基于数字微镜器件的三维共焦检测技术
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摘 要
共焦显微镜得到的图像对比度强，具有很好的横向分辨率和极高的纵向分辨
率，很适合微-纳米器件的三维检测。然而，传统共焦显微镜的缺陷也同样明显。
如单点式的共焦扫描系统采取逐点扫描，扫描效率低下，样品的运动机械控制复
杂。采用微透镜阵列可以在完全没有机械运动机构的情况下实现并行检测，但其
制造工艺复杂，商品化程度不高，大大制约了实用性。
为此 ，我们对基于数字微镜器件(Digital Micromirror Device,以下简称 DMD)
的并行共焦检测技术进行了研究，利用 DMD 和CMOS 替代传统系统中的照明针
孔和探测针孔，通过计算机控制 DMD 的像素块，形成不同大小和周期的“虚拟针
孔”，同时使用经过了优化的并行横向扫描方式，并且通过纳米定位台实现精确的
纵向移动，实现三维扫描控制及图像的全自动采集。
本文重点研究了基于 DMD 的并行共焦检测的分辨能力。为此，我们采用了不
同的“虚拟针孔”和物理照明针孔，分别对试验样品进行图像采集和图像处理，在进
行了阈值处理、消噪处理、归一化工作后，得到了深度响应曲线，从而验证了基
于DMD 的并行共焦检测系统的共焦性，证明了由 DMD 形成的“虚拟针孔”完全能
够替代传统共焦检测系统中的实际照明针孔。
同时，实验获得了由不同 DMD 像素块生成的“虚拟针孔”阵列（如大小、周期
等特性）对于轴向分辨率的影响的实际信息；找到了消除噪声效果较好的图像预
处理算法，即均值滤波法；而且通过比较，确定了适合本实验研究的图像处理方
法，即极值搜索法，从而实现了基于 DMD 并行共焦检测图像的三维重建。
关键词：共焦显微镜 数字微镜器件 数字图像处理 图像三维重建
ABSTRACT
Confocal microscopy, with fine contrast ratio, high lateral resolution and excellent
axial resolution, can be applied in the dimensional measurement for micro-nano devices.
However, the deficiencies of conventional confocal microscope are quite obvious, too.
The efficiency of traditional scanning confocal microscope is rather low, together with
complex mechanical control system; the usage of micro lens array can realize a “parallel
measurement” without any mechanical structure, but its fabrication is too difficult,
which limited its availability.
Therefore, a Digital Micromirror Device(DMD) based parallel confocal
measurement was researched, where DMD and CMOS took the place of the
illumination pinhole and detection pinhole in conventional confocal microscope so that
“virtual pinhole array” with different size and period was formed by
computer-controlled DMD pixels. Optimized lateral scanning scheme was also
introduced into the measurement, together with precise positioning stage, automatic
scanning control and image capture were realized.
The article primarily studied the resolution of DMD-based parallel confocal
measurement system. First, we use different "virtual pinholes" and physical illumination
pinholes to measure an “ideal” reflector to obtain their depth response curve after the
process like threshold-setting, noise-decreasing and normalization. The result
demonstrated that the “virtual pinhole” made up of DMD pixels can completely replace
illumination pinholes in conventional confocal microscopes.
Meanwhile, through the experiment, we obtained the information about the
influence of the DMD “virtual pinholes” on the axial resolution. We found the best
image pretreatment for cleaning up yawp, that is, the average filtering method. through
comparison, we decided the image processing algorithmfor this experiment, that is,
the extreme search method. Thus, we can achieve the 3D-image reconstruction for the
DMD-based parallel confocal measurement system.
