基于中介層散射的兩步移相寬場三維顯微成像技術研究.pdf

1、曲面光學元件涉及微結構曲面光學元件和連續(xù)曲面光學元件等。該類光學元件對光學系統(tǒng)成像質量的提高具有顯著優(yōu)勢，因而得到了廣泛使用。但通過傳統(tǒng)光學手段對該類光學元件面形進行成像卻是一個困難的問題。產生這一問題的原因是，在共焦掃描測量、干涉測量等光學系統(tǒng)中，由待測曲面光學元件表面反射的成像光因發(fā)生鏡面反射而偏離成像系統(tǒng)光軸，導致成像失真。要從根本上解決這一測量難題，需先在光學成像原理上有所突破。
　　本論文針對這一問題，以曲面光學元件表面

2、的三維顯微成像需求為背景，開展基于中介層散射的兩步移相寬場三維顯微成像技術研究，旨在為曲面光學元件表面的快速、寬場三維成像提供技術和理論支持。本論文的主要研究內容如下：
　　（1）為揭示曲面光學元件表面無法被傳統(tǒng)光學系統(tǒng)有效成像的根本原因，建立了寬場結構光照明三維顯微成像系統(tǒng)對曲面光學元件樣品成像時的有效光瞳模型，推導了其對應的光學傳遞函數(shù)表達式。研究了在各種表面局部傾角和物鏡數(shù)值孔徑條件下的截止頻率的數(shù)學表達式，并對幾種典型情況

3、進行了仿真和對比分析。該研究工作解決了曲面光學元件在寬場結構光照明三維顯微系統(tǒng)中成像能力的理論評價問題，為基于中介層散射的寬場結構光照明三維顯微成像方法（FSSIWM）提供了理論依據(jù)。
　　（2）針對傳統(tǒng)光學成像時曲面光學元件表面樣品出現(xiàn)的成像分辨率降低、信噪比降低和形狀失真的問題，提出了基于中介層散射的寬場結構光照明三維顯微成像方法。該方法利用結構光照明三維顯微成像方法對沉積熒光中介層（均勻且易去除）的曲面光學元件表面成像，使樣

4、品表面對光的鏡面反射轉換成散射，從而使成像光能夠充滿物鏡孔徑，照明光瞳和成像光瞳完全重合，并能使元件不同傾角區(qū)域的成像分辨率統(tǒng)一。該方法解決了傳統(tǒng)光學方法因鏡面反射導致的成像信號損失和成像失真問題，可實現(xiàn)曲面光學元件表面三維形狀的快速寬場三維成像。
　?。?）針對傳統(tǒng)三步移相寬場結構光照明三維顯微三步法中空域解算時結構光條紋的相位與理論不嚴格匹配時，準焦圖像易出現(xiàn)帶狀偽信息的問題，提出了兩步移相寬場結構光照明三維顯微方法（兩步法）

5、。兩步法通過傅里葉域基頻濾波處理每層結構對應的兩步移相圖之差，解算出被余弦調制的準焦結構對應的強度信息。與傳統(tǒng)三步法相比，該方法具有如下優(yōu)點：避免了空域解算出現(xiàn)的帶狀偽信息問題；移相步數(shù)從3減少到2，對熒光中介層的照明時間減少了1/3，并可降低光漂白幾率；使系統(tǒng)采集結構光圖像數(shù)據(jù)所需的時間減少了1/3。另外，兩步法可在不改變原有光學系統(tǒng)結構的情況下以模塊的形式嵌入到傳統(tǒng)三步法所用的成像系統(tǒng)中。
　?。?）基于上述分析和所提出的方法