多光束共焦三维测量系统误差的标定及校正

由于具有非接触、精度高、测量速度快的特点 ,多光束共焦测量已经成为一种重要的光学三维测量手段。文章分析了系统中存在的像差 ,并对第二类像差 (焦平面弯曲 )提出了测量和标定的方法 ,即通过测量平面镜来获取系统误差 ,通过对测量结果的球面拟合来进行标定 ,利用标定值即可进行系统误差的校正。采用此种方法可简化光学系统设计 ,降低系统制造费用。最后给出了试验的结果。

基于针孔阵列的多光束共焦三维测量系统

提出了一种基于 5 0 0× 5 0 0的针孔阵列的多光束共焦三维测量系统 ,该系统具有测量视场大 ,测量速度快 。

多光束共焦测量系统有效采样点的标定

建立了多光束共焦测量系统实验装置 ,应用数字图像处理方法解决了测量系统有效采样点的标定问题 。

光纤式色散共焦三维测量系统及算法比较研究

利用Zemax优化设计了结构简单、低成本的非球面色散镜组,搭建了光纤式色散共焦三维测量软硬件系统。结合实验测试数据定量比较了峰值法、质心法、高斯拟合法和样条插值法的色散共焦光谱响应峰值波长提取性能,通过轴向分辨率和位移精度测试实验对比分析了两种测量曲线标定方法对于系统测量性能的影响。实验结果表明:系统轴向测量范围为1 mm,高斯拟合法在四种峰值波长提取算法中精度较高且适应性更好,两种标定方法对应的轴向分辨率均达到0.2μm,在整个量程范围内,位移测量精度优于1%;对厚度为0.219 mm的石英玻璃进行测量,均值的相对误差为0.5%。利用该系统实际测量了台阶结构、柔性电极和MEMS器件的三维形貌,充分验证了本系统可实际应用于三维微观形貌和透明材料厚度的高精度测量。

基于并行共聚焦显微系统的物方差动轴向测量

差动共聚焦显微成像技术可以获得很高的轴向测量精度,然而已有的差动共聚焦测量技术主要适用于激光扫描共聚焦,还不能满足微纳加工过程中对工件进行非接触式的在线、在位测量的要求。本文在分析差动共聚焦显微成像系统能够实现轴向测量原理的基础上,提出了适用于并行共聚焦技术的轴向测量方法。该方法利用均匀白光照明,在像方只需要使用一台相机做探测器,在物方通过移动载物台分别对样品在焦前和焦后两次成像,根据预先刻度好的差动曲线就可以得出物体表面的高度。理论模拟与实验结果均表明,该方法可以实现高精度的轴向测量,对500nm的台阶样品测量的平均误差为2.9nm,相对误差为0.58%。该方法简单、廉价、测量精度高,可以用于普通显微镜,易于实现样品的三维快速形貌还原与测量。

利用共焦成像原理实现微米级的三维轮廓测量

以普通光学成像透镜取代显微物镜 ,以针孔阵列 (5 0 0× 5 0 0 )取代单针孔 ,实现了全场并行共焦测量 .在数据处理上 ,采用了内插值三维重构算法 ,以及二次曲面拟合的系统误差校正算法 ,可以在较大的采样间距下获取较高的测量精度 .实验表明 ,系统的最大横向测量范围为 5mm× 5mm ,横向测量精度约为 13μm ,纵向测量精度约为 5 μm ,因此可大大提高测量视场及测量速度 .

单光源双光路激光并行共焦测量系统设计

针对传统激光并行共焦测量过程中存在的泰伯效应,提出将数字微镜器件(DMD)引入激光并行共焦测量系统来正确辨识正焦面的位置。采用了DMD作为光分束器件,从理论上验证了它是一种投影式的阵列光源,对激光分束后不会在光路方向上产生泰伯像;同时,考虑DMD不能对分束后的光线产生会聚作用,并非高效的并行光源分束器件,本文将DMD与微透镜阵列(MLA)结合构建了单光源双光路并行共焦测量系统。该系统利用DMD光路探测正焦面位置,利用微透镜阵列光路进行精确的共焦测量。实验结果表明,两种光路下的正焦面位置仅相差2μm,在一个泰伯间距范围之内,可以较好地克服泰伯效应对激光并行共焦测量的影响,进而保证较高精度的并行共焦测量。