Key Words: Confocal microscope, Digital micromirror device,
Digital image processing, 3D-image reconstruction
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .....................................................................................................................1
§1.1 传统共焦显微镜 ..................................................................................................1
§1.1.1 共焦显微镜的历史发展 ................................................................................1
§1.1.2 传统共焦显微镜的原理及缺陷 ....................................................................2
§1.2 数字图像处理技术 ...............................................................................................4
§1.2.1 概述 ................................................................................................................4
§1.2.2 数字图像处理技术内容与特点 ....................................................................4
§1.2.3 数字图像处理的发展和应用 ........................................................................5
§1.3 课题来源与意义 ..................................................................................................6
§1.4 论文主要研究内容 ..............................................................................................7
第二章 基于 DMD 的并行共焦测量系统 ......................................................................8
§2.1 传统并行共焦测量系统 .......................................................................................8
§2.2 并行共焦测量系统的特性 ...................................................................................8
§2.2.1 横向分辨率 .....................................................................................................8
§2.2.2 轴向分辨率 .....................................................................................................9
§2.2.3 光源对轴向分辨率的影响 ...........................................................................10
§2.2.4 物镜对轴向分辨率的影响 ...........................................................................10
§2.2.5 探测器对轴向分辨率的影响 .......................................................................11
§2.3 基于数字微镜器件的共焦显微镜 ....................................................................12
§2.3.1 数字微镜器件 ...............................................................................................12
§2.3.2 系统结构与工作原理 ..................................................................................14
§2.3.3 系统的横向扫描机制 ...................................................................................15
§2.4 扫描控制系统组成与控制流程 .........................................................................17
§2.5 本章小结 .............................................................................................................18
第三章 “虚拟针孔”对并行共焦测量系统的影响 ...................................................19
§3.1 “虚拟针孔”特性及半极大值宽度 ................................................................19
§3.2 “虚拟针孔”和物理针孔对 FWHM 的影响 ..................................................21
§3.3 “虚拟针孔”阵列特性对 FWHM 的影响 ......................................................23
§3.3.1 “虚拟针孔”大小对 FWHM 的影响 .............................................................23
§3.3.2 “虚拟针孔”周期对 FWHM 的影响 .............................................................24
§3.4 基于 DMD 的共焦检测系统的图像采集 .........................................................27
§3.5 本章小结 ............................................................................................................28
第四章 测量系统的图像预处理和三维重建 ...............................................................29
§4.1 图像预处理方法介绍及分析 ............................................................................29
§4.1.1 均值滤波法 ...................................................................................................30
§4.1.2 中值滤波法 ...................................................................................................30
