【摘 要】
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光学元件的表面缺陷检测是超精密光学制造领域的重要环节。在众多光学元件表面缺陷检测技术中,显微成像法因分辨率较高的优势而被广泛采用。然而,由于光学系统极限分辨率的存在,当缺陷尺寸达到亚微米量级,传统显微成像法将难以实现光学元件表面缺陷的定量检测。近年来,超分辨显微成像技术的快速发展使光学显微衍射极限问题的研究迎来了新契机。其中,结构光照明显微技术（Structured Illumination Mi
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光学元件的表面缺陷检测是超精密光学制造领域的重要环节。在众多光学元件表面缺陷检测技术中,显微成像法因分辨率较高的优势而被广泛采用。然而,由于光学系统极限分辨率的存在,当缺陷尺寸达到亚微米量级,传统显微成像法将难以实现光学元件表面缺陷的定量检测。近年来,超分辨显微成像技术的快速发展使光学显微衍射极限问题的研究迎来了新契机。其中,结构光照明显微技术（Structured Illumination Microscopy,SIM）因其成像速度快、光路结构简单、对荧光物质没有特殊要求的特点,逐渐成为最受关注的超分辨显微技术之一。本文针对传统显微成像法对光学元件表面亚微米量级缺陷难以准确检测的问题,提出了基于结构光照明实现光学元件表面微纳缺陷超分辨检测的方案,从成像原理、图像重构算法和实验光路设计等方面进行了深入的研究。本文主要的研究内容有以下几点:第一,根据结构光显微成像原理,通过计算机仿真实现了结构光照明超分辨成像过程,分析了结构光各参数（调制度、空间频率、初始相位）以及噪声对超分辨成像质量的影响。仿真结果显示,目前主流的初始相位估算算法在结构光条纹调制度低于0.06时将向重建图像中引入较为明显的条纹状伪影;成像过程中产生的随机噪声在频谱分离后将会大量的残留在高频分量。第二,针对低调制系统下初始相位参数估算误差增大的问题,提出了基于频域多图像相关运算的相位估算算法（Multi-image Correlation in Frequency domain,MCF）。仿真结果证明该算法在结构光调制度低于0.06时仍然能够将估算误差保持在0.08 rad以内,消除了低调制度下重建图像中的伪影,提升了超分辨图像重建质量;针对结构光对透明光学元件成像可能导致信噪比降低的问题,采用了同一相位多帧图像叠加的预处理方式以抑制随机噪声,仿真结果显示前10次叠加后,重建图像峰值信噪比能够迅速提升。第三,设计并搭建了基于空间光调制器的干涉式结构光超分辨显微系统;利用100nm金纳米粒子的成像结果证明了系统极限分辨率从390.8nm提升至279.4nm;利用低调制度下硅制分辨率板的成像结果验证了基于频域多图像相关运算相位估算算法（MCF）的准确性;对刻有间隔为300nm划线的熔石英玻璃板完成了结构光超分辨成像,验证了系统对光学元件表面微纳缺陷检测的能力。
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