1 北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院，北京 102206
2 北京信息科技大学光电测试技术及仪器教育部重点实验室，北京 102206
光学相干层析成像（OCT）是一种高空间分辨率的光学成像方法，可以对生物组织进行非接触、无标记的二维截面和三维体积成像，能为临床疾病的诊断提供具有重要参考价值的影像信息。在传统的台式OCT系统中，扫描探头被固定在工作台上，探头结构较大，灵活性差，不利于深入狭小腔体内部成像或在床旁检测。本团队设计了一种视频引导的手持式高速OCT系统，其手持探头结构紧凑、体积小巧，便于抓取和深入狭小腔体内部；探头内部集成了相机成像功能，可以实时获得成像区域的视频图像，引导OCT成像。该系统的A线扫描速率可以达到200 kHz。为了克服成像过程中的抖动问题，本团队提出了图像自动配准算法，该算法能显著提高图像质量。采用该系统对离体猪眼角膜和离体猪牙齿进行成像，以验证系统的性能。结果显示该系统能够高速获取高分辨的组织图像。
医用光学 光学相干层析成像 手持探头 图像配准
1 北京警察学院, 北京 102202
2 公安部禁毒情报技术中心毒品监测管控与禁毒关键技术公安部重点实验室, 北京 100193
我国于2021年7月将合成大麻素类物质整类列入管制, 在一线查缉现场对疑似合成大麻素样品进行快速定性分析是办案民警的迫切需求。 研究系统考察了拉曼光谱对合成大麻素的整体区分能力, 比较了四款手持式拉曼光谱仪分析实际缴获样品时的结果差异, 探讨了制约拉曼光谱在一线查缉现场广泛应用的原因。 ProTT-EZRaman-A7便携式拉曼光谱仪的整体性能介于台式拉曼和手持式拉曼之间, 选用该仪器采集了90种合成大麻素对照品的拉曼光谱, 并利用兼容性强的KnowItAll软件建立了90种合成大麻素通用拉曼光谱库。 分析90种合成大麻素的拉曼光谱, 结果表明, 当不存在荧光干扰时, 拉曼光谱可以区分所有合成大麻素物质, 但对部分结构相差一个甲基、 卤素原子等的结构类似物区分度欠佳。 不同款拉曼光谱仪的性能差异大, 为考察其原因, 本研究选用了四款手持式拉曼光谱仪分别对120份实际缴获合成大麻素样品进行了测定, 随后使用KnowItAll软件并选用包含90种合成大麻素的通用拉曼光谱库对每张光谱图进行谱库检索。 四款手持式拉曼光谱仪的正确匹配率分别为71.7%, 68.3%, 46.7%和24.2%。 抗荧光干扰能力和分辨率的不同是造成不同拉曼光谱仪匹配结果差异的主要原因。 便携式拉曼光谱仪具有操作简单、 测样速度快, 可用于一线查缉站点快速检测的优点, 但考虑到实际缴获样品的纯度未知且可能存在荧光干扰, 不同拉曼光谱仪的抗荧光干扰能力、 分辨率及谱库完备程度均不同, 因此现阶段拉曼光谱的测试结果只能作为定性初筛使用。 该研究内容为法庭科学实验室和一线办案民警正确理解和应用拉曼光谱测试结果提供了指导。
便携式拉曼光谱仪 手持式拉曼光谱仪 新精神活性物质 合成大麻素 结构类似物 定性分析 Portable Raman spectroscopy Handheld Raman spectroscopy New psychoactive substances Synthetic cannabinoid Structural analogues Qualitative analysis
中国农业大学工学院, 国家农产品加工技术装备研发分中心, 北京 100083
