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，安徽 合肥 230026
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏省医用光学重点实验室，江苏 苏州 215163
3 苏州大学附属第二医院，江苏 苏州 215004
4 济南国科医工科技发展有限公司，山东 济南 250102
5 沈阳国科医工科技发展有限公司，辽宁 沈阳 110167
为了对眼底周边部区域进行成像检查，研究了激光线扫描眼底成像技术。搭建了激光线扫描超广角共聚焦眼底成像系统，进行了系统总体光路设计，以及超广角、高分辨双模式成像的参数设计。对探测成像部分进行了Zemax设计与像质评价，依据参数进行了元器件的选型并搭建了实验系统，利用面阵相机像素边界得到了虚拟共聚焦狭缝，实现了眼底线扫描双模式共聚焦成像。最后对系统的实际视场角、分辨率、成像效果进行了评估。经实际测量，所设计系统在超广角模式下成像单幅眼底图的视场角可达到136.3°，高分辨模式下的成像分辨率为8.5 μm。所提出的激光线扫描眼底成像方法可以有效地实现眼底超广角成像，为相关仪器的研制提供了参考。
生物光学 激光线扫描 超广角 共聚焦眼底成像 虚拟狭缝 中国激光
2023, 50(21): 2107108
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，安徽 合肥 230026
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏省医用光学重点实验室，江苏 苏州 215163
3 苏州大学附属第二医院，江苏 苏州 215004
4 河海大学理学院，江苏 常州 213002
为实现角膜在眼底相机系统轴向上的精确对准，提出了一种基于双光点视标的角膜精密对准技术。采用该对准技术，可以将双孔光阑所形成的两个光点视标投影在角膜上，依据两个光点经角膜前表面反射后在探测器上重合的位置坐标，先实现对瞳孔中心的对准，再根据两个光点经角膜前表面反射后在探测器上的分离情况与分离距离，确定眼底相机相对于角膜的轴向位置。实验结果表明：基于该双光点视标的角膜精密对准技术可以达到0.25 mm的对准精度和8.2 mm的对准范围。这种对准方法精确度高，对准范围大，可以满足眼底成像时仪器相对于被检眼轴向调节位置的要求。
医用光学 眼底相机 对准 杂散光 双光点视标
1 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 江苏省医用光学重点实验室，江苏 苏州 215163
3 苏州大学附属第二医院，江苏 苏州 215000
在皮肤反射式共聚焦显微成像过程中，针对MEMS振镜二维扫描引起的共聚焦图像畸变，开展了光束偏转理论分析，得出了投影面扫描图像的具体形状表征，理论畸变图像与真实畸变图像一致，明确了畸变机理，提出一种有效的畸变校正算法，实现对图像二维畸变的校正。首先记录原始光栅畸变图像，然后基于Hessian矩阵提取光栅中心线，拾取特征点并设置基准参考线，通过基于最小二乘法的7次多项式插值法标定二维方向像素畸变校正量，采用加权平均法填补间隙像素灰度值，最终实现图像畸变校正。利用网格畸变测试靶实验得出7次多项式插值后的校正决定系数最高、均方根误差值最低，整幅512行图像在7次多项式插值后最优行数占379行，比例为74%，通过残差分析，二维方向上残差最大为4个像素，最小为0个像素，平均为1.15个像素，校正结果较为精确。皮肤在体实时成像实验显示，图像畸变校正后组织结构特征更加真实准确，表明这种校正算法有效可行，有助于皮肤疾病的准确诊断。
图像二维畸变 机理分析 Hessian矩阵 光栅 多项式插值 two-dimensional distortions of images mechanism analysis Hessian matrix grating polynomial interpolation 红外与激光工程
2021, 50(2): 20200206
1 南昌大学机电工程学院, 江西 南昌 330031
