1 南京理工大学电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所, 江苏 苏州 215163
3 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
针对非接触式眼压计测量眼压过程中常受外界因素影响的情况, 通过分析角膜压平检测原理, 提出一种基于气压传感器时间曲线的角膜类压平时刻眼压标定方法, 搭建了实验系统并研制出了原理样机。通过记录压平检测受光传感器及气压传感器两通道数据, 基于最佳包络因子的角膜类压平时刻重心优化算法提取类压平时刻对应的气压传感器数值, 采用基于最小二乘法的最优多项式插值拟合方法进行眼压标定。模拟眼实验结果显示角膜压平反光量曲线包络因子为0.7时, 角膜类压平时刻方差值最小(0.068); 缸内压力值和眼压值之间5次多项式插值拟合校正决定系数最大(0.997 1), 均方根误差最小(0.525 3)。开展人眼眼压测量实验验证, 与金标准测量结果相比测量偏差在±1 mmHg以内, 结果较为准确稳定, 满足临床诊断要求, 表明这种眼压测量标定方法有效可行, 有助于眼科疾病的准确诊断。
眼压 压平检测 包络因子 类压平时刻 标定 intraocular pressure flattening detection envelope factor quasi flattening moment calibration
1 中国科学技术大学生物医学工程学院（苏州）生命科学与医学部，安徽 合肥 230026
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
3 苏州大学附属第二医院，江苏 苏州 215004
4 济南国科医工科技发展有限公司，山东 济南 250102
5 沈阳国科医工科技发展有限公司，辽宁 沈阳 110167
为了对眼底周边部区域进行成像检查，研究了激光线扫描眼底成像技术。搭建了激光线扫描超广角共聚焦眼底成像系统，进行了系统总体光路设计，以及超广角、高分辨双模式成像的参数设计。对探测成像部分进行了Zemax设计与像质评价，依据参数进行了元器件的选型并搭建了实验系统，利用面阵相机像素边界得到了虚拟共聚焦狭缝，实现了眼底线扫描双模式共聚焦成像。最后对系统的实际视场角、分辨率、成像效果进行了评估。经实际测量，所设计系统在超广角模式下成像单幅眼底图的视场角可达到136.3°，高分辨模式下的成像分辨率为8.5 μm。所提出的激光线扫描眼底成像方法可以有效地实现眼底超广角成像，为相关仪器的研制提供了参考。
生物光学 激光线扫描 超广角 共聚焦眼底成像 虚拟狭缝 中国激光
2023, 50(21): 2107108
1 中国科学技术大学生物医学工程学院（苏州）生命科学与医学部，安徽 合肥 230026
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
3 苏州大学附属第二医院，江苏 苏州 215004
4 河海大学理学院，江苏 常州 213002
为实现角膜在眼底相机系统轴向上的精确对准，提出了一种基于双光点视标的角膜精密对准技术。采用该对准技术，可以将双孔光阑所形成的两个光点视标投影在角膜上，依据两个光点经角膜前表面反射后在探测器上重合的位置坐标，先实现对瞳孔中心的对准，再根据两个光点经角膜前表面反射后在探测器上的分离情况与分离距离，确定眼底相机相对于角膜的轴向位置。实验结果表明：基于该双光点视标的角膜精密对准技术可以达到0.25 mm的对准精度和8.2 mm的对准范围。这种对准方法精确度高，对准范围大，可以满足眼底成像时仪器相对于被检眼轴向调节位置的要求。
医用光学 眼底相机 对准 杂散光 双光点视标
1 中国科学技术大学 生物医学工程学院，安徽合肥230026
2 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所 江苏省医学光学重点实验室， 江苏苏州15163
