光学超分辨平面超构透镜研究进展

从光学自身机理上突破光学理论分辨率极限,实现远场超分辨光学点扩散函数,进而实现超分辨聚焦和超分辨成像,在激光加工、超分辨光学显微和超分辨望远等系统有着重要应用前景。近年来,光学超构表面的发展使得在亚波长尺度上实现光场振幅、相位及偏振的独立调控成为可能,为研制新型的超分辨平面超构透镜提供了更加灵活的手段。本文介绍了基于光学超构表面的超分辨平面超构透镜、相关测试技术方面几年来的研究进展,并讨论了该领域面临的问题和未来的研究重点和方向。

波前工程与光学超分辨

对光学曝光技术的主要进展、波前工程概念和实现光学超分辨的基本途径等进行了论述。

光学超分辨成像精度破极限达4．1纳米

中国科大郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室孙方稳研究组，利用光学超分辨成像技术实现了对单个自旋态的纳米量级空间分辨率测量和操控，其成像精度达到4.1纳米。研究成果1月2日发表在《自然》子刊《光：科学与应用》上。

可调谐位相型光瞳滤波器的横向光学超分辨和轴向扩展焦深

为克服传统光瞳滤波器的缺点,实现系统光学超分辨性能的可调谐性,设计了一种新型可调谐的位相型光瞳滤波器.该光瞳滤波器包括两个4λ波片和置于其间的2λ波片,其中2λ波片分为两个可作相对旋转的区域.研究结果表明,通过旋转2λ波片的任意一区域不仅可以实现系统横向光学超分辨能力的可调性,而且可以在横向分辨能力提高的同时实现光学系统轴向焦深的扩展以及轴向焦移.

超分辨光学图像深度展开网络

提出了一种用于光学图像超分辨的深度展开网络。该网络将传统优化算法和深度学习算法相结合,使得最终的网络既具有可解释性,又拥有神经网络的强大拟合性。为了增强网络的目标图像多尺度特征提取能力,提出了多尺度空洞卷积注意力模块,该模块可以有效地提取目标图像的多尺度特征,并对重要特征赋予较大的权重,提高网络性能。实验表明,该网络能够有效恢复图像的细节信息,实现降质图像较好的超分辨重建效果。

共焦显微系统中光学超分辨光瞳滤波器的设计

利用矢量衍射理论设计了适用于共焦显微等大数值孔径系统的三区二元相位型超分辨光瞳滤波器。数值模拟了等效数值孔径为1.4的共焦显微系统焦点附近的光强分布,根据系统所需要的斯特雷尔比和轴向分辨率,采用优化搜索算法求解了能够实现光学超分辨的三区二元相位型光瞳滤波器结构。结果表明,利用所设计的三区二元相位型光瞳滤波器可以在较低旁瓣能量的前提下实现共焦显微系统及其它大数值孔径系统的轴向超分辨率。

利用共焦扫描显微术和变迹术相结合实现光学超分辨

运用适当形式的光瞳滤波器（变迹术）可以改变成像系统点振幅响应的分布，使其具有类似于冲击函数（Ｄｉｒａｃ－ｄｅｌｔａ函数）的形式，这样就有可能实现光学超分辨，但变迹术的运用往往会因其强烈的旁瓣效应而导致成像系统对比度的急剧下降。本文提出的共焦型超分辨方案则能有效地抑制上述旁瓣。此外，本文还进一步提出了实现三维光学超分辨的理论框架。

利用光强分布转换器件实现低能耗光学超分辨

依据基模 (TEM0 0 )高斯光束本身的横向光强分布 ,结合一类光强分布转换器件的转换特性 ,提出一种实用型低能耗光学超分辨的新方案。高斯光中央峰入射这类器件后 ,将从该器件的边缘出射 ,而入射到边缘的光则从中央出射 ,由此 ,在成像系统中就可实现光学超分辨 ,与原有的滤波器比较 。

二元光学元件和新型超分辨光盘读写头的设计研究

本文采用杨 -顾相位恢复算法数值模拟设计了一个用于光盘读写头的二元光学元件 ,并构思了一种新型超分辨光盘读写头 ,在现有光盘读写头的激光波长处和数值孔径基础上 ,利用该二元光学元件实现光学超分辨 ,从而提高光盘存储容量 .

