简析相位基于二次相位光栅三维显微成像系统优化设计

论文导读：是光栅对入射光的不同衍射级有了不同的聚/离焦能力。基于该光栅的光学体系可从作为附件,与大多数商用显微镜的CCD端口联接,实时记录样品3-9个不同深度平面的像。该技术打破了大部分现有三维显微成像技术对于光源相干性的限制,以根源上减弱了由于强入射光导致的样品光漂白和光损伤等不足。并由于其捕捉图像的实时性,尤其适用于
摘要：人类以未停止过对微观世界的探索和观察。光学显微镜自400多年前问世从来,经历了日新月异的演变。当今,在显微镜的结构和种类飞速进展的同时,显微观测技术也在不断创新。如何观测到更清晰的物体,如何拍摄/重建出更真实的三维影像,成了光学、生物学、信息科学等多个学科共同探讨的热点。本论文从基于二次相位光栅的三维显微成像体系为探讨对象,从提升相位光栅的成像效率(文中的成像效率定义为相位光栅前3个(0,±1)衍射级的光能量相对于入射光总能量的比值)和光学体系的成像质量为目标,对基于二次相位光栅的三维显微成像体系的原理及光学体系设计办法、三维显微成像体系的误差分析、多阶相位光栅的成像效率分析、使用棱栅校正三维显微成像体系的色差等方面进行了体系的探讨。在三维显微成像体系的原理及光学体系设计方面,从衍射原理和相位光栅的工作原理为基础,设计了一种简单易行且低成本的离轴菲涅耳透镜,即二次相位光栅。该光栅由一组周期不等的圆弧形刻槽组成,可使入射光的波前产生迂回相位,于是光栅对入射光的不同衍射级有了不同的聚/离焦能力。基于该光栅的光学体系可从作为附件,与大多数商用显微镜的CCD端口联接,实时记录样品3-9个不同深度平面的像。该技术打破了大部分现有三维显微成像技术对于光源相干性的限制,以根源上减弱了由于强入射光导致的样品光漂白和光损伤等不足。并由于其捕捉图像的实时性,尤其适用于活体生物细胞成像,避开了细胞游动过快而导致的不同时刻错误图像采集不足。为了观测到尽可能真实清晰的图像,提升相位光栅的成像效率和改进三维显微成像体系的成像质量,是本论文探讨的重点。为此分别针对相位光栅和三维显微成像体系进行了误差分析。首先,建立了三种典型加工误差(刻蚀深度误差、表面粗糙度和版图误差)的一维论述和仿真模型。计算结果表明,相位光栅的表面粗糙度和版图误差对各衍射级能量平衡的影响较小,但刻蚀深度误差决定了相位光栅前3个衍射级能量平衡的精度,必须严格予从制约。其次,体系分析了由二次相位光栅引起的三维显微成像体系的若干误差。探讨结果表明,色差是影响光学体系成像质量的主要误差来源,必须加从校正。在提升相位光栅的成像效率方面,基于二元光学的相关原理,建立了多阶(2,4,6)相位光栅的一维数学模型。通过对不同台阶数相位光栅成像效率的分析,得到了与之对应的光栅各台阶的深度和栅距等参数的优化值,为今后相位光栅的设计提供了方向。论述计算及仿真结果表明,优化参数的4阶相位光栅,其成像效率高达90.9%,比2阶相位光栅高了4.4%；而相应的,6阶相位光栅的成像效率增益仅为4.8%。由此,制作4阶相位光栅是提升光栅成像效率的有效途径之一。其次,简述了几种相位光栅加工办法,并由于刻蚀深度的精度要求对比高(几纳米),提出了一种潜在的薄膜沉积加工办法。在提升光学体系的成像质量方面,校正色差是目前工作的重心之一。使用棱镜和光栅的组合——棱栅,通过设计其结构参数,可对一定波长范围的入射光进行较均匀的“预色散”,使得不同波长的光通过二次相位光栅后获得相同的衍射角,以而消除/减弱了色差。通过调节CCD相机的位置和一对棱栅之间的距离,开展一系列重复性实验,得到了一组优化的实验参数。并基于此,分别采取复合双色激光和白光,验证了一对平行排列的棱栅可有效地消除带宽约100nnm的色散现象。于是将一对棱栅与基于二次相位光栅的三维显微成像体系相结合,初步用于几种常见荧光团的模拟成像。实验表明,一对棱栅对各荧光团-1衍射级的色差进行了较成功的校正,提升了体系的成像质量。该技术亦适用于各种显微镜体系,且有望推广到9个平面同时成像体系的色差校正中。基于上面陈述的探讨,本文在从下方面具有创新之处：1)建立了相位光栅加工误差分析的一维论述模型,体系探讨了几种典型的加工误差对相位光栅成像效率及前3个衍射级能量平衡的影响,并分析了基于二次相位光栅的三维显微成像体系的主要误差来源：2)建立了多阶(2,4,6)相位光栅的一维数学模型,分析了光栅相位轮廓的细化(增多台阶数目)对成像效率的影响,并论证了优化参数下的4阶相位光栅,可在实现前3个衍射级能量平衡的前提下,将光栅的成像效率提升至90.9%；3)提出了使用棱栅(棱镜和光栅的组合元件)校正三维显微成像体系色差的办法,提升了光学体系的成像质量。关键词：二次相位光栅论文论文导读：
三维显微成像论文多阶相位光栅论文成像效率论文色差论文棱栅论文
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ABSTRACT7-18
第1章 绪论18-30
本章摘要18

