微納元件在微電子、光通信、天文學(xué)、計(jì)量學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)等前沿科學(xué)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,對(duì)國防科技以及國民經(jīng)濟(jì)有著不可替代的價(jià)值,對(duì)推動(dòng)科技創(chuàng)新與社會(huì)發(fā)展有著重要意義。高精度的微納元件3D形貌檢測技術(shù)是加工精度的依據(jù)和保障,也是微納加工技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和前提。光學(xué)檢測方法采用非接觸式測量,具有測量速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。然而大多采用掃描式計(jì)算成像,實(shí)際精度受到工件臺(tái)位移影響,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,以及對(duì)環(huán)境測量環(huán)境要求高。數(shù)字全息術(shù)作為一門正在蓬勃發(fā)展的光學(xué)分支為檢測領(lǐng)域提供了一種新的解決途徑。數(shù)字同軸全息采用圖像傳感器作為記錄介質(zhì),直接記錄干涉圖樣并存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中,通過模擬計(jì)算再現(xiàn)過程,獲取物光波的振幅和相位分布。其光路結(jié)構(gòu)簡單、記錄和再現(xiàn)靈活,成像速度快,以及非接觸、大視場對(duì)醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)具有重要的支撐作用。本文對(duì)數(shù)字同軸全息術(shù)展開全面的研究,從理論推導(dǎo)、仿真分析、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,探索一種新型的顯微成像系統(tǒng)。首先從數(shù)字全息術(shù)淺析數(shù)字同軸全息的優(yōu)點(diǎn),簡述當(dāng)前的研究熱點(diǎn)以及應(yīng)用。重點(diǎn)敘述數(shù)字同軸全息的理論推導(dǎo)與仿真,包括衍射的角譜理論和菲涅耳傍軸近似,并從成像質(zhì)量、分辨率兩個(gè)方面介紹幾種常用的提高方法。緊接著對(duì)重建算法進(jìn)行改進(jìn),利用相稱全息圖進(jìn)行復(fù)原。并提出在光路中引入衍射光學(xué)元件波帶片,將入射光分成沿原始傳播方向的零級(jí)光和匯聚的一級(jí)光。零級(jí)光作為參考光波透過被測物,一級(jí)光照明被測物得到散射的物光波。兩束光波在軸向上分離形成微分干涉數(shù)字全息,將實(shí)像和孿生像分離。再借助重建算法對(duì)距離的敏感性,使孿生像消失于背景之中。接下來數(shù)字同軸全息實(shí)驗(yàn)分別從小孔光源、傳統(tǒng)點(diǎn)源、微分干涉三個(gè)方面進(jìn)行理論驗(yàn)證,并提出利用激光擴(kuò)束鏡、物鏡、小孔陣列構(gòu)建均勻球面波產(chǎn)生光路,通過匹配小孔與光斑尺寸的方式生成均勻球面波,得到高質(zhì)量成像結(jié)果。最后結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)、硬件電路、軟件設(shè)計(jì)形成一套全新的數(shù)字同軸全息3D形貌檢測系統(tǒng),并用生物樣品對(duì)系統(tǒng)的顯微成像能力進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果證明該套成像系統(tǒng)分辨率高、視場范圍大、測量速度快,具有廣闊的應(yīng)用前景。
【學(xué)位單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN26;TP391.41
【部分圖文】：

技術(shù)單塊靶面可以做到千萬像素量級(jí)。計(jì)算機(jī)模擬光波的將會(huì)延長。利用 GPU 強(qiáng)大的并行計(jì)算和硬件加速能力，會(huì)大大縮短[78-83]。字全息技術(shù)的數(shù)字化過程可以在測量完成之后逐一實(shí)現(xiàn)。錄物體動(dòng)態(tài)變化過程并存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)中，而后再根據(jù)時(shí)間體的變化過程。另一方面，伴隨著傳感器的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)，采用高性能計(jì)算機(jī)將縮短全息圖的再現(xiàn)時(shí)間。同軸全息與離軸全息 首次提出的全息術(shù)即是應(yīng)用最廣泛的小孔球面波數(shù)字同軸構(gòu)如圖 1.1 所示，激光透過小孔之后形成一個(gè)點(diǎn)源球面波測物之后分成兩個(gè)部分，其一是透過被測物的參考波，其波[12, 84]。

第 1 章 緒論參考波與散射波在菲涅耳衍射區(qū)形成干涉全息圖，由圖像傳感器采集，再經(jīng)過計(jì)算機(jī)模擬光波的傳播再現(xiàn)物象。小孔的直徑與波長大小相當(dāng)時(shí)，激光透過小孔形成的點(diǎn)源球面波質(zhì)量最好。然而可見光波長均在納米量級(jí)，若要制造超高精度的小孔，對(duì)加工工藝有著極高的要求。采用平面波入射的方式，不受加工精度的影響，但光波的均勻性與全息圖的成像質(zhì)量密切相關(guān)，對(duì)光源質(zhì)量要求較高[54, 85, 86]。如圖 1.2 為簡化的平面波數(shù)字同軸全息光路，沿原始方向傳播的透射光為參考光，物體的散射光為物光，形成的干涉圖樣也即全息圖由圖像傳感器數(shù)字化存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中。

圖 1. 3 全息圖再現(xiàn)Figure 1.3 Hologram reconstruction離軸全息是將參考光波與物體散射光波分離，在傳播方向上的某個(gè)確切位置形成干涉條紋。如圖 1.4 所示，參考光與物光分離構(gòu)成一定的夾角，形成的全息圖包含角度信息，重構(gòu)時(shí)實(shí)像、虛像沿不同方向傳播，達(dá)到分離目的。
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