的吸收急剧增加，光谱范围和信噪比急剧缩小。
太赫兹 时域 光谱仪 光谱范围 信噪比 terahertz time domain spectrometer spectral range signal-to-noise ratio
1 齐鲁工业大学（山东省科学院）海洋仪器仪表研究所，青岛 266000
2 齐鲁工业大学（山东省科学院）海洋技术科学学院，青岛 266000
针对声速测量实验中多关注时间（相位）而忽略信号幅值的不足，依托常用的水声探测设备在水箱中搭建信号测量装置。利用示波器得到直达声的时间差和电压峰峰值，基于时差法的测量原理计算水中声速并进行电声转换，实现声速和声压的同步测量。结果表明声速和纯水中理论声速的相对误差为2.0%，声压级差和球面波声传播理论声压级差的相对误差约为6.0%。该实验设计加深了对声压、灵敏度等抽象概念的理解，训练了学生利用Excel进行数据处理的能力。
声速 声压 灵敏度 脉冲串 sound speed sound pressure sensitivity burst
华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室, 上海 200241
具有长波长荧光发射特性的碳点(CDs)材料由于其在生物领域的广阔应用而受到越来越多的关注。 长波长发射荧光碳点的合成主要基于高温高压的方法, 室温合成的方法和研究还比较少。 采用碱催化的方式, 将氢氧化钠溶液与果糖溶液混合后透析, 无需加热和其他额外的能量输入即可制备出一种蓝绿色发光可调的碳点, 并通过透射电子显微镜、 紫外-可见分光光度计、 稳态荧光光谱仪等光谱技术对合成碳点进行了表征。 进一步采用圆二色分光光度计和皮秒时间相关单光子计数等测量系统对碳点与牛血红蛋白(BHb)之间的相互作用进行了探究。 虽然已有较多应用碳点检测BHb的研究, 但这些研究更注重分析BHb检测的效果, 而对BHb猝灭碳点荧光的机理还缺少较为详细的系统性证明。 测量得到了二者在不同温度下相互作用的Stern-Volmer图像, 以及碳点在BHb加入前后的荧光寿命, 结果表明BHb对碳点荧光的猝灭是一个静态的过程。 并且在该过程中, BHb的α-螺旋含量下降了约3%, 证明了碳点会使蛋白的结构发生改变。 BHb与碳点混合后形成了复合物, 导致碳点的荧光下降。 通过分析干扰样品以及反应时间对检测BHb的影响, 证实了碳点检测BHb具有良好的选择性和稳定性。 另外, 碳点荧光强度下降, 下降比例与BHb浓度成线性关系, 因此可以设计基于碳点荧光猝灭的血红蛋白生物传感器, 用于微量BHb的特异性检测, 所检测的线性范围为0～5 μmol·L-1, 检测限为243 nmol·L-1(S/N=3)。 所合成的碳点还可以实现双波长激发检测, 实验证实在370和425 nm激发下, 碳点的荧光猝灭程度和BHb的浓度之间表现出良好的线性关系, 这为该荧光探针检测BHb提供了更多的应用价值。 由于该碳点的合成手段简便, 操作技术难度低且合成原料容易获得, 该荧光探针对BHb的微量检测在生命科学研究和刑侦领域都具有十分重要的意义。
碳点 血红蛋白 荧光探针 荧光猝灭 光谱技术 Carbon dots Hemoglobin Fluorescent probe Fluorescence quenching Spectroscopy 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3365
1 北京信息科技大学 机械工业现代光电测试技术重点实验室， 北京 100192
2 北京信息科技大学 光电测试技术及仪器教育部重点实验室， 北京 100192
在对传送带上物体进行三维扫描成像过程中，位移标定方法的便捷性、准确性对于最终的成像精度和效率有非常重要的影响，但传统的位移标定方法需要已知位移平台或者传送带的运动速度或严格控制两次标定图片中标定板之间的精确位移，使得标定过程较为复杂。论文提出了一种专门用于传送带上物体测量的线结构光三维扫描成像系统的位移标定方法。只需要采集一系列标定板随传送带移动的位移标定图片，从中提取两张帧数间隔大于1的图片并记录对应的帧数，即可对单帧位移进行标定。介绍了该标定方法的基本原理和实现方法，搭建了线扫描单目成像系统，并对双阶梯型精度块进行了三维重建。实验结果表明，方法原理简单，操作便捷，测量速度更快且重建误差小于0.3mm，适用于以传送带作为主要运输工具的各个领域的实时三维测量。
位移标定 传送带 线结构光 三维成像 displacement calibration conveyor belt linear structured light three-dimensional imaging
在煤的气化过程中,煤灰中的无机组分短时间内会发生热解、团聚或结渣等行为,严重影响气化炉安全稳定运行。为探究煤灰停留在气化炉内的熔融过程和煤灰矿物转化行为,本文利用XRF、XRD、FTIR等测试方法和FactSage软件对不同温度和时间跨度处理后煤灰的化学组成、矿物组成、熔体结构进行了分析。结果表明: 在1 200、1 300、1 400 ℃条件下,当恒温时间由10 s逐渐增加至30 min时,煤灰中矿物种类均无明显变化,但SiO2、CaO、SO3占比有较大改变; 矿物的非晶态物质随着温度的升高以及恒温时间的延长而增加; 煤灰熔体结构由复杂的架状结构逐渐解聚为简单的环状、岛状等结构; 煤灰黏度也随温度的升高逐渐降低,在达到转折温度1 240 ℃后,温度与恒温时间对煤灰熔体熔融行为影响较小。
高温煤灰 恒温时间 矿物转化 熔体结构 熔体黏度 FactSage软件 high temperature coal ash constant temperature time mineral transformation melt structure melt viscosity FactSage software
