赵晨光[1]2010年在《同步移相干涉共焦显微成像技术研究》文中提出随着微电子、微系统、微光学等技术的发展,针对微米、亚微米尺度微结构进行叁维精密测量的技术需求日益迫切。在现有各项微结构叁维测量技术中共焦扫描显微测量技术以其独特的光学层析能力与高横向分辨力特性,引起了广泛的关注。然而共焦扫描显微测量技术应用于微结构的叁维测量仍存在以下几点问题:1)传统共焦显微测量技术中存在高轴向分辨力与长工作距离之间的矛盾;2)现有共焦线性区扫描与差动共焦线性区扫描测量方法无法克服由样品反射率变化引入的影响,限制了其对混合材质元件及表面反射率变化剧烈元件的测量应用;3)共焦显微成像理论体系中缺乏对实际应用广泛的无限距共焦成像系统的详细分析。上述叁个问题已经成为制约共焦扫描显微测量技术在微结构叁维精密测量领域应用的主要技术瓶颈。本课题“同步移相干涉共焦显微成像技术研究”针对上述问题开展了理论建模、特性分析和实验研究,力图为微结构叁维形貌测量提供一种兼顾高分辨力、长工作距离和宽适用性的共焦扫描显微测量技术,同时为无限距共焦显微成像系统建立原理模型。本文的研究成果进一步完善了共焦显微成像理论体系,为无限距共焦及无限距干涉共焦系统应用奠定了理论基础,为共焦扫描显微测量技术实用化提供了技术储备,在微电子、微系统、微光学等领域有着广阔的应用前景。本文完成的主要创新性工作如下:1.提出了一种同步移相干涉共焦显微测量方法。首先利用差动共焦的双极性特点判断干涉相位主周期位置,然后在该主周期内利用相位求解离焦量,通过同步移相干涉与差动共焦的结合突破了测量物镜数值孔径NA对轴向分辨力的限制,在提高轴向分辨力的同时有效增大了工作距离,同时克服了样品表面反射率变化对测量的影响。2.建立了无限距共焦显微成像系统理论模型。该模型基于标量衍射理论与傅立叶光学理论描述了共焦显微与干涉共焦成像过程,指出干涉共焦相移比普通共焦强度响应对点探测器偏移敏感,单模光纤点探测器横移会导致轴向响应曲线峰值点位置平移但并不改变曲线形貌,干涉共焦理论横向分辨力是普通明场显微成像的1.12倍。最后,对本课题研究的相关内容进行了实验验证。首先对提出的同步移相干涉共焦显微测量技术进行了实验验证,实验结果表明:1)在测量物镜NA不同情况下,同步移相干涉共焦有效轴向分辨力均可达到1nm;2)且在测量物镜NA=0.25、收集物镜NA=0.1、光源λ=632.8nm的同等条件下,同时工作距离可达10mm;3)同步移相干涉共焦显微测量方法在被测表面反射率相对差异达到80%时仍能实现有效测量。其次对建立的无限距共焦显微成像理论模型进行了实验验证,实验结果表明:1)随测量物镜NA降低、收集物镜焦距f减小,共焦轴向响应曲线展宽、系统分辨力降低;2)随光源尺度的增加,共焦轴向响应曲线展宽、分辨力下降,但仍具有层析能力;3)共轭距由20cm增加至100cm时轴向响应半高宽变化小于7%,共轭距离d0对共焦轴向响应基本无影响;4)单模光纤点探测器横移5μm时共焦轴向响应峰值强度下降50%,峰值位置平移2.5μm左右,但归一化曲线形貌基本不变;5)点探测器的横向偏离对干涉共焦相位的影响比对基本共焦轴向强度响应的影响剧烈。
