1 上海理工大学 光电信息与计算机学院, 上海 200093
2 上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093
数字PCR（dPCR）技术作为传统PCR技术的更新迭代, 有着绝对定量的特点, 在新冠病毒核酸序列检测、癌细胞探测等生物学领域有着巨大的潜力。现有的dPCR荧光检测系统在检测通量、检测速度以及成本之间难以做出合理的权衡。由于成像视野小、需多次图像拼接极大影响了dPCR荧光检测系统效率和时间。文章构建了一套采用大视场荧光显微设计的多通道dPCR检测系统实验平台, 依托该实验平台, 运用Zemax软件优化结构, 改进显微成像物镜设计, 能够实现直径18mm的全视场范围FAM、HEX、ROX三种荧光通道分辨率在6μm的多通道成像。采用随机霍夫变换算法(RHT)图像处理分析方法, 对常规均匀“圆孔”和新型“雪花”、“树枝”等非均匀结构的微流控荧光芯片, 均能实现高效检测, 得到清晰、稳定的荧光图像。
应用光学 数字PCR 光学设计 荧光显微镜 微流控芯片 applied optics digital pcr technology optical design fluorescence microscope microfluidic chip
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
单分子免疫检测,是指将免疫复合物限制在极小的体积内,对产生的信号进行计数,是一种“数字化”的免疫检测技术。单分子免疫检测仪的核心类似于一个荧光显微系统,但普通的荧光显微镜结构复杂,且与生物芯片规格无法匹配,不能很好地满足检测需求。针对自行研制的生物芯片规格,合计了一套高性能的单分子免疫检测光学系统。根据设计要求,确定了合适的初始结构; 在荧光显微系统原理和像差分析理论的基础上,使用光学设计软件Zemax对系统进行反复优化设计; 设计出了满足单分子免疫检测成像要求的光学系统。系统的成像部分由15片折射透镜组成,工作距离为4mm,放大倍率为-4.52,调制传递函数值在奈奎斯特频率73lp/mm处均大于0.44,畸变为0.8%,照明部分采用柯勒照明方式,在整个视场范围内,物面上的照度均匀度达到97%。整个系统采用国产常规玻璃,有利于加工和降低成本。经优化后的高分辨率荧光显微系统结合当前发展成熟的全自动化检测技术,可以极大提高单分子免疫检测的检测灵敏度和准确率。
单分子免疫检测 生物芯片 光学设计 荧光成像系统 照明设计 高分辨率 single molecule immunoassay biochip optical design fluorescence imaging system lighting design high resolution
1 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
2 恒迈光学精密机械(杭州)有限公司, 浙江 杭州 311421
全息光存储是一种利用全息方式去进行信息的记录和再现的存储方式。在同轴全息光存储中,需要光学头物镜对532nm和650nm两个工作波长聚焦于全息材料不同的焦面上,且都能达到良好的聚焦效果。由于记录和读取都在全息记录材料上,全息材料由保护层和记录层组成,由于折射率不均匀导致的像差会对物镜的聚焦效果产生影响。目前的商业物镜无法满足全息光存储中光学头的物镜需求。为了满足这类需求,达到良好的性能效果,论文利用Zemax OpticStudio 光学设计软件设计了一款针对全息光存储的双波长非球面光学头物镜,整体由一片非球面镜和一片球面镜组成。工作波长为532nm和650nm两个波长,焦距大于4mm小于6.2mm,像方数值孔径大于0.5,MTF值在空间频率为900lp/mm内均大于0.4,在全息材料上聚焦获得的波面相差均方根低于0.07波长。在上述技术指标下,该物镜具有较好的分辨能力和成像质量,论文方案为全息光存储光学头物镜的设计提供了新的思路。
光学设计 非球面 全息光存储 optical design aspheric surface holographic optical storage
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093
