基于虚拟双差动共焦的快速表面轮廓测量方法

针对传统共焦显微技术定焦过程中扫描速度和扫描精度无法兼顾的问题,提出了一种基于虚拟双差动共焦的快速表面轮廓测量方法。其将传统共焦响应曲线向前平移和向后平移指定量得到虚拟前焦和虚拟后焦信号;然后将虚拟前、后焦信号与原始共焦信号分别相减,并将相减结果做相加处理得到虚拟双差动曲线。虚拟双差动曲线具有大线性范围、高定焦灵敏度的特点,在大扫描间距情况下获取表面轮廓时,可实现样品表面轮廓的快速、高精度的定焦。仿真分析及实验结果表明,与传统差动共焦显微成像方法相比,虚拟双差动共焦表面轮廓测量方法可在保持高定焦精度的前提下,将几何形貌成像速度提高2倍以上。     

基于单步驱动的激光共焦显微镜快速定焦方法

针对现有共焦显微镜中定焦速度慢和定焦精度差的问题,提出了基于单步驱动的激光共焦显微镜快速定焦方法。充分利用轴向扫描器件的响应时间通过单步驱动获取数据,大幅提高采集速度,提高系统信噪比;通过拟合区间优化和分开拟合的数据处理方法来快速、准确获取定焦目标位置,进而实现激光共焦显微镜轴向定焦效率的提升。理论分析与实验结果表明:与现有定焦方法相比,方法在粗定焦阶段使定焦速度提升5.64倍,在准确定焦阶段使定焦速度提升3.08倍,其有效提升了现有共焦显微镜的轴向定焦速度和精度。     

用于自由曲面表面测量的激光差动共焦传感器

针对自由曲面测量问题,构建了一套高精度大量程激光差动共焦传感器。该传感器基于激光差动共焦原理,利用归一化单点定焦模型减小被测表面倾斜角度、反射率的影响,结合非等距分数阶累加预测算法预判焦点位置,实现快速跟踪定焦。将气浮导轨与PZT结合拓展轴向扫描范围。实验表明,该传感器轴向分辨力优于3nm,可测量表面倾斜角度达22°,轴向扫描范围达50mm,差动曲线的过零点标准偏差为5.7nm,有良好的重复性。该传感器为自由曲面的面型轮廓测量提供了一种新的方法。     

激光差动共焦显微成像中的轴向快速定焦方法

提出了一种基于光强信号实时判断的快速定焦方法,在对样品进行横向扫描的同时,驱动测量物镜轴向移动,对前焦探测器和后焦探测器采集到的光强信号进行实时处理,通过实时判断测量面与样品的位置关系迅速找到焦面位置,可实现快速、准确的轴向定焦,极大地提升了定焦速度。理论分析和初步的实验表明,该方法在一副图像的采集周期内能够实现轴向定焦,在同等定焦精度条件下,与清晰度定焦方法相比,可节省90℅以上的定焦时间。     

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。     

基于二次曲线拟合的共焦拉曼光谱探测方法

拉曼光谱技术因其光谱信息丰富、非接触、无破坏、样品用量少、高灵敏度等特点,为现代前沿基础科研领域提供一种有力的分析手段,成为分析科学的研究热点。激光共焦拉曼技术结合共焦显微探测和拉曼光谱探测技术,具有空间分辨力高、可层析探测的优势,在物理化学、材料科学、生物医学、考古及文物鉴定、刑侦科学等众多领域应用广泛。现有共焦拉曼系统由于在扫描过程中无法对探测点进行定焦,因而在长时间的探测过程中会因环境变化、系统漂移等问题导致系统离焦,从而造成测量结果存在误差甚至错误的问题。本文针对这一问题,在现有共焦拉曼系统的基础上,提出一种基于二次曲线拟合的共焦拉曼光谱探测方法。该方法利用二次曲线对光谱共焦曲线进行拟合,通过寻找曲线最大值,得到系统焦点,进而在扫描过程中对每个探测点进行焦点定位后,采集该点光谱信息,从而保证扫描过程中系统始终位于焦点位置,消除系统离焦对实验结果的影响,实现共焦拉曼光谱系统的精确测量。通过仿真分析和实验结果表明：本文提出的基于二次曲线拟合的共焦拉曼光谱探测方法可以有效消除系统离焦对实验结果造成的影响,提高系统轴向定焦的准确度,为共焦拉曼光谱技术的进一步应用提供了保证,是一种行之有效的定焦准确、抗漂移强的拉曼光谱测量方法。     

