基于声学超透镜的光声显微成像亚波长分辨率技术研究

发布时间：2017-07-27 15:26

  本文关键词：基于声学超透镜的光声显微成像亚波长分辨率技术研究

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【摘要】：实现光声显微成像的亚波长超高分辨率是图像处理领域中超分辨率技术的重要研究目标,也是当前诸多学者关注的热点。本文的研究工作集中于光声显微成像的亚波长超高分辨率关键技术,研究内容属于前沿物理学科—声学超材料研究技术的相关拓展。一方面,对于光声显微成像中生物组织丰富、复杂的微观结构的检测对象,当前的光声成像过程中光声信号的采集存在很大的局限性,无法突破远场成像的“衍射极限”。另一方面,声学超材料构成的透镜却能以亚波长分辨率图像对微小结构进行近场成像,并且国内外已经有一些比较权威的研究成果报告。光声显微成像的亚波长分辨率要求与这些研究成果中的成像对象具有很大的相似性。所以,声学超材料研究技术无疑是一种解决当前图像分辨率受衍射极限影响的首选方法。为了适合于光声显微成像的特殊要求,同时配合光声信号采集传感器的尺寸、规格要求,作者在攻读博士学位期间开展了以新型声学超材料透镜为核心的图像超分辨率技术研究,并取得了一系列成果。首先,在分析光声信号传输介质折射率影响成像分辨率特性基础上,本文把物理前沿的声学超材料负折射率概念引入到光声显微成像的分辨率研究中。通过在光声成像领域中使用声学超材料透镜,以及利用声学超材料的负折射率特性,可使包含图像细节信息的倏逝波参与成像,这可望改变当前光声成像过程中的远场成像方式,达到亚波长分辨率的近场成像效果。该项研究有望发展一种实现超分辨率成像技术的新途径。其次,本文利用几何声学和波动声学知识,结合晶格平面波带隙理论,研究分析了携带光声图像细节信息的倏逝波在介质中传输及声场分布性质及其规律,为基于倏逝波的光声超高分辨率图像处理理论建立提供了借鉴。在分析光声显微亚波长成像特点的基础上,本文将图像分辨率技术研究深入到成像信号的源头。考虑到信号的传播过程,本文提出了在光声显微成像中的声信号采集中使用超材料透镜,并设计了一种用于光声信号采集中的超材料透镜方案,该方案有望实现在光声成像中包含图像细节的倏逝波无损耗传输;本文也提出了一种适合光声显微成像的微型声超透镜新结构-轴对称的管状结构并使用径向、轴向二维剖面声场传输分析方法分析了透镜成像性能,该方法得到的分析结果与三维空间中的分析得到的透镜声学性能结果基本一致。接着,针对光声显微信号能量集中在中心轴传输的要求,本文使用声学超透镜设计方法解决光声成像中的倏逝波传输问题,设计了适合光声显微成像的特殊结构“漏斗形”声学超透镜。理论分析和实验模拟表明,本文提出的这种“漏斗形”结构声学透镜设计,有着较好的亚波长分辨率光声显微成像效果。最后,本文虽然在声学超材料透镜构成光声显微成像的亚波长分辨率实现方面进行了研究,取得了初步的效果;但是在声学超透镜的参数优化、声学超透镜的精确制备及光声显微成像的实际应用研究工作需要进一步完善。
【关键词】：光声显微成像 倏逝波 亚波长分辨率 声学超材料透镜
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-23
• 1.1 研究背景及意义13-14
• 1.2 相关技术的国内外发展现状14-21
• 1.2.1 光声成像的亚波长分辨率技术研究现状14-18
• 1.2.2 声学超材料促进声成像分辨率发展概况18-21
• 1.3 研究思路及研究框架21-22
• 1.4 主要研究内容及章节安排22-23
• 第2章 光声信号传输介质折射率与成像分辨率研究23-40
• 2.1 光声显微成像系统的点声源分析23-26
• 2.1.1 光声信号产生的机理23-24
• 2.1.2 高频激光聚焦组织产生的点声源分析24-26
• 2.2 点声源在透镜中传输的傅里叶分析26-34
