天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072
光学显微镜是人类探索微观世界的重要工具，在生物学、医学、材料学、精密测量学等领域发挥重要作用。由于衍射极限的存在，发展更高质量、更高空间分辨率的超分辨光学显微成像技术成为当下研究的前沿热点。基于微球透镜的超分辨显微成像技术有着易于实现、简单直接和免标记的显著优点，发展潜力巨大。但是单个微球的视野有限，且难以进行精确定位。提高微球的可操控性，拓展超分辨显微成像视场的范围，已成为该技术突破发展的核心关键。文中在介绍微球超分辨的成像原理，分析影响成像质量主要因素的基础上，重点总结了国内外团队在拓展微球透镜超分辨显微成像视场方面的最新研究进展。根据微球的操控方式，将研究工作总结为机械接触控制、微球辅助增强层、非接触控制和微球物镜一体化四类进行介绍，探讨其技术特点，并对大视场成像、图像拼接等面向视场拓展的图像处理技术进行论述。最后，提出微球透镜超分辨显微成像技术亟待解决的关键问题、存在的难点与挑战，以及未来开展研究工作的突破点，展望了该技术的发展与应用拓展方向。
超分辨显微成像 微球透镜 成像视场 图像拼接 super-resolution microscopic imaging microspheric lens field of view image stitching 红外与激光工程
2022, 51(6): 20210438
1 西安电子科技大学物理与光电工程学院, 陕西 西安 710071
2 中国电子科技集团公司第十一研究所光电系统技术研究部, 北京 100015
针对机载光电成像系统的大视场高分辨率成像需求,设计一种基于共心球透镜的多尺度广域高分辨率光学成像系统,该光学系统包括大尺度共心球透镜和小尺度次级相机阵列,具有结构紧凑的优点。根据共心球透镜所具有的球差和色差特性,并结合小尺度相机对像差进行进一步校正以分割视场,可以实现大视场高分辨率成像。全系统在受力以及高、低温的条件下进行实验,实验结果表明该成像系统具有良好的稳定性,且全视场范围内的调制传递函数值恒接近于系统的衍射极限,弥散斑半径的方均根值小于探测器的像元尺寸,说明该系统的成像效果良好。所提系统可以有效解决传统机载成像系统难以同时满足大视场和高分辨率的问题,为光学成像系统设计提供一种新思路。
几何光学 光学系统设计 多尺度成像 计算成像 球透镜
西安电子科技大学 物理与光电工程学院，陕西 西安 710071
针对实时广域高分辨率成像需求同时保证系统结构的小型化与轻量化，设计了高集成度共心多尺度光学成像系统。该系统采用伽利略型共心多尺度成像结构将球透镜与次级相机阵列进行级联 ，以充分利用双层共心球透镜视场大且全视场成像效果一致性好的特点，并发挥伽利略型共心多尺度结构体积紧凑的优势。此外，通过设计相机阵列的排列方式进一步减少相机使用数量，实现轻量 化。通过全系统联动设计与优化，系统的调制传递函数曲线在特征频率270 lp/mm处可达0.3，全视场弥散斑均方根(RMS)半径均小于探测器像元尺寸1.85 μm，成像效果优良，且公差分析结果表明 系统易加工制造。该系统不仅能够有效实现大视场高分辨率成像，而且具有低的结构复杂度及更紧凑的结构，应用前景广阔。
光学系统 多尺度结构 共心球透镜 大视场高分辨率成像 optical system multiscale structure concentric spherical lens wide field of view and high-resolution imaging
1 南京理工大学 电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
2 南京理工大学 自动化学院, 江苏 南京 210094
受衍射极限的影响, 传统光学显微镜的分辨率最高约为波长的一半, 突破衍射极限, 获得更高的成像分辨率是近年来显微成像领域的研究热点。相比于其他超分辨显微成像方式, 基于微球透镜的超分辨显微成像方式具有简单直接、免标记等优点。主要介绍国内外研究团队将微球与传统的光学显微镜结合实现超分辨显微成像的研究进展, 从微球透镜参数选择、成像方案、成像分辨率、成像视场及成像机理等多角度进行总结与比对; 并结合课题组工作, 介绍了将微球透镜与干涉显微技术相结合的三维超分辨检测技术, 阐述了Linnik型与Mirau型两种检测光路原理, 分析了三维超分辨检测的效果; 展望了微球透镜超分辨显微技术在显微成像与显微干涉检测两个方面待解决的问题与发展方向。
微球透镜 衍射极限 光子纳米喷射 倏逝波 干涉显微 超分辨成像 microsphere lens diffraction limit photon nanojet evanescent wave interference microscopy super-resolution imaging
