微透镜超分辨成像的影响因素研究

发布时间：2020-11-05 21:15

　　 传统光学显微镜的分辨率仅能达到λ/2左右,微球辅助光学显微镜进行超分辨率成像成为一种非常简单的纳米尺度结构可视化的方法。本文从微球的形状、微球的浸没程度,以及样品表面特性对微球的成像性能的影响进行了研究,并试图从中找出提高其成像性能的方法。论文的主要内容:1、针对样品表面镀有粗糙度数值不同的两种银膜对直径为15 μm的BTG微球成像效果的影响展开了研究。实验结果表明,当粗糙度数值从3.23 nm增大到6.80 nm时,使用BTG微球对直径为250 nm和580 nm的二氧化硅微球阵列样品进行观测,样品的像面范围(Irange of focal image position,RFIP)有了明显的增大,而且分辨率也在增加,原先不能分辨的直径200 nm的微球阵列也可以被分辨。在一定程度上,镀膜的表面粗糙度数值的增大会增强光的散射,进而促使大角度散射光携带更多的信息进入成像系统,此外表面等离激元波的局域场增强效应可以将更多的物体信息耦合进微球,进而显著地提高了微球的成像性能。2、用SU-8(n=1.60)作为背景介质,通过控制甩胶机以6000、4000和2500 rpm三种不同转速使其粘附在直径为10 μm的聚苯乙烯(polystyrene,PS,n=1.60)微球表面,形成不同结构的微透镜A、B和C,微透镜D为球形微透镜,发现不同结构的微透镜具有不同的成像性能。三种结构的微透镜均可清晰分辨周期为300nm,间隙为100 nm的条纹阵列,但成像放大率不同,微透镜B的成像放大率最大,为3.3X~5.2X。并且微透镜B能够分辨另外两种结构的微透镜不能分辨间隙为150 nm的金属点阵样品。我们用COMSOL软件对不同结构的微球透镜在平面波照射下的光强分布进行了模拟,发现微透镜B具有最小光子纳米喷流束腰宽度。此外,通过ZEMAX软件对不同微透镜的像差进行了模拟,发现微透镜B的球差与球形微透镜D相比明显降低。3、利用氢氟酸腐蚀光纤,制备出不同尺寸的圆柱形微米透镜,然后利用这些微透镜辅助光学显微镜对蓝光光碟和DVD光碟的条纹进行成像,发现能够清晰分辨DVD光碟的条纹,而不能分辨蓝光光碟条纹。通过分析COMSOL软件模拟得出的结果,我们推测圆柱形微米透镜未能辅助光学显微镜进行超分辨成像的原因可能是利用氢氟酸腐蚀光纤时,光纤未能被均匀腐蚀,使得其表面凹凸不平。
【学位单位】：南京师范大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TH742;TP391.41
【部分图文】：

１．２国内外研究现状??２００９年，Ｌｅｅ等［３９！利用有机分子自组装法制备出不同尺寸的的半球状微透镜，??微透镜的扫描电镜图如图１．１（ａ）所示。??ＣＨＧ＾Ｕ，：?Ａ?ｆｌｆｉｆｆｌ?ｎＰ＾Ｗ??图１．１微透镜的扫描电镜图及微透镜的成像图引自文献［３９］??为了研究这些微透镜的成像特性，如图１．１（ｂ）－１．１（ｆ）所示，他们用一个直径为２??Ｈｍ的微透镜辅助光学显微镜对周期为２５０?ｎｍ的条纹阵列进行成像，发现原本在传??统光学显微镜下无法观察到的条纹阵列，现在可以清晰分辨，并且发现微透镜对样??品具有放大作用。由此可见，微透镜能够提高传统光学显微镜的分辨能力。图１．１（ｂ）??和１．１（ｃ）分别为直径为２?ｎｍ的微透镜凸面朝下和凸面朝上的成像结果图，发现两者??之间存在明显差异，微透镜凸面朝下时的成像放大率略小于微透镜凸面朝上时的成??像放大率。并且微透镜凸面朝下时图像存在畸变

?靈??图１．２微透镜的成像过程示意图引自文献［３９】??为了研宄微透镜能够辅助光学显微镜进行超分辨成像的理论解释，如图１．３（ａ）－??１．３（ｄ）所示，Ｌｅｅ等分别采用几何光学软件及波动光学软件进行了模拟，发现利用几??何光学软件模拟计算得出的焦点位置与利用波动光学软件模拟计算得出的焦点位??置存在差异。文中认为存在差异的原因是微透镜的尺寸很小，为微纳米量级，光通??过透镜时会发生散射等现象，因此几何光学的相关理论不适用，用波动光学进行解??释更为合理。此外，如图１．３（ｂ）－１．３（ｄ）所示，当微透镜直径从０．８微米增大到４微米??时，微透镜的焦点位置也从０．８５Ｈ增大到１．６８Ｈ，即随着微透镜尺寸的増加，焦点??位置会远离微透镜。??■Ｖｚ：＂?Ｈ?ｔ?０??Ｙ７?？??Ｉ?ｌｓａｉ??／?／／！＿＇?＼??／?＂／／ｎ＇＼＼?＼?－１．５－１．０－０．５?０．０?ＯＪＳ?１

／Ｔ?靈??图１．２微透镜的成像过程示意图引自文献［３９】??为了研宄微透镜能够辅助光学显微镜进行超分辨成像的理论解释，如图１．３（ａ）－??１．３（ｄ）所示，Ｌｅｅ等分别采用几何光学软件及波动光学软件进行了模拟，发现利用几??何光学软件模拟计算得出的焦点位置与利用波动光学软件模拟计算得出的焦点位??置存在差异。文中认为存在差异的原因是微透镜的尺寸很小，为微纳米量级，光通??过透镜时会发生散射等现象，因此几何光学的相关理论不适用，用波动光学进行解??释更为合理。此外，如图１．３（ｂ）－１．３（ｄ）所示，当微透镜直径从０．８微米增大到４微米??时，微透镜的焦点位置也从０．８５Ｈ增大到１．６８Ｈ
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本文编号：2872198