马铃薯是我国第四大主要粮食作物, 随着马铃薯主食化战略的提出, 其市场占比逐年攀升, 但各地甚至同区域内马铃薯品质参差不齐, 严重影响了马铃薯行业的发展。 实现马铃薯品质快速无损检测对马铃薯主食化产业的发展有着重要的现实意义。 该研究以研发低成本马铃薯品质无损快速检测装置为目的, 采用连续投影算法（SPA）分析光谱仪环境下马铃薯加工品质特征波长的分布情况, 根据标准正态变换（SNV）预处理状态下的模型结果选取了一个包含7个波段（700, 750, 800, 850, 900, 950和1 000 nm）的多通道光谱传感器, 并根据马铃薯特殊的表皮特征及内部质地均匀性, 设计了一种手持式马铃薯多品质可见/近红外局部漫透射检测装置。 利用研发装置建立了马铃薯多品质偏最小二乘预测模型, 马铃薯干物质含量、 淀粉含量预测模型验证集均方根误差分别为1.05％和1.02％。 同时, 基于QT的开发工具, 采用C语言编写了实时分析设备控制软件, 实现了对马铃薯内部品质的一键式实时无损检测。 对研发装置检测稳定性和精度进行了试验验证。 结果表明, 研发的手持式马铃薯多品质传感器检测装置可以满足现场实时检测需求, 为马铃薯主食化产业的发展提供技术支撑。
马铃薯 多通道光谱传感器 无损检测 品质参数 手持式装置 Potato Multi-channel spectral sensor Non-destructive testing Quality parameters Handheld device 光谱学与光谱分析
2022, 42(12): 3889
1 中国海洋大学信息科学与工程学部物理与光电工程学院, 山东 青岛 266100
2 中国海洋大学食品科学与工程学院, 山东 青岛 266003
中国是水产品生产和消费大国。 由于不同鱼产品的品质和价格差距悬殊, 近缘鱼类外观质地相似等特点, 鱼产品掺假和错贴标签的现象频发, 直接损害了消费者的消费和健康权益, 因此实现鱼产品品种品质的快速检测具有重要的现实意义。 激光诱导击穿光谱（LIBS）技术采用脉冲激光烧蚀样品表面产生激光诱导等离子体, 通过探测等离子体的发射光谱实现待测样品元素组分的定性和定量分析, 具有无需（或少量）样品预处理、 多元素同时检测, 分析速度快的优势, 在食品快速检测分析方面具有很大的应用潜力。 将LIBS技术结合随机森林（RF）算法用于不同种类鱼产品快速鉴别分析。 首先对6种鱼肉样品进行压片处理, 采用手持式LIBS分析仪采集其光谱数据, 可探测到清晰的C、 Mg、 CN、 Ca、 Na、 H、 K、 O等元素组分的特征谱线。 将原始光谱数据进行归一化预处理, 采用主成分分析方法（PCA）进行聚类, 发现海水鱼和淡水鱼样品可以区分, 而不同海水鱼之间和不同淡水鱼之间的样品则难以有效区分, 说明PCA方法对鱼肉LIBS光谱分类能力有限。 之后采用非线性的随机森林算法建立分类模型, 经过优化RF模型的决策树个数与决策深度, 得到鱼肉样品的整体识别正确率为90%。 为进一步提高模型识别精度和分析效率, 通过RF模型输出的变量重要性进行光谱特征提取, 识别正确率提高到94.44%, 且模型输入变量由23 431个减少到597个, 模型运算时间显著降低。 表明RF模型结合变量重要性提取可以很好地将LIBS光谱中变量重要性高、 对分类贡献大的弱信号提取出来, 有效剔除了谱线噪声、 背景、 以及其他不相关变量的干扰, 提高模型的识别精度和分析效率。 也验证了手持式LIBS设备结合机器学习方法用于市场鱼产品快速鉴别分析的可行性。
鱼产品 快速鉴别 手持式LIBS 随机森林 特征提取 Fish products Rapid identification Handheld LIBS Random forest Feature selection 光谱学与光谱分析
2022, 42(12): 3714
1 西安建筑科技大学机电工程学院，陕西 西安 710055
2 清华大学深圳国际研究生院广东省偏振光学检测与成像工程技术研究中心，深圳市无损监测与 微创医学技术重点实验室，光学检测与成像研究所，广东 深圳 518055
