基于聲學(xué)超透鏡的光聲顯微成像亞波分辨率技術(shù)研究.pdf

1、實(shí)現(xiàn)光聲顯微成像的亞波長(zhǎng)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(zhǎng)超高分辨率關(guān)鍵技術(shù)，研究?jī)?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(duì)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(cè)對(duì)象，當(dāng)前的光聲成像過(guò)程中光聲信號(hào)的采集存在很大的局限性，成像分辨率無(wú)法突破“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(zhǎng)分辨率圖像對(duì)微

2、小結(jié)構(gòu)進(jìn)行近場(chǎng)成像，并且國(guó)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(zhǎng)分辨率要求與這些研究成果中的成像對(duì)象具有很大的相似性。所以，聲學(xué)超材料研究技術(shù)無(wú)疑是一種解決當(dāng)前光聲顯微圖像分辨率受限的首選方法。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(hào)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(kāi)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(hào)傳輸介質(zhì)折射率影響

3、成像分辨率的基礎(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(guò)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(guò)程中的遠(yuǎn)場(chǎng)成像方式，達(dá)到亞波長(zhǎng)分辨率的近場(chǎng)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(shí)，結(jié)合平面波帶隙理論，研究分析了攜帶光聲圖像細(xì)節(jié)信息的倏逝波在

4、介質(zhì)中傳輸性質(zhì)及其聲場(chǎng)分布規(guī)律，為基于倏逝波傳輸?shù)墓饴暢叻直媛蕡D像處理理論建立提供了借鑒。在分析光聲顯微亞波長(zhǎng)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(hào)的源頭?？紤]到信號(hào)的傳播過(guò)程，本文提出了在光聲顯微成像的光聲信號(hào)采集中使用超材料透鏡，并設(shè)計(jì)了一種用于光聲信號(hào)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(wú)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(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，并使用徑向、軸

5、向二維剖面聲場(chǎng)傳輸分析的方法研究了透鏡成像性能，該二維分析方法得到的研究結(jié)論與透鏡在三維空間中分析得到的聲學(xué)性能結(jié)果基本一致。
　　接著，針對(duì)光聲顯微信號(hào)能量集中在中心軸傳輸?shù)囊螅疚氖褂寐晫W(xué)超透鏡設(shè)計(jì)方法解決了光聲成像中的聲波沿中心軸傳輸問(wèn)題，并設(shè)計(jì)了適合于光聲顯微成像的特殊結(jié)構(gòu)“漏斗型”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“漏斗型”結(jié)構(gòu)聲學(xué)透鏡設(shè)計(jì)，有著較好的亞波長(zhǎng)分辨率光聲顯微成像效果。
　　最后，本文