以激光共聚焦图像三维重建技术研究小胶质细胞与神经系统其他类型细胞的关系及相互作用

目的观察小胶质细胞在静息和活化状态下与中枢神经系统其他细胞类型的空间位置关系和相互作用。方法雄性C57BL/6小鼠,纹状体内注射秋水仙碱建立神经元损伤模型。采用免疫荧光染色,激光共聚焦和细胞三维成像技术进行形态学观察。结果黑质致密部中脑脑片可见典型的多巴胺神经元形态,小胶质细胞呈典型的静息状态。静息状态下,小胶质细胞有多级分支,环绕星形胶质细胞的胞体;星形胶质细胞呈梭形,突起细长,细胞核较小。结论小胶质细胞与神经元,髓鞘存在密切接触,与星形胶质细胞之间存在交互性连接。

高斯光束对三维共焦扫描成像的影响

应用传递函数方法研究了高斯光束对三维共焦扫描成像的影响.计算与分析表明,光束的束腰半径越小,三维成像时横向和轴向的截尾空间频率都减小,成像品质下降,分辨率降低.当束腰半径2倍于光瞳半径以上时,成像质量几乎不受高斯光束的影响.焦平面上的二维传递函数的分析和计算也有相类似的结果.

基于差动共焦的倾角测量传感器

为了解决传统激光差动共焦显微镜(LDCM)无法在测距的同时,进行高精度倾斜角度测量的问题,提出了一种基于差动共焦的倾角测量传感器。在对倾斜表面进行测量时,该传感器首先利用轴向扫描获取的差动响应信号精准定位其焦点位置,然后分析显微镜光瞳面场强分布并提取光斑图像的峰值位置,从而实现对倾角的精准测量。首先,建立聚焦光束经倾斜待测面反射后的光场分布模型,对不同倾斜角度下显微镜光瞳面的场强分布情况进行分析。然后,在分析倾斜光斑特征的基础上,提出了采用改进Meanshift算法进行光斑峰值位置提取的方法。最后,通过实验验证了传感器对倾角测量的有效性。实验结果表明,传感器对倾斜程度(0~8°)测量平均误差为0.011°,对倾斜方向(0~360°)的测量平均误差为0.128°,能够满足利用差动共焦非接触光学探针对三维表面进行检测的过程中,对待测表面倾斜角度测量的要求。该传感器为自由曲面的高精度轮廓测量提供了一种新的方法。

利用狭缝的共焦测量系统

提出了利用狭缝进行三维轮廓测量的共焦测量方法 ,应用数字图像处理的方法解决了测量中的有效点标定问题 。

荧光相关光谱-三维扫描共焦荧光成像联用系统研究及生物应用

单细胞分析通过对单个细胞发生的生物、化学过程进行动态跟踪，实现原位、实时分析，进而阐释生命现象的奥秘。但是由于细胞体积小，细胞内成分复杂，现有的原位分析法干扰严重等问题，单、（活）细胞分析仍然是一个具有挑战的课题。

激光差动共焦反射式超大曲率半径测量系统研制

针对球面超大曲率半径测量中存在的测量精度低、抗环境干扰能力差的难题,研制了一套激光差动共焦反射式超大曲率半径测量系统。该系统采用反射式测量光路,利用差动共焦响应曲线对被测件的猫眼和反射位置进行高精度定位,并用测长干涉仪记录位置信息,最后结合物镜顶焦距解算出超大曲率半径值。理论分析与实验表明,该系统定焦精度高,测量范围大,抗环境干扰能力强,相对测量误差优于2×10^-4,-15 m超大曲率半径测量结果的重复性可达1.2×10^-4,实现了超大曲率半径的高精度测量。

