并行共焦三维检测方法的理论分析

从一般共焦系统的原理出发,重点围绕并行共焦方法的三维检测,通过引用三维点扩散函数和矩阵形式,研究了并行共焦检测方法的理论问题,确立了点阵并行共焦检测方法的检测过程。其结果表明,并行共焦检测过程总的光场分布,是各条共焦检测光路的求和,且都符合两个点扩散函数相乘的共焦形式。     

并行共焦显微探测高精度表面坐标信息获取方法

并行共焦显微术能够同时测量多个被测点,大大提高了测量效率,但同时也引入了较大的轴外点像差.已有的数据处理手段不能消除轴外光斑的横向偏移.针对其缺陷,提出了中心扩散法和光强重组法来获取被测光斑的光强位移曲线.实验结果表明,中心扩散法和光强重组法基本消除了轴外点光斑10 μm左右的横向偏移;与现有方法比较,这两种方法还将系统的测量稳定性分别提高了2倍和5倍,满足了并行共焦显微系统高精度快速测量的要求.     

一种全场三维共焦检测的新方法

提出了一种利用微光学阵更合成器件实现全场三维面形并行检测、记录的共焦方法。此方法的关键是，在共焦系统中引入一一微光学耻列合成器件来产生一点光源阵列，实现了对同一一剖面同时并行检测，并首次采用了ＣＣＤ面阵像元取代上孔光阑直接截取三维信息光强。本文讨论了该方法的三信息检测原理，响应关系，给出了初步的实验结果和三维重构图。     

共焦显微扫描探测技术的发展

传统的共焦显微探测多是采用单点机械扫描方式完成的,存在着扫描效率低的缺点,针对于此,一种多光束共焦显微系统成为当前的研究热点,通过不同方式对光束进行分割,使单点检测变为多路并行检测,提高了测量速度,减少了扫描过程中光源和振动噪声的影响,实现多光束的同步测量。介绍了几种典型的单光束和多光束共焦显微测量系统的原理、研究进展、发展方向及作者在该方面的研究。     

差动共焦式纳米级光聚焦探测系统的研究

为解决纳米级大范围的非接触测量问题 ,提出了基于差动式共焦显微技术的光聚焦探测系统。介绍了系统的工作原理和结构装置 ,对系统中的关键技术进行了优化设计 ,通过对共焦光路的差动设计 ,可以有效地抑制光源的噪声和漂移对测量结果的影响。初步实验结果表明 ,该系统的轴向分辨率可达 2 nm     

应用共焦显微镜原理测量倾斜工程表面

用基尔霍夫衍射公式分析反射式共焦光路 ,得到了被测件有一定倾斜角度表面的共焦轴向响应理论模型。由菲涅耳衍射近似公式得到的共焦轴向响应特性只是它的理论模型的一个特例。同时 ,对接收端采用差动连接的共焦测量的聚焦瞄准信号进行了分析 ,得到了表面倾斜角对聚焦瞄准信号影响的关系。应用共焦实验系统及差动测量系统对具有不同倾角的块规斜面的轴向响应信号进行了测量。理论模型的数值分析与实验结果相吻合。用差动共焦光学系统作为瞄准传感器、用电容传感器进行位移监测 ,对倾角为 10°的角规的斜面进行测量 ,得到分辨率小于 2 0nm的表面形貌图。     

基于数字微镜器件并行共焦成像的光点阵列优化

数字微镜器件(DMD)的灵活性有助于实现并行共焦成像。设计并搭建了基于DMD的并行共焦成像系统,分析了DMD光点阵列对轴向分辨率、横向分辨率和图像对比度的影响,得出了最优光点阵列参数。结果表明:光点越小,则横向和轴向分辨率越高;当光点间距大于光点大小时,增大光点间距对成像的横向分辨率无明显改善;对于1×1微镜,光点间距为光点大小的4倍时对应的图像对比度最高,即1×1光点大小、4倍光点间距为最优光点阵列。对数值孔径为0.25的物镜而言,最优光点阵列对应的横向分辨率优于512lp/mm,轴向分辨率可达7.82μm,均达到衍射极限。基于最优光点阵列的三维体光栅成像比宽场成像具有更高的分辨率和明显的层切效果,与激光扫描共焦成像相比无较大差距。基于DMD的并行共焦成像系统在保证高速成像的前提下,实现了高分辨率和高图像对比度的光学层切成像,在实时成像和三维成像中有一定的优势和应用前景。     

激光差动共焦拉曼光谱高分辨图谱成像技术进展

激光共焦拉曼光谱技术由于具有分子指纹及层析成像特性,成为探索微观分子世界的重要手段;但受原理限制,现有激光共焦拉曼光谱技术的分辨力及图谱成像能力逐渐桎梏了其发展。近年来,围绕激光共焦拉曼光谱技术性能改善方面,本研究团队基于发明的超分辨激光差动共焦技术,提出了激光差动共焦拉曼图谱成像系列新方法和新技术。系统地介绍所提激光差动共焦拉曼图谱系列测量方法及仪器化研究进展,并对未来发展方向进行了评述和展望。     

