隨著現(xiàn)代微加工技術和光學超分辨技術的不斷進步,微尺度空間三維測量與成像技術向著大量程、高精度和高效率三個大方向前進�？臻g三維測量主要包括像散法、激光三角法、掃描隧道顯微鏡、機械探針法、原子力顯微鏡以及共焦顯微技術等。其中,共焦顯微技術因具有三維層析能力、不損傷樣品表面、可對活體細胞進行觀察、測量范圍較大等優(yōu)點,被廣泛應用于材料學、生物學、醫(yī)學、MEMS等技術領域。為提高傳統(tǒng)共焦系統(tǒng)的軸向分辨力并擴大測量范圍,外差共焦原理被進一步提出,其中點探測器軸向對稱移焦問題一直是該系統(tǒng)實現(xiàn)過程中的難點。本課題將光瞳濾波器技術與共焦顯微系統(tǒng)相結合,通過對位相型光瞳濾波器進行結構設計使其具有移焦特性,從而得到一種可滿足小型化要求的外差共焦系統(tǒng);同時在進行光瞳設計時,將橫向超分辨因子作為其評價參數(shù)之一,以保證系統(tǒng)在實現(xiàn)軸向移焦的同時具有橫向超分辨效果。本課題“共焦顯微系統(tǒng)中移焦探測方法研究”主要完成工作包括:(1)對共焦顯微系統(tǒng)及光瞳濾波器相位調制特性進行了詳細的理論分析,并針對軟針孔等效硬針孔的前提條件進行分析,得出結論在滿足成像透鏡r_f3r_il_0/f_2的前提下,系統(tǒng)為理想點探測時,由軟針孔結構引入的成像系統(tǒng)點擴展函數(shù)h_f將不會對共焦系統(tǒng)光強探測結果造成影響。(2)對光瞳優(yōu)化效果評價參數(shù)的共焦系統(tǒng)測量影響情況進行了分析,給出了光瞳優(yōu)化的約束條件,建立了光瞳優(yōu)化模型,并利用遺傳算法對位相型光瞳濾波器進行了結構優(yōu)化設計,使其具有軸向移焦特性以及橫向超分辨特性。(3)本課題利用空間光調制器模擬位相型光瞳濾波器在系統(tǒng)中的調制作用,為保證模擬效果,提出了一種基于菲涅耳透鏡的空間光調制器相位圖對準方法,以及一種基于楊氏干涉的空間光調制器相位調制特性測定方法。最后搭建了相關實驗平臺,對本課題所提出方法以及系統(tǒng)測量效果進行實驗驗證。實驗結果表明:所提出的空間光調制器相位圖對準方法可行,對準精度2.25μm,可滿足課題要求;空間光調制器0-255灰度值的對應相位調制區(qū)間為0-1.5π,線性度為0.067;以平面鏡為被測樣品,測量物鏡NA_1為0.4,收集物鏡NA_2為0.25時,光瞳移焦量為5μm,外差共焦系統(tǒng)測量范圍為±15μm,軸向分辨力為8nm,橫向超分辨因子G_T為1.23。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：TB96
【部分圖文】：

價值被大大提高并引起了科研人員的重視，進而使得共焦顯微技發(fā)展，開始廣泛應用于微尺度三維測量、生命醫(yī)學以及航天工業(yè)入到二十世紀九十年代后，共焦顯微技術的應用和拓展愈加廣泛發(fā)展，其在理論、應用和技術等方面都有了進一步創(chuàng)新，同時，維測量及超精密領域的發(fā)展，對于共焦顯微系統(tǒng)超分辨方向的研深。為提高共焦顯微系統(tǒng)的超分辨能力，科研人員將共焦技術與相結合，相繼提出了 4Pi 共焦顯微鏡[31-33]、激光干涉共焦顯微鏡[微鏡[36,37]、相位共軛鏡法[38]以及環(huán)形二元濾波器法[39]等多種共焦992 年，歐洲分子生物實驗室的 S. Hell 和 E.H.K. Stelzer 等人提出微鏡[32]，該方法在傳統(tǒng)共焦系統(tǒng)的基礎上，將單照明臂擴展為雙照微物鏡位置對置共焦，并將被測樣品放置于兩個顯微物鏡的焦點該方法提高了顯微物鏡的等效數(shù)值孔徑，并使得該 4Pi 共焦顯微力相比于傳統(tǒng)共焦顯微鏡提高了四倍，其系統(tǒng)原理圖如圖 1-1 所

圖 1-2 差動共焦顯微技術原理圖004 年，清華大學的殷純永教授和柳忠堯博士等人提出了雙頻干涉量系統(tǒng)（DICM）[41]和共光路外差干涉共焦顯微測量系統(tǒng)（CHICM外差干涉測量、相位細分技術與共焦顯微相結合，從而獲得一種大測量范圍的新型測量系統(tǒng)。后者在保持前者全部優(yōu)點的基礎上射透鏡實現(xiàn)系統(tǒng)共光路設計，因此使得系統(tǒng)對于振動及溫漂有較005 年，哈爾濱工業(yè)大學的邱麗榮博士構建了一種基于位相型光瞳超分辨外差共焦顯微系統(tǒng)[43]。該系統(tǒng)將超分辨光瞳濾波器與外差合，通過位相型光瞳濾波器提高系統(tǒng)橫向分辨力，外差共焦方法分辨力，從而獲得一種具有三維分辨力的測量系統(tǒng)。其軸向分辨力辨力小于 0.2μm。010 年，哈爾濱工業(yè)大學的趙晨光博士提出了一種四通道同步移相成像技術，其結構原理如圖 1-3 所示[44]。該方法將外差共焦技術術相結合，使得該測量系統(tǒng)在保證較高分辨力的同時具有較長工

A B C D45°快軸SP22.5°快軸P激光器QWP3PBS2BSPBS3(0)( ) ( /2) (3 /2)CCD準焦位置單模光纖圖 1-3 四通道同步移相干涉共焦顯微成像原理圖 年，趙維謙教授提出了激光分光瞳差動共焦傳感技術，其系示[45]。該系統(tǒng)將激光分光瞳共焦顯微系統(tǒng)與差動共焦技術相針孔技術實現(xiàn)光斑分割及兩路差動信號檢測，并通過調整孔大小實現(xiàn)系統(tǒng)的軸向超分辨和降噪效果，經(jīng)實驗表明，該向分辨力以及較強的抗干擾能力。
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本文編號：2891826