Raziskave tridimenzionalnega zaznavanja oblik z nevzporednim svetlobnim interferometričnim osvetljevalnim mikroskopom
Hiter razvoj proizvodnje strojev in elektronske industrije je postavil višje zahteve za tehnologijo zaznavanja mikroskopske morfologije. Trenutno lahko zaznavanje tridimenzionalne oblike razdelimo v dve kategoriji: kontaktno in brezkontaktno. Kontaktna metoda se v glavnem nanaša na metodo pisala. Njegov princip je pretvoriti majhen premik v navpični smeri pisala v električni signal in ga ojačati, tako da dobimo tridimenzionalno porazdelitev oblike zaznavne površine. Metode brezkontaktne detekcije vključujejo predvsem metodo fokusiranja žarka, metodo strukturirane svetlobne projekcije in interferometrijo. Metoda fokusiranja žarka uporablja fokusirano svetlobno točko kot optično sondo za skeniranje površine zaznavanja za pridobitev tridimenzionalnih podatkov. Ta metoda lahko izvede tridimenzionalno zaznavanje kompleksnih kontur, vendar je hitrost merjenja počasna. Interferometrija in metode strukturirane svetlobne projekcije zaznavajo obrise površin z reševanjem robnih deformacij, kjer interferometrija uporablja načelo koherence vlaken ali vzporedne koherence žarkov, vključno z lasersko interferometrijo in interferometrijo skeniranja bele svetlobe. Pri uporabi koherence optičnega vlakna mora sodelovati z lečo objektiva z veliko delovno razdaljo, kar omejuje povečavo leče objektiva. Interferometrija skeniranja bele svetlobe uporablja belo svetlobo širokega spektra kot vir osvetlitve in uporablja princip koherence vzporednega žarka. Napaka posamezne meritve je znotraj 20 nm. Podatki, kot sta kontrast in intenzivnost svetlobe, določajo absolutno globino površine, ki se meri. Metoda strukturirane svetlobne projekcije se izogiba uporabi skenirnih naprav in ima najhitrejšo rekonstrukcijo. Če pa obstaja kot med ravnino projekcije in ravnino odra, je treba periodo roba popraviti, zato ta metoda ni primerna za morfologijo na submikronski ravni. Merjenje V tem prispevku so združene prednosti metode strukturirane svetlobne projekcije in metode vzporedne svetlobne interferometrije, svetlobni žarek se ukloni s prostorskim svetlobnim modulatorjem, dva uklonska reda s tesno svetlobno jakostjo pa sta uporabljena za motnje pri ustvarjanju obrob. Prilagodi fazo resic. Ker se izognemo uporabi skenirnih naprav in referenčnih ravnin, predlagana metoda ne zahteva uporabe interferenčnih objektivov in nima omejitev glede numerične aperture uporabljenih objektivov, proces rekonstrukcije je hiter in je mogoče doseči večjo stransko ločljivost. Poleg tega, ker so robovi ustvarjeni z interferenco svetlobnega žarka, je faza porazdeljena linearno s koordinatami slikovnih pik in v metodi projekcije ni pojava periodičnih sprememb robov. Nazadnje ta članek uporablja modul za primerjavo hrapavosti z Ra 100 nm kot testirani vzorec za izvajanje poskusov. Za pridobitev tridimenzionalnega oblaka točk na površini testiranega vzorca se uporablja metoda štiristopenjskega faznega premika. Prava relativna višina med točkami.
Eksperimentalna svetlobna pot
To je diagram svetlobne poti svetlobnega mikroskopa z nevzporedno interferenco svetlobe, ki je predlagan v tem dokumentu. Laserski žarek vstopi v prizmo cepitve žarka mikroskopa skozi razširjevalnik žarka L3, prostorski svetlobni modulator in fokusno lečo L2 ter tvori svetlobno pot osvetljevanja mikroskopskega sistema. Modulator prostorske svetlobe lahko modulira amplitudo vpadne svetlobe glede na naloženo sliko. Ko je naložena slika obroba, je njena funkcija enakovredna odsevni mreži, ki prilagaja odklon modulatorja prostorske svetlobe, tako da dva žarka uklonjene svetlobe s podobnimi svetlobnimi intenzitetami vstopita v dikroično prizmo, potem ko jo izostri mikroskopska objektivna leča, interferira s površino izmerjenega vzorca in tvori interferenčne robove.
