聚焦径向调制Bessel-Gaussian光束实现亚波长尺寸纵向偏振光束

亚波长尺寸纵向偏振光束在粒子加速,单个分子偶极矩测量,二次谐波成像和纵向偏振共焦显微镜等方面有非常广泛的应用.本文提出径向调制的Bessel-Gaussian光束模型,经高数值孔径显微物镜聚焦可以获得高纯度的纵向偏振光束.利用矢量衍射理论数值模拟了焦点附近光强分布、磁场分布和能流密度空间分布.结果表明光斑半高全宽度可以达到0.4λ.该方法无需环形孔径或环形相位滤波器,光能利用率高,分辨率好,达到改进各种应用的效果. 关键词： Bessel-Gaussian光束 纵向偏振光束 聚焦 亚波长     

共焦显微系统中光学超分辨光瞳滤波器的设计

利用矢量衍射理论设计了适用于共焦显微等大数值孔径系统的三区二元相位型超分辨光瞳滤波器.数值模拟了等效数值孔径为1.4的共焦显微系统焦点附近的光强分布,根据系统所需要的斯特雷尔比和轴向分辨率,采用优化搜索算法求解了能够实现光学超分辨的三区二元相位型光瞳滤波器结构.结果表明,利用所设计的三区二元相位型光瞳滤波器可以在较低旁...     

基于矢量衍射理论的相位型光瞳滤波器设计

根据矢量衍射理论,提出了一种设计纯相位型光瞳滤波器的新方法根据该方法所设计的滤波器主要应用于采用高数值孔径显微物镜的成像系统对点扩散函数中的指数因子进行二次近似处理后,可以得到超分辨参量与滤波器参量的近似关系式以三区相位型滤波器为例,讨论了该近似关系式的有效性给出一个设计实例,根据所要求的超分辨性能要求设计滤波器.模拟结果表明,该滤波器达到了设计要求,最后利用共焦系统点扩散函数的乘积特性,大大减弱了旁瓣的影响.     

基于环形光瞳提高荧光辐射差分超分辨显微镜的成像分辨率

荧光辐射差分(FED)显微术利用实心光斑扫描的一幅共聚焦图像减去空心光斑扫描的负共聚焦图像,实现了超分辨成像。使用简单的环形光瞳滤波器提高了无变形FED的成像分辨率。在空心焦斑光路上使用合适的环形光瞳滤波器,压缩空心焦斑的尺寸;同时,在实心焦斑的光路上允许使用更高数值孔径的孔径光阑,获得更小的、与空心焦斑相匹配的实心光斑分布:两方面作用下,提高了FED的空间分辨率。     

纳米分辨相干反斯托克斯拉曼散射显微成像

采用附加探测光声子耗尽法来实现超衍射极限相干反斯托克斯拉曼散射显微成像. 此方法引入一束环形分布的附加探测光来消耗点扩展函数周边的相干声子, 实现点扩展函数的改造, 从而达到超越衍射极限的空间分辨率. 为了获得更高的空间分辨率和更佳的相位匹配条件, 通常需采用高数值孔径物镜对抽运光、斯托克斯光和探测光进行聚焦, 此时标量衍射理论不再成立. 基于矢量衍射理论, 分析了线偏振光、圆偏振光先后经过螺旋相位片和高数值孔径物镜后的光强分布, 结果表明: 圆偏振光在高数值孔径物镜后焦平面的光强分布呈中心对称状, 较线偏振环形光更适合作为附加探测光. 此外, 采用全量子理论分析了附加探测光声子耗尽法. 结果表明: 当附加探测光与探测光强度比为80时, 成像系统的横向空间分辨率可以达到45 nm; 继续提高附加探测光强度, 空间分辨将进一步提高.     

N.A.0.75平场复消色差显微物镜光学设计

为解决普通生物显微物镜视场小、场曲和色差严重的问题,本文利用光学软件Code V设计了一款20×平场复消色差显微物镜,通过合理的结构优化、光焦度分配及材料选择,使该物镜具有大视场、高数值孔径、平场复消色差的特点。设计分析结果表明,该物镜平场数为0.11 μm,最大焦移量为0.5 μm,满足显微物镜国际标准的规定;光学传递函数(MTF)曲线与理论衍射极限接近,达到指标要求,该物镜在可见光范围内实现了平场复消色差设计。公差分析结果表明RMS波前差劣化至0.24λ,能够满足加工和实际应用要求。     

