การวิจัยเรื่องการตรวจจับรูปร่างสามมิติของกล้องจุลทรรศน์ส่องสว่างแบบอินเตอร์เฟอโรเมตริกแบบแสงไม่ขนาน
การพัฒนาอย่างรวดเร็วของการผลิตเครื่องจักรและอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์ได้ก่อให้เกิดความต้องการที่สูงขึ้นสำหรับเทคโนโลยีการตรวจจับของสัณฐานวิทยาด้วยกล้องจุลทรรศน์ ในปัจจุบัน การตรวจจับรูปร่างสามมิติสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท คือ แบบสัมผัสและแบบไม่สัมผัส วิธีการติดต่อส่วนใหญ่หมายถึงวิธีสไตลัส หลักการของมันคือการแปลงการกระจัดขนาดเล็กในทิศทางแนวตั้งของสไตลัสให้เป็นสัญญาณไฟฟ้าและขยายสัญญาณ เพื่อให้ได้การกระจายรูปร่างสามมิติของพื้นผิวการตรวจจับ วิธีการตรวจจับแบบไม่สัมผัสส่วนใหญ่รวมถึงวิธีการโฟกัสลำแสง วิธีการฉายแสงแบบมีโครงสร้าง และอินเตอร์เฟอโรเมตรี วิธีการโฟกัสด้วยลำแสงใช้จุดแสงที่โฟกัสเป็นโพรบออปติคัลเพื่อสแกนพื้นผิวการตรวจจับเพื่อรับข้อมูลสามมิติ วิธีนี้สามารถตรวจจับรูปทรงสามมิติที่ซับซ้อนได้ แต่ความเร็วในการวัดจะช้า วิธีการอินเทอร์เฟอโรเมทรีและการฉายแสงแบบมีโครงสร้างจะตรวจจับรูปทรงพื้นผิวโดยการแก้ปัญหาการเสียรูปบริเวณขอบ โดยที่อินเทอร์ฟีโรเมทรีใช้หลักการของการเชื่อมโยงกันของเส้นใยหรือการเชื่อมโยงกันของลำแสงคู่ขนาน รวมถึงอินเตอร์เฟอโรเมตรีเลเซอร์และอินเตอร์เฟอโรเมตรีการสแกนด้วยแสงสีขาว เมื่อใช้การเชื่อมโยงกันของใยแก้วนำแสง จำเป็นต้องร่วมมือกับเลนส์ใกล้วัตถุที่มีระยะการทำงานมาก ซึ่งจะจำกัดการขยายของเลนส์ใกล้วัตถุ อินเตอร์เฟอโรเมตริกการสแกนด้วยแสงสีขาวใช้แสงสีขาวสเปกตรัมกว้างเป็นแหล่งกำเนิดแสงและใช้หลักการของการเชื่อมโยงกันของลำแสงคู่ขนาน ข้อผิดพลาดของการวัดเพียงครั้งเดียวคือภายใน 20 นาโนเมตร ข้อมูลต่างๆ เช่น คอนทราสต์และความเข้มของแสงจะเป็นตัวกำหนดความลึกสัมบูรณ์ของพื้นผิวที่กำลังวัด วิธีการฉายแสงแบบมีโครงสร้างจะหลีกเลี่ยงการใช้อุปกรณ์สแกนและมีความเร็วในการสร้างใหม่ที่เร็วที่สุด อย่างไรก็ตาม เมื่อมีมุมระหว่างระนาบการฉายภาพและระนาบระยะ จำเป็นต้องแก้ไขระยะขอบ ดังนั้นวิธีนี้จึงไม่เหมาะสำหรับสัณฐานวิทยาที่มีความแม่นยำระดับซับไมครอน การวัด ในบทความนี้ ข้อดีของวิธีการฉายแสงแบบมีโครงสร้างและวิธีอินเตอร์เฟอโรเมทรีของแสงแบบคู่ขนานถูกรวมเข้าด้วยกัน ลำแสงถูกเบี่ยงเบนโดยโมดูเลเตอร์แสงเชิงพื้นที่ และคำสั่งการเลี้ยวเบนสองคำสั่งที่มีความเข้มแสงใกล้เคียงกันถูกนำมาใช้เพื่อแทรกแซงเพื่อสร้างขอบ ปรับระยะขอบ เนื่องจากหลีกเลี่ยงการใช้อุปกรณ์สแกนและระนาบอ้างอิง วิธีการที่นำเสนอจึงไม่จำเป็นต้องใช้วัตถุประสงค์ของการรบกวน และไม่มีข้อจำกัดเกี่ยวกับรูรับแสงที่เป็นตัวเลขของวัตถุประสงค์ที่ใช้ กระบวนการสร้างใหม่จึงรวดเร็ว และความละเอียดด้านข้างที่สูงขึ้นสามารถทำได้ นอกจากนี้ เนื่องจากขอบถูกสร้างขึ้นจากการรบกวนของลำแสง เฟสจึงกระจายเป็นเส้นตรงด้วยพิกัดพิกเซล และไม่มีปรากฏการณ์ของการเปลี่ยนแปลงขอบเป็นระยะในวิธีการฉายภาพ สุดท้าย บทความนี้ใช้โมดูลเปรียบเทียบความหยาบกับ Ra 100nm เป็นตัวอย่างที่ทดสอบเพื่อทำการทดลอง วิธีการเปลี่ยนเฟสสี่ขั้นตอนใช้เพื่อให้ได้พอยต์คลาวด์สามมิติบนพื้นผิวของตัวอย่างที่ทดสอบ ความสูงสัมพัทธ์ที่แท้จริงระหว่างจุด
เส้นทางแสงทดลอง
เป็นแผนภาพเส้นทางแสงของกล้องจุลทรรศน์การส่องสว่างแบบรบกวนแสงแบบไม่ขนานที่เสนอในบทความนี้ ลำแสงเลเซอร์จะเข้าสู่ปริซึมแบบแยกลำแสงของกล้องจุลทรรศน์ผ่านตัวขยายลำแสง L3 ตัวปรับแสงเชิงพื้นที่และเลนส์โฟกัส L2 ทำให้เกิดเส้นทางแสงส่องสว่างของระบบกล้องจุลทรรศน์ โมดูเลเตอร์แสงเชิงพื้นที่สามารถปรับแอมพลิจูดของแสงที่ตกกระทบตามภาพที่อัปโหลด เมื่อภาพที่อัปโหลดเป็นขอบ ฟังก์ชันของภาพจะเทียบเท่ากับตะแกรงสะท้อนแสง โดยจะปรับการเบี่ยงเบนของตัวปรับแสงเชิงพื้นที่เพื่อให้ลำแสงที่เลี้ยวเบน 2 ลำซึ่งมีความเข้มของแสงใกล้เคียงกันเข้าสู่ปริซึมไดโครอิก หลังจากที่โฟกัสด้วยเลนส์ใกล้วัตถุของกล้องจุลทรรศน์ รบกวนพื้นผิวของตัวอย่างที่วัดได้เพื่อสร้างขอบรบกวน
โมดูเลเตอร์แสงเชิงพื้นที่เป็นอุปกรณ์หลักของระบบ และระยะเวลาและเฟสของขอบสามารถปรับเปลี่ยนได้อย่างแม่นยำโดยการเปลี่ยนรูปแบบขอบที่อัปโหลดระหว่างการทดลอง โดยปกติแล้ว เพื่อปรับปรุงความแม่นยำด้านข้างของ 3D reconstruction point cloud จำเป็นต้องปรับระยะขอบให้ใกล้เคียงกับความละเอียดด้านข้างของกล้องจุลทรรศน์ ในขณะนี้ มุมรบกวนสูงสุดของลำแสงทั้งสองสามารถคำนวณได้จากตัวเลขค่ารูรับแสง NA ของเลนส์ใกล้วัตถุ
ตามพารามิเตอร์ของเลนส์ใกล้วัตถุของกล้องจุลทรรศน์ที่ใช้ในระบบ (100 , NA=0.8) มุมการรบกวนสูงสุดของลำแสงคู่คือ 106 องศา และความละเอียดของระบบที่คำนวณตามเกณฑ์ของ Rayleigh คือ 406nm ในการทดลอง ระยะขอบต่ำสุดที่สามารถปรับได้คือ 452 นาโนเมตร ซึ่งบ่งชี้ว่าภายในช่วงขอบมีความสัมพันธ์ที่สอดคล้องกันระหว่างการเลื่อนเฟสและความสูงของจุดพิกเซลอย่างน้อยหนึ่งจุด นั่นคือ ความแม่นยำด้านข้างของโครงสร้างที่สร้างขึ้นใหม่ point cloud คือ 452nm ซึ่งใกล้เคียงกับความละเอียดภาพของระบบ เนื่องจากมีช่วงขอบขนาดเล็ก การเสียรูปของขอบจึงมีความไวมากกว่าขอบช่วงขนาดใหญ่ ดังนั้นจึงมีความแม่นยำในแนวแกนสูงกว่า ในแง่ของการปรับเฟส อินเทอร์เฟอโรเมตริกการสแกนด้วยแสงสีขาวจำเป็นต้องย้ายเลนส์ใกล้วัตถุรบกวนในทิศทางตามแนวแกนด้วยความช่วยเหลือของอุปกรณ์เพียโซอิเล็กทริก จากนั้นปรับเฟสให้พอดีโดยการปรับเทียบค่าความแตกต่างของเส้นทางออปติคัลที่เป็นศูนย์ในแต่ละภาพที่สแกน ดังนั้นจึงมี ข้อผิดพลาดบางอย่างในค่าเฟส ในระบบของเรา การปรับเฟสทำได้โดยการควบคุมพิกเซลบนตัวปรับแสงเชิงพื้นที่โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์สแกน ดังนั้นจึงมีความแม่นยำในการปรับเฟสสูงกว่า บนพื้นฐานนี้ จะใช้วิธีการเลื่อนเฟสเพื่อคำนวณค่ามอดูเลตเฟสของแต่ละจุดบนภาพ สามารถรับผลการสร้างใหม่ 3 มิติที่มีความละเอียดด้านข้างสูงได้ภายใต้อัลกอริธึมการสร้างใหม่ที่รวดเร็วขึ้น
อัลกอริทึมการสร้างใหม่
ในบทความนี้ วิธีการเปลี่ยนเฟสสี่ขั้นตอนจะใช้เพื่อสร้างโครงร่างสามมิติของตัวอย่างที่วัดขึ้นใหม่ ซึ่งแบ่งออกเป็นสามขั้นตอน: การประมวลผลภาพล่วงหน้า การสกัดภาพการปรับเฟส และการกรองจุดรบกวน ต่อไปนี้จะนำโมดูลเปรียบเทียบความหยาบกับ Ra=100nm เป็นตัวอย่างเพื่ออธิบายอัลกอริทึมที่ใช้ในแต่ละขั้นตอน 2.1 การประมวลผลภาพล่วงหน้า เนื่องจากระบบสร้างภาพใช้แสงเลเซอร์ อิทธิพลของจุดเลเซอร์ต่อรูปแบบการรบกวนจึงเป็นสิ่งที่หลีกเลี่ยงไม่ได้ ในขั้นตอนการประมวลผลล่วงหน้าขอบสัญญาณรบกวน กระดาษนี้ใช้ตัวกรองสัญญาณความถี่ต่ำแบบวงรี เพื่อให้รัศมีการกรองตามแนวขอบในโดเมนความถี่ของภาพเป็นสองเท่าของทิศทางแนวตั้งของขอบ รูปแบบขอบปรากฏเป็นจุดสว่างสมมาตรกึ่งกลางสองจุดในโดเมนความถี่ และทิศทางของเส้นเชื่อมต่อระหว่างจุดทั้งสองนั้นตั้งฉากกับทิศทางของขอบ และทิศทางของเส้นเชื่อมต่อถูกกำหนดเป็นแกนยาวของ วงรี เนื่องจากระยะขอบใกล้เคียงกับความละเอียดของภาพ แกนหลักจึงถูกกำหนดให้มีระยะห่างสองเท่าของจุดสว่าง 2 จุด และแกนรองจะมีระยะห่างเท่ากับ 2 จุด การออกแบบดังกล่าวสามารถลดผลกระทบของสัญญาณรบกวนจุดในโซลูชันเฟสสัมพัทธ์ได้ในด้านหนึ่ง และในทางกลับกัน สามารถหลีกเลี่ยงข้อมูลการมอดูเลตในรูปแบบสัญญาณรบกวนไม่ให้ถูกกรองออกไปได้มากที่สุด แสดงผลการประมวลผลภายใต้วิธีการกรองแบบไอโซทรอปิกและแอนไอโซทรอปิก การเปรียบเทียบสามารถลดสัญญาณรบกวนของภาพตามแนวขอบ ในขณะที่ยังคงรักษาการเสียรูปของขอบ