• 2.2.1 点声源经过声透镜后的点扩展函数分析27-29
• 2.2.2 声学透镜滤波特性与成像分辨率的关联性研究29-34
• 2.3 负折射率透镜与亚波长分辨率关系34-39
• 2.3.1 海森堡测不准原理与瑞利判据的关系34-37
• 2.3.2 基于负折射率的亚波长分辨的分析37-39
• 2.4 小结39-40
• 第3章 新型轴对称声学超透镜设计与分析40-56
• 3.1 新型声学超透镜结构分析40-43
• 3.2 轴对称结构声学透镜的有限元分析方法43-45
• 3.3 声学超透镜的径向剖面声传输分析45-49
• 3.4 声学超透镜轴向剖面的声传输分析49-55
• 3.4.1 基于多散射方法的轴向剖面的长波传输特性49-54
• 3.4.2 透镜轴向剖面散射波中的局域共振分析54-55
• 3.5 小结55-56
• 第4章 声学超透镜的轴向剖面的声传输特性分析56-80
• 4.1.透镜轴向剖面的负折射率分析56-67
• 4.1.1 基于平面波展开法的轴向剖面带隙特性分析56-60
• 4.1.2 轴向剖面振动分析与负质量的实现60-67
• 4.2 透镜轴向剖面薄板的特性分析67-75
• 4.2.1 基于COMSOL的特征频率分析及显示67-68
• 4.2.2 透镜轴向二维剖面的共振频率测试68-72
• 4.2.3 声学超透镜薄板的共振测试实验72-75
• 4.3 基于有限元分析的的轴向剖面负折射率成像75-79
• 4.4 小结79-80
• 第5章 声学超透镜在三维空间中的成像规律研究80-109
• 5.1 基于多层散射法的透镜三维空间传输特性分析80-85
• 5.2 三维空间中声学超透镜声波传输分析85-95
• 5.2.1 超透镜三维建模过程及说明85-88
• 5.2.2 三维空间中超透镜多层变化的成像规律分析88-95
• 5.3 声学透镜层状结构的分析测试95-102
• 5.3.1 超材料透镜层状结构样品制备95-96
• 5.3.2 声学超透镜的声波传输检测平台96-99
• 5.3.3 层状结构超透镜实验结果分析99-102
• 5.4 基于 3D打印技术的声学超透镜样品测试102-108
• 5.4.1 声学超透镜实验样品制备102-104
• 5.4.2 超透镜声场检测实验及结果分析104-108
• 5.5 小结108-109
• 第6章 基于声学超透镜的点声源近场显微成像分析109-132
• 6.1 基于超透镜的亚波长分辨率的点声源成像109-113
• 6.2 基于透镜剖面的点声源成像模拟与效果分析113-119
• 6.2.1 基于有限元法分析点声源透镜成像模型113-114
• 6.2.2 不同晶格结构的超透镜成像分析114-119
• 6.3 三维声学透镜超亚波长分辨率成像特性分析119-128
• 6.3.1 超透镜三维建模及成像效果分析119-125
• 6.3.2 负折射近场成像结果的理论分析125-128
• 6.4 基于声学超透镜的成像系统设计方案及拓展128-131
• 6.4.1 三维光声成像方法及其装置介绍128-130
• 6.4.2 水下亚波长成像系统设计方案130-131
• 6.5 小结131-132
• 第7章 总结与展望132-135
• 7.1 本文主要研究工作132-134
• 7.2 本文主要创新点134
• 7.3 研究展望134-135
• 参考文献135-141
• 致谢141-142
• 攻读博士期间发表的学术成果及参与的科研项目142-143

【参考文献】

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 李银丽;多功能扫描探针显微镜的研制和应用[D];大连理工大学;2006年

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本文编号：582102