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所江苏省医用光学重点实验室, 江苏 苏州 215163
3 江苏省医疗器械检验所, 南京 210019
为了对具有陡峭轮廓的物体进行非接触式表面粗糙度测量,常采用共聚焦成像对物体进行分层成像,进而重建出物体的表面三维轮廓,并采用高斯滤波的方法从表面三维轮廓中滤出粗糙度轮廓。在滤波过程中,会出现边界数据的缺失,常规的简单延伸原始轮廓两端数值的方法会导致滤波后的轮廓两端出现失真,该方法只适用于整体轮廓较为平缓的零件。引入了一种新的边界区域修正方法,该方法对表面弧度变化较大的零件也同样适用,能够准确提取物体的粗糙度轮廓。对整体轮廓较为平缓和陡峭的两组粗糙度样本分别进行共聚焦成像测量,对于整体轮廓较为平缓的样本,利用常规方法处理后,得到的均方根误差和粗糙度的平均值分别为0.080和2.86 μm,与该样本粗糙度值2.94 μm相比,相对误差为2.72%;利用边界区域修正方法处理后,得到的均方根误差和粗糙度的平均值分别为0.090和2.85 μm,与该样本粗糙度值的相对误差为3.06%。整体轮廓较为陡峭的样本的粗糙度值为3.2 μm,利用常规方法处理后,得到的均方根误差和粗糙度的平均值分别为0.120和3.31 μm,与该样本粗糙度值的相对误差为3.48%;利用边界区域修正方法处理后,均方根误差和粗糙度的平均值分别为0.045和3.19 μm,与该样本粗糙度值的相对误差为0.31%。研究结果表明,该方法能准确地测量整体轮廓较为陡峭的物体的表面粗糙度,为激光共聚焦粗糙度测量设备的研制提供了参考。
测量 非接触式测量 表面粗糙度 共聚焦成像 轮廓滤波器 激光与光电子学进展
2020, 57(21): 211203
1 上海大学 机电工程与自动化学院, 上海 200072
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 江苏省医学光学重点实验室, 江苏 苏州215163
为了提高液晶空间光调制器(LC-SLM)的校准精度, 采用条形光栅相位图对LC-SLM进行了标定。首先基于傅里叶光学模拟计算得出了条形光栅相位图对比度与零级衍射光斑光强之间的对应关系, 然后搭建实验光路并在LC-SLM上加载了条形光栅相位图, 测量LC-SLM控制程序中加载的灰度图所对应的零级衍射光斑光强值, 经过分析计算得出计算机灰度信号与相位调制量之间的映射关系, 并最终得到了针对488 nm激光的LC-SLM的标定文件LUT。经过标定之后, 相位调制曲线的线性相关度可达0.996 4,校正误差仅为0.224 0 rad。结果表明, 在LC-SLM上加载复杂的高阶相位, 并结合LUT文件可以调制生成高质量的双螺旋光斑。此研究结果表明: 针对特定波长, 利用条形光栅相位图标定的LC-SLM得到的LUT文件可以使LC-SLM根据加载的相位对光束进行有效调制, 且其方法更简单。
傅里叶光学 液晶空间光调制器 校准精度 条形光栅相位图 Fourier optics liquid crystal spatial light modulator calibration accuracy strip grating phase image 红外与激光工程
2019, 48(7): 0706005
1 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 江苏省医用光学重点实验室, 江苏 苏州 215163
2 中国科学院大学, 北京 100049
皮肤反射式共聚焦显微镜是一种重要的皮肤影像学诊断工具, 其采用共振型振镜扫描成像会带来非线性畸变, 为校正这种畸变, 提出一种像素值反正弦过采样信号重建的RCM图像畸变校正方法, 对间距为20 μm的矩形光栅扫描成像实验表明, 在校正畸变前光栅图像间距的标准差为7.78 μm, 图像的畸变率达到38.9%, 经过像素值反正弦过采样信号重建后, 光栅图像间距的标准差缩小为0.85 μm, 畸变率缩小到4.2%。结合分辨率板和实际人皮肤成像情况, 表明文中提出的畸变校正方法能够较好地校正共振型振镜引起的图像畸变, 满足人皮肤实时无创影像学诊断要求。