光学显微术中实现超分辨的方法和应用综述

本文简要介绍了在光学显微技术中实现超分辨的技术和元件,阐述了超分辨技术在共焦显微技术和光盘存储等光学系统中的应用,对超分辨技术未来的发展给予展望.

光学超分辨技术在高密度光存储中的应用

综述了超分辨技术的类别原理及光学超分辨的发展状况,并给出了超分辨光学头的结构和存储机理,重点论述了光学超分辨技术在光学头中的应用。

超分辨近场光学成像技术及其产业开发

超分辨近场光学成像技术是当前国内外一个重要的高新技术前沿课题,也将是我国21世纪初应该发展的一项高新技术产业。文中介绍了我国自1991年以来开拓研究的进展,探讨了国际学术界及产业开发中当前存在的主要问题,提出了各类超分辨扫描模式成像公式的简洁表达式,并作了分析比较。为解决消除假像和从有形貌等混合图像中分离纯光学图像两大难题,作者曾于1993年和1996年提出两项发明专利,为发展我国的该产业解决了两大技术关键。

基于光学波动和压缩感知的超分辨超声成像研究

目的:提出一种新型的超分辨超声(super-resolution ultrasound,SR-US)成像方法,以进一步提升SR-US成像的空间分辨力及计算效率。方法:将超分辨光学波动成像(super-resolution optical fluctuation imaging,SOFI)和压缩感知(compressed sensing,CS)相结合,提出一种基于SOFI-CS的SR-US成像方法。对原始超声图像序列进行SOFI处理,将SOFI处理之后的结果作为CS重建模型的输入,基于稀疏求解方法得到最终的SR-US图像,并通过数值仿真实验对该方法进行验证。结果:通过数值仿真实验,对比SOFI成像的结果,该方法能进一步提升SR-US成像的空间分辨力;对比CS成像的结果,该方法在保证成像质量的同时,显著提升了SR-US成像的计算效率。结论:该方法对于超声在临床医学上的应用具有重要意义,为SR-US成像的发展提供了有效的参考。

超近场光学扫描显微镜的研究

近场光学扫描技术是近年兴起的高新技术之一。超近场光学扫描尚未见报导。本文讨论超近场光学扫描显微镜的工作原理及其超分辨理论。

超分辨光存储研究进展

随着大数据和人工智能等信息技术日新月异,各行各业对数据信息存储的要求与日俱增。当前,以磁控存储技术为主的信息存储方式普遍存在寿命低、能耗高的缺点。与磁存储技术相比,光学数据存储技术具有能耗低、数据安全性高等优势,然而其数据存储容量受到光学衍射极限的极大制约。如何突破光学衍射极限,提升光存储技术光学系统的分辨能力,从而增加光学存储系统数据存储容量,是目前光存储技术进一步与大数据和云计算等信息技术融合的关键。本文阐述了基于超衍射极限分辨率的光学存储技术的原理和国内外发展现状,包括远场超分辨的三维光存储(如基于双光子吸收过程和饱和受激发射损耗荧光过程光数据存储)和近场超分辨二维光存储(如近场探针扫描显微存储、近场固体浸没透镜存储和超分辨近场结构存储)。最后,对基于超分辨光学存储技术当前存在的问题及未来发展方向进行了讨论。

