数字同轴全息3D形貌检测

发布时间：2020-10-26 04:31

　　 微纳元件在微电子、光通信、天文学、计量学、结构生物学等前沿科学领域得到广泛应用,对国防科技以及国民经济有着不可替代的价值,对推动科技创新与社会发展有着重要意义。高精度的微纳元件3D形貌检测技术是加工精度的依据和保障,也是微纳加工技术发展的基础和前提。光学检测方法采用非接触式测量,具有测量速度快、精度高等优点。然而大多采用扫描式计算成像,实际精度受到工件台位移影响,系统结构复杂,以及对环境测量环境要求高。数字全息术作为一门正在蓬勃发展的光学分支为检测领域提供了一种新的解决途径。数字同轴全息采用图像传感器作为记录介质,直接记录干涉图样并存储在计算机中,通过模拟计算再现过程,获取物光波的振幅和相位分布。其光路结构简单、记录和再现灵活,成像速度快,以及非接触、大视场对医学、生命科学、材料科学具有重要的支撑作用。本文对数字同轴全息术展开全面的研究,从理论推导、仿真分析、实验验证,探索一种新型的显微成像系统。首先从数字全息术浅析数字同轴全息的优点,简述当前的研究热点以及应用。重点叙述数字同轴全息的理论推导与仿真,包括衍射的角谱理论和菲涅耳傍轴近似,并从成像质量、分辨率两个方面介绍几种常用的提高方法。紧接着对重建算法进行改进,利用相称全息图进行复原。并提出在光路中引入衍射光学元件波带片,将入射光分成沿原始传播方向的零级光和汇聚的一级光。零级光作为参考光波透过被测物,一级光照明被测物得到散射的物光波。两束光波在轴向上分离形成微分干涉数字全息,将实像和孪生像分离。再借助重建算法对距离的敏感性,使孪生像消失于背景之中。接下来数字同轴全息实验分别从小孔光源、传统点源、微分干涉三个方面进行理论验证,并提出利用激光扩束镜、物镜、小孔阵列构建均匀球面波产生光路,通过匹配小孔与光斑尺寸的方式生成均匀球面波,得到高质量成像结果。最后结合机械设计、硬件电路、软件设计形成一套全新的数字同轴全息3D形貌检测系统,并用生物样品对系统的显微成像能力进行验证。结果证明该套成像系统分辨率高、视场范围大、测量速度快,具有广阔的应用前景。
【学位单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN26;TP391.41
【部分图文】：

技术单块靶面可以做到千万像素量级。计算机模拟光波的将会延长。利用 GPU 强大的并行计算和硬件加速能力，会大大缩短[78-83]。字全息技术的数字化过程可以在测量完成之后逐一实现。录物体动态变化过程并存储于计算机中，而后再根据时间体的变化过程。另一方面，伴随着传感器的进步，计算机，采用高性能计算机将缩短全息图的再现时间。同轴全息与离轴全息 首次提出的全息术即是应用最广泛的小孔球面波数字同轴构如图 1.1 所示，激光透过小孔之后形成一个点源球面波测物之后分成两个部分，其一是透过被测物的参考波，其波[12, 84]。

第 1 章 绪论参考波与散射波在菲涅耳衍射区形成干涉全息图，由图像传感器采集，再经过计算机模拟光波的传播再现物象。小孔的直径与波长大小相当时，激光透过小孔形成的点源球面波质量最好。然而可见光波长均在纳米量级，若要制造超高精度的小孔，对加工工艺有着极高的要求。采用平面波入射的方式，不受加工精度的影响，但光波的均匀性与全息图的成像质量密切相关，对光源质量要求较高[54, 85, 86]。如图 1.2 为简化的平面波数字同轴全息光路，沿原始方向传播的透射光为参考光，物体的散射光为物光，形成的干涉图样也即全息图由图像传感器数字化存储在计算机中。

图 1. 3 全息图再现Figure 1.3 Hologram reconstruction离轴全息是将参考光波与物体散射光波分离，在传播方向上的某个确切位置形成干涉条纹。如图 1.4 所示，参考光与物光分离构成一定的夹角，形成的全息图包含角度信息，重构时实像、虚像沿不同方向传播，达到分离目的。
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本文编号：2856496