光学滤波器的设计及其应用研究

第４６卷第ｌｌ期　Ｖｏ１．４６　Ｎｏ．１１　红外与激光工程　Ｉｎｆｒａｒｅｄ　ａｎｄ　Ｌａｓｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　２０１７年１１月　Ｎｏｖ．２０１７　

随机光学重构显微　术及其应用研究进展　

杨建宇　，潘雷霆１，２，胡　芬　，张心正　，许京军　（１．南开大学物理科学学院泰达应用物理研究院弱光非线性光子学教育部重点实验室，　天津３０００７１；２．南开大学生物治疗协同创新中心，天津３０００７１）　摘要：在光学显微成像领域，涌现出一批可以突破衍射极限的超分辨显微成像技术，极大地增强了　人们研究亚细胞结构的能力。基于单分子定位技术的随机光学重构显微术（Ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ　ＯｐｔｉｃＭ　ＲｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，ＳＴＯＲＭ）具有易懂的成像原理、简单的工作方式以及超高的分辨率等特点，　受到越来越多的研究者青睐。首先，介绍了单分子定位技术的原理，讨论了ＳＴＯＲＭ光路的搭建，阐述　了二维和三维ＳＴＯＲＭ超分辨显微成像原理。其次，探讨了多色ＳＴＯＲＭ以及ＳＴＯＲＭ与电镜关联成　像现状。最后介绍了ＳＴＯＲＭ技术现阶段的应用进展。　关键词：超分辨成像；单分子定位；随机光学重构显微术；关联成像　中图分类号：０４３９　文献标志码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３７８８／ＩＲＬＡ２０１７４６．１１０３００８　Ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　

Ｙａｎｇ　Ｊｉａｎｙｕ　，Ｐａｎ　Ｌｅｉｆｉｎｇ　，Ｈｕ　Ｆｅｎ　，Ｚｈａｎｇ　Ｘｉｎｚｈｅｎｇ　，Ｘｕ　Ｊｉｎｇｊｕｎ　（１．Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｗｅａｋ—Ｌｉｇｈｔ　Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ　Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ，Ｎｌｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，ＴＥＤＡ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｎａｎｋａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７１，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｔｈｅ　２０１　１　Ｐｒ０ｊｅｃｔ　Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｆｏｒ　Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ　Ｔｈｅｒａｐｙ，Ｎａｎｋａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉ￣，Ｔｉａｎｊｉｎ　３０００７１，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｂａｔｃｈ　ｏｆ　ｓｕｐｅｒ—－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ　ｈａｖｅ　ｂｅｅｎ　ｉｎｖｅｎｔｅｄ　ｔｏ　ｏｖｅｒｃｏｍｅ　ｔｈｅ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　ｌｉｍｉｔ　ｏｆ　ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ．Ｉｔ　ｔｈｅｒｅｂｙ　ｇｒｅａｔｌｙ　ｅｎｈａｎｃｅｓ　ｔｈｅ　ｃａｐａｃｉｔｙ　ｏｆ　ｓｕｂ—ｃｅｌｌｕｌａｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ．Ａｍｏｎｇ　ｔｈｅｓｅ　ｓｕｐｅｒ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，Ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ（ＳＴＯＲＭ）ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｉｎｇｌｅ　ｍｏｌｅｃｕｌｅ　ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｈａｓ　ａｔｔｒａｃｔｅｄ　ｍｏｒｅ　ａｎｄ　ｍｏｒｅ　ａｔｔｅｎｔｉｏｎ　ｂｙ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｒｓ　ｄｕｅ　ｔｏ　ｉｔｓ　ｓｔｒａｉｇｈｔｆｏｒｗａｒｄ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ，ｓｉｍｐｌｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｓｕｐｅｒ－ｈｉｇｈ　ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ．Ｆｉｒｓｔ，ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｓｉｎｇｌｅ　ｍｏｌｅｃｕｌｅ　ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔ　ｐａｔｈ　ｏｆ　ＳＴＯＲＭ　ｗａｓ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ　ｏｆ　２Ｄ—ＳＴＯＲＭ　ａｎｄ　３Ｄ—ＳＴＯＲＭ　ｗｅｒｅ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ．Ｔｈｅｎ，　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｍｕｌｔｉ—。ｃｏｌｏｒ　ｉｍａｇｉｎｇ　ａｓ　ｗｅｌｌ　ａｓ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ　ＳＴＯＲＭ　ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ　ｗｅｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｏｍｅ　ｒｅｃｅｎｔ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ　ｄｅｐｅｎｄｉｎｇ　ｏｎ　ＳＴＯＲＭ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｓｕｐｅｒ—－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ　ｉｍａｇｉｎｇ；　ｓｉｎｇｌｅ　ｍｏｌｅｃｕｌｅ　ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ；　Ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ　ＯｐｔｉｃＭ　Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ；　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅ　ｉｍａｇｉｎｇ　

