（光学工程专业论文）电控可调谐超分辨光瞳滤波器的设计.pdf

】_ n a n i n gu n i v e r s i t yo f a e r o n a u t i c sa n da s t r o n a u t i c s 硼忙g r a d u a t es c h o o l c o l l e g eo fs c i e n c e 1 1 1 11111ffiiflllnllln li1111llllll l l li舢ii fy 18 2 5 7 2 9 t h e d e s i g no fe 1 e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dt u n a b l e s u p e r r e s o l u t i o np u p i lf i l t e r a t h e s i si n i n f o r m a t i o no p t i c sa n dc r y s t a lo p t i c s b y y i l e x i e a d v i s e d b y p r o f y o u 胎nl i u s u b m i a e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f o p t i c a le n g i n e e r i n g d e c ，2 0 0 9 ，jli11； 1l 承诺书 本人声明所呈交的硕士学位论文是本人在导师指导下进 行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致 谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天大学可以将学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本承诺书) 作者签名： 避讹琢j r e l期： 丝k ：墨：血 _ _ j il1】i 南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 超分辨技术是基于超越经典衍射极限的要求，获得空间光强的三维分布的一种技术。目前， 超分辨技术已经广泛应用于光存储、光通信、光学成像、现代光学系统设计及超大规模集成电 路制作等领域。获得超分辨的主要途径，即是通过设计光学系统的光瞳滤波器，实现滤波之后 系统焦点附近三维光场的重新分布。 本论文根据空变偏振态控制和偏振干涉原理，结合电光调制技术，设计了两种结构的电控 可调谐超分辨光瞳滤波器。 ( 1 ) 复合延迟器型电控光瞳滤波器：以两区域的复合延迟器为核心，与电光晶体、偏振镜 ( 晶体型) 组合，构成一种全晶体型光瞳滤波器。复合波片与电光晶体结合，实现两个区域内 透射光波的偏振分量相位延迟差的电压调控。研究结果表明：借助于该光瞳滤波器不仅可以实 现光学系统横向超分辨能力的提高，而且可以通过调节电光相位延迟和合适的二区域波片内外 区方位角，实现轴向焦移的实时调控或轴向扩展的焦深。 ( 2 ) 复合电光晶体型电控光瞳滤波器：以两区域的复合电光晶体为核心，与九4 延迟器、 偏振镜( 晶体型) 组合，构成另一种全晶体型光瞳滤波器。与前一种光瞳滤波器相比，其空变 偏振态的操控方式不同，由原来的两区域电光均匀相位延迟，变为复合电光晶体下两区域内的 非均匀电光相位延迟。研究结果表明：借助子该光瞳滤波器既可以实现横向上电压对光学系统 横向超分辨能力的实时控制，又可以实现轴向上电压对焦移的实时调控和在某个特定电压条件 下实现较大轴向扩展的焦深。 关键词：光学器件，横向超分辨，电光调制，轴向焦移，轴向扩展焦深，空变偏振操控 电控可调谐超分辨光瞳滤波器的设计 a b s t r a c t s u p e r - r e s o l u t i o nt e c h n o l o g y ，b a s e do nt h er e q u i r e m e n tb e y o n dt h e c l a s s i c a ld i f f r a c t i o nl i m i t ，i sa t e c h n o l o g yt h a tc a na t t a i nt h ed i s t r i b u t i o no ft h et h r e e d i m e n s i o ns p a t i a li n t e n s i t y a tp r e s e n t ，t h e s u p e r - r e s o l u t i o nt e c h n o l o g yi sa l r e a d yw i d e l yu s e di no p t