根据衍射光学理论, 分析了基于瞳函数调制的望远超分辨成像系统中, 用于视场选择和过滤旁瓣影响的视场光阑的衍射效应对于成像效果的影响机理, 并给出了补偿原理和方案。微孔视场光阑和四环带阶跃型位相滤波器分别放置在系统一次像面和出瞳位置。理论分析和仿真表明: 视场光阑口径越小, 最终像面光斑主瓣越宽甚至失去超分辨效果, 旁瓣光强峰值与主瓣光强峰值之比也越高。对此时出瞳处的光场振幅、位相场分别进行多项式拟合, 求解进行修正的复振幅型光瞳滤波器设计参数, 可以有效抑制视场光阑的衍射效应, 获得良好的超分辨成像效果, 且超分辨成像与光阑效应补偿合二为一, 不会增加系统光路的复杂度。并进行了实际实验, 验证了以上设计方法的有效性。以上研究结果可为应用在天文观测、空间探测等方面的超分辨成像系统设计提供依据。

针对大口径光学系统中像差影响超分辨效果的问题,开展泽尼克波前像差对望远超分辨成像系统性能和超分辨局部视场影响的研究。设计四区型位相光瞳滤波器, 在理想光学系统出瞳处分别加入离焦、像散、彗差和球差像差, 逐渐增加幅值, 通过分析不同类别和幅度的波前像差下焦面光强分布变化, 研究超分辨成像性能和局部视场对不同种类像差的容忍程度。结果表明, 离焦可以抑制超分辨旁瓣能量, 提高超分辨倍率, 但对局部视场影响较大; 球差可以抑制超分辨旁瓣能量,增大局部视场; 像散和彗差使光斑圆对称性明显下降, 其中像散对局部视场的影响较为明显; 同时加入适量离焦和球差时, 超分辨旁瓣能量下降, 超分辨倍率提高, 且不影响系统局部视场。据此设计了一个F数为10, 焦距为12 m的大口径光学系统, 通过合理优化球差和离焦剩余量, 实现了超分辨倍率由1.21倍到1.31倍的提升, 最大旁瓣峰值由0.33下降到0.30, 局部视场为38.28 μm。

提出一种在光学扫描全息系统中采用环形光瞳滤波器来实现选择性边缘提取的方法, 基于双光瞳外差扫描技术使用单个二维光学扫描来获取三维物体的全息信息。首先, 采用小孔滤波器和环形光瞳滤波器作为两个光瞳来形成复合光场对物体进行扫描, 以提取物体的边缘信息; 其次, 通过移动并破坏环形光瞳滤波器的对称性, 并选择两个完全相同的环形光瞳滤波器来实现对物体各向异性的选择性提取。计算机仿真实验的结果表明, 通过在光学扫描全息系统中使用环形光瞳滤波器, 可以很好地实现各向同性与各向异性的选择性边缘提取。

为了对望远光学系统实现横向超分辨成像, 设计了一种高斯特列尔比的二维多项式函数形式的位相型光瞳滤波器, 分析了其对光学系统焦点附近光强分布的有益影响。理论分析表明, 加入滤波器之后, 与无滤波器时相比系统横向光学分辨率提升了1.33倍, 同时斯特列尔比为无滤波器时的0.75倍。给出了该种滤波器与典型的三区型、四区型和一维多项式位相型光瞳滤波器的对比, 从对比结果可知, 二维多项式型滤波器的斯特列尔比为几种滤波器中的最优, 且其横向分辨倍率仅次于四区型滤波器, 但四区型滤波器的斯特列尔比过低, 不适合应用于望远系统。研究了入射光视场角对应用该种滤波器的望远光学系统成像效果的影响, 视场角不大于±4°时, 具有较佳的超分辨效果。

