0.001秒测实时3D形貌——探索微纳世界形貌的新手段，基于菲涅尔衍射的重建算法

MEMS微执行器的运动测量——形貌、xyz运动参数

简介：基于菲涅尔衍射的数字全息重建算法
数字全息技术融合了光学全息术、光电技术以及数字计算机技术，具有许多独特的优点，已经在微结构形貌、形变测量、粒子场检测、细胞培养观察、图像识别、信息加密等方面显示出其重要的应用价值及广阔的应用前景[1].得益于其独特的非扫描成像方式，仅需要极短的时间（0.001秒）采集单幅全息图就能得到亚纳米精度的样品三维形貌信息，为研究微纳实时形貌变化提供了可能性。
对比传统显微系统：
相对于传统白光干涉仪WLI、激光扫描共聚焦显微镜CLSM、接触式轮廓仪等无需扫描能实时快速成像且能做大面积分析。此外， DHM相干长度是400μm，而WLI只有15μm。使用WLI，用户需要搜索条纹，倾斜样本使样本在这个表面小范围内测量，WLI要求特定的干涉仪物镜有限定且复杂的玻璃补偿。CLSM的垂直分辨率依赖于焦点的深度，而其会降低物镜的NA。DHM垂直分辨率达到亚纳米精度，而CLSM使用高NA物镜对样品形貌最终的垂直分辨率分辨率只是几纳米。DHM是非接触式，由于非接触方法可防止任何接触损害。采用表面光洁度轮廓仪(如探针式轮廓仪和AFM)的测量，可能会因表面的弹性变形、探针拖动污垢或损坏的探针而受到影响。
         

原理：

数字全息显微成像分两步进行。首先利用光学显微术对被测物体预放大，利用光学全息术记录物体的显微全息图，通过光电探测技术将全息图数字化，最后数字再现物体的三维图像信息。数字记录原理如图1所示。系统采用离轴光路结构，基于菲涅耳衍射的重建算法，仅从一幅全息图就能提取被测样本的振幅和位相信息，实时重建原始物体像。激光束经扩束和空间滤波后分为两束平面波，即物光波O和参考光波R，被测样本首先经过显微物镜放大成像，放大的物光波与参考光相干涉，利用CCD记录形成数字全息图。各个记录元件的相对位置关系如图2所示。调整反射镜，使得参考光波与物光波之间形成适当的离轴参考角θ。数字全息显微术和光学全息术相同，可以在物光波传播途径中的任何位置记录。

数字全息显微镜采用目前流行的电子显微镜的结构形式。主要由四部分组成：光学系统、光机系统、微机和控制系统。光学系统是数字全息显微镜的基础部件，主要包括光源、透镜、棱镜、显微镜头和CCD五部分。光机系统是测试系统精度的保证，主要包括光学器件的安装定位机构、载物台和三维调节机构。为了保证光学元件的准确定位，在部分光学元件的底座采用调节机构，为了实现测试物体的测试区域调节，拟采用三维调节平台带动载物台实现三维运动。微机中安装图像采集卡。控制系统是测试系统的执行机构，主要包括光源控制模块、光强调节模块、显微物镜更换驱动模块和图像采集驱动模块。


激光孔形貌.jpg



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