i c a ls t o r a g e ，o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，o p t i c a l i m a g i n g ，t h em o d e r no p t i c a ls y s t e m sd e s i g n , u l t r a - l a r g es c a l ei n t e g r a t e dc i r c u i tp r o d u c t i o na n d o t h e r f i e l d s t h em a i nw a yt oo b t a i ns u p e r - r e s o l u t i o ni st h ed e s i g no fp u p i lf i l t e rt oa c h i e v et h e r e - d i s t r i b u t i o no f t h ef i l t e r e dt h r e e - d i m e n s i o n a ll i g h tf i e l dn e a rt h ef o c u s b a s e do ns p a c e - v a r i a mp o l a r i z a t i o nm a n i p u l a t i o na n dp o l a r i z i n gi n t e r f e r e n c e ，c o m b i n e dw i t h e l e c t r o - o p t i c a lm o d u l a t i o nt e c h n i q u e s ，t w ok i n d so fe l e c t r i ct u n a b l es u p e r - r e s o l u t i o no p t i c a lp u p i l f i l t e ri sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r ( 1 ) c o m p o s i t ed e l a y e r - t y p ee l e c t r i cc o n t r o lp u p i lf i l t e r s ：at w o - z o n ec o m p o s i t ed e l a y e ra st h e c o r e ，a n de l e c t r o - o p t i c a lc r y s t a l ，p o l a r i s c o p e ( c r y s t a lt y p e ) ，c o n s i s t i n go faf u l lc r y s t a l b a s e dp u p i l f i l t e r t h ec o m b i n a t i o no fc o m p o s i t ew a v ep l a t ea n de l e c t r o - o p t i c a lc r y s t a lc a na c h i e v et oc o n t r o l t h ed i f f e r e n c eo fp h a s ed e l a yb e t w e e nt h et w oz o n e st h r o u g ht h ev o l t a g e t h er e s u l t ss h o w ：t h i sp u p i l f i l t e rc a nn o to n l yi m p r o v et h es u p e r - r e s o l u t i o nc a p a b i l i t i e si nt h et r a n s v e r s e ，b u ta l s ob ya d j u s t i n gt h e e l e c t r o - o p t i c a lp h a s ed e l a ya n dt h er i g h ta z i m u t ha n g l ei nt w oz o n e st oa c h i e v er e a l - t i m ec o n t r o lo f a x i a lf o c a ls h i f to ra c h i e v ef o c a ld e p t ho na x i a ld i r e c t i o n ( 2 ) c o m p o s i t ee l e c t r o - o p t i cc r y s t a l b a s e d e l e c t r i cc o n t r o lp