刘辰光[2]2016年在《基于中介层散射原理的共焦显微测量技术及理论研究》文中研究表明随着超精密加工工艺水平的不断提升,元件表面的加工精度不断提高,复杂微观结构和宏观自由曲面的加工技术逐渐成熟,同时对相应的测量技术也提出了需求。针对高曲率及大倾角表面的形状测量,现有基于光学子孔径拼接技术和机械扫描技术的测量方法由于引入更多的扫描和运动自由度,不仅使仪器成本急剧增加,而且系统精度难以进一步提高,无法实现对此类元件形状特征的精密测量。另外,由于微观高曲率及大倾角表面元件局部结构对探测光的遮挡,即使引入多维机械扫描也难以测得此类样品的局部形状。高曲率及大倾角表面的光学成像与测量成为目前计量领域极具挑战性和亟待解决的难题之一。本课题通过研究高曲率及大倾角元件在明场共焦成像模式下测量分辨率降低以至无法观测的原因,提出了基于中介层散射原理的高曲率及大倾角表面共焦形状测量方法,同时针对轴向峰值定位这一共焦测量技术的共性问题开展了深入分析。主要内容如下:(1)基于线性光学成像原理及共焦成像理论,对高曲率及大倾角表面的共焦显微成像机理进行研究,分析了成像系统有限收集孔径对信号光收集能力不足而导致的理论分辨率下降和信噪比降低的问题,并在共焦轴向响应和传递函数两个方面对光滑倾斜样品的共焦成像能力进行分析。(2)针对传统基于反射和衍射原理形状测量方法中,高曲率及大倾角表面镜面反射产生的信号光中心法线偏转而引起的信号光有效收集孔径减小,甚至无法被收集的问题,开展了基于中介层散射原理的高曲率及大倾角表面共焦形状测量方法研究。利用物理气相沉积技术,在样品表面沉积一层易去除的纳米级厚度的中介层,构建了一个各向同性散射表面,避免了由于样品表面镜面反射导致信号光中心法线偏转的问题。载有样品表面位置信息的散射信号总能充满成像光瞳,不随表面倾斜角度变化而变化,解决了大倾角表面测量分辨率降低甚至不可测的问题。在数值孔径NA=0.75下对光滑倾斜曲面的探测能力达到88.4°,曲面可探测角度超过传统反射成像方法理论极限的82%。同时,利用中介层共焦响应同时产生轴向峰值位置移动和包络展宽的卷积特性,进行中介层厚度误差校正,解决了基于中介层散射共焦形状测量的理论严密性问题。(3)针对轴向响应峰值定位这一共焦显微仪器的共性核心问题,分析了高数值孔径下共焦系统轴向响应特性,建立了共焦系统sinc2轴向响应模型,将sinc2模型的适用范围从低数值孔径情况下推广至高数值孔径,并提出了基于sinc2函数拟合的共焦轴向响应峰值定位方法,sinc2拟合方法比高斯模型具有更高的拟合精度与效率。标准台阶高度测量实验证明,sinc2拟合方法平均拟合时间比高斯拟合方法缩短21.3%。(4)开展中介层散射共焦测量仪器集成研究,为高曲率及大倾角样品提供成像及面形测量手段。阐述了中介层散射共焦测量系统及仪器集成的核心技术,并集成了中介层散射共焦测量仪器装置,包括激光照明模块、光束扫描模块、数据采集模块和宽场成像模块等,对典型高曲率及大倾角样品进行了面型测量,并对荧光染色生物样品进行了扫描成像及叁维轮廓检测等。
韩文峰[3]2010年在《线结构光共焦扫描显微术关键技术的研究及其仪器化》文中研究说明共焦显微镜由于采用了“共焦”技术而获得了比普通光学显微镜更高的分辨率和信噪比,并且能够对样品进行叁维成像。激光共焦扫描显微镜在生物医学、材料科学、微电子制造和精密测量等领域有着广泛的应用。目前大多数共焦显微镜都采用点共焦扫描。2005年桂林电子科技大学光机电一体化研究所率先在国内提出了线结构光共焦扫描显微术的理论并得到了实验论证。