光电子・撒光第１３卷　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　０ｐｔ。ｅｌｅｃｔｒ。ｎｉｃｓ・Ｌａｓｅｒ　薄膜干涉型光学全通滤波器的设计与分析　孟义朝　，黄肇明　，王陆唐　（１．上海大学通信学院光波技术实验室，上海２０００７２；２．上海大学光纤研究所，上海２０１８００）　

引　言　第９期２００２年９月　Ｖｏ１．１３　Ｎｏ．９　Ｓｅｐ．２００２　摘要：设计并分析了用于多信道色散补偿的薄膜Ｇｉｒｅｓ—Ｔｏｕｒｎｏｉｓ干涉仪（ＧＴＩ）型光学全通滤波器　（０ＡＰＦ）；讨论了反射镜的膜层结构对器件的群延迟谱和反射谱的影响，以及大角度入射引起的偏振　分离现象和幅度畸变现象；给出了单级和多级串接０ＡＰＦ的初步设计结果。　关键词；全通光学滤波器（０ＡＰＦ）；色散补偿；薄膜；密集波分复用（ＤｗＤＭ）　中图分类号：ＴＮ９２９．１ｌ　文献标识码：Ａ　文章编号：１００５—００８６（２００２）０９—０９０８—０５　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｔｈｉｎ　Ｆｉｌｍ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ａｌｌ—ｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒｓ　ＭＥＮＧ　Ｙｉ—ｃｈａｏ　～，ＨＵＡＮＧ　Ｚｈａｏ—ｒｕｉｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｌｕ—ｔａｎｇ　（１．Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００７２，Ｃｈｉ—　ｎａ；２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｆｉｂｅｒ　Ｏｐｔｉｃｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｈａｉ　２０１８００，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ａ　ｍｏｒｅ　ｃｏｍｐｌｅｔｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ　ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍ　Ｇｉｒｅｓ—Ｔｏｕｒｎｏｉｓ　ｉｎｔｅｆｅｒｏｍｅｔｅｒ　（ＧＴＩ）ｔｙｐｅ　ｏｐｔｉｃａｌ　ａｌｌ—ｐａｓｓ　ｆｉｌｔｅｒ（ＯＡＰＦ）ｆｏｒ　ｔｕｎａｂｌｅ　ｍｕｌｔｉ—ｃｈａｎｎｅｌ　ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｉｓ　ａｎａ—　ｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ，ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ　ａｎｄ　ｇｒｏｕｐ　ｄｅｌａｙ　ｏｆ　ＯＡＰＦ　ｂｙ　ｓｕｃｈ　ｆａｃｔｏｒｓ　ａｓ　ｉｎｃｉｄｅｎｔ　ａｎｇｌｅ　ｏｆ　ｌｉｇｈｔ，ｔｈｅ　ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍ　ｌａｙｅｒ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ　ｍｉｒｒｏｒｓ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃａｖｉｔｙ　ｌｅｎｇｔｈ　ａｒｅ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｓ　ａｎ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｒｅｓｕｌｔ，ｉｔ　ｉｓ　ｃｌｅａｒ　ｔｈａｔ　ｆｏｒ　ａ　ｌａｒｇｅ　ｉｎｃｉｄｅｎｔ　ａｎｇｌｅ，ｔｈｅ　ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ　ｐｈｅｎｏｍｅｎａ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ａｍｐｌｉｔｕｄｅ　ｉｒｒｅｇｕｌａｒｉｔｙ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｐｏｗｅｒ　ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｉｔｙ　ｓｐｅｃｔｒａ　ｏｆ　ＯＡＰＦ　ｗｉｌｌ　ｂｅ—　ｃｏｍｅ　ｐｒｏｍｉｎｅｎｔ．