u p i lf i l t e r s ：t h et w oz o n e so f c o m p o s i t ee l e c t r o - o p t i cc r y s t a la st h ec o r e ，a n d 九4r e t a r d e r , p o l a r i s c o p e ( c r y s t a lt y p e ) c o m b i n e d t o f o r ma n o t h e rf u l lc r y s t a l b a s e dp u p i lf i l t e r c o m p a r e dw i t ht h ef o r m e rp u p i lf i l t e r ，t h es p a c e - v a r i a n t p o l a r i z a t i o nm a n i p u l a t i o ni sd i f f e r e n t , f r o mt h eh o m o g e n e o u se l e c t r o - o p t i c a lp h a s e - d e l a yi n t o t h e n o n - h o m o g e n e o u se l e c t r o o p t i c a lp h a s e - d e l a yb e t w e e nt h et w oz o n e s t h er e s u l t ss h o w ：t h i sp u p i l f i l t e re a r ln o to n l ya c h i e v et h er e a l - t i m ec o n t r o lo ft h es u p e r - r e s o l u t i o nc a p a b i l i t i e sb yt h ev o l t a g ei n t r a n s v e r s e ，b u ta l s oc a na c h i e v et h er e a l - t i m ec o n t r o lo fa x i a ls h i f tb yt h ev o l t a g ea n da c h i e v el a r g e a x i a lf o c a ld e p t ho na x i a ld i r e c t i o n k e y w o r d s ：o p t i c a ld e v i c e s ，t r a n s v e r s es u p e r r e s o l u t i o n ，e l e c t r o - o p t i c a lm o d u l a t i o n , f o c a ls h i f t ； e x t e n d e df o c a ld e p t h ，s p a c e - v a r i a n tp o l a r i z a t i o nm a n i p u l a t i o n i i 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论。l 1 1 课题背景1 1 2 研究内容2 第二章光学超分辨理论基础与研究进展综述。3 2 1 光瞳滤波器简介3 2 2 超分辨理论基础5 2 2 1 光瞳滤波的焦点附近的三维光强分布k 5 2 2 2 焦点附近三维光强评价因子。6 2 3 光学超分辨技术研究进展状况：。7 2 4 基于空变偏振操控的超分辨技术9 2 4 1 空变偏振操控概述9 2 4 2s v p m 的研究进展l o 2 4 3s v p m 在超分辨领域中的应用l l 2 5 本章小结1 2 第三章复合延迟器型电控超分辨光瞳滤波器的设计1 3 3 1 复合延迟器型滤波器的结构及原理1 3 3 2 系统琼斯矩阵分析1 4 3 3 系统超分辨性能调谐：1 6 3 3 1 横向超分辨与轴向焦移调谐1 6 3 3 2 横向超分辨与轴向扩展焦深调谐1 9 3 4 本章小结2l 第四章复合电光晶体型电控超分辨光瞳滤波器的设计2 3 4 1 复合电光晶体型光瞳滤波器的结构o 2 3 4 2 二区域电光晶体。2 4 4 3 系统琼斯理论分析2 5 4 4 光瞳滤波的电控调谐分析2 6 4 4 1 系统轴向光强调谐2 6 4 4 2 系统横向光强调谐2 9 4 5 两种滤波器的比较3 4 i i i 电控可调谐超分辨光瞳滤波器的设计 i v 4 6 本章小结3 6 第五章总结与展望3 7 5 1 总结3 7 5 2 展望3 8 参考文献3 9 致谢4 2 在学期间的研究成果及发表的学术论文4 3 南京航空航天大学硕士学位论文 图标清单 图2 1 透射率渐变光瞳滤波器。