尽管线结构光共焦扫描显微术横向分辨率仅能达到或接近传统点扫描共焦显微术的水平,但是该显微术与传统点共焦显微术相比也有两个优势:首先改点扫描为线扫描,平面成像时仅需要一维扫描,不仅大大提高成像的速度,而且简化了扫描机构;其次改探测针孔为探测细缝,可大大提高光能的传递量,不需使用昂贵的光电增强器,而是直接使用低照度CCD采集图像。本论文就是在上述线结构光共焦显微术的理论及实验研究基础上,对其关键技术进行了进一步的深入研究并将其仪器化,实现了线结构光共焦显微镜科研样机的研发。具体的研究内容如下:1、对线结构共焦扫描显微术的理论进行深入的研究,提出了成像的关键技术;2、在现有的普通显微成像光学系统的基础之上,设计了线结构光共焦扫描显微成像专用光学系统;3、设计了开环控制的高精度机械移动扫描工作平面台和步进电机控制系统;4、开发了针对线结构光共焦扫描显微术的线扫描图像融合程序。经过线结构光共焦扫描显微成像实验证明:该科研样机具有比传统的光学显微镜更为优良的像质,有力地验证了线结构光共焦显微术理论的正确性,并为商品样机的开发奠定了坚实的基础。
葛华勇[4]2005年在《内窥式共焦扫描显微成像的研究》文中进行了进一步梳理共焦显微术由于其具有高分辨率和独特的叁维成像能力等优点,而广泛应用于生命科学领域,但是它对体内组织细胞的在体(in vivo)成像却无能为力。为解决这个问题,提出了内窥式共焦显微术,它是将共焦显微术和光纤技术结合起来的新技术,既具有共焦显微术的独特优点,同时克服了它不能进行在体成像的缺点,具有广泛的临床应用价值,因而近年来成为光学显微术研究的热点。 有关共焦显微术的理论目前已经比较成熟,然而对内窥式共焦显微术的成像理论还未深入开展,关于光学系统参数对成像质量的影响仍缺乏比较完整的分析。鉴于此,建立内窥式共焦扫描显微术的成像理论和分析系统的光学参数对成像质量的影响将是本文在理论方面的主要工作。 目前,国外已有关于内窥式共焦扫描显微成像的实验报导,但其成像质量较差,尚需进一步的改进。为此作者运用理论分析和数值模拟结果,合理设计内窥式共焦扫描显微系统,并进行相关的试验研究与讨论。 本文的主要研究成果包括: 1.建立了内窥式共焦显微系统的光路模型;并基于光波导理论和标量衍射理论,推导出内窥式共焦扫描显微系统的成像公式。该研究成果为系统的设计奠定了理论基础。 2.推演出系统的相干传递函数,并模拟光纤纤芯半径对轴向分辨率的影响。结果表明:(1)系统属相干成像,并可用相干传递函数来描述其成像过程;(2)光纤纤芯半径对系统成像有明显影响:系统轴向响应半高宽随纤芯归一化半径A的增加而增加,即轴向分辨率随A的增加而减小。 3.基于共焦显微成像理论,对共焦针孔半径、物镜的数值孔径和光瞳函数对成像强度和分辨率的影响分别进行数值模拟。根据计算结果,本文提出了最佳针孔归一化半径v_d=3和轴向分辨率的优化方法,为系统的合理设计提供了理论依据。
张晓波[5]2004年在《单模光纤激光共焦扫描显微成像系统》文中研究说明光纤激光共焦扫描显微成像系统是一种新型的高精度现代化显微成像设备，它以共焦成像为基础，结合光纤技术、激光扫描技术和数字图像处理技术，可以实现细微结构的叁维成像。与传统显微镜相比，它具有较高的横向、纵向分辨率，在生物医学、神经科学、物质结构、微电子等领域中具有广泛的应用。 本文系统详细的分析了单模光纤激光共焦扫描显微成像系统的成像原理，确立了系统的总体原理方案，着重对系统中如下几个关键技术问题进行论述和研究：对光信号传输、耦合效率以及系统信噪比进行了深入分析，并设计了有效的光信号传输方案；在详细分析图像渐晕产生原因的基础上，给出了渐晕校正算法，结合系统整体情况设计完成了扫描图像渐晕校正的硬件电路；完成了扫描图像存储与显示以及二维图像预处理的软件，并研究了扫描图像叁维重构的实现方法。