1.1 三维显微成像技术的探讨近况18-23

1.1 几种典型的三维显微成像技术18-21

1.2 现有三维显微成像技术运用于活体细胞成像的若干瓶颈不足21-23

1.2 衍射光栅23-29

1.2.1 衍射光栅的工作原理23-26

1.2.2 衍射光栅的种类及部分特性26-29

1.3 本文的探讨内容和结构29-30

第2章 基于二次相位光栅的三维显微成像体系设计30-49
本章摘要30

2.1 二次相位光栅的设计思想和工作原理30-35

2.

1.1 二次相位光栅的结构特点和设计思想31-32

2.

1.2 二次相位光栅的工作原理和参数设计32-35

2.2 基于二次相位光栅的光学体系工作原理35-43

2.1 二次相位光栅的有效焦距及光栅-透镜紧贴组合35-38

2.2 二次相位光栅与远心三维成像体系38-43

2.3 远心三维显微成像体系在生物成像中的运用43-48

2.3.1 活体生物细胞的三维显微追踪和成像44-47

2.3.2 其它潜在运用47-48

2.4 基于二次光栅的三维显微成像体系的局限性48-49

第3章 三维显微成像体系的误差分析49-70
本章摘要49

3.1 基于二次相位光栅的三维显微成像体系误差概述49-50

3.2 光栅加工误差分析50-59

3.

2.1 刻蚀深度误差50-53

3.

2.2 表面粗糙度53-54

3.

2.3 版图误差54-59

3.3 由二次相位光栅引起的光学体系误差分析59-69

3.1 色差59-61

3.2 光栅位置误差61-64

3.3 宽带光聚焦误差64-67

3.4 其它误差来源及评估办法67-69

3.4 本章小结69-70

第4章 多阶相位光栅的成像效率分析70-93
本章摘要70

4.1 通过多次套刻提升相位光栅成像效率的思想70-73

4.

1.1 二元光学的相关概念70-72

4.

1.2 相位光栅的成像效率定义极为影响因素72-73

4.2 2阶相位光栅的成像效率73-76

4.3 4阶相位光栅的成像效率76-84

4.

3.1 4阶相位光栅的论述模型76-77

4.

3.2 4阶相位光栅的能量分布计算77-80

4.

3.3 优化参数及成像效率极值80-84

4.4 6阶相位光栅的成像效率84-88

4.5 相位光栅的加工办法探索88-92

4.5.1 湿法刻蚀技术尝试——气雾化旋转湿法刻蚀技术88-90

4.5.2 目前所用相位光栅的加工办法及性能概述90

4.5.3 潜在的相位光栅加工办法90-92

4.6 本章小结92-93

第5章 使用棱栅校正三维显微成像体系色差93-113
本章摘要93

5.1 三维显微成像体系色差的校正思想和初步案例93-96

5.2 棱栅的设计和加工96-98

5.3 棱栅初步实验98-101

5.

3.1 实验原理及参数设计98-99

5.

3.2 初步实验结果99-101

5.4 使用棱栅校正三维显微成像体系色差101-106
5.

4.1 三维显微成像体系色差校正的思路101-102

5.

4.2 光路设计及实验平台搭建102-103

5.

4.3 实验结果103-106

5.5 棱栅校正色差在荧光显微成像中的运用106-108

5.6 潜在的运用价值和未来的工作方向108-112

5.6.1 棱栅校正色差实验的进一步讨论108-110

5.6.2 未来的工作方向110-112

5.7 本章小结112-113

第6章 总结与展望113-116
本章摘要113

6.1 总结113-115

6.

1.1 本文的主要工作及结论113-114

6.

1.2 本文的创新点114-115

6.2 展望115-116
参考文献116-123
在读博士期间发表的论文与取得的探讨成果123-124
致谢124-126
Acknowledgment126