基于CCD虚拟针孔探测的双轴共焦显微技术

双轴共焦显微技术具有独特的非共轴结构,与传统单轴共焦显微技术相比可利用较低数值孔径物镜实现较高的轴向分辨力,且具有工作距离大、信噪比高等优势。对基于CCD虚拟针孔(VPH)探测的双轴共焦显微成像系统的空间分辨特性进行了理论分析,并构建了相应的实验系统,对其轴向响应进行了实验验证。实验中照明物镜NAi=0.117,采集物镜NAc=0.106,θ=45°,得出系统轴向半高宽(FWHM)为2.63μm,比同等参数(NA=0.117)下单轴共焦显微系统的轴向FWHM高出约20倍。

基于数字微镜器件的三维轮廓测量及其性能分析

研究提出了一种基于数字微镜器件(digital micromirror device,DMD)的并行三维微-纳米轮廓测量方法。该方法将数字微镜器件与共焦测量方法相结合,用数字微镜器件及其控制器替代了传统共焦测量中的照明针孔和横向扫描机构,充分发挥DMD横向分辨率高,响应速度快,数字化以及便于计算机控制的优点,对传统共焦测量方法进行了结构上的改进,大大提高其扫描速度。一系列实验结果表明,数字微镜器件可以完全替代照明针孔,从而实现对样品表面快速,精确,大范围的三维测量。

高分辨力分光瞳差动共聚焦传感技术研究

为了提高现有共聚焦传感技术的轴向分辨力、实现微观形貌的高精度测量,在提出分光瞳差动共聚焦传感技术的基础上,对其关键参数优化理论进行了进一步研究,并研制了一种具有最优参数的分光瞳差动共聚焦显微传感器,其融合了分光瞳差动共聚焦显微技术和基于可编辑探测器件的虚拟针孔技术,利用探测区域偏移可使分光瞳共聚焦显微技术轴向特性曲线产生相移这一特性,沿特定方向在探测面上对称设置两个虚拟针孔,通过探测它们的强度响应并进行差动处理实现高轴向分辨力、高定位精度测量。对所研制的传感器进行了轴向响应特性及传感器非线性验证,给出了其轴向相对位移测量公式,还利用所研传感器对实际的高度标准样品进行了测量,经实验验证,所研传感器轴向分辨力可达5 nm,横向分辨力为0.82μm,为微细结构三维表面的高精度测量提供了一种新的传感技术及系统。

采用数字微镜的共焦显微镜的研制

研究了基于数字微镜器件(DMD)的多路并行共焦显微镜。利用DMD产生特定的图案对光源进行调制,形成多路并行共焦检测工作模式,其作用相当于虚拟针孔阵列,可以代替现有的并行扫描方式。采用DMD作为共焦系统的并行横向扫描方式,在不损失分辨率的前提下,大大提高了测量速度。系统中虚拟针孔的大小和周期等关键参数具有程序可控制性,能够根据不同的要求对样品进行测量。解决了分光棱镜内表面反射作用对共焦成像造成的干扰问题。设计了DMD横向扫描策略。对样机进行了测试实验,取得了系统的深度响应曲线,并且成功还原了被测物表面的微结构。

后置分光瞳激光差动共焦曲率半径测量

为了提高曲率半径的测量精度,提出后置分光瞳激光差动共焦曲率半径测量方法,研究了后置分光瞳差动共焦测量原理和虚拟针孔定位算法。在共焦测量系统的探测光路中通过D型光阑遮挡,使一半测量光束聚焦在焦面探测CCD,采用虚拟针孔定位算法对该CCD探测的艾里斑进行分割焦斑差动相减归一化探测,然后利用差动共焦曲线的零点对被测件的“共焦”位置和“猫眼”位置进行精确定焦并测得它们之间的距离,最终实现曲率半径的高精度测量。实验结果表明:该方法测量的曲率半径为-121.2094 mm,测量重复性优于5×10^(-6),无需根据测量物镜和被测镜的参数进行硬件调整,不仅满足曲率半径高精度测量的需求,还简化了光路结构,缩减了研制装调成本,为曲率半径的高精度、快速测量提供了新途径。

基于光程调制的多差动共聚焦显微技术研究

为解决传统共焦显微系统的分辨力与线性量程不能兼顾的问题,提出了基于变光程技术的多差动共焦显微技术,利用光程的调制在单探测光路中实现轴向响应曲线相对于焦平面的对称相移的方式,仅需要调整单一参数就可获得不同离焦量的响应曲线,实现具有绝对零点、线性度好的多差动光路系统,从而实现在同一系统中对高分辨力与大量程的兼容。该技术减少了元器件性能差异和人为装调误差,结构简单,提高了可靠性。实验表明:系统可兼顾分辨力与线性量程,轴向分辨力可达6.46nm。为微细结构的测量提供了一种精度高、结构简单、应用场合广泛的技术。