研制了一种激光共焦扫描显微内窥镜，采用望远式显微内窥光学系统，同时实现长距离的图像中继传输、远心f-theta光学扫描和显微内窥成像功能.二维共焦扫描由双振镜实现，低噪音扫描控制信号由嵌入式系统产生.为实现便携式应用，激光共焦扫描显微内窥镜采用小型化设计方案.首先，体内的显微内窥成像光学系统，外径尺寸为8 mm，工作长度为250.3 mm，可通过标准腹腔镜手术孔进行体内显微内窥成像；其次，采用3 mm通光孔径的小尺寸平面反射镜实现体外共焦扫描，摆动频率为100 Hz，实现快速共焦扫描；最后，激光控制和荧光探测仅通过电缆和光纤与共焦扫描显微内窥镜前端连接，减小了显微内窥镜的前端尺寸和重量.通过实验验证，本系统的成像视场为φ 600 μm，光学分辨率为2.2 μm，可采用手持式或者其他方式工作，进行体内组织的共焦扫描成像，实现微创、在体的荧光显微内窥术.

研制了一种用于体内成像诊断和光动力学治疗的荧光显微内窥术，可根据探测的荧光信号强度，采用反馈算法快速调节不同成像区域的激发光强度，获取高信噪比、大动态范围的荧光图像, 实现交互式荧光诊断与光动力学治疗分析。根据反馈的治疗效果，自适应地连续实时调整光剂量，获得最佳的光动力学治疗结果。激发光强度的动态调整由计算机控制数字微镜器件的开关状态及驻留时间来实现。荧光显微内窥镜的外径尺寸为8 mm，工作长度为250.3 mm，可装配在腹腔镜管鞘中，适用于体内病灶的显微成像诊断。实验结果表明，显微成像视场为600 μm，光学分辨率优于2.2 μm，图像动态范围可增强200倍以上，有效改善了荧光微弱区域和荧光饱和区域的图像细节和信噪比，提高了诊断准确性。此技术可进一步扩展为共焦三维成像，实现在体组织细胞学分析。

高动态范围图像(high dynamic range image)指的是扩大了景物可分辨的光照范围的图像。在HDRI成像中动态范围是难以量化测量的,必须将对动态范围的计算转化为其它易于计算的像质评价函数。HDRI图像的像质评价和普通图像的像质评价存在着较大不同。比较了几种像质评价的方法后,提出了利用图像的熵作为标准进行高动态范围成像评价的方法。利用一种自然图像的概率模型对图像的熵与成像动态范围之间的关系进行了数值模拟,得到了具有普遍意义上的理想成像动态范围的计算公式,公式指出了对自然景物完善成像所需的最大动态范围; 给出了图像熵与动态范围之间的关系。利用这种关系可以经由计算图像的熵来对系统的动态范围特性做出评价。这种评价方法在指导高动态范围成像系统的设计,以及高动态范围成像系统的测试中将发挥重要的作用。

当相干光在粗糙表面散射时,会产生散斑现象。散斑严重影响了图像质量,必须加以抑制。通过散射体振动产生一系列的散斑图样,并在传感器积分时间内加以平均,可以达到抑制散斑的效果。将此方法应用于基于硅基液晶(LCoS)芯片的激光投影系统,并通过一系列实验研究了散斑对比度和散射体运动之间的关系。散斑抑制后,传感器上的散斑对比度从0.49降低到了0.065。实验表明散射体更快更大的振动和更小的单元尺寸都可以降低散斑对比度。

提出一种利用空间光调制器对物方光线进行调制并多次曝光的方法来获取HDR图像.讨论了该方法的原理,并根据原理搭建实验装置进行了实验.实验装置中以LCOS作为空间光调制器,以CMOS作为成像传感器,通过多次曝光获得系列图像,利用图像合成算法生成HDR图像.该方法具有实时性好、扩展性强、成本较低等优点.

使用对傅里叶变换频谱进行空间滤波的方法,根据"切口"滤波器在频谱突变位置出现振铃现象的缺点,设计了基于"切口"滤波器的多点高斯滤波器.实验表明:使用该方法可以有效降低莫尔条纹对系统采集到图像质量的影响,得到的重构图像清晰,基本无振铃现象,可以满足系统需要.使用该方法运算量小、处理简单,能够由嵌入式系统完成.

建立了激光诱导荧光检测系统.采用光学仿真方法,建立与实际光学系统相同的模型.模拟表明:聚焦光束扫描毛细管阵列,轴上光束入射到毛细管内径中心时产生的杂散光最大,在两边逐渐减小.由毛细管产生的杂散光的平均光强是无毛细管时的 2.725 倍,说明由它产生的杂散光比较严重.对不同大小的内径产生的杂散光影响进行了分析比较,增大毛细管的内径,杂散光增大,但毛细管内径减小会使进样量少,检测困难,同时还会加大清洗与灌胶的难度.综合考虑,选取内径为50 μm 的毛细管较为合适.利用自行设计的激光诱导荧光检测系统扫描毛细管阵列,进行了杂散光检测实验,光电倍增管记录所收集到的信号,作出了激光束扫描毛细管的不同位置时的杂散光信号强度分布图,实验与模拟结果相一致.

设计了DNA分析仪,采用激光诱导荧光对样品的毛细管电泳结果进行检测,对仪器的灵敏度进行了理论分析和实验测试.分析表明:荧光的探测灵敏度取决于入射到光探测器(PMT或CCD)上的荧光强度及光探测器自身的探测能力.结合设计参量,计算得到DNA分析仪针对染料TO(thiazole orange)作为荧光标记的探测灵敏度为0.127 fluor/μm3个荧光分子.和实验结果相比,双链DNA样品pGEM-3Zf(+)/Hae III Markers加TO进行毛细管电泳实验,得到实际的探测灵敏度为0.145 4 fluor/μm3荧光分子.研究表明:提高探测灵敏度的措施是制备性能良好的毛细管涂层和合理使用筛分介质,合理增大激光功率、尽可能增大物镜的数值孔径、提高光电倍增管的探测下限.

利用红外热成像技术,在无外源干扰的条件下,对人体经脉线和腧穴的红外辐射强度及其时间相关性进行研究.实验观察到人体体表存在循经红外辐射现象,其辐射强度具有一定的时间节律;对人体腧穴与非腧穴区域的温度分布特征进行分析,发现腧穴热传递沿经脉线方向较强,而非腧穴则近似各向同性.此外,腧穴与非腧穴温度变化的时间节律基本一致.研究结果有力证实了人体经络腧穴的客观存在.

在可编程成像系统中,由于编程器件与感光器件空间频率不同,会产生莫尔条纹.为了降低莫尔条纹对图像质量产生影响,使用插值法对系统产生的莫尔条纹进行处理.首先得到系统莫尔条纹的补偿图像,然后对图像进行直接插值处理.由于被拍摄物体成像后存在光强差异,因此产生莫尔条纹的光密度也会随着光强而变化.使用这种插值与补偿图像相结合的方法对系统采集到的图像处理,得到的结果图像清晰,无明显莫尔条纹,达到了系统要求.