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。     

激光分光瞳共焦显微镜系统研制

为了满足生物类等样品对大工作距和高分辨率共焦显微镜的需求,将分光瞳技术与激光共焦显微技术结合应用到成像系统上。阐述了激光分光瞳共焦显微成像原理,首次成功搭建了相应的显微镜成像测量系统。理论分析和实验表明:分光瞳共焦显微技术独特的非共轴结构使系统的轴向分辨力是相同数值孔径物镜单轴系统的3倍以上,对理论高度为100nm的台阶样品进行成像测试,得到的样品三维形貌,成像质量良好。     

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。     

基于斯托克斯参量测量的偏振共焦显微成像技术的研究

提出了一种基于斯托克斯(Stokes)参量测量的偏振共焦显微成像新方法。以斯托克斯参量、偏振度、相位差、方位角和椭率角等偏振参量作为成像物理量,通过系统集成方法将斯托克斯参量测量系统整合到共焦显微成像系统,通过共焦显微成像系统的显微物镜将激光聚焦到样品表面,而带有样品偏振信息的反射光进入斯托克斯参量测量系统进行偏振测量,把从斯托克斯参量测量系统中出射的4个斯托克斯光分别聚焦到4个点探测器进行光电探测,实现斯托克斯参量的共焦探测,同时获得同一物点的4个斯托克斯参量以及偏振度、相位差、方位角和椭率角等偏振参量。对样品进行二维扫描,获得不同物点的4个斯托克斯参量及其相关的偏振参量,利用计算机软件进行图像重建,从而获得样品的斯托克斯参量及其相关偏振参量的共焦显微图像。     

双光子技术在三维成像和三维存储技术中的应用

对双光子过程的空间分辨能力进行了理论分析。阐明了双光子技术在三维成像和三维存储中的独特优势。着重介绍了双光子技术与扫描共焦显微术、近场显微术相结合进行三维成像 ,以及一种多焦点多光子显微术和用连续光源激发的双光子三维成像技术的研究和进展情况。对建立在共焦显微镜基础之上的双光子三维光存储和微细加工方面的研究也作了回顾与展望     

差动共焦显微成像高稳定三维扫描技术与系统

激光差动共焦显微镜具备高空间分辨率特点,但因其逐点扫描成像方式,扫描时间长,易受三维扫描系统不稳定和环境干扰等影响,产生系统漂移,影响仪器的空间分辨率。利用楔块机构高稳定特点,结合刹车机构的自由抱闸特性,设计了一种新型的轴向升降机构,由此构建了结构更具稳定特性的电动三维扫描系统。稳定性实验验证在搭建的激光差动共焦显微镜上进行,经过监测系统在90min内的轴向位置,轴向漂移小于50nm,与原三维扫描系统漂移140nm对比,漂移速度明显减慢,稳定性有显著提升,进而明显改善了差动共焦显微成像效果。     

共焦扫描荧光显微镜的信噪比与测量精度

激光扫描共焦显微术和多光子显微术等新的显微成像技术可以对厚的生物样品实现光学断层成像 ,因而在生物医学诊断领域具有重要的应用前境。在Fried的一维分辨度理论的基础上 ,系统地讨论了运用共焦扫描荧光显微术在进行光学断层成像时 ,其光学断层平面分辨度与信噪比之间的定量关系 ,建立了实际显微成像系统平面测量精度的定量计算方法。所得出的结果对于选择共焦扫描显微成像系统的最佳参数及评价所设计的显微成像系统的性能具有重要的意义。     

光学仪器 眼镜、放大镜、显微镜、望远镜

TH742.9 2005021541 扩展差动共焦显微系统量程范围的方法与措施=An ap- proach to expansion measurement range of heterodyne con- focal microscopy system[刊,中]／赵维谦(哈尔滨工业大学 超精密光电仪器工程研究所．黑龙江,哈尔滨(150001)), 邱丽荣…//光电子·激光．-2004,15(9)．-1083-1087 为扩展差动共焦显微镜(HCMS)的测量量程范围,使 其满足三维微细结构和三维表面轮廓测量时的需求,基于     

阶跃型三维形貌信息小波去噪方法研究

阶跃样品显微测量时,样品三维形貌本身丰富的阶跃信息极易受到噪声高频信号的干扰,如何在滤除噪声的同时保持三维形貌的阶跃特征,实现对样品表面三维形貌信息的高精度测量是一个重要研究问题。利用小波函数良好的空间域和频率域的局部化特性,针对阶跃型样品的特点选取Haar小波,并采用一种基于模平方的阈值处理方法对三维形貌信息小波去噪方法进行研究。将该方法应用在本课题组研制的激光差动共焦显微镜扫描台阶样品得到的三维高度轮廓中,去噪后测量样品高度与OLYMPUS共焦显微镜扫描结果相对比,误差为0.146 8 nm,满足三维形貌信息后续测量分析的要求,证明了算法的有效性。     

