【摘 要】
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相较于传统的二维成像,三维成像蕴含着更加丰富的信息,是目前成像技术的重要发展方向之一,在生物医疗、工业检测、纳米材料等领域都有着广泛的应用。基于点扩散函数（Point Spread Function,PSF）工程的成像方法在三维成像方面具有突出的优势,通过对光束的波前相位进行调控,从而按照光学系统的特定需求对点扩散函数进行整形。三维点扩散函数的应用使得成像光斑随着探测深度的变化能够产生特定的响应,
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相较于传统的二维成像,三维成像蕴含着更加丰富的信息,是目前成像技术的重要发展方向之一,在生物医疗、工业检测、纳米材料等领域都有着广泛的应用。基于点扩散函数（Point Spread Function,PSF）工程的成像方法在三维成像方面具有突出的优势,通过对光束的波前相位进行调控,从而按照光学系统的特定需求对点扩散函数进行整形。三维点扩散函数的应用使得成像光斑随着探测深度的变化能够产生特定的响应,从而将样本的深度信息编码在所采集的二维图像中,通过单帧便可进行三维成像。目前基于三维点扩散函数的成像系统中,空间光调制器的利用阻碍了光学系统的高度集成化,且零级衍射光斑的存在严重影响了成像质量。针对以上问题,提出了基于超构表面的三维成像系统,超构表面的亚波长结构能够与入射的电磁场相互作用,从而在表面引入光学参量的突变,实现自然界材料所不具备的超常特性。论文的具体研究内容如下:1.设计了叠加不同数值孔径的双螺旋点扩散函数超构透镜。通过对超构表面的原理与设计方法的研究,明确了全介质几何相位超构表面设计步骤;研究了三维点扩散函数中双螺旋点扩散函数的设计原理与效率优化过程。通过集成了双螺旋相位与透镜相位,形成双螺旋超构透镜相位分布,以此为依据生成超构表面加工版图,完成双螺旋超构透镜的加工。2.搭建双螺旋超构透镜三维点扩散函数测量和点物成像光路,并与使用空间光调制器进行双螺旋相位调控的聚焦光斑测试和点物成像结果进行对比。通过平行光入射观测超构表面和空间光调制器两种调制方法的聚焦光斑,在此基础上使用10μm针孔作为点物,进行三维成像实验,将实验结果与仿真结果进行对比,并对这两种方法的成像性能进行分析。本文从理论方面对双螺旋点扩散函数的应用机理展开了研究,以此为依据设计并加工了双螺旋超构透镜,并利用仿真工具对其性能进行了验证。设计并搭建了三维点扩散函数测量和点物成像光路,此项工作在非接触式三维成像领域具有潜在的应用价值。
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