本文關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)場超分辨可視顯微成像技術(shù)研究

  更多相關(guān)文章： 超分辨成像 顯微鏡 介質(zhì)微球 等離子體透鏡 結(jié)構(gòu)光照明顯微

【摘要】：光學(xué)顯微鏡是人類歷史上最重要的科技發(fā)明之一。在光學(xué)顯微鏡發(fā)明以前,人類對于周圍世界的認(rèn)識主要靠人眼,然而人眼的極限視角分辨率約為1′,在明視距離25cm處所能分辨的最小物體間隔約為0.1mm,因此無法實現(xiàn)對更微小物體的觀測。自從16世紀(jì)末期荷蘭著名的磨鏡師Zaccharias Janssen發(fā)明了世界上第一臺顯微鏡以后,人類才開啟了探索微觀世界的大門。顯微鏡發(fā)展至今已經(jīng)成為生物學(xué)、材料學(xué)、醫(yī)學(xué)、微光學(xué)等領(lǐng)域中必不可少的基本工具。然而由于光學(xué)衍射極限的存在,傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡的橫向分辨率被限制在約二分之一個照明波長,已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對微觀世界進(jìn)行探索的需要。因此探索能夠突破光學(xué)衍射極限,實現(xiàn)超分辨成像的技術(shù)將具有十分重要的科學(xué)意義。在此研究背景下,本文主要從以下三個方面開展了遠(yuǎn)場超分辨成像技術(shù)研究。1.在基于介質(zhì)微球的超分辨成像研究領(lǐng)域。側(cè)重研究了微球能夠?qū)崿F(xiàn)超分辨成像的內(nèi)在機理,創(chuàng)新性地從頻譜變化的角度去分析了待測樣品散射的倏逝波與微球的相互作用機制,給出了倏逝波能夠耦合進(jìn)微球并轉(zhuǎn)換成遠(yuǎn)場傳播波的條件,討論了相關(guān)參數(shù),比如微球的直徑、折射率、媒介的折射率等參數(shù)對微球成像的分辨率和放大率等的影響。2.在基于介質(zhì)微球的超分辨成像實驗研究領(lǐng)域。從實驗上開展了基于折射率較低的二氧化硅微球和聚苯乙烯微球,以及折射率較高的鈦酸鋇微球的成像實驗,討論了各自的成像放大率、分辨率等特性,重點分析了液體浸沒對微球成像的影響機制,最后創(chuàng)新性地提出并制備了一種基于鈦酸鋇微球和PDMS軟模的超分辨成像薄膜,可該將薄膜直接放置于待測樣品表面,通過顯微鏡進(jìn)行觀察,便可以實現(xiàn)超分辨成像。3.在表面等離子體金屬結(jié)構(gòu)透鏡領(lǐng)域。首先給出了由不同寬度的納米縫構(gòu)成的表面等離子體金屬結(jié)構(gòu)透鏡的設(shè)計方法,并分析了透鏡孔徑對焦距和聚焦光斑的寬度的影響。在此基礎(chǔ)上提出了一種基于全息原理的多焦點金屬結(jié)構(gòu)透鏡的設(shè)計方法,通過將入射光看作參考光,多個焦點看作是點光源發(fā)出物光,再計算物光和參考光在結(jié)構(gòu)透鏡平面上的疊加光場,取疊加光場中的相位信息來確定金屬結(jié)構(gòu)透鏡的相關(guān)參數(shù)。并通過雙焦點和三焦點結(jié)構(gòu)透鏡的設(shè)計,驗證了該設(shè)計方法的可行性。4.在結(jié)構(gòu)光照明顯微領(lǐng)域。創(chuàng)新性地提出了基于納米柱陣列和納米球陣列的結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生方式,通過調(diào)節(jié)納米柱和納米球的直徑以及金屬薄膜的厚度可方便地操控結(jié)構(gòu)光的空間頻率。其次給出了基于這兩種結(jié)構(gòu)光的超分辨成像原理,最后通過數(shù)值仿真驗證了本文提出的方法的可行性。仿真結(jié)果表明在600nm的照明波長下,利用本文提出的結(jié)構(gòu)光產(chǎn)生方法可將現(xiàn)有顯微鏡的橫向分辨率提高到100nm,突破了六分之一波長的橫向分辨率。
【關(guān)鍵詞】：超分辨成像 顯微鏡 介質(zhì)微球 等離子體透鏡 結(jié)構(gòu)光照明顯微
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TH742
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-28
• 1.1 研究工作的背景與意義12-13
• 1.2 超分辨成像技術(shù)國內(nèi)外研究歷史與現(xiàn)狀13-26
• 1.2.1 超分辨熒光顯微技術(shù)13-16