共焦元件测量系统数据处理中的高斯滤波算法

为进一步提高共焦元件参数测量系统的定焦精度,提出了运用高斯滤波算法对由共焦系统采集的光斑图像和共焦轴向强度响应信号进行滤波处理,以降低系统光学噪声对测量光斑图像的影响,削弱外界环境扰动等因素对共焦轴向强度响应信号的干扰。经理论分析和实验验证,在对测量光斑图像和共焦轴向强度响应信号进行高斯滤波算法处理后,可有效地抑制图像噪声,降低高次谐波干扰,进而提高系统的定焦精度。     

测量表面倾角对差动共焦瞄准信号影响分析

普通共焦显微镜的轴向响应特性,因受到被测量表面的倾斜角影响引从而起轴向响应特性变化,而应用差动共焦光学系统对超精密加工的表面进行瞄准测量时,差动系统的瞄准信号也受到影响,并进而影响到测量系统对加工表面的测量精度及分辨特性。通过对差动共焦测量系统输出信号理论模型的分析得出被测量面的倾斜角变化不影响差动共焦输出信号零点位置;倾角在一定范围内变化时不影响瞄准测量分辨力的结论,并给出了实验分析结果。     

Differential confocal measurement method of linear scanning based on dual linear array camera北大核心CSCD

针对目前微观三维表面形貌测量技术中存在检测效率和测量范围较小的问题,提出一种基于双线阵相机的线扫描差动共聚焦三维形貌测量方法。采用线扫描光源,利用线扫描拼接算法,分别合成焦前和焦后图像;再利用差动算法获得样本位于测量区域的差动图像,结合预先刻度的轴向响应曲线,完成样本的三维形貌还原,实现大范围高效测量。实验结果证明:基于双线阵相机的线扫描差动共聚焦三维形貌测量方法在相同时间内测量范围和测量效率分别是白光干涉仪的16.48倍和6.59倍,并且该方法在测量过程中不需要停顿,只需实现一次对焦,就可以对样品进行连续不间断的扫描检测。研究成果为满足智能制造中在线在位、实时高效、大范围测量的检测需求提供依据。     

采用变焦液体透镜的共焦检测系统的设计与仿真

共焦显微技术越来越广泛地应用于微机电系统和半导体器件的三维轮廓测量。设计一种新型采用变焦透镜作为轴向扫描方式的共焦显微系统,利用变焦透镜的焦距变化来代替传统的轴向位移扫描。系统实现了无机械运动的轴向扫描,消除了传统共焦系统中由位移台移动带来的振动,不仅减小了系统的复杂度,而且降低了成本。进一步设计了基于位移台和变焦透镜的两种共焦检测系统,并且对其进行了仿真实验。实验结果表明:基于位移台和基于变焦透镜的共焦系统的聚焦成像和离焦成像结果类似,并且光强的轴向分布曲线也基本相同,表明此方法可行。     

Application of Three Dimensional Confocal Micro X-Ray Fluorescence Technology Based on Polycapillary X-Ray Lens in Analysis of Rock and Mineral SamplesSCIEI北大核心CSCD

Confocal three dimensional (3D) micro X-ray fluorescence (XRF) spectrometer based on a polycapillary focusing X-ray lens (PFXRL) in the excitation channel and a polycapillary parallel X-ray lens (PPXRL) in the detection channel was developed. The PFXRL and PPXRL were placed in a confocal configuration. This was helpful in improving the signal-to-noise ratio of the XRF spectra, and accordingly lowered the detection limitation of the XRF technology. The confocal configuration ensured that only the XRF signal from the confocal micro-volume overlapped by the output focal spot of the PFXRL and the input focal spot of the PPXRL could be detected by the detector. Therefore, the point-to-point information of XRF for samples could be obtained non-destructively by moving the sample located at the confocal position. The magnitude of the gain in power density of the PFXRL was 10(3). This let the low power conventional X-ray source be used in this confocal XRF, and, accordingly, decreased the requirement of high power X-ray source for the confocal XRF based on polycapillary X-ray optics. In this paper, we used the confocal 3D micro X-ray fluorescence spectrometer to non-destructively analyzed mineral samples and to carry out a 3D point-to-point elemental mapping scanning, which demonstrated the capabilities of confocal 3D micro XRF technology for non-destructive analysis elements composition and distribution for mineral samples. For one mineral sample, the experimental results showed that the area with high density of element of iron had high density of copper. To some extent, this reflected the growth mechanisms of the mineral sample. The confocal 3D micro XRF technology has potential applications in such fields like the analysis identification of ore, jade, lithoid utensils, "gamble stone" and lithoid flooring.     

