本文關(guān)鍵詞：基于矢量光束聚焦的超分辨濾波器設(shè)計研究

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【摘要】：長期以來,光學(xué)成像系統(tǒng)的分辨率都受到阿貝衍射極限的限制。隨著納米級加工和生物探測等領(lǐng)域的發(fā)展,如何設(shè)計行之有效的方案超越阿貝衍射極限和瑞利判據(jù)的限制,在可見光波段獲取更加銳利的聚焦光斑和超細(xì)光針,實現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)超分辨聚焦和超分辨成像,成為光學(xué)領(lǐng)域迫在眉睫需要解決的科學(xué)問題。本文“基于矢量光束聚焦的超分辨濾波器設(shè)計研究”旨在從矢量無衍射光束聚焦、二元相位型超分辨光瞳濾波器優(yōu)化以及大數(shù)值孔徑球面反射系統(tǒng)聚焦理論三個方面進(jìn)行了深入研究,探索實現(xiàn)遠(yuǎn)場光學(xué)超分辨聚焦或亞波長超細(xì)光針的新方法和新理論。本課題從以下三個方面展開研究:1.從入射光束角度出發(fā),探索線偏振、圓偏振、徑向偏振以及角向偏振四種偏振態(tài)下一維及二維Airy光束的高數(shù)值孔徑透鏡系統(tǒng)聚焦結(jié)果。利用Airy光束聚焦得到焦平面y向最小半高全寬0.37λ的聚焦光斑。同時,通過分析光瞳面上Airy光束振幅及相位特性,設(shè)計了余弦型復(fù)振幅濾波器,實現(xiàn)了Airy光束聚焦可控多焦點的光場分布。通過調(diào)節(jié)入射光束參數(shù)可以實現(xiàn)雙焦點距離從3.56λ到1.15λ的連續(xù)調(diào)節(jié),調(diào)節(jié)余弦型復(fù)振幅濾波器參數(shù)可以實現(xiàn)對焦點數(shù)目的有效調(diào)節(jié)。2.針對多環(huán)帶二元相位型光瞳濾波器優(yōu)化問題,提出了一種能夠普遍適用、快速高效的優(yōu)化算法。利用函數(shù)的冪級數(shù)展開公式,推導(dǎo)了Richards-Wolf公式的類解析多項式數(shù)學(xué)表達(dá)式,簡化了優(yōu)化算法中的計算,減小了迭代優(yōu)化的計算量�；趯�(biāo)準(zhǔn)粒子群算法的改進(jìn),提出了新型遺傳-粒子群聯(lián)合算法。新算法改進(jìn)了慣性因子和加速因子的設(shè)置策略,引入了交叉、變異操作。對于基準(zhǔn)函數(shù)的優(yōu)化測試結(jié)果表明改進(jìn)算法能夠快速收斂至全局最優(yōu)解。利用新型遺傳-粒子群聯(lián)合算法優(yōu)化了多環(huán)帶二元相位型濾波器參數(shù),實現(xiàn)了半高全寬為0.41λ,焦深為6.05λ的聚焦光斑。新型遺傳-粒子群聯(lián)合算法所得結(jié)果要優(yōu)于現(xiàn)有文獻(xiàn)中的二元純相位濾波器的優(yōu)化結(jié)果,并且優(yōu)化所需時間降低為標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法的1/4。3.從系統(tǒng)研究方面,開展了對球面反射系統(tǒng)聚焦的理論分析,分析了球面反射系統(tǒng)特有的超長焦深性質(zhì)。分析了球面反射聚焦系統(tǒng)與透鏡聚焦系統(tǒng)焦區(qū)光場積分表達(dá)式的異同點,并在此基礎(chǔ)上提出了應(yīng)用于透鏡系統(tǒng)的球面相位型濾波器,實現(xiàn)了透鏡系統(tǒng)聚焦半高全寬為0.4λ,焦深約400λ的超分辨超長光針。本課題的研究結(jié)果為實現(xiàn)遠(yuǎn)場超分辨聚焦、超長光針及多焦點光場提供了參考,在生物醫(yī)療、超分辨成像以及激光直寫等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】：矢量衍射理論 超分辨聚焦 無衍射光束 光瞳濾波
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN713;TH742
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 緒論9-20
• 1.1 課題研究的背景與意義9-10
• 1.2 超分辨聚焦研究現(xiàn)狀及分析10-18
• 1.2.1 標(biāo)量衍射理論超分辨聚焦10-11
• 1.2.2 矢量無衍射光束超分辨聚焦11-13
• 1.2.3 光瞳濾波方法超分辨聚焦13-17
• 1.2.4 反射系統(tǒng)超分辨聚焦17
• 1.2.5 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀總結(jié)及存在問題17-18
• 1.3 課題的主要研究內(nèi)容18-20
• 第2章 矢量衍射及超分辨聚焦理論基礎(chǔ)20-30
• 2.1 Richards-Wolf矢量衍射理論20-24
• 2.1.1 Debye積分公式20-21
• 2.1.2 切趾函數(shù)數(shù)學(xué)描述21-22
• 2.1.3 Richards-Wolf公式22-23
• 2.1.4 矢量光束偏振態(tài)數(shù)學(xué)描述23-24
• 2.2 光學(xué)系統(tǒng)分辨率評價體系24
• 2.3 光瞳濾波理論24-29
• 2.3.1 光瞳濾波原理24-26
• 2.3.2 光瞳濾波能量損失分析26-29
• 2.4 本章小結(jié)29-30
• 第3章 偏振Airy光束矢量聚焦分析30-39
• 3.1 矢量聚焦系統(tǒng)中的Airy光束30-31
• 3.2 亞波長聚焦光斑分析31-34
• 3.3 多焦點光場實現(xiàn)與分析34-38
• 3.3.1 可控雙焦點光場分析34-36
• 3.3.2 可控多焦點光場分析36-38
• 3.4 本章小結(jié)38-39
• 第4章 超分辨光瞳濾波器的設(shè)計與優(yōu)化39-52
• 4.1 二元相位型光瞳濾波器模型分析39-41
• 4.2 矢量聚焦公式簡化模型分析41-43
• 4.2.1 矢量聚焦公式簡化計算方法41-42
• 4.2.2 矢量聚焦公式簡化模型精度分析42-43
• 4.3 新型遺傳粒子群聯(lián)合算法分析43-48
• 4.3.1 標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法分析43-44
• 4.3.2 算法參數(shù)設(shè)置改進(jìn)策略44-45
• 4.3.3 交叉變異操作改進(jìn)45
• 4.3.4 算法流程45-46
• 4.3.5 基準(zhǔn)函數(shù)測試分析46-48
• 4.4 二元相位型光瞳濾波器優(yōu)化結(jié)果48-51
• 4.5 本章小結(jié)51-52
• 第5章 球面反射系統(tǒng)及球面型濾波器聚焦52-57
• 5.1 球面反射系統(tǒng)聚焦基本理論模型52-54
• 5.1.1 球面反射系統(tǒng)幾何模型52-53
• 5.1.2 球面反射系統(tǒng)矢量聚焦理論53-54
• 5.2 球面型相位濾波器設(shè)計與分析54-56
• 5.2.1 球面型相位濾波器數(shù)學(xué)模型54-56
• 5.2.2 球面型相位濾波器聚焦分析56
• 5.3 本章小結(jié)56-57
• 結(jié)論57-58
• 參考文獻(xiàn)58-62
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文62-64
• 致謝64

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本文編號：920864