如何使用编码搜索聚焦扫描进行快速地形光学成像

光学的一个核心任务是从样品中快速提取定量信息。现有的形貌成像工具允许在微米和纳米尺度上进行非接触式和三维测量，并且在精密工程和光学质量控制等应用中是必不可少的。然而，这些技术涉及获取图像的焦点堆栈，这是一个耗时的过程，会阻止移动样品的测量。Vilar等人提出了一种将地形成像速度提高几个数量级的方法。该方法涉及收集一组简化的图像，每张图像在全焦扫描期间集成，而照明在曝光期间同步调制。通过正确设计每个图像的调制序列，使用比传统方法少得多的图像实现了物体高度图的重建。同时描述了该技术的理论基础，表征了其性能，并演示了在100 μm范围内的静态和动态系统上以高达每秒 67 个地形的速率进行亚微米地形成像，受相机帧速率的限制。该技术的高速和易于实施可实现光学计量的范式转变，从而能够实时表征大型或快速移动的样品。

微尺度地形光学成像在工业制造和科学研究中起着至关重要的作用，如生产线光学检测、增材制造零件计量及生物材料三维(3D)表面测量。然而，现有的3D成像方法通常依赖z堆栈重建，即逐层获取不同焦平面的图像。这一过程计算量大、采集速度慢，尤其在高数值孔径(NA)光学系统下，由于景深较短，需要大量z平面才能获得精准重建，使其难以满足快速工业检测和生物系统动态成像的需求。

为提高成像效率，研究者提出了两大类优化策略：一类通过加速z堆栈采集，如时空多路复用、多焦点显微镜、光场成像及可变光学元件等；另一类则依赖计算成像方法，如压缩感知或点扩散函数工程，以减少重建所需的信息量。然而，这些方法通常受限于轴向范围、硬件复杂度、计算成本或重建保真度，使得在大体积、实时3D形貌成像中的应受限。

针对这一挑战，提出了一种全新的编码搜索焦点扫描(Encoded Search Focus Scanning, ESFS)技术，实现微米至纳米级分辨率的实时3D形貌重建。ESFS不同于传统的逐层扫描方式，而是通过简化的图像采集策略，在完整聚焦扫描过程中同步脉冲照明，从而编码样品的轴向位置信息。这一方法充分利用3D形貌成像中的数据稀疏性，使得采集时间缩短至传统方法的一个数量级，仅受相机帧速率与轴向扫描时间限制，同时无需增加计算复杂性或牺牲重建保真度。

实验结果表明，ESFS可在仅8张图像的条件下，实现跨度100 μm、精度优于50 nm的表面形貌重建，并可实时捕获微机电系统(MEMS)气体传感器的形变过程。这一技术突破填补了微尺度大体积实时形貌光学成像的空白，为高效、精准的3D成像提供了全新解决方案，在工业检测、生物医学、微纳制造等领域具有广泛应用前景。

如图1展示了一种扩展稀疏焦点扫描(ESFS)方法，通过优化采样策略，提高焦点信息提取的效率和精度。首先，(a)部分描述了成像系统的测量体积，该体积由视场和轴向测量范围共同限定，并包含待测样品。右侧曲线显示了两个不同像素的焦点敏感信号(S)，其峰值对应样品在轴向上的不同位置。(b)和(c)部分展示了传统均匀采样方法，该方法以固定的采样率对信号进行测量，利用多个编码模式(M₁、M₂、…、M₁₆)依次照明样品，并获取相应的图像(I₁、I₂、…、I₁₆)。右侧(c)展示了完整的信号曲线，该方法尽管能提供较高精度，但需要获取大量图像，导致数据采集效率较低。为了优化采样效率，ESFS方法引入了两阶段采样策略。第一阶段(d)采用稀疏编码序列(M₁、M₂、M₃、M₄)，减少所需的图像数量，同时通过二值化焦点敏感信号(S₁、S₂、S₃、S₄)计算步长编号(d)，进而获得样品的轴向粗略位置(zₛ)。右侧(e)和(f)分别展示了信号 S₂ 和 S₃，突出其对样品存在的响应特征。

在第二阶段(g)，通过时间调制的强度照明获取额外图像，以进一步提升轴向测量精度。在本示例中，采用正弦调制光照(M₅、M₆、M₇)，并通过2π/3的相对相移获取三幅图像。焦点敏感信号的相对强度用于精确计算样品的轴向位置，尽管步长T受限于取模运算，但结合第一阶段的结果可以有效解除该限制，实现高精度测量。

