扩展差动共焦显微系统量程范围的方法与措施

为扩展差动共焦显微镜(HCMS)的测量量程范围,使其满足三维微细结构和三维表面轮廓测量时的需求,基于环形光瞳滤波技术提出一种扩展HCMS测量范围的环形光瞳量程扩展方法与技术。该方法应用二元光学整形原理将HCMS中两探测器探测到的光强响应曲线的半高宽拓宽,继而达到扩展量程范围的目的。与常用的通过减小共焦显微系统物镜的数值孔来扩展量程范围的方法相比,整形环形光瞳量程扩展法在扩展量程范围的同时,还改善了HCMS的分辨特性,压缩其旁瓣,避免了因减小物镜数值孔径值引起的横向分辨力降低的不足。理论分析和实验表明：当环形光内、外径半径比ε=0．5时,环形光瞳量程扩展技术使HCMS的量程扩展了1倍,同时使其横向分辨力得到改善,旁瓣得到抑制。     

具有高空间分辨力的双极性绝对式差动共焦检测方法

提出一种用于超精密三维微细结构测量的横向光学超分辨、轴向纳米级分辨的绝对式高空间分辨力共焦检测方法,该方法利用超分辨光瞳滤波技术最大程度地改善共焦显微系统的横向分辨力,利用探测器轴向偏置的双探测共焦光路布置和双探测信号归一化差动接受最大程度地改善共焦显微系统的轴向分辨力,最终实现共焦检测系统的高空间分辨力双极性绝对测量.文中以整形环形光横向超分辨为例,初步验证了提出的高空间分辨力差动共焦扫描检测方法的有效性.实验表明:当入射激光束波长λ=632.8nm,测量物镜数值孔径取NA=0.85,ε=0.5,μM=6.95时,整形环形光瞳式差动共焦传感器的横向分辨力优于0.2μm,轴向分辨力优于2nm.     

三维超分辨光瞳滤波器

提出一种改进的漏光型环形光瞳滤波器以期达到三维超分辨效果。对该光瞳滤波器与单透镜系统相结合的横向和轴向特性进行了详细分析 ,并给出了一个具有三维超分辨特性的光瞳实例。结果表明这种改进的漏光型光瞳滤波器具有三维超分辨能力 ,由于其轴向旁瓣强度太大 ,故利用共焦扫描成像系统点扩散函数乘积性抑制旁瓣 ,并取得较好的三维超分辨效果     

用于共焦扫描显微成像系统的位相型超分辨光瞳滤波器

对于三区位相光瞳滤波器与单透镜系统相结合的系统 ,分析了在给定斯特耳比S后有、无光瞳滤波器时的超分辨特性 ,并据此给出了一个模拟计算实例。由于单透镜系统加上该滤波器时旁瓣强度太大 ,因此将一个特殊光瞳加入共焦显微成像系统实现好的超分辨效果。     

阵列式共焦显微系统超分辨特性的研究

针对光学阵列共焦显微系统中存在分辨力的下降，提出引入一种新型三区振幅型光瞳滤波器以提高其三维探测能力。首先根据基尔霍夫衍射理论推导出光学阵列共焦显微系统三维相干成像公式，与现有理论相比，能更准确地定量描述共焦阵列成像过程，进而将共焦阵列显微技术和光学超分辨技术有机结合，利用三维超分辨评价函数对光瞳滤波器的参数进行优化设计，通过压缩各探测光路的横向和轴向半极值宽（HWHM），以提高其三维扫描探测能力，从而为实现快速、超精密三维测量提供了一种有效的技术途径。     

不同光瞳对波前编码成像系统的影响

波前编码成像技术是一种光学编码和数字解码相结合进行景深延拓非常有效的技术.为了深入研究波前编码成像系统的成像性能,在介绍了波前编码成像原理的基础上,通过对比分析方形光瞳和圆形光瞳在编码前后分别对应不同离焦情况下的点扩散函数PSF和相应光学系统的模拟成像,得出:在传统光学系统中,圆形光瞳的离焦抑制能力优于方形光瞳;而在波前编码光学系统中,方形光瞳的离焦抑制能力明显优于圆形光瞳.这一结果对光学系统设计工作者具有非常重要的参考价值.     

