提出一种基于维纳-辛钦定理计算光学相干层析成像(OCT)系统轴向分辨率δz的通用方法:对光源的功率谱密度分布进行傅里叶逆变换,得到其自相干函数,由其半峰全宽值来获得δz。利用该方法计算了高斯和非高斯分布光谱光源OCT系统的δz,通过与厂商给出的产品标称值相比较,验证了本方法对于高斯和非高斯分布光谱光源的正确性。以超宽带白光光源为例,使用滤光片滤除边缘部分光谱后形成非高斯分布光谱,搭建实验系统,实测δz,所得结果与本方法的计算结果较为接近,实验验证了本方法的正确性。本方法对于非高斯分布光谱光源OCT系统δz的计算结果,能为系统设计时的参数考虑与器件选择等提供依据。

基于超宽带光源频谱域相干层析术,提出一种适用于实际系统的多普勒频移标定方法。该方法先用光路模块整体运动替代传统的平面镜运动,使标定方法适用于实际情况,然后在运动中采集一系列随时间变化的光谱,最后通过傅里叶变换分析光谱分布范围。结果表明,相比于传统标定方法,所提标定方法拥有更高的精度,系统轴向分辨率提高了0.34 μm,在实际生物组织成像中有更好的成像效果。

提出一种非轴向扫描的细胞显微深度成像技术, 在显微系统中加入菲涅耳透镜, 利用菲涅耳透镜的色散将不同激发光波长聚焦到不同的轴向位置, 以实现对两个或多个焦平面同时成像.基于405 nm和532 nm两种激发光波长, 在传统的荧光显微镜的激发路径中加入对应的两个成像探测器来探测两个不同焦平面所对应像面的成像信息, 搭建得到一个能够实现探测深度约为12 μm的基于菲涅耳透镜的荧光显微深度成像系统, 并与基于显微物镜色差无菲涅耳透镜的荧光显微深度成像系统的成像深度和轴向分辨率进行实验对比.实验结果表明: 加入菲涅耳透镜能够实现系统对不同焦面的同时成像; 对于同一荧光波段, 保证系统横向分辨率的同时, 扩大了成像景深.该系统可以实现荧光生物细胞内部不同深度处的多波段同时探测.

数字微镜器件(DMD)的灵活性有助于实现并行共焦成像。设计并搭建了基于DMD的并行共焦成像系统,分析了DMD光点阵列对轴向分辨率、横向分辨率和图像对比度的影响,得出了最优光点阵列参数。结果表明:光点越小,则横向和轴向分辨率越高;当光点间距大于光点大小时,增大光点间距对成像的横向分辨率无明显改善;对于1×1微镜,光点间距为光点大小的4倍时对应的图像对比度最高,即1×1光点大小、4倍光点间距为最优光点阵列。对数值孔径为0.25的物镜而言,最优光点阵列对应的横向分辨率优于512 lp/mm,轴向分辨率可达7.82 μm,均达到衍射极限。基于最优光点阵列的三维体光栅成像比宽场成像具有更高的分辨率和明显的层切效果,与激光扫描共焦成像相比无较大差距。基于DMD的并行共焦成像系统在保证高速成像的前提下,实现了高分辨率和高图像对比度的光学层切成像,在实时成像和三维成像中有一定的优势和应用前景。

提出了一种基于固定光程差干涉信号的光谱标定方法。在频域光学相干层析成像(OCT)系统中引入一个光程差为固定值的干涉信号,则每次采集的信号同时包含该固定光程差的干涉信号和样品的干涉信号,通过滤波的方式将该固定光程差的信号分离出来,再利用其相位实现对系统样品干涉信号的光谱标定。理论分析了该方法的可行性。在100 kHz扫频光源OCT系统中,用反射镜作为样品在不同深度位置进行了光谱标定实验,获得了不同深度位置的点扩展函数和轴向分辨率,与利用光源clock触发采集的波数等间隔干涉信号处理结果对比,该方法具有更好的有效性。

