1 中国科学技术大学生物医学工程学院，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省医用光学重点实验室，江苏 苏州 215163
光片显微镜由于具有强大的光学层切能力、较快的成像速度和较低的光损伤，成为三维成像的重要工具。光片显微镜通常利用两个垂直放置的物镜分别进行照明和成像，这带来了对样品的空间限制并禁用了高数值孔径的成像物镜。以倾斜平面照明和微镜微器件反射技术为代表的单物镜光片显微技术突破上述限制，展示出在高分辨率和体积高速成像方面的优势，并且可与超分辨显微术等多种技术结合，在近年来取得了巨大发展。介绍单物镜光片显微成像技术的原理、关键性能的提升和其在生物医学的应用。
生物光学成像 光片显微镜 三维成像 荧光显微镜 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618014
1 辽宁工程技术大学电子与信息工程学院，辽宁 葫芦岛 125105
2 辽宁省无线射频大数据智能应用重点实验室，辽宁 葫芦岛 125105
结构光三维成像中广泛使用的数字光处理（DLP）投影仪存在结构复杂、设备体积大及投影非线性等问题，制约了结构光三维成像在高探测精度、小探测场景领域的应用。提出了一种集成超表面阵列和微机电系统（MEMS）二维扫描平台的结构光投影芯片设计。设计了基于几何相位原理的超表面阵列，用于生成格雷码和相移法混合编码结构光条纹。通过二维扫描平台突破单一静态超表面的限制，实现了基于时间编码的结构光条纹投影。结果表明：所设计的超表面结构对入射光具有良好的线性相位调制能力，光源转换效率为88.61%；生成的相移条纹符合正弦分布特性，很好地解决了DLP投影非线性问题；产生的条纹宽度均匀，最小宽度为2 mm，探测精度可达亚毫米级。有限元分析结果表明：所设计的二维平台的最小模态频率为511.91 Hz，抗干扰能力强，响应时间为2.4 ms，帧率为333 Hz，投影速率高。芯片尺寸为3 mm×3 mm。最后设计了芯片的集成制造工艺流程，为高探测精度、高投影速率微型化投影设备的制造提供了理论模型和系统解决方案。
表面光学 结构光 三维成像 超表面 微机电系统
1 西安电子科技大学光电工程学院，陕西 西安 710071
2 西安电子科技大学杭州研究院，浙江 杭州 311231
针对场景偏振三维成像中光照不均匀、色彩、材料复杂和大视场下观测方向变化等原因造成的偏振法线梯度不准确和真实三维信息获取困难的问题，提出一种基于方向感知卷积神经网络的场景偏振三维成像新方法。首先，搭建具有方向感知能力的场景深度估计网络结构；其次，利用卷积神经网络所估计的场景深度对偏振法线梯度进行校正；最后，利用校正后的梯度通过基于梯度的积分算法进行三维重建。实验结果表明，所提方法解决了偏振固有的方位角模糊，提高了在光照不均匀、大视场范围场景条件下获取的法线梯度的准确性，最终在恢复场景真实三维形状的同时保留了丰富的纹理细节信息。实验结果证明了所提技术的有效性与优越性。
偏振三维成像 深度估计 梯度场校正 神经网络 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211029
1 北京工业大学理学部物理与光电工程系，北京 100124
2 北京市精密测控技术与仪器工程技术研究中心，北京 100124
3 深圳大学物理与光电子工程学院，广东 深圳 518000
4 深圳市微纳光子信息技术重点实验室，广东 深圳 518000
太赫兹波作为一种穿透性强、具有非电离性和惧水性的电磁波，可以穿透多种非金属、非极性介质材料。太赫兹计算层析成像技术基于傅里叶中心切片定理和直线传播模型，通过记录不同投影角度下的强度数据，采用滤波反投影等重建算法获得样品三维吸收系数分布和内外部结构信息分布。随着太赫兹成像器件的不断发展和应用场景的拓展，已发展出多种照明模式、成像光路和重建算法，并已在文物保护、骨密度测量和无损检测领域开展了应用探索。概述太赫兹计算层析技术的基本原理，并从提高重建质量、分辨率和采集效率三方面具体介绍太赫兹计算层析成像技术的最新研究。
太赫兹成像 计算层析 三维成像 照明光场调控 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211012
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院智能计算成像实验室（SCILab），江苏 南京 210094
2 南京理工大学江苏省光谱成像与智能感知重点实验室，江苏 南京 210094
3 南京理工大学智能计算成像研究院（SCIRI），江苏 南京 210019
随着生物医学研究对复杂组织结构和功能的深入探索，高分辨率、高信噪比的深组织成像技术变得愈加重要。传统的显微镜技术往往局限于二维、透明的生物薄样本的观测，这在很大程度上无法满足当前生物医学领域对三维深组织体成像的研究需求。光片荧光显微镜凭借其低光损伤、高采集速率、大视场、体成像等优点被生物学家广泛使用。然而，生物组织固有的高散射特性仍然为深层成像带来了巨大的挑战。本文重点介绍了光片荧光显微成像技术在深组织成像领域的最新进展，特别是应对高散射样本挑战的解决策略，旨在为相关领域的研究人员提供有价值的参考，助力其对该前沿技术的最新进展和应用前景的理解。首先，阐述了光片荧光显微镜的基本原理和高散射吸收特性的形成原因及影响；然后，进一步阐明了增加组织穿透深度、应对光散射和吸收等问题的最新进展；最后，探讨了具有大穿透深度和强抗散射能力的光片荧光显微成像技术的发展前景以及潜在应用。
