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...     

大范围分光瞳激光差动共焦显微快速定焦方法

针对传统共焦显微技术中轴向扫描范围和扫描速度无法兼顾的问题,提出一种基于虚拟针孔探测的大范围分光瞳激光差动共焦显微快速定焦方法。通过分光瞳原理,将偏心光束法定焦和分光瞳虚拟针孔探测技术相结合,先利用激光光斑在CCD上的位置和样品位置的对应关系实现大范围的粗略定焦,再通过虚拟针孔差动传感实现高精度定焦,从而实现轴向大范围快速定焦。实验表明该方法轴向分辨力可以达到10nm,最大传感范围可达到70um,定焦速度是传统定焦方法的3.6倍。     

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。     

具有高空间分辨力的整形环形光式差动共焦测量法

提出一种新的具有高空间分辨力的整形环形光式差动共焦测量方法。该方法通过整形环形光式共焦测量法和锐化爱里斑主瓣，改善系统横向分辨力；通过差动共焦测量法改善系统的轴向分辨力，最终达到提高系统空间分辨能力的目的。理论分析和实验表明：整形环形光内孔归一化半径ε越大，横向分辨力改善越明显，量程扩展范围越宽；当入射光波长λ=632.8nm，物镜数值孔径取NA=0.85，ε=0.5时，该系统的横向分辨力优于0.2μm，轴向分辨力优于2nm。该方法为光触针测量系统空间分辨力的提高提供了1种新的方法，可广泛应用于超精密三维微细结构工件的超精密测量。     

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     

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。     

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。     

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。     

内窥式散斑类共聚焦系统层析能力分析

本文研究了内窥式散斑类共聚焦系统(Endoscope-based speckle quasi-confocal system,EBSQCS)的层析能力。从散斑类共聚焦显微镜(Speckle quasi-confocal microscope,SQCM)成像原理出发,详细分析了内窥镜光学结构对散斑类共聚焦显微镜散斑场波动的影响规律,推导了内窥镜光学结构与内窥式散斑类共聚焦系统轴向分辨力的关系。实验测得了基于光纤束的内窥式散斑类共聚焦系统的轴向分辨力曲线。选用放大倍率4倍,光纤直径5μm的内窥镜系统的内窥式散斑类共聚焦系统轴向分辨力曲线的全峰半高是散斑类共聚焦显微镜的2.3倍,与理论计算值相符。实验结果表明内窥式散斑类共聚焦系统具有很好的轴向层析能力。     

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。     

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。     

光栅尺测长式激光差动共焦曲率半径测量系统

为了增强高精度曲率半径测量仪器的抗环境干扰能力,满足现场使用需求,研制了一套基于光栅尺测长的激光差动共焦曲率半径测量系统。该系统利用差动共焦轴向光强响应曲线的过零点对应系统物镜聚焦焦点这一特性,对被测样品的猫眼位置及共焦位置进行精确瞄准定位,并借助光栅尺测长得到透镜猫眼位置与共焦位置之间的距离,实现曲率半径的测量。实验表明,该系统相对测量精度优于510-6,满足高精度曲率半径测量的精度需求。     

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。     

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     

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。     

共焦布里渊显微镜轴向成像特性

搭建了共焦布里渊显微镜装置,采用532nm的单模激光器激发样品布里渊散射光,显微物镜放大倍数为100倍,数值孔径为0.8,采用串联扫描式多通道法布里-珀罗(F-P)干涉仪收集布里渊光。从实验中测得了装置的共焦光强响应曲线,以及二氧化硅玻璃、硅胶和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)3种样品的布里渊光谱。采用全新的光子数组分权值数据处理方法仿真分析了此装置的轴向成像分辨力,以及测试样品为二氧化硅玻璃-硅胶-PMMA多层样品时,样品的频移、轴向声速和纵向弹性模量3种参量的轴向成像特性,并对此方法获得的3种参量的轴向成像特性曲线进行了误差分析。仿真结果显示,光子数组分权值数据处理方法可使装置的轴向成像分辨力提高至约2μm。在信噪比高于1.46dB时,通过误差关系曲线可获得精确的布里渊频移值、轴向声速和纵向弹性模量。     

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。     

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。     

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。