具有抗漂移特性的激光共焦拉曼光谱成像技术与系统

共焦拉曼技术结合了共焦显微技术和拉曼光谱技术,具有高分辨率、高灵敏度、可层析成像的优势,广泛应用于物理、材料科学、生物医学、文物鉴定以及刑侦等领域。由于拉曼光谱成像需要较长时间,测量中系统易受环境等因素影响产生漂移,造成离焦,而现有商用共焦拉曼光谱仪并无定焦能力,容易影响测量结果。针对此问题,研制了一种具有抗漂移能力的激光共焦拉曼光谱探测系统。在不改变共焦拉曼探测基本原理的基础上,利用拉曼轴向响应曲线最大值对应显微物镜焦面这一特性,对每个探测点进行轴向扫描,采集一定数量的轴向信号,通过曲线拟合寻找光谱强度极值位置,保证扫描过程中样品始终处于系统的焦点位置处,抑制离焦影响,改善拉曼光谱成像效果。以单层石墨烯样品进行单点测试,证明仪器在5 μm离焦范围内可以实现实时定焦,定焦后采集到的拉曼光谱强度几乎不变,具有良好的抗漂移能力;对硅台阶样品进行成像测试,结果表明成像过程中,信号强度未发生明显变化,且横向分辨率有一定改善,效果明显优于普通共焦拉曼光谱探测系统。     

基于CCD虚拟针孔探测的双轴共焦显微技术

双轴共焦显微技术具有独特的非共轴结构,与传统单轴共焦显微技术相比可利用较低数值孔径物镜实现较高的轴向分辨力,且具有工作距离大、信噪比高等优势。对基于CCD虚拟针孔(VPH)探测的双轴共焦显微成像系统的空间分辨特性进行了理论分析,并构建了相应的实验系统,对其轴向响应进行了实验验证。实验中照明物镜NAi=0.117,采集物镜NAc=0.106,θ=45°,得出系统轴向半高宽(FWHM)为2.63μm,比同等参数(NA=0.117)下单轴共焦显微系统的轴向FWHM高出约20倍。     

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。     

基于双边拟合的高稳定性共焦拉曼光谱定焦方法

共焦拉曼光谱技术可实现定量、无损、无需标记的样品微区“分子结构特征和物质组成信息”成像,被广泛应用于生物医学、物理化学以及材料科学等领域。由于共焦拉曼系统采用“点”激发和“点”探测的探测机制,且拉曼散射光谱信号微弱,导致成像所需时间可长达数小时甚至数十小时;测量过程中系统极易受环境变化、空气扰动等因素影响产生漂移,造成被测样品离焦,从而导致成像质量不稳定。针对现有共焦拉曼系统对样品定焦能力不足、样品易产生离焦误差、系统漂移大等问题,本文提出了一种基于双边拟合的高稳定性共焦拉曼光谱定焦方法。该方法首先对共焦拉曼光谱强度轴向响应曲线两侧对样品离焦敏感的数据区间分别进行线性拟合,得到两条拟合直线方程;然后,将所得的两条直线方程相减得到新的差分直线;最后,通过差分直线的过零点位置确定系统焦平面位置,实现了被测样品的高精度定焦,消除了离焦对系统测量结果的影响。以单晶硅表面同一位置,轴向扫描步距100 nm,进行60次重复定焦实验,实验获得的重复定焦极差为80.2 nm,说明系统具有良好的抗漂移能力。对周期5 μm的竖条栅格标准原子力台阶样品进行拉曼mapping成像测试,结果表明在长时间的成像过程中,和无定焦功能的图像相比,该方法获得的竖条栅格图像更清晰、边缘更锐利、信噪比较好。仿真分析和实验结果表明：提出的基于双边拟合共焦拉曼光谱探测方法可以提高系统的定焦准确度,抑制干扰因素导致的系统离焦对成像质量的影响,进而确保了系统探测的稳定性和成像分辨力,是一种自动定焦、抗漂移的拉曼光谱成像方法。     