受激发射损耗显微中空心损耗光的光强分布优化研究

受激发射损耗显微技术(STED)作为一种远场超分辨显微成像技术,具有几十纳米甚至几纳米的空间分辨率,是细胞生物学等研究领域的重要成像工具。圆环形空心损耗光在物镜焦点附近的光场强度分布对STED空间分辨率起决定性作用。在高数值孔径物镜聚焦下,光场的偏振态会对聚焦光场的强度分布产生显著的影响,此外,显微系统的轴外像差会严重破坏空心损耗光焦斑的中心对称性。基于矢量衍射理论,理论模拟了在高数值孔径物镜聚焦条件下,入射涡旋光的偏振态和光学系统中的彗差和像散对空心损耗光焦场强度分布的影响。实验上使用纯相位型空间光调制器来校准光学系统相差,优化变形的损耗光,利用纳米探针扫描焦点区域,测量了其焦场强度分布。测量结果与由矢量稍微理论观测的结果一致。     

基于傅里叶叠层显微成像的LED阵列位置校正方法

傅里叶叠层显微成像(FPM)利用LED阵列角度变化的光照来克服低数值孔径物镜的分辨率限制。在传统的FPM系统中,LED阵列的位置误差将会给图像重建过程带来严重影响。因此准确校正LED阵列的位置对于提高重建图像质量至关重要。为了解决这一问题,提出一种基于遗传退火优化算法的位置校正方法。首先分析LED阵列、样品及物镜数值孔径的相对位置给入射波矢量带来的影响;接着采用遗传退火优化算法对LED阵列的误差位置估计全局误差参数;最后在重建过程中利用全局误差参数快速、准确地对LED阵列位置进行校正。仿真结果和实验结果表明,所提方法能显著提高重建图像的质量。     

硅基半导体芯片激光红外显微成像系统研究

为了解决可见光显微成像技术无法实现硅基芯片内部结构观测的问题,根据1 064nm的红外激光对硅材料具有一定穿透深度的特性,设计了一种硅基半导体芯片激光红外显微成像系统.该系统采用数值孔径为0.42的长工作距显微物镜,通过音圈电机振动多模石英光纤消除散斑噪音,由系统观察CD-RW盘片道间距,表明系统分辨率可达到1.6μm,接近理论值,实现了对芯片厚度为70μm的静态随机存储器内部结构显微成像的观测.     

用于原子力与光子扫描隧道组合显微镜的浸油显微物镜

双功能原子力与光子扫描隧道显微镜（AF／PSTM）用π对称双光束照明方法来消除假象。为改进现有的AF／PSTM系统，提出新的照明系统方案，并设计了新方案中需要的高数值孔径的浸油显微物镜。根据具体的物镜系统参数要求，选择合适的初始结构，用ZEMAX光学设计软件对物镜进行设计、优化和像质评价，设计结果显示浸油物镜的数值孔径大约1.54，可以很好地满足照明系统的需要。     

A study of the optical transfer function for annular binary filters

The annular binary pupil filters consist of two transparent annuli obstructed by an annular mask. The optical transfer functions for them are analytically derived under paraxial approximation, and three- and two- as well as one-dimensional numerical plots are presented. It is shown that by changing the parameters of transparent regions it is possible to improve the axial resolution whilst the transverse resolution remains unchanged, compared with an annular lens. Results indicate, as is well known, that this kind of filters can be applied to three-dimensional confocal microscopy.     

Designing superresolution optical pupil filter with constrained global optimization algorithm

In this paper, a new method for designing three-zone optical pupil filter is presented. The phase-only optical pupil filter and the amplitude-only optical pupil filters were designed. The first kind of pupil for optical data storage can increase the transverse resolution. The second kind of pupil filter can increase the axial and transverse resolution at the same time, which is applicable in three-dimension imaging in confocal microscopy.     

改善轴向分辨率的光瞳滤波器

给出了一种新型滤波器,它即能提高系统的轴向分辨率又不影响其横向分辨率。利用这种滤波器不可以控制远场旁瓣强度的最大值与主瓣强度最大值之比（Ｍ）,从而获得较好的超分辨效果,还根据扩展结果分析了光瞳滤波器的中间区对轴向分辨率的影响。     

具有高空间分辨力的整形环形光式差动共焦测量法

提出一种新的具有高空间分辨力的整形环形光式差动共焦测量方法。该方法通过整形环形光式共焦测量法和锐化爱里斑主瓣，改善系统横向分辨力；通过差动共焦测量法改善系统的轴向分辨力，最终达到提高系统空间分辨能力的目的。理论分析和实验表明：整形环形光内孔归一化半径ε越大，横向分辨力改善越明显，量程扩展范围越宽；当入射光波长λ=632.8nm，物镜数值孔径取NA=0.85，ε=0.5时，该系统的横向分辨力优于0.2μm，轴向分辨力优于2nm。该方法为光触针测量系统空间分辨力的提高提供了1种新的方法，可广泛应用于超精密三维微细结构工件的超精密测量。     

