基于二次相位光柵的三維顯微成像系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、人類從未停止過對微觀世界的探索和觀察。光學(xué)顯微鏡自400多年前問世以來，經(jīng)歷了日新月異的演變。當(dāng)今，在顯微鏡的結(jié)構(gòu)和種類飛速發(fā)展的同時，顯微觀測技術(shù)也在不斷創(chuàng)新。如何觀測到更清晰的物體，如何拍攝/重建出更真實(shí)的三維影像，成了光學(xué)、生物學(xué)、信息科學(xué)等多個學(xué)科共同研究的熱點(diǎn)。
　　 本文以基于二次相位光柵的三維顯微成像系統(tǒng)為研究對象，以提高相位光柵的成像效率(文中的成像效率定義為相位光柵前3個(0，±1)衍射級的光能量相對于入射光總

2、能量的比值)和光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量為目標(biāo)，對基于二次相位光柵的三維顯微成像系統(tǒng)的原理及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方法、三維顯微成像系統(tǒng)的誤差分析、多階相位光柵的成像效率分析、利用棱柵校正三維顯微成像系統(tǒng)的色差等方面進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　 在三維顯微成像系統(tǒng)的原理及光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計方面，以衍射原理和相位光柵的工作原理為基礎(chǔ)，設(shè)計了一種簡單易行且低成本的離軸菲涅耳透鏡，即二次相位光柵。該光柵由一組周期不等的圓弧形刻槽組成，可使入射光的波前產(chǎn)生迂回相位

3、，于是光柵對入射光的不同衍射級有了不同的聚/離焦能力?；谠摴鈻诺墓鈱W(xué)系統(tǒng)可以作為附件，與大多數(shù)商用顯微鏡的CCD端口聯(lián)接，實(shí)時記錄樣品3～9個不同深度平面的像。該技術(shù)打破了大部分現(xiàn)有三維顯微成像技術(shù)對于光源相干性的限制，從根源上減弱了由于強(qiáng)入射光導(dǎo)致的樣品光漂白和光損傷等問題。并由于其捕捉圖像的實(shí)時性，尤其適用于活體生物細(xì)胞成像，避免了細(xì)胞游動過快而導(dǎo)致的不同時刻錯誤圖像采集問題。
　　 為了觀測到盡可能真實(shí)清晰的圖像，提高相

4、位光柵的成像效率和改善三維顯微成像系統(tǒng)的成像質(zhì)量，是本文研究的重點(diǎn)。為此分別針對相位光柵和三維顯微成像系統(tǒng)進(jìn)行了誤差分析。首先，建立了三種典型加工誤差(刻蝕深度誤差、表面粗糙度和版圖誤差)的一維理論和仿真模型。計算結(jié)果表明，相位光柵的表面粗糙度和版圖誤差對各衍射級能量平衡的影響較小，但刻蝕深度誤差決定了相位光柵前3個衍射級能量平衡的精度，必須嚴(yán)格予以控制。其次，系統(tǒng)分析了由二次相位光柵引起的三維顯微成像系統(tǒng)的若干誤差。研究結(jié)果表明，色差

5、是影響光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的主要誤差來源，必須加以校正。
　　 在提高相位光柵的成像效率方面，基于二元光學(xué)的相關(guān)原理，建立了多階(2，4，6)相位光柵的一維數(shù)學(xué)模型。通過對不同臺階數(shù)相位光柵成像效率的分析，得到了與之對應(yīng)的光柵各臺階的深度和柵距等參數(shù)的優(yōu)化值，為今后相位光柵的設(shè)計提供了方向。理論計算及仿真結(jié)果表明，優(yōu)化參數(shù)的4階相位光柵，其成像效率高達(dá)90.9％，比2階相位光柵高了4.4％;而相應(yīng)的，6階相位光柵的成像效率增益僅為4

6、.8％。因此，制作4階相位光柵是提高光柵成像效率的有效途徑之一。其次，簡述了幾種相位光柵加工方法，并由于刻蝕深度的精度要求比較高(幾納米)，提出了一種潛在的薄膜沉積加工方法。
　　 在提高光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量方面，校正色差是目前工作的重心之一。利用棱鏡和光柵的組合——棱柵，通過設(shè)計其結(jié)構(gòu)參數(shù)，可對一定波長范圍的入射光進(jìn)行較均勻的“預(yù)色散”，使得不同波長的光通過二次相位光柵后獲得相同的衍射角，從而消除/減弱了色差。通過調(diào)節(jié)CCD相機(jī)

7、的位置和一對棱柵之間的距離，開展一系列重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，得到了一組優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。并基于此，分別采用復(fù)合雙色激光和白光，驗(yàn)證了一對平行排列的棱柵可有效地消除帶寬約100nm的色散現(xiàn)象。于是將一對棱柵與基于二次相位光柵的三維顯微成像系統(tǒng)相結(jié)合，初步用于幾種常見熒光團(tuán)的模擬成像。實(shí)驗(yàn)表明，一對棱柵對各熒光團(tuán)-1衍射級的色差進(jìn)行了較成功的校正，提高了系統(tǒng)的成像質(zhì)量。該技術(shù)亦適用于各種顯微鏡系統(tǒng)，且有望推廣到9個平面同時成像系統(tǒng)的色差校正中。

8、　　 基于上述研究，本論文在以下方面具有創(chuàng)新之處:1)建立了相位光柵加工誤差分析的一維理論模型，系統(tǒng)研究了幾種典型的加工誤差對相位光柵成像效率及前3個衍射級能量平衡的影響，并分析了基于二次相位光柵的三維顯微成像系統(tǒng)的主要誤差來源;2)建立了多階(2，4，6)相位光柵的一維數(shù)學(xué)模型，分析了光柵相位輪廓的細(xì)化(增加臺階數(shù)目)對成像效率的影響，并論證了優(yōu)化參數(shù)下的4階相位光柵，可在實(shí)現(xiàn)前3個衍射級能量平衡的前提下，將光柵的成像效率提高至90