基于衍射色散原理的光谱共焦位移测量技术综述

位移检测技术是几何量精密测量的基础,在当代精密制造领域应用广泛。光谱共焦位移测量技术具有对环境杂散光、被测物倾斜、材料类型不敏感,测量频率高以及分辨率高等优点,可以检测位移量、表面粗糙度、三维形貌以及单层或多层透明材料的厚度,在精密位移测量领域中占据重要地位。近年来,利用衍射光学元件提高光学系统性能的光谱共焦测量技术被广泛研究。文章综述了基于衍射色散原理的光谱共焦位移测量技术的研究进展。首先,介绍了光谱共焦位移测量原理和衍射光学元件的色散特性;其次,阐述了基于衍射色散原理的光谱共焦位移测量技术的发展历史及研究进展;最后展望了该技术的发展趋势。     

光谱共焦测量技术综述

测量技术正不断向着精密化、智能化、集成化的方向发展,具有代表性的光谱共焦测量技术是在激光共焦显微技术的基础上发展而来,利用色散原理和光谱仪解码分析实现高精度测量。光谱共焦测量技术可进行位移测量、三维重建、表面粗糙度检测和厚度检测,具有无接触、高效率、在线测量等优点,在精密测量中发挥着重要作用,被广泛应用于微电子、工程材料、生物医学和航空航天等领域。近年来,光谱共焦系统在光学系统结构、光学镜头设计、光源优化和数据处理算法等各个方面取得了重大进展。文章对光谱共焦测量技术进行综述,论述了光谱共焦测量技术相较于其他测量方法的优势,综述了光谱共焦技术的测量原理、发展历程与应用进展,并对光谱共焦测量技术的发展趋势进行了展望。     

光谱共焦位移传感器测量透明材料厚度的应用

介绍了光谱共焦位移传感器的结构与原理,及其在测量厚度方面的应用,重点讨论了光谱共焦位移传感器用于测量透明材料平行平板厚度的可行性,对其产生的误差进行了详细的分析,并给出了相应的补偿方法.     

光谱共焦法厚度测量系统中抖动补偿算法研究

为获得样品多点数据,光谱共焦位移传感系统在移动测量时会产生抖动效应,引起测量数据发生漂移,文中基于已实现的光谱共焦厚度测量系统,研究抖动的影响并探究抖动补偿算法。首先,基于光谱共焦厚度测量模型及抖动存在时探头相对于光轴发生一定倾斜,推导了抖动对厚度测量影响的关系模型,并采用蒙特卡洛法分析了4种样品在不同程度随机抖动下的厚度概率密度函数,将解析结果与蒙特卡洛仿真结果进行比较,验证了厚度概率密度函数表达式的正确性。结果表明：抖动效应导致测量性能下降,尤其在样品厚度较大时;而抖动标准差较大时,较薄的样品具有更好的抗抖动性能;为补偿抖动的影响,提出采用Savitzky-Golay滤波及高斯拟合实现滤波和光谱信号峰值波长的提取,并建立了抖动误差补偿算法;最后,对厚度为(1.0±0.1) mm的样品进行实验测量,测得平均厚度为1.064 0 mm,补偿后的相对标准偏差为0.29%,验证了抖动补偿算法的有效性。文中的研究内容对提高系统测量稳定性及测量精度有一定的指导意义。     

用于测量位移的新型传感器研究与设计

由于目前国内对光谱共焦位移传感器的研究甚少,因此设计并搭建了一套完整的基于白光LED和光纤耦合器式的光谱共焦位移测量系统。首先对色散物镜、光纤耦合器和光谱仪中各参数对系统性能造成的影响进行了分析,并通过ZEMAX 光学仿真软件确定了较优的色散物镜和光谱仪的分光系统结构;然后对影响谱峰定位精度的因素进行了分析,通过处理算法比较确定了较优的谱峰定位方法;最后通过双频激光干涉仪对设计的系统进行标定和测量,实验结果表明系统在435～655nm波段,测量范围1.9mm,平均测量精度1.6μm。     

光谱共焦传感器关键技术研究进展（特邀）

精密测量技术是先进制造业得以高速发展的基础。光谱共焦传感器具有测量精度高、检测速度快、系统集成度高等技术优势,已成为先进制造领域当前备受关注的精密测量技术之一。首先,介绍光谱共焦测量原理,分析构成光谱共焦传感器的关键器件;然后,针对点光谱共焦传感器,综述构成传感器的色散物镜、宽光谱光源、光谱检测装置,以及光谱处理算法等关键技术方面的研究进展;其次,针对线扫描光谱共焦传感器,综述扫描方式、光路结构、光谱检测装置,以及光谱信息处理方法等关键技术;最后,总结当前光谱共焦传感器的研究重点、难点,以及未来的技术发展方向。     

光谱发射率测量技术

论述了光谱发射率在航天、航空、国防、军事及国民经济各领域中的实际应用和重要意义.材料光谱发射率的影响因素很多,且应用背景差异较大,各国分别建立了各具特色的发射率测量装置.根据测量特点及应用范围,发射率测量方法分4大类:量热法、反射法、能量法和多波长法.针对每种测量方法介绍了基本原理、装置特点、技术指标和发展现状.简单介绍了基于红外傅里叶分析光谱仪建立的光谱发射率测量系统,进而描述了材料发射率在重要领域的具体应用情况.分析了我国目前在发射率测量技术方面存在的问题,展望了我国发射率测量技术的发展趋势和发射率数据库方面的进一步工作.     