3 图2 2 折射率突变光瞳滤波器3 图2 3 三区位相型光瞳滤波器4 图2 4 几种传统光波和c v 波束的瞬间电矢量( 横向) 空间分布图1 l 图3 1 复合延迟器型光瞳滤波器结构图1 3 图3 2 偏振态演变图1 4 图3 3 轴向光强分布分布图1 6 图3 4 轴向焦点随电光相位延迟r 的变化图1 7 图3 5 横向光强分布图1 8 图3 6 横向斯特尔比s 随电光相位延迟r 的变化图1 9 图3 7 焦深随电光相位延迟r 的变化图2 0 图3 8 离焦面上横向光强分布图2 l 图4 1 复合电光晶体型超分辨光瞳滤波器结构图2 3 图4 2 加外电场前后光率体的变化图2 4 图4 3 轴向光强分布图2 7 图4 4 焦移随电光相位延迟r 的变化图2 8 图4 5 轴向光强分布图2 8 图4 6 轴向扩展焦深比较图2 9 图4 7 横向光强分布图3 0 图4 8 横向光强分布图3l 图4 9 焦深内横向光强比较图3 l 图4 1 0 横向斯特尔比随电光相位r 变化图3 2 图4 1 l 第一零点压缩比随电光相位i 变化图3 3 图4 1 2 离焦面上横向光强的分布图3 4 v 电控可调谐超分辨光瞳滤波器的设计 v i i ( v ，0 ) i ( 0 ，“) i ( v ，吁) i ( v ，“) 尸( p ) 1 0 ( 印) q ，q s m h 瓦，巴埘 r 0 ，砬，鲲 v 注释表 横向光强 轴向光强 焦移处横向光强 离焦面光强 光瞳函数 零阶b e s s e l 函数 横向轴向第一零点压缩比 斯特尔比 旁瓣强度比 半高半宽比 入射出射光矢量 电光相位延迟量 快轴方位角 外加电压 横向轴向坐标 焦移坐标 离焦面坐标 归一化半径 起偏器检偏器( 矩阵) 偏振波片( 矩阵) 电光晶体( 矩阵) 线性电光张量 o 光折射率 电光调制系数 复振幅 数值孔径 光波波数 b e s s e l 函数 州叶血帆腿q b七咖w一埘 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景 理想的光学系统，满足几何成像关系，即像点是一个理想的几何点。但对于一个实际的光 学系统，往往存在孔径限制，此时，由于光的波动性，物点的光通过实际光学系统的孔径光阑 时将发生衍射，形成的衍射成像图样即点扩散函数( p o i n ts p r e a df u n c t i o n ) ，是一个有一定面积 的光斑，称为爱里斑( a i r ys p o t ) 。当一个实际的光学系统，对两个等强度的点成像时，如果两 个点靠得很近，那么这两个爱里斑将重叠在一起，分辨不清。因此任何光学系统都有分辨率限 制。现代光学中，分辨率的定义起源于r a y l e i g h 的两点分辨率标准o , 2 1 ( 艮pr a y l e i g h 标准) 。两个 很靠近的等强度点恰好被分辨的条件是：一个艾里斑的中心( 最大值) 与另一个艾里斑的第一 级暗环( 第一零值) 重合。在此标准下，分辨率极限是由光学系统的强度点扩散函数( p o i n ts p r e a d f u n c t i o n ) 的主瓣峰值点到第一零值点的距离( 即主瓣的尺寸或主瓣宽度) 所决定。传统意义 的条件下，人们认为这个分辨率极限是不可逾越的。 然而，光学的进一步发展表明，这个“分辨率极限”并不是真正的“极限”。随着光学技术 的进步，人们利用衍射光学的技术与器件，能够突破受限于衍射极限的分辨率，实现光学超分 辨，超越这个所谓的极限。1 9 5 2 年，t o r a l d od if r a n e i a 首次将有限视场超分辨【3 4 】的概念引入到 光学，提出如果没有噪音，光学分辨率应该是没有上限的。所谓的r a y l e i g h 分辨率只不过是以 人们肉眼为标准的一个实际限制，并不是理论上的极限。t o r a l d od if r a n c i a 的研究表明，如果 利用放置在出瞳的衍射器件将出瞳光场调制为某种特殊的分布，则成像系统的强度点扩散函数 5 1 ( p s f ) 可以在焦面上预先指定的位置产生零强度点，而当第一个零强度点出现衍射艾里斑第 一级暗环之内时，该成像系统强度点扩散函数的主瓣尺寸就会低于经典衍射极限。这样在理论 上就可以把衍射花样中心主斑压缩到无限小，从而提高了该光学系统的分辨率。然而，这种光 瞳滤波器在实际应用中设计难度很大。另外，超分辨的实现总是伴随着主瓣能量的减小、旁瓣 能量的增加等负面效应。但这种超分辨思想却给出了一种非常有意义的研究方向。在焦面上或 沿光轴的主瓣尺寸低于衍射极限的p s f 称为横向或轴向超分辨p s f 。像这种光学系统强度点扩 散函数主瓣尺寸低于经典衍射极限的光学现象，就称为光学超分辨。 