径向偏振共焦系统中横向超分辨方法研究

摘要

共焦显微技术是一种用于微米和纳米尺度三维形貌测量的光学显微技术，具有独特的轴向层析能力，以其高精度，非接触，不损伤测量表面等优点，被广泛应用于微光学，微电子，生物工程等领域。随着科学技术的发展，三维微结构的测量尺寸逐渐从亚微米级过渡到纳米级尺度，迫切要求共焦系统横向分辨力的提高。
　　本课题主要研究目的是解决共焦系统横向超分辨受限的问题，通过将径向偏振光照明用于共焦系统，利用径向偏振光的紧聚焦特性来提高共焦系统横向分辨力。在矢量衍射理论的基础上建立径向偏振共焦系统的理论模型，从理论上分析径向偏振共焦系统的成像特性。并且通过对光束进行偏振调制和光瞳滤波调制，来实现径向偏振共焦系统的横向超分辨。本文的具体研究内容如下：
　　首先，根据Richards-Wolf矢量衍射理论对径向偏振光衍射光场公式进行推导。通过仿真分析透镜的数值孔径，入射光束的振幅分布对衍射场的影响。同时对比径向偏振光和线偏振聚焦光场，分析径向偏振光的紧聚焦特性。
　　其次，在矢量衍射理论的基础上建立径向偏振共焦系统的理论模型。通过矩阵运算来推导被测样本为点散射物时，径向偏振光在共焦系统中的衍射过程。对理论模型进行仿真，分析径向偏振共焦系统的成像特性。
　　最后，针对径向偏振共焦系统中探测空间的中空光束问题，在探测光路对光束进行偏振调制加以改善。从理论上将偏振转换器的矩阵描述形式加入到建立的理论模型中，来分析偏振调制的作用，及物镜数值孔径，小孔尺寸等对偏振调制的影响。针对径向偏振光束的特点设计光瞳滤波器对光束进行相位调制，进一步提高系统的横向分辨力。
　　综上所述，本文研究了采用径向偏振光照明实现共焦系统横向超分辨的方法，建立了径向偏振共焦系统的理论模型。通过偏振调制消除了系统探测空间中空光束的问题，增大了针孔接收信号的强度，偏振调制后系统横向分辨力比线偏振光提高了7.3％。并设计光瞳滤波器进行相位调制使径向偏振共焦系统的横向响应曲线 FWHM从0.51?减小到0.465?，相对于线偏振共焦系统沿偏振方向的横向分辨能力提高了15.5%。表明径向偏振光照明在实现共焦系统横向超分辨方面具有很大的应用价值，本文的研究为径向偏振光在共焦系统中的应用提供了理论基础。

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第1章 绪 论

1.1课题背景及研究目的和意义

1.2国内外研究现状及分析

1.3课题主要研究内容

第2章 径向偏振光聚焦理论和特性分析

2.1引言

2.2 Richards-Wolf矢量衍射理论

2.3基于矢量衍射理论的偏振光束聚焦光场公式

2.4径向偏振光聚焦光场的特性分析

2.5本章小结

第3章 径向偏振共焦系统的理论模型

3.1引言

3.2偏振光束在透镜中衍射的数学描述

3.3径向偏振光束照明下共焦系统的数学模型

3.4径向偏振共焦系统的特性分析

3.5本章小结

第4章 偏振转换器对探测空间中空光束的改善

4.1引言

4.2偏振转换器件的矩阵描述

4.3探测空间光场分布的调制

4.4调制后系统的特性分析

4.5本章小结

第5章 光瞳滤波器对径向偏振共焦系统的调制

5.1引言

5.2光瞳滤波器的结构及评价参数

5.3光瞳滤波器设计过程和结构参数的确定

5.4光瞳滤波器对径向偏振光的调制作用

5.5本章小结

结论

参考文献

声明

致谢