远场超分辨可视显微成像技术研究

发布时间：2017-09-26 01:09

  本文关键词：远场超分辨可视显微成像技术研究

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【摘要】：光学显微镜是人类历史上最重要的科技发明之一。在光学显微镜发明以前,人类对于周围世界的认识主要靠人眼,然而人眼的极限视角分辨率约为1′,在明视距离25cm处所能分辨的最小物体间隔约为0.1mm,因此无法实现对更微小物体的观测。自从16世纪末期荷兰著名的磨镜师Zaccharias Janssen发明了世界上第一台显微镜以后,人类才开启了探索微观世界的大门。显微镜发展至今已经成为生物学、材料学、医学、微光学等领域中必不可少的基本工具。然而由于光学衍射极限的存在,传统光学显微镜的横向分辨率被限制在约二分之一个照明波长,已经远远不能满足人们对微观世界进行探索的需要。因此探索能够突破光学衍射极限,实现超分辨成像的技术将具有十分重要的科学意义。在此研究背景下,本文主要从以下三个方面开展了远场超分辨成像技术研究。1.在基于介质微球的超分辨成像研究领域。侧重研究了微球能够实现超分辨成像的内在机理,创新性地从频谱变化的角度去分析了待测样品散射的倏逝波与微球的相互作用机制,给出了倏逝波能够耦合进微球并转换成远场传播波的条件,讨论了相关参数,比如微球的直径、折射率、媒介的折射率等参数对微球成像的分辨率和放大率等的影响。2.在基于介质微球的超分辨成像实验研究领域。从实验上开展了基于折射率较低的二氧化硅微球和聚苯乙烯微球,以及折射率较高的钛酸钡微球的成像实验,讨论了各自的成像放大率、分辨率等特性,重点分析了液体浸没对微球成像的影响机制,最后创新性地提出并制备了一种基于钛酸钡微球和PDMS软模的超分辨成像薄膜,可该将薄膜直接放置于待测样品表面,通过显微镜进行观察,便可以实现超分辨成像。3.在表面等离子体金属结构透镜领域。首先给出了由不同宽度的纳米缝构成的表面等离子体金属结构透镜的设计方法,并分析了透镜孔径对焦距和聚焦光斑的宽度的影响。在此基础上提出了一种基于全息原理的多焦点金属结构透镜的设计方法,通过将入射光看作参考光,多个焦点看作是点光源发出物光,再计算物光和参考光在结构透镜平面上的叠加光场,取叠加光场中的相位信息来确定金属结构透镜的相关参数。并通过双焦点和三焦点结构透镜的设计,验证了该设计方法的可行性。4.在结构光照明显微领域。创新性地提出了基于纳米柱阵列和纳米球阵列的结构光产生方式,通过调节纳米柱和纳米球的直径以及金属薄膜的厚度可方便地操控结构光的空间频率。其次给出了基于这两种结构光的超分辨成像原理,最后通过数值仿真验证了本文提出的方法的可行性。仿真结果表明在600nm的照明波长下,利用本文提出的结构光产生方法可将现有显微镜的横向分辨率提高到100nm,突破了六分之一波长的横向分辨率。
【关键词】：超分辨成像 显微镜 介质微球 等离子体透镜 结构光照明显微
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH742
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-28
• 1.1 研究工作的背景与意义12-13
• 1.2 超分辨成像技术国内外研究历史与现状13-26
• 1.2.1 超分辨荧光显微技术13-16
• 1.2.2 结构光照明显微技术16-20
• 1.2.3 表面等离子体超分辨成像技术20-24
• 1.2.4 基于介质微球的超分辨成像技术24-26
• 1.2.5 其他超分辨成像技术26
• 1.3 本论文的主要研究内容与创新26-27
• 1.4 本论文的结构安排27-28
• 第二章 超分辨成像研究的理论基础28-45
• 2.1 引言28
• 2.2 Abbe成像理论28-35
• 2.2.1 空间频率28-29
• 2.2.2 频谱29-30
• 2.2.3 成像理论30-31
• 2.2.4 波特实验31-35
• 2.3 显微成像系统的分辨率35-40
• 2.3.1 透镜的截止频率36
• 2.3.2 相干成像系统的分辨率36-39
• 2.3.3 非相干成像系统的分辨率39-40
• 2.4 频谱分析40-44
• 2.5 本章小结44-45
• 第三章 基于介质微球的超分辨成像技术研究45-64
• 3.1 引言45
• 3.2 微球的超分辨聚焦45-53
• 3.2.1 几何光学理论45-46
• 3.2.2 电磁仿真分析46-51
• 3.2.3 超分辨聚焦窗51-53
• 3.3 微球超分辨成像机理分析53-63
• 3.3.1 倏逝波耦合过程分析53-56
• 3.3.2 数值仿真验证56-61
• 3.3.3 影响参数分析61-63
• 3.4 本章小结63-64
• 第四章 基于介质微球的超分辨成像实验研究64-79
• 4.1 引言64
• 4.2 基于介质微球的成像实验64-73
• 4.2.1 微球和样品64-66
• 4.2.2 成像系统66
• 4.2.3 实验结果和讨论66-69
• 4.2.4 成像分辨率69-71
• 4.2.5 暗场显微成像71-73
• 4.3 液体浸没对微球成像的影响机理分析73-77
• 4.4 基于PDMS和钛酸钡微球的超分辨成像薄膜77-78
• 4.5 本章小结78-79
• 第五章 基于表面等离子体的金属结构透镜的设计79-93
• 5.1 引言79
• 5.2 表面等离子体基本理论79-83
• 5.2.1 色散方程79-81
• 5.2.2 穿透深度和传播长度81-82
• 5.2.3 激发方式82-83
• 5.3 单焦点金属结构透镜的设计83-88
• 5.3.1 设计原理83-84
• 5.3.2 聚焦特性研究84-88
• 5.4 多焦点等离子体透镜的设计88-92
• 5.4.1 设计原理89-90
• 5.4.2 仿真验证90-92
• 5.5 本章小结92-93
• 第六章 基于纳米柱和纳米球阵列的结构光照明显微技术研究93-111
• 6.1 引言93
• 6.2 结构光照明显微的基本原理93-95
• 6.3 基于单层纳米柱阵列的结构光照明显微技术95-105
• 6.3.1 结构光的产生机制95-101
• 6.3.2 超分辨显微成像原理101-103
• 6.3.3 超分辨成像数值仿真验证103-105
• 6.4 基于四边形排布纳米球阵列的结构光照明显微技术105-110
• 6.4.1 结构光的产生机制105-109
• 6.4.2 超分辨显微成像原理109
• 6.4.3 超分辨成像数值仿真验证109-110
• 6.5 本章小结110-111
• 第七章 全文总结与展望111-113
• 7.1 全文总结111
• 7.2 后续工作展望111-113
• 致谢113-114
• 参考文献114-122
• 攻读博士学位期间取得的成果122-123

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本文编号：920603