毛细管X光透镜三维共聚焦微束X射线荧光技术在岩矿样品分析中的应用

利用毛细管X光透镜搭建了三维共聚焦微束X射线荧光谱仪,处在激发道的多毛细管X射线会聚透镜和处在探测道的多毛细管X射线平行束透镜处于共聚焦状态,该共聚焦结构降低了X射线荧光光谱的背底,从而有利于降低的X射线荧光分析技术的探测极限。在上述共聚焦结构中,多毛细管X射线会聚透镜和多毛细管X射线平行束透镜的焦斑重合形成共聚焦微元,探测器只能探测到来自该共聚焦微元内的X射线荧光信号,当该共聚焦微元在样品移动时,就可利用该共聚焦技术原位无损得到样品内部的三维X射线荧光信息。该共聚焦技术使用的多毛细管X射线会聚透镜具有103量级的功率放大倍数,从而降低了该共聚焦技术对高功率X射线源的依赖程度,即利用低功率普通X射线源就可以设计毛细管X光透镜共聚焦X射线荧光技术。利用上述共聚焦微束X射线荧光谱仪对两种岩矿样品进行三维无损分析,在其中一种岩石中发现：Fe浓度大的区域Cu的浓度也大,这在一定程度上反映了岩矿自然生长的机理。实验结果证明：该共聚焦X射线荧光技术可以在不破坏样品情况下分析岩矿样品中元素成分组成和元素三维分布情况。该共聚焦三维微束X射线荧光技术在矿石勘察、玉器选材和鉴别、石质食用器皿、“赌石”和家用石质地板检测等领域具有潜在的应用。     

利用毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术对单根头发中元素空间分布进行无损扫描分析

头发中的元素与人的饮食和健康状况有关,对头发中元素的分析,不仅可用于刑事物证鉴别,还可为疾病的预防和治疗提供依据,因此,如何检测头发中元素分布等信息倍受人们关注。本文利用基于毛细管X光透镜和实验室普通X射线光源的共聚焦微束X射线荧光技术对单根头进行了无损扫描分析,分析了单根头发中元素的空间分布。在该毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术中,毛细管X光会聚透镜的出口焦斑和毛细管X光平行束透镜的入口焦斑处在共聚焦状态,从而形成共聚焦微元,探测器只能探测到来自该共聚焦微元中的X射线信号,降低了背底信号对X射线荧光谱的影响,从而有利于提高该共聚焦X射线荧光技术的分析精度。该共聚焦技术中采用了具有高功率密度增益的毛细管X光会聚透镜,降低了该共聚焦X射线荧光技术对X射线光源功率的要求,从而保证了该共聚焦技术可以采用实验室普通X射线光源,降低了实验成本。实验表明,毛细管X光透镜共聚焦微束X射线荧光技术在单根头发元素分布检测中具有应用价值。     

基于修正平行投影法的飞行姿态测量

摄影系统的成像满足透视投影模型,使用平行投影法做飞行姿态交会存在模型误差。依据在目标成像的中轴线通过像面中心的时候,平行投影法和透视投影法有相同的成像特征这一事实,提出了一种无模型误差的修正平行投影法。在判读出目标图像中轴线的斜率K和截距L的情况下,假设摄影系统的高低角再旋转atan(L/K)度,使得旋转后图像的中轴线过像面的中心点。依据透视投影模型,计算出旋转后图像中轴线的斜率,再使用此斜率做平行投影交会。仿真结果表明,该方法可以很好的消除由平行投影模型带来的模型误差,为空间目标姿态交会提供了更精确的计算结果。     

Fiber-optic Based Scanning Confocal Microscopic Interferometer for the Measurement of Surface Topography

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｔｈｅｒｅｉｓａｎｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｆｏｒｔｈｅｐｒｅｃｉｓｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｎｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅｏｂｊｅｃｔｓｏｆｃｏｍｐｌｅｘｓｈａｐｅｗｉｔｈｓｔｅｅｐｓｕｒｆａｃｅｓｌｏｐｅｓ .Ｔｈｅｓｔｙｌｕｓｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄａｓｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄ ,ｂｕｔｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙｉｓｌｉｍｉｔｅｄｄｕｅｔｏｉｔｓｃｏｎ…     

Measurement of wedge angle of a transparent parallel plate using quasi-monochromatic light source and phase shifting interferometry

A new technique (to our knowledge), for the measurement of residual wedge angle (RWA) of high optical quality transparent nearly parallel plate (PP), using a quasi-monochromatic light source, is presented. Advantages and drawbacks of the technique and the results obtained for a PP, using a filtered white light source, is discussed. A slightly modified optical setup for accurate determination of RWA, using phase shifting interferometry (PSI), has been described. Results obtained, applying PSI, for a validation experiment and for the determination of RWA of a quasi-PP is presented. The PSI based technique does not suffer from any measurement ambiguities due to limitation in effective beam aperture. Hence the technique is suitable for high accuracy measurement of RWA of PP. In both the optical setups, presented in this paper, the respective interfering beams travel the same optical circuit and are thus subject to same perturbation in optical path, due to external mechanical vibration, which finally cancels out. Thus the measurements are much less affected by external vibrations. Since the respective interfering beams undergo identical reflections and transmissions, the visibility or contrast of the interference fringes is very good.