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南京师范大学
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[硕士论文] 邓芸
光学工程 南京师范大学 2018(学位年度)
摘要:基于传统光学显微镜能观察微细物体的能力,显微镜被广泛应用于众多学科的科研研究中。由于Abbe衍射极限的限制,用可见光作光源时传统光学显微镜的分辨率约为λ/2。为了分辨亚衍射极限的物体,许多超分辨成像技术被相继提出。在这些方法中,微球透镜技术在白光照射下就能简单和有效的获取超分辨图像,这吸引了众多科研小组的关注。在微球透镜技术中,常用改变相对折射率的方法来增加样品的成像放大率,并且只通过研究单个微球透镜的成像特性来探究微球超分辨成像的工作机理。在不改变相对折射率的条件下,本文设计了级联型微球透镜来改善微球透镜的超分辨能力并对其成像特性进行研究。
  本文的主要研究内容如下:
  1.仿照几何光学透镜组,设计了一种围球型级联微球透镜,并且研究了这种级联微球透镜和单个二氧化硅(SiO2)微球透镜的成像特性。采用酒精作为浸没介质,从实验结果得到级联微球透镜的放大率是单个微球透镜的1.44×,但是视场变小。研究结果表明:该级联微球透镜的两级都起到了放大作用,提高了低折射率SiO2微球的放大率;能对观察样品成像的级联微球透镜必须是其焦点的位置要靠近观察样品表面;只有当级联微球透镜结构的两级微球的中心在一条直线上,才能得到中间亮且清晰的像;第一级960nm聚苯乙烯(PS)微球对光束的汇聚作用,限制了级联微球透镜的视场范围。
  2.提出了一种制备过程更简单、可重复性更高的甩胶型级联微球透镜,研究了这种级联微球透镜和单个SiO2微球透镜的成像特性。采用SU8-2002光刻胶作为浸没介质,研究发现该级联微球透镜与单个SiO2微球相比,其视场减小但放大率增大至1.38×。此外,实验结果中得到了一个特别的现象,该级联微球透镜呈现出两种成像结果即中间区域有条纹且放大率增大和外围区域有条纹且放大率无明显变化。研究结果表明:甩胶型的级联微球透镜制备工艺更简单、可重复性更高;能起到放大作用的级联微球透镜其两级微球球心必须在一条线上;微球的半高全宽值越小,超分辨能力越强。
  3.将甩胶型级联结构应用于高折射率的钛酸钡(BTG)微球,然后分别研究了SU8-2002光刻胶,镜头浸没油,聚二甲基硅氧烷(PDMS),酒精和超纯水水五种介质浸没下的单个BTG微球和甩胶型级联高折射率微球透镜的成像特性。理论和仿真分析表明相对折射率在1.2-1.45之间时,随着相对折射率的增加,成像放大率增大,焦点距离样品表面变近,半高全宽值变小。综合考虑了五种浸没介质的特性,研究发现PDMS是级联型高折射率微球透镜的最佳浸没介质,实验结果显示这种甩胶型级联微球透镜放大率是单个BTG微球的1.35×,其纳米喷流的束腰更细,超分辨能力更强。
摘要:利用嵌有钛酸钡(BTG)微球的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜突破衍射极限是目前实现超分辨成像的一种常规方法.本文提出在微球透镜与样品表面增加一种介质层,并研究了不同厚度的SU-8单层介质层对成像性质影响.实验发现:随着SU-8介质层厚度从0增大到270 nm,成像视场大小从10.8 μm增加到了13.2μm.其中SU-8厚度在160 nm左右时候,视场大小与对比度最优.此外,对于厚度为160 nm的不同材料介质层,发现SU-8介质层最能提高视场大小,而二氧化钛(TiO2)介质层削弱了视场大小.我们认为耦合进介质层的光信息含量决定了成像质量,并通过光波干涉相消对这一现象进行了解释.这一实验研究有利于增进人们对微透镜成像原理的认识....
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