苏州大学 江苏省先进机器人技术重点实验室&苏州纳米科技协同创新中心, 江苏 苏州 215021
微球透镜配合传统光学显微镜可以采集到衍射极限以下的超分辨光学图像, 为了精确控制微球透镜在样品表面的位置, 同时扩大超分辨成像范围, 提出了一种控制微球透镜的方法, 结合多轴微动平台实现微球透镜的精确定位与成像扫描操作。通过光学仿真分析了微球透镜超分辨成像效果, 并对精密微动平台进行了运动学分析。为了提高超分辨成像效果, 将微球透镜浸没于液体介质中, 并对在液体中运动的微球透镜进行力学分析。通过实验, 清晰分辨出130 nm(～λ/4)的蓝光光碟条纹间隙, 证明了微球透镜具有超分辨成像能力, 结果表明, 微球透镜可以在传统光学显微镜的基础上进一步提高约3.52倍的放大倍数。通过控制微球透镜以5×10-6 m/s的速度在液体中按“S”型轨迹移动, 实现了对一个视场内样品的超分辨成像, 此控制方法可以精确控制微球透镜的运动, 通过扫描的方式可以扩大微球透镜的观测范围, 提高观测速度。
超分辨成像 微操作 微球透镜 super-resolution imaging micro-manipulation microsphere
北京大学纳米器件物理与化学教育部重点实验室, 北京 100871
受衍射极限的限制，传统光学显微镜的分辨率只能达到入射光波长的一半。超分辨显微镜已有很多，但制作工艺复杂，适用样品有限，对成像条件要求苛刻，因此应用受到很多限制。研究表明，将直径为几微米至几十微米的透明电介质微球置于样品表面，能显著提高传统光学显微镜的分辨能力，在白光下即可实现超分辨成像，与其他类型显微镜结合使用时也能保持超分辨能力。这种新型透镜为纳米结构和生物样本的实时超分辨成像提供了一种简单、直接的方式。结合本课题组研究结果，介绍并总结了国内外微球透镜的研究进展。
成像系统 超分辨成像 微球透镜 光子纳米喷射效应 生物成像 激光与光电子学进展
2016, 53(7): 070003
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了同时实现成像系统的大视场、长焦距和高分辨率, 设计了基于同心球透镜的四镜头探测器阵列拼接成像系统。首先, 阐述了四镜头探测器阵列拼接方案的原理; 介绍了同心球透镜的结构特点, 阐述了其成像优点。然后, 完成了满足实际拼接应用的同心球广角、长焦成像系统（拼接子系统）的光学设计。最后, 给出了拼接子系统的像质评价并对其进行公差分析。结果表明: 拼接后的系统可实现100 mm焦距和120°视场成像。该系统解决了大视场和长焦距之间的矛盾, 可实现超高像素成像, 相对于传统光电成像系统具有巨大的优势。
同心球透镜 探测器阵列 超高像素成像 monocentirc lens sensors arrays ultra-high resolution imaging
中国科学院 长春光学精密机机械与物理研究所，吉林 长春 130033
采用图像拼接的方法获得了大视场、高角分辨率的电视摄像。用单心球透镜将无穷远目标成一以球透镜球心为圆心的球面像，用围绕球透镜的中继物镜阵列中的每一个中继物镜，按各自对应的球面上的一部分，成像在面阵CCD像面上，最后经电视图像处理技术将这些图像合拼成一幅图像。本文还给出了一个中继物镜阵列最多可由20×20个中继物镜组成的设计结果，焦距为4579 mm，视场为 120°×1048°，像素达到85亿、角分辨率为8″。用3个这样的系统，还可以实现360°全景式高分辨率摄像。这是一个在**侦查、机场安全监视、空中和地面预警、航天摄影以及体育报道等方面具有广泛应用前景的新型电视摄像技术。
球透镜 中继物镜 图像拼接 全景摄影 ball lens relay objective images mosaic panoramic photograph
1 中南大学 高性能复杂制造国家重点实验室，长沙 410083
2 中南大学 机电工程学院，长沙 410083
为了研究半导体激光器与单模光纤在采用球透镜耦合方式的封装过程中不同耦合参量对耦合效率的影响，建立了半导体激光器与单模光纤通过球透镜耦合的光传输模型。基于ABCD矩阵和高斯光束与单模光纤耦合理论，计算了半导体激光器与单模光纤的球透镜耦合效率，以光功率下降0.5dB为评判标准，给出了在透镜半径为0.5mm时的各参量容忍度。采用蒙特卡洛分析方法，结合耦合效率计算模型，模拟仿真了各参量满足正态分布时的耦合效率分布状况。结果表明，能达到的最大耦合效率为0.616，最大概率耦合效率为0.585，参量区间缩小一半对耦合效率的提升较明显，但进一步缩小参量区间对耦合效率的提升不明显。此研究方法对激光器件封装过程中的对准单元精度选取与耦合效率预估具有指导意义。
激光器 耦合效率分析 蒙特卡洛 球透镜耦合 封装 lasers coupling efficiency analysis Monte Carlo ball lens coupling package
