椭球反射式共焦成像像差及三维传递函数理论研究

摘要

随着光学显微仪器在三维立体成像领域的不断发展,共焦显微镜以其独特的层析能力,成为表面工程科学与生物工程领域中最有活力、最重要的分析仪器之一。为了实现三维高分辨率测量,共焦显微技术正向着高光子效率、宽光谱、短波长的趋势发展。增大光学系统数值孔径是提高光子效率的重要途径,但传统共焦显微技术存在透镜数值孔径小于1的理论极限;同时,由于透镜系统光学特性和材料特性的影响,传统共焦显微系统存在宽光谱成像色差校正困难、难以适用于紫外、深紫外等短波成像的问题。
　　课题“椭球反射式共焦成像像差及三维传递函数理论研究”主要针对以上问题,建立椭球反射式共焦显微成像系统,开展基于标量衍射理论的椭球反射镜聚焦特性分析、像差模型和椭球反射式共焦成像系统三维传递函数模型研究,为基于椭球反射镜的共焦成像技术发展奠定理论基础。主要研究工作如下:
　　首先,基于标量衍射理论给出了大数值孔径椭球反射镜的切趾函数,建立了基于德拜近似标量衍射理论的椭球反射镜聚焦模型,完成了椭球反射镜聚焦特性的分析。分析结果表明,在大数值孔径条件下(NA>0.75),椭球反射镜聚焦光斑特性优于相同数值孔径的透镜聚焦光斑;在相同数值孔径条件下,环形孔径椭球反射镜的光斑主瓣会进一步压缩,但横向旁瓣将有所增强。
　　其次,基于标量衍射理论,在存在像差条件下,建立了大数值孔径椭球反射镜的衍射积分模型,并利用Zernike圆多项式进行像差函数展开。重点讨论了初级球差、彗差、像散对聚焦特性的影响,理论研究给出了椭球反射镜的像差容限条件,为指导椭球反射镜加工、装调系统设计提供必要的理论依据。
　　最后,开展了椭球反射式共焦成像系统三维传递函数模型研究。通过椭球反射式共焦成像系统的三维相干传递函数分析,进一步阐述了椭球反射式共焦成像系统的光学成像特性。分析结果表明,相对于传统共焦系统,椭球反射式共焦成像系统可以实现传递函数截止频率的拓展,使其对高频信息的探测能力得到增强,可以获得理论上的高分辨率。

目录

椭球反射式共焦成像像差及 三维传递函数理论研究

RESEARCHES ON ABERRATIONS AND THREE-DIMENSIONAL TRANSFER FUNCTIONS IN ELLIPTICAL MIRROR BASED CONFOCAL IMAGING MICROSCOPY

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题主要研究内容

第2章 大数值孔径光学系统的标量衍射理论

2.1 引言

2.2 光学成像的标量衍射理论

2.3 德拜衍射积分

2.4 本章小结

第3章 椭球反射镜标量衍射模型聚焦特性分析

3.1 引言

3.2 大数值孔径光学系统聚焦特性的影响因素

3.3 大数值孔径椭球反射镜的切趾函数

3.4 椭球反射镜标量衍射模型的聚焦特性分析

3.5 椭球反射镜系统的光学传递函数

3.6 本章小结

第4章 大数值孔径椭球反射镜像差分析

4.1 引言

4.2 椭球反射镜的几何像差分析

4.3 存在像差时的衍射积分

4.4 像差函数的Zernike圆多项式展开

4.5 初级像差及其对椭球反射镜聚焦特性的影响

4.6 本章小结

第5章 椭球反射式共焦显微成像传递函数理论研究

5.1 引言

5.2 椭球反射式共焦显微系统三维传递函数

5.3 基于椭球反射镜的双通照明共焦显微系统

5.4 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