数字共焦显微技术

数字共焦显微技术是一种采用数学算法来实现共焦成像的技术 ,其功能与激光共焦显微技术相同。介绍了数字共焦显微技术的原理和结构组成。与激光共焦显微技术相比 ,数字共焦显微技术具有不产生光漂白、照明激发光谱宽、易于操作使用、工作方式灵活和价格便宜的特点 ,且其成像质量好于激光共焦显微技术。因此 ,数字共焦显微技术已广泛应用于许多领域且具有广阔的应用前景。     

基于多次平移的平面绝对检测仿真

将待测面形表示为多项式的和,通过分别沿x,y向多次平移待检光学元件得到移动前后待测元件面形差,采用最小二乘法拟合多项式系数,得到待检光学元件的绝对面形。推导了多次平移法的理论公式,并进行了仿真实验,模拟了移动次数、移动间隔和采样点数对测量精度的影响。仿真结果表明:待测平面与初始平面残差图的均方根值为5.118×10~(-13)λ,理论误差达到高精度平面面形检测要求。     

激光干涉任意转角测量信号的获得及误差补偿技术

采用信号处理的方法对激光干涉测角系统的特性进行线性化处理,需要产生两路正交信号。采用空间互相垂直的两套干涉系统获得信号难免会使系统复杂、调整困难,因此提出了一种插值处理方法,可以利用测量得到的一路信号获得线性输出信号。输出信号的非线性误差较处理前大大减小了,但是无法满足高精度测量的要求。还提出了针对误差产生的原因进行的误差补偿技术。实验结果表明,提出的方法可以实现任意转角的高精度测量,光程差的测量误差小于±0 2μm,对应的转角测量误差为0 63″。     

光栅投影测量技术中的自适应采样方法

近年来,光学技术在测量领域的应用使测量获得的数据呈十几倍甚至几十倍地增长,造成了数据处理的困难.针对光栅投影非接触测量方法获得的海量数据,提出一种基于曲面变分的自适应采样方法以减少测量获得的数据量,并给出了采样的精度计算方法.根据测量对象的曲面变分进行自适应采样,获得测量点云,并根据自适应采样数据重构CAD模型.采样精度可以达到2.3 μm,拟合精度小于7.2 μm.     

A novel optimization method of camera parameters used for vision measurement

Camera calibration plays an important role in the field of machine vision applications. During the process of camera calibration, nonlinear optimization technique is crucial to obtain the best performance of camera parameters. Currently, the existing optimization method aims at minimizing the distance error between the detected image point and the calculated back-projected image point, based on 2D image pixels coordinate. However, the vision measurement process is conducted in 3D space while the optimization method generally adopted is carried out in 2D image plane. Moreover, the error criterion with respect to optimization and measurement is different. In other words, the equal pixel distance error in 2D image plane leads to diverse 3D metric distance error at different position before the camera. All the reasons mentioned above will cause accuracy decrease for 3D vision measurement. To solve the problem, a novel optimization method of camera parameters used for vision measurement is proposed. The presented method is devoted to minimizing the metric distance error between the calculated point and the real point in 3D measurement coordinate system. Comparatively, the initial camera parameters acquired through linear calibration are optimized through two different methods: one is the conventional method and the other is the novel method presented by this paper. Also, the calibration accuracy and measurement accuracy of the parameters obtained by the two methods are thoroughly analyzed and the choice of a suitable accuracy evaluation method is discussed. Simulative and real experiments to estimate the performance of the proposed method on test data are reported, and the results show that the proposed 3D optimization method is quite efficient to improve measurement accuracy compared with traditional method. It can meet the practical requirement of high precision in 3D vision metrology engineering.     