• 1.2.2 結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)16-20
• 1.2.3 表面等離子體超分辨成像技術(shù)20-24
• 1.2.4 基于介質(zhì)微球的超分辨成像技術(shù)24-26
• 1.2.5 其他超分辨成像技術(shù)26
• 1.3 本論文的主要研究內(nèi)容與創(chuàng)新26-27
• 1.4 本論文的結(jié)構(gòu)安排27-28
• 第二章 超分辨成像研究的理論基礎(chǔ)28-45
• 2.1 引言28
• 2.2 Abbe成像理論28-35
• 2.2.1 空間頻率28-29
• 2.2.2 頻譜29-30
• 2.2.3 成像理論30-31
• 2.2.4 波特實驗31-35
• 2.3 顯微成像系統(tǒng)的分辨率35-40
• 2.3.1 透鏡的截止頻率36
• 2.3.2 相干成像系統(tǒng)的分辨率36-39
• 2.3.3 非相干成像系統(tǒng)的分辨率39-40
• 2.4 頻譜分析40-44
• 2.5 本章小結(jié)44-45
• 第三章 基于介質(zhì)微球的超分辨成像技術(shù)研究45-64
• 3.1 引言45
• 3.2 微球的超分辨聚焦45-53
• 3.2.1 幾何光學(xué)理論45-46
• 3.2.2 電磁仿真分析46-51
• 3.2.3 超分辨聚焦窗51-53
• 3.3 微球超分辨成像機理分析53-63
• 3.3.1 倏逝波耦合過程分析53-56
• 3.3.2 數(shù)值仿真驗證56-61
• 3.3.3 影響參數(shù)分析61-63
• 3.4 本章小結(jié)63-64
• 第四章 基于介質(zhì)微球的超分辨成像實驗研究64-79
• 4.1 引言64
• 4.2 基于介質(zhì)微球的成像實驗64-73
• 4.2.1 微球和樣品64-66
• 4.2.2 成像系統(tǒng)66
• 4.2.3 實驗結(jié)果和討論66-69
• 4.2.4 成像分辨率69-71
• 4.2.5 暗場顯微成像71-73
• 4.3 液體浸沒對微球成像的影響機理分析73-77
• 4.4 基于PDMS和鈦酸鋇微球的超分辨成像薄膜77-78
• 4.5 本章小結(jié)78-79
• 第五章 基于表面等離子體的金屬結(jié)構(gòu)透鏡的設(shè)計79-93
• 5.1 引言79
• 5.2 表面等離子體基本理論79-83
• 5.2.1 色散方程79-81
• 5.2.2 穿透深度和傳播長度81-82
• 5.2.3 激發(fā)方式82-83
• 5.3 單焦點金屬結(jié)構(gòu)透鏡的設(shè)計83-88
• 5.3.1 設(shè)計原理83-84
• 5.3.2 聚焦特性研究84-88
• 5.4 多焦點等離子體透鏡的設(shè)計88-92
• 5.4.1 設(shè)計原理89-90
• 5.4.2 仿真驗證90-92
• 5.5 本章小結(jié)92-93
• 第六章 基于納米柱和納米球陣列的結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)研究93-111
• 6.1 引言93
• 6.2 結(jié)構(gòu)光照明顯微的基本原理93-95
• 6.3 基于單層納米柱陣列的結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)95-105
• 6.3.1 結(jié)構(gòu)光的產(chǎn)生機制95-101
• 6.3.2 超分辨顯微成像原理101-103
• 6.3.3 超分辨成像數(shù)值仿真驗證103-105
• 6.4 基于四邊形排布納米球陣列的結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)105-110
• 6.4.1 結(jié)構(gòu)光的產(chǎn)生機制105-109
• 6.4.2 超分辨顯微成像原理109
• 6.4.3 超分辨成像數(shù)值仿真驗證109-110
• 6.5 本章小結(jié)110-111
• 第七章 全文總結(jié)與展望111-113
• 7.1 全文總結(jié)111
• 7.2 后續(xù)工作展望111-113
• 致謝113-114
• 參考文獻(xiàn)114-122
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的成果122-123

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本文編號：920603