基于矢量光束聚焦的超分辨濾波器設計研究.pdf

1、長期以來，光學成像系統(tǒng)的分辨率都受到阿貝衍射極限的限制。隨著納米級加工和生物探測等領域的發(fā)展，如何設計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光針，實現(xiàn)光學系統(tǒng)超分辨聚焦和超分辨成像，成為光學領域迫在眉睫需要解決的科學問題。
　　本文“基于矢量光束聚焦的超分辨濾波器設計研究”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)聚焦理論三個方面進行了深入研

2、究，探索實現(xiàn)遠場光學超分辨聚焦或亞波長超細光針的新方法和新理論。本課題從以下三個方面展開研究：
　　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，通過分析光瞳面上Airy光束振幅及相位特性，設計了余弦型復振幅濾波器，實現(xiàn)了Airy光束聚焦可控多焦點的光場分布。通過調(diào)節(jié)入射光束參

3、數(shù)可以實現(xiàn)雙焦點距離從3.56λ到1.15λ的連續(xù)調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)余弦型復振幅濾波器參數(shù)可以實現(xiàn)對焦點數(shù)目的有效調(diào)節(jié)。
　　2.針對多環(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)的冪級數(shù)展開公式，推導了Richards-Wolf公式的類解析多項式數(shù)學表達式，簡化了優(yōu)化算法中的計算，減小了迭代優(yōu)化的計算量?；趯藴柿Ｗ尤核惴ǖ母倪M，提出了新型遺傳-粒子群聯(lián)合算法。新算法改進了慣性因子和加速因子的

4、設置策略，引入了交叉、變異操作。對于基準函數(shù)的優(yōu)化測試結(jié)果表明改進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)化所需時間降低為標準粒子群算法的1/4。
　　3.從系統(tǒng)研究方面，開展了對球面反射系統(tǒng)聚焦的理論分析，分析了球面反射系統(tǒng)特有的超長焦深性