三維輪廓成像的案例
三維輪廓儀測粗糙度：光學3D表面輪廓儀功能詳解
光學3D表面輪廓儀為這一需求提供了解決方案。
在半導體制造、3C電子、光學加工等高精度行業，表面粗糙度的測量精度直接影響到產品的性能和可靠性。SuperView W系列光學3D表面輪廓儀正是為了滿足這一需求而設計的。
產品特點
SuperView W系列光學3D表面輪廓儀采用了白光干涉技術，結合精密Z向掃描模塊和3D建模算法，能夠對各種精密器件及材料表面進行亞納米級的測量。這種非接觸式的掃描方式不僅避免了對被測物體的損傷，還提供了高測量精度和重復性。
測量原理
該系列輪廓儀的工作原理基于光學干涉技術，通過白光LED作為光源，對被測物體表面進行照射。由于白光具有寬廣的光譜，能夠提供更高的測量精度和分辨率。通過精密的Z向掃描，設備能夠捕捉到物體表面的微觀形貌，并利用3D建模算法重建出物體的3D圖像。
應用領域
SuperView W系列光學3D表面輪廓儀的應用領域非常廣泛，包括但不限于半導體制造、3C電子產品的玻璃屏、光學元件的曲率和輪廓尺寸測量、超精密加工、微納材料制造、汽車零部件以及航空航天和科研院所的研究工作。
性能特色
1. 高精度與高重復性：采用的光學干涉技術和精密Z向掃描模塊，確保了測量的高精度。
2. 環境噪聲檢測功能：能夠定量評估外界環境對測量的干擾，為設備調試和故障排查提供數據支持。
3. 精密操縱手柄：集成了X、Y、Z三個方向的位移調整功能，使得測量前的準備工作更加快捷。
4. 雙重防撞保護措施：軟件和硬件雙重保護，最大限度降低操作風險。
5. 雙通道氣浮隔振系統：提供了穩定的工作環境，即使在沒有外接氣源的情況下也能正常工作。
展開 光刻技術第7期 | 二維與三維矢量成像模型對比-零波像差雙遠心成像
01/簡介
零波像差雙遠心物鏡以“視場全域波前畸變趨近于零、物像比例恒定”的特性，成為3D NAND、精密微納制造等場景的核心光學器件，但其對成像模型的維度適配性提出嚴苛要求。二維矢量成像模型雖能滿足平面圖形的偏振態表征需求，卻因忽略深度方向光場耦合與厚掩模衍射效應，無法適配三維堆疊圖形的成像預測。
三維矢量成像模型通過全空間矢量光場建模，可精準捕捉雙遠心光路下三維偏振演化與深度衍射規律，成為破解該瓶頸的關鍵。本文以零波像差雙遠心成像為視角，對比二維與三維矢量模型的適配性差異，重點聚焦三維模型的應用機理，為先進三維制程光刻精度提升提供理論支撐。
02/三維矢量成像模型在零波像差雙遠心物鏡中的應用
零波像差、雙遠心成像時，物鏡三維偏振像差的偏振追跡矩陣與二維偏振像差的瓊斯矩陣可相互轉換。
從瓊斯矩陣轉換為三維偏振追跡矩陣，只需借助物方和像方的變換矩陣：將物方變換矩陣、瓊斯矩陣、像方變換矩陣依次結合，即可得到對應的三維偏振追跡矩陣。
而物方、像方變換矩陣的元素，對應的是“物方局部坐標系在全局坐標系中的坐標”“像方局部坐標系在全局坐標系中的坐標”——這些坐標信息是實現矩陣轉換的基礎支撐。
這一轉換能力，讓零波像差雙遠心物鏡中的偏振像差處理，能在三維與二維矩陣間靈活切換，適配不同的計算與優化場景。
二維-三維坐標系與矩陣轉換
光刻成像模型中x-y坐標系（全局）和i-j坐標系（局部）示意圖如圖所示。
展開 光刻技術第8期 | 二維與三維矢量成像模型對比-零波像差非雙遠心成像
01/簡介
零波像差非雙遠心物鏡憑借“波前畸變趨近于零、適配大視場與復雜物距場景”的優勢，在精密光刻、微納檢測等領域廣泛應用，但其視場邊緣物像比例變化特性，對成像模型的維度適配性提出更高要求。