激光差动共焦曲率半径快速测量方法

针对大批量球面光学元件曲率半径的快速、高精度、非接触测量难题,提出一种基于差动共焦技术的批量元件曲率半径快速测量方法。先将一已知曲率半径的样件S₀在其共焦位置进行扫描定焦,获取其差动共焦曲线和线性段方程;依次装卡同批次被测元件S₁-S_n并无扫描地获得其离焦量;根据样件曲率半径和被测件离焦量换算出被测样品曲率半径。仿真和实验表明,精度可达12.2ppm,同时测量速度比传统式差动共焦曲率半径扫描系统提高59倍。方法仅需1次扫描和N次快速装卡即可实现N件球面元件曲率半径的快速、高精度、非接触式检测,为大批量球面元件的高效率、高精度加工检测提供全新途径。     

高精度共焦自准直中心偏测量装置

研制了一种基于共焦轴向层析定焦、自准直横向定焦的共焦自准直中心偏测量装置。利用共焦探测模块对被测球面镜的球心和顶点位置进行定焦,从而测得被测球面镜的曲率半径;利用光路自准直方法探测被测镜旋转过程中反射光在探测面上的路径获得被测镜的偏心量,结合偏心量和曲率半径计算得出中心偏。与传统中心偏测量装置相比,所提测量装置可以同时测得曲率半径和中心偏,避免了重复装卡引入的测量误差,有效地提高了测量精度、简化了测量过程、降低了测量成本。实验结果表明测量装置的中心偏重复测量不确定度可达0.065″。     

小型化望远式激光共焦扫描显微内窥镜

研制了一种激光共焦扫描显微内窥镜,采用望远式显微内窥光学系统,同时实现长距离的图像中继传输、远心f-theta光学扫描和显微内窥成像功能.二维共焦扫描由双振镜实现,低噪音扫描控制信号由嵌入式系统产生.为实现便携式应用,激光共焦扫描显微内窥镜采用小型化设计方案.首先,体内的显微内窥成像光学系统,外径尺寸为8 mm,工作长度为250.3 mm,可通过标准腹腔镜手术孔进行体内显微内窥成像;其次,采用3 mm通光孔径的小尺寸平面反射镜实现体外共焦扫描,摆动频率为100 Hz,实现快速共焦扫描;最后,激光控制和荧光探测仅通过电缆和光纤与共焦扫描显微内窥镜前端连接,减小了显微内窥镜的前端尺寸和重量.通过实验验证,本系统的成像视场为φ 600 μm,光学分辨率为2.2 μm,可采用手持式或者其他方式工作,进行体内组织的共焦扫描成像,实现微创、在体的荧光显微内窥术.     

基于双螺旋点扩散函数工程的多焦点图像扫描显微

在传统共聚焦显微技术的基础上,图像扫描显微技术使用面阵探测器来代替单点探测器,结合虚拟数字针孔并利用像素重定位和解卷积图像重构算法将传统宽场显微镜的分辨率提高一倍,实现了高信噪比的超分辨共焦成像.但是,由于采用逐点扫描的方式,三维成像速度相对较慢,限制了其在活体样品成像中的应用.为了进一步提高图像扫描显微术的成像速度,本文提出了一种基于双螺旋点扩散函数工程的多焦点图像扫描显微成像方法和系统.在照明光路中,利用高速数字微镜器件产生周期分布的聚焦点阵对样品进行并行激发和快速二维扫描;在探测光路中,利用双螺旋相位片将激发点荧光信号的强度分布转换为双螺旋的形式;最终,利用后期数字重聚焦处理,从单次样品扫描数据中重构出多个样品层的超分辨宽场图像.在此基础上,利用搭建的系统分别对纤维状肌动蛋白和海拉细胞线粒体进行成像实验,证明了该方法的超分辨能力和快速三维成像能力.     

具有高成像精度的高速传感共焦显微成像方法

提出一种高速传感共焦显微成像方法(HSSCM)对样品表面形貌进行高效率、高精度的成像测量。HSSCM将共焦轴向响应曲线沿轴向平移S,然后将平移前后两条曲线相减并除以两曲线的和,继而构成具有不受样品反射率影响的、高信噪比的传感成像特性曲线。在实际扫描成像过程中,轴向扫描间隔同样设定为S对样品进行逐层逐点扫描,扫描完成后将每个测量点轴向多层扫描数据中光强最大值和光强次大值相减除以两者相加,然后利用传感成像特性曲线反算得到样品高度,通过获得每个测量点的样品高度便可实现对样品形貌的高精度测量和3D形貌重构。理论分析和实验表明,通过优选平移量S,和传统共焦显微成像方法相比,HSSCM在具有高成像精度的前提下将扫描成像效率提高了至少3倍。     

