Author Affiliations
Abstract
1 Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Jilin Yataizhongke Medical Equipment Engineering Technology Research Institute Holding Co., Ltd., Changchun 130000, China
4 Department of Biomedical Engineering, Binghamton University, State University of New York, Binghamton, NY 13902, USA
5 Jilin Provincial Key Laboratory of Photoelectric Equipment and Instrument Advanced Manufacture Technology, Changchun 130033, China
6 Changchun UP Optotech Holding Co., Ltd., Changchun 130033, China
We report on two strategies to design and implement the galvanometer-based laser-scanning mechanisms for the realization of reflectance confocal microscopy (RCM) and stimulated Raman scattering (SRS) microscopy systems. The RCM system uses a resonant galvanometer scanner driven by a home-built field-programmable gate array circuit with a novel dual-trigger mode and a home-built high-speed data acquisition card. The SRS system uses linear galvanometers with commercially available modules. We demonstrate video-rate high-resolution imaging at 11 frames per second of in vivo human skin with the RCM system and label-free biomolecular imaging of cancer cells with the SRS system. A comparison of the two strategies for controlling galvanometer scanners provides scientific and technical reference for future design and commercialization of various laser-scanning microscopes using galvanometers.
galvanometer reflectance confocal microscopy stimulated Raman scattering skin imaging cancer cells Chinese Optics Letters
2020, 18(12): 121703
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 吉林大学 机械科学与工程学院, 吉林 长春 130000
4 吉林亚泰中科医疗器械工程技术研究院股份有限公司, 吉林 长春 130000
5 吉林大学 中日联谊医院, 吉林 长春 130000
为了更好地实现无创、实时、动态的皮肤层析成像, 提高成像信噪比, 需要对反射式激光共聚焦系统性能进行全面的评价。在此引入结构函数进行变尺度波前评价。首先对结构函数的基本数学性质进行了推导, 着重分析了不同尺度的波像差在结构函数中的体现; 之后, 利用数值仿真对Zernike多项式进行了分析, 验证了结构函数对低阶像差的表征能力。由于显微镜在使用时必然需要穿过皮肤组织, 故在检测过程也需要考虑人体组织的影响, 分析了其对系统信噪比的影响; 最后, 对实际显微镜系统的波前进行了分析, 得到系统标校后的信噪比为95.7 dB, 验证了方法的正确性与可行性。通过变尺度评价方法, 可以对无创成像系统进行更加全面的评价, 并可以有效地指导类似设备的检测装调工作。
波像差 功率谱密度 共聚焦显微镜 结构函数 wavefront error power spectral density confocal microscopy structure function 红外与激光工程
2019, 48(3): 0317001
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