基于相位展开及拼接算法的一种高精度大量程宽光谱干涉显微术

宽光谱干涉显微术广泛应用于高精密检测领域,它测量样品形貌通常采用垂直扫描干涉术对亚微米至毫米级特征进行测量,以及相移干涉术对纳米级特征进行测量。其中,相移干涉术精度可达纳米级,但量程有限,高度变化对应的相位需限制在区间内。采用包裹相位展开算法可以扩展相移干涉术的量程,也仅适用于平滑表面,当高度起伏超出焦深或者光源相干长度的限定范围时,干涉条纹模糊或对比度丧失,所解算的结果将产生较大误差甚至错误。提出一种基于相位展开及拼接算法的高精度、大量程宽光谱干涉显微测量方法,以干涉条纹调制度量化条纹质量,条纹对比度高、成像清晰的区域对应调制度较高,定义当前焦面条纹调制度高于阈值的区域为理想区域,定义焦面条纹调制度低于阈值的区域为问题区域。以相位展开算法获得理想区域中的样品相位分布,问题区域的包裹相位不进行展开。使用微位移结构纵向移动物镜焦平面,选择合理的步长,使相邻焦面位置理想区域展开后的真实相位保持部分区域重合,根据重合区域的相位值均差可以实现不同焦面位置的高精度相位拼接,最终获得扩展量程的高精度真实相位结果,进而可以恢复样品完整的表面形貌分布。该算法通过对理想区域的筛选,避免了相位在问题区域展...     

Improvement of confocal microscope performance by shaped annular beam and heterodyne confocal techniques

In order to further improve the performance of a confocal microscope (CM) used for measurement of surface profiles and 3D microstructures, a shaped annular beam heterodyne confocal measurement method based on annular pupil filter technique and reflection confocal microscopy, is proposed to expand the measurement range and to improve the defocused property of CM. The approach proposed uses a confocal dual-receiving light path arrangement and a heterodyne subtraction of two signals received from detectors with axial offset to enable CM to be used for bipolar absolute measurement and to improve the defocused property of CM, and it uses the annular pupil filter technique to produce a binary optical shaped annular beam, which expands the measurement range by expanding the full-width at half-maximum of intensity curve received from two detectors in a heterodyne confocal microscopy system. Theoretical analyses and experimental results indicate that a shaped annular beam heterodyne microscope has a measurement range expanded from 4 to 14 μm, achieved an axial resolution of 2 nm and improved the defocused property, when ε=0.5 and NA=0.65. It can be therefore concluded that the shaped annular beam heterodyne confocal measuring method proposed is a new approach to ultraprecision measurement of surface profiles and 3D microstructures.     

Precision verification of a simplified three-dimensional DIC method

The traditional three-dimensional (3D) digital image measurement technique uses at least two images captured from different positions to determine the 3D coordinate of an object. One disadvantage of this method is that the mechanical and optical properties of the image capture devices are not fully identical, and the calibration procedure is quite complicated. This paper introduces a simplified 3D digital image correlation (DIC) method, in which only one image capture device is used. The theoretical measurement error equation is derived and experimentally verified. Experimental results show that distortion correction plays an important role in the improvement of measurement precision. After a radial distortion correction, the measurement precision of the object distance can reach 0.0043%. The optimal camera spacing should be set from 1/50 to 1/30 of the object distance, to obtain a satisfactory precision.     

同心圆检测中的区域划分算法

针对在基于图像的高准确度测量领域中同心圆图像检测这一实际问题,分析并实验验证了Hough变换法的缺点和一般圆拟合法的不足,根据系统光轴与同心圆旋转对称轴重合的特点,提出对图像平面进行区域划分再应用圆拟合法检测的方法.建立了基于距离空间聚类和基于随机采样两种区域划分算法,并且给出了圆心初值误差的极限.通过实验仿真,证明了新算法简单高效和可靠,而基于随机采样的算法更适合于实时检测的应用.     

基于反相条纹投影技术测量大范围变化的面形

在较高精度面形测量的光学方法中,很多测量范围都受到光波波长的限制。简述了一种利用光栅投影系统来增强其垂直方向测量范围的新方法。通过投影仪来产生能够消除表面低频变化影响的变形光栅,测量该栅线经过被检面的变形图像,通过处理得到表面的高频信息,然后将高频和低频信息叠加得到表面轮廓图。通过实验模型的建立证明,该方法具有测量精度范围宽,能实时地得到表面轮廓图。     

影响石英单模光纤数值孔径测量的因素及分析

本文采用远场光斑法和光强法测量了石英单模光纤的数值孔径.实验结果表明,由光纤耦合条件不同导致的光斑形状变化,对数值孔径的测量影响不大,单模光纤的纤芯直径小,导致出射光存在较强的衍射现象,对数值孔径的测量造成较大的影响,无论采用光斑法还是光强法,需以衍射第1次极大为计算标准,尽量选择光斑中心为亮斑时测量其数值孔径.此外,用远场光斑法进行测量时,观察屏到光纤的距离要合适,太短或太长都会增加实验误差.