三維快速成像的案例
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 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。基于PC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。可對各種產品、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。
展開 直播課程 | 快速的三維流動噪聲仿真
01/直播主題&時間
快速的三維流動噪聲仿真
11月13日（星期五） 14:00~15:00
02/您所期待的內容
- 氣動噪聲仿真方法及發展
- MSC氣動噪聲聯合仿真解決方案
- 如何運用聯合仿真方法進行風機及管路氣動噪聲聯合仿真
- HVAC管道氣動噪聲聯合仿真實例演示
精彩預告
- scFLOW2Actran氣動聲學包的執行機制
- scFLOW2Actran氣動聲學包流程解析
scFLOW2Actran的設定界面
scFLOW2Actran的聲學網格和后處理
以HVAC系統氣動噪聲解析為例，展示如何在scFLOW中實現聲源和聲輻射分析
03/適合誰來參加？
- 具有CFD仿真基礎的高校學生、企業和研究機構的工程師
- 對航空、汽車聲學領域知識有濃厚興趣的朋友
04/參與方式
掃描下方二維碼注冊
或點擊注冊：https://mpages.mscsoftware.com/WBNCH-ALL2020-11-13Acoustics3Dsimulation_LP-Registration.html
參會須知
請至少提前1小時注冊，直播參會鏈接將發往您所填寫的注冊郵箱。
展開 斷層掃描圖像的三維重建及快速原型制造
編輯好的蒙罩可以用來生成3D模型，這樣就實現了2D斷層掃描圖片到三維實體的轉換，如圖4所示。
圖4重建的三維數字模型
從2D掃描圖片到三維模型的轉換，這是Mimics處理醫學斷層掃描圖像的第一步。Mimics與其他影像處理軟件最大的不同之處是其提供了一系列模塊，通過這些模塊，可以將三維用來生產快速原型件、用于FEA分析、可以輸出相應的CAD的信息為后續的假體/植入體設計提供參考數據。同時還可以在Mimics里，基于三維模型做手術的模擬，設計一些植入體。
快速原型經過20多年的發展，這項技術已經發展得相當成熟，其制造精度和速度都有很大的提升。同時，快速原型制造的軟件平臺Magics也經過15年的發展，可以解決RP/RT/RM領域的幾乎所有問題。
Mimcs針對不同的需要，提供了不同的模塊，解決不同用戶的需求。針對快速原型制造，STL+和RP Slice模塊是其提供的強有力的接口。通過STL+這個模塊，Mimics就可以輸出快速原型制造行業的標準STL文件，包括Binary和ASCⅡ兩種存儲方式的STL文件。同時還可以輸出DXF、VRML、PLY、Single PLY、Point cloud文件，以滿足不同用戶的需要。通過RP Slice模塊，Mimics就可以針對不同RP機器用來生產的切層文件格式需要，將三維模型輸出為CLI、SLI和SLC格式的文件。RP設備讀入這些切層文件，可以直接用于生產，圖5為用快速原型技術生產的實物模型。
圖5快速原型制造的三維實物模型
結論
快速原型技術在醫學的應用將會越來越廣泛，現在的三維建模技術也發展的相當成熟。臨床醫生可以很好的借助三維實體模型的幫助，從而規避更多的手術風險，手術的方案也會更加切合實際的需要。同時醫生與患者的溝通也更加的容易、便捷。
展開 
二/三維晶粒建模軟件neper-如何快速上手？
幫助文檔 結合 官網例子 可以更快速掌握neper的使用
二維材料的快速三維自組裝: 從氧化石墨烯到二硫化鉬
