共焦显微系统中移焦探测方法研究

发布时间：2020-11-20 18:42

　　 随着现代微加工技术和光学超分辨技术的不断进步,微尺度空间三维测量与成像技术向着大量程、高精度和高效率三个大方向前进。空间三维测量主要包括像散法、激光三角法、扫描隧道显微镜、机械探针法、原子力显微镜以及共焦显微技术等。其中,共焦显微技术因具有三维层析能力、不损伤样品表面、可对活体细胞进行观察、测量范围较大等优点,被广泛应用于材料学、生物学、医学、MEMS等技术领域。为提高传统共焦系统的轴向分辨力并扩大测量范围,外差共焦原理被进一步提出,其中点探测器轴向对称移焦问题一直是该系统实现过程中的难点。本课题将光瞳滤波器技术与共焦显微系统相结合,通过对位相型光瞳滤波器进行结构设计使其具有移焦特性,从而得到一种可满足小型化要求的外差共焦系统;同时在进行光瞳设计时,将横向超分辨因子作为其评价参数之一,以保证系统在实现轴向移焦的同时具有横向超分辨效果。本课题“共焦显微系统中移焦探测方法研究”主要完成工作包括:(1)对共焦显微系统及光瞳滤波器相位调制特性进行了详细的理论分析,并针对软针孔等效硬针孔的前提条件进行分析,得出结论在满足成像透镜r_f3r_il_0/f_2的前提下,系统为理想点探测时,由软针孔结构引入的成像系统点扩展函数h_f将不会对共焦系统光强探测结果造成影响。(2)对光瞳优化效果评价参数的共焦系统测量影响情况进行了分析,给出了光瞳优化的约束条件,建立了光瞳优化模型,并利用遗传算法对位相型光瞳滤波器进行了结构优化设计,使其具有轴向移焦特性以及横向超分辨特性。(3)本课题利用空间光调制器模拟位相型光瞳滤波器在系统中的调制作用,为保证模拟效果,提出了一种基于菲涅耳透镜的空间光调制器相位图对准方法,以及一种基于杨氏干涉的空间光调制器相位调制特性测定方法。最后搭建了相关实验平台,对本课题所提出方法以及系统测量效果进行实验验证。实验结果表明:所提出的空间光调制器相位图对准方法可行,对准精度2.25μm,可满足课题要求;空间光调制器0-255灰度值的对应相位调制区间为0-1.5π,线性度为0.067;以平面镜为被测样品,测量物镜NA_1为0.4,收集物镜NA_2为0.25时,光瞳移焦量为5μm,外差共焦系统测量范围为±15μm,轴向分辨力为8nm,横向超分辨因子G_T为1.23。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TB96
【部分图文】：

价值被大大提高并引起了科研人员的重视，进而使得共焦显微技发展，开始广泛应用于微尺度三维测量、生命医学以及航天工业入到二十世纪九十年代后，共焦显微技术的应用和拓展愈加广泛发展，其在理论、应用和技术等方面都有了进一步创新，同时，维测量及超精密领域的发展，对于共焦显微系统超分辨方向的研深。为提高共焦显微系统的超分辨能力，科研人员将共焦技术与相结合，相继提出了 4Pi 共焦显微镜[31-33]、激光干涉共焦显微镜[微镜[36,37]、相位共轭镜法[38]以及环形二元滤波器法[39]等多种共焦992 年，欧洲分子生物实验室的 S. Hell 和 E.H.K. Stelzer 等人提出微镜[32]，该方法在传统共焦系统的基础上，将单照明臂扩展为双照微物镜位置对置共焦，并将被测样品放置于两个显微物镜的焦点该方法提高了显微物镜的等效数值孔径，并使得该 4Pi 共焦显微力相比于传统共焦显微镜提高了四倍，其系统原理图如图 1-1 所

图 1-2 差动共焦显微技术原理图004 年，清华大学的殷纯永教授和柳忠尧博士等人提出了双频干涉量系统（DICM）[41]和共光路外差干涉共焦显微测量系统（CHICM外差干涉测量、相位细分技术与共焦显微相结合，从而获得一种大测量范围的新型测量系统。后者在保持前者全部优点的基础上射透镜实现系统共光路设计，因此使得系统对于振动及温漂有较005 年，哈尔滨工业大学的邱丽荣博士构建了一种基于位相型光瞳超分辨外差共焦显微系统[43]。该系统将超分辨光瞳滤波器与外差合，通过位相型光瞳滤波器提高系统横向分辨力，外差共焦方法分辨力，从而获得一种具有三维分辨力的测量系统。其轴向分辨力辨力小于 0.2μm。010 年，哈尔滨工业大学的赵晨光博士提出了一种四通道同步移相成像技术，其结构原理如图 1-3 所示[44]。该方法将外差共焦技术术相结合，使得该测量系统在保证较高分辨力的同时具有较长工

A B C D45°快轴SP22.5°快轴P激光器QWP3PBS2BSPBS3(0)( ) ( /2) (3 /2)CCD准焦位置单模光纤图 1-3 四通道同步移相干涉共焦显微成像原理图 年，赵维谦教授提出了激光分光瞳差动共焦传感技术，其系示[45]。该系统将激光分光瞳共焦显微系统与差动共焦技术相针孔技术实现光斑分割及两路差动信号检测，并通过调整孔大小实现系统的轴向超分辨和降噪效果，经实验表明，该向分辨力以及较强的抗干扰能力。
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本文编号：2891826