中国科学技术信息研究所--国家工程技术数字图书馆

[学位论文] 邱丽荣哈尔滨工业大学 2005年博士导师: 丁雪梅共152页

摘要 : 　　本课题在研究光瞳滤波理论和共焦显微成像原理的基础上，研究了一种具有三维超分辨成像能力的新型超分辨共焦检测方法与技术，为超分辨光瞳滤波技术及三维超分辨光学测量传感系统的研究提供理论依据及先期的实验验证。　　本课题的研究内容主要... 展开　　本课题在研究光瞳滤波理论和共焦显微成像原理的基础上，研究了一种具有三维超分辨成像能力的新型超分辨共焦检测方法与技术，为超分辨光瞳滤波技术及三维超分辨光学测量传感系统的研究提供理论依据及先期的实验验证。　　本课题的研究内容主要如下：　　从光瞳滤波器超分辨特征参数G、S的基本定义出发，首次建立了包含振幅型、位相型和复振幅型在内的光瞳滤波器超分辨特征参数G、S的统一精确解析模型，依据该模型对不同类型的光瞳滤波器的超分辨特性进行分析和比较，给出了不同类型光瞳滤波器的适用范围及特点；基于光瞳滤波器通过减小光学系统点扩展函数尺寸大小来提高系统分辨力的这一特性，推导出光瞳滤波器横向超分辨、轴向超分辨和三维超分辨三种条件下的G、S和M理论限制域，为超分辨光瞳滤波器的设计提供理论基础；　　提出了基于生物遗传算法的光瞳滤波器全局优化设计方法，利用该优化算法设计了不同超分辨性能要求的振幅型光瞳滤波器、位相型光瞳滤波器和复振幅型光瞳滤波器，通过分析比较获得了各类超分辨光瞳滤波器的优缺点，为超分辨光瞳滤波器的设计提供了一种新型的设计方法；　　首次建立了影响光瞳滤波器超分辨性能的制造误差作用模型，其从光学系统点扩展函数出发，推导出光瞳滤波器制作中产生的定心误差、相位刻蚀深度误差和刻线宽度与光瞳滤波器超分辨特性参数G、S间的解析关系，为光瞳滤波器设计中制作误差的确定提供了理论依据；　　利用建立的光瞳滤波器超分辨特征参数统一解析模型、基于生物遗传算法的光瞳滤波器全局优化设计方法和光瞳滤波器制造误差作用模型等，设计制作了横向超分辨的三区位相型光瞳滤波器，并对其超分辨性能进行了理论分析和实验验证；　　提出了一种基于位相型光瞳滤波理论的三维超分辨差动共焦显微成像方法与技术，其利用优化设计的位相型光瞳滤波器最大程度地改善共焦系统的横向分辨力，利用共焦显微系统的双光路差动接收探测来最大程度地改善共焦系统的轴向分辨力，继而最终达到使共焦系统能实现高空间分辨力成像与检测，文中还对提出的该三维超分辨共焦显微系统的三维成像特性进行了分析，为三维超分辨共焦系统的构建提供了理论依据；　　最后，构建了基于位相型光瞳滤波理论的三维超分辨差动共焦显微成像系统，对该系统超分辨性能进行了实验验证。初步的测试比对结果表明：该实验系统达到2nm轴向分辨力和优于0.2μm的横向分辨力。收起

关键词 : 三维超分辨光瞳滤波位相型光瞳滤波差动共焦测量遗传优化算法

2. 超分辨光瞳滤波器的理论研究与设计

[学位论文] 云茂金中国科学院上海光学精密机械研究所 2005年博士导师: 刘立人共95页

摘要 : 超分辨技术在理论上和实际应用中都引起人们的极大关注.从理论的观点来看,超分辨技术为超越经典的衍射极限提供了一种方法;从实际应用的观点看,超分辨技术在天文学、图像处理、共焦扫描成像、光存储、激光打印等技术中有着广泛的应用.因此为得到比较理... 展开