传统显微成像一般记录样本的强度信息，对于半透明或相位组织成像对比度较差。为实现相位组织非荧光标记成像，采用线扫描共聚焦全息成像方法，在线扫描共聚焦成像的基础上增加一路参考光，在共聚焦狭缝处形成离轴像面数字全息，通过控制样本的移动实现对样本的扫描，将获得的干涉线合成为二维全息图，通过频域滤波的方式获得振幅与相位分布，采用相邻剖面相似的特性校正环境振动引起的相位横纹，并且通过多区域扫描拼接实现大视场全息成像。对USAF1951分辨率板进行线扫描共聚焦全息成像，采用抖动校正算法，使本实验重建相位图中的抖动横纹降低了84.7%，获取3个子区域图，通过图像拼接达到1 160 μm×1 043 μm的成像视场，扫描更多的子区域可以获取更大的视场，并且对洋葱表皮细胞实现共聚焦相位成像。实验结果表明了该线扫描共聚焦全息成像方法可以实现对半透明样本的大视场相位成像，为相关仪器研制提供了指导与依据。
数字全息 光学显微成像 线扫描共聚焦 扫描拼接 大视场 digital holography optical microscopy line-scanning confocal scanning splicing large field of view
1 中国科学技术大学 生物医学工程学院，安徽 合肥 230026
2 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所 江苏省医学光学重点实验室，江苏 苏州 215163
3 苏州大学附属第二医院，江苏 苏州 215000
共聚焦显微镜的分辨率受光学衍射极限限制。已经证明结构调制在共聚焦显微镜中可以实现超分辨成像，但是由于图像采集速度有限，导致该方法的实际应用具有局限性。为了提高系统的成像速度，本文介绍了一种将线扫描应用到结构调制共焦显微镜的方法。利用柱面透镜产生线照明，余弦数字掩模用于探测端的解扫描线斑图像调制，与虚拟结构探测方法不同之处在于无需后续的移频过程。为了提高各项同性分辨率，采用样本转动的方式实现0°、90°两角度扫描。仿真和实验结果表明，相干传递函数频谱宽度增大，成像分辨率达到传统共聚焦显微镜的1.4倍。与采集单点图像的结构调制共焦显微镜相比，图像采集速度提高了104倍。
线扫描共聚焦 超分辨 虚拟结构调制 line-scanning confocal super-resolution virtual structured modulation
1 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
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
3 苏州大学附属第二医院，江苏 苏州 215000
在皮肤反射式共聚焦显微成像过程中，针对MEMS振镜二维扫描引起的共聚焦图像畸变，开展了光束偏转理论分析，得出了投影面扫描图像的具体形状表征，理论畸变图像与真实畸变图像一致，明确了畸变机理，提出一种有效的畸变校正算法，实现对图像二维畸变的校正。首先记录原始光栅畸变图像，然后基于Hessian矩阵提取光栅中心线，拾取特征点并设置基准参考线，通过基于最小二乘法的7次多项式插值法标定二维方向像素畸变校正量，采用加权平均法填补间隙像素灰度值，最终实现图像畸变校正。利用网格畸变测试靶实验得出7次多项式插值后的校正决定系数最高、均方根误差值最低，整幅512行图像在7次多项式插值后最优行数占379行，比例为74%，通过残差分析，二维方向上残差最大为4个像素，最小为0个像素，平均为1.15个像素，校正结果较为精确。皮肤在体实时成像实验显示，图像畸变校正后组织结构特征更加真实准确，表明这种校正算法有效可行，有助于皮肤疾病的准确诊断。
图像二维畸变 机理分析 Hessian矩阵 光栅 多项式插值 two-dimensional distortions of images mechanism analysis Hessian matrix grating polynomial interpolation 红外与激光工程
2021, 50(2): 20200206
1 南昌大学机电工程学院, 江西 南昌 330031
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
3 江苏省医疗器械检验所, 南京 210019
