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...     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

线结构光共焦显微成像技术的实验研究

激光共焦扫描显微镜大多采用点共焦扫描成像形式,扫描机构复杂,成本高。新型的线结构光共焦显微成像技术是对样品进行线共焦成像,只需对样品进行一维扫描就可以得到整个平面的像。设计了线结构光共焦成像实验装置,进行了线结构光共焦显微成像实验。实验结果证明了线结构光共焦成像的可行性,杂散光明显地减少,提高了成像清晰度,并且有光学层析能力。采用低照度高分辨率CCD代替价格昂贵的像增强器大大降低了系统成本。     

探头对共聚焦内窥成像系统层析能力的影响

根据透镜成像规律和单模光纤的传输特性,获得基于单模光纤的共聚焦内窥成像系统轴向光强分布,发现系统的成像过程由于单模光纤的介入呈现非线性,照明光路系统和接收光路系统仅影响系统接收信号的总强度,系统层析能力取决于探头和单模光纤性能.通过建立的共聚焦内窥成像实验装置,测量出在三组不同物镜组合情况下系统的归一化轴向光强分布.结果显示已建立的共聚焦内窥成像系统的理论模型是正确的,扫描光点的定位精度对系统层析能力影响很大,系统设计应该综合考虑光学、机械和电子方面的性能要求.     

散射光声探测技术及其成像方法

为了实现强散射样品的光声显微成像,提出了一种散射光声显微成像新技术。利用散射光声效应原理,成功设计研制了散射光声探测器。散射光声探测器由散射光声腔、耦合腔、微通道以及微音器组成。利用该探测器探测样品的散射光声信号,然后结合共焦扫描成像技术实现了强散射样品的光声显微成像,获得了二氧化硅微球和口腔上皮细胞等各种不同散射样品的光声显微图像。实验结果表明,散射光声显微成像技术可以极大地改善图像对比度和增强图像边缘,对于工业、大气等方面的微粒直径测量具有重要的应用意义。     

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。     

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。     

扫描显微系统中各组元对成像的影响

利用光强点扩散函数讨论扫描显微探测系统中各组无形状对成像的影响。由光源和探测器的讨论得出共焦成像术具有最高横向分辨率的结论，阐明共焦系统中透镜（环瞳和方瞳）对成像的影响，并与圆瞳进行比较，得到最佳系统匹配方法。     

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.     

基于平移差分的微结构线宽显微测量方法

从显微成像测量线宽的理论模型出发,分析了限制测量精度的边缘定位误差因素,基于阶跃边缘衍射光强微分的灵敏探测原理,提出一种平移差分的微结构线宽显微测量方法,即使用压电陶瓷微位移平台微量移动待测微结构沟槽,两步平移并采集三幅对沟槽清晰成像的显微图像,显微图像依次相减得到两幅差分图,将线宽测量转为差分脉冲距离测量,利用差分脉冲在阶跃边缘附近梯度变化灵敏度高的特点,突破衍射极限,提高线宽测量精度;再用纳米精度压电陶瓷位移台标定与显微成像系统有关的倍率测量常数,以压电陶瓷位移台的高精度保证测量结果的准确性。以可溯源计量部门、线宽为30.00μm的标准沟槽样板作为待测样品,10次测量得到线宽测量平均值30.03μm,标准差0.005μm,并对本方法进行了不确定度分析,最终得到合成不确定度为0.37%(k=1)。     

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。     

相干反斯托克斯拉曼散射显微镜的成像特性

对自身不发荧光且不便于荧光标记的化学或生物学样品，集相干反斯托克斯拉曼散射与激光共焦扫描显微镜于一身的相干反斯托克斯拉曼散射显微镜是一种好的选择。因为相干反斯托克斯拉曼散射是一种非线性过程，相干反斯托克斯拉曼散射显微镜的显微成像特性与一般的共焦显微镜非常不同。首先计算了焦点附近相干反斯托克斯拉曼散射激发场的偏振分布，然后，利用格林函数方法，得到了以赫兹偶极子为源的波动方程的精确解，发现对于不同的成像配置和样品形状，像场的相干反斯托克斯拉曼散射场分布非常不同，因此传统的显微镜成像表征方式（如点扩展函数）将不再能描述相干反斯托克斯拉曼散射显微镜的成像特性。     

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.