基于矢量光束聚焦的超分辨濾波器設(shè)計(jì)研究.pdf

1、長(zhǎng)期以來，光學(xué)成像系統(tǒng)的分辨率都受到阿貝衍射極限的限制。隨著納米級(jí)加工和生物探測(cè)等領(lǐng)域的發(fā)展，如何設(shè)計(jì)行之有效的方案超越阿貝衍射極限和瑞利判據(jù)的限制，在可見光波段獲取更加銳利的聚焦光斑和超細(xì)光針，實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)超分辨聚焦和超分辨成像，成為光學(xué)領(lǐng)域迫在眉睫需要解決的科學(xué)問題。
　　本文“基于矢量光束聚焦的超分辨濾波器設(shè)計(jì)研究”旨在從矢量無衍射光束聚焦、二元相位型超分辨光瞳濾波器優(yōu)化以及大數(shù)值孔徑球面反射系統(tǒng)聚焦理論三個(gè)方面進(jìn)行了深入研

2、究，探索實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)超分辨聚焦或亞波長(zhǎng)超細(xì)光針的新方法和新理論。本課題從以下三個(gè)方面展開研究：
　　1.從入射光束角度出發(fā)，探索線偏振、圓偏振、徑向偏振以及角向偏振四種偏振態(tài)下一維及二維Airy光束的高數(shù)值孔徑透鏡系統(tǒng)聚焦結(jié)果。利用Airy光束聚焦得到焦平面y向最小半高全寬0.37λ的聚焦光斑。同時(shí)，通過分析光瞳面上Airy光束振幅及相位特性，設(shè)計(jì)了余弦型復(fù)振幅濾波器，實(shí)現(xiàn)了Airy光束聚焦可控多焦點(diǎn)的光場(chǎng)分布。通過調(diào)節(jié)入射光束參

3、數(shù)可以實(shí)現(xiàn)雙焦點(diǎn)距離從3.56λ到1.15λ的連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)余弦型復(fù)振幅濾波器參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)焦點(diǎn)數(shù)目的有效調(diào)節(jié)。
　　2.針對(duì)多環(huán)帶二元相位型光瞳濾波器優(yōu)化問題，提出了一種能夠普遍適用、快速高效的優(yōu)化算法。利用函數(shù)的冪級(jí)數(shù)展開公式，推導(dǎo)了Richards-Wolf公式的類解析多項(xiàng)式數(shù)學(xué)表達(dá)式，簡(jiǎn)化了優(yōu)化算法中的計(jì)算，減小了迭代優(yōu)化的計(jì)算量?；趯?duì)標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法的改進(jìn)，提出了新型遺傳-粒子群聯(lián)合算法。新算法改進(jìn)了慣性因子和加速因子的

4、設(shè)置策略，引入了交叉、變異操作。對(duì)于基準(zhǔn)函數(shù)的優(yōu)化測(cè)試結(jié)果表明改進(jìn)算法能夠快速收斂至全局最優(yōu)解。利用新型遺傳-粒子群聯(lián)合算法優(yōu)化了多環(huán)帶二元相位型濾波器參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了半高全寬為0.41λ，焦深為6.05λ的聚焦光斑。新型遺傳-粒子群聯(lián)合算法所得結(jié)果要優(yōu)于現(xiàn)有文獻(xiàn)中的二元純相位濾波器的優(yōu)化結(jié)果，并且優(yōu)化所需時(shí)間降低為標(biāo)準(zhǔn)粒子群算法的1/4。
　　3.從系統(tǒng)研究方面，開展了對(duì)球面反射系統(tǒng)聚焦的理論分析，分析了球面反射系統(tǒng)特有的超長(zhǎng)焦深性