共聚焦显微镜 共振型振镜 非线性畸变 confocal microscopy resonant galvanometer nonlinear distortion 红外与激光工程
2018, 47(10): 1041003
1 江苏省医用光学重点实验室， 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所， 江苏 苏州 215163
2 中国科学院大学， 北京 100049
激发光引起的荧光漂白限制了共聚焦成像技术在长时间观测生物样本方面的应用。提出了一种基于可控光剂量的共聚焦成像技术(CLE-CM)，该技术通过预实验设置高低阈值，定时读取采样像素值并与预设阈值进行比较，根据比较结果控制每个物方像素的光照时间，以更高效地利用荧光信息，在不牺牲图像质量的情况下降低了荧光漂白。用CLE-CM和标准共聚焦对牛肺动脉内皮细胞样本连续成11幅图像，与第11幅标准共聚焦图像相比，第11幅CLE-CM图像的荧光漂白减少了52.62%，具体降漂白效果与样本中的荧光分布有关。CLE-CM通过减少光剂量大幅降低了共聚焦显微成像的荧光漂白，使共聚焦显微镜能连续成更多张高质量图像。
医用光学 荧光显微成像 可控光剂量共聚焦显微术 共聚焦显微术 降低荧光漂白
1 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所 江苏省医用光学重点实验室, 苏州 215163
2 中国科学院大学 材料科学与光电技术学院, 北京 100049
为了提高对液晶空间光调制器(LC-SLM)的校准精度, 采用高位深相位光栅图对LC-SLM进行了标定。在LC-SLM上加载16位深度相位光栅图, 并使光束经LC-SLM调制后生成衍射光斑; 测量衍射光斑中心光强, 经过计算分析得出计算机灰度信号与相位调制量之间的映射关系, 最终得出针对488nm激光的LC-SLM标定LUT文件(LUT16)。结果表明, 在LC-SLM上加载0~2π涡旋相位, 并结合LUT16文件调制光束可以得到光斑质量很好的中空光斑,这与结合LUT8文件调制的中空光斑相比, 光斑质量从0.53提高到0.76, 提高了1.43倍。针对特定波长, 利用高位深相位光栅图标定LC-SLM得到的LUT文件可以使LC-SLM根据加载相位对光束进行有效调制, 且调制效果优于结合LUT8对光束进行调制的结果, 对LC-SLM的校准精度得到提高。
光学器件 液晶空间光调制器 校准精度 相位光栅图 傅里叶光学 optical devices liquid crystal spatial light modulator calibration accuracy phase grating Fourier optics
1 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所, 江苏省医用光学重点实验室, 江苏 苏州 215163
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了解决传统高斯光束片状光照明显微成像技术高轴向分辨率时视场范围(FOV)小的问题, 结合艾里光束片状光照明样本成像与去卷积算法, 实现了光片显微镜对样本的高轴向分辨率大视场成像。数值模拟了高斯光束与艾里光束经过物镜聚焦后的光强分布。搭建实验光路系统, 在液晶空间光调制器上加载三次相位图生成艾里光束, 并扫描光束生成片状光照明荧光微球、染色的斑马鱼肌肉组织进行成像实验。在艾里光束光片显微镜成像结果基础上, 建立去卷积算法进行图像恢复, 克服了艾里光束光片显微镜成像范围大但轴向分辨率不高的问题, 对荧光微球成像, 探测放大倍率为42倍, FOV从高斯光束光片显微镜的25 μm扩大到208 μm;对染色的斑马鱼肌肉组织进行成像, 探测放大倍率为53倍, FOV由20 μm扩大到167 μm。仿真和实验表明, 通过艾里光束光片显微镜与去卷积算法的结合可以在扩展光片显微镜成像视场的同时提高轴向分辨率。
显微 荧光显微镜 视场扩展 艾里光束 轴向分辨率