3 中国科学院深圳先进技术研究院生物医学光学与分子影像研究中心，广东 深圳 518055
光声成像技术（PAT）通常将生物组织对光的吸收系数视为标量，然而大多数生物组织具有各向异性，对不同偏振态的光的吸收系数是不同的，这限制了光声成像技术在一些有偏振需求的临床诊疗中的应用。基于此，设计了一种基于光纤引导的激发光手持偏振角度可调的光声计算层析成像（PACT）探头，并搭建了偏振PACT系统，旨在为术中偏振组织检测提供影像学依据。激发光由非保偏光纤引导传输，经过一系列透镜整形后，由起偏器起偏并用半波片调节激发光的偏振角度进行声信号的激发。实验中，通过对不同光轴方向和位于散射介质不同深度偏光片进行多次偏振光声成像实验，成功地实现偏光片的光轴方向检测和深度成像。此外，通过使用两个正交偏振角度的激发光对牛肌腱进行光声成像，成功地提取了牛肌腱的结构信息，验证了所设计的手持偏振光声成像探头及偏振PACT系统的成像能力和各向异性检测性能，有望为具有各向异性生物组织（如神经和肌腱）的术中诊断和治疗提供影像学依据。
医用光学 生物医学成像 光声成像 手持 偏振光 各向异性 激光与光电子学进展
2022, 59(8): 0817001
为了实现油菜叶片中叶绿素含量的快速无损检测, 开发了手持式多光谱成像系统用于采集油菜叶片在460, 520, 660, 740, 840和940 nm 六个波段的光谱图像。 将一台能够采集可见光/近红外(380~1 023 nm)512个波段光谱图像但是价格高昂且体积大的室内高光谱成像系统作为参考仪器, 将手持式多光谱成像系统作为目标仪器后, 采用伪逆法(pseudo-inverse method)求得高光谱成像系统和多光谱成像系统两台仪器之间的转换矩阵F, 从而实现6个波段的多光谱图像向512个波段的高光谱图像的重构, 提高了手持式设备的光谱分辨率。 运用偏最小二乘回归算法(PLSR)建立了重构的光谱与油菜叶片的叶绿素含量之间的关系模型。 结果表明, 重构的可见光范围内的光谱反射率与叶绿素浓度之间具有很强的相关性, PLSR回归模型建模集的决定系数$R_c^2$为0.82, 建模集均方根误差RMESC为1.98, 预测集的决定系数$R_p^2$为0.78, 预测集均方根误差RMESP为1.50, RPD为2.14。 虽然应用本文开发的手持式成像系统结合PLSR模型实现油菜叶绿素含量快速无损预测的精度低于基于室内高光谱成像系统获得的高光谱图像建立的PLSR模型($R_c^2$, RMESC, $R_p^2$, RMESP和RPD分别为0.90, 1.41, 0.82, 1.36和2.37), 但是明显优于基于原始多光谱成像系统4个波段(460, 520, 660和740 nm)反射率建立的PLSR模型得到的结果($R_c^2$, RMESC, $R_p^2$, RMESP和RPD分别为0.78, 2.06, 0.72, 1.85和1.88)。 表明光谱重构技术可提高多光谱成像预测油菜叶绿素含量的精度, 并且与室内高光谱成像系统相比, 开发的手持式设备具有体积小、 成本低廉和操作简便等优点, 可为田间油菜叶片的生理状态和养分检测及可视化表达提供技术支持。
油菜 叶绿素 手持式多光谱成像系统 多光谱图像 光谱重构 偏最小二乘回归 Oilseed rape Chlorophyll content Handheld multispectral imaging system Multispectral imaging Spectral reconstruction Partial least squares regression
1 合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院, 安徽 合肥 230009