荧光显微 光片照明 深组织成像 三维成像 光学散射 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211010
1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 北京理工大学长三角研究院（嘉兴），浙江 嘉兴 314003
3 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
激光雷达三维成像相比二维成像具有信息丰富、主动性好、抗干扰能力强等优势，已广泛应用于遥感侦察、无人驾驶、航空航天等多领域。近年来，激光雷达三维成像发展迅速，一方面，以APD阵列器件为典型核心器件的制造能力增强，激光雷达的成像效率得到明显提升；另一方面，随着三维成像方法（扫描/非扫描）的不断改进，其综合性能也得到突飞猛进的发展。通过总结现有激光雷达三维成像的研究现状，讨论现阶段其面临的问题与解决方法，为推进激光雷达应用提供支撑。
激光雷达 三维成像 扫描 非扫描 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211003
1 北京信息科技大学 机械工业现代光电测试技术重点实验室， 北京 100192
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 100192
在对传送带上物体进行三维扫描成像过程中，位移标定方法的便捷性、准确性对于最终的成像精度和效率有非常重要的影响，但传统的位移标定方法需要已知位移平台或者传送带的运动速度或严格控制两次标定图片中标定板之间的精确位移，使得标定过程较为复杂。论文提出了一种专门用于传送带上物体测量的线结构光三维扫描成像系统的位移标定方法。只需要采集一系列标定板随传送带移动的位移标定图片，从中提取两张帧数间隔大于1的图片并记录对应的帧数，即可对单帧位移进行标定。介绍了该标定方法的基本原理和实现方法，搭建了线扫描单目成像系统，并对双阶梯型精度块进行了三维重建。实验结果表明，方法原理简单，操作便捷，测量速度更快且重建误差小于0.3mm，适用于以传送带作为主要运输工具的各个领域的实时三维测量。
位移标定 传送带 线结构光 三维成像 displacement calibration conveyor belt linear structured light three-dimensional imaging
1 太原理工大学 光电工程学院，山西 太原 030024
2 西安电子科技大学 光电工程学院，陕西 西安 710071
偏振成像技术作为一种新型的光学成像技术，可以实现抑制背景噪声、提高探测距离、获取目标细节特征和识别伪装目标等功能。由于成像空间维度的不同，偏振二维成像和偏振三维成像在不同领域中具有良好的应用前景。文中从偏振光的表示与传播方式入手，先后对偏振成像系统、偏振二维成像技术、偏振三维成像技术和基于超表面偏振器件的偏振探测及成像的研究展开综述。首先，根据偏振成像系统结构的不同，偏振成像系统可分为分时型、分振幅型、分孔径型和分焦平面型四种，并对以上偏振成像系统分别进行详细介绍和比较分析。其次，阐述了基于图像增强技术的偏振二维成像。图像增强技术分为偏振差分算法和图像融合两种。对于偏振三维成像，根据所处理反射光成分的不同，分为基于镜面反射光和漫反射光的偏振三维成像。综述了三维形貌重建过程中天顶角和方位角多值性问题的解决办法。为了高效准确地获取偏振信息，基于超表面结构的偏振器件成为当前研究的热点。进一步介绍了基于超表面偏振器件的偏振探测及成像技术。最后，总结全文并对偏振成像技术的发展前景进行展望。
光学成像 偏振二维成像 偏振三维成像 超表面结构 optical imaging 2D polarization imaging 3D polarization imaging metasurface 红外与激光工程
2023, 52(9): 20220808
1 河北工业大学 电子信息工程学院 先进激光技术研究中心，天津 300401
2 河北省先进激光技术与装备重点实验室，天津 300401
3 哈尔滨工业大学 可调谐激光技术国家重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080
双光子荧光（two-photon fluorescence，TPF）显微成像技术借助荧光探针实现样品中被标记成分的特异性成像，具有天然的三维层析能力、高成像深度与空间分辨率、以及更小的光漂白与光损伤，已经发展成为化学、医药学和生命科学领域的一项重要研究工具。文中通过分析高斯光束复振幅在空间中的分布，推导出TPF信号的纵向与径向分布公式，以此估算出文中的TPF显微成像系统的横向分辨率为453 nm，纵向分辨率为2.087 μm。使用飞秒激光器作为激发光源，搭建了TPF显微成像系统。在800 nm波长的飞秒脉冲激发下，测量了罗丹明B溶液的TPF光谱，从而选择636~703 nm作为显微成像的荧光探测窗口。随后开展了对罗丹明B染色的小鼠大脑切片的TPF显微成像实验研究，利用断层扫描成像的方式获得了小鼠大脑切片在0~14 μm深度内的荧光强度分布。通过三维重构完成了对生物样品的三维立体成像，获得了小鼠大脑中灰质与白质在不同深度的分布情况，实验结果证明了搭建的显微成像系统具有优异的成像深度与空间分辨能力。
小鼠大脑切片 飞秒激光 双光子荧光 三维成像 mouse brain section femtosecond laser two-photon fluorescence three-dimensional imaging 红外与激光工程
2023, 52(8): 20230201
