光学超振荡器件设计及成像应用研究
发布时间：2023-10-01 22:50
光学成像技术带动了人类社会的变革,在生物、物理、化学、医学等各学科领域产生了深远影响。衍射现象作为光波的一个基本属性,它限制了光学成像系统的物理分辨率。突破传统衍射极限,发展超分辨成像技术一直是光学领域的热点话题。随着先进光学成像理论的发展,超分辨成像技术在荧光显微、近场扫描成像等领域取得了丰硕成果,但是这些方法无法应用于远场不易操作性目标的观察。近年来,在远场光学成像领域,科研人员提出了一种新型光学超衍射器件——超振荡器件的设计思想和技术,它不依赖倏逝波提取和荧光标记,实现了远场超衍射成像,有效突破了阿贝衍射极限的束缚,在先进光学成像研究领域具有十分重要的科学研究价值。本博士论文主要研究了超振荡器件的设计及其成像应用的具体实现途径,该研究在微纳光刻、医学成像、精密测量、光存储等领域具有重要理论和应用价值。本论文主要研究内容和取得的创新性研究成果具体如下:(1)提出了一种基于二元分离式超振荡器件的远场小视场超衍射成像方法,有效克服了现有超衍射成像系统工作距短、离轴成像畸变大等技术难题。该方法创新之处在于:通过采用分离式超振荡器件设计,实现了小视场范围内的无畸变离轴成像;同时,基于标量角...
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 光学衍射极限
1.2 显微超分辨成像技术研究现状
1.2.1 基于倏逝场重建的显微超分辨成像技术
1.2.2 荧光显微超分辨成像技术
1.3 超振荡现象及其光学应用
1.3.1 超振荡现象
1.3.2 光场超振荡技术在光学领域中的重要应用
1.4 本研究领域存在的问题
1.5 本论文的主要研究内容
第2章 衍射光场计算方法和超振荡基本理论
2.1 引言
2.2 衍射光学成像理论
2.2.1 波前的传播
2.2.2 非相干光衍射受限系统的点扩散函数
2.2.3 光学非相干成像系统的频率响应
2.3 超振荡基本理论
2.3.1 超振荡光场的相位振荡特性
2.3.2 超振荡函数的带宽特性和能量特性
2.4 超振荡透镜一般性设计方法
2.4.1 光学超振荡透镜
2.4.2 标量超振荡光场计算基本理论
2.4.3 矢量超振荡光场计算基本理论
2.4.4 超振荡透镜典型设计方法
2.5 本章小结
第3章 基于二元超振荡器件的远场小视场超衍射成像
3.1 引言
3.2 二元超振荡器件的设计和优化
3.2.1 光与超振荡器件的相互作用
3.2.2 超振荡器件设计模型
3.2.3 超振荡器件的优化求解方法
3.3 超衍射成像系统成像特性分析
3.3.1 超衍射成像系统点扩散函数
3.3.2 离轴点目标成像
3.3.3 复杂目标成像
3.4 基于超衍射点扩散函数的特征提取算法
3.4.1 系统局部光学传递函数分析
3.4.2 基于超衍射点扩散函数的特征提取算法基本思路
3.4.3 离散目标的亚衍射特征提取实例
3.5 本章小结
第4章 基于复合超振荡器件的无扫描超衍射成像
4.1 引言
4.2 复合超振荡器件的优化设计模型
4.2.1 亚孔径结构对系统分辨率的影响
4.2.2 一维超衍射波前设计
4.2.3 复合超振荡器件的优化设计
4.3 无扫描超衍射成像系统成像特性
4.3.1 无扫描超衍射成像系统三维点扩散函数
4.3.2 透射型目标的超衍射成像特性
4.4 超衍射成像系统鲁棒性
4.4.1 波前非均匀性对系统超衍射聚焦特性的影响
4.4.2 系统探测噪声误差对成像质量的影响
4.4.3 超振荡器件的波长带宽响应
4.5 本章小结
第5章 光场相干超衍射聚焦和非相干光超衍射成像实验研究
5.1 引言
5.2 基于空间光调制器波前调制的相干超衍射聚焦实验
5.2.1 液晶空间光调制器的调制机理
5.2.2 超衍射聚焦光路设计的关键技术分析
5.2.3 相干超衍射聚焦实验
