基于微透鏡陣列的多光束共焦成像系統(tǒng)若干問題的研究.pdf

1、更高的測(cè)量精度、更大的測(cè)量范圍、更高的測(cè)量效率一直是測(cè)量技術(shù)人員所追求的奧林匹克目標(biāo)。共焦顯微測(cè)量技術(shù)作為一種應(yīng)用廣泛的三維顯微測(cè)量技術(shù),已經(jīng)有了幾十年的發(fā)展,測(cè)量精度與測(cè)量范圍都已經(jīng)了長(zhǎng)足的進(jìn)步,但傳統(tǒng)單點(diǎn)掃描式共焦成像方式,為了完成一次三維測(cè)量,需要在三維空間進(jìn)行逐點(diǎn)掃描來重建三維圖像,導(dǎo)致成像速度相較于其他三維顯微測(cè)量方式存在明顯不足,因此在單點(diǎn)掃描式共焦成像系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,發(fā)展出了一種基于微透鏡陣列的并行共焦成像系統(tǒng)。目前的并行共

2、焦成像系統(tǒng)中,面臨著以下兩個(gè)問題:1)現(xiàn)有的針孔探測(cè)方式容易受到樣品照明光強(qiáng)漂移或擾動(dòng)、反射率變化影響,限制了共焦成像技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。2)依照目前的制作工藝,在保證光學(xué)性能的前提下,對(duì)于微透鏡的密度提升遇到了一定的瓶頸。以上已經(jīng)成為并行共焦測(cè)量系統(tǒng)的需要解決的問題。
　　本課題為“基于微透鏡陣列的多光束共焦成像系統(tǒng)若干問題的研究”,針對(duì)以上提出的兩個(gè)問題,通過理論建模,計(jì)算機(jī)仿真分析并設(shè)計(jì)搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)等多種研究方式,通過改變探測(cè)輸

3、出方式來解決問題1,通過改變照明方式來解決問題2.本文的研究成果能夠?yàn)椴⑿泄步钩上窦夹g(shù)的改進(jìn)提供一定的借鑒,在生命科學(xué)、半導(dǎo)體工業(yè)制造與檢測(cè)、微機(jī)械加工等方面存在廣泛的應(yīng)用前景。
　　本課題的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1.提出了一種雙區(qū)域針孔輸出探測(cè)方法。該方法對(duì)接收器上的探測(cè)光斑進(jìn)行區(qū)域分割,以光斑最大值為圓心,劃分為同心的光斑中心區(qū)域與環(huán)帶區(qū)域,以二者光強(qiáng)的比值代替?zhèn)鹘y(tǒng)共焦測(cè)量系統(tǒng)的中心區(qū)域光強(qiáng),作為共焦探測(cè)器的輸出。本課

4、題從理論上分析了雙區(qū)域針孔探測(cè)的特點(diǎn),通過計(jì)算機(jī)仿真分析得出:在適當(dāng)?shù)膮?shù)下雙區(qū)域針孔探測(cè)方式具備更小的軸向響應(yīng)曲線半高寬(FWHM,fullwidthathalfmaximum),特別的,在準(zhǔn)焦面附近,相較于普通共焦成像方式,具備更高的軸向探測(cè)靈敏度,能夠更精確地確定焦平面位置。同時(shí)雙區(qū)域針孔輸出探測(cè)方式,輸出結(jié)果與輸入光強(qiáng)、樣品表面反射率無關(guān),能夠抑制系統(tǒng)中的激光器光強(qiáng)漂移及提升對(duì)樣品的適用性。
　　2.提出了一種以分?jǐn)?shù)泰伯像

5、面照明的方法。本課題所采用的微透鏡陣列作為一種典型的周期透過率物體,在相干光源照明下,在準(zhǔn)焦面后一系列特殊位置上,會(huì)依次出現(xiàn)光斑陣列。利用光斑陣列的周期縮小的特性,采用1/2分?jǐn)?shù)泰伯像面代替微透鏡陣列準(zhǔn)焦面做照明面,空間采樣間隔提升為原來的1/2,照明密度提升為原來的4倍。
　　最后為了驗(yàn)證所提出的方法和理論的正確性和有效性,搭建了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái),通過設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn),對(duì)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的性能進(jìn)行了測(cè)試與研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:1)雙區(qū)域針孔探測(cè)

6、方式,在采用CCD做探測(cè)器,NA=0.45探測(cè)物鏡下,0.1NA收集物鏡,照明波長(zhǎng)λ為632.8nm,在準(zhǔn)焦面偏移200nm位置,能夠?qū)崿F(xiàn)10nm的軸向測(cè)量分辨力,此時(shí)普通針孔輸出已經(jīng)無法分辨。2)實(shí)驗(yàn)條件不變,雙區(qū)域針孔探測(cè)方法軸向響應(yīng)曲線的半高寬FWHM最小為2μm,相較于普通針孔輸出方式最小3.6μm下降了44％。3)雙區(qū)域針孔探測(cè)方式也表現(xiàn)了對(duì)激光器漂移的抑制作用。4)采用1/2分?jǐn)?shù)泰伯像面照明,探測(cè)光斑的間距變?yōu)樵瓉淼?/2,