基于中介層散射的兩步移相寬場三維顯微成像技術(shù)研究.pdf

1、曲面光學(xué)元件涉及微結(jié)構(gòu)曲面光學(xué)元件和連續(xù)曲面光學(xué)元件等。該類光學(xué)元件對光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)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(xué)手段對該類光學(xué)元件面形進(jìn)行成像卻是一個困難的問題。產(chǎn)生這一問題的原因是，在共焦掃描測量、干涉測量等光學(xué)系統(tǒng)中，由待測曲面光學(xué)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(dǎo)致成像失真。要從根本上解決這一測量難題，需先在光學(xué)成像原理上有所突破。
　　本論文針對這一問題，以曲面光學(xué)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(shù)研究，旨在為曲面光學(xué)元件表面的快速、寬場三維成像提供技術(shù)和理論支持。本論文的主要研究內(nèi)容如下：
　?。?）為揭示曲面光學(xué)元件表面無法被傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)有效成像的根本原因，建立了寬場結(jié)構(gòu)光照明三維顯微成像系統(tǒng)對曲面光學(xué)元件樣品成像時的有效光瞳模型，推導(dǎo)了其對應(yīng)的光學(xué)傳遞函數(shù)表達(dá)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(xué)表達(dá)式，并對幾種典型情況

3、進(jìn)行了仿真和對比分析。該研究工作解決了曲面光學(xué)元件在寬場結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(xué)成像時曲面光學(xué)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(jié)構(gòu)光照明三維顯微成像方法。該方法利用結(jié)構(gòu)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(xué)元件表面成像，使樣

4、品表面對光的鏡面反射轉(zhuǎn)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(xué)方法因鏡面反射導(dǎo)致的成像信號損失和成像失真問題，可實(shí)現(xiàn)曲面光學(xué)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(jié)構(gòu)光照明三維顯微三步法中空域解算時結(jié)構(gòu)光條紋的相位與理論不嚴(yán)格匹配時，準(zhǔn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)對應(yīng)的兩步移相圖之差，解算出被余弦調(diào)制的準(zhǔn)焦結(jié)構(gòu)對應(yīng)的強(qiáng)度信息。與傳統(tǒng)三步法相比，該方法具有如下優(yōu)點(diǎn)：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(jié)構(gòu)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(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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