自t o r a l d od if r a n c i a 提出超越经典分辨率极限的可能性后，人们对于光学超分辨的研究逐 渐发展并不断提出新的实现光学超分辨的方法和设计出新的光学超分辨装置。目前，光学超分 辨已经成为光学工程领域的一项前沿研究课题，在光存储、光通信、共焦成像等诸多领域都有 着重要的应用。 电控可调谐超分辨光瞳滤波器的设计 1 2 研究内容 利用光瞳滤波来实现超分辨是目前广泛采用的实现光学超分辨的方法之一。特殊设计下，光 膻滤波能够有效的锐化光学系统的爱里斑尺寸，提高系统的分辨率。但传统的滤波器件一旦制作 成型，其相应的光学特性就不能再被改变，而在一些诸如动态影像观测、粒子俘获和控制等许多 应用中，却要求系统的分辨能力须具有动态可调谐性。 本论文从标量衍射理论出发，基于空变偏振控制与偏振干涉技术，进行了可调谐超分辨光瞳 滤波器的设计，论文主要内容如下： 在第二章中，介绍了光学超分辨的理论基础和技术背景。给出了光瞳滤波器的分类和比较 了各类型光瞳滤波器的特点，分析了光瞳滤波器滤波后焦点附近的光强分布及常用的焦点附近 三维光强评价因子；综述了光学超分辨技术，并对空变偏振操控获得超分辨的技术进行了论述。 在第三章中，设计了一种由偏振器件、二区域波片和电光元件组成的复合延迟器型电控超 分辨光瞳滤波器，并分析了系统焦点附近横向和轴向的光强分布特性及其电光调谐特性。 在第四章中，设计了一种由多个偏振器件和一个置于其间的二区域电光元件组成的复合电 光晶体型电控超分辨光瞳滤波器，并分析了系统焦点附近横向和轴向的光强分布特性及其电光 调谐特性，最后还将其与第三章所设计的复合延迟器型超分辨光瞳滤波器从结构到性能等方面 进行了比较。 在第五章中，对本课题进行了总结与展望。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 第二章光学超分辨理论基础与研究进展综述 本章主要论述光学超分辨的理论与进展状况。论述了光瞳滤波器的基本结构，光瞳滤波基 础理论以及光学超分辨技术的研究进展，并对空变偏振获得超分辨技术进行了总结。 2 1 光瞳滤波器简介 光瞳滤波器是一种重要的光学器件，它能有效地控制光束在焦点附近空间区域的分布，进 而提高光学系统的分辨能力。应用超分辨光瞳滤波器是目前实现光学超分辨的主要方法之一。 到目前为止所出现的超分辨光瞳滤波器，从结构上来说大多数都基于环状、多环及漏环而设计 的，而按照其滤波方式可以分为振幅型光瞳滤波器、位相型光瞳滤波器和复振幅型光瞳滤波器。 光轴 图2 1 透射率渐变光瞳滤波器 振幅型光瞳滤波器，是指通过调节振幅的透过率来改变焦斑强度分布的滤波器。目前对振 幅滤波器的研究主要集中在圆形对称的光瞳滤波器上。按照光瞳内振幅透过率改变的方式，可 以分为透过率突变光瞳滤波器和透过率渐变光瞳滤波器两种。图2 1 是一种透射率渐变光瞳滤 波器，在p l 和p 2 偏振器之间放置有双折射透镜，图2 2 是一种透过率突变光瞳滤波器，即环 形滤波器，主要由同心的、透射率不同的多个环状光瞳组合而成，普遍采用二区或三区的漏光 环形光瞳滤波器。这类滤波器每一圆环的半径和透过率都不确定，选择不同的参数可以获得不 同的超分辨效果，灵活度和自由度非常高。 图2 2 折射率突变光瞳滤波器 3 电控可调谐超分辨光瞳滤波器的设计 位相型光瞳滤波器，是指通过调节系统相位差来改变焦斑强度分布的滤波器。位相型滤波 器也多为圆对称环状结构。目前常用的一种圆环位相型滤波器又称为二元滤波器，它是由透过 率e 印和l 这两种圆环相间构成，可变参数同样只有两个：相邻区域的位相差缈和总的圆环数， 如图2 3 所示的三区位相型光瞳滤波器。如果不考虑系统中心强度大小，两区位相型光瞳的结 构最为简单，但它能调节系统超分辨效果的因子只有第一区的半径和两区间的位相差。此外， 利用e 偏振光通过单轴晶体时所产生的位相偏移取决于光轴与入射光之间夹角的原理，得到基 于单轴晶体的位相型光瞳滤波器，能够实现光瞳滤波器的位相可调，而且是一种设计简单、成 。本低、对光衰减不会过大的位相滤波器。 图2 3 三区位相型光瞳滤波器 复振幅光瞳滤波器，是指能够同时调节振幅和系统相位差来改变焦斑强度分布的滤波器。 振幅型滤波器也多为圆环状结构，只不过其各环区域都具有既能调节光波的振幅又能改变光波 的相位的功能。除这些典型设计外，利用多个器件组合也可以构成不同滤波功能的光瞳滤波器。 近年来，在超分辨研究领域，常常使用多个偏振器件和相位延迟器件进行组合，以实现横向上 不同区域相位延迟量的不同，进而导致偏振干涉后的出射光光强在不同区域的分布也不同。 相比较而言，三类滤波器各有优缺点，比如：振幅型光瞳滤波器结构简单、容错性好，并 且能够很好地抑制旁斑的影响，但是其主斑强度会显著衰减；而在相同的超分辨条件下，相位 型光瞳滤波器有更高的中心主斑强度，但是其旁斑强度要比振幅型光瞳滤波器大。