Ａｓ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｅｘａｍｐｌｅｓ，ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　ｄｅｓｉｇｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ｓｔａｇｅ　ＧＴＩ—ＯＡＰＦ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｕｌｔｉ—ｓｔａｇｅ　ｃａｓｃａｄｅｄ　ＧＴＩ—ＯＡＰＦ　ｗｉｔｈ　ｗｉｄｅｒ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ　ｂａｎｄｗｉｄｔｈ　ａｒｅ　ｐｒｏｖｉｄｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｏｐｔｉｃａｌ　Ａｌｌ—Ｐａｓｓ　Ｆｉｌｔｅｒ（ＯＡＰＦ）；Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ　ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；Ｔｈｉｎ　ｆｉｌｍ；ＤＷＤＭ　光学全通滤波器（ＯＡＰＦ）是幅度响应为常数、相　位响应随频率变化的相位滤波器，薄膜Ｇｉｒｅｓ—　Ｔｏｕｒｎｏｉｓ干涉仪（ＧＴＩ）型ＯＡＰＦ是实现方式之一。　ＯＡＰＦ的主要用途是用来构造光延迟线、色散或色散　斜率补偿器，以及用来改善带通滤波器（ＢＰＦ）的频谱　特性等　。　本文以单腔ＧＴＩ—ＯＡＰＦ为研究对象，采用较为　完整的数学模型（考虑反射镜的膜层结构和介质的色　散），对其特性进行了详细分析，给出用于多信道色散　补偿的ＧＴＩ—ＯＡＰＦ的初步设计结果。　２单腔ＧＴＩ—ＯＡＰＦ的数学模型　如图１所示，单腔ＧＴＩ—ＯＡＰＦ由Ｆ—Ｐ部分反射　收稿日期：２００１—１１—１９修订日期：２００２—０５—１３　镜Ｒ　、谐振腔（腔长为　）和全反射镜Ｒ　构成，是反射　式、非对称Ｆ—Ｐ腔。　当忽略反射镜的具体膜层结构和介质膜的色散　时，很容易导出单腔ＧＴＩ—ＯＡＰＦ的反射率、相位、群　延迟和色散的解析式，但不能直接反映以上因素对器　件特性的影响，还必须对各反射镜进行具体设计　］。　本文在考虑这些因素的基础上，利用传输矩阵法对　ＧＴＩ—ＯＡＰＦ的特性进行了详细分析。　Ｒ　圜Ｌ　Ｉ　Ｈ　田Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ　图１　单腔ＧＴＩ—ＯＡＰＦ的结构简图　Ｆｉｇ．１　

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数字滤波器的应用现状及其发展趋势研究

作者：黄卫

来源：《科教导刊·电子版》2015年第07期

摘 要 数字滤波器精确度高、使用灵活、可靠性高，具有模拟设备所没有的许多优点，已广泛地应用于各个科学技术领域。随着数字技术的迅速发展，人们的生活发生了很大变化。本文分析了数字滤波技术的优点，探讨了应用现状与发展趋势。

关键词 数字滤波技术 应用现状 发展趋势

随着信息时代数字时代的到来，数字滤波技术已经成为一门极其重要的学科和技术领域，例如数字电视、语音、通信、雷达、声纳、遥感、图像、生物医学以及许多工程应用领域。以往的滤波器大多采用模拟电路技术，但是，模拟电路技术存在很多难以解决的问题，例如，模拟电路元件对温度的敏感性，等等。而采用数字技术则避免很多类似的难题，当然数字滤波器在其他方面也有很多突出的优点，这些都是模拟技术所不能及的，所以采用数字滤波器对信号进行处理是目前的发展方向。

