（光学专业论文）位相物体干涉测量与扫描成像系统的改进研究.pdf

摘要 的尺寸，增加了系统的稳定性，便于系统的集成化和产品化。 四、对改进后的系统进行了多方面的对比实验并进行了理论分析。 五、通过不同波长激光器的实验，再次验证了系统的有效性，通过旋转测量 的方法，显示了相位物体测量与成像系统的未来前景。 关键词：位相物体；干涉测量；快傅里叶变换算法；极值间距算法；杨氏干涉 成像部分；间接干涉 a b s t i 认c t t h elm p r o v e m e n to fp h a s eo b j e c tin t e r f e r o m e t ric a b s t r a c t m e a s u r e m e n ta n ds c a n nin glm a gln gs y s t e m m a j o r ：o p t i c s c a n d i d a t e ：y a hw a n g s u p e r v i s o r ：z u o h u ah u a n gp r o f e s s o r p h a s eo b j e c tm e a s u r e m e n ta n di m a g i n gi sa l li m p o r t a n tr e s e a r c ht o p i ci no p t i c a l f i e l d ，b i o l o g i c a l ，m e d i c a l ，o ri n d u s t r i a lp r o c e s s e s ，t h ep h a s eo b j e c tm e a s u r e m e n ta n d i m a g i n gt e c h n o l o g yh a v ep l a y e d 锄i m p o r t a n tr o l e t h et r a d i t i o n a lp h a s eo b j e c t i m a g i n gt e c h n o l o g yh a sal o n gh i s t o r yo fd e v e l o p m e n t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f m i c r o - m e a s u r e m e n tt e c h n i q u e s ，s o m em a t u r et e c h n o l o g i e sh a v ea l s ob e e ni n d u s t r i a l i z a t i o n h o w e v e r , t r a d i t i o n a li m a g i n gt e c h n i q u e sh a v er e m a i n e da tt h ep h a s e - c o n t r a s t a n di m a g i n ge f f e c t s ，f o rt h eq u a n t i t a t i v em e a s u r e m e n to ft h ea c c u r a c yo ft h es l o w d e v e l o p m e n t , t h ea p p l i c a t i o nh a sb e e ng r e a t l yr e s t r i c t e d i n r e s p o n s et ot h e s es h o r t a g e sa b o v e ，t h er e s e a r c hg r o u pp r o p o s e dan e w t e c h n o l o g i e so fp h a s em e a s u r e m e n ta n di m a g i n g i n t e r f e r e n c em e a s u r e m e n ta n d s c a n n i n gi m a g i n gt e c h n o l o g yf o rp h a s eo b j e c t ，i tn o to n l ye n a b l e sq u a n t i t a t i v e m e a s u r e m e n t so f t h ep h a s e ，b u ta l s og e t st h ep h a s e - o b j e c ti m a g i n g ，t h ei m a g e sd i s p l a y w i t hm a n yf o r m s ，s u c ha s p s e u d o c o l o ri n u c e s , g r a y - l e v e li m a g e sa n da n d t h r e e - d i m e n s i o n a lg r a p h i c s i nt h i