近年来,荧光显微成像技术由于良好的特异性、高的对比度和信噪比等性能优势,被广泛应用于生物物理学、神经科学、细胞学、分子生物学等生命科学研究的各个领域。然而,传统的荧光显微镜仍然存在分辨率、成像速度、成像视场、光毒性和光漂白等的相互限制,使其在亚细胞结构观测、活体生物超精密成像和分子结构研究领域的应用受到了极大阻碍。由于传统荧光显微镜的局限性,研究人员将目光投向了由数据驱动的深度学习方法。基于深度学习的显微镜的出现,丰富了现有的光学显微成像技术,大数据量的训练突破了传统光学显微镜所能够达到的功能和性能的疆界。本文聚焦基于深度学习的荧光显微成像技术,首先对深度学习的基本原理以及发展过程进行简要概述,随后针对深度学习在荧光显微成像领域近年来的国内外最新成果进行总结,之后通过与传统显微成像系统进行对比,阐述了深度学习在解决荧光显微成像问题上的优越性,最后对深度学习在显微成像技术上的应用前景进行了展望。

针对当前微纳米测量中存在的大范围高精度测量及复杂微结构几何参数表征难题, 基于多测头传感和精密定位平台复用技术, 开发了一台具有多种测量尺度和测量模式的复合型微纳米测量仪。为使其具备大范围快速扫描测量和小范围精细测量功能, 仪器集成了白光干涉和原子力显微镜两种测头, 通过设计适用于两种测头集成的桥架结构及宏/微两级驱动定位平台, 实现整机的开发。为保证仪器测量结果的准确性和溯源性, 利用标准样板对开发完成的仪器进行了校准。仪器搭载的白光干涉测头可以达到横向500 nm, 纵向1 nm的分辨力; 原子力显微镜测头横向和纵向分辨力均可达到1 nm。最后, 利用目标仪器对微球样品进行了测量, 通过大范围成像和小范围精细扫描, 获得了微球的表面特征, 验证了仪器对复杂微结构的测量能力。

光学显微三维测量耦合效应是指沟槽或台阶样品高度测量准确性受横向周期影响产生原理误差的现象。采用卷积不相关原则和有限能量损失原则, 分别建立了薄样品和深沟槽样品光学显微三维测量的解耦合模型, 揭示了被测样品特征参数与光学仪器表征能力之间的关联关系。与现有W/3准则相比, 光学显微三维测量解耦合准则能够客观反映光学仪器表征能力受样品结构差异变化的影响, 指示高度测量解耦合评定的示值区域, 预见高度测量原理误差产生, 为沟槽或台阶样品三维结构表征提供了一种新的计量评定准则。

为实现对天文导航设备的实验室检测，设计了一种星模拟装置。对该装置所采用的准直光学系统、数字可调光源进行了研究，并提出了背景光模拟的技术要求。根据天文导航设备的主要技术要求给出星模拟装置的整体结构。介绍了消色差准直光学系统、数字可调光源和确定星点大小及位置的关键技术，并分析了背景光均匀性对星模拟效果的影响。最后，制作了星模拟装置，并进行了相关验证性实验。实验结果表明，该装置能模拟0~5等星，背景光均匀性为94.7%，系统焦距为1 647 mm，视场为28′，准直性优于±2″。该装置可以同时模拟星光和背景光变化，具有准直性好、背景光照度模拟范围宽等优点，能够满足天文导航设备的实验室检测要求。

为了实现微波/红外半实物仿真技术中的信号耦合，提出了一种基于高透光率金属网栅的宽频段二色波组合器结构，并建立了金属网栅二色波组合器的微波反射特性和红外透射特性分析模型。为了验证基于高透光率金属网栅的二色波组合器的可行性和分析模型的有效性，利用激光直写工艺在锗基底上制作了金属网栅二色波组合器样片；为了减小倾斜入射时不同极化情况下微波反射率的差异，金属网栅垂直极化和平行极化方向的周期分别设为500 μm和400 μm。在微波暗室中测量了金属网栅二色波组合器样片在12~18 GHz频段的微波反射率，并利用傅里叶红外光谱仪测量了样片在10~12 μm波段的红外透射率。计算和测量结果显示，高透光率金属网栅二色波组合器的微波反射率优于-1.5 dB，红外透射率约为83%，表明高透光率金属网栅可用作一种新型的宽频段微波/红外二色波组合器。

基于Ulrich半实验方法、LZ等效电抗模型和Kohin等效膜方法,建立了一种新型的高通光率金属网栅屏蔽效率分析的等效折射率模型.该模型精确地建立了金属网栅的等效折射率与其结构参数和边界材料折射率的关系,便于分析电磁波任意入射方向时的金属网栅屏蔽效率,并可克服Chen倾斜模型在分析高通光率金属网栅屏蔽效率时的失效问题.为验证建立模型的有效性,用紫外光刻法制备了周期320 μm、线宽4.5 μm和周期160 μm、线宽5.5 μm的两种网栅,并用微波网络分析仪测试了12～18 GHz波段的屏蔽效率.实验与分析表明:建立的新模型的原理计算误差＜2 dB,优于Chen模型和LZ模型的8 dB的原理计算误差和Ulrich模型的4 dB的原理计算误差,说明新模型能更精确地分析高通光率金属网栅的屏蔽效率.

提出了双层膜系分析方法,该方法采用独立网栅等效薄膜模型,将网栅对衬底干涉的影响引入分析,克服了Kohin方法仅考虑衬底干涉的不精确性,并避免了其分析独立网栅的透波率公式在高频和大入射角时存在的不准确性.用紫外光刻在石英衬底上制备了周期为320 μm,线宽为4.5 μm的网栅,测得S波30°入射时12～18 GHz的屏蔽效率大于16dB,略低于理论值但变化趋势一致,证实了双层膜法的有效性.进而分析衬底影响表明:入射为S波及小于衬底布儒斯特角θB的P波时屏蔽效率降低,而入射为大于θB的P波时屏蔽效率反常增加;屏蔽效率变化最大值随入射角变化;优化衬底厚度可在不影响网栅透光能力的同时获得最佳屏蔽效果.

通过建立非理想准直光束残余高斯特征的功率密度模型,阐述了光束准直效果与功率密度的关系,借助光束通光比例系数对直写光斑强度分布影响的分析,以光斑主瓣、旁瓣的强度和宽度为主要特征,讨论了直写光斑强度及强度分布与光束准直效果的变化规律,确定了合理选取激光直写系统中准直扩束比例系数的原则。通过仿真不仅系统阐述了理想准直光束与非理想准直光束所形成的直写光斑形状的差异,还描述了理想准直光束近似计算光斑强度分布时的误差形式,这一结论为激光直写机准直系统设计提供了理论依据。