此外，近年 来，随着二元光学制造技术的发展，使得位相型光瞳滤波器的制作越来越容易；而振幅型光瞳 滤波器的制造仍然比较困难，特别是透射率连续变化的振幅型光瞳滤波器。而复振幅型光瞳滤 波器综合了振幅型和位相型的优缺点，由于可变参数较多，可以满足光学系统对超分辨的诸多 要求，然而这类滤波器的建模优化过程非常复杂，而且对加工技术要求高而且制作工艺相对繁 复。实际应用时，需要根据使用要求选择不同类型的光瞳滤波器。 4 南京航空航天大学硕士学位论文 2 2 超分辨理论基础 2 2 1 光瞳滤波的焦点附近的三维光强分布 设( p ，0 ) 是光瞳面上某点的极坐标 p c o s = 善，p c o s o = r ( 2 - 1 ) 并设( y ，矽) 是衍射图样上以点源几何像为原点时p 点的极坐标 ycosp=p，vcosq，=g(2-2) 由p 和q 的定义可知v = p 2 + 9 2 是( p ，q ) 方向与中心方向p = q = 0 夹角的正弦。根据m b o r n 和c w m c c u t c h e n 的理论，单色光入射到一般的成像装置时，衍射后的光场为 u ( p ) = cf p 一玻( 硝+ 聊d 孝d 刀( 2 - 3 ) 写成傅里叶积分的形式 u ( p ) = f f g ( 孝，r ) e - 2 r ( 硝+ g ，7 ) 7 a d 善d 7 7 ( 2 - 4 ) 其中g 为滤波器的光瞳函数。对于设成为圆孔半径，衍射积分为 u ( y ) = c r f 石c ( p ，o ) e - a p v c o s ( e - 口, ) p d p d o ( 2 _ 5 ) 由贝塞尔函数以( z ) 的积分表示 同时，根据递推关系 取n = o 积分，有 故有 心，r j ：e l z c o s a p 眦= 以( z ) u ( p ) = 2 r c c r j o ( k p y ) p d p 旱 x 刀+ 1 以+ 。( x ) 】= x n + l r 疗l z x ) a x r x 厶( x ) 出= “( x ) u ) = c d 2 j , ( k p o v ) g p o v ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 5 兰幼 为化可式 匕 电控可调谐超分辨光瞳滤波器的设计 考虑焦点附近复振幅分布。设成像区域轴向坐标为z ，定义v 和u 对应成像区域的横向坐 标r 和轴向坐标z ，且 y = 等哆甜= 等9 其中2 石a 为光波波数，r f 为系统的数值孔径。 以( y ，u ) 为变量，并取复振幅的归一化分布，得到成像区域内的复振幅分布可表示为 u ( 哪) = 2 c 尸( 户) 厶( 甲) 2 ( 一譬) p 和 ( 2 _ 1 2 ) 其中p 为归一化半径，p ( p ) = t ( p ) e 印p 是光瞳函数，g o ( 垆) 为零阶b e s s e l 函数。经典的衍 射极限是在假设尸( p ) = 1 的条件下得到的。 当u = o 时，得到系统横向焦平面上的复振幅分布 u ( v ，o ) = 2 j cp ( p ) j o ( v p ) p d p ( 2 - 1 3 ) 上式表明焦平面上的复振幅分布函数是光瞳函数p ( p ) 的汉克尔变换。 当v = 0 时，系统轴向上的复振幅分布为 u ( o ，“) = 2r p ( p ) e t i u pp 和 ( 2 - 1 4 ) 由式( 2 1 3 ) 可得系统横向光强分布为 ，。) = u ，。) u + u ，。) = 1 2 f 尸( p ) j o ( v p ) p d p l 2 ( 2 1 5 ) 同理，由式( 2 1 4 ) 可得系统轴向光强分布为 邶抓帆则中脚弦卑) p d p l 2 协 2 2 2 焦点附近三维光强评价因子 在评价光学系统焦点附近三维光强分布及超分辨效果时，除了分析其横向强度点扩展函数 曲线和轴向强度点扩散函数曲线外，通常还采用以下评价因子：超分辨因子g ( 即第一零点压 缩比) 、斯特尔比s 、轴向焦移和轴向扩展焦深。此外，有时也讨论旁瓣强度比m 和半高半宽 超分辨因子g 是光瞳滤波器滤波后与未滤波的艾里斑衍射方式时系统的光强第一零点位置 之比，亦即其相应强度点开展函数曲线第一零点坐标的比值。超分辨因子g ，又称为第一零点 南京航空航天大学硕士学位论文 压缩比，包括横向第一零点压缩比和轴向第一零点压缩比q ，它们反映的是系统在横向和轴 向上实际的超分辨能力。斯特尔比s 定义为加入光瞳滤波器时和无光瞳滤波器时系统的主瓣强 度之比，它反映光学系统对光的利用效率。 轴向焦移是指聚焦光束轴向强度最大点偏离其几何焦点的光学现象，焦移量，等于实际 强度最大点到几何焦点的距离。当光束发生轴向焦移时，焦移处( 即实际焦点处) 的横向光强 。