基于点阵光谱共焦的盲孔自动化三维测量

针对微小机器盲孔,传统的测量仪器和接触式测量方法难以满足高精密测量的要求,因此为了实现盲孔的非接触式的高精密自动化测量,论文提出了基于点阵光谱共焦传感器的盲孔三维测量方案,利用Qt作为界面开发工具,设计了基于点阵光谱共焦传感器的三维测量系统。首先通过点阵光谱共焦配合三轴移动平台对盲孔实现扫描式采集数据,并转化为三维点云数据;然后对点云数据进行去噪、横纵向切线获取的处理,最后通过去噪后的点云数据进行尺寸信息提取。实验结果表明,论文设计的三维测量系统和测量方案能够实现对微小机器盲孔的自动化测量,并且检测精度小于5μm,检测准确率高达99%以上,具有很高的实用价值。

并行共焦测量中的并行光源技术综述

并行共焦测量技术的核心是将单点共焦测量变成多点同时扫描测量,从而使共焦测量速度显著提高。本文介绍了共焦测量技术原理,综述了用于并行共焦的并行光源技术,分析了这些方法的优点和不足。结合作者近年来的研究成果,重点阐述了基于微透镜阵列和数字微镜器件(DMD)产生并行光源的新方法。分析和研究了DMD的空间光调制机理,最终建立了一种单光源双光路并行像散共焦测量系统。

激光共焦扫描显微镜在微机电系统中的应用

研究了激光共焦扫描显微镜(LSCM)在微结构分析中的应用,综述了该项应用的优势。LSCM的高分辨率和光强调节功能,使其可用于大角度测量;与图像处理系统相结合,便于微结构的定性和定量分析;而全自动样片台沿X轴和Y轴的自动扫描实现了图像的拼接功能。实验结果表明:运用LSCM测量的斜面最大角度至少可以达到50°;在悬臂梁的形貌分析中,可获得清晰的三维形貌,同时通过二维定量分析精确测得其形变为3.145μm;在100×物镜下,运用拼接功能获得384μm×288μm的视场面积,解决了高放大倍数下,在单帧显微图像中无法获取所观测对象全貌的问题。LSCM在微结构分析中的应用弥补了其它形貌分析设备测量功能上的不足,提升了微机电系统的测试水平。

采用变焦液体透镜的共焦检测系统的设计与仿真

共焦显微技术越来越广泛地应用于微机电系统和半导体器件的三维轮廓测量。设计一种新型采用变焦透镜作为轴向扫描方式的共焦显微系统,利用变焦透镜的焦距变化来代替传统的轴向位移扫描。系统实现了无机械运动的轴向扫描,消除了传统共焦系统中由位移台移动带来的振动,不仅减小了系统的复杂度,而且降低了成本。进一步设计了基于位移台和变焦透镜的两种共焦检测系统,并且对其进行了仿真实验。实验结果表明:基于位移台和基于变焦透镜的共焦系统的聚焦成像和离焦成像结果类似,并且光强的轴向分布曲线也基本相同,表明此方法可行。

激光差动共焦曲率半径测量不确定度评定

曲率半径是球面光学元件中的重要参数之一,曲率半径的高精度测量已经成为光学元件使用与加工中的一个关键问题。提出了基于差动共焦法的曲率半径测量方法,研制了1套激光差动共焦曲率半径测量系统,并对2组曲率半径测量结果进行不确定度评定。结果表明,2组曲率半径的测量值均与标称值吻合,其相对误差为0.001 15%,两组测量数据的标准不确定度均优于3.211 11×10-4 mm。

用球面共焦Fabry-Perot干涉仪测量微振动

介绍一种光学非接触测量超微振动的方法 ,利用球面共焦 Fabry- Perot干涉仪设计了微振动测量系统 .与传统的测量方法相比 ,该系统具有非接触、高灵敏度、高频响、高空间分辨率等特点 ,便于实现连续、快速、自动化检测 ;根据实验要求 ,设计了腔长 0 .5 m、带宽5 .9MHz的 Fabry- Perot干涉仪 ,并组成测量系统 ;通过实验 ,检测出 5 MHz脉冲压电换能器产生的微振动波形 ;为了克服环境噪声对测量系统的影响 ,采用自动稳腔长的方法 。