单峡[6]2009年在《共聚焦高速扫描与成像系统研究》文中提出激光共焦扫描显微镜作为一种具有高纵深分辨率的现代显微成像设备,在基因工程、生物医学、生命科学、材料科学等众多领域具有重要的应用价值。那么本课题就是要开发一种能够实现高速采集图像数据、扫描效果更好、能够提高扫描图像分辨率的激光扫描系统。本文的主要研究内容包括以下叁个方面：首先本文对激光共聚焦扫描成像系统的光学原理及成像的重要特点进行了讨论,分析了系统的扫描成像控制技术。本课题采用的为光学扫描。其次本文系统的介绍了共聚焦高速扫描的硬件系统构成,即采用单片机AT89S52为核心,由快速振镜模块、慢速振镜模块、电源转换模块、信号转换模块、D／A转换模块、探测器模块、A／D数据采集模块、串口通讯模块等搭建的硬件平台。最后在对硬件系统有了充分的理解和掌握的情况下,再结合扫描硬件电路的运转特点,对软件编程进行合理安排和设计,以完成扫描的全部过程与需要。在解决以上问题的基础上,结合实验构建了一个共聚焦高速扫描与成像系统。
袁冠伟[7]2008年在《光纤束共焦显微系统的理论分析与设计》文中进行了进一步梳理光纤共焦显微成像系统由于结构简洁、轻便,加上其极高的横向和纵向分辨率,在生物医学,材料科学、微电子检测等方面有着广泛的应用。本文是以实现并行共焦显微成像为主要研究对象,对相应的光学系统进行了理论分析与设计.研究了光纤束共焦系统实现并行扫描成像的理论。利用微透镜阵列和光纤束,初步提出一种能实现并行扫描成像的光纤束共焦显微系统。并对该系统中的一些关键的光学元件进行了设计.主要研究内容如下:以傅立叶光学为理论基础,以薄透镜的点扩散函数、光学传递函数为出发点,较深入的研究了含初级球差的反射式光纤共焦显微系统的光学传递函数。根据光纤共焦显微术成像原理,结合抽样定理,和微透镜阵列的排列特点,分析了光纤束共焦显微成像机理,导出光纤束共焦显微系统的点扩散函数和光学传递函数。分析了影响光纤束共焦显微术分辨率的因素。分析的结果为光纤束共焦显微系统的设计提供理论依据。根据对光纤束共焦显微成像原理的分析,结合实际已有微透镜阵列,初步设计一种分辨率有一定的保证,结构较简单,能实现并行扫描的光纤束共焦显微系统。总体把握光纤束共焦显微成像的光路系统,分析各光学部件的作用,合理选用光学元件,如:微透镜阵列、光纤束规格、探测器CCD等。以满足光纤束共焦扫描成像的要求.利用光学设计软件Zemax,设计了光纤束共焦显微系统中的耦合透镜和光纤束末端的微物镜等光学元件。并对设计结果进行了像质评价分析。
王兴龙[8]2002年在《单模光纤共焦扫描显微成像系统总体设计与平面扫描技术研究》文中进行了进一步梳理单模光纤激光共焦扫描显微镜是现代光电技术结合的新型扫描显微成像系统，其独特的点照明与点探测机理排除了离焦光线对图像造成的模糊和斑点影响，因而具有出众的轴向分辨率，能够实现对微小物体的叁维成像。因此在医疗、生物、物质结构、微电子等领域均具有广泛的应用前景。 本文从理论上系统地分析了单模光纤激光共焦扫描显微成像系统的成像原理；探讨了系统中各关键部件对整个系统性能的作用和影响，并结合对现有国内外相关资料的消化，完成了总体方案的分析论证，确立了系统的总体组成方案和对各子系统的要求；重点提出了一种简便紧凑的平面扫描机构设计方案，深入分析了扫描机构中存在的扫描畸变及光学渐晕等问题，针对分析结果，设计了带有扫描畸变校正与图像处理功能的扫描控制与图像采集电子系统。
