本文關(guān)鍵詞：基于聲學(xué)超透鏡的光聲顯微成像亞波長分辨率技術(shù)研究

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【摘要】：實(shí)現(xiàn)光聲顯微成像的亞波長超高分辨率是圖像處理領(lǐng)域中超分辨率技術(shù)的重要研究目標(biāo),也是當(dāng)前諸多學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn)。本文的研究工作集中于光聲顯微成像的亞波長超高分辨率關(guān)鍵技術(shù),研究內(nèi)容屬于前沿物理學(xué)科—聲學(xué)超材料研究技術(shù)的相關(guān)拓展。一方面,對于光聲顯微成像中生物組織豐富、復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)的檢測對象,當(dāng)前的光聲成像過程中光聲信號的采集存在很大的局限性,無法突破遠(yuǎn)場成像的“衍射極限”。另一方面,聲學(xué)超材料構(gòu)成的透鏡卻能以亞波長分辨率圖像對微小結(jié)構(gòu)進(jìn)行近場成像,并且國內(nèi)外已經(jīng)有一些比較權(quán)威的研究成果報(bào)告。光聲顯微成像的亞波長分辨率要求與這些研究成果中的成像對象具有很大的相似性。所以,聲學(xué)超材料研究技術(shù)無疑是一種解決當(dāng)前圖像分辨率受衍射極限影響的首選方法。為了適合于光聲顯微成像的特殊要求,同時(shí)配合光聲信號采集傳感器的尺寸、規(guī)格要求,作者在攻讀博士學(xué)位期間開展了以新型聲學(xué)超材料透鏡為核心的圖像超分辨率技術(shù)研究,并取得了一系列成果。首先,在分析光聲信號傳輸介質(zhì)折射率影響成像分辨率特性基礎(chǔ)上,本文把物理前沿的聲學(xué)超材料負(fù)折射率概念引入到光聲顯微成像的分辨率研究中。通過在光聲成像領(lǐng)域中使用聲學(xué)超材料透鏡,以及利用聲學(xué)超材料的負(fù)折射率特性,可使包含圖像細(xì)節(jié)信息的倏逝波參與成像,這可望改變當(dāng)前光聲成像過程中的遠(yuǎn)場成像方式,達(dá)到亞波長分辨率的近場成像效果。該項(xiàng)研究有望發(fā)展一種實(shí)現(xiàn)超分辨率成像技術(shù)的新途徑。其次,本文利用幾何聲學(xué)和波動(dòng)聲學(xué)知識,結(jié)合晶格平面波帶隙理論,研究分析了攜帶光聲圖像細(xì)節(jié)信息的倏逝波在介質(zhì)中傳輸及聲場分布性質(zhì)及其規(guī)律,為基于倏逝波的光聲超高分辨率圖像處理理論建立提供了借鑒。在分析光聲顯微亞波長成像特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,本文將圖像分辨率技術(shù)研究深入到成像信號的源頭。考慮到信號的傳播過程,本文提出了在光聲顯微成像中的聲信號采集中使用超材料透鏡,并設(shè)計(jì)了一種用于光聲信號采集中的超材料透鏡方案,該方案有望實(shí)現(xiàn)在光聲成像中包含圖像細(xì)節(jié)的倏逝波無損耗傳輸;本文也提出了一種適合光聲顯微成像的微型聲超透鏡新結(jié)構(gòu)-軸對稱的管狀結(jié)構(gòu)并使用徑向、軸向二維剖面聲場傳輸分析方法分析了透鏡成像性能,該方法得到的分析結(jié)果與三維空間中的分析得到的透鏡聲學(xué)性能結(jié)果基本一致。接著,針對光聲顯微信號能量集中在中心軸傳輸?shù)囊?本文使用聲學(xué)超透鏡設(shè)計(jì)方法解決光聲成像中的倏逝波傳輸問題,設(shè)計(jì)了適合光聲顯微成像的特殊結(jié)構(gòu)“漏斗形”聲學(xué)超透鏡。理論分析和實(shí)驗(yàn)?zāi)M表明,本文提出的這種“漏斗形”結(jié)構(gòu)聲學(xué)透鏡設(shè)計(jì),有著較好的亞波長分辨率光聲顯微成像效果。最后,本文雖然在聲學(xué)超材料透鏡構(gòu)成光聲顯微成像的亞波長分辨率實(shí)現(xiàn)方面進(jìn)行了研究,取得了初步的效果;但是在聲學(xué)超透鏡的參數(shù)優(yōu)化、聲學(xué)超透鏡的精確制備及光聲顯微成像的實(shí)際應(yīng)用研究工作需要進(jìn)一步完善。
【關(guān)鍵詞】：光聲顯微成像 倏逝波 亞波長分辨率 聲學(xué)超材料透鏡
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP391.41
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 緒論13-23
• 1.1 研究背景及意義13-14
• 1.2 相關(guān)技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀14-21
• 1.2.1 光聲成像的亞波長分辨率技術(shù)研究現(xiàn)狀14-18
• 1.2.2 聲學(xué)超材料促進(jìn)聲成像分辨率發(fā)展概況18-21
• 1.3 研究思路及研究框架21-22
• 1.4 主要研究內(nèi)容及章節(jié)安排22-23
• 第2章 光聲信號傳輸介質(zhì)折射率與成像分辨率研究23-40
• 2.1 光聲顯微成像系統(tǒng)的點(diǎn)聲源分析23-26
• 2.1.1 光聲信號產(chǎn)生的機(jī)理23-24