微型差动式共焦自聚焦光聚焦探测系统

为解决微小内轮廓尺寸为代表的微小尺寸的非接触式超精密测量问题，提出了将自聚焦透镜体积小的特点与共焦显微技术的高分辨率和绝对位置跟踪特性相结合的差动式自聚焦共焦微型显微技术的光探测技术，建立了相应的传感系统，介绍了系统的工作原理和构成，自聚焦透镜测头直径为1mm，两个探测器差动设置，不但消除了光源的光强漂移和探测器的电子漂移产生的共模噪声，提高了测量信噪比，而且有效地提高了系统的轴向分辨率，初步实验表明，系统轴向分辨率在倾斜率小于20度的范围内可达5nm。     

超分辨率活体人眼视网膜共焦扫描成像系统

活体人眼共焦扫描成像系统的分辨率受到人眼像差、数值孔径和探测针孔尺度的限制,本文设计了一套超分辨活体人眼视网膜共焦扫描系统,采用自适应光学技术探测并校正人眼像差,结合光学超分辨技术提高系统分辨率,补偿有限尺度针孔对分辨率的影响,并获得活体人眼的实时、高分辨图像. 关键词： 超分辨 共焦扫描光学显微术 眼科光学 自适应光学     

荧光共焦并行探测显微成像系统设计及实验

将数字微镜器件加入到荧光显微成像系统中,代替传统共焦显微系统中的照明针孔,利用其调制特性,通过在数字微镜器件上加载不同图片,实现对光束的分割.对马铃薯细胞分别进行四通道、六通道、九通道的荧光细胞探测,同时采用平面反射镜作为样品,测试得到系统的深度响应曲线,分析了系统的分辨率.实验结果表明,数字微镜器件的加入实现了从点对点共焦成像变为多点并行共焦显微成像,提高了显微成像的探测速度,同时具有较高的分辨率.     

D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统

共焦布里渊光谱技术因其具有非接触、无损伤、高空间分辨等优点,在生物医学、物理化学以及材料科学中被广泛应用。由于布里渊散射频移较低、强度较弱,在弹性散射光没有被充分抑制的情况下,布里渊散射光容易受到弹性散射光的影响,导致光谱测量结果精度的下降,而且传统共焦布里渊光谱系统仍存在光谱轴向分辨力与层析能力不足等缺点,严重限制了共焦布里渊光谱探测系统在高散射样品以及长工作距离光谱探测领域中的应用。为改善共焦布里渊光谱探测系统的抗弹性散射能力、光谱轴向分辨力以及层析能力,构建了一种D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统。该系统通过侧向照明与侧向收集的方式消除背向散射,降低弹性散射强度,有效抑制弹性散射对布里渊散射的干扰,进而提高共焦布里渊光谱探测系统的抗弹性散射能力。通过D形光瞳对照明点扩散函数与收集点扩散函数进行调制,利用斜入射的方式使照明点扩散函数与收集点扩散函数仅在焦平面上发生重叠,在轴向上实现三维点扩散函数的压缩,有效去除离焦光谱信息对焦面光谱信息的干扰,降低轴向光谱强度响应曲线的半高全宽与全高全宽,进而达到提高共焦布里渊光谱探测系统的光谱轴向分辨力以及层析能力的效果。实验表明:相比于共焦布里渊光谱探测系统, D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统的抗弹性散射能力与层析能力得到大幅提升,通过优化光瞳参数,其光谱轴向分辨力可以提高30%以上,进而可以有效解决多层样品中的光谱串扰问题。D形分光瞳共焦布里渊光谱探测系统作为一种具有高层析能力、抗弹性散射能力强的布里渊光谱探测系统,为布里渊光谱技术在现代前沿基础学科领域中的进一步应用提供了有力保证。     

基于光程调制的多差动共聚焦显微技术研究

为解决传统共焦显微系统的分辨力与线性量程不能兼顾的问题,提出了基于变光程技术的多差动共焦显微技术,利用光程的调制在单探测光路中实现轴向响应曲线相对于焦平面的对称相移的方式,仅需要调整单一参数就可获得不同离焦量的响应曲线,实现具有绝对零点、线性度好的多差动光路系统,从而实现在同一系统中对高分辨力与大量程的兼容。该技术减少了元器件性能差异和人为装调误差,结构简单,提高了可靠性。实验表明：系统可兼顾分辨力与线性量程,轴向分辨力可达6.46 nm。为微细结构的测量提供了一种精度高、结构简单、应用场合广泛的技术。