圖像復(fù)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(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，微電子制造技術(shù)進(jìn)入納米級(jí)三維加工技術(shù)領(lǐng)域，這就對(duì)超精密三維微細(xì)結(jié)構(gòu)的測(cè)量提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。近場(chǎng)光學(xué)顯微鏡和傳統(tǒng)的遠(yuǎn)場(chǎng)光學(xué)顯微鏡都已無法滿足現(xiàn)代成像檢測(cè)對(duì)大范圍、高空間分辨能力的技術(shù)要求。共焦顯微鏡，憑借其較高的分辨能力和三維光學(xué)層析特性，可實(shí)現(xiàn)樣品大范圍、無損傷探測(cè)。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(xué)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(gè)數(shù)量級(jí)，因此進(jìn)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(xué)超分辨”技術(shù)和“圖像超分辨”復(fù)原技術(shù)，提出了一種新型的圖像復(fù)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(shè)計(jì)與實(shí)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(xué)原理的整形環(huán)形光超分辨共焦傳感方法與技術(shù)。合理選擇顯微物鏡、聚光鏡和光瞳濾波器

3、的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)軟硬件完整、結(jié)構(gòu)緊湊、光路易調(diào)的整形環(huán)形光共焦顯微成像系統(tǒng)。
　　2.完成了對(duì)標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階檢測(cè)圖像的比對(duì)實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)的橫向分辨力優(yōu)于同波長(zhǎng)、同物透鏡條件下的普通共焦顯微系統(tǒng)，可達(dá)0.2μm。
　　第二，對(duì)整形環(huán)形光共焦顯微系統(tǒng)所成像進(jìn)行基于最大似然估計(jì)法(Maximum Likelihood Estimate, MLE)的超分辨復(fù)原處理，以期進(jìn)一步改善共焦顯微鏡

4、的橫向分辨力，具體包括：
　　1.實(shí)現(xiàn)基于PMLE(MLE based on Poisson distribution)法的圖像復(fù)原式整形環(huán)形光橫向超分辨共焦顯微成像系統(tǒng)。重點(diǎn)研究 PMLE圖像超分辨復(fù)原算法，對(duì)其進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。針對(duì)算法收斂慢的問題，引入“自動(dòng)加速法”來改善其速度。對(duì)整形環(huán)形光共焦顯微系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階檢測(cè)圖像的PMLE法復(fù)原實(shí)驗(yàn)表明系統(tǒng)的橫向分辨力可達(dá)0.1μm。
　　2.實(shí)現(xiàn)基于MPMLE(

5、MLE based on Markov and Poisson distribution)法的圖像復(fù)原式整形環(huán)形光橫向超分辨共焦顯微成像系統(tǒng)。重點(diǎn)研究MPMLE圖像超分辨復(fù)原算法，該算法是在PMLE算法基礎(chǔ)上增加了Markov隨機(jī)場(chǎng)的先驗(yàn)約束，從而獲得了更高質(zhì)量的復(fù)原圖像。對(duì)整形環(huán)形光共焦顯微系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階檢測(cè)圖像的MPMLE法復(fù)原實(shí)驗(yàn)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(qiáng)的超分辨復(fù)原能力和更優(yōu)的

6、圖像復(fù)原效果，更適用于對(duì)速度要求不高的高分辨力探測(cè)場(chǎng)合。
　　3.對(duì)影響超分辨復(fù)原能力的若干因素進(jìn)行了分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。重點(diǎn)分析了物體空間范圍、噪聲、點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)、采樣率及先驗(yàn)約束等因素對(duì)超分辨復(fù)原能力的影響，指明超分辨共焦顯微成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)應(yīng)注意的若干關(guān)鍵點(diǎn)。此分析為研究新型的超分辨復(fù)原算法和改善現(xiàn)有算法的性能奠定基礎(chǔ)。
　　總之，本論文提出的圖像復(fù)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