s p a p e r , b a s e d o nt h e o r i g i n a lp h a s e m e a s u r e m e n ta n di m a g i n g e x p e r i m e n t a ls y s t e m ，t h eo r i g i n a li m a g ea l g o r i t h mo fp h a s eo b j e c tm e a s u r e m e n tw a s i m p r o v e da n dan e wa l g o r i t h m - t h ee x t r e m u ms p a c i n ga l g o r i t h mh a v eb e e np r o p o s e d , m a b s t r a c t w h i l ei m p r o v i n gt h e o r i g i n a lp a r t so ft h es y s t e mo fy o u n g si n t e r f e r e n c e ，t h e c o m p a r i s o nt e s ta n da n a l y z eo ft h ei m p r o v e dp a r to b t a i n e dm e a n i n g f u lr e s u l t s t h e m a j o rw o r ka n dt h er e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t , t h eo r i g i n a li m a g ei n v e r s i o np h a s ea l g o r i t h mi si m p r o v e d ，a n dp r o p o s e dt h e e x t r e m u ms p a c i n ga l g o r i t h m ，as l i g h ti n c r e a s ei na c c u r a c y , b u ta p p a r e n t l ys h o r t e no f t h ec o m p u t i n gt i m e s e c o n d , t h ei m a g ea c q u i s i t i o na n di m a g ei n v e r s i o np h a s eo ft h ei n t e g r a t i o n a l g o r i t h mi si n t e r g r a t e dw i t hv i s u a lc + + 6 0s o f t w a r e ，i m p l e m e n tt h es y s t e mf u l l y a u t o m a t e d t h i r d ，i m p r o v e dy o u n g si n t e r f e r e n c ep a r t so ft h es y s t e m ，s ot h a tt h ea c c u r a c yi s s a m et ot h eb a s i s ，o b v i o u s l y , s h o r t e n e dt h es i z eo ft h es y s t e m ，i n c r e a s i n gt h es t a b i l i t y o f t h es y s t e mt of a c i l i t a t es y s t e mi n t e g r a t i o na n dp r o d u c i b i l i t y f o u r t h , v a r i o u sa s p e c t so fc o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t so ft h ei m p r o v e ds y s t e ma n d t h e o r e t i c a la n a l y s i si sd o n e f i f t h ，e x p e r i m e n tw i t hd i f f e r e n tl a s e rw a v e l e n g t h s ，r e v e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s so f t h e s y s t e m , b yr o t a t i n gt h em e a s u r e m e n tm e t h o d , s h o w i n gt h ep h a s eo b j e c t m e a s u r e m e n ta n di m a g i n gs y s t e m sf u t u r ep r o s p e c t s k e yw o r d s ：p h a s eo b j e c t ；i n t e r f e r o m e t r y ；f a s tf o u r i e rt r a n s f o r ma l g o r i t h m ；e x t r e m u m s p a c i n ga l g o r i t h m ；y o u n g si n t e r f e r e n c ep a r t so f t h es y s t e m ；i n d i r e c ti n t e r f e r e n c e i v 位相物体干涉测量与扫描成像系统的改进研究 目录 摘一要。