并行差动共焦三维成像方法通过将照明光分割为多光束,实现多点并行探测,解决了传统差动共焦成像中逐点扫描导致的成像效率偏低的问题,是一种理想的快速高精度三维成像方法。然而,在并行差动共焦检测过程中,系统光照不均和光学成像系统的场曲都会引起测量误差。分析了宽场成像过程中不可避免的光照不均及光学系统场曲等因素对并行差动共焦轴向测量的影响,提出了一种宽场误差的修正方法,建立了并行差动共焦轴向测量宽场误差修正的理论模型。实验证明,该方法可以有效地抑制系统光照不均对测量结果的影响,并且校正了光学成像系统场曲等引起的轴向测量误差,保证了并行差动共焦纳米量级轴向测量准确度在全视场范围内的普适性。该方法实施过程简便,适用于其他并行共焦检测方法的误差修正。

为了解决常规选择性激活方法无法与激光扫描共焦显微镜共用扫描光路,难以与成像光路同轴的问题,提出一种同轴扫描式实时光刺激系统,使用现场可编程门阵列控制声光调制器,以调制激光扫描共焦显微镜的成像光源,经成像光路扫描后,刺激输出和成像扫描实现同步;该系统采用Xilinx KC705开发板中现场可编程门阵列集成的外设部件互连标准硬核,采用外设部件互连标准接口将上位机的刺激图像传输到现场可编程门阵列。测试结果表明,所提系统可以满足传输要求,能有效调节光刺激区域。

为了获取作者所在实验室数字共焦显微镜光学系统实验3维点扩散函数, 采用荧光微珠模拟点光源, 利用该显微镜对荧光微珠不同散焦量的切片图像进行采集, 采用多图像平均法对切片图像进行降噪处理, 以此构建显微镜光学系统的实验3维点扩散函数。以该实验点扩散函数进行3维显微图像复原, 并与理论点扩散函数的复原效果进行了比较。结果表明, 两种点扩散函数对图像复原时均获得良好的复原效果, 但是以正确实验方法获取的实验3维点扩散函数, 更符合该光学系统的光学传递特性, 复原效果更准确。所构建的实验3维点扩散函数, 为下一步的生物显微图像复原处理提供了一种较好的选择, 为数字共焦显微镜实验3维点扩散函数的构建提供了一种有效的方法。

通过分析共焦显微镜在成像过程中因光学元件等位置偏差造成会聚焦点与针孔位置发生偏差而出现的图像畸变现象, 提出一种位置校正函数进行插值运算对非线性畸变失真图像进行校正和复原。应用基于机器学习的卷积神经网络技术提高位置校正后退化图像质量, 在对单幅图像进行训练时, 采用5层卷积和下采样加入池化层以降低网络参数的数量级。结果表明池化层可显著提高运算速度, 同时使图片的清晰度得到显著提升。

生物样品图像边缘增强与提取是医学图像处理的关键技术之一, 是进行生物样品形态分析的基础。图像边缘增强通常是通过计算机编程对原始图像进行后期处理来实现的, 然而, 这里应用共焦空间微分显微镜系统, 实现了在获得样品共焦显微图像的同时直接获取对应的边缘增强显微图像, 且图像分辨率与对比度较高。实验不仅获取了掩膜板与标准分辨率板RTA-07的边缘增强图像, 说明系统分辨率达到1.5 μm, 而且实现了生物细胞的边缘增强图像的获取, 如血红细胞与口腔上皮细胞, 图像可用于样品尺度与面积等形态的分析与计算, 在生物医学研究中有实际应用意义。

并行共焦测量技术的核心是将单点共焦测量变成多点同时扫描测量, 从而使共焦测量速度显著提高。本文介绍了共焦测量技术原理, 综述了用于并行共焦的并行光源技术, 分析了这些方法的优点和不足。结合作者近年来的研究成果, 重点阐述了基于微透镜阵列和数字微镜器件(DMD)产生并行光源的新方法。分析和研究了DMD的空间光调制机理, 最终建立了一种单光源双光路并行像散共焦测量系统。

由于色散物镜轴向色散与波长间的非线性会导致仪器整体性能下降，本文研究了光学系统轴向色散与透镜组之间的关系，推导了轴向色散的传递公式。为得到较大的线性轴向色散，根据轴向色散的传递公式提出了一种正负透镜组均采用线性色散光焦度组合且正负透镜组分离的镜头结构。光学优化设计表明，具有正负透镜分离结构的色散物镜可以得到低的球差和大的轴向色散，而且具有较大的工作距离。设计的色散物镜在430~710 nm得到了1 mm的轴向色散，轴向色散与波长之间的相对非线性度为4.6%，灵敏度的波动量小于整体的1/3，优于之前的研究。采用所设计的色散物镜，光谱共焦显微镜能够得到优于0.3 μm的轴向分辨率和优于5 μm的横向分辨率，满足精密测量的需求。

色散物镜是光谱共焦显微镜的关键组件, 其轴向色散线性度和色散范围会影响光谱共焦显微镜的性能。在线性轴向色散的理论基础上, 研究了优化选择材料组合的方法, 给出了优化模型和求解方法, 得到了具有最大色散的材料组合及其光焦度分配, 并使用光学设计软件对优化结果进行了模拟。模拟结果表明, 使用本文优化方法得到的材料组合, 波长与轴向色散成线性关系, 而且具有最大的轴向色散。使用得到的最大色散材料组合进行色散物镜设计, 得到了较好线性度的色散物镜, 并具有较短的有效焦距。本文给出的优化选择材料组合的方法可以为设计光谱共焦显微镜提供指导, 有效缩短镜筒长度, 提高光谱共焦显微镜的性能。

共焦显微技术越来越广泛地应用于微机电系统和半导体器件的三维轮廓测量。设计一种新型采用变焦透镜作为轴向扫描方式的共焦显微系统,利用变焦透镜的焦距变化来代替传统的轴向位移扫描。系统实现了无机械运动的轴向扫描，消除了传统共焦系统中由位移台移动带来的振动，不仅减小了系统的复杂度，而且降低了成本。进一步设计了基于位移台和变焦透镜的两种共焦检测系统，并且对其进行了仿真实验。实验结果表明：基于位移台和基于变焦透镜的共焦系统的聚焦成像和离焦成像结果类似，并且光强的轴向分布曲线也基本相同，表明此方法可行。

提出了一种实现共焦显微镜空间微分成像的新方法。为了获得空间微分图像，首先利用时间分辨技术结合互补调制技术，获得两束相位相反的调制光，然后利用这两束相位相反的调制光结合共焦扫描技术，实现共焦显微镜的空间微分成像。实验表明：这种空间微分技术可以准确实现共焦显微镜的空间微分成像，从而获得成像物体的边缘轮廓和实现边缘增强。