关键词 : 信息光学超分辨光瞳滤波器

3. 用光瞳滤波技术提高投影成像系统光刻分辩率研究

[学位论文] 康西巧中国科学院光电技术研究所 2001年硕士导师: 陈旭南共50页

摘要 : 该文以部分相干成像理论为基础,对光瞳滤波技术提高光刻分辨率的物理机理进行了深入的研究,提出利用模拟退火算法求解滤波器的思想,建立数学模型并利用Visual C++和Matlab语言编制软件,根据不同的掩模图形及不同的曝光条件求解相应的最成滤波器.通过模... 展开

关键词 : 光刻分辨率光瞳滤波模拟退火算法

4. 光栅分光式移相干涉差分共焦位移传感技术研究

[学位论文] 向小燕哈尔滨工业大学 2016年硕士导师: 黄向东共69页

摘要 : 随着微电子、微机械、微光学等技术的发展，测量分辨力、范围、工作距等超精密测量指标在结构表面形貌高精度测量、凸台高度绝对微位移测量等几何量超精密测量领域有着更高的发展需求。同步移相干涉技术具有抗环境振动和高分辨力的特点，广泛应用在高... 展开随着微电子、微机械、微光学等技术的发展，测量分辨力、范围、工作距等超精密测量指标在结构表面形貌高精度测量、凸台高度绝对微位移测量等几何量超精密测量领域有着更高的发展需求。同步移相干涉技术具有抗环境振动和高分辨力的特点，广泛应用在高精密测量领域，但是其测量范围与测量分辨力相互限制，很难兼容；差分共焦显微技术具有双极性与零点的特点，在三维扫描与成像领域有着广泛应用，但是易受环境振动影响，并且差分光学系统结构复杂，针孔探测位置装调困难，一定程度上影响了整体的测量精度、减小了测量同步性。为了克服外界环境振动影响，提高系统稳定性，研究一种小型化、大测量范围和高分辨力的高精度微位移绝对测量，本课题把同步移相干涉与差分共焦理论相结合，将位移变化转变成相位变化，利用差分共焦实现绝对位置的粗略测量，再利用同步移相干涉精确测量位移值。为了解决上述超精密位移测量中的问题，本课题“光栅分光式移相干涉差分共焦位移传感技术研究”的主要完成的工作如下：（1）针对测量分辨力与测量范围矛盾的问题，将差分共焦理论融入到空间同步移相干涉理论中，建立光栅分光式、偏振片组移相的移相干涉差分共焦理论模型，理论分析四通道同步移相干涉原理、基于光瞳移焦的差分共焦原理以及同步移相干涉差分共焦位移测量特性。（2）为了提高系统抗环境振动的能力，设计正交位相型Ronchi光栅，实现共光轴；设计移相器和分瞳式相位光瞳滤波器，使得四束光同时共面探测，达到稳定测量的目的；利用参考面与测量面的显微物镜实现等倾照明，探测光强不再是干涉条纹，而是均匀的光斑，提高系统的同步性和稳定性。（3）为了扩大系统的测量工作距，结合差分共焦系统在整体装置中的作用，在满足移相干涉测量周期一半的条件下，适当减小差分共焦的分辨力，选取较小数值孔径的测量物镜，提高系统工作距。最后结合设计的分光光学元件与移相器、分瞳式光瞳滤波器搭建相关光学系统实验平台，对系统光路的工作特性、稳定性、重复性以及分辨力进行实验验证。实验结果表明：以平面镜作为被测面，利用正交相位Ronchi光栅分光的移相干涉位移测量装置对其分辨力与稳定性测试，在测量范围为100μm内能稳定分辨10nm的微小位移变化，并且该装置的测量工作距可以达到7mm。收起