i a b s t r a c t i t i 目录v 第一章绪论1 1 1位相物体测量和成像技术的现状_ 2 1 2 位相物体干涉测量与扫描成像技术的提出2 1 3本论文的研究工作和创新之处3 第二章位相物体测量与成像理论分析4 2 1 位相物体的典型成像方法4 2 2 位相物体干涉测量与扫描成像技术理论分析9 2 3 位相物体理论分析总结1 2 第三章位相物体测量与成像实验系统及其光路改进1 3 3 1 位相物体的干涉测量和扫描成像实验系统组成。1 3 3 2 位相物体测量与成像实验系统组成1 4 3 2 ，1 实验系统光学器件1 4 3 2 2 扫描位移台和步进电机控制器1 4 3 2 3 干涉条纹图像接收系统1 6 3 3 位相物体测量与成像实验系统的光路改进1 7 3 3 1 杨氏干涉系统优点和缺点1 8 3 3 2 杨氏干涉系统的改进1 8 3 3 3 改进后的位相物体测量与成像实验系统实物图2 0 v 位相物体干涉测量与扫描成像系统的改进研究 第四章位相物体干涉测量与扫描成像系统算法优化和实验 分析2 1 4 1 干涉条纹周期和位移量的测量2 1 4 2 干涉条纹快速傅里叶算法2 1 4 3 极值间距算法2 4 4 4 全自动相位物体测量与成像系统程序设计流程和界面2 5 第五章实验结果和分析3 4 5 1位相物体干涉测量稳定性对比实验3 4 5 2 位相物体干涉测量准确度对比实验3 4 5 3 位相物体干涉测量测量时间对比实验3 7 5 4 改进光路后的条纹大小对比实验。3 8 5 5 不同波长激光器位相测量及成像实验3 9 5 6 旋转样品的位相测量分析和对比实验4 0 第六章结论与展望4 3 6 1本论文的结论4 3 6 2工作展望4 4 参考文献4 5 攻读硕士学位期间发表的论文及参与的项目。4 8 致谢4 9 v i 位相物体干涉测量与扫描成像系统的改进研究 第一章绪论 本章简单介绍了位相物体成像技术以及相关显微技术的发展过程，初步描述 了利用干涉测量与扫描成像技术的优势，同时概述了本论文的主要工作。 1 1 位相物体成像技术的发展现状 位相物体的测量常应用于生物研究和工业生产过程中。显微镜中所观察的许 多物体，如生物切片、油膜和位相光栅，还有各种材料的透明薄膜，甚至包括液 体和气体等，均具有较高的透明度，光波通过这些物体时，只改变入射光波的位 相而不改变它的振幅乜1 。在各个研究部门，对这些材料和物体的观察都需要先进 的成像和显微技术，因此，可以说位相物体成像技术已经深入到生物学、医学、 光学、材料学等各个学科领域的研究中。 人眼所特有的生理特性，决定我们只能辨别光强和波长的变化，而对位相的 变化不敏感，因此，怎么对位相物体进行观察和成像就需要通过技术来解决了。 1 9 世纪，德国细菌学家r o b e r tk o c h 发明了染色法( s t a i n i n gt e c h n i q u e ) ，从 此以后的很长一段时间里，位相物体( 如细菌) 的观察必须通过染色后才能进行。 但是染色法明显会对位相物体造成很大的影响，一方面改变了物体的特性，另一 方面只能观察物体的形状，而不能对位相大小作出判断。后来，为了使位相物体 可见，人们又提出了暗场法( d a r kf i e l d ) 和纹影法( s c h l i e r e n ) 。最初，j a m e s h o o k e 就演示过纹影法这种技术，1 8 5 9 年l f o u c a u l t 提出用刀口作光阑，检验 光学零件的质量。而真正把纹影法推广的是t o p l e r 和s c h a r d i n 等人曙1 。1 8 8 6 年a t o p l e r 首次用光学系统观察纹影，研究火花、爆炸等流动现象h 1 。该方法 可以将透明物质中的折射率变化转换为光强的变化，从而反映出透明物中的折射 率分布状况。但暗场法和纹影法仍然存在着不少的缺点晦6 1 ，使位相物体的成像 技术发展一直受到限制。 直到1 9 3 5 年，荷兰格罗宁根大学的泽尼克( f z e r n i k e ) 根据a b b e 原理提 出相衬法( p h a s ec o n t r a s t ) 盯1 ，1 9 4 7 年蔡司工厂制成相衬显微镜，它通过在频 位相物体干涉测量与扫描成像系统的改进研究 谱面插入一块相移板，便可在像面处得到一个与位相物体中的位相变化成正比的 强度分布像。