针对彩色共焦距测量系统中测量范围和分辨率的调制问题, 采用色散和聚焦功能分离的思路设计了一款色散物镜, 其色散功能由纯球面折射透镜组成的色散管镜来实现, 聚焦功能则采用商业物镜实现。使用ZEMAX软件对色散管镜的结构、材料及像差进行了设计及优化, 仿真结果显示所设计的色散管镜在可见光范围内能获得优于230 mm的轴向线性色散, 实际加工的成品管镜的轴向线性色散范围可达160 mm。实验测量了色散管镜及它结合不同聚焦物镜后的色散特性。实验结果表明, 色散管镜结合不同聚焦能力的物镜能够具有高线性度的轴向色散区域; 结合4倍和10倍放大倍率的商用物镜, 分别获得了1 300 μm和225 μm的测量范围, 其轴向分辨率分别为2 μm和0.4 μm, 实现了测量范围和分辨率的调制。

为了解决传统高斯光束片状光照明显微成像技术高轴向分辨率时视场范围(FOV)小的问题, 结合艾里光束片状光照明样本成像与去卷积算法, 实现了光片显微镜对样本的高轴向分辨率大视场成像。数值模拟了高斯光束与艾里光束经过物镜聚焦后的光强分布。搭建实验光路系统, 在液晶空间光调制器上加载三次相位图生成艾里光束, 并扫描光束生成片状光照明荧光微球、染色的斑马鱼肌肉组织进行成像实验。在艾里光束光片显微镜成像结果基础上, 建立去卷积算法进行图像恢复, 克服了艾里光束光片显微镜成像范围大但轴向分辨率不高的问题, 对荧光微球成像, 探测放大倍率为42倍, FOV从高斯光束光片显微镜的25 μm扩大到208 μm;对染色的斑马鱼肌肉组织进行成像, 探测放大倍率为53倍, FOV由20 μm扩大到167 μm。仿真和实验表明, 通过艾里光束光片显微镜与去卷积算法的结合可以在扩展光片显微镜成像视场的同时提高轴向分辨率。

为了提高测头的抗干扰能力，达到较高的分辨率，设计了一种基于偏振光干涉原理的原子力显微镜测头。该测头采用偏振光干涉式方法探测针尖的位移，可提高测头的灵敏度。分析了测头设计中焦点聚焦在探针悬臂梁上的可行性，并通过实验进行了验证。实验表明，Wollaston棱镜组可以有效地改变光程差。设计的共光路形式的Nomarski干涉仪光路，能够有效减小噪音的影响，并保证装置结构紧凑，适于实用。通过实验验证，此测头系统能够达到1 nm的纵向分辨精度，为原子力显微镜测量技术提供有力支持。

在谱域光学相干层析成像系统中，宽带光源的群速度色散会降低系统的轴向分辨率，导致成像分辨率和对比度的下降。分析了色散对谱域光学相干层析成像系统轴向分辨率的影响，提出了一种基于光谱校正的轴向分辨率提高方法，通过三步阈值迭代进行光谱坐标的二阶系数拟合，得到校正后的光谱数据并进行深度位置信息解调。以单层薄玻璃片和西红柿表皮组织为测量样品进行了谱域光学相干层析成像实验，结果表明，该方法与现有方法相比，能够有效补偿色散对系统轴向分辨率的影响，可将轴向分辨率有效提高10 μm，得到分辨率更高的二维扫描层析图像，该方法对于不同测量样品具有普遍适用性。

提出并实验研究了几种可以提高激光反馈扫描显微镜轴向分辨率的方法,一种方法是对常规激光反馈实验中的探测技术进行了改进,用渥拉斯顿棱镜把垂直偏振光分开探测,轴向分辨率可以提高约2.9倍;另一种方法是用双频激光器中产生的偏振态相互垂直的o光和e光作为反馈光代替了传统的单一光的反馈,轴向分辨率被提高了约2倍;第三种方法是用双频激光器中产生的o光或e光作为反馈光,轴向分辨率可以提高约2.5倍。实验结果表明,利用偏振态相互垂直的光之间的模竞争效应可以有效地提高扫描显微镜的轴向分辨率。