共焦扫描成像研究

在建立的一套反射式光纤共焦扫描成像系统上进行了标准板的扫描成像实验及反色、拼接等图像处理,得到了二维扫描像,并进行了二维共焦扫描像及离焦像的比较。实验结果表明,系统具有亚微米级横向分辨能力,并具有微米级纵向层析能力。     

点源离焦图像位相复原方法

为了实现利用点源传递函数测试仪器在测量可见光镜头光学传递函数的同时测出镜头出瞳的波前,采用了一种基于点源目标离焦图像的位相复原算法.该方法无需改变点源传递函数测试仪器的硬件设置,直接利用在传递函数测试过程中,通过改变位于镜头后焦面附近的显微镜与CCD的位置所采集的多幅离焦图像及改进的GS算法实现离焦面与镜头出瞳面光场的...     

离焦光源的傅里叶单像素成像及其优化北大核心CSCD

傅里叶单像素成像是一种新型光学成像技术,在三维成像等领域具有重要应用前景。为了促进傅里叶单像素成像的应用,本文分析研究光源的离焦对傅里叶单像素成像的影响并探索离焦成像的优化策略。首先基于描述光源离焦的高斯模型,理论分析离焦光源的傅里叶单像素成像,接着实验上以傅里叶基底图案调制的数字光投影仪为光源,通过改变光源的离焦参量,分析研究光源离焦对傅里叶单像素成像的峰值信噪比(peak signal-to-noise ratio,PRSN)的影响。结果表明:光源偏离焦点越多,成像质量越差,具体为重建图像PRSN从28.4 dB下降至20.5 dB。为此,本文探索实现了一种融合自适应滤波和盲去卷积的成像质量优化策略,优化后的图像PRSN提高了1.4—4.0 dB。该结果对于傅里叶单像素成像应用于远距离成像等复杂环境具有重要意义。     

投影光刻物镜离焦工作状态分析

本文从投影光刻物镜的工作状态“离焦工作”出发，分析物镜离焦工作对光刻的影响，提出了相应的对策。     

Toraldo光瞳滤波器对光学系统成像分辨率的影响

研究Toraldo光瞳滤波器横向、轴向及三维成像分辨率与滤波器结构参数的关系,推导出各分辨率与两区及三区漏光环型Toraldo光瞳滤波器环型区域的遮挡率和透过率之间的解析表达式,并给出它们的关系曲线图。二区漏光环型光瞳滤波器横向分辨率随中心透过率的减小而增大,一般情况下轴向分辨率随中心透过率的增大而增大。三区漏光环型光瞳滤波器横向超分辨率要求中心透过率低,而轴向超分辨率要求中间的透过率比两边低。可设定不同的透过率和遮挡率来分别实现横向、轴向及三维成像超分辨率。     

基于神经网络和维纳滤波的半盲离焦图像复原

本文提出了一种基于小波神经网络和维纳(Wiener)滤波的半盲离焦图像复原算法,首先提取训练图像的小波域特点参数向量,将该参数用来训练小波神经网络,利用训练好的网络估计图像离焦模糊参数.由离焦模糊参数获得点扩展函数,然后用Wiener滤波完成图像的复原.实验结果表明:该方法能有效地估计离焦模糊参数和复原模糊图像.     

Study of the imaging property of a fluorescent confocal microscopy with a phase-only filter in an extended source

The phase information of an enlarged source is reconstructed with an annular two-zone phase-only filter in a fluorescent confocal scanning optical microscope for resolution improvement. The dependences of its resolution on the source size and on the phase transmission of the outer annular zone of the filter are investigated theoretically by use of its three-dimensional optical transfer function (3D OTF ). The increased source size and the required phase value of the outer annular zone of the phase-only filter for an optimal 3D OTF of the optical system are presented.     