2 北京信息科技大学 先进光电子器件与系统创新引智基地, 北京 100192
危险化学品泄漏, 公共场所爆炸等安全问题时刻威胁公众安全, 亟需研究用于危化品现场检测的便携、快速、准确的探测装置。虽然现有的检测装置能够实现对样品的识别, 但由于体积大, 需要预处理, 不适合现场快检。因此, 提出了将拉曼系统与手机融合, 使其更加便捷, 便于实现对危险化学品的现场快速识别。该仪器采用了大数值孔径镜头(F/2.0)替换传统反射光谱仪中凹面反射镜(F/4.0), 光学收集效率提高了近4倍, 同时利用体相位全息光栅和狭缝空间耦合技术, 提高了系统的灵敏度。文中利用设计的拉曼系统对10种易燃易爆危险化学样品进行光谱测试, 实现了对危化品的现场检测, 10种危化品与数据库的匹配系数能达到95%以上, 具有快速、准确、无损的优势, 对日后的安检应用领域具有重要意义。
手持拉曼 拉曼光谱 化学检测 快速识别 handheld Raman Raman spectroscopy chemical detection fast recognition 红外与激光工程
2019, 48(7): 0717002
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
2 南京先进激光技术研究院, 江苏 南京 210038
在常温常压下,采用手持式激光诱导击穿光谱仪(LIBS)对铝合金中的镁、钛元素进行定量分析,以验证其稳定性及可靠性。手持式LIBS内置1064 nm Nd∶YAG 脉冲激光器,光路为反射式同轴结构。实验中采用AvaSpec-Mini 2048光谱仪,测量波长范围为240~420 nm。选取镁元素在285.17、383.83 nm处的特征谱线,钛元素在323.45、334.94 nm处的特征谱线,结合偏最小二乘法建立定标曲线模型。同种元素在不同特征谱线下的定标曲线斜率接近,线性相关系数R值均在0.9893及以上。测量结果与标准值具有较好的一致性,测量值相对误差均在8.70%及以下,样品中镁、钛元素检出限可达到10
-4量级。说明手持式LIBS能够实现对铝合金中镁、钛元素的定量分析,从而验证了手持式LIBS具有较好的稳定性和可靠性,对LIBS便携化的发展具有十分重要的意义。
光学制造 激光诱导击穿光谱仪 手持式 定量分析 铝合金 激光与光电子学进展
2019, 56(2): 023002
南京理工大学电子工程与光电技术学院光学工程系, 江苏 南京210094
搭建了一套能够对人体皮下微血管进行快速成像的手持式扫频光学相干断层成像（OCT）系统，分别使用了无对数补偿的强度差分（PID）算法、有对数补偿的强度差分（LCPID）算法以及结合对数补偿及动态阈值方法的强度差分（MTPID）算法重建了血流分布图像，并对比了三种成像算法得到的微血管正面图。结果表明：LCPID算法能呈现更深层的血流信息，而MTPID算法获得了更多的血流分布细节信息和更高的图像清晰度，其优越性对OCT系统在医用光学方面的应用具有重要意义。
医用光学 微血管 手持式 扫频光学相干断层成像 动态阈值 对数补偿 中国激光
2018, 45(11): 1107002
1 昆明北方红外技术股份有限公司，云南 昆明 650217
2 昆明物理研究所，云南 昆明 650223
从单手握持便携式热像仪的作业分析入手，研究单手握持便携式热像仪的人体工学设计方法。通过对热像仪的操作过程、人机功效因素进行分析，确定人机工程设计要求，运用人体工学原理和方法进行设计，使单手握持便携式热像仪最大限度地满足操作者的舒适性、方便性和安全性要求。
热像仪 人体工学 工业设计 手持便携 thermal imager ergonomic industrial design handheld and portable