二維矢量成像模型雖能表征平面圖形偏振態，卻因忽略深度光場耦合、厚掩模衍射及視場-深度耦合效應，無法精準預測三維圖形成像質量。三維矢量成像模型通過全空間矢量光場建模，可精準捕捉非雙遠心光路下三維偏振演化與深度衍射規律，成為破解瓶頸的關鍵。本文以零波像差非雙遠心成像為視角，對比二維與三維模型適配性，重點聚焦三維模型應用機理，為先進三維制程光刻精度提升提供支撐。
02/三維矢量成像模型在零波像差非雙遠心物鏡中的應用
遠心度與模型差異的量化關系
各級衍射光主光線轉動關系示意圖
物鏡像方遠心度衡量：投影物鏡像方主光線方向單位矢量[kx,ky,kz]，用kx/kz,ky/kz表示。
模型差異隨kx/kz的變化：kx/kz增大10倍，仿真結果差異增大100倍左右；當kx/kz從10-3變化到10-1時，差異從10-6量級變化到10-2量級。
零像差非雙遠心物鏡下的差異量化
仿真條件：接觸孔掩模、中心點光源X偏振照明、物鏡像方kx/ky=0.1、瓊斯矩陣為單位矩陣。
掩模圖形示意圖
差異結果：二維與三維模型空間像相對強度分布差異在10-2量級，最大絕對差值9.3x10-2、平均絕對值差4.5x10-2、差值均方根5.1x10-2。
二維矢量成像模型與三維矢量成像模型仿真零像差非遠心物鏡成像結果
結論：三維矢量成像模型預測非雙遠心物鏡成像更精確。
展開 三維輪廓測量儀：革命性技術在工業智能制造中的多重應用
現代工業智能制造領域中，三維輪廓測量儀是一項重要的測量技術。三維輪廓測量儀利用光學、激光或光電等技術手段，通過測量物體表面輪廓的三維坐標信息，能實現對物體形狀、尺寸和表面特征的準確測量。它可以廣泛應用于工業自動化、制造工藝控制、產品質量檢測等領域，為工業生產提供了更強大的技術支持。
微納三維輪廓測量：光學3D表面輪廓儀
在產品制造、產品質量檢測過程中，精確的尺寸控制和表面質量是保證產品質量的關鍵。接觸式測量方法不僅測量效率低下，而且可能會對被測物體造成損傷。
光學3D表面輪廓儀以白光干涉原理，3D非接觸快速測量分析樣品表面形貌的關鍵參數和尺寸。保證產品尺寸和表面質量的一致性，提高生產效率和產品質量。
無論是金屬制品、塑料制品，還是電子元器件、汽車零部件，光學3D表面輪廓儀都能夠準確地檢測產品的尺寸、形狀和表面特征，快速、準確地提供相關的檢測數據。
大尺寸三維輪廓測量：激光跟蹤儀
在工業自動化中，隨著工業制造的自動化程度不斷提高，對于物體的自動化識別和測量成為了一個重要的問題。
激光跟蹤儀采用球坐標系的測量原理，將空間點通過測量水平、俯仰兩個角度和一個長度實現空間位置的定位，再由軟件將所采集的位置進行擬合，在軟件中形成三維特征，從而實現對物體的自動化實時測量。
不論是在裝配線上，還是在機器人操作中，激光跟蹤儀都能夠快速獲取物體的位置信息，從而實現對物體的自動化識別和操作，提高生產效率和準確性。
三維輪廓測量儀作為一項革命性技術，在制造工藝控制、產品質量檢測和工業自動化中具有重要的意義。
展開 
機器人視覺三維成像技術全解析
摘要
本文針對智能制造領域機器人視覺感知中的三維視覺成像技術進行綜述,系統地總結了一些有代表性的機器人視覺成像方法的特點和實際應用中的局限性,內容涉及飛行時間三維成像、點線掃描三維成像、色散共焦成像、結構光投影三維成像、光學偏折成像、單目與多目立體視覺三維成像和光場成像等。繪制了各種視覺成像的圖譜,并探討了機器人手眼系統最佳三維成像方法。