1数字滤波器的优点

（1）信噪比高。数字滤波器中主要的噪声源是在数字系统之前的模拟电路中引入的电路噪声，以及在数字系统输入端的模数转换过程中产生的量化噪声。这些噪声在数字系统的运算中可能会被放大，但如果在设计数字滤波器时采用合适的结构，可以以降低输入噪声对系统性能的影响。（2）可靠性高。只要在数字电路的工作环境下，数字滤波器就能够稳定可靠的工作。（3）数字滤波器可以实现精确的线性相位和多速率处理等模拟滤波器无法实现的功能。（4）精度高。数字滤波器只要提高字长，可以实现任意精度的信号处理。（5）灵活性大。数字滤波器实现更加灵活，可用计算机软件实现，也可用大规模集成数字硬件实现。除此之外，数字滤波器还具有易于大规模集成、自适应算法、并行处理等优点。但是经典数字滤波器的设计还存在着一些缺点，如IIR（无限冲击响应）滤波器所用存储单元少，经济且效率高，但是系统不稳定，且其相位是非线性的；FIR（有限冲击响应）滤波器可以得到严格的线性相位，却需要用较高的阶数来实现其高选择性，所以成本较高，信号延迟也较大。上述Miroslav等人提出的方案这些问题都有能得以解决。

光学中的偏光与偏振滤波器

偏光与偏振是光学中重要而有趣的概念，而偏振滤波器则是应用于光学中的一种重要装置。本文将探讨偏光与偏振滤波器的基本原理及其在光学领域中的应用。

一、偏光的基本概念与特性

光波是由电磁场构成的，电磁场中的电场矢量在传播方向上的振动方式称为偏振。而偏光是指在某一方向上的特定振动方式。光的偏振状态可以分为线偏振、圆偏振和非偏振三种。

1.1 线偏振

当光的电场矢量在某一方向上振动且垂直于光传播方向时，光就处于线偏振状态。线偏振光可以通过偏振片进行转换，具有特定方向的解析能力。

1.2 圆偏振

当光的电场矢量沿着圆周方向旋转时，光就处于圆偏振状态。圆偏振光的电场矢量沿着传播方向的固定轨迹旋转，可以通过波片进行生成和分离。

1.3 非偏振

当光的电场矢量在传播方向上随机振动，没有明显的定向性时，光就是非偏振光。非偏振光是由各向同性的光源发出的，无法通过普通的偏振装置转换。 二、偏振滤波器的原理与类型

偏振滤波器是一类用于选择或屏蔽特定偏振态光的光学装置。根据操作原理和结构形式的不同，偏振滤波器可分为吸收型和干涉型两种主要类型。

2.1 吸收型偏振滤波器

吸收型偏振滤波器利用某些物质在特定波段的吸收特性来达到选择性地吸收偏振态光的目的。常见的吸收型偏振滤波器有偏振片和偏振镜等。

- 偏振片：偏振片是用含有偏振剂的聚合物薄膜制成的，可以选择性地吸收特定方向上的偏振光。它具有较高的偏振比和较低的透射率，常用于消除光的偏振态或将非偏振光转换为线偏振光。

- 偏振镜：偏振镜是一种由金属或其他反射材料制成的镜面，可选择性地反射某些方向上的偏振光。偏振镜常用于光学仪器和摄影设备中。

2.2 干涉型偏振滤波器

干涉型偏振滤波器利用不同偏振态光在特定结构的干涉作用下发生波长相关的干涉现象，实现对特定偏振态光的选择性透射。常见的干涉型偏振滤波器有偏振干涉片和多层膜滤波片等。

- 偏振干涉片：偏振干涉片是利用光的相位差和干涉现象来选择性透过或反射特定方向上的偏振光。它由两片相互垂直的光学片叠加而成，其中一片为像一条梳齿的吸收型偏振片，另一片为像透明的玻璃片。当入射光的偏振方向与梳齿方向相同时，光线会透过；当方向垂直时，光线会被反射。