关键词 : 光学仪器光瞳滤波器移相干涉位移测量

5. 消色差超分辨光瞳滤波器的研究与设计

[学位论文] 南玉杰中国石油大学（华东） 2012年硕士导师: 徐军；朱化凤共73页

摘要 : 随着现代科学技术和光学成像领域的不断进步和发展,光学超分辨技术已广泛应用于生物学、光通信、激光打印、高密度光存储等领域,以提高光学系统的成像分辨率或存储密度。本论文围绕如何进一步提高成像系统的分辨率和存储系统的存储密度这一光学聚焦系... 展开随着现代科学技术和光学成像领域的不断进步和发展,光学超分辨技术已广泛应用于生物学、光通信、激光打印、高密度光存储等领域,以提高光学系统的成像分辨率或存储密度。本论文围绕如何进一步提高成像系统的分辨率和存储系统的存储密度这一光学聚焦系统中的关键问题,研究了实现光学超分辨的光瞳滤波技术,取得的主要成果如下: (1)复振幅超分辨光瞳滤波器的设计研究。利用Matlab数值模拟,讨论了两区复振幅型光瞳滤波器在实现超分辨方面的性能。结果表明,不同的设计参数对超分辨性能的影响不同,当设计参数在一定范围内取值时,可以实现不同程度的超分辨效果;当设计参数取某些特定值时,轴向光强在很大的一段范围内基本不变,从而大大扩展了焦深。 (2)基于贝塞尔函数的位相型光瞳滤波器的光学特性研究。设计了三区位相型光瞳滤波器,各区的位相都是按Bessel函数的规律变化的。详细分析了改变各个设计参数对超分辨性能参量的影响。模拟结果表明,通过适当的选取设计参数,可以使光学系统实现较好的超分辨效果。 (3)首次提出并设计了消色差位相型超分辨光瞳滤波器。 a)基于波片消色差理论的光瞳滤波器的设计。基于波片的消色差理论,设计了分区位相型光瞳滤波器。研究表明,通过选择合适的设计参数,不仅可实现较好的超分辨效果,可以大大扩展焦深,还可以具有一定的消色差特性。 b)基于特殊函数的连续位相型消色差超分辨光瞳滤波器的设计。基于贝塞尔函数,设计了连续位相分布的消色差超分辨光瞳滤波器。分别以方解石晶体和光学玻璃BK7材料制作的位相型超分辨光瞳滤波器为例,分析了不同波长对应的超分辨性能,结果表明,新设计的光瞳滤波器可以分别在380nm-555nm和300nm-500nm的范围内实现消色差,同时可以获得较高的斯特尔比。该光瞳滤波器可以适用多色波光学系统和具有一定光谱宽度的光学系统。收起

关键词 : 信息光学光学超分辨消色差光瞳滤波器

6. 空间滤波技术提高光刻分辨率的研究及其仿真软件的实现

[学位论文] 李智峰浙江大学 2006年硕士导师: 史峥共67页

摘要 : 进入超深亚微米阶段后，集成电路制造工艺中普遍采用了亚波长光刻技术。然而随着特征尺寸逐渐接近光刻分辨率极限，制造过程中会发生光学邻近效应现象，导致硅片上的成像与原始版图有着巨大的差异，从而严重影响了集成电路的电学性能和成品率。为此，... 展开

关键词 : 光刻分辨率增强技术光源离轴照明光瞳滤波

7. 基于光学天线的矢量光场的聚焦与调控

[学位论文] 蒋孝鑫南京航空航天大学 2017年硕士导师: 王吉明共70页

摘要 : 光作为信息的载体，其基本性质中的频率、振幅、相位早己被深入研究并在各个领域得到广泛应用，近些年，光的偏振特性及对偏振态的调控成为研究热点。矢量光场因具有特殊的空间演化偏振态而受到关注，它的聚焦与调控特性在光学微加工、粒子捕捉、光学... 展开