慨，= 1 2p ( p ) j o ( y p ) e c - 毕砌| 2 m 焦深定义为光强峰值变化量不超过1 0 时的轴向距离，轴向扩展焦深指在轴向上出现比较 大的焦深时的光学现象。当出现大焦深时，离焦面上光强分布公式为 叫2p ( p ) j o ( v p ) * e ( 粤) p d p l 2 ( 2 1 8 ) 旁瓣强度比m 定义为加入光瞳滤波器后强度点扩散函数的旁瓣强度与中心主瓣强度之比。 这个因子代表了部分系统背景噪声水平。旁瓣强度的增加会使系统的信噪比恶化，在应用中不 能获得好的分辨率。半高半宽比h 则为加入光瞳滤波器时和无光瞳滤波器时系统的光强半高半 宽值之比。 以上所说的诸多光学系统性能评价因子并不是孤立的，它们相互制约相互影响。通常在设 计光瞳滤波器时，应该选取斯特尔比s 大而且超分辨因子g 小的光学系统，但是这两个因子无 法同时达到最佳效果，一般斯特尔比s 变大时，超分辨因子g 却也会随之变大。此外，轴向焦 移和轴向扩展焦深在显微镜成像等特定领域有着非常重要的作用，应用于这些领域的光瞳滤波 器应优先考虑其轴向焦移和扩展焦深的效果。因此，为获得良好的系统整体性能，需要根据具 体要求来优化各个参数，以求得最优超分辨参数，使得所设计的系统各项性能达到某种状态下 的平衡。近年来，还出现了多种类型的可调谐光瞳滤波器，它们能够根据各种需要随时修改系 统的相应参数。 2 3 光学超分辨技术研究进展状况 随光学超分辨技术逐渐发展，人们提出了多种实现光学超分辨的方法即】，其中的主要方法 有：利用光瞳滤波器实现超分辨，利用光束的偏振、光束的干涉实现超分辨，利用光栅的运动 和利用特殊设计的透镜实现超分辨等。到目前为止，光学超分辨技术大致分为两类，一类通过 7 电控可调谐超分辨光瞳滤波器的设计 采用短波波长的方法使系统分辨率成倍提高；二是超越经典的衍射极限，对经典分辨率判据的 改进和对分辨率概念拓展的超分辨研究，通过改变光学系统的成像结构、成像方式或改变光瞳 函数的分布等方法来提高系统分辨率。目前，对光学超分辨技术的研究大多集中在后一类技术 上，其中通过光瞳滤波技术来锐化光学系统的艾里斑光斑尺寸大小的方法是最易实现也最被广 泛研究的一项光学超分辨技术。 光学超分辨技术在现代科技中扮演着重要角色，在天文学、图像处理、共焦扫描成像、光 存储、激光打印、自由空间激光通讯等众多领域中有着广泛应用【协1 3 】。特别是自激光问世以来， 新出现的以激光为照明光源的成像系统【h d 7 1 ，如激光加工系统、光盘存储系统、共焦扫描显微 系统等等，都需要应用光学超分辨技术来解决工艺和制作技术对分辨率进一步提升的限制的问 题。以光盘存储【墙】为例，为了缩小焦斑尺寸以提高单位区域内的读写密度，传统的途径是采 用波长更短的半导体激光器和数值孔径更大的物镜，这个方向的研究一度取得了极大的成果， 但在想进一步发展又遇到新的难题；激光波长的降低受到半导体激光器工艺及成本的限制，物 镜数值孔径的提高会使得物镜性能对加工误差及装配误差的敏感程度增加，物镜表面斜率会变 大从而增大反射损失，并且物镜质量及体积会增大。当降低激光波长及增大物镜数值孔径达到 各自的限度时，采用光学超分辨技术，通过改变光瞳函数的方式来提高透射光场的分辨率，为 进一步提高光盘存储密度提供了新的途径【1 9 】。目前，研究人员设计了各式的光瞳滤波器，主要 形式即2 1 中所述的光瞳滤波器类型，除涉及偏振效应的滤波器( 如透射率渐交光瞳滤波器) 外，均属于传统意义上的的光瞳滤波器。其核心思想是设计横向上不同区域的透射率与相位延 迟，获得焦点附近光强的重新分布。 在光学超分辨技术的研究中，除了研究提高光学系统分辨率的提高外，如何获得大的轴向 扩展焦深和对焦移的控$ i j l 2 0 ，2 1 】也是其中一项重要的研究内容。目前，在高密度光学数据存储系 统里、显微镜成像、光学校准及层析成像等应用领域【2 2 埘l ，通过各种光学元件的双折射效应来 获得扩展焦深的研究正备受关注。此外，也有研究人员利用柱状矢量光束、准双焦双折射透镜 与胶接双透镜等来实现扩展焦深【2 勉7 1 。而在焦移控制方面，r c h o w d h u r y 首次提出了偏振掩模 法实现焦移控制口8 3 叫，通过二元环形区域偏振掩模的引入来实现光瞳面上的偏振位相或振幅的 控制，得出了可实现焦移的光瞳函数，并实现了轴向焦移效应。近年来，光瞳滤波器所产生的 焦移效应已在自动聚焦、扩展焦深、离焦面图像构建及激光精密加工等方面有了广泛的应用。 对于前面提到的绝大部分滤波器，都存在一个明显的缺点：即一旦滤波器制作完成，其相 应的光学超分辨特性就不能再被改变：然而，在诸如动态影像观测、粒子俘获和控制等许多实 际应用中，光学系统的分辨能力须具有动态可调谐性。为了克服传统光瞳滤波器不可调谐的缺 点，必须设计可调谐光瞳滤波器来实现光学超分辨的可调谐性。 