相衬法对比于暗场法和纹影法确实是一个飞跃瞄“1 。相衬显微术最 初仅用于生物学、医学等方面的研究，到了2 0 世纪5 0 年代才应用于研究矿物晶 体微形貌及生长机制的新领域随3 。可以这么说，相衬法的发明对位相物体成像技 术具有划时代的意义，z e r n i k e 也因此荣获1 9 5 3 年的诺贝尔奖金物理学奖。至 今许多显微镜还是沿用着相衬法的技术制造的。 1 9 5 2 年，g n o m a r s k i 在相差显微镜原理的基础上改进了微分干涉相衬 ( d i f f e r e n t i a li n t e r f e r e n c ec o n t r a s t ，简称d i c ) 显微法。近年来已成为国 内外普遍使用的一种观察表面的高灵敏度光学仪器。微分干涉显微镜不仅具有纳 米级的分辨率，可看到一般光学显微镜难以观察到的微细结构，而且还能使被观 察样品的像具有很强的立体感和鲜艳的色彩。这种显微镜在金相晶体、集成电路、 光学、陶瓷工艺，以至生物和医学等众多的领域发挥了重大的作用跏。但仍存在 对位相物体不能测量的问题。 2 0 世纪8 0 年代，激光共焦扫描显微镜( l a s e rc o n f o c a ls c a n n i n g m i c r o s c o p e ，简称l c s m ) 是一种迅速发展起来的新型光学显微镜。激光共焦扫描 显微镜与微分干涉显微镜一样都具有纳米级的分辨率，是新一代强有力的研究工 具，它在生物、生理学、和医学临床诊断等领域都有广泛应用，同时它也在半导 体微电子工业等领域中获得重要应用。例如，硅片的表面定性和定量检测、鉴别 和缺陷评估等n 们。但是不能对位相物体进行成像及测量。 从此以后，各种各样的改进成像方法不断地被提出，例如暗场纹影法和位相 滤波法和基于相衬法的各种改进方法n 等等。位相物体的成像方法研究可以说到 了一个相对成熟的阶段。 1 2 位相物体干涉测量与扫描成像技术简介 无论是相衬法、暗场法、纹影法还是其它的改进方法，都存在着各自的缺陷， 使得应用受到限制。其中暗场法成像后强度与位相并不是线性关系，而且成像亮 度较小；纹影法的成像对比度小是其最大的缺点，成像亮度同样较小：而最受关 注的相衬法对比度和亮度适中，而且成像后光强与位相成正比，因此受到广泛的 2 位相物体干涉测量与扫描成像系统的改进研究 应用。以上所有的成像方法，包括它们的改进方法都有一个前提被测样品的 位相变化要小于l ，且不能对位相进行定量测量。所以，一般来说要对位相物体 进行定量测量并不是一件容易的事。用基于杨氏干涉原理的位相物体测量与成像 技术位相物体干涉测量与扫描成像技术能解决位相物体定量测量的问题。 位相物体的干涉测量与扫描成像技术并不是通过光学滤波成像的方法得到 位相分布图，而是通过扫描位相物体上每一点的位相大小，然后还原成位相分布 图。它把位相分布信息转化为离散数据，因此通过数据处理方法不仅可以把图像 的光强和对比度等调到最合适的值，还可以根据需要把位相分布线性转换为强度 分布、颜色分布( 波长分布) 以及用三维图像表示。更为重要的是干涉测量与扫 描成像技术对位相物体的位相变化范围是0 到2 兀，而且可以对位相大小进行定 量测量。 1 3 本论文的研究工作和创新之处 本文研究内容涉及光机电等多方面的技术，包括在原有的位相物体实验测量 与成像系统基础上，调试并改进硬件设备、优化及改进位相测量与成像算法，整 合c m o s 成像系统与扫描平移台系统，实现图像采集与图像数据处理的完全自动 化，并对改进后的系统进行实验和对比分析，得到了有意义的结果。主要完成了 以下工作： 一、对原有的图像反演相位算法进行了改进，提出极值间距算法。 二、将图像采集和图像反演相位算法进行整合，采用v i s u a lc + + 6 0 软件 编写，实现系统的全自动化。 三、为解决扫描物体范围和系统尺寸之间的矛盾，改进了杨氏干涉系统部分， 明显的缩短了系统的尺寸，增加了系统的稳定性。 四、对改进后的系统进行了稳定性、准确性，时间对比等实验并进行理论分 析。 五、对不同波长激光器的系统进行实验，通过旋转的方法对相位物体进行分 析和测量。 3 位相物体干涉测量与扫描成像系统的改进研究 第二章位相物体测量与成像理论分析 本章介绍了相位物体的成像方法，包括传统的相衬法、暗场法和纹影法，并 着重点介绍本实验系统的位相测量方法：基于图像处理的相位物体的双点源光束 干涉测量与扫描成像方法，并对它们的优缺点进行比较。 2 1 相位物体的相位检测方法理论分析 本章从理论上对几种典型的成像方法进行介绍。n 2 1 首先，根据位相物体的定义，我们可以用一下式子表示位相物体的复振幅透 过率 t ( x ，y ) = e x p e j 伊( x ，y ) ( 2 1 ) ( 2 1 ) 式中，x ，y 分别表示二维位相物体的坐标，妒( x ，y ) 是坐标对应点 的位相，t ( x ，y ) 就是对应点的透过率。根据定义，透过率振幅大小为常数l 。 