关键词 : 矢量光场光学天线光瞳滤波器空间演化电磁偶极天线

8. 基于光瞳滤波器的荧光辐射差分显微镜成像的研究

[学位论文] 胡杰南昌大学 2019年硕士导师: 邓素辉共58页

摘要 : 本论文重点研究了荧光辐射差分显微术（fluorescenceemissiondifferencemicroscopy,FED）的相关理论，这种超分辨显微术是在共聚焦显微术的基础上，利用实心光斑和空心光斑扫描得到的两幅不同调制的共聚焦图像进行差分，实现超分辨成像。我们提出使用... 展开本论文重点研究了荧光辐射差分显微术（fluorescenceemissiondifferencemicroscopy,FED）的相关理论，这种超分辨显微术是在共聚焦显微术的基础上，利用实心光斑和空心光斑扫描得到的两幅不同调制的共聚焦图像进行差分，实现超分辨成像。我们提出使用简单的环形光瞳滤波器提高荧光辐射差分成像显微术的成像分辨率。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，获得更小的实心光斑分布与之相匹配。两方面作用下,提高了荧光辐射差分显微术的空间分辨率，将分辨率提高到超越衍射极限的0.18λ（λ是激发波长），成像分辨能力提高了14.3%。由于方位角偏振（azimuthalpolarization）光束能产生更小的空心焦斑，本文将其应用于FED中，并采用了一种三区振幅型光瞳滤波器，即漏光型光瞳滤波器，进一步缩小方位角偏振环形光的空心光斑的空洞尺寸。通过设计合适的滤波器参数，将FED分辨率进一步提高到0.17λ，相较于不加光瞳时的方位角偏振的荧光辐射差分显微术，分辨能力提高了8.6%。研究表明，使用合适的光瞳滤波器能够改善FED的成像分辨率，能为FED的实际应用提供一定的指导。荧光差分显微成像技术是基于激光扫描共聚焦成像平台发展起来的一种超分辨成像技术。本论文对共聚焦激光扫描显微系统的研制开展了实验研究，利用点照明和探测针孔共轭的方式，极大的消除了离焦平面的杂散信号，通过层析扫描的方式实现了三维显微成像。共聚焦显微术因其能对活细胞进行高分辨的三维成像特点，被广泛的应用于生物医学等领域。本课题调研了共聚焦显微术的基本原理和发展现状，搭建了激发光路、探测光路、扫描探测光路等模块，构建了一套完整的激光扫描共聚焦成像系统。利用自主编写的控制软件成功的进行了多种样品的二维成像实验，以及三维层析成像，横向成像分辨率可以达到448nm左右。收起