Modulator prostorske svetlobe je osrednja naprava sistema, obdobje in fazo obrobe pa je mogoče natančno modulirati s spreminjanjem naloženega vzorca obrob med poskusom. Običajno je treba za izboljšanje stranske natančnosti 3D rekonstrukcijskega oblaka točk prilagoditi obdobje obrobja, da bo blizu stranske ločljivosti mikroskopa. Takrat je največji interferenčni kot obeh žarkov mogoče izračunati iz numerične aperture NA leče objektiva.
Glede na parametre objektiva mikroskopa, uporabljenega v sistemu (100 , NA=0.8), je največji interferenčni kot dvojnih žarkov 106 stopinj, ločljivost sistema, izračunana z Rayleighovim kriterijem, pa 406 nm. V poskusu je najmanjša obrobna doba, ki jo je mogoče prilagoditi, 452 nm, kar kaže, da znotraj obrobne dobe obstaja ustrezno razmerje med faznim zamikom in višino vsaj ene pikselske točke, to je stranska natančnost rekonstruiranega oblak točk je 452 nm, kar je blizu slikovne ločljivosti sistema. Zaradi majhne periode roba je deformacija roba bolj občutljiva kot pri robu z veliko periodo, zato ima večjo aksialno natančnost. Kar zadeva nastavitev faze, mora interferometrija skeniranja bele svetlobe premakniti lečo interferenčnega objektiva v aksialni smeri s pomočjo piezoelektrične naprave in nato prilagoditi fazo s kalibracijo ničelne razlike optične poti na vsaki sliki skeniranja, tako da obstaja določena napaka v vrednosti faze. V našem sistemu je prilagoditev faze realizirana s krmiljenjem slikovnih pik na modulatorju prostorske svetlobe brez skenirne naprave, zato ima večjo natančnost prilagoditve faze. Na tej podlagi se metoda faznega premika uporablja za izračun vrednosti fazne modulacije vsake točke na sliki. Rezultate 3D rekonstrukcije z visoko stransko ločljivostjo je mogoče dobiti s hitrejšim algoritmom rekonstrukcije.
rekonstrukcijski algoritem
V tem prispevku je metoda štirih korakov faznega premika uporabljena za rekonstrukcijo tridimenzionalne konture izmerjenega vzorca, ki je razdeljen na tri korake: predobdelavo slike, ekstrakcijo slike s fazno modulacijo in filtriranje šumnih točk. V nadaljevanju bo uporabljen modul za primerjavo hrapavosti z Ra=100nm kot vzorec za razlago algoritma, uporabljenega v vsakem koraku. 2.1 Predhodna obdelava slike Ker slikovni sistem uporablja lasersko osvetlitev, je vpliv laserskih peg na interferenčni vzorec neizogiben. V procesu predprocesiranja interferenčnih robov ta članek uporablja eliptični nizkopasovni filter, tako da je polmer filtriranja vzdolž robne smeri v frekvenčni domeni slike dvakrat večji od navpične smeri robov. Vzorec roba se pojavi kot dve sredinsko simetrični svetli točki v frekvenčni domeni, smer povezovalne črte med obema točkama pa je pravokotna na smer roba, smer povezovalne črte pa je nastavljena kot dolga os elipsa. Ker je robna doba blizu ločljivosti slike, je glavna os nastavljena na dvakratno razdaljo 2 svetlih točk, spodnja os pa je enaka razdalji 2 točk. Takšna zasnova lahko na eni strani zmanjša vpliv pegastega hrupa v relativni fazni raztopini, na drugi strani pa lahko prepreči, da bi bile informacije o modulaciji v interferenčnem vzorcu čim bolj filtrirane. Prikazani so rezultati obdelave z izotropnimi in anizotropnimi metodami filtriranja, primerjava lahko zmanjša šum slike vzdolž smeri obrobe, hkrati pa ohrani deformacijo obrobe.