为了解决短基线双目内窥成像系统获得的视频图像在裸眼3D显示设备中观看到的视频纵深感和立体感较弱的问题，通过分析双目内窥镜的参数以及立体视频中图像对的视差，提出了基于短基线双目内窥成像系统的立体视频校正和视差调整方法。首先，对采用的双目结构内窥系统进行相机标定，获取各相机参数和相机间的位置参数；其次，利用获得的参数进行相机视频校正，再针对裸眼3D显示设备对视频源的参数要求进行图像对的视差调整，最终获得符合裸眼3D立体显示设备要求并适合人眼观看的双目内窥系统实时显示立体视频。通过实验验证了方法的可行性，实际搭建了一套基线距离为8 mm的短基线双目内窥成像系统，原始视差范围(0，64)像素，经视差调整后达到（−30, 30）像素，双路并行视频处理25 帧/s并实时显示。与实验室设计的裸眼3D立体显示系统匹配，可实现具有明显立体感的医用内窥镜实时裸眼3D成像。
图像处理 双目视觉 立体视频 视频校正 image processing binocular vision stereo video video correction
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
渐进多焦点镜片以其独特的优势崭露头角, 适用人群越来越广泛。为了对其进行快速、精确检测, 提出了一种低成本、装置简单、易操作的渐进多焦点镜片屈光度检测方法。基于透射式条纹偏折法, 通过对镜片引起的光线偏折角进行计算可以快速得到整个镜片屈光度的分布。文中对屈光度检测方法的优缺点进行综述。对透射式条纹偏折法原理进行了分析和研究; 构建了基于透射式条纹偏折法的实验装置, 介绍了系统中的相机标定和相位解算技术; 对渐进多焦点镜片进行屈光度检测实验, 对结果进行分析, 并与VM-2000进行数据对比实验。结果表明该方法能有效、快速地检测渐进多焦点镜片的屈光度分布, 也可推广应用到其他透镜的检测。
条纹偏折法 相位测量 相机标定 自由曲面 屈光度 fringe deflection method phase measurement camera calibration Free-form surface diopter
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
柱透镜式裸眼3D显示系统近年来在各个领域发展迅速。为了进一步解决柱透镜式裸眼3D串扰问题, 提出一种通过平移LCD图像面板上的像素位置, 并减小像素间隔和调整柱透镜倾斜角度来降低柱透镜光栅自由立体显示器相邻视点间串扰的方法。针对双视点柱透镜式裸眼3D显示系统分析其串扰原因, 计算了柱透镜厚度、节距、焦距以及曲率半径等参数, 分析了LCD图像面板像素位置、柱透镜倾斜角度、像素间隔与串扰面积及莫尔条纹厚度之间的关系, 在保证莫尔条纹厚度不变的情况下降低了视区边缘最大串扰度。采用Lighttools软件对上述方法进行仿真, 对像素数为120×60的局部区域进行模拟, 结果显示改进前后视区边缘最大串扰度由50%降低至30%, 最佳视点串扰度由0.93%降低至0.32%, 且最佳视点区域扩展了±15mm, 对降低柱透镜式裸眼3D串扰具有借鉴意义。
裸眼3D 柱透镜光栅 串扰 莫尔条纹 Glasses-free 3D cylindrical lens grating crosstalk moiré fringe
上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093
利用偏振相机实现瞬时相移获取光弹条纹的方法缺乏定量误差及补偿分析。圆偏场瞬时光弹相移法的误差主要是1/4波片与光源波长不匹配造成的。首先，基于Stokes矢量和Mueller矩阵，从理论上推导了光弹特性的误差及补偿方程，讨论了样品应力方向角和相位延迟量的误差分布。结果表明：等差线条纹误差正比于失配值；等倾线条纹误差是非线性的，但正比于失配值的余弦，反比于两个光强之差。然后，分析了光源谱线宽度对补偿效果的影响，结果显示谱宽的限制与波长成正比，与失配误差成反比。最后，结合对径受压圆盘的模拟和实验验证了误差分析及补偿方法的正确性，并论述了等倾线应力方向分离的问题。
测量 光弹 相移法 误差分析 光学学报
2022, 42(21): 2112002
上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
波前编码系统由于其离焦不敏感和像差抑制特性被广泛应用于光学系统中来延拓景深。景深的拓展是以牺牲图像像质为代价, 通过数字复原方法获得正常水平的图像质量。通过对比分析两种复原方式, 一种是焦点处的点扩散函数复原全部离焦位置的模糊图像, 另一种是点扩散函数分别复原对应离焦位置的模糊图像, 通过仿真模拟和显微实验成像对比分析得知点扩散函数复原对应离焦位置的模糊图像的复原方式可以有效削减振铃效应。该复原方式可以减弱图像二次模糊, 复原结果更适合人眼观察。
波前编码 图像复原 振铃效应 点扩散函数 wavefront coding image restoration ringing effect point spread function
