光学编码成像术中光源稳定性研究

　　为了从根本上改进超衍射限分辨光学显微术必须用纳米探针做扫描的传统技术,并探寻新的超分辨成像方法,近几年来本课题组探寻了不采用探针的近场光学编码成像方法[1,2].为实现对近场的超衍射限分割与编码,研究了金属薄膜上的亚波长孔径的小孔阵列编码.文献[3,4]关于金属膜上亚波长孔周期性规整阵列的透光特性已做了很好的研究,发现在一定的小孔阵列及金属膜条件下可得到增强.文献[5]在研究亚波长小孔阵列用于并行扫描近场成像中,证实小孔阵列可以传递近场图像,各等直径小孔传递过去的光量是一致的.因而可以借助阿达玛变换光学的多路探测的优点实现高通量超分辨成像.对这种多路探测技术,本文深入研究了其编码机制,发现了基于阿达玛变换编码法则的探测系统对光源的波动(即对扰动)极为敏感,这种敏感性导致了对用于阿达玛变换光学系统光源稳定性的理论限制及一定的解决办法,本文着重报告有关这种固有特性及其规律的研究.

　　1　光学编码探测原理

　　光学编码探测是一种光学多通道技术,可视为称重设计理论在光学中的推广,是一种广义的称重设计.在光学情形下,要“称量”(即测量)像元或光谱元的强度,与一次只测量一个元成分强度的扫描型成像系统相比,多通道技术就是同时将若干个元成分传输到一个单元探测器,进行组合测量,以提高信噪比.多通道组合探测是通过编码模板来实现的,此时,编码模板就相当于组合称重设计中的称重矩阵,而探测器则充当了“称重仪器”的角色.

　　图1所示为物面的X1,X2,X3三个物元的强度值示意图.可以按图1(a)所示方法,对三个物元进行逐个测量;也可以按图1(b)所示方法同时以多个物元充满取景框进行3次组合测量,3次测量将产生3个线性无关方程,写为矩阵形式可得(式中1表示透光,0表示阻光)

　　此时的系数矩阵即是以0和1组成的,矩阵阶数n=2p-1(p=1,2,…,L)的S循环矩阵S3.其各行之间具有左移循环性,知其首行即可按循环特征写出整个矩阵[6].据构成规则此矩阵中为1的元素的数量q=(n+1)/2,这也就是透光码元的数量.上式可简写成Y=AX,其中系数矩阵A=(aij) (i=1,2,…,n,j=1,2,…,n),n为S矩阵阶数,X为待测近场各元列矩阵,Y为编码测得值列矩阵.而X的每一个解xj=|Aj|/|A|,Aj为A的第j列元素换成Y的元素后的新矩阵,在阿达玛变换光学测量中系数矩阵采用循环S矩阵,以利于做成可循环编码的码板.

　　2　光源强度起伏与光学编码测量

　　为方便观察与计算,以S7为例作研究(其首行为1110100).其模拟条件为:采用匀场照明方式,码板编码区上不放任何靶,光源光线与目标间相互作用中无非线性效应.此实验目的是检查匀场照明下光源强度在编码周期内发生波动对编码测量结果所造成的影响.在一轮编码测量中,经7次编码测量后,得到7个数据,代入Y=AX中可算出每个码孔所传过的光量.然后按原始编码矩阵1×7排成阵列形式,就可以看出每次编码测量中光源强度波动所引起的各像元上过光量的变化及其分布.