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创新弹性成像技术 提升影像系统性能——佛山科学技术学院特聘教授蓝公仆博士

2019-09-03

 

佛山科学技术学院特聘教授蓝公仆博士长期从事光学成像仪器及光学系统设计研究。他曾设计多款生物医疗影像仪器(OCT、OCE、AOSLO等)、大面阵高分辨航空相机光学系统、折反式望远镜光学系统、显微镜系统等。2017年9月回国后,蓝公仆博士受聘于佛山科学技术学院,主要从事人眼角膜的弹性成像技术研究,取得了诸多创新研究成果。
 
1 创新成果
1.1 基于弹性成像实现人眼角膜活体弹性OCE测量
光学相干弹性成像仪器(Optical Coherence Elast-
ography,简称OCE)是基于干涉成像发展而来的弹性成像技术。OCE弹性成像技术的研发及应用,仍停留在实验室阶段。目前世界上已发表的人眼弹性成像论文,均为离体测量,而非活体测量。因此,OCE在人眼疾病的临床探测应用方面具有研发前景和市场前景。
蓝公仆教授于2015年起在阿拉巴马大学从事OCE的设计、搭建和实验等工作,开展了角膜的弹性成像及弹性特性分析。在国际上成功应用OCE技术实现人眼角膜活体弹性测量。该技术通过高分辨率(0.24 nm)光学测量手段,对由低压强(2060 Pa)、短期(<1 ms)气流引起的角膜局部形变(压微米量级)进行探测,得到角膜局部力学模量信息。
为实现人眼角膜活体弹性成像,减少因环境因素(如振动)引起的成像相位不稳定,使OCE更适合临床应用,他发明并搭建共光路OCE系统。与常规OCE系统相比,该系统成像光路的参考臂和成像臂共光路,参考信号由样本前的光学面反射而得。共光路设计将系统的相位噪声(约21 Hz)由1.60±0.11 μm减小到0.24±0.07 nm。共光路设计大大节约了稳像成本。不需额外的超稳定光学平台及隔离设备保证相位稳定,使人眼角膜活体弹性成像成为了可能。
1.2 基于自适应光学的大屈光度范围、非共平面多模态自适应光学扫描激光检眼镜
自适应光学是一项通过对波前像差探测,用空间光调制器(例如变形镜)对所测像差进行实时矫正的技术。蓝公仆教授主持设计并搭建了一套非共平面自适应光学扫描激光检眼镜。其亮点在于实现了大屈光度范围(-9D +7D)的人眼视网膜细胞高清晰度成像(分辨率:2.3 μm)。该系统同时集成了多种成像模式,例如:多光源(近红外:840 nm,可见光:R,G,B)、双视场(1°×1°,4.5°×4.5°)、共焦探测、偏焦探测、分探测器探测技术等。该系统在休斯顿大学已应用于青光眼患者的视网膜视觉细胞及视神经头筛板组织退化机制研究。
1.3 高灵敏线性-波数光学相干断层成像技术研究
蓝公仆为俄亥俄州立大学设计并搭建了一套宽光谱(760920 nm、线性-波数OCT系统。其关键技术为通过光学的手段(取代常规的后期插值数据处理),应用棱镜和光栅的光学搭配,补偿各自色散的非线性(波数空间),减小非线性误差(30倍,从14.86%到0.47%),降低系统敏感度衰减:由-16.84 dB降到-5.20 dB。
1.4 微型液体变焦深度扫描显微透镜技术研究
相比于传统(固态)变焦镜头,液体变焦镜头拥有更紧凑的体积和更轻的重量,能更快速地变焦和进行深度范围样本扫描,且造价更便宜。蓝博士设计并制作一系列液体变焦镜头,其应用为共焦显微镜的断层扫描等。其中一个液体变焦镜头(10 mm宽×15 mm长)可以进行深度范围为7.4 mm的变焦成像,其焦距为18.223 mm,视场角为1 mm×1 mm,分辨率为2.22.8 μm。
1.5 大幅面航空相机及望远镜的航空和天文应用
蓝博士还参与多项光学仪器的研制研发工作,主要用于天对地(航空测绘与侦察)和地对天(天文)的光电测量应用。参与完成基于单个或多个10 K×10 K芯片的大面幅数字航空测控相机系统的开发与研制,主要负责全色物镜及多光谱物镜系列的光学设计、机械设计部分。参与完成无人机航空侦察相机的开发与研制,主要负责中焦、长焦侦察镜头的光学设计、机械设计以及动态光机热分析及补偿等工作。负责f800折反式望远镜镜头的光学系统设计,用来进行基于白天天空背景下目标探测技术研究。
 
2 立志高远,展望未来
未来,蓝公仆将继续通过弹性成像技术,进行包括人眼在内的生物组织的弹性特性研究。对现有的弹性成像系统进行改进和升级,以适应不同探测需求。如尝试多种载荷激励方式、采用多种探测方式,实现高速三维弹性成像,实现小型化、可佩戴化(集成在眼镜框上面)、快速成像等。同时,将继续开展自适应光学在生物医学领域的研发及应用,利用自适应光学技术进行活体细胞量级成像技术研究,在生物医学探测系统上(显微镜、扫描激光检眼镜、OCT)集成自适应技术,提高光学系统的照明及成像质量。