4 吉林大学 机械科学与工程学院, 吉林 长春 130022
5 吉林亚泰中科医疗器械工程技术研究院股份有限公司, 吉林 长春 130000
为了实现高斯圆斑向平顶线斑的转化, 提出了一种用于高斯光束整形的三反射镜光学系统。利用环形面对两个相互垂直方向的光线会聚、发散作用不同, 标准球面具有旋转对称性质, 以及二次曲面系数、非球面系数可以实现高斯分布转化为平顶分布的原理, 采用ZPL语言与自动优化结合的方法完成了系统设计。设计得到了一个方向平顶的矩形光斑以及平顶线斑, 整形效果良好, 并结合在光学相干层析(OCT)系统中对样品照明或扫描的实际要求, 通过小角度(±2°)旋转系统第一个反射镜对所得线斑进行扫描, 在扫描角度内可以实现线性扫描(扫描范围约为10 mm×11 mm)。结果表明, 该三反射镜系统满足轻量化、结构紧凑、不受工作波长影响的要求, 是一种可行、有效的方案。
光学系统设计 光学相干层析 激光光束整形 反射镜系统设计 optical system design optical coherence tomography laser beam shaping mirror system design 光学 精密工程
2018, 26(11): 2654
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了满足无人机光电载荷的体积和重量要求, 并有效解决传统凸轮机构加工精度要求高、系统易产生机械振荡等问题, 提高系统的响应速度和变焦精度, 对基于步进电机驱动实现连续变焦的直线变倍成像系统进行研究。采用二相混合式步进电机驱动实现机械补偿式变焦系统的变焦聚焦功能。首先, 本文研究了基于步进电机的直线变倍成像系统的工作原理与构成, 完成硬件平台的搭建, 利用单片机控制实现步进电机的加减速过程。然后构造适合本系统的图像清晰度评价函数, 并采用扫描反馈搜索算法完成对镜头焦距值的标定, 将标定结果载入聚焦算法。最后, 完成系统的性能测试。测试结果显示, 采用速度控制模型后, 步进电机的定位误差显著降低, 范围在0010 mm以下, 整个系统的变焦精度远远小于1%, 而且光学性能和外场拍摄性能较好。该基于步进电机的直线变倍成像系统满足无人机光电载荷的适用性要求。
直线变倍镜头 步进电机 加速曲线 自动聚焦 图像清晰度评价函数 continuous zooming lens stepping motor acceleration curve auto focus image sharpness evaluation function
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
车辆行驶产生的颠簸、晃动, 会严重影响红外激光车载云台采集视频的质量, 不利于信息的观察和判读。为了改善视频质量, 提出一种实时有效的车载电子稳像方法。首先, 用非线性扩散滤波建立尺度空间, 使视频帧在无损精度的前提下突出边缘信息; 然后, 采取图像亮度信息与梯度信息相结合的特征提取策略,利用图像亮度信息快速搜索潜在特征点并记录其位置, 并通过分析其梯度信息与预判条件的对比结果来选取优质特征点, 在特征描绘阶段, 通过增强二值特征描绘器之间的显著性和差异性, 提升特征量的辨别力; 最后, 通过位置验证辨别相似特征, 提高全局运动矢量估计精度。时间比对实验表明提出的算法能够满足实时处理的要求,在分辨率为720 P时也能达到每秒处理帧频大于60帧; 有效能力对比实验中, 新方法的重复度均高于65%, 明显提高了特征探测能力, 并且在加入去抖动设计后6组实验的帧间转换精度分别提升了46.8%、30.8%、28.44%、28.1%、33.9%和53.4%, 表明该方法极大地改善了抖动视频的稳定性和视频信息提取的准确度。
电子稳像 车载云台 特征提取 尺度空间 二值描绘器 electronic image stabilization vehicle cloud platforms feature detection scale space binary descriptor 红外与激光工程
2018, 47(1): 0126002
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春，130000
2 中国科学院大学 大珩学院，吉林 长春 130000
针对增强现实技术在移动智能设备上应用需求，设计了一种适应移动智能设备嵌入式系统的目标跟踪器。在特征描绘阶段采用亮度信息进行二值特征的快速分割并建立强显著性的二值特征描绘器；在特征选择阶段提出一种稀疏跟踪搜索模板进一步提高跟踪算法的执行效率。然后，在跟踪器中建立了存储目标初始信息的静态库与不断更新目标外观或运动变化信息的动态库，通过对比静、动态库与搜索模板区域中的信息确立跟踪目标位置。对跟踪器执行时间进行了对比， 结果表明：在保证较高的跟踪精度条件下，采用稀疏搜索模板能明显改善算法的执行时间，将搜索半径设为10可在绝大多数情况下满足跟踪器的实时要求。对跟踪器的有效能力亦进行了对比，结果显示：在3组不同搜索半径下，提出的DBRISK描绘方法的平均跟踪误差相对于BRISK（Binary Robust Invariant Scalable Keypoints）方法分别下降了16%、28%和29%。实验表明：提出的方法能够明显改善跟踪器的信息提取准确度，适用于计算能力有限的移动智能设备。