§4.1.3 自适应滤波法 ...............................................................................................31
§4.1.4 图像预处理方法的比较 ...............................................................................32
§4.2 图像三维重建方法介绍及分析 ........................................................................32
§4.2.1 极值搜索法 ..................................................................................................32
§4.2.2 高斯拟合法 ...................................................................................................33
§4.2.3 三点高斯拟合法 ...........................................................................................35
§4.2.4 极值搜索法与高斯拟合法分析 ...................................................................36
§4.3 共焦测量系统的图像处理算法 ........................................................................40
§4.4 样品的轮廓三维重建结果 .................................................................................41
§4.5 本章小结 ............................................................................................................43
第五章 总结 ...................................................................................................................44
§5.1 本文总结 ............................................................................................................44
§5.2 需要改进的工作 .................................................................................................44
参考文献 .........................................................................................................................46
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................49
致 谢 ...............................................................................................................................50
第一章 绪论
1
第一章 绪论
§1.1 传统共焦显微镜
§1.1.1 共焦显微镜的历史发展
光学显微镜[1~3]自问世以来，已历经了四百年的演变，对于近代科学的发展有
极大的影响。世界上第一台显微镜是在 16 世纪末。1590 年的一个早晨，荷兰密得
尔堡一个眼镜店的老板詹森去楼顶上闲玩。无意中，他把两片凸玻璃片装到一个
金属管子里，并用这个管子去看街道上的建筑物，奇怪的事情发生了，教堂高塔
上大公鸡的雕塑比原来大了好几倍，这个意外的发现，使詹森兴奋起来，他高兴
地跑下楼去，把父亲也拉上楼来观看，一起和他分享这种新发现带来的愉快。之
后，詹森父子他们抓住这个偶然的发现，认真思索，反复实践，用大大小小的凸
玻璃片做各种距离不等的配合，终于发明了世界上第一台显微镜。之后，显微镜
技术日新月异，十七世纪时，英国人 Robert Hooke 利用自行制作的复合式显微镜
发现了生物是由细胞所组成。十九世纪时，显微镜的发展已有长足的进步，并奠
立了现今显微镜的规格。但由于传统光学显微镜分辨率较低，其发展一度被宣告
终止。这个难题直到共焦扫描显微镜[4~5]发明后才得以解决。
“共焦”一词源自于显微镜的物镜焦点与成像透镜（即集光镜）焦点位置相互对
称，也就是照明点与探测点在光学成像上共轭，两镜的焦点同时落在观察样品的
表面。共焦显微镜的探测器拥有“独特”的针孔以及空间滤波，这使得它具备了传统
光学显微镜所没有的光学切片能力。其所利用的原理是当光束聚焦在样品之处不
是焦平面时，则自样品反射的大部分光无法通过光探测器前的针孔而无法成像；
反之，则能产生极强的光讯号。
共焦扫描显微的原理，在 1957 年时已由 Marvin Minsky 提出[6]，但由于当时
缺乏适当的光源与数据处理的能力，使得这一原理仍停留在纯理论阶段，它真正
成为一个实用的显微技术则是等到激光与个人计算机发明以后。1969 年时，Paul
Davidovits 和M. David Egger 利用激光做出了第一台共焦扫描显微镜。[7]第一台商
业化的共焦扫描显微镜则是到 1987 年才问世。随后，单光子共焦显微镜的光学理
论首先由英国牛津大学的 Colin Sheppard 和Tony Wilson 提出[8]。美国康乃尔大学
的Watt W. Webb 等人则于 1989 年实验证实了双光子共焦显微镜的独特性。Colin
Sheppard 和Min Gu 则提出了相对应的双光子共焦显微镜的光学理论[9~10]。
1996 年
由Peter Torok 提出向量场的成像理论，解决了对极大 NA 值的聚焦情形无法圆满
描述的问题。近年来，无论是激光技术或者是个人计算机都有着惊人的发展，使
得共焦显微技术更加完备。
基于数字微镜器件的三维共焦检测技术
2
§1.1.2 传统共焦显微镜的原理及缺陷
图1-1 传统共焦显微镜原理图
图1-1 是两种不同的共焦显微镜的原理图。上图为反射式共焦显微镜光路，下
图为透射式共焦显微镜[11]光路。两种方式主要区别在于对物体有不同要求，透射
式的测量物一般都是透明的，即利用透射。而反射式利用物体的反射光。因本文
中论述的三维共焦检测系统为反射式，故现在以反射式阐述它的基本原理。假设
被测物是一个全反射体（如反射镜），沿着物镜的光轴方向对它进行扫描。当物
体表面某点在焦平面时，则该点的反射光束被精确地聚焦在点探测器上，此时探
测器接收到大量的入射光能量。若反射物从焦平面上移开，则该点的反射光束会
偏离原来点探测器能够接受到大量入射光能量的位置，而聚集在点探测器的前面
或后面的某个位置上，故大部分光过不去，只有一部分光会被探测器接收。这样
一来，偏离焦平面的信号光强肯定比位于焦平面上的信号光强弱。该性质意味着
反射物的位置是可以确定的，因为当且仅当被测物位于焦平面上时，其反射像才
会被有效地记录下来。然后对物体不同层面进行扫描，就可以得到不同表面的像，
最后对得到的图像进行图像处理就可以得到物体三维形貌。
<sp>
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摘要共焦显微镜得到的图像对比度强，具有很好的横向分辨率和极高的纵向分辨率，很适合微-纳米器件的三维检测。然而，传统共焦显微镜的缺陷也同样明显。如单点式的共焦扫描系统采取逐点扫描，扫描效率低下，样品的运动机械控制复杂。采用微透镜阵列可以在完全没有机械运动机构的情况下实现并行检测，但其制造工艺复杂，商品化程度不高，大大制约了实用性。为此，我们对基于数字微镜器件(DigitalMicromirrorDevice,以下简称DMD)的并行共焦检测技术进行了研究，利用DMD和CMOS替代传统系统中的照明针孔和探测针孔，通过计算机控制DMD的像素块，形成不同大小和周期的“虚拟针孔”，同时使用经过了优化的并行...
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