光谱共焦显微技术研究进展

光谱共焦显微技术结合了共焦显微镜的高空间分辨率和光谱分析的高波长分辨率,凭借精度高、适用性强、无损检测等特性,广泛应用于工业生产、生物医疗和半导体芯片等领域。首先介绍点光谱共焦系统的原理,指出点光谱共焦检测效率低的缺点。其次,针对光谱共焦显微技术的关键性能指标改善,阐述了在光源、色散物镜和光谱信号检测等方面所取得的主要成果,并对各类光源进行定性对比。随后展示光谱共焦显微技术的扫描方法,梳理了相关研究进展,并总结了相关方法的优点和缺点。最后,展望光谱共焦显微技术未来的发展趋势。     

亚微米光刻的线宽测量技术

很久以来，传统的光学显微技术一直是IC测量中的重要技术，但它正在被共焦扫描显微技术、相干探测显微技术和扫描电子显微技术等精度更高的技术所取代。本文重点对用于在线线宽测量的低压扫描电子显微镜进行了讨论。     

亚纳米皮米激光干涉位移测量技术与仪器

激光干涉位移测量技术因具有大量程、高分辨力、非接触式及可溯源性等特点，成为当前与下一代高端装备、超精密计量的基础性技术之一。在简要介绍国内外现有的各类亚纳米级激光干涉仪的基础上，重点从“精”“准”“快”方面综述了面向亚纳米、皮米级激光干涉位移测量技术的研究成果。首先，从激光干涉测量原理出发，分析了限制激光干涉仪中测量分辨力、速度等进一步提升的主要误差项及技术难点；其次，重点列举了近年来国内外在激光器高精度稳频、高精度干涉镜组、高速/高分辨力相位细分技术、环境补偿与控制等方面所取得的重大关键技术突破；最后，对下一代超精密激光干涉位移测量技术的发展趋势进行了总结与展望。     

数字全息技术及散斑干涉技术在形变测量领域的发展及应用

对近年来数字全息及散斑干涉技术在形变与位移测量方面的主要技术发展及应用发展进行综述。由于数字全息测量具有准确性高、无损、全场和动态测量等优点,成为形变和位移测量的重要技术之一。最近几年,数字全息技术在形变测量领域的发展主要体现在如下几个方面。首先,数字全息形变测量逐步由原来单一维度的形变测量转向多维度的形变测量。尤其是三维形变的同时测量是近年来本领域的研究重点。其次,形貌形变联合测量的技术受到关注。实际应用中曲面物体常常存在。而曲面物体需要离面与面内形变的分析,这需要获取曲面物体的形貌信息。针对这一需求,学者们针对形貌形变的同时测量方法开展了研究。再次,为了进一步扩大测量视场和深度范围,对基于长波长及远距离的技术进行了探索。与此同时,回顾了数字全息的形变测量技术在应用方面的进展。值得关注的是,在应用方面,数字全息技术从以前工程领域的形变测量向生物医学领域的形变测量发展,测量数据用于生物医学领域疾病分析与研究。     

集成光纤束并行共焦测量

为了克服单点扫描共焦测量中速度慢、机构复杂的不足，基于并行共焦测量的思想，利用集成光纤束器件实现光束分割，同时起到共焦测量中针孔的作用。在此基础上设计了基于该器件的一套并行共焦测量系统。系统中还采用了专门设计的棱镜将光源与信号光分离。给出了系统的测量原理，说明系统具有结构简单，信噪比高等特点。初步实验表明了该系统的可行性。     

利用抖动算法扩展深度范围的三维形貌测量术

数字条纹投影技术由于其非接触、测量精度高等特点在生物医学监测、虚拟现实以及计算机视觉等领域中应用越来越广泛。但其仍存在一定局限性，例如测量深度范围受限和投影仪存在非线性误差。二值离焦技术很好地克服了条纹投影三维测量中的非线性问题，但二值图像的高次谐波分量会造成测量误差。文中提出一种基于抖动算法的多频相位选择方法，该方法利用离焦抖动技术减少二值图像的高次谐波，避免投影仪非线性误差的影响；同时采用不同抖动算法及扫描方向调制得到二值图像，通过对比周期为12～60 pixel范围内的条纹图像在25个离焦程度下的展开相位误差分布，筛选出相应图像频率的离焦选择范围，最终确定不同离焦程度下条纹频率的最优选择。对于深度为22.5 cm被测物体进行了实验，正确恢复了大深度物体的三维形貌。实验结果表明：文中所提出的方法能有效地扩展测量深度范围，从而实现大深度范围被测物体的三维形貌测量。     