二值特征 跟踪器设计 移动智能终端 稀疏搜索模板 增强现实 binary feature design for tracker smart mobile device sparse searching template augmented reality 光学 精密工程
2017, 25(12): 3152
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了从湍流退化图像中准确有效地恢复出目标图像,提出一种基于小波变换的RL湍流退化图像复原算法。该算法首先对湍流退化图像进行小波分解, 可得到不同分解尺度下, 不同频带的子图像。根据不同方向的高频子段的小波系数, 估计出各个高频子段噪声方差, 进而求得适用于各频段的自适应阈值, 以这些阈值为软阈值法的临界条件分别对各频段的小波系数进行收缩, 最后用RL算法去迭代小波重构后的图像来实现湍流退化图像的复原。为了验证该方法的有效性, 分别用这两种算法在不同噪声条件下, 对同一幅退化图像进行了仿真实验。改进后的算法使得两幅图像的峰值信噪比分别提高5.894 3 dB和7.108 4 dB。结果表明, 本文的算法相比RL算法在复原效果上有一定的提高。
Richardson-Lucy算法 小波分解 小波去噪 软阈值法 Richardson-Lucy algorithm Wavelet decomposition Wavelet denoising Soft threshold method
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100059
提出了一种基于L0稀疏先验的改进正则化模糊图像盲复原算法来解决相机抖动所产生的模糊问题。根据模糊图像的梯度分布要比清晰图像稠密并且暗通道的稀疏性也相对较小这一固有属性建立了新的优化模型。针对L0范数的高度非凸性和暗通道稀疏优化过程中涉及到的非线性最小化问题, 提出了一种近似线性映射矩阵, 并用半二次分解法对L0最小化问题进行求解。最后, 采用快速傅里叶变换在频域中对模糊核及清晰图像进行交替迭代运算得到复原图像。对多幅不同类型的模糊图像进行了实验, 结果显示: 复原图像平均灰度梯度高达11.411, 图像信息熵达到7.304, 处理365×285的图像只需8.07 s。提出的算法有效抑制了图像边缘处的振铃效应, 完整保留了清晰的细节信息的同时显著提高了运算速度, 并适用于多种不同类型图像的盲复原。
模糊图像 图像盲复原 L0正则化 梯度分布 暗通道先验 振铃效应 blurred image blind image restoration L0 regularization gradient distribution dark channel prior ringing effect
考虑温度变化和载流子注入阱间分布不均匀性,给出求解量子阱材料折射率变化的理论分析模型。分析了量子阱应变量大小、阱宽、垒区材料组分和注入载流子浓度对TE模和TM模折射率变化的影响。设计出折射率变化低偏振相关的混合应变多量子阱结构,在0~40 ℃的温度范围,其折射率变化量在1 530~1 570 nm波长范围内具有较大数值(6×10-3),且具有低的偏振相关性;当载流子浓度从1×1024 m-3增大到3×1024 m-3时,其折射率变化量在增大的同时,仍可在一定温度下保持低偏振相关。Refractive Index Change of Mixed Strain Multiple Quantum Well
多量子阱 混合应变 折射率变化 载流子导引 偏振相关 multiple quantum well mixed strain refractive index change carrier-induced polarization dependence
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了实现油田井下温度压力的全分布式测量, 提出了一种基于光纤散射原理的分布式温度压力测量方法。该方法通过对普通光纤进行封装设计, 制作成传感光纤。由于光纤传感器周围流体的温度和压力会对传感光纤内的散射光产生调制作用, 通过光纤解调仪解调出光纤拉曼散射参数和布里渊散射频移就能够实现温度和压力的实时在线测量。实验结果表明: 设计的分布式光纤温度压力传感器可以实现的温度测量分辨率为01 ℃, 压力测量分辨率为007 MPa。基本满足油田井下温度压力测量的全分布式、实时在线、可靠性高、精度高、抗干扰能力强等要求。
光纤传感 温度测量 压力测量 拉曼散射 布里渊散射 optical fiber sensor temperature measurement pressure measurement Raman scattering Brillouin scattering
