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基于波动光学的显微光场成像点扩散函数

顾梦涛 宋祥磊 张彪 唐志永 许传龙

顾梦涛, 宋祥磊, 张彪, 等 . 基于波动光学的显微光场成像点扩散函数[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(8): 1552-1559. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0689
引用本文: 顾梦涛, 宋祥磊, 张彪, 等 . 基于波动光学的显微光场成像点扩散函数[J]. 北京航空航天大学学报, 2019, 45(8): 1552-1559. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0689
GU Mengtao, SONG Xianglei, ZHANG Biao, et al. Point spread function of microscopic light field imaging based on wave optics[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(8): 1552-1559. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0689(in Chinese)
Citation: GU Mengtao, SONG Xianglei, ZHANG Biao, et al. Point spread function of microscopic light field imaging based on wave optics[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2019, 45(8): 1552-1559. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0689(in Chinese)

基于波动光学的显微光场成像点扩散函数

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2018.0689
基金项目: 

国家自然科学基金 51676044

江苏省自然科学基金 BK20150023

中国科学院低碳转化科学与工程重点实验室开放课题 KLLCCSE-201703

中国科学院低碳转化科学与工程重点实验室开放课题 SARI

中国科学院低碳转化科学与工程重点实验室开放课题 CAS

详细信息
    作者简介:

    顾梦涛  男, 硕士研究生。主要研究方向:微纳多相流的特性与测试

    许传龙   男, 博士, 教授。主要研究方向:多相流测试、燃烧诊断技术

    通讯作者:

    许传龙, E-mail: chuanlongxu@seu.edu.cn

  • 中图分类号: O359

Point spread function of microscopic light field imaging based on wave optics

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 51676044

Natural Science Foundation of Jiangsu Province BK20150023

CAS Key Laboratory of Low-Coal Conversion Science & Engineering KLLCCSE-201703

CAS Key Laboratory of Low-Coal Conversion Science & Engineering SARI

CAS Key Laboratory of Low-Coal Conversion Science & Engineering CAS

More Information
  • 摘要:

    光场Micro-PIV通过Lucy-Richardson(L-R)算法对光场图片进行反卷积重建,从而获得示踪粒子的三维坐标信息,准确的点扩散函数(PSF)是L-R算法完成重建的前提,而现有PSF模型不适用于光场Micro-PIV系统。为此,建立了基于波动光学的显微光场成像PSF模型,进行了数值仿真,获得了模拟PSF图像,并通过结构相似性算法计算了模拟PSF图像与实际PSF图像的相似度,进一步利用L-R算法结合PSF对单个粒子和不同浓度下示踪粒子的流场进行了三维重建。结果表明:模拟PSF图像与实际PSF图像相似度大于0.94,表明PSF模型具有较高的准确性;单个粒子的三维坐标误差在一个像素以内,并可准确地获得不同浓度下示踪粒子的三维坐标信息,进一步验证了模型的准确性,为光场Micro-PIV实现瞬时三维速度场测量奠定了基础。

     

  • 图 1  显微光场成像原理示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of microscopic light field imaging

    图 2  光场Micro-PIV系统原理图

    Figure 2.  Schematic diagram of light field Micro-PIV system

    图 3  光场Micro-PIV实验系统

    Figure 3.  Light field Micro-PIV experimental system

    图 4  光轴上不同深度点的模拟PSF图像

    Figure 4.  Simulated PSF image of points at different depth on optical axis

    图 5  深度z=50μm时不同水平位置处PSF仿真结果

    Figure 5.  PSF simulation results at different horizontal positions when depth z=50μm

    图 6  光轴上不同深度点的实际PSF图像

    Figure 6.  Actual PSF image of points at different depth on optical axis

    图 7  单个粒子实验光场图片及重建结果

    Figure 7.  Single particle experimental light field image and reconstruction results

    图 8  低粒子浓度(0.025g/L)实验重建结果

    Figure 8.  Low particle concentration (0.025g/L) experimental reconstruction results

    图 9  高粒子浓度(0.25g/L)实验重建结果

    Figure 9.  High particle concentration (0.25g/L) experimental reconstruction results

    表  1  显微光场成像系统参数

    Table  1.   Microscopic light field imaging system parameters

    设备 参数 数值
    显微镜 物镜放大倍率M 10
    物镜数值孔径NA 0.3
    物镜焦距fo/mm 20
    筒镜焦距ft/mm 200
    CCD相机 分辨率npx×npy 2352×1768
    像素大小Pp/μm 5.5
    微透镜阵列 微透镜孔径D/μm 136
    微透镜焦距fμ/μm 2260
    荧光粒子 荧光波长λ/nm 584
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    表  2  图像相似度函数值

    Table  2.   Image similarity function values

    深度/μm 0 10 20 30 40 50 60 70 80
    相似度函数值 0.9838 0.9820 0.9740 0.9661 0.9586 0.9581 0.9556 0.9463 0.9426
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-11-23
  • 录用日期:  2019-01-11
  • 网络出版日期:  2019-08-20

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