大台阶高度测量的外差共焦方法

台阶高度是微电子产品的一个重要性能参数。基于双频激光干涉共焦显微系统(DICM)提出了一种微电子掩膜板台阶高度测量的扫描方法。在共焦显微扫描样品表面，当光强达到最大值时，将采样外差干涉的相位作为精确对准的判据。该扫描方法集中融合了外差干涉测量和共焦显微测量的优点，同时实现了高分辨率与较大量程的测量，该系统测量台阶高度的范围取决于Z向位移扫描仪PI-Foc的扫描范围，可达数十甚至近百微米。实验结果表明该系统在普通恒温的实验条件下1h内的漂移不超过5nm。该系统已经用于20μm高台阶的测量，对准分辨率为0．1nm，实验结果与台阶高度实际值有很好的一致性。     

CPLD在高精度超声波微位移及流量传感器测量系统中的应用

本文介绍了CPLD在一种新型超声波微位移传感器及流量测量系统设计中的应用.系统采用了高速复杂可编程逻辑器件CPLD技术,在CPLD芯片内设计有高速双端口RAM,控制采样时序逻辑及CPU接口、总线等电路,采样速率高达80MHz,采样深度1K字节,很好地解决了超声波微位移传感器软件算法对采样的要求,并可实现在线升级,大大提高了系统的整体性能.     

喷雾场内液滴粒径光学测试技术进展

雾化场粒径测量对于测试和评价喷雾性能意义重大, 总结分析光学粒径测量技术手段十分重要。介绍了喷雾的基本原理及粒径数学表征; 论述了喷雾场测试中主流及新兴的粒径光学测试方法如光散射、平面结构光照明、相位多普勒分析仪、激光全息技术、双光谱成像等方法的原理及特点, 列举了这些测试方法的典型应用场合。针对喷雾场测试中存在的问题分别进行总结评述并进行对比分析, 对喷雾场粒径测量中如何恰当选取测试方法给出具体的参考建议。     

数字共焦显微技术及其处理算法的进展

数字共焦显微技术是一种新的共焦显微技术，其通过对三维样本显微图像的数字处理，获取高分辨率图像，无光漂白和毒化细胞现象，结构简单、价格便宜。简述了数字共焦显微技术及其进展，着重介绍了核心技术——去卷积算法及其特点：去模糊法速度很快，但易引入结构性假像，不宜用于测量和计算；线性复原法速度较快，复原效果较好，但会放大噪声和出现振铃；约束迭代法速度较慢，但复原能力强，分辨率高。各类算法在商业软件中都得到不同的应用。由于数字共焦显微技术的独有优势，随着去卷积算法的发展，数字共焦显微技术将获得更为广泛的应用。     

光腔衰荡光谱方法测量分子的高精密谱线参数

分子吸收光谱数据,包括谱线的位置、强度、压力位移系数及展宽系数等,是研究温室效应、大气环境监测以及星际气体探测等应用的基本参考。随着激光技术的飞速发展,光腔衰荡光谱技术以其极高的探测灵敏度和测量精度,被广泛应用于分子光谱测量。结合各种复杂精密光谱线型,可以获得大量可靠的高精度光谱数据参数。这些结果被用于更新光谱数据库,甚至是检验基本物理定律和常数。主要介绍光腔衰荡光谱测量方法,特别是结合激光锁频技术的精密测量技术,并以一氧化碳、氢分子泛频振转光谱测量为例,介绍其在精密分子光谱参数测量中的应用。     

双波长单光栅纳米测量中激光器性能非理想的影响

阐述了双波长单光栅式大量程纳米级位移测量系统的基本原理,并对系统具有的量程大、精度高、稳定性好等特点进行了介绍.由于系统进行的是高精度纳米级的位移测量,必须考虑各种不利因素造成的误差影响,主要分析讨论了双频激光器性能非理想所造成的误差,包括波长不稳定造成的线性误差及椭圆极化偏振所造成的非线性误差.并在理论建模的基础上,...     

并行共焦显微检测技术及其研究进展

共焦显微术是一种重要的微小物体成像技术,由于具有高精度、高分辨率及容易实现三维重构图像的优势而被广泛应用于微纳三维形貌测量。近年来,并行共焦显微检测技术引起各国专家的广泛关注,该技术将单点扫描变为多路同时并行探测,大大提高了三维检测速度。综述了并行共焦显微检测技术的基本原理,系统论述了近年来国内外在并行共焦显微检测技术方面的研究进展以及作者在这方面的研究。按照实现并行检测的方法对7种并行共焦显微检测技术进行了分类介绍,并指出了各种方法的优缺点。最后总结了目前存在的技术难题,分析了未来的发展趋势,为我国进一步开展此项研究提供技术参考。