虹膜图像的质量评价研究

对虹膜识别系统来说,所采集虹膜图像的质量好坏直接影响识别是否成功。本文针对散焦模糊和眼睑睫毛遮挡问题提出了一种新的虹膜图像质量评价方法:判断图像是否散焦模糊采用了LoG算子提取瞳孔两侧局部虹膜的高频能量,判断虹膜是否有眼睑严重遮挡采用了计算瞳孔上方指定矩形区域的灰度均值,同时计算该区域的水平梯度来衡量虹膜受睫毛遮挡的程度。仿真实验表明,算法的平均处理速度0.020 9s/帧,满足实时虹膜识别系统的需求,是一种快速有效的虹膜图像质量评价算法。     

二维多项式位相光瞳滤波实现超分辨望远成像

为了对望远光学系统实现横向超分辨成像,设计了一种高斯特列尔比的二维多项式函数形式的位相型光瞳滤波器,分析了其对光学系统焦点附近光强分布的有益影响。理论分析表明,加入滤波器之后,与无滤波器时相比系统横向光学分辨率提升了1.33倍,同时斯特列尔比为无滤波器时的0.75倍。给出了该种滤波器与典型的三区型、四区型和一维多项式位相型光瞳滤波器的对比,从对比结果可知,二维多项式型滤波器的斯特列尔比为几种滤波器中的最优,且其横向分辨倍率仅次于四区型滤波器,但四区型滤波器的斯特列尔比过低,不适合应用于望远系统。研究了入射光视场角对应用该种滤波器的望远光学系统成像效果的影响,视场角不大于4时,具有较佳的超分辨效果。     

幂函数分布的振幅型光瞳滤波器

为了提高衍射远场显微成像的分辨率,采用一种振幅透过率随半径呈幂函数分布的光瞳滤波器进行了理论分析和数值模拟。通过在光路中加入幂函数分布的振幅型光瞳滤波器,利用标量衍射理论推导出夫琅禾费衍射分布的计算公式;通过MATLAB软件给出衍射图样,对比衍射分布的主瓣宽度。结果表明,当幂次数为3时,模拟仿真的衍射分布斯特雷尔比为0.16,最大旁瓣强度比为0.1,分辨参量为0.76,分辨率提高倍数为1.3;随着振幅透过率幂次数的增加,主瓣宽度依次减小;同时也伴随着主瓣强度降低和旁瓣强度增大的缺点。这一研究对于远场光学显微镜实现超分辨成像是有帮助的。     

基于衍射受限矢量光管场的离散式复振幅滤波器的设计

提出一种离散式的复振幅光瞳滤波器,用于构建大数值孔径系统下柱对称偏振矢量光束的特殊聚焦光场。输入角向偏振矢量光束,经圆对称的6个离散环带复振幅滤波器滤波后聚焦。该滤波器半径已归一化,各环带具有不同透射振幅,外围两环带有相同的相位延迟,其余相邻透射环带间π反相。在聚焦区可获得超长(大于8λ)的衍射受限"光管"场。该"光管"场为中空的纯角向偏振矢量光场,管中心沿轴向无光场分布,光管横向直径(约0.31λ)在亚波长量级,"光管"管壁为沿轴向平坦分布的角向偏振矢量场,无轴向旁瓣。该复振幅滤波器可用于构建特殊三维矢量光场以及利用该光场进行粒子捕获和操控。     

光瞳滤波投影光刻实验研究

介绍了一套自行研制的用于光瞳滤波实验的投影光刻实验系统，其物镜光瞳处预留出放滤波器的位置，可方便取放滤波器。在理论分析的基础上，开展了光刻对比实验研究，实验研究，实验研究结果表明光瞳滤波能大幅度提高投影光刻成像系统分辨力，并增大焦深，是一种比较有效地提高投影光刻成像质量的方法。     

大焦深数字灰度光刻物镜设计

为了提高数字灰度光刻系统的焦深,研究了基于点扩散函数稳定性的光瞳编码优化方法,在此基础上综合考虑系统的成像对比度和分辨率,利用工程计算软件MAPLE和光学设计软件ZEMAX设计了一种分辨率为1m的含有5区相位型光瞳滤波器的长焦深数字灰度光刻系统。结果表明,系统调制传递函数表现出离焦不变性,在保证像方分辨率的前提下,系统的焦深被延拓到原有焦深的2.5倍以上,且在整个焦深空间内系统性能与焦点处保持一致,从而提高了光刻系统的工艺容限。所得实验结果与理论分析一致,说明了设计的可行性。