基于准无衍射超分辨光束照明的超分辨光学显微技术

摘要

光学显微镜自问世以来，就被广泛应用于生物医学、药学、微生物学、冶金学等科研及工业领域，推动了这些领域的发展。然而传统光学显微系统受衍射效应制约，分辨率无法突破衍射极限。长期以来，突破衍射极限、实现超分辨光学显微一直是光学领域研究的热点之一。现有的超分辨光学显微技术可按工作距离分为近场与远场，近场显微技术的工作距离往往为几十纳米甚至更小，实际应用中非常受限。而现有的远场显微技术通常为荧光标记显微技术，需要对样品进行前处理，存在光毒性等问题。本文提出一种基于准无衍射超分辨光束照明的超分辨光学显微技术，实现对样品的非标记远场超分辨显微成像，具有巨大的应用前景。　　本文的主要工作如下：　　（1） 介绍超分辨显微技术研究背景、应用前景及国内外研究现状，进而分析现有超分辨显微技术的特点，提出本文研究目标与研究内容。　　（2） 介绍点扩展函数基本概念，并以此概念解释衍射极限，简要介绍共聚焦显微系统和归一化矢量角谱压缩理论。　　（3） 介绍二值相位型聚焦器件透射函数，将归一化矢量角谱压缩理论应用于菲涅尔波带片设计，分别对工作波长为632.8 nm和405 nm的超分辨聚焦器件进行了设计。并对设计器件进行仿真计算，结果表明工作波长为 632.8nm 的超分辨器件焦距为224λ、焦深为100λ，最小半高全宽为0.4λ；而工作波长为405 nm的超分辨器件，焦距为314λ、焦深为144λ，最小半高全宽为0.39λ.。　　（4） 介绍基于准无衍射超分辨光束照明的超分辨光学显微系统工作原理，划分光路模块，并设计整体机械框架，同时介绍所用上位机软件主要模块和图像重建过程。搭建超分辨显微系统，首先分别对工作波长为632.8 nm和405 nm的超分辨聚焦器件性能进行测试。工作波长为632.8nm的超分辨器件得到焦距224λ、焦深 92λ 的光针，最小半高全宽 0.41λ；工作波长为 405nm 超分辨器件得到焦距313λ、焦深59λ的光针，最小半高全宽0.43λ。　　（5） 最后对亚波长金属光栅样品进行显微成像，在632.8nm和405 nm波长下分别实现了分辨率为0.28λ（180nm）和0.32λ（130nm）的超分辨显微成像。

目录

1 绪 论

1.1 课题研究背景及应用前景

1. 1. 1 超分辨光学显微在生命科学领域的应用

1. 1. 2 超分辨光学显微在生物医学领域的应用

1.2 主要超分辨显微技术国内外研究现状

1. 2. 1 近场超分辨显微技术研究现状

1. 2. 2 远场荧光标记超分辨显微技术研究现状

1.3 超分辨器件国内外研究现状

1.4 基于超分辨照明器件的超分辨显微技术研究现状

1.5 本文研究目标与内容

1.6本章小结

2 超分辨光学显微技术相关理论

2.1 点扩展函数及衍射极限基本概念

2.2 共聚焦显微系统成像原理

2.3 归一化矢量角谱压缩理论

2.4 本章小结

3 准无衍射超分辨器件的设计与加工

3.1 二值相位型聚焦器件透射函数

3.2 基于归一化矢量角谱压缩理论的器件设计方法

3. 2. 1 归一化矢量角谱压缩用于二值相位型透镜设计

3. 2. 2 矢量角谱压缩用于菲涅尔波带片

3.3 基于归一化矢量角谱压缩理论的器件仿真结果

3.4 结构参数对器件聚焦性能的影响

3.5 超分辨照明器件加工

3.6 本章小结

4 超分辨光学显微系统设计

4.1 显微成像系统工作原理与光路及机械框架的设计

4. 1. 1 显微成像系统工作原理

4. 1. 2 显微成像系统光路模块与工作流程

4. 1. 3 显微成像系统机械框架设计

4.2 显微成像系统上位机

4. 2. 1 上位机软件模块与功能

4. 2. 2 图像重建

4.3 本章小结

5 超分辨光学显微实验测试

5.1 显微系统搭建与样品准备

5.2 632.8nm波长下的实验测试

5. 2. 1超分辨照明器件性能测试

5. 2. 2超分辨光束光斑选择

5. 2. 3 显微成像系统实验测试

5.3 405nm波长下的实验测试

5. 3. 1超分辨照明器件性能测试

5. 3. 2超分辨光束光斑选择

5. 3. 3 显微成像系统实验测试

5.4 误差分析

5.5 本章小结

6 工作总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

B. 学位论文数据集

致谢