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针对显微系统具有高分辨率与高成像质量的要求，其系统一般片数多装调困难，导致系统存在实际的装调效果与设计结果之间难以匹配的问题，因此提出了小像差互补的方法对系统进行设计。首先，建立基于小像差互补设计方法的数学模型，然后将其编写为可用于控制ZEMAX软件的宏语言(ZPL)，再对光学系统进行优化设计。最后以一红外显微光学系统为例，对比小像差互补设计方法使用前后的优化结果，对小像差互补设计方法进行了验证，发现应用小像差互补设计方法的光学系统，总体成像质量具有突出优势，各元件的公差敏感性明显降低，整体光学系统的稳定性得到了有效提高。

由于具有低光毒性、高速宽视场以及多通道三维超分辨成像能力,超分辨结构照明显微术(SR-SIM)特别适合用于活细胞中动态精细结构的实时检测研究。超分辨结构照明显微图像重建算法(SIM-RA)对SR-SIM的成像质量具有决定性影响。本文首先简要介绍了超分辨显微术的发展现状,阐述了研究SR-SIM图像重建算法的必要性;然后介绍了SR-SIM的成像原理,并重点介绍了SR-SIM图像重建算法,包括SR-SIM中频繁使用的去卷积重建算法、SR-SIM校准与重建过程中参数值获取的算法,以及目前发展的超分辨结构照明显微图像重建算法,并介绍了SR-SIM工具箱;最后总结了当前发展超分辨结构照明显微图像重建算法需解决的5个问题。

随着航空航天制造业和高性能飞行器的不断发展,大曲率板壳结构得到了广泛应用。针对由预应力和尺寸位置偏差等因素引起的装配变形问题,利用光纤布拉格光栅(FBG)传感器对板壳结构的曲面重构算法进行研究。建立了波长偏移量与曲率的关系,得到曲面重构算法所需的曲率数据,应用分段拟合算法计算全部测点的坐标增量,从而实现曲线重构。在此基础上,对实测板壳结构曲面进行重构,并将ANSYS仿真曲面测点处的理论数据与实际重构变形曲面测点数据进行对比,结果表明,该算法有效性较高,为板壳结构件的变形预测和修正提供了技术支撑。

高光谱图像分类是遥感领域的研究热点之一,是对地观测的重要手段,在地物的精细识别等领域具有重要的应用。使用卷积神经网络(CNN)可以有效地从原始图像中提取高级特征,具有较高的分类精度。但CNN计算量巨大,对硬件要求较高。为了提高模型计算效率,可以在图形处理器(GPU)上进行CNN模型的训练。现有的并行算法,比如GCN(GPU based Cube-CNN),无法充分利用GPU的并行能力,算法加速效果并不理想。为了进一步提升算法效率,提出基于通用矩阵乘法(GEMM)算法的GGCN(GPU based Cube-CNN improved by GEMM)并行加速算法,通过G-PNPE(GEMM based Parallel Neighbor Pixels Extraction)对输入数据和卷积核进行重新组织排列,实现卷积的并行计算,有效地提高了GPU的利用率并进一步提升了算法的训练效率。通过分析在三个数据集上的实验结果发现,改进算法的分类精度与原算法保持一致,而且模型的训练时间缩短了30%左右,表明算法的有效性和优越性。

针对芯片式光谱仪的光束耦合与对准监测难的问题，提出了一种集成光学系统，避免光纤与芯片式光谱仪接收端接触产生磨损；有效解决光纤遮挡导致无法监测耦合效果的问题。光学系统由耦合前部分系统、监测后部分系统和复合共用系统三部分组成，复合共用系统需同时配合耦合前部分系统与监测后部分系统分别完成光束耦合与对准监测的功能。采用多重组合方式对整体系统进行设计，针对6 μm入射光纤与20 μm×20 μm的芯片式光谱仪接收端，在（1 550±50） nm的工作谱段对光纤光束与芯片式光谱仪接收端耦合系统与监测系统进行了设计，并通过LightTools软件对耦合系统进行能量分析，计算耦合效率为0.733。整体系统结构简单且无需手动调节，可同时进行光束耦合与对准监测，为芯片式光谱仪的耦合及监测提供了一种新方法。

为了在实现系统内调焦的同时保证宽光谱系统的优良像质，通过合理选材对宽光谱光学系统中存在的位置色差以及二级光谱进行校正，并提出了一种内调焦宽光谱光学系统的设计方法.建立内调焦消色差的数学模型，推导系统设计所需满足的公式.结合提出的数学模型与推导出的公式，以焦距为90 mm、F数为2.8、具备内调焦功能的宽光谱光学系统为例进行验证.结果表明，系统可在420~900 nm的宽光谱范围内对0.2~200 km位置内的目标进行色差校正，验证了内调焦宽光谱光学系统设计方法与消色差数学模型的正确性.

设计出一种对左旋和右旋圆偏振光产生各向异性相位调制的双模超表面器件。该器件在改变硅纳米柱尺寸进而调控传输相位的同时,改变了其面内旋向获得附加的几何相位。由于两种相位的结合,入射到超表面器件的右旋圆偏振光实现了44.8%的聚焦效率,而对于入射左旋圆偏振光,则保持其平面波前透射。该超表面器件作为小型化偏振器件可应用于信息加密传输等领域。

光学相干层析显微成像(OCM)技术是一种使用相干探测的光学显微成像技术。OCM不仅具有光学相干层析成像技术(OCT)高轴向分辨、高信噪比、无需标记的优势,而且能通过高倍物镜获得高横向分辨能力,能实现微米量级的空间分辨率。首先介绍OCM技术的基本原理和实现方案,然后详细阐述OCM技术的原理以及在国际上的研究进展。针对OCM技术中如何实现超高分辨成像、焦深限制成像深度等问题,对目前该研究领域一些先进的OCM技术进行总结。OCM技术在生物医学、材料检测等领域具有广泛的应用前景。

纤维状结构是生物组织的一种基本结构形式。疾病的发生和演化常常伴随着纤维状结构空间取向的相应变化。对生物组织内纤维状结构空间取向的定量表征方法和主要应用进行了简单综述,着重介绍了空间取向信息在几种重要疾病模型中的研究进展,包括伤口愈合、骨关节炎、乳腺癌、腹膜癌扩散、脑损伤等,并在特定的人工组织模型中探究了组织结构与功能的关系。对生物组织纤维状结构的高灵敏、高精度描述,为研究疾病的发生和演化提供了新思路和手段,有望实现特定疾病的早期诊断和病理机制的深入理解。最后,对该方法的应用前景进行了展望。

小型化探头是内窥光学相干层析成像(Optical coherence tomography, OCT)中的普遍需求。介绍了包括基于球透镜、光纤透镜、自聚焦光纤、自由曲面透镜、无透镜的OCT技术的发展历程,总结和比较了各种技术的优劣,为探头的小型化设计提出了建议。研究探头的焦深拓展技术对分辨人体内细胞的在体成像的发展具有重要意义。介绍了几种重要的适用于小型化探头的焦深拓展技术,其中基于模式干涉的探头由于易于制作、结构紧凑、传输效率高,同时具有可以优化工作距离、焦深和轴向光强均匀性的优点,在拓展小型化探头的焦深方面具有一定的发展潜力。