物体光强透过率，( 工，y ) 为 m ，y ) = ，y ) 1 2 = e x p e j q , ( x , y ) 1 2 = l ( 2 2 ) 式子( 2 2 ) 表明，入射光通过位相物体时，强度分布一片均匀，没有强度 或者波长变化。因此人眼无法识别。要显示位相物体的位相分布，必须设法把位 相分布转换为强度或者波长分布。下面介绍的几种成像方法都是把位相变化转换 为强度变化的方法。 一、暗场法( d a r kf i e l dm e t h o d ) n 3 3 暗场法的光路是一个典型的4 f 相干系统，如图2 1 所示， 4 位相物体干涉测量与扫描成像系统的改进研究 r 1 。l l 1 r 2。 lx 、ix 2 | f l t f、 f x 3 y 3 图2 14 f 相干系统 其中l 0 为扩束镜；l 。为单色准直镜；l 。、l 2 为傅里叶变换透镜；p 。为输入物 平面( 物面) ；p 2 为傅里叶变换平面( 频谱面) ；p 。为输出平面( 像面) 。 把位相物体放在物面p 。上，在单位振幅平面波的照射下，物体的投射光场 厂( 五，y 1 ) 为 f ( x i ，) = f ( 五，m ) = e x p 歹矽( 而，乃) ( 2 3 ) 假设被测样品是弱位相物体，即其位相变化满足条件 i 伊( 薯y ) l - 4 5 d b 动态范围 6 0 d b 灵敏度 1 6 v 5 5 0 n m l u x s 曝光模式 e r s 同步方式外触发、连续采集 可支持系统支持w i n d o w s 2 0 0 0 x p ，l i n u x 等操作系统 开发包s d k v c ，v b ，d e l p h i ，l a b v i e w 1 6 位相物体干涉测量与扫描成像系统的改进研究 传输距离 4 5 米( 加中继达7 2 米) 可编程控制图像尺寸、亮度、增益、帧率，曝光时间等 电源 1 2 v d c 功耗 7 警咿 = 亡厂( 聊，y ) ( 4 3 ) 式中方括号里实际上就是各列进行傅里叶变换和逆变换，因而就是 y ( m ，y ) 。所以重构图像就是各列灰度的均值的一维变化，实际上就是g ( y ) 。 4 2 极值间距算法 由于干涉条纹在灰度上具有余弦特性，但同时实际拍摄的图像并不理想化， 为解决这个问题，作者提出了新的干涉条纹周期的测量算法，由于条纹噪声在纵 向具有均匀分布特性，如图4 - 3 所示，因此提出极值间距算法，条纹在纵向加权， 得到一维函数，如图4 - 4 所示，通过计算一维函数中的极值点的坐标求的条纹的 周期和条纹的移动距离。 算法分为5 步： 一、对图像进行预处理，对未放入样品的拍摄图像进行灰度自适应，使得暗 条纹的灰度值在1 2 0 1 5 0 之间。 二、对拍摄的得到的图像纵向取和求平均值。 三、对得到的二维函数求极值点和极点坐标，如图4 4 所示，去掉间距低于 1 2 平均间距的噪声极点。 四、判断极值数组的第一个位置是否是图像上的第一个暗条纹位置，进行取 舍。 五、通过和未放入样品的拍摄图像的极值数组进行比较，求出干涉条纹周期， 进而求出测量样品的位相值。此方法对于图像上某区域出现损坏，如出现斑纹， 同样适用。 位相物体干涉测量与扫描成像系统的改进研究 图4 - 3 干涉条纹局部图 在( 3 ) 中求极值点和极点坐标时， 图4 - 4 一维极值图 编写极值算法不能采用区域最大值 ( - t t + - ) 的方法，因为一维函数有很多毛刺，因而求的是多个 极值点，作者采用加窗的方法，即局部最值的方法，由于系统稳定时一个屏的条 纹数是固定的，此实验系统一般在1 0 - - - 1 3 个，图像的横坐标为1 2 8 0 个点，作者 取窗的长度为1 0 0 。 0 1 2 9 0如4 0 0 如图4 5 是加窗的后的结果。 4 4 全自动相位物体测量与成像系统程序设计流程和界面 一、h i p 文件格式啪瑚3 由于采用的是v i s u a lc + + 软件，而且程序的设计中需要对图像位图进行保 存和处理，所以b m p 文件就变得比较重要。 b m p ( b i t m a p f i l e ) 图形文件是w i n d o w s 采用的图形文件格式，在w i n d o w s 环境下运行的所有图象处理软件都支持b m p 图象文件格式。w i n d o w s 系统内部各 图像绘制操作都是以b m p 为基础的。w i n d o w s3 0 以前的b 胛图文件格式与显示 位相物体干涉测量与扫描成像系统的改进研究 设备有关，因此把这种b m p 图象文件格式称为设备相关位图 d d b ( d e v i c e d e p e n d e n tb i t m a p ) 文件格式。w i n d o w s3 0 以后的b m p 图象文件与 显示设备无关，因此把这种b m p 图象文件格式称为设备无关位图 d i b ( d e v i c e i n d e p e n d e n tb i t m a p ) 格式( 注：w i n d o w s3 0 以后，在系统中仍然 存在d d b 位图，象b i t b l t0 这种函数就是基于d d b 位图的，只不过