在该研究中，第一个原型的实验结果如图2所示，展示了系统在测量认证台阶高度样品、标准粗糙度样品以及实际物体（如硬币）表面形貌方面的性能。图2b显示了认证台阶高度样品的测量结果，测得的高度值为21.704 μm，与样品的认证值21.702 μm±0.022 μm高度吻合，验证了系统在高度测量方面的准确性。图2c展示了来自NPL的标准粗糙度样品AIRB40的地形图，测得的表面粗糙度参数Sa=0.77 μm和Sq=0.99 μm与认证值(Sa=0.79 μm, Sq=1.00 μm)具有极好的一致性，进一步证明了系统在粗糙度测量中的可靠性。图2d和e展示了硬币表面两个区域的浮雕地形图，所有测量均在100 μm的范围内完成，并且仅基于八张获取的图像重建了地形图，显示了系统的高效性和实用性。此外，补充信息中提供了系统特征的详细分析，包括基于ESFS(Enhanced Scanning Fringe System)和传统逐平面扫描技术的地形空间分辨率和系统噪声的比较。结果表明，尽管ESFS会略微增加系统噪声，但对横向分辨率的影响较小，整体性能仍然优越。

如图3为ESFS的光学测量系统，其光学布局如图3a所示，包括显微镜物镜(MO)、分束镜(BS)、镜筒透镜(TL)、TAG透镜、中继透镜系统（L1和L2）、相机以及照明系统（含LED、准直透镜CL、Ronchi光栅和透镜L3）。该系统通过电子控制实现照明与TAG透镜驱动信号的同步，从而实现对样品表面形貌的高精度测量。图3b展示了系统的高度校准结果，通过测量高度(以弧度为单位)与认证高度的关系图，拟合出校准因子，将相位信息转换为高度值。插图中的蓝点表示认证值，验证了校准的准确性。图c–e展示了ESFS系统在重建地形方面的实验结果。图3c显示了0.5、1.0和2.0 μm三级高度测量的色图及其对应的平均高度剖面，结果表明系统能够准确捕捉不同高度台阶的形貌特征。图3d展示了倾斜镜的色图和高度图，红色实线表示真实值，进一步验证了系统在测量倾斜表面时的精度。图3e则通过控制z轴位移，测量了平面镜的轴向位置，结果显示测量值与实际值高度一致（橙色虚线为斜率为1的参考线），证明了系统在轴向位置测量中的可靠性。

如图4展示了ESFS系统在动态表面形貌测量中的高效性和高精度。图4a展示了在粗糙度标准样品AIRB40的手动平移过程中，使用ESFS以每秒67个形貌采集速率实现的3D轮廓拼接结果。插图中显示了特定时间点采集的地形图像及其对应的强度图像，验证了系统在快速运动条件下仍能保持高精度的形貌重建能力。图4b进一步展示了ESFS在复杂微机电系统(MEMS)动态形貌测量中的应用。顶部图像显示了由4个MEMS气体传感器及其连接器组成的芯片的光学显微照片，以及单个MEMS气体传感器的详细结构（包括叉指电路和悬浮膜）及其3D光学轮廓图，成像区域为844.56×706.56 μm。中部图像展示了基于ESFS的地形重建结果，捕捉了在6 Hz周期性电感应加热下悬浮膜变形的动态过程，成像体积为248.4×186.3×54 μm³，并附有对应的强度图像。底部图像显示了膜内3个不同位置的轴向位置随时间变化的曲线，数据从每秒67次地形采集的ESFS重建结果中提取，直观地反映了膜变形的动态特性。

总之，ESFS技术通过两阶段（二元阶段和相移阶段）显著减少输入图像数量，实现高效、高精度的3D地形重建。其分辨率比传统条纹投影轮廓测量(FPP)高出几个数量级，适用于高分辨率显微镜领域。ESFS具备快速数据采集能力（如每秒67个地形），计算量低，支持实时处理，适用于动态样品和快速过程。尽管扩展测量范围可能降低信噪比(SNR)，但通过优化照明或直接检测焦点信号可维持高SNR。ESFS的二元阶段采用二进制代码，计算简单且对反射率变化鲁棒，未来可通过更高基数代码进一步减少图像需求。ESFS以其高速度和高分辨率的独特优势，在科学研究和工业检测中展现出广泛应用潜力。

总之，ESFS技术通过两阶段（二元阶段和相移阶段）显著减少输入图像数量，实现高效、高精度的3D地形重建。其分辨率比传统条纹投影轮廓测量(FPP)高出几个数量级，适用于高分辨率显微镜领域。ESFS具备快速数据采集能力（如每秒67个地形），计算量低，支持实时处理，适用于动态样品和快速过程。尽管扩展测量范围可能降低信噪比(SNR)，但通过优化照明或直接检测焦点信号可维持高SNR。ESFS的二元阶段采用二进制代码，计算简单且对反射率变化鲁棒，未来可通过更高基数代码进一步减少图像需求。ESFS以其高速度和高分辨率的独特优势，在科学研究和工业检测中展现出广泛应用潜力。