• 2.1.2 高頻激光聚焦組織產(chǎn)生的點(diǎn)聲源分析24-26
• 2.2 點(diǎn)聲源在透鏡中傳輸?shù)母道锶~分析26-34
• 2.2.1 點(diǎn)聲源經(jīng)過聲透鏡后的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)分析27-29
• 2.2.2 聲學(xué)透鏡濾波特性與成像分辨率的關(guān)聯(lián)性研究29-34
• 2.3 負(fù)折射率透鏡與亞波長分辨率關(guān)系34-39
• 2.3.1 海森堡測不準(zhǔn)原理與瑞利判據(jù)的關(guān)系34-37
• 2.3.2 基于負(fù)折射率的亞波長分辨的分析37-39
• 2.4 小結(jié)39-40
• 第3章 新型軸對稱聲學(xué)超透鏡設(shè)計(jì)與分析40-56
• 3.1 新型聲學(xué)超透鏡結(jié)構(gòu)分析40-43
• 3.2 軸對稱結(jié)構(gòu)聲學(xué)透鏡的有限元分析方法43-45
• 3.3 聲學(xué)超透鏡的徑向剖面聲傳輸分析45-49
• 3.4 聲學(xué)超透鏡軸向剖面的聲傳輸分析49-55
• 3.4.1 基于多散射方法的軸向剖面的長波傳輸特性49-54
• 3.4.2 透鏡軸向剖面散射波中的局域共振分析54-55
• 3.5 小結(jié)55-56
• 第4章 聲學(xué)超透鏡的軸向剖面的聲傳輸特性分析56-80
• 4.1.透鏡軸向剖面的負(fù)折射率分析56-67
• 4.1.1 基于平面波展開法的軸向剖面帶隙特性分析56-60
• 4.1.2 軸向剖面振動(dòng)分析與負(fù)質(zhì)量的實(shí)現(xiàn)60-67
• 4.2 透鏡軸向剖面薄板的特性分析67-75
• 4.2.1 基于COMSOL的特征頻率分析及顯示67-68
• 4.2.2 透鏡軸向二維剖面的共振頻率測試68-72
• 4.2.3 聲學(xué)超透鏡薄板的共振測試實(shí)驗(yàn)72-75
• 4.3 基于有限元分析的的軸向剖面負(fù)折射率成像75-79
• 4.4 小結(jié)79-80
• 第5章 聲學(xué)超透鏡在三維空間中的成像規(guī)律研究80-109
• 5.1 基于多層散射法的透鏡三維空間傳輸特性分析80-85
• 5.2 三維空間中聲學(xué)超透鏡聲波傳輸分析85-95
• 5.2.1 超透鏡三維建模過程及說明85-88
• 5.2.2 三維空間中超透鏡多層變化的成像規(guī)律分析88-95
• 5.3 聲學(xué)透鏡層狀結(jié)構(gòu)的分析測試95-102
• 5.3.1 超材料透鏡層狀結(jié)構(gòu)樣品制備95-96
• 5.3.2 聲學(xué)超透鏡的聲波傳輸檢測平臺96-99
• 5.3.3 層狀結(jié)構(gòu)超透鏡實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析99-102
• 5.4 基于 3D打印技術(shù)的聲學(xué)超透鏡樣品測試102-108
• 5.4.1 聲學(xué)超透鏡實(shí)驗(yàn)樣品制備102-104
• 5.4.2 超透鏡聲場檢測實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析104-108
• 5.5 小結(jié)108-109
• 第6章 基于聲學(xué)超透鏡的點(diǎn)聲源近場顯微成像分析109-132
• 6.1 基于超透鏡的亞波長分辨率的點(diǎn)聲源成像109-113
• 6.2 基于透鏡剖面的點(diǎn)聲源成像模擬與效果分析113-119
• 6.2.1 基于有限元法分析點(diǎn)聲源透鏡成像模型113-114
• 6.2.2 不同晶格結(jié)構(gòu)的超透鏡成像分析114-119
• 6.3 三維聲學(xué)透鏡超亞波長分辨率成像特性分析119-128
• 6.3.1 超透鏡三維建模及成像效果分析119-125
• 6.3.2 負(fù)折射近場成像結(jié)果的理論分析125-128
• 6.4 基于聲學(xué)超透鏡的成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案及拓展128-131
• 6.4.1 三維光聲成像方法及其裝置介紹128-130
• 6.4.2 水下亞波長成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案130-131
• 6.5 小結(jié)131-132
• 第7章 總結(jié)與展望132-135
• 7.1 本文主要研究工作132-134
• 7.2 本文主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)134
• 7.3 研究展望134-135
• 參考文獻(xiàn)135-141
• 致謝141-142
• 攻讀博士期間發(fā)表的學(xué)術(shù)成果及參與的科研項(xiàng)目142-143

【參考文獻(xiàn)】

中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 李銀麗;多功能掃描探針顯微鏡的研制和應(yīng)用[D];大連理工大學(xué);2006年

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本文編號：582102