关键词 : 光瞳滤波器荧光辐射差分显微成像共聚焦显微术

9. 基于广义光瞳函数离散编码的亚波长远场聚焦研究

[学位论文] 关健哈尔滨工业大学 2019年博士导师: 金鹏;林杰共152页

摘要 : 衍射极限限制了光学显微成像与微纳加工的分辨力。增大数值孔径或减小波长λ0可以减小衍射极限、获得横向尺寸更小的聚焦光斑，然而受光学系统实际可以达到的最大汇聚角和介质材料特性的限制，现有的数值孔径和波长均已趋近于极限，难以分别进一步增大... 展开衍射极限限制了光学显微成像与微纳加工的分辨力。增大数值孔径或减小波长λ0可以减小衍射极限、获得横向尺寸更小的聚焦光斑，然而受光学系统实际可以达到的最大汇聚角和介质材料特性的限制，现有的数值孔径和波长均已趋近于极限，难以分别进一步增大和减小。因此，在现有数值孔径和波长均已趋近于极限的背景下，研究如何获得小于衍射极限的聚焦光场，是显微成像和微纳加工领域中的重要科学问题。围绕这一科学问题，本课题开展了光学远场区域的亚波长聚焦研究。课题从矢量衍射理论出发，定义了广义光瞳函数；并基于广义光瞳函数的离散编码，对亚波长点光斑聚焦场、亚波长光针聚焦场、亚波长多焦点阵列聚焦场的实现进行了研究，设计了用于获得这三种亚波长聚焦光场的聚焦器件，并分析了所得聚焦光场的特性。本课题的研究成果可为光学显微成像及微纳加工设备中聚焦器件的设计提供理论支持，有助于推动显微成像、微纳加工、粒子捕获与操纵等领域的进一步发展。本课题的主要研究内容如下： (1)从矢量衍射理论出发，将具有聚焦功能的孔径所具有的透射函数定义为广义光瞳函数。在入射光电场已经确定的条件下，聚焦器件的广义光瞳函数将决定所得的聚焦光场。在此基础上，本课题给出了广义光瞳函数的基本形式，分析了广义光瞳函数的特点，提出基于广义光瞳函数的离散编码设计聚焦器件、以实现亚波长远场聚焦。然后，阐明了广义光瞳函数离散编码的含义，并归纳出了广义光瞳函数的三类基本离散编码方法。 (2)基于广义光瞳函数的离散编码，开展了亚波长点光斑聚焦研究。首先，研究了菲涅尔波带片(FZP)的广义光瞳函数离散编码原理，设计并制作了大数值孔径长焦距FZP，实验测量了其聚焦角向偏振涡旋(APV)光束和角向偏振(AP)光束所得的聚焦光场，并获得了小于衍射极限的亚波长点光斑。然后，利用螺旋波带片(SZP)实现了同时具有涡旋相位调制功能和聚焦功能的离散型广义光瞳函数，提出了单器件角向偏振光亚波长点光斑聚焦方法，并设计了大数值孔径长焦距SZP聚焦AP光束，获得了横向半高全宽(FWHM)为0.43λ0的小于衍射极限的亚波长点光斑以及稳定的三维光学陷阱。 (3)以获得亚波长点光斑的轴向一维扩展结果——亚波长光针为目标，基于广义光瞳函数的离散编码，开展了亚波长光针聚焦研究。首先，设计了二元相位环带滤波器聚焦APV光束、获得了横向偏振亚波长光针，并研究了滤波器环带数量及半径误差的影响。然后，提出了一种新的长焦深二元平面透镜(BPL)设计方法。该方法仅求解5个焦距，便设计出了由102个非亚波长环带构成的长焦深BPL。完成该长焦深BPL的加工后，用其实验获得了横向FWHM小于衍射极限、轴向FWHM约为14.7λ0的亚波长光针聚焦场，以及中心距约为0.77λ0的光刻胶孔结构。 (4)以获得亚波长点光斑的空间多维扩展结果——亚波长多焦点阵列为目标，基于广义光瞳函数的离散编码，开展了亚波长多焦点阵列聚焦研究。提出了靶盘分割相位滤波器的设计方法。设计了不同的靶盘滤波器，获得了各聚焦光斑位置和偏振方向均可独立控制的、均匀性不低于92.5%的轴向一维、横向二维以及空间三维亚波长多焦点阵列，并研究了滤波器设计参数的影响。该滤波器解决了现有用于生成偏振可控多焦点阵列的光瞳平面区域分割滤波器仅包含一个设计自由度、不易于获得由更多光斑构成的多焦点阵列、所得多焦点阵列的均匀性只能通过增加分区数量提升的问题。收起