单分子定位超分辨显微成像有机荧光探针的研究进展

在生物医学领域,对纳米尺寸级别的微小生物目标进行精确定位研究具有非常重要的意义,而光学显微成像技术为此提供了强有力的工具。光学显微成像技术受到光学衍射极限的限制,难以分辨尺寸在衍射极限(<200 nm)以下的生物结构,无法直接获取微小生物结构信息,阻碍了生物医学的进一步发展。近年来,随着纳米分辨显微成像技术的出现,新型荧光探针的开发、成像系统与设备的不断发展及成像算法不断完善地深入结合,促进了光学衍射极限以下尺寸微观目标的研究。基于单分子定位的超分辨荧光显微成像(SMLM)包括光激活定位成像(PALM)与随机光学重构超分辨成像(STORM),将有机荧光探针与超分辨光学显微成像技术紧密结合在一起,荧光探针的光物理性质直接决定着超分辨成像结果的好坏。因此,设计不同性能的荧光探针可以实现超精细结构的不同超分辨成像,为研究其生物学功能提供了有力的工具。本文着重围绕基于SMLM的原理、有机荧光探针的设计要求、用于SMLM的荧光探针种类及其生物应用等方面进行总结综述,指出了单分子定位成像上存在的不足,并对其发展方向进行了展望,希望为对超分辨成像研究感兴趣或初涉该领域的研究者提供成像理论与探针设计方面的帮助。

超分辨率成像荧光探针材料应用进展

为了进一步认知复杂环境中的细胞生物学过程,研究人员发展了各种各样的生物成像技术。在这些技术中,生物荧光成像因简单的成像条件以及对生物样品的相容性而得到了广泛的发展。然而,传统的荧光成像技术受到了光学衍射极限的限制,无法分辨低于200 nm的空间结构,阻碍了对亚细胞结构的生物学过程研究。超分辨荧光显微镜技术突破了传统光学衍射对成像分辨率的限制,能够获取纳米尺度的细胞动态过程。除了对传统的宽场荧光显微镜框架的改进及升级改造之外,目前典型的超分辨成像显微镜技术通常依赖于荧光探针材料的光物理性质。常用的荧光探针材料包括荧光蛋白、有机荧光分子和纳米荧光材料等。本文介绍了几种主流的超分辨荧光显微成像技术并总结了已经成功应用到超分辨生物荧光成像中的荧光探针材料的应用进展。

双光束超分辨激光直写纳米加工技术

随着纳米技术的不断发展,各行业领域对纳米尺寸结构的加工需求与日剧增,激光直写加工技术作为一项重要的三维微纳结构加工手段,在多个现代科学技术领域得到了广泛应用。针对三维微纳结构制备,双光束超分辨激光加工技术,结合双光子聚合(TPP)过程与受激发射损耗(STED)纳米显微技术的原理,实现了超光学衍射极限的加工分辨率,为三维纳米结构加工技术及其应用提供了新的发展方向。本文将阐述基于双光束超分辨激光加工技术超光学衍射极限的基本原理,并回顾该技术在改善加工线宽及分辨率等方面的研究进展,以及在相关领域中的应用。最后就如何实现低成本、高效率、大面积、多功能性材料加工存在的挑战和未来发展方向进行了讨论。

基于对焦清晰度的双分辨相机变焦算法研究

双分辨率相机同时兼顾大视场和高分辨,利用同轴光学固定结构避免了变焦镜头运动部件带来的诸多问题,在深空探测目标跟踪和手机等智能终端上具有应用价值。针对现有的基于深度学习的双分辨率图像变焦算法的速度慢,信息量没有提升,图像网络结构适配性差和图像信息修复的伪造性等问题尝试性地提出了加入基于深度信息的解决办法。论证将图像对焦清晰度作为深度信息引入双分辨变焦算法的可行性,探讨对焦深度信息检测精度与效果,分别测试深度学习和基于深度信息的传统方法的双分辨率变焦算法,得到了一种不影响正常成像速度,内存开销降低35%和算法复杂度降低60%,超分辨信息真实可靠,图像结果评价提升10%到50%的全新算法。

多光子近场共焦光学扫描显微镜表面非传播光场的特性研究

对多光子近场共焦光学扫描显微镜非传播光场的特性进行了系统的理论分析 ,导出了多光子近场共焦光学扫描显微镜表面非传播光场的频率宽与相差的测不准关系表达式及二维的点扩散函数光学传递函数和能量分布表达式。研究结果表明 :多光子近场共焦光学扫描显微镜比单光子共焦显微镜具有更高的横向分辨率和纵向分辨率 ,而多光子近场共焦光学扫描显微镜比双光子共焦显微镜具有更高的空间分辨率 ,样品置于其表面的非传播光场内 ,能得最佳的超分辨效果。