蔡振治[9]2003年在《单模光纤激光共焦扫描显微成像系统数据采集、传输与处理技术研究》文中研究说明单模光纤激光共焦扫描成像显微镜是光纤技术与现代光电技术相结合的新型扫描显微成像系统，由于采用了单模光纤作为点光源和点探测器，排除了离焦光线对图像造成的模糊和斑点影响，因而具有较高的横向和纵向分辨率，能够实现对微小物体的叁维成像，在医疗、生物、物质结构、微电子等领域均具有广泛的应用前景。 本文从理论和实验上对单模光纤激光共焦扫描显微成像系统的成像原理进行了较深入的研究；对单模光纤共焦扫描成像系统中光学系统的光耦合从理论和实验方面进行了较全面的研究，分析了影响光耦合效率的主要原因；详细研究了系统的扫描驱动、数据采集、传输和处理的方法，分析了系统存在的问题并提出了解决方法，在此基础上设计了扫描驱动、数据采集、传输和处理的电子系统，并介绍了电子系统的具体实现过程。
戚永军[10]2002年在《光纤共焦扫描显微成像技术的研究》文中提出单模光纤激光共焦扫描显微成像系统是研究微观结构的一种新技术，其本质是抑制目标物体离焦面所反射的光线进入系统，从而抑制这些离焦光线造成像点弥散斑增大的影响，使系统的横向与轴向分辨率得到大幅度的提高，能实现亚微米级的层析。这对于研究微观物体的表观及层析结构具有重大意义，在生物、微电子等领域具有重要的应用前景。 本文在透镜成像理论的基础上，系统、深入地分析了共焦扫描显微成像的机理，论述了应用单模光纤的激光共焦扫描显微成像系统的优点；进行了总体方案的论证，并设计确定了单模光纤激光共焦扫描显微成像系统的总体方案；从理论上推导分析了分辨率要求与试验系统中相关器件主要参数之间的关系，分析了系统耦合效率和渐晕现象对光学系统的设计要求；完成了方案中光学系统和二维扫描控制电路的设计，并在电路设计中采用了用软件解决检流计式光学扫描器(振镜)非线性问题的新方法，能够实现较为理想的二维模拟扫描；完成了高增益、低噪声和低失真的探测接收系统的设计和调试。
参考文献：
[1]. 同步移相干涉共焦显微成像技术研究[D]. 赵晨光. 哈尔滨工业大学. 2010
[2]. 基于中介层散射原理的共焦显微测量技术及理论研究[D]. 刘辰光. 哈尔滨工业大学. 2016
[3]. 线结构光共焦扫描显微术关键技术的研究及其仪器化[D]. 韩文峰. 桂林电子科技大学. 2010
[4]. 内窥式共焦扫描显微成像的研究[D]. 葛华勇. 上海大学. 2005
[5]. 单模光纤激光共焦扫描显微成像系统[D]. 张晓波. 南京理工大学. 2004
[6]. 共聚焦高速扫描与成像系统研究[D]. 单峡. 南京理工大学. 2009
[7]. 光纤束共焦显微系统的理论分析与设计[D]. 袁冠伟. 南昌大学. 2008
[8]. 单模光纤共焦扫描显微成像系统总体设计与平面扫描技术研究[D]. 王兴龙. 南京理工大学. 2002
[9]. 单模光纤激光共焦扫描显微成像系统数据采集、传输与处理技术研究[D]. 蔡振治. 南京理工大学. 2003
[10]. 光纤共焦扫描显微成像技术的研究[D]. 戚永军. 南京理工大学. 2002