可调谐振幅型或位相型光瞳滤波器设计主要有以下进展：m a r t i n e z c o r r a l ( 3 l 】等设计出轴向 光学超分辨性可调的二元位相型光瞳滤波器。c a n a l e s 3 2 】等宣布他们在滤波器上加光瞳掩模，通 8 南京航空航天大学硕士学位论文 过偏振器改变掩模区域的出射光场以实现分辨率可调。q i w e nz h a n 3 3 1 等人研究了偏振方向径向 对称分布的柱状矢量光束的焦点处光强分布特性与调节特性。d a v i s l 3 4 1 等利用液晶来制作光瞳滤 波器由于液晶的透光率等参量可以通过外加电压控制因此它能够用来实现许多种分布的光瞳滤 波器。m a o j i by u n 3 5 屿j i m i n gw a n g 3 6 增人提出复合滤波器或径向双折射滤波器，借助于元件 的旋转或电光效应实现了横向分辨能力的调节。上面的设计中，除第一类二元位相型光瞳滤波 器外，其他均涉及空变偏振技术，因此，基于空变偏振设计可调谐超分辨滤波器是一个重要的 研究方向。下面对基于空变偏振操控技术获得焦点附近光强的三维分布与操控进行论述 2 ：4 基于空变偏振操控的超分辨技术 2 4 1 空变偏振操控概述 偏振特性是光波的一项基本性质，因此偏振态是光的一个非常重要的信息参量。随着光学 的发展，对光波偏振态的研究重点逐渐从标量波( 横向空间偏振态不变的光波，如线偏振光、 椭圆偏振光和圆偏振光) 转移到了矢量波( 横向上偏振态变化的光波) 上。空变偏振操控1 3 7 3 叼 ( s p a c e v a r i a n tp o l a r i z a t i o nm a n i p u l a t i o n ，s v p m ) 就是针对矢量波研究的一项重要的应用技术， 它实际就是在横向上操控偏振态随空间坐标的变化而变化。 偏振光学器件可以改变光偏振态、相位延迟、旋光或退偏。空变c - g ( c o m p u t e r - g e n e r a t e d ) 亚波长介电或金属光栅、偏振敏感材料( 如含偶氮苯( a z o n b e n z e n e ) 材料) 、液晶器件等均是 可获得s v p 的元件。通常，此类元件的透射率，延迟量和光轴方位均依赖于元件的通光面。近 年来，人们提出了多种实现s v p m 的方法，其中包括偏振干涉法、亚波长光栅法和液晶调制的 方法等。偏振干涉法的原理是：利用组合晶体的双折射效应，将同一束光分成振动方向相互垂 直的两束线偏振光，再经过检偏器将其振动方向引到同一方向上进行干涉。亚波长光栅是指其 光栅周期小于入射光波长的这样一种光栅。由于其光栅周期小于入射波波长时，当光波入射到 亚波长光栅上时，仅仅只有零级能通过，其他级都消失了，其作用相当于多层结构的单轴晶体。 因此，使用空间变化( 横向结构不均匀) 的亚波长光栅就可以产生横向上偏振态随空间位置不 同而不同的矢量波。 随着光学技术的发展，研究人员通过运用s v p m 技术有目的地、精细地操控偏振态在横向 空间的排列和分布，产生了许多新的光学现象和效应，并由此设计出了许多功能强大的光学仪 器。目前，s v p m 在不同领域包括通信、偏振数据编码、神经网络与光计算、光学加密、材料 处理、原子捕获与光镊、光学超分辨等的研究都有了进展。例如，卫星通信和光纤通信中采用 空变信号能使传输率翻倍；生物和化学科学家利用对空变偏振光吸收率的差别可以检测具有对 映异构体特性的化学分子或生物大分子：空变偏振态的激光光束还可用于量子密码技术中。因 而，空变偏振光的应用价值在于可能减少激光设备的成本和体积，扩大激光的应用范围。在更 9 电控可调谐超分辨光瞳滤波器的设计 普遍的意义上，等离子体纳米器件可以被集成在任何光源表面，它们对光束偏振态的自由控制 可能会给照明、3 d 显示器等领域带来革新。 2 4 2s v p m 的研究进展 s v p m 近几年取得比较重要的研究进展如下： ( 1 ) 脉冲式径向偏振激光器【3 9 1 j i a n l a n gl i 等最近在o p t i c sl e t t e r s 上发表了关于一种关于空变偏振的脉冲式径向偏振激光 器的最新研究结果。这种空变偏振光束在电子加速、离子捕获、生物光镊、高分辨率显微镜技 术以及高效率金属切割等领域有着非常重要的应用。j i a n l a n g l i 等克服了先前存在激光效率低， 径向偏振纯度低以及光束轴对称性差等的缺陷，提出利用端面泵浦的微片激光器在产生径向偏 振光束时的优势，通过在端面泵浦的n d ：y a g 微片激光器腔内放置饱和吸收体c r + ：y a g ，利用 光子晶体光栅镜作为腔内起偏器件，首次实现了径向偏振光束的被动调q 输出，获得近衍射极 限的光束质量、极高的径向偏振纯度的激光光束。激光光束脉宽为8 6 n s 、