关键词 : 亚波长聚焦矢量衍射光瞳滤波平面透镜大数值孔径

10. 紧聚焦径向偏振光的焦场调控研究

[学位论文] 张涛中国科学技术大学 2020年博士导师: 赵旸；李木军共108页

摘要 : 相比于标量光束的紧聚焦特性，圆柱矢量光束在大数值孔径透镜聚焦下表现出许多新颖的特性。结合光瞳滤波器在光瞳平面上对圆柱矢量光束的振幅、相位和偏振进行调控，可以在透镜的几何焦点附近得到诸如光轴上多焦点、光针和焦平面上的焦点阵列等特殊的... 展开相比于标量光束的紧聚焦特性，圆柱矢量光束在大数值孔径透镜聚焦下表现出许多新颖的特性。结合光瞳滤波器在光瞳平面上对圆柱矢量光束的振幅、相位和偏振进行调控，可以在透镜的几何焦点附近得到诸如光轴上多焦点、光针和焦平面上的焦点阵列等特殊的光场，而这些特殊的光场分布已经在微纳制造，显微成像和粒子操纵等领域发挥了重大作用。因此如何设计光瞳滤波器进一步完善和提高这些特殊的紧聚焦场的表现，深入挖掘圆柱矢量光束的紧聚焦特性是非常具有实际意义的课题。作为圆柱矢量光束的一种，径向偏振光在紧聚焦情形下表现出很强的纵向分量。本文专注于对紧聚焦条件下的径向偏振光的调控，通过设计光瞳滤波器分别对光轴上多焦点分布，纵向偏振光针和焦平面上的焦点阵列这三类光场的调控方案进行了完善。本文的主要内容如下: 首先，我们对光轴上可控位置和光强比例的多焦点调控方案进行了研究。这里，我们探索了多环带衍射光学元件(Diffiractive optical element，DOE)的设计方法，提出了一种分解优化的设计方法来解决多环带DOE优化求解困难的问题。在这种分解优化的设计方法中，我们采用了遗传算法并将多环带DOE分解为多个环带较少的DOE的组合来进行优化，从而达到降低求解难度，提高优化求解效率的目的。通过这种方法，我们优化出了一系列多环带DOE对紧聚焦径向偏振光进行调控，在光轴上分别实现了三焦点，五焦点，七焦点和九焦点分布。通过改变DOE的内部环带半径大小，也即改变DOE的相位分布，我们可以在光轴上实现可控位置和光强比例的多焦点分布。接着，我们对光轴上较长、高光强均匀性的纵向偏振光针的产生方法进行了研究。这里，我们提出了一种在光轴上通过多焦点互相干涉融合产生光针的设计方法。在这种设计方法中，我们首先利用多区域相位型光瞳滤波器在光轴上调控出了多个光强、形状和大小都较为接近的多焦点分布;接着我们通过遗传算法来对多焦点的位置进行优化，利用焦点之间的干涉使其融合产生高光强均匀性的纵向偏振光针。同时，光针的长度可以通过改变焦点的个数来进行灵活的调控，从而达到设计较长的和指定长度的高光强均匀性纵向偏振光针的设计要求。最后，我们对焦平面上产生大规模、弱旁瓣和高光强均匀性焦点阵列的调控方法进行了研究。这里，我们直接从光瞳函数入手设计复振幅光瞳滤波器，实现了焦点位置准确控制，高光强均匀性和弱旁瓣的焦点阵列。焦点阵列中焦点的分布可以通过改变光瞳函数中的多个参数来调整。进一步地，我们将多个所设计的光瞳函数相乘快速求解叠加后的光瞳滤波器的振幅和相位分布，进而可以在焦平面扩展式地调控出大规模的焦点阵列，同时我们进一步探讨了大规模，等间距的焦点阵列的设计方法。考虑到复振幅光瞳滤波器实现困难的问题，最后我们也对利用空间光调制器来实现所设计的复振幅光瞳滤波器的可行性进行了初步探讨。本文中所提出的光轴上可控位置和光强比例的多焦点分布，光轴上较长、高光强均匀性的纵向偏振光针，焦平面上大规模、弱旁瓣和高光强均匀性的焦点阵列的调控方法进一步挖掘了径向偏振光的紧聚焦特性，这也为圆柱矢量光束在微纳制造，显微成像和粒子操纵等领域中的应用提供了有力的理论依据。收起

关键词 : 径向偏振光紧聚焦特性光场调控光瞳滤波器遗传算法