在工業4.0時代，國家智能制造高速發展，傳統的編程來執行某一動作的機器人已經難以滿足現今的自動化需求。在很多應用場景下，需要為工業機器人安裝一雙眼睛，即機器人視覺成像感知系統，使機器人具備識別、分析、處理等更高級的功能，可以正確對目標場景的狀態進行判斷與分析，做到靈活地自行解決發生的問題。
一、機器視覺系統組成
典型的機器視覺系統可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運動控制部分?；赑C的視覺系統具體由如圖1所示的幾部分組成：
圖1 機器視覺系統組成
①工業相機與工業鏡頭——這部分屬于成像器件，通常的視覺系統都是由一套或者多套這樣的成像系統組成，如果有多路相機，可能由圖像卡切換來獲取圖像數據，也可能由同步控制同時獲取多相機通道的數據。根據應用的需要相機可能是輸出標準的單色視頻（RS-170/CCIR）、復合信號（Y/C）、RGB信號，也可能是非標準的逐行掃描信號、線掃描信號、高分辨率信號等。
②光源——作為輔助成像器件，對成像質量的好壞往往能起到至關重要的作用，各種形狀的LED燈、高頻熒光燈、光纖鹵素燈等都容易得到。
展開 光刻技術第6期 | 三維嚴格矢量光刻成像
01/簡介
3D NAND、3D IC等立體集成電路的高密度堆疊需求，推動光刻圖形向三維立體化深度演進，傳統二維模型已難以適配厚掩模深度衍射及偏振態三維演化的復雜物理過程。高數值孔徑（NA>1）光刻系統下，厚掩模的多層結構引發光場多次反射與耦合衍射，疊加三維偏振像差的視場-深度耦合效應，導致關鍵尺寸均勻性（CDU）與側壁傾斜度控制精度驟降。
計算三維嚴格矢量成像模型是破解該瓶頸的核心理論工具，其對厚掩模衍射機制的精準建模與三維偏振像差的定量表征，直接決定立體圖形光刻保真度。本文聚焦厚掩模衍射下的光刻成像理論內核，深挖三維矢量模型中偏振像差的作用機理，為先進三維制程光刻精度提升提供關鍵理論支撐。
全局坐標系示意圖
02/厚掩模衍射下的光刻成像理論
在三維矢量成像模型中，掩模圖形結構尺寸接近甚至小于照明光的波長，基爾霍夫薄掩模近似不能準確描述光刻成像性能。利用基爾霍夫近似和嚴格電磁場理論模型得到的掩模衍射近場分布如圖所示。
利用基爾霍夫近似和嚴格電磁場理論模型得到的掩模衍射近場分布
三維厚掩模效應會顯著影響光刻成像性能，必須嚴格求解麥克斯韋方程組，準確獲得三維厚掩模衍射場分布，進而獲得嚴格矢量成像。
而掩模的衍射遠場（也就是投影物鏡入瞳處的電場分布），是多核心參數協同作用的結果：它關聯了平面波的傳播距離、方向余弦，也和三維厚掩模的衍射遠場（由掩模照明角度、自身結構與材料等參數決定）、投影物鏡的透射率函數，以及入射到掩模的平面波函數緊密相關——這一電場分布，正是厚掩模光刻成像的核心基礎輸入。
展開 基于 COMSOL-MATLAB 聯合仿真的參數化三維心臟電阻抗成像模型
摘要：電阻抗成像（Electrical Impedance Tomography, EIT）是一種無創的體內電導率分布重建技術，廣泛應用于心肺功能監測等生物醫學領域。為實現更貼近生理狀態的心臟動態仿真，本研究構建了一個可參數化的三維心臟模型，并通過 COMSOL Multiphysics 與 MATLAB 平臺聯合實現仿真。模型在心臟表面布置了24個電極，支持多組電流激勵與電壓采集；同時，通過正弦函數表達式實現對心臟收縮周期的模擬。借助 COMSOL API 與 MATLAB 腳本，完成了24組電流注入下的電場、電壓與電流密度仿真計算。進一步，提取了電場各方向分量并構建了靈敏度矩陣（Jacobian matrix），為后續電導率反演與圖像重建提供基礎。該平臺可用于動態心臟 EIT 正問題研究，并支持圖像反演算法訓練及病變模擬拓展。
