基于微透镜阵列的多光束共焦成像系统若干问题的研究-仪器仪表工程专业论文.docx

Classified Index: TH741.8 U.D.C.: 681.7 Dissertation for the Master Degree in Engineering RESEARCHES ON PARALLEL CONFOCAL IMAGING SYSTEM WITH MICRO-LENS ARRAY Candidate： Yin Ke Supervisor： Associate Prof. Huang Xiangdong Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Instrument and Meter Engineering Affiliation： Department of Automatic Measurement and Control Date of Oral Examination： June, 2013 University： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文 摘 要 更高的测量精度、更大的测量范围、更高的测量效率一直是测量技术人员所 追求的奥林匹克目标。共焦显微测量技术作为一种应用广泛的三维显微测量技术， 已经有了几十年的发展，测量精度与测量范围都已经了长足的进步，但传统单点 扫描式共焦成像方式，为了完成一次三维测量，需要在三维空间进行逐点扫描来 重建三维图像，导致成像速度相较于其他三维显微测量方式存在明显不足,因此在 单点扫描式共焦成像系统的基础上，发展出了一种基于微透镜阵列的并行共焦成 像系统。目前的并行共焦成像系统中，面临着以下两个问题：1）现有的针孔探测 方式容易受到样品照明光强漂移或扰动、反射率变化影响，限制了共焦成像技术 的应用领域。2）依照目前的制作工艺，在保证光学性能的前提下，对于微透镜的 密度提升遇到了一定的瓶颈。以上已经成为并行共焦测量系统的需要解决的问题。 本课题为“基于微透镜阵列的多光束共焦成像系统若干问题的研究”，针对以 上提出的两个问题，通过理论建模，计算机仿真分析并设计搭建实验系统等多种 研究方式，通过改变探测输出方式来解决问题 1，通过改变照明方式来解决问题 2.本文的研究成果能够为并行共焦成像技术的改进提供一定的借鉴，在生命科学、 半导体工业制造与检测、微机械加工等方面存在广泛的应用前景。 本课题的主要研究内容如下： 1. 提出了一种双区域针孔输出探测方法。该方法对接收器上的探测光斑进行 区域分割，以光斑最大值为圆心，划分为同心的光斑中心区域与环带区域，以二 者光强的比值代替传统共焦测量系统的中心区域光强，作为共焦探测器的输出。 本课题从理论上分析了双区域针孔探测的特点，通过计算机仿真分析得出：在适 当的参数下双区域针孔探测方式具备更小的轴向响应曲线半高宽（FWHM，full width at half maximum）,特别的，在准焦面附近，相较于普通共焦成像方式，具备 更高的轴向探测灵敏度，能够更精确地确定焦平面位置。同时双区域针孔输出探 测方式，输出结果与输入光强、样品表面反射率无关，能够抑制系统中的激光器 光强漂移及提升对样品的适用性。 2. 提出了一种以分数泰伯像面照明的方法。本课题所采用的微透镜阵列作为 一种典型的周期透过率物体，在相干光源照明下，在准焦面后一系列特殊位置上， 会依次出现光斑阵列。利用光斑阵列的周期缩小的特性，采用 1/2 分数泰伯像面代 替微透镜阵列准焦面做照明面，空间采样间隔提升为原来的 1/2，照明密度提升为 原来的 4 倍。 最后为了验证所提出的方法和理论的正确性和有效性，搭建了相关的实验平 台，通过设计相关实验，对实验平台的性能进行了测试与研究。实验结果表明： -I- 1)双区域针孔探测方式，在采用 CCD 做探测器，NA=0.45 探测物镜下，0.1NA 收 集物镜，照明波长 λ 为 632.8nm，在准焦面偏移 200nm 位置，能够实现 10nm 的轴 向测量分辨力，此时普通针孔输出已经无法分辨。2）实验条件不变，双区域针孔 探测方法轴向响应曲线的半高宽 FWHM 最小为 2μm,相较于普通针孔输出方式最 小 3.6μm 下降了 44%。3）双区域针孔探测方式也表现了对激光器漂移的抑制作用。 4）采用 1/2 分数泰伯像面照明，探测光斑的间距变为原来的 1/2,光斑密度变为原 来的 4 倍，同时各个光斑的轴向响应一致性也得到了优化，同时在 1/2 分数泰伯像 面中采用双区域针孔探测方式，也能明显压缩系统的轴向响应曲线 FWHM。 关键词：共焦；双区域针孔探测；轴向探测灵敏度；分数泰伯效应；并行照 明 -II- - - PAGE VI- Ab