光学共焦显微镜振镜扫描策略研究

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1、硕士学位论文光学共焦显微镜振镜扫描策略研究RESEARCHOFGALVANOMETERSCANNINGSTRATEGYBASEDONOPTICALCONFOCALMICROSCOPY由小玉哈尔滨工业大学2015年6月国内图书分类号：TH741.8学校代码：10213国际图书分类号：681.7密级：公开工程硕士学位论文光学共焦显微镜振镜扫描策略研究硕士研究生：由小玉导师：刘俭教授申请学位级别：工程硕士学科、专业：仪器仪表工程所在单位：自动化测试与控制系答辩日期：2015年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Clas

2、sifiedIndex:TH741.8U.D.C.:681.7DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHOFGALVANOMETERSCANNINGSTRATEGYBASEDONOPTICALCONFOCALMICROSCOPYCandidate：YouXiaoyuSupervisor：Prof.LiuJianAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：InstrumentationEn

3、gineeringAffiliation：DepartmentofAutomaticMeasurementandControlDateofOralExamination：June,2015University：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要光学共焦显微镜以其特有的噪声抑制特性和高轴向分辨力而广泛应用于微结构表面形貌测量及生物样品观察，是最具影响力的测量仪器之一。目前，基于振镜扫描的光学共焦显微镜采用的扫描策略是光栅式扫描策略，该扫描策略具有扫描运动重复

4、性好、三维表面形貌测量数据重构容易的优点。但是由于光栅式扫描策略采用的扫描控制波形是锯齿波，导致扫描速度提高困难，并且在振镜扫描运动中，振镜加速度突然增加会对振镜造成冲击，损伤振镜，减小振镜使用寿命，从而导致系统可靠性提高困难。光栅式扫描策略的扫描视场是方形的，而光学系统有效视场是圆形的，采用光栅式扫描策略存在着对于光学视场利用不充分的问题。本课题针对上述问题开展了振镜控制模型建立、光栅式扫描控制波形特点分析等工作，目的是提出能够扩大扫描视场、提高扫描速度和系统可靠性的扫描策略，解决光栅式扫描策略存在的问题，

5、为光学共焦显微镜振镜扫描策略提供新思路。本课题完成的主要内容如下：（1）完成了光学共焦显微镜三维扫描成像畸变分析。依据光学共焦显微成像原理，分析了基于检流式振镜光学共焦显微镜横向扫描畸变产生的主要原因，即振镜偏转角度与扫描视场非线性映射关系。（2）建立了检流式振镜系统控制模型。首先分析检流式振镜系统工作原理，基于对振镜工作原理的分析建立了其控制模型，并用MATLAB进行仿真实验，完成了振镜系统动态特性分析。仿真实验结果表明检流式振镜系统对正弦信号的跟踪性能优于锯齿信号。然后针对光栅式扫描存在的问题，提出了圆周

6、式扫描策略，实验表明，圆周式扫描策略扫描视场扩大了57%，数据有效利用率可达100%，扫描速度提高了9%，振镜在扫描运动中，没有冲击产生，不会对振镜造成损伤，因而提高了振镜系统可靠性。（3）设计并搭建了光学共焦显微镜振镜扫描单元。首先完成了光学共焦显微镜振镜扫描单元硬件设计，包括光路设计、机械设计及控制系统设计，并进行了安装调试；然后使用LabVIEW软件编写了光学共焦显微镜测量软件，包括三维扫描模块、倾斜校正模块、数据存储与处理模块及台阶高度计算模块等主要功能模块和软件人机交互设计。（4）完成了光学共焦显微

7、镜振镜扫描单元计量特性测量，并应用圆周扫描策略测量了标准台阶样品，测量值与标称值的偏差为0.6nm。关键词：光学共焦显微镜；扫描速度；可靠性；圆周式扫描策略；振镜-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractConfocalmicroscopyisoneofthemostinfluentialmeasuringapparatuswidelyusedinsurfacetopographymeasurementofmicro-structuresandobservationsofbiologicalsamp

8、leduetospecialtyonnoisesuppressionandhighaxialresolution.Sofar,thescanningstrategytheopticalconfocalmicroscopybasedongalvanometerscannersuses,israsterscanningstrategy,whichhasadvantagesoffinerepeatabil