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医用光学技术研究室，江苏 苏州 215163
3 苏州科技大学物理科学与技术学院，江苏 苏州 215009
纳米颗粒成像过程中，离焦位置的粒子团簇和大颗粒杂质产生明亮的弥散斑，导致现有的对焦算法无法实现自动对焦功能。利用基于大津算法的二值化分割和形态学开闭方法，使离散的弥散斑聚合为一个区域，并利用连通域标记方法筛选剔除大面积的光斑区域，构造四邻域水平-对角平方函数和阈值四邻域水平-对角开方函数，将函数分别作为粗对焦和精对焦的评价指标，提高了自动对焦搜索的准确性和可靠性。实拍离焦序列图，并与5种常用的评价算法进行对比，结果表明所提自动对焦评价算法具有良好的鲁棒性、无偏性和单峰性。
图像处理 纳米颗粒 自动对焦 评价算法 连通域标记 激光与光电子学进展
2023, 60(4): 0410021
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
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 医用光学室, 江苏 苏州 215163
生物测量在眼科疾病的诊断和治疗中越来越重要, 对儿童和青少年的眼轴长度进行监测有助于预防和治疗近视及其引发的眼科疾病, 眼轴参数的准确测量也是影响眼病患者术后视觉质量的重要因素。为了测量眼轴参数, 本文研究了基于时域低相干技术的眼轴测量方法, 研制了高精度、非接触式眼轴测量的原理样机, 并开展了相应的实验研究。利用低相干干涉技术与长相干干涉测距技术结合的方法, 采用时域的机械扫描方式, 搭建一套光纤型低相干层析测量系统。通过对标准透镜厚度和镜面间隔的测量实验, 重复测量精度优于0.3 μm。最后对鱼眼眼轴参数进行测量, 清晰得到鱼眼的角膜、晶状体和视网膜等结构。实验结果表明, 该系统的稳定性及重复性均能达到设计要求, 可以用于动物眼轴参数的测量。
眼轴测量 低相干干涉 相干层析技术 长相干干涉 eye axis measurement low-coherence interference coherent tomography long coherent interference
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室, 吉林 长春130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所,江苏 苏州 215163
多层膜极紫外光刻掩模“白板”缺陷是制约下一代光刻技术发展的瓶颈之一, 为提高对掩模“白板”上的膜层微结构缺陷的分辨能力, 提出了一种微分干涉差共焦显微探测系统方案。基于标量衍射理论, 计算了系统横向和轴向分辨率。利用MATLAB建模仿真, 在数值孔径为065、工作波长为405 nm时, 分析比较了微分干涉差共焦显微系统、传统显微系统和共焦显微系统的分辨率。结果表明微分干涉差共焦显微系统具有230 nm的横向分辨率和25 nm轴向台阶高度差的分辨能力（对应划痕等缺陷形式)。此外, 仿真和分析了实际应用中探测器尺寸、样品轴向偏移等的影响, 模拟分析了膜层微结构缺陷的探测,结果表明本系统可以探测200 nm宽、10 nm高的微结构缺陷, 较另外两种系统有更好的探测能力。
共焦显微 微分干涉差 标量衍射 膜层结构 缺陷探测 confocal microcopy differential interference contrast(DIC) scalar diffraction coating structure defects detecting
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
透镜材料对激光能量的吸收导致深紫外光刻投影物镜温度升高，产生热像差。离轴照明模式下，温度呈非对称分布，研究温度场对热像差的仿真预测和补偿具有十分重要的意义。提出了温度分布函数模型描述4种照明模式下物镜的三维温度分布；研究了温度的时间特性，并通过计算预测了光刻物镜的热稳态温度值以及达到稳态所需的时间。结果表明，利用该温度分布模型描述多种常见照明模式下投影物镜的空间温度分布，平均拟合误差约为10-3 ℃量级；通过温度时间关系函数预测热稳态温度的误差约为10-4 ℃，时间误差不超过3 min。通过该温度分布模型计算得到的热像差结果与基于SigFit的仿真结果一致，但计算效率提升了三个数量级。
光学制造 光刻投影物镜 温度分布模型 仿真分析 热像差
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
高精度光刻投影物镜在工作过程中吸收激光能量产生热像差，在离轴照明模式(如偶极照明)下，热像散显著且随时间变化，传统的被动光学方法无法补偿此类像差。提出在折射式光刻投影物镜系统中使用主动光学的方法，通过力促动器作用在透镜上使镜片变形以补偿初阶热像散。采用有限元分析方法，分析了简化的折射平板在促动力作用下的变形特点和像差特性；用几何光学理论近似论证了该补偿方案的可行性，并且分析了促动器分布、促动力大小、促动器与平板接触区域尺寸以及支撑结构对平板变形的影响。结果表明，在优化的支撑结构下，主动平板可以较好地补偿系统初阶热像散和初阶四叶像差，为光刻系统热像差的补偿提供了一个思路。
光学设计 主动光学 光刻物镜 热像差补偿 像散
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
设计了一种基于线性渐变滤光片(LVF)的多光谱成像光谱仪。针对工作波段为600~1100 nm 的LVF，设计了一个宽光谱扫描型LVF 多光谱成像光谱仪的成像物镜，总长不超过85 mm，畸变小于0.01%，全视场各波段Nyquist频率下调制传递函数优于0.7，空间角分辨率可达1.02′。该多光谱成像光谱仪可以通过扫描和图像重构获得目标的准单色图像以及反射光谱。实验结果表明，该多光谱成像光谱仪的光谱分辨率与LVF 的光谱带宽相匹配，在600 nm处光谱分辨率可达9 nm。通过番茄成熟度辨别实验，验证了该多光谱成像光谱仪的成像性能。
光谱学 多光谱成像光谱仪 光学设计 线性渐变滤光片 激光与光电子学进展
2016, 53(1): 013003
