Badania nad trójwymiarową detekcją kształtu za pomocą interferometrycznego mikroskopu oświetleniowego o nierównoległym świetle
Gwałtowny rozwój przemysłu maszynowego i elektronicznego postawił coraz wyższe wymagania przed technologią detekcji morfologii mikroskopowej. Obecnie wykrywanie kształtu trójwymiarowego można podzielić na dwie kategorie: kontaktową i bezkontaktową. Metoda kontaktowa odnosi się głównie do metody rysika. Jego zasadą jest przekształcenie małego przesunięcia w kierunku pionowym rysika na sygnał elektryczny i wzmocnienie go, aby uzyskać trójwymiarowy rozkład kształtu powierzchni wykrywania. Metody detekcji bezkontaktowej obejmują głównie metodę ogniskowania wiązki, metodę projekcji światła strukturalnego i interferometrię. Metoda ogniskowania wiązki wykorzystuje skupioną plamkę światła jako sondę optyczną do skanowania powierzchni wykrywania w celu uzyskania trójwymiarowych danych. Ta metoda może wykonywać trójwymiarowe wykrywanie złożonych konturów, ale prędkość pomiaru jest niska. Interferometria i metody projekcji światła strukturalnego wykrywają kontury powierzchni poprzez rozwiązywanie deformacji prążków, przy czym interferometria wykorzystuje zasadę spójności włókien lub spójności wiązki równoległej, w tym interferometrię laserową i interferometrię skanującą w świetle białym. Przy zastosowaniu koherencji światłowodu musi on współpracować z obiektywem o dużej odległości roboczej, co ogranicza powiększenie obiektywu. Interferometria skanująca światłem białym wykorzystuje światło białe o szerokim spektrum jako źródło oświetlenia i wykorzystuje zasadę spójności wiązki równoległej. Błąd pojedynczego pomiaru mieści się w granicach 20 nm. Informacje takie jak kontrast i natężenie światła określają bezwzględną głębokość mierzonej powierzchni. Metoda projekcji światła strukturalnego pozwala uniknąć użycia urządzeń skanujących i charakteryzuje się największą szybkością rekonstrukcji. Jednakże, gdy istnieje kąt między płaszczyzną projekcji a płaszczyzną sceny, okres prążków musi zostać skorygowany, więc ta metoda nie jest odpowiednia do precyzyjnej morfologii na poziomie submikronowym. Pomiar W tym artykule połączono zalety metody projekcji światła strukturalnego i metody równoległej interferometrii światła, wiązka światła jest uginana przez przestrzenny modulator światła, a dwa rzędy dyfrakcji o bliskim natężeniu światła są wykorzystywane do interferencji w celu wygenerowania prążków. Reguluje fazę frędzli. Ponieważ unika się stosowania urządzeń skanujących i płaszczyzn odniesienia, proponowana metoda nie wymaga stosowania obiektywów interferencyjnych i nie ma ograniczeń co do apertury numerycznej stosowanych obiektywów, proces rekonstrukcji przebiega szybko i można uzyskać wyższą rozdzielczość poprzeczną. Dodatkowo, ponieważ prążki są generowane przez interferencję wiązki światła, faza rozkłada się liniowo ze współrzędnymi piksela, aw metodzie projekcji nie występuje zjawisko okresowych zmian prążków. Wreszcie, w tym artykule wykorzystano moduł porównywania chropowatości z Ra 100nm jako badaną próbkę do przeprowadzania eksperymentów. Czteroetapowa metoda przesunięcia fazowego służy do uzyskania trójwymiarowej chmury punktów na powierzchni badanej próbki. Prawdziwa względna wysokość między punktami.
Eksperymentalna ścieżka światła
Jest to schemat drogi światła proponowanego w tym artykule mikroskopu oświetlającego z interferencją światła nierównoległego. Wiązka laserowa wchodzi do pryzmatu rozszczepiającego wiązkę mikroskopu przez ekspander wiązki L3, przestrzenny modulator światła i soczewkę skupiającą L2, tworząc oświetlającą ścieżkę świetlną systemu mikroskopu. Przestrzenny modulator światła może modulować amplitudę padającego światła zgodnie z przesłanym obrazem. Gdy przesłany obraz jest prążkiem, jego funkcja jest równoważna z siatką refleksyjną, regulującą odchylenie przestrzennego modulatora światła tak, aby dwie wiązki ugiętego światła o podobnych natężeniach światła wchodziły do pryzmatu dichroicznego, po zogniskowaniu przez obiektyw mikroskopu, interferuje z powierzchnią mierzonej próbki, tworząc prążki interferencyjne.