關鍵詞：電阻抗成像；心臟模型；三維參數化；COMSOL；MATLAB；靈敏度矩陣；電極仿真；電導率重建
一、任務描述
本任務旨在構建一個三維參數化心臟模型，基于 COMSOL Multiphysics 與 MATLAB 聯合仿真平臺，進行24電極電阻抗掃描，實現電導率圖像重建和電流密度場可視化，為心臟功能建模與EIT成像研究提供高精度模擬平臺，如圖1所示。
圖1 三維參數化心臟模型
二、子任務細分
a) 心臟幾何建模與參數化運動
目標：構建含時間參數化收縮的心臟模型，實現隨時間變化的生理形態模擬。
步驟：在 COMSOL 中定義變量 L0, f, Lt 控制心臟收縮；使用拉伸 + 橢球構建心臟主體；添加24個電極柱體，進行鏡像與移動；實現形變表達式 Lt = L0*(1 - 0.1*sin(2*pi*f*time))。
展開 光刻技術第9期 | 二維與三維矢量成像模型對比-含相差物鏡的應用
01/簡介
零波像差雙遠心物鏡以“視場全域波前畸變趨近于零、物像比例恒定”的特性，成為3D NAND、精密微納制造等場景的核心光學器件，但其對成像模型的維度適配性提出嚴苛要求。
二維矢量成像模型雖能滿足平面圖形的偏振態表征需求，卻因忽略深度方向光場耦合與厚掩模衍射效應，無法適配三維堆疊圖形的成像預測。三維矢量成像模型通過全空間矢量光場建模，可精準捕捉雙遠心光路下三維偏振演化與深度衍射規律，成為破解該瓶頸的關鍵。本文以零波像差雙遠心成像為視角，對比二維與三維矢量模型的適配性差異，重點聚焦三維模型的應用機理，為先進三維制程光刻精度提升提供理論支撐。
02/三維矢量成像模型在含相差物鏡中的應用
含像差物鏡下的模型差異
仿真條件與結果對比：
考慮投影物鏡F1視場點的波像差和偏振像差，對比二維與三維矢量成像模型的空間像相對強度分布差異，結果均為10-2量級。
投影物鏡示意圖
投影物鏡F1視場點波像差數據
仿真條件一（45nm線寬一維PSM掩模、X偏振照明）：最大絕對差值1.3x10-2、平均絕對值差8.4x10-3、差值均方根9.4x10-3。
二維和三維矢量成像模型仿真結果的差異
仿真條件二（接觸孔掩模、Y偏振照明）：最大絕對差值5.0x10-2、平均絕對值差2.8x10-2、差值均方根3.2x10-2。
二維和三維矢量成像模型仿真結果的差異
結論：在成像物鏡為存在像差的非理想系統時，三維矢量成像模型較二維矢量成像模型預測成像特性更精確。
展開 顯微測量|共聚焦顯微鏡大傾角超清納米三維顯微成像
如在光伏行業中，不僅可以對柵線進行快速檢測，還可以對電池板絨面這種表面反射率低且形貌復雜的樣品進行三維形貌重建。
此外還具備表征微觀形貌的輪廓尺寸測量功能。
應用領域
在材料學領域，共聚焦顯微鏡能夠用來觀察材料的三維結構和特性?？蓪Ω鞣N產品、部件和材料表面的面形輪廓、表面缺陷、磨損情況、腐蝕情況、平面度、粗糙度、波紋度、孔隙間隙、臺階高度、彎曲變形情況、加工情況等表面形貌特征進行測量和分析。
通過共聚焦顯微鏡超高分辨率的三維顯微成像測量，可以清晰地觀察到材料的表面形貌、表層結構和納米尺度的缺陷。這對于理解材料的微觀特性和材料工程設計具有重要意義。
展開 ：開發高亮度聚合物點探針實現三維多色超分辨成像應用
