光学共焦显微镜振镜扫描策略研究

发布时间：2017-08-24 15:21

  本文关键词：光学共焦显微镜振镜扫描策略研究

  更多相关文章： 光学共焦显微镜 扫描速度 可靠性 圆周式扫描策略 振镜

【摘要】：光学共焦显微镜以其特有的噪声抑制特性和高轴向分辨力而广泛应用于微结构表面形貌测量及生物样品观察,是最具影响力的测量仪器之一。目前,基于振镜扫描的光学共焦显微镜采用的扫描策略是光栅式扫描策略,该扫描策略具有扫描运动重复性好、三维表面形貌测量数据重构容易的优点。但是由于光栅式扫描策略采用的扫描控制波形是锯齿波,导致扫描速度提高困难,并且在振镜扫描运动中,振镜加速度突然增加会对振镜造成冲击,损伤振镜,减小振镜使用寿命,从而导致系统可靠性提高困难。光栅式扫描策略的扫描视场是方形的,而光学系统有效视场是圆形的,采用光栅式扫描策略存在着对于光学视场利用不充分的问题。本课题针对上述问题开展了振镜控制模型建立、光栅式扫描控制波形特点分析等工作,目的是提出能够扩大扫描视场、提高扫描速度和系统可靠性的扫描策略,解决光栅式扫描策略存在的问题,为光学共焦显微镜振镜扫描策略提供新思路。本课题完成的主要内容如下:(1)完成了光学共焦显微镜三维扫描成像畸变分析。依据光学共焦显微成像原理,分析了基于检流式振镜光学共焦显微镜横向扫描畸变产生的主要原因,即振镜偏转角度与扫描视场非线性映射关系。(2)建立了检流式振镜系统控制模型。首先分析检流式振镜系统工作原理,基于对振镜工作原理的分析建立了其控制模型,并用MATLAB进行仿真实验,完成了振镜系统动态特性分析。仿真实验结果表明检流式振镜系统对正弦信号的跟踪性能优于锯齿信号。然后针对光栅式扫描存在的问题,提出了圆周式扫描策略,实验表明,圆周式扫描策略扫描视场扩大了57%,数据有效利用率可达100%,扫描速度提高了9%,振镜在扫描运动中,没有冲击产生,不会对振镜造成损伤,因而提高了振镜系统可靠性。(3)设计并搭建了光学共焦显微镜振镜扫描单元。首先完成了光学共焦显微镜振镜扫描单元硬件设计,包括光路设计、机械设计及控制系统设计,并进行了安装调试;然后使用Lab VIEW软件编写了光学共焦显微镜测量软件,包括三维扫描模块、倾斜校正模块、数据存储与处理模块及台阶高度计算模块等主要功能模块和软件人机交互设计。(4)完成了光学共焦显微镜振镜扫描单元计量特性测量,并应用圆周扫描策略测量了标准台阶样品,测量值与标称值的偏差为0.6nm。
【关键词】：光学共焦显微镜 扫描速度 可靠性 圆周式扫描策略 振镜
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH742
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 第1章 绪论9-18
• 1.1 课题研究的背景、目的和意义9-11
• 1.2 国内外研究现状11-17
• 1.2.1 光学共焦显微技术简介11
• 1.2.2 光束扫描常用扫描器件简介11-12
• 1.2.3 光学共焦显微技术扫描策略研究现状12-17
• 1.3 本课题主要研究内容17-18
• 第2章 光学共焦显微三维扫描成像畸变分析18-27
• 2.1 引言18
• 2.2 光学共焦显微三维扫描成像原理18-22
• 2.2.1 薄透镜菲涅尔衍射分析18-21
• 2.2.2 光学共焦显微三维成像原理21-22
• 2.3 检流式振镜系统横向扫描畸变分析22-26
• 2.3.1 光学系统畸变简介22-23
• 2.3.2 检流式振镜系统横向扫描畸变分析23-26
• 2.4 本章小结26-27
• 第3章 圆周扫描策略研究27-49
• 3.1 引言27
• 3.2 检流式振镜系统组成与工作原理27-28
• 3.3 检流式振镜系统控制模型与仿真28-36
• 3.3.1 检流式振镜系统控制模型建立与分析28-32
• 3.3.2 检流式振镜系统控制模型仿真32-36
• 3.4 传统光栅式扫描策略分析36-39
• 3.4.1 光栅式扫描策略扫描视场小36
• 3.4.2 光栅式扫描策略扫描速度慢36-37
• 3.4.3 光栅式扫描策略数据有效利用率低37
• 3.4.4 光栅式扫描策略可靠性提高困难37-39
• 3.5 圆周扫描策略研究39-48
• 3.5.1 圆周扫描策略基本介绍39-40
• 3.5.2 圆周扫描策略实现与分析40-48
• 3.6 本章小结48-49
• 第4章 光学共焦显微镜振镜扫描单元设计49-66
• 4.1 引言49
• 4.2 光学共焦显微镜扫描单元硬件设计49-55
• 4.2.1 扫描单元光路设计49-50
• 4.2.2 扫描单元机械设计50-55
• 4.2.3 扫描单元控制系统设计55
• 4.3 光学共焦显微镜振镜扫描单元测量软件设计55-65
• 4.3.1 三维扫描模块55-58
• 4.3.2 倾斜校正模块58-60
• 4.3.3 数据存储与处理模块60-61
• 4.3.4 台阶高度计算模块61-63
• 4.3.5 测量软件主程序设计63-64
• 4.3.6 测量软件人机交互设计64-65
• 4.4 本章小结65-66
• 第5章 共焦显微系统计量特性测量实验与分析66-75
• 5.1 引言66
• 5.2 共焦显微系统计量特性测试66-73
• 5.2.1 系统噪声测试66-68
• 5.2.2 平面度误差测试68-69
• 5.2.3 轴向放大率和线性度测试69-71
• 5.2.4 横向扫描畸变测试71-73
• 5.3 圆周扫描策略测量标准样品73-74
• 5.4 本章小结74-75
• 结论75-76
• 参考文献76-80
• 致谢80

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 袁巨龙;张飞虎;戴一帆;康仁科;杨辉;吕冰海;;超精密加工领域科学技术发展研究[J];机械工程学报;2010年15期

中国硕士学位论文全文数据库 前1条

1 唐建波;基于光束扫描的共焦显微三维测量技术研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

，

本文编号：732041