Przestrzenny modulator światła jest głównym urządzeniem systemu, a okres i fazę prążków można precyzyjnie modulować, zmieniając przesłany wzór prążków podczas eksperymentu. Zazwyczaj, aby poprawić poprzeczną dokładność chmury punktów rekonstrukcji 3D, konieczne jest dostosowanie okresu prążków, aby był zbliżony do rozdzielczości bocznej mikroskopu. W tym czasie maksymalny kąt interferencji dwóch wiązek można obliczyć na podstawie apertury numerycznej NA soczewki obiektywu.
Zgodnie z parametrami zastosowanej w układzie soczewki obiektywowej mikroskopu (100 , NA=0.8) maksymalny kąt interferencji wiązek podwójnych wynosi 106 stopni , a rozdzielczość układu obliczona według kryterium Rayleigha wynosi 406 nm. W eksperymencie minimalny okres prążków, który można regulować, wynosi 452 nm, co wskazuje, że w okresie prążków istnieje odpowiednia zależność między przesunięciem fazowym a wysokością co najmniej jednego punktu piksela, to znaczy dokładnością poprzeczną zrekonstruowanego chmura punktów to 452 nm, co jest zbliżone do rozdzielczości obrazowania systemu. Ze względu na mały okres prążka deformacja prążka jest bardziej wrażliwa niż deformacja prążka o dużym okresie, więc ma wyższą precyzję osiową. Jeśli chodzi o regulację fazy, interferometria skanująca w świetle białym musi przesunąć obiektyw interferencyjny w kierunku osiowym za pomocą urządzenia piezoelektrycznego, a następnie dopasować fazę poprzez kalibrację zerowej różnicy ścieżki optycznej na każdym skanowanym obrazie, więc jest pewien błąd wartości fazy. W naszym systemie regulacja fazy jest realizowana poprzez sterowanie pikselami na przestrzennym modulatorze światła bez urządzenia skanującego, dzięki czemu ma wyższą dokładność regulacji fazy. Na tej podstawie metoda przesunięcia fazowego służy do obliczenia wartości modulacji fazowej każdego punktu na obrazie. Wyniki rekonstrukcji 3D o wysokiej rozdzielczości bocznej można uzyskać w algorytmie szybszej rekonstrukcji.
algorytm rekonstrukcji
W niniejszym artykule do rekonstrukcji trójwymiarowego konturu mierzonej próbki zastosowano czteroetapową metodę przesunięcia fazowego, która jest podzielona na trzy etapy: wstępne przetwarzanie obrazu, ekstrakcja obrazu z modulacją fazową oraz filtrowanie punktów szumowych. Poniżej wykorzystamy moduł porównywania chropowatości z Ra{2}}nm jako próbkę, aby wyjaśnić algorytm używany w każdym kroku. 2.1 Wstępne przetwarzanie obrazu Ponieważ system obrazowania wykorzystuje oświetlenie laserowe, wpływ plamki laserowej na obraz interferencyjny jest nieunikniony. W procesie wstępnego przetwarzania prążków interferencyjnych niniejszy artykuł wykorzystuje eliptyczny filtr dolnoprzepustowy, dzięki czemu promień filtrowania wzdłuż kierunku prążków w dziedzinie częstotliwości obrazu jest dwukrotnie większy niż w kierunku pionowym prążków. Wzór prążków pojawia się jako dwa centralnie symetryczne jasne punkty w dziedzinie częstotliwości, a kierunek linii łączącej te dwa punkty jest prostopadły do kierunku prążków, a kierunek linii łączącej jest ustawiony jako długa oś elipsa. Ponieważ okres prążków jest zbliżony do rozdzielczości obrazu, główna oś jest ustawiona na dwukrotność odległości 2 jasnych punktów, a mniejsza oś jest równa odległości 2 punktów. Taka konstrukcja może z jednej strony zredukować wpływ szumu plamkowego we względnym roztworze fazowym, az drugiej strony może w jak największym stopniu uniknąć odfiltrowania informacji o modulacji we wzorze interferencyjnym. Pokazane są wyniki przetwarzania w ramach metod filtrowania izotropowego i anizotropowego, porównanie może zmniejszyć szum obrazu wzdłuż kierunku prążków, zachowując jednocześnie deformację prążków.