因此在將這些新型二維材料構筑成三維結構時會遇到很多困難。
清華大學深圳研究生院呂偉課題組與天津大學楊全紅課題組借助1,4-丁二醇二縮水甘油醚(BDGE)與氧化石墨烯上羧基的相互作用， 實現了氧化石墨烯的快速三維組裝。此工作近期發表于Science China Materials, 2018, doi:10.1007/s40843-018-9363-7。
圖1 氧化石墨烯與二硫化鉬的三維自組裝結構
本工作通過表面活性劑分散其他二維材料并實現材料表面官能化，借助于這些表面官能團與BDGE的相互作用， 發展出一種普適的二維材料快速三維自組裝方法。 以二硫化鉬為例，組裝形成的三維結構顯著提高了表面利用率，極大地改善了其作為鈉離子電池負極材料的電化學性能。
來源：中國科學材料
展開 俄亥俄州立大學趙芮可教授與佐治亞理工學院齊航教授AM：磁性動態高分子材料實現遠程模塊化熔焊組裝與復雜三維結構快速加工
圖4：基于磁輔助永久三維形狀重構的多穩態結構
視頻2
視頻3
首次實現利用重塑二維結構進行復雜三維結構加工。制備的平面剪紙結構，在磁場驅動下通過光照加熱，逐漸釋放材料內應力，重構成力學多穩態復雜三維結構，且可進一步用于三維與三維結構之間的永久形狀改變 （圖4）。例如，具有螺旋線切痕和沿著材料指向中心分布的磁化分布平面折紙結構，可變成一個無應力狀態的三維立體折紙結構，結構從單穩態轉變成雙穩態結構，在機械力或磁場下，兩個穩態之間可快速切換。同心圓切痕設計的折紙結構，在重構永久結構以后，表現出更加復雜的四重穩態。
圖5：磁力驅動模塊的遠程導航組裝與多功能集成原位重構
視頻4
通過遠程控制模塊的導航與組裝，并集成形狀與磁化的重構功能，實現了磁驅材料的形狀與驅動模式的高度定制化與可編程化。利用三維磁場操控模塊的翻滾和旋轉運動，根據需求遠程控制不同模塊組裝，并利用激光實現遠程焊接，得到復雜的磁驅組裝結構。對同一結構，進一步重構磁化分布與永久形狀，進而改變驅動模式與功能 （圖5）。例如，通過固定一個雙向磁化模塊，遠程操控其他的單向磁化模塊，組裝焊接了十字形組裝體。在面外磁場下，組裝體產生交替向上或者向下彎曲變形。改變同一個結構的磁化分布后，彎曲變形模式可變成閉合-打開驅動模式。而磁驅的閉合的狀態，在加熱后釋放應力，可得到無應力的閉合結構。
展開 浙大：一種全新三維光學超分辨顯微鏡
看見一個新世界探尋生命的原理
課題組提出了一種基于非共軸干涉系統的新型光學成像技術（系統圖如圖1所示）。該方法結合了結構光照明顯微技術和多角度全內反射照明顯微技術，適用于任何熒光染料標記下的超分辨成像。
圖1 MAIM系統示意圖，該系統主要由兩套掃描振鏡構成，用于控制照明光束的入射角和方位角，實現變角度倏失場照明下的結構光成像。
常規光學顯微鏡的分辨率具有極限，在可見光照明區域，橫向極限分辨率是成像光波長的一半(250-300納米) , 軸向上500-600納米。而結構光照明顯微技術只將橫向和軸向分辨率上提升了一倍。課題組巧妙地把多角度全內反射照明引入到結構光照明顯微技術中，實現了橫向分辨率~100納米，軸向分辨率~40納米的三維超分辨成像。
在成像速度提升方面，課題組通過利用變角度倏失場照明下的結構光成像，并結合計算成像模型，使得三維成像速度大大提升。同時由于所需光劑量低，成像速度快，減少了熒光漂白，有利于長時程觀測。對活細胞內線粒體和微管的成像結果如圖2所示，揭示了它們的三維動態變化。
圖2 活細胞內線粒體（a，b）和微管（c，d）實驗結果。（a，c）橫向超分辨和衍射受限的低分辨成像結果；（b，d）三維超分辨動態成像結果（顏色代表軸向信息）。
負責人劉旭教授介紹，對細胞膜附近的細胞器進行三維快速超分辨成像，可以為亞細胞研究提供可能，揭示生命內在規律。
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