發(fā)布時間：2018-02-28 11:43

  本文關(guān)鍵詞： 三維顯微成像技術(shù) 兩步移相寬場結(jié)構(gòu)光照明 中介層散射 曲面光學(xué)元件表面　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：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:(1)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,可實現(xiàn)曲面光學(xué)元件表面三維形狀的快速寬場三維成像。(3)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)。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(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。(4)基于上述分析和所提出的方法,設(shè)計并研制了寬場結(jié)構(gòu)光照明顯微成像系統(tǒng)。在搭建的實驗系統(tǒng)上測試了微柱面鏡元件,驗證了所提出的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和兩步法的有效性。實驗結(jié)果表明兩步法三維成像結(jié)果可避免三步法中的帶狀偽信息,物鏡數(shù)值孔徑為0.25時,微柱面鏡表面可成像傾角48.94°,是等數(shù)值孔徑傳統(tǒng)光學(xué)成像時理論極限的3.38倍。基于中介層散射的結(jié)構(gòu)光照明顯微成像方法可實現(xiàn)曲面光學(xué)元件表面成像,且兩步法條紋解算效果優(yōu)于三步法。
[Abstract]:This paper presents a three - dimensional microscopic imaging method of wide - field structured light illumination based on the surface of optical element . ( 4 ) Based on the above analysis and the proposed method , the micro - cylindrical mirror element is designed and developed . The micro - cylindrical mirror element is tested on the experimental system . The results show that the three - dimensional microscopic imaging method and the two - step method of the wide - field structured light illumination based on the scattering of the intermediate layer can avoid the strip - shaped pseudo - information in the three - step method . The surface of the micro - cylindrical mirror can be imaged at a angle of 48.94 擄 when the numerical aperture of the objective lens is 0.25 . The surface imaging of the curved optical element can be realized by the method of apparent micro - imaging of the structure illumination based on the scattering of the medium layer . The two - step method has better effect than the three - step method .

【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP391.41

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本文編號：1547168