论文摘要
现代光学测试技术是精密与超精密测量及微纳米检测的关键技术之一,光学干涉技术是现代光学测试技术的主要方面,它具有高灵敏度、高精度、非接触性及可实现实时测量等特点,其中相位测量干涉技术是近年来国内外研究热点之一。本文展开基于白光干涉的自稳定定量相位成像技术及其应用基础研究,不仅具有重要的科学意义,而且在物理学、化学、材料学、生物医学、光电子学等领域具有广泛的应用价值。本文阐述了光学干涉测试技术及相位测量干涉技术的研究及发展现状,在分析现有技术方法的特点及局限性的基础上,首次提出和发展了一种基于相位测量的干涉技术及新方法,开展了系统的理论、技术方法及实验研究,取得了显著的研究成果。第一章绪论概述了现代光学测试技术的发展,介绍了典型的干涉测量技术及仪器,在相位测量干涉技术的研究发展现状的基础上,结合本文研究内容的背景和目的,提出了本文的研究对象和研究目标。第二章讲述了相位测量干涉技术的原理和方法。介绍了相位调制的方法,相位测量的通用算法,采样条件,相位提取算法,相位去包裹及样品表面形貌重建等内容,说明了相位测量的三种常用方法:四步法、三步法、CARRE法,其中着重介绍了四步法。最后用具体的例子说明相位测量干涉测量的过程,对测量结果的误差进行了分析,讨论了系统相差的去除方法。第三章是基于相位测量的干涉技术及新方法研究,从总体方案、光路、控制电路、采样、相位提取、去包裹等方面阐述了本文的新方法。在常用的传统相位提取算法的基础上,提出了一种新型快速相位提取算法。以传统的相位去包裹数学模型为基础,讨论了快速离散余弦变换去包裹算法,在此基础上提出了新型的相位去包裹算法。第四章从系统的总体结构出发,分别从光源的特性分析及优化选择、自稳定定量相位成像的光路设计、相移装置的控制及校准、探测器探测成像、白稳定反馈及锁相电路等方面,详细说明了基于白光干涉的新型自稳定定量相位成像系统的研制过程,介绍了软硬件接口,最后用平面镜实验对系统进行了标定和调较。第五章讨论了本文研制的相位测量成像系统中存在的误差以及系统的性能优化,并对系统的分辨率和测量范围进行了分析。第六章中分别以标准负片测试图,水中的聚苯乙烯小球,人体上皮活体HeLa细胞为样品,获得了定量的清晰相位图像,实验结果表明,该定量相位成像自稳定系统具有分辨率高,稳定性好,噪音低,扩展性强的优点,可进一步用于对细胞表面运动的实时观测和研究分析。第七章在对本文工作进行总结的基础上,提出了今后工作和研究的方向。本文的创新工作如下:1.提出了一种基于白光干涉的新型白稳定定量相位测量成像的新方法。这一方法首次将柯拉照明引入白光迈克尔逊干涉计,大大提高了系统的空间相干性。采用另一探测光源,使用自行设计的自稳定锁相电路以减少相位噪声,有效的避免了系统中其他光学表面干扰信号的影响。使用压电陶瓷结合反馈电路将参考平面镜精确定位,同时设计了一个相移装置获得定量的相位图像,实现了对样品的实时观测。提出了快速相位提取和去包裹的新算法,以LabVIEW为平台编写了相位提取和去包裹的软件。2.发展了基于白光干涉的白稳定定量相位测量成像新技术,研制了光机电算一体化的干涉成像测量系统。该系统包括照明光路、测量成像光路、控制电路、自稳定反馈及锁相电路、图像采集、数据采集等主要部分。达到轴向分辨率5nm,因系统具有高空间相干性,横向分辨率也显著提高。3.开展了定量相位测量成像的实验技术研究,成功实现了标准负片测试图、水中聚苯乙烯小球的相位测量成像,实验结果表明,该定量相位成像自稳定系统具有分辨率高,稳定性好,噪音低,扩展性强的优点。开展了自稳定定量相位成像技术及系统的应用基础研究,定量的相位图像为生物样品的定量测量、活体细胞动力学的研究提供了一种新的手段和途径。取得了人体上皮活体HeLa细胞实时相位测量的研究成果,促进对生物活体细胞的研究和观测,具有广阔的应用前景。
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