圖像復原及環(huán)形光瞳濾波式橫向超分辨共焦顯微成像方法.pdf

1、隨著信息產業(yè)的高速發(fā)展，微電子制造技術進入納米級三維加工技術領域，這就對超精密三維微細結構的測量提出了嚴峻挑戰(zhàn)。近場光學顯微鏡和傳統(tǒng)的遠場光學顯微鏡都已無法滿足現(xiàn)代成像檢測對大范圍、高空間分辨能力的技術要求。共焦顯微鏡，憑借其較高的分辨能力和三維光學層析特性，可實現(xiàn)樣品大范圍、無損傷探測。然而，盡管共焦顯微鏡的橫向分辨力已提高到相同孔焦比的普通光學顯微鏡的1.4倍，但與其本身的軸向分辨力相比，橫向分辨力仍低2個數量級，因此進一步改善共焦

2、顯微鏡橫向分辨力的研究顯得尤為迫切。
　　圍繞改善共焦顯微鏡橫向分辨力這一目的，本文融合“光學超分辨”技術和“圖像超分辨”復原技術，提出了一種新型的圖像復原及環(huán)形光瞳濾波式橫向超分辨共焦顯微成像方法，開展了以下兩大方面的研究：
　　第一，設計與實現(xiàn)整形環(huán)形光共焦顯微成像系統(tǒng)，以期改善共焦顯微鏡的橫向分辨力，具體包括：
　　1.研究基于二元光學原理的整形環(huán)形光超分辨共焦傳感方法與技術。合理選擇顯微物鏡、聚光鏡和光瞳濾波器

3、的參數，實現(xiàn)軟硬件完整、結構緊湊、光路易調的整形環(huán)形光共焦顯微成像系統(tǒng)。
　　2.完成了對標準臺階檢測圖像的比對實驗，以考核整形環(huán)形光共焦顯微成像系統(tǒng)的橫向分辨能力。實驗表明該系統(tǒng)的橫向分辨力優(yōu)于同波長、同物透鏡條件下的普通共焦顯微系統(tǒng)，可達0.2μm。
　　第二，對整形環(huán)形光共焦顯微系統(tǒng)所成像進行基于最大似然估計法(Maximum Likelihood Estimate, MLE)的超分辨復原處理，以期進一步改善共焦顯微鏡

4、的橫向分辨力，具體包括：
　　1.實現(xiàn)基于PMLE(MLE based on Poisson distribution)法的圖像復原式整形環(huán)形光橫向超分辨共焦顯微成像系統(tǒng)。重點研究 PMLE圖像超分辨復原算法，對其進行了系統(tǒng)的理論分析和實驗驗證。針對算法收斂慢的問題，引入“自動加速法”來改善其速度。對整形環(huán)形光共焦顯微系統(tǒng)的標準臺階檢測圖像的PMLE法復原實驗表明系統(tǒng)的橫向分辨力可達0.1μm。
　　2.實現(xiàn)基于MPMLE(

5、MLE based on Markov and Poisson distribution)法的圖像復原式整形環(huán)形光橫向超分辨共焦顯微成像系統(tǒng)。重點研究MPMLE圖像超分辨復原算法，該算法是在PMLE算法基礎上增加了Markov隨機場的先驗約束，從而獲得了更高質量的復原圖像。對整形環(huán)形光共焦顯微系統(tǒng)的標準臺階檢測圖像的MPMLE法復原實驗表明系統(tǒng)的橫向分辨力優(yōu)于0.1μm。與PMLE算法相比，MPMLE算法具有更強的超分辨復原能力和更優(yōu)的

6、圖像復原效果，更適用于對速度要求不高的高分辨力探測場合。
　　3.對影響超分辨復原能力的若干因素進行了分析和實驗驗證。重點分析了物體空間范圍、噪聲、點擴散函數、采樣率及先驗約束等因素對超分辨復原能力的影響，指明超分辨共焦顯微成像系統(tǒng)實現(xiàn)時應注意的若干關鍵點。此分析為研究新型的超分辨復原算法和改善現(xiàn)有算法的性能奠定基礎。
　　總之，本論文提出的圖像復原及環(huán)形光瞳濾波式橫向超分辨共焦顯微成像方法為共焦顯微鏡橫向分辨力的改善提供了