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文檔簡介
1、人類從未停止過對微觀世界的探索和觀察。光學顯微鏡自400多年前問世以來,經(jīng)歷了日新月異的演變。當今,在顯微鏡的結(jié)構(gòu)和種類飛速發(fā)展的同時,顯微觀測技術(shù)也在不斷創(chuàng)新。如何觀測到更清晰的物體,如何拍攝/重建出更真實的三維影像,成了光學、生物學、信息科學等多個學科共同研究的熱點。
本文以基于二次相位光柵的三維顯微成像系統(tǒng)為研究對象,以提高相位光柵的成像效率(文中的成像效率定義為相位光柵前3個(0,±1)衍射級的光能量相對于入射光總
2、能量的比值)和光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量為目標,對基于二次相位光柵的三維顯微成像系統(tǒng)的原理及光學系統(tǒng)設計方法、三維顯微成像系統(tǒng)的誤差分析、多階相位光柵的成像效率分析、利用棱柵校正三維顯微成像系統(tǒng)的色差等方面進行了系統(tǒng)的研究。
在三維顯微成像系統(tǒng)的原理及光學系統(tǒng)設計方面,以衍射原理和相位光柵的工作原理為基礎,設計了一種簡單易行且低成本的離軸菲涅耳透鏡,即二次相位光柵。該光柵由一組周期不等的圓弧形刻槽組成,可使入射光的波前產(chǎn)生迂回相位
3、,于是光柵對入射光的不同衍射級有了不同的聚/離焦能力?;谠摴鈻诺墓鈱W系統(tǒng)可以作為附件,與大多數(shù)商用顯微鏡的CCD端口聯(lián)接,實時記錄樣品3~9個不同深度平面的像。該技術(shù)打破了大部分現(xiàn)有三維顯微成像技術(shù)對于光源相干性的限制,從根源上減弱了由于強入射光導致的樣品光漂白和光損傷等問題。并由于其捕捉圖像的實時性,尤其適用于活體生物細胞成像,避免了細胞游動過快而導致的不同時刻錯誤圖像采集問題。
為了觀測到盡可能真實清晰的圖像,提高相
4、位光柵的成像效率和改善三維顯微成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量,是本文研究的重點。為此分別針對相位光柵和三維顯微成像系統(tǒng)進行了誤差分析。首先,建立了三種典型加工誤差(刻蝕深度誤差、表面粗糙度和版圖誤差)的一維理論和仿真模型。計算結(jié)果表明,相位光柵的表面粗糙度和版圖誤差對各衍射級能量平衡的影響較小,但刻蝕深度誤差決定了相位光柵前3個衍射級能量平衡的精度,必須嚴格予以控制。其次,系統(tǒng)分析了由二次相位光柵引起的三維顯微成像系統(tǒng)的若干誤差。研究結(jié)果表明,色差
5、是影響光學系統(tǒng)成像質(zhì)量的主要誤差來源,必須加以校正。
在提高相位光柵的成像效率方面,基于二元光學的相關(guān)原理,建立了多階(2,4,6)相位光柵的一維數(shù)學模型。通過對不同臺階數(shù)相位光柵成像效率的分析,得到了與之對應的光柵各臺階的深度和柵距等參數(shù)的優(yōu)化值,為今后相位光柵的設計提供了方向。理論計算及仿真結(jié)果表明,優(yōu)化參數(shù)的4階相位光柵,其成像效率高達90.9%,比2階相位光柵高了4.4%;而相應的,6階相位光柵的成像效率增益僅為4
6、.8%。因此,制作4階相位光柵是提高光柵成像效率的有效途徑之一。其次,簡述了幾種相位光柵加工方法,并由于刻蝕深度的精度要求比較高(幾納米),提出了一種潛在的薄膜沉積加工方法。
在提高光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量方面,校正色差是目前工作的重心之一。利用棱鏡和光柵的組合——棱柵,通過設計其結(jié)構(gòu)參數(shù),可對一定波長范圍的入射光進行較均勻的“預色散”,使得不同波長的光通過二次相位光柵后獲得相同的衍射角,從而消除/減弱了色差。通過調(diào)節(jié)CCD相機
7、的位置和一對棱柵之間的距離,開展一系列重復性實驗,得到了一組優(yōu)化的實驗參數(shù)。并基于此,分別采用復合雙色激光和白光,驗證了一對平行排列的棱柵可有效地消除帶寬約100nm的色散現(xiàn)象。于是將一對棱柵與基于二次相位光柵的三維顯微成像系統(tǒng)相結(jié)合,初步用于幾種常見熒光團的模擬成像。實驗表明,一對棱柵對各熒光團-1衍射級的色差進行了較成功的校正,提高了系統(tǒng)的成像質(zhì)量。該技術(shù)亦適用于各種顯微鏡系統(tǒng),且有望推廣到9個平面同時成像系統(tǒng)的色差校正中。
8、 基于上述研究,本論文在以下方面具有創(chuàng)新之處:1)建立了相位光柵加工誤差分析的一維理論模型,系統(tǒng)研究了幾種典型的加工誤差對相位光柵成像效率及前3個衍射級能量平衡的影響,并分析了基于二次相位光柵的三維顯微成像系統(tǒng)的主要誤差來源;2)建立了多階(2,4,6)相位光柵的一維數(shù)學模型,分析了光柵相位輪廓的細化(增加臺階數(shù)目)對成像效率的影響,并論證了優(yōu)化參數(shù)下的4階相位光柵,可在實現(xiàn)前3個衍射級能量平衡的前提下,將光柵的成像效率提高至90
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