并行差动共焦轴向测量宽场误差修正方法
发布时间：2021-04-10 10:15
并行差动共焦三维成像方法通过将照明光分割为多光束,实现多点并行探测,解决了传统差动共焦成像中逐点扫描导致的成像效率偏低的问题,是一种理想的快速高精度三维成像方法。然而,在并行差动共焦检测过程中,系统光照不均和光学成像系统的场曲都会引起测量误差。分析了宽场成像过程中不可避免的光照不均及光学系统场曲等因素对并行差动共焦轴向测量的影响,提出了一种宽场误差的修正方法,建立了并行差动共焦轴向测量宽场误差修正的理论模型。实验证明,该方法可以有效地抑制系统光照不均对测量结果的影响,并且校正了光学成像系统场曲等引起的轴向测量误差,保证了并行差动共焦纳米量级轴向测量准确度在全视场范围内的普适性。该方法实施过程简便,适用于其他并行共焦检测方法的误差修正。
【文章来源】：光学学报. 2020,40(20)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
并行差动共焦轴向测量方法原理示意图
光强差动响应曲线如图2所示。由图2可知,光强差动响应曲线(黑实线)存在一段线性区(虚线框区域),通过对线性区进行线性函数拟合,标定光强差ID(z)与轴向离焦量z的关系(下文称为“轴向测量曲线”),即可通过光强差确定样品的轴向高度。相比传统共焦显微技术通过定位轴向光强响应曲线峰值来实现样品的轴向测量,差动共焦轴向测量方法通过线性函数计算避免了峰值提取算法的复杂问题,同时光强差动响应曲线线性区的斜率远大于轴向光强响应曲线峰值附近的斜率,光强差动响应曲线线性区对轴向位置的灵敏度更高,能实现更高的轴向测量精度和分辨率。另外,差动轴向测量方法避免了光强峰值法的纵向层层扫描过程,效率更高,通过多点并行测量即可实现微观三维形貌的快速还原。
现有的并行物方差动共焦轴向测量曲线的标定方法为单点标定法,具体如图3所示,主要分为以下几个步骤:1)以平面反射镜为样本获取样品的参考焦面;2)分别将载物台移动至焦前面P+zd和焦后面P-zd处,通过DMD将光源调制成一个像素的点光源,通过压电陶瓷电机(Piezoelectric ceramic motor)驱动物镜作行程为z,步进为Δz的轴向扫描,共获取z/Δz帧图像;3)以每帧图像点光源光斑的最大灰度值作为光斑光强,分别绘制焦前面P+zd和焦后面P-zd的轴向光强响应曲线I(z+zd)与I(z-zd);4)利用I(z+zd)与I(z-zd)的差获取光强差动响应曲线ID(z),并对其线性区进行线性函数拟合,即可获得轴向测量曲线D(z)。2.2 并行差动共焦轴向测量结果与分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]抗干扰并行物方差动轴向的高精度三维形貌测量[J]. 朱星星,易定容,叶一青,孔令华,刘志群. 光学学报. 2020(04)
[2]三维表面粗糙度测量方法综述[J]. 何宝凤,丁思源,魏翠娥,刘柄显,石照耀. 光学精密工程. 2019(01)
[3]结构光照明并行物方差动快速测量方法研究[J]. 刘志群,易定容,孔令华,王文琪,刘婷. 仪器仪表学报. 2017(12)
[4]基于数字微镜器件并行共焦成像的光点阵列优化[J]. 朱茜,杨西斌,李思黾,李辉,王驰,刘首鹏,简俊明,熊大曦. 光学学报. 2018(01)
[5]基于并行共聚焦显微系统的物方差动轴向测量[J]. 刘志群,易定容,孔令华,张勇贞,刘婷,王梓. 光学精密工程. 2017(06)