近日，南方科技大學生物醫學工程系吳長鋒教授課題組成功開發了一系列高亮度聚合物點熒光探針，通過熒光探針功能化和擴展成像技術，在普通熒光顯微鏡上可以觀察到精細的亞細胞結構，分辨率高達30 nm。相關成果發表在材料領域知名期刊Advanced Materials。
超分辨光學成像因其能夠提供低于衍射極限的分辨率而獲得了2014年諾貝爾化學獎，當前超分辨技術主要分為兩類：基于激發光調制的超分辨成像和基于單分子定位的超分辨成像。擴展顯微成像采用了截然不同的思路：通過將樣本膨脹擴大，使得原本在衍射極限范圍內的相鄰分子由于距離變大而變得清晰可辨。該方法不依賴于復雜的成像系統，用普通共聚焦顯微鏡可以獲得納米級分辨率，但樣本擴展過程中由化學猝滅及密度稀釋導致的熒光亮度衰減是該方法進一步發展的難題。
針對這一問題，研究團隊開發了適用多色擴展顯微成像的聚合物點熒光探針。相比于商用的熒光染料，聚合物點的熒光標記亮度可以提高6倍。由于聚合物點的高亮度標記，細胞骨架微管蛋白的三維空間構象、網格蛋白有被小泡以及神經元突觸結構等，都能夠在普通熒光顯微鏡上解析出來（圖1a-c）。課題組進一步將聚合物點探針、擴展成像技術、和光學漲落超分辨技術結合起來，在普通寬場顯微鏡上實現了約30 nm的超高分辨率成像，更加真實地還原出微管蛋白尺寸以及線粒體中空膜結構等細節信息（圖1d-j）。這些發現展示了高亮度聚合物點在生物光學成像的應用潛力。
圖1 三維超分辨擴展-光學漲落聯合成像解析亞細胞精細結構
擴展顯微成像的樣本標記過程步驟繁瑣、重復耗時。
展開 西安交大 Ungar教授NC：高聚物及其納米復合材料的微觀世界之旅 - 雙光子熒光成像揭示三維空間中高聚物結晶形態的演變機理
但是，目前幾乎所有的表征手段都只能從二維的視角去解析高聚物結晶形態；高聚物結晶形態在真實三維空間的結構信息一直缺乏直觀的實驗證據。
為了揭示三維空間中高聚物結晶形態的演變規律，西安交通大學功能軟材料創新團隊的Goran Ungar教授基于雙光子顯微成像技術開發了針對高聚物及其納米復合材料體系的三維成像技術，成功獲得了高聚物球晶的三維圖像，并且揭示了納米粒子在結晶性高聚物中的分散狀態。通過對等規聚丙烯(iPP)和聚乳酸(PLA)結晶形態的三維成像研究，意外發現PLA納米復合材料靜態下結晶形成了類似“碗”、“花瓶”、“圣杯”等不同于球晶的結晶形態(如圖1所示)。這種非球狀的結晶形態打破了人們對經典高分子物理中靜態條件下高聚物結晶形成球晶的認知，進一步研究揭示了非球狀結晶形態源自于薄膜上下表面兩球晶的成核和生長，球晶生長前沿“depletion”區域的負壓作用產生局部熔體流動，誘導球晶之間產生纖維狀晶體，纖維狀晶體進一步橫向生長最終生成C∞對稱性結晶形態。
圖1. PLA納米復合材料中觀察到的非球狀結晶形態
熒光分子標記物/高聚物體系
如圖2a1-2a4所示，iPP中加入尼羅紅(NR)熒光分子后，熒光顯微鏡下弱熒光強度的圓形區域與偏光顯微鏡下球晶結構相對應；熒光顯微鏡下球晶邊緣呈現亮環在他們前期的研究工作中已被證實是由于球晶生長時，NR分子被排除到球晶的生長前沿[Polymer 191, 122246 (2020)]。圖2a5還展示了熒光顯微成像的另一個優勢，即可以清晰地觀察到球晶碰撞界面由于結晶收縮從蓋玻片表面脫離而產生的牛頓環。為了實現高聚物球晶的三維成像，他們將雙光子熒光成像技術發展至高聚物及其納米復合材料領域。
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