Design and application of three-zone annular filters

We design three-zone annular filters to be applied to optical storage system. The designed filters extend the depth of focus and realize transverse superresolution simultaneously, which will improve the performance of optical storage system greatly. And we propose two feasible schemes to improve imaging resolution of three-dimensional imaging system. One scheme depends on a complex filter formed by cascading of a three-zone phase filter and a three-zone amplitude filter. The complex filter converge the optimized transverse superresolution and the optimized axial superresolution of two different filters onto a single filter. It can improve the three-dimensional imaging performances greatly. Another scheme depends on a single three-zone complex filter. We propose a three-zone complex filter with phase shift 0.8π, which presents bigger design margin, better imaging quality and stronger three-dimensional superresolution capability.     

A shaped annular beam tri-heterodyne confocal microscope with good anti-environmental interference capability

A shaped annular beam tri-heterodyne confocal microscope has been proposed to improve the anti-environmental interference capability and the resolution of a confocal microscope. It simultaneously detects far-, on-, and near-focus signals with given phase differences by dividing the measured light path of the confocal microscope into three sub-paths (signals). Pair-wise real-time heterodyne subtraction of the three signals is used to improve the anti-environmental interference capability, axial resolution, and linearity; and a shaped annular beam super-resolution technique is used to improve lateral resolution. Theoretical analyses and preliminary experiments indicate that an axial resolution of about 1 nm can be achieved with a shaped annular beam tri-heterodyne confocal microscope and its lateral resolution can be better than 0.2 $\mu $m for $\lambda =632.8$~nm, the numerical aperture of the lens of the microscope is NA $=0.85$, and the normalized radius $\varepsilon =0.5$.     

三环位相型光瞳滤波器的横向超分辨与轴向焦深扩展

用矢量衍射方法分析了线偏振光入射到带有三环位相型光瞳滤波器的高数值孔径物镜时,焦点的轴向和横向光强分布.数值模拟结果表明,高数值孔径物镜聚焦时需同时考虑光强的轴向和横向分布.通过加入三环位相光瞳滤波器,在实现横向超分辨的同时实现了光学系统轴向焦深扩展和轴向光强分布平坦化,并且位相调制深度变化时,会出现轴向焦移现象.对三环位相光瞳滤波器结构进行了优化,得出了优化结果. 关键词： 光学超分辨 扩展焦深 位相型光瞳滤波器 矢量衍射方法     

等宽圆环光瞳滤波器的超分辨性能研究

设计一种等宽圆环光瞳滤波器 ,并研究了它的超分辨性能。分析了光瞳中心半径和圆环数对斯特耳比、超分辨能力和旁瓣强度的影响 ,讨论了设计等宽圆环光瞳滤波器时中心半径和圆环数的优化问题。表明圆环数为奇数和偶数时 ,光瞳具有不同的超分辨性能 ;圆环数分别取 1和 2时 ,综合考虑超分辨性能较佳     

三维超分辨光瞳滤波器的优化设计

利用matlab优化工具箱,采用非线性规划,对三区振幅型(透过率为1-0-1)和三区位相型(相位角为π-0-π)光瞳滤波器进行三维超分辨优化设计,建立了优化模型,经计算机多次迭代运算,改变斯特尔比s值,给出了优化结果.结果显示:所设计的滤波器较好地实现了横向和轴向三维超分辨,且轴向超分辨能力优于横向;相同斯特尔比下,位相型三维超分辨能力优于振幅型,并且这两种滤波器结构简单,容易实现.     

Two-zone pupil filters

The performance of pupil filters consisting of two zones each of constant complex amplitude transmittance is investigated. For filters where the transmittance is real, different classes of potentially useful filter are identified and optimized. These include leaky filters with an inner zone of low amplitude transmittance, pure phase filters with phase change of π, and equal area filters. The first of these minimizes the relative power in the outer rings for a given axial resolution, the second maximizes the Strehl ratio for a given transverse resolution, and the third minimizes the relative power in the outer rings for a given transverse resolution. Complex filters can give an axially shifted maximum in intensity: the performance parameters calculated relative to the true focus are investigated for some different classes of filter, but filters with phase change not equal to π are found to give inferior performance to the real value filters.