[6]并行共焦测量中的并行光源技术综述[J]. 余卿,余晓芬,崔长彩,叶瑞芳,范伟. 中国光学. 2013(05)
[7]并行共焦显微检测技术及其研究进展[J]. 涂龙,余锦,樊仲维,边强,葛文琦,刘洋,张雪,黄科,聂树真,李晗,貊泽强. 激光与光电子学进展. 2012(08)
[8]改善共焦系统轴向分辨率的位相型光瞳滤波器[J]. 刘力,邓小强,王桂英,徐至展. 物理学报. 2001(01)
本文编号：3129458
【文章来源】：光学学报. 2020,40(20)北大核心EICSCD
【文章页数】：10 页
【部分图文】：
并行差动共焦轴向测量方法原理示意图
光强差动响应曲线如图2所示。由图2可知,光强差动响应曲线(黑实线)存在一段线性区(虚线框区域),通过对线性区进行线性函数拟合,标定光强差ID(z)与轴向离焦量z的关系(下文称为“轴向测量曲线”),即可通过光强差确定样品的轴向高度。相比传统共焦显微技术通过定位轴向光强响应曲线峰值来实现样品的轴向测量,差动共焦轴向测量方法通过线性函数计算避免了峰值提取算法的复杂问题,同时光强差动响应曲线线性区的斜率远大于轴向光强响应曲线峰值附近的斜率,光强差动响应曲线线性区对轴向位置的灵敏度更高,能实现更高的轴向测量精度和分辨率。另外,差动轴向测量方法避免了光强峰值法的纵向层层扫描过程,效率更高,通过多点并行测量即可实现微观三维形貌的快速还原。
现有的并行物方差动共焦轴向测量曲线的标定方法为单点标定法,具体如图3所示,主要分为以下几个步骤:1)以平面反射镜为样本获取样品的参考焦面;2)分别将载物台移动至焦前面P+zd和焦后面P-zd处,通过DMD将光源调制成一个像素的点光源,通过压电陶瓷电机(Piezoelectric ceramic motor)驱动物镜作行程为z,步进为Δz的轴向扫描,共获取z/Δz帧图像;3)以每帧图像点光源光斑的最大灰度值作为光斑光强,分别绘制焦前面P+zd和焦后面P-zd的轴向光强响应曲线I(z+zd)与I(z-zd);4)利用I(z+zd)与I(z-zd)的差获取光强差动响应曲线ID(z),并对其线性区进行线性函数拟合,即可获得轴向测量曲线D(z)。2.2 并行差动共焦轴向测量结果与分析
【参考文献】：
期刊论文
[1]抗干扰并行物方差动轴向的高精度三维形貌测量[J]. 朱星星,易定容,叶一青,孔令华,刘志群. 光学学报. 2020(04)
[2]三维表面粗糙度测量方法综述[J]. 何宝凤,丁思源,魏翠娥,刘柄显,石照耀. 光学精密工程. 2019(01)
[3]结构光照明并行物方差动快速测量方法研究[J]. 刘志群,易定容,孔令华,王文琪,刘婷. 仪器仪表学报. 2017(12)
[4]基于数字微镜器件并行共焦成像的光点阵列优化[J]. 朱茜,杨西斌,李思黾,李辉,王驰,刘首鹏,简俊明,熊大曦. 光学学报. 2018(01)
[5]基于并行共聚焦显微系统的物方差动轴向测量[J]. 刘志群,易定容,孔令华,张勇贞,刘婷,王梓. 光学精密工程. 2017(06)
[6]并行共焦测量中的并行光源技术综述[J]. 余卿,余晓芬,崔长彩,叶瑞芳,范伟. 中国光学. 2013(05)
[7]并行共焦显微检测技术及其研究进展[J]. 涂龙,余锦,樊仲维,边强,葛文琦,刘洋,张雪,黄科,聂树真,李晗,貊泽强. 激光与光电子学进展. 2012(08)
[8]改善共焦系统轴向分辨率的位相型光瞳滤波器[J]. 刘力,邓小强,王桂英,徐至展. 物理学报. 2001(01)
本文编号：3129458
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