为了产生具有特殊性质的聚焦矢量光场, 根据狭槽天线与线偏振片的相似性, 设计了刻蚀有多个不同方向狭槽天线环形阵列的超表面, 作为离散型复振幅光瞳滤波器使用。以径向偏振入射光为例, 经该滤波器并经大数值孔径透镜紧聚焦后, 可获得衍射受限的超长3维光管场。结果表明, 由于狭槽天线具有局域调控入射光场振幅和相位的特性, 各个环带上具有各自特定的透射率, 同时具有特定的二元相移(0/π)分布, 可以用来实现具有特殊性质的矢量光场。这种结构的超表面对矢量光束的产生与调控提供了新途径。

为了提高衍射远场显微成像的分辨率, 采用一种振幅透过率随半径呈幂函数分布的光瞳滤波器进行了理论分析和数值模拟。通过在光路中加入幂函数分布的振幅型光瞳滤波器, 利用标量衍射理论推导出夫琅禾费衍射分布的计算公式; 通过MATLAB软件给出衍射图样, 对比衍射分布的主瓣宽度。结果表明,当幂次数为3时, 模拟仿真的衍射分布斯特雷尔比为0.16, 最大旁瓣强度比为0.1, 分辨参量为0.76, 分辨率提高倍数为1.3;随着振幅透过率幂次数的增加, 主瓣宽度依次减小; 同时也伴随着主瓣强度降低和旁瓣强度增大的缺点。这一研究对于远场光学显微镜实现超分辨成像是有帮助的。

变形反射镜作为超分辨成像系统中的光瞳滤波器，可以灵活快速地调制光场相位的性能。采用遗传算法设计具有不同超分辨参数的光瞳相位结构，通过修改自适应光学系统闭环参考矩阵实现对光瞳滤波器相位的闭环拟合。在此基础上，实验对比了不同光瞳滤波情形下的超分辨成像效果。结果表明，变形反射镜可以很好地拟合设计的光瞳滤波器相位，超分辨成像参数与理论设计值基本吻合。由于变形反射镜采用反射式并通过控制镜面面形进行超分辨光瞳相位拟合，在使用时对入射光无偏振态要求，有利于该方法的实际应用。

为了对显微光学系统实现景深延拓和超分辨，设计了一种基于泽尼克多项式的位相型光瞳滤波器，并分析了其对光学系统在焦点附近光强分布的改善。结果表明，与传统显微光学系统相比，加入泽尼克位相型光瞳滤波器后，系统景深延拓了4.15倍，分辨率提升了1.3倍。同时，与其他两种形式的光瞳滤波器进行了比较，进一步说明了泽尼克位相型光瞳滤波器的优势。设计的泽尼克位相型光瞳滤波器在疵病的显微检测中具有一定的实际意义和应用价值。

用Spearman相关度分析法研究了3环带纯相位光瞳滤波器的加工质量与超分辨性能之间的显著度关系,并比较了不同环带光瞳滤波器的偏心对超分辨性能的影响.结果表明,环带的偏心与光斑半径、Strehl比的相关度系数均大于0.8,倒圆可使一级旁瓣强度的变化率高达29.04%,因此环带偏心和倒圆是决定元件性能的有效表面质量参量;外层环带偏心对超分辨性能的影响大于内层环带,需要更加严格的公差控制.该方法为微光学元件设计加工中的准确度控制提供了理论依据及可行的技术途径.

为了提高数字灰度光刻系统的焦深，研究了基于点扩散函数稳定性的光瞳编码优化方法，在此基础上综合考虑系统的成像对比度和分辨率，利用工程计算软件MAPLE和光学设计软件ZEMAX设计了一种分辨率为1μm的含有5区相位型光瞳滤波器的长焦深数字灰度光刻系统。结果表明，系统调制传递函数表现出离焦不变性，在保证像方分辨率的前提下，系统的焦深被延拓到原有焦深的2.5倍以上，且在整个焦深空间内系统性能与焦点处保持一致,从而提高了光刻系统的工艺容限。所得实验结果与理论分析一致，说明了设计的可行性。