5.3 基于4F系统的非相干光超衍射成像实验
5.3.1 无扫描超衍射成像系统的基本组成
5.3.2 超振荡器件微纳加工
5.3.3 无扫描超衍射成像实验
5.3.4 讨论
5.4 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 论文工作总结
6.2 未来展望
参考文献
附录 缩略词
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
本文编号：3849593
【文章页数】：125 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
1.1 光学衍射极限
1.2 显微超分辨成像技术研究现状
1.2.1 基于倏逝场重建的显微超分辨成像技术
1.2.2 荧光显微超分辨成像技术
1.3 超振荡现象及其光学应用
1.3.1 超振荡现象
1.3.2 光场超振荡技术在光学领域中的重要应用
1.4 本研究领域存在的问题
1.5 本论文的主要研究内容
第2章 衍射光场计算方法和超振荡基本理论
2.1 引言
2.2 衍射光学成像理论
2.2.1 波前的传播
2.2.2 非相干光衍射受限系统的点扩散函数
2.2.3 光学非相干成像系统的频率响应
2.3 超振荡基本理论
2.3.1 超振荡光场的相位振荡特性
2.3.2 超振荡函数的带宽特性和能量特性
2.4 超振荡透镜一般性设计方法
2.4.1 光学超振荡透镜
2.4.2 标量超振荡光场计算基本理论
2.4.3 矢量超振荡光场计算基本理论
2.4.4 超振荡透镜典型设计方法
2.5 本章小结
第3章 基于二元超振荡器件的远场小视场超衍射成像
3.1 引言
3.2 二元超振荡器件的设计和优化
3.2.1 光与超振荡器件的相互作用
3.2.2 超振荡器件设计模型
3.2.3 超振荡器件的优化求解方法
3.3 超衍射成像系统成像特性分析
3.3.1 超衍射成像系统点扩散函数
3.3.2 离轴点目标成像
3.3.3 复杂目标成像
3.4 基于超衍射点扩散函数的特征提取算法
3.4.1 系统局部光学传递函数分析
3.4.2 基于超衍射点扩散函数的特征提取算法基本思路
3.4.3 离散目标的亚衍射特征提取实例
3.5 本章小结
第4章 基于复合超振荡器件的无扫描超衍射成像
4.1 引言
4.2 复合超振荡器件的优化设计模型
4.2.1 亚孔径结构对系统分辨率的影响
4.2.2 一维超衍射波前设计
4.2.3 复合超振荡器件的优化设计
4.3 无扫描超衍射成像系统成像特性
4.3.1 无扫描超衍射成像系统三维点扩散函数
4.3.2 透射型目标的超衍射成像特性
4.4 超衍射成像系统鲁棒性
4.4.1 波前非均匀性对系统超衍射聚焦特性的影响
4.4.2 系统探测噪声误差对成像质量的影响
4.4.3 超振荡器件的波长带宽响应
4.5 本章小结
第5章 光场相干超衍射聚焦和非相干光超衍射成像实验研究
5.1 引言
5.2 基于空间光调制器波前调制的相干超衍射聚焦实验
5.2.1 液晶空间光调制器的调制机理
5.2.2 超衍射聚焦光路设计的关键技术分析
5.2.3 相干超衍射聚焦实验
5.3 基于4F系统的非相干光超衍射成像实验
5.3.1 无扫描超衍射成像系统的基本组成
5.3.2 超振荡器件微纳加工
5.3.3 无扫描超衍射成像实验
5.3.4 讨论
5.4 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 论文工作总结
6.2 未来展望
参考文献
附录 缩略词
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
本文编号：3849593
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