为了对具有陡峭轮廓的物体进行非接触式表面粗糙度测量,常采用共聚焦成像对物体进行分层成像,进而重建出物体的表面三维轮廓,并采用高斯滤波的方法从表面三维轮廓中滤出粗糙度轮廓。在滤波过程中,会出现边界数据的缺失,常规的简单延伸原始轮廓两端数值的方法会导致滤波后的轮廓两端出现失真,该方法只适用于整体轮廓较为平缓的零件。引入了一种新的边界区域修正方法,该方法对表面弧度变化较大的零件也同样适用,能够准确提取物体的粗糙度轮廓。对整体轮廓较为平缓和陡峭的两组粗糙度样本分别进行共聚焦成像测量,对于整体轮廓较为平缓的样本,利用常规方法处理后,得到的均方根误差和粗糙度的平均值分别为0.080和2.86 μm,与该样本粗糙度值2.94 μm相比,相对误差为2.72%;利用边界区域修正方法处理后,得到的均方根误差和粗糙度的平均值分别为0.090和2.85 μm,与该样本粗糙度值的相对误差为3.06%。整体轮廓较为陡峭的样本的粗糙度值为3.2 μm,利用常规方法处理后,得到的均方根误差和粗糙度的平均值分别为0.120和3.31 μm,与该样本粗糙度值的相对误差为3.48%;利用边界区域修正方法处理后,均方根误差和粗糙度的平均值分别为0.045和3.19 μm,与该样本粗糙度值的相对误差为0.31%。研究结果表明,该方法能准确地测量整体轮廓较为陡峭的物体的表面粗糙度,为激光共聚焦粗糙度测量设备的研制提供了参考。
测量 非接触式测量 表面粗糙度 共聚焦成像 轮廓滤波器 激光与光电子学进展
2020, 57(21): 211203
1 上海大学 机电工程与自动化学院, 上海 200072
2 中国科学院苏州生物医学工程技术研究所 江苏省医学光学重点实验室, 江苏 苏州215163
为了提高液晶空间光调制器(LC-SLM)的校准精度, 采用条形光栅相位图对LC-SLM进行了标定。首先基于傅里叶光学模拟计算得出了条形光栅相位图对比度与零级衍射光斑光强之间的对应关系, 然后搭建实验光路并在LC-SLM上加载了条形光栅相位图, 测量LC-SLM控制程序中加载的灰度图所对应的零级衍射光斑光强值, 经过分析计算得出计算机灰度信号与相位调制量之间的映射关系, 并最终得到了针对488 nm激光的LC-SLM的标定文件LUT。经过标定之后, 相位调制曲线的线性相关度可达0.996 4,校正误差仅为0.224 0 rad。结果表明, 在LC-SLM上加载复杂的高阶相位, 并结合LUT文件可以调制生成高质量的双螺旋光斑。此研究结果表明: 针对特定波长, 利用条形光栅相位图标定的LC-SLM得到的LUT文件可以使LC-SLM根据加载的相位对光束进行有效调制, 且其方法更简单。
傅里叶光学 液晶空间光调制器 校准精度 条形光栅相位图 Fourier optics liquid crystal spatial light modulator calibration accuracy strip grating phase image 红外与激光工程
2019, 48(7): 0706005
1 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
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
在皮肤反射式共聚焦显微成像过程中, 为了实现图像亮度的快速调节, 提出了一种图像亮度自适应调节方法。通过实验建立光强控制电压与图像亮度之间的关系模型, 划分图像极端亮度区间与适度亮度区间, 采用分段调节策略, 将初始图像从极端亮度区间快速调整至适度亮度区间, 在适度亮度区间内通过线性补偿调节至目标灰度均值。对不同深度、不同位置的皮肤组织进行实时成像, 图像初始亮度存在着过亮、过暗和适中等各种情况, 上述亮度自适应调节方法均能实现快速亮度调节, 调节迭代次数为2~3, 调节后图像灰度均值达到最优值70左右。实验结果表明, 这种自适应图像亮度调节方法快速、有效, 能够满足皮肤共聚焦成像检测的需要。
显微成像 反射式共聚焦 皮肤 亮度区间 线性补偿 图像灰度均值 microscopy reflectance confocal microscopy skin brightness section linear compensation image pixels mean value
