应用二维微硅片狭缝阵列的阿达玛光谱仪

研制了一种基于二维多狭缝阵列的微小型阿达玛光谱仪,利用MEMS加工技术制作出一体式微硅片狭缝阵列,系统采用了Offner 光学结构。以入射狭缝为循环S23型微硅片的阿达玛光谱仪为例,与传统单狭缝光谱仪进行光通量比较,对入射狭缝的衍射现象进行分析,通过Matlab仿真方法及实验验证,得出阿达玛光谱仪光通量提高了3.10倍。     

分光测色仪中的光谱仪系统

根据分光测色仪的应用需要,对分光系统、光电接收系统及相关电路组成的光谱仪进行了模块化设计,以方便仪器的整体设计、装调和测试。考虑分光测色仪是非成像光学仪器,故提出用光纤来连接各光学模块。根据应用需求提出了光谱仪的主要技术指标,所设计光谱仪很好地完成了球差和彗差的校正。分析了用滤光片消除二级衍射光谱的方法,解决了光纤和光谱仪数值孔径不匹配的问题。研制了光谱仪系统,其外形尺寸为130mm×90mm×45mm。实验测试显示,在狭缝宽度为50μm时,光谱仪各波段的光谱分辨率都可以达到2nm。对光谱仪进行了波长定标,定标精度小于0.2nm,整个工作波段占401个像元,满足1nm的波长输出间隔的设计要求。该光谱仪的可弯曲光纤和电子线路便于整机灵活布局与模块拆卸,同时方便单独测试。所述方法为分光测色仪的整机研制与测试打下了良好的基础。     

基于OSLO的小型光谱仪的设计

小型光谱仪可以实现在线、现场以及实时化光谱分析.本文设计了一种交叉光路Czerny-Turner结构的小型光谱仪,使用美国Lambda Research公司开发的OSLO光学设计软件对光谱仪进行了分析.利用汞灯对该小型光谱仪进行了分辨率测试,可以分辨577 nm和579 nm两个波长.     

微小型光纤光谱仪在过程监测中的应用

微小型光纤光谱仪逐渐取代了传统的旋转光栅扫描结构的光谱仪,成为一种新型的在线测量仪器,具有体积小,质量轻,价格低,测量速度极快和采样方式灵活等优点,被广泛用于工业生产的众多领域.以Ocean Optics公司的光纤光谱仪为例.详细介绍采用全固定构件设计实现仪器微小型化的光学系统结构和可适应于多种要求的光纤采样的特点.以及微小型光纤光谱仪在紫外一可见光、近红外、拉曼散射、激光测量和荧光分析等多个平台的在线监测应用.     

Offner双镜三反射成像光谱仪分辨率的研究

针对Offner双镜三反射成像光谱仪的消像差结构,采用几何方法推导出光谱分辨率的计算公式,分析了入射狭缝的宽度、凸面光栅分辨率、系统像差和探测器像元尺寸各个参数对光谱分辨率的影响,提出了分光系统像差的计算方法和优化设计方法,并探讨了提高光谱分辨率的方法和技术,即在优化系统像差的同时,适当减小狭缝宽度和探测器像元尺寸,有利于提高系统的光谱分辨率。该系统利用消像差优化设计同时考虑光谱分辨率的设计方法,具有十分重要的实用价值,为成像光谱仪的研制提供经验和借鉴。     

基于凹面光栅的可调高分辨率单色仪结构设计及波长重复性分析

凹面光栅兼具成像和色散的能力,采用凹面光栅分光的单色仪能够很好实现小型化设计和应用到低于200 nm的真空紫外波段。光谱分辨率和波长重复性是单色仪的重要指标,针对单色仪的光谱分辨率,本文将光栅固有分辨率和由狭缝引起的增宽相结合推导出单色仪的光谱分辨率计算模型,利用自研微动狭缝进行实验验证,单色仪分辨率符合理论模型,极限分辨率优于0.1 nm;针对单色仪的波长重复性,在单色仪光机结构参数转换的基础上对波长重复性影响因素进行分析,推导出单色仪的波长重复性计算模型,利用汞灯作为光源进行波长重复性验证其波长重复性优于0.02 nm符合理论计算模型,验证了光机结构设计的有效性和理论分析的正确性。     

基于宏弯损耗原理的光纤微力传感器北大核心CSCD

针对微操作/微装配系统中夹持力和装配力微小、不易感测,且微器件易变形、断裂等问题,设计一种基于宏弯损耗原理的光纤微力传感器,用于微力传感。建立了光纤微力传感器测量微小力的传感方程,仿真研究了微力传感器结构参数对传感性能的影响,并通过测试验证了理论模型的正确性。结果表明:基于宏弯损耗的光纤微力传感器可实现微小力的绝对测量,并且可以通过优化光纤微力传感器的结构参数,实现分辨率和测量范围的调整。文中研制的光纤微力传感器,分辨率可达6 mN。     

基于像散校正理论的同时偏振多视场高分辨光谱仪设计

依据Czerny-Turner结构光谱仪的设计原理,以多维偏振光信息同时获取和高分辨率为设计目标,提出了一种同时偏振多视场高分辨的光谱仪设计思路,并给出光学设计实例。首次提出在狭缝长度方向垂直排列多个光纤,作为入射光源信息;结合像散校正原理,将像面上视场维方向重叠的像斑分开,继而在像面同时检测到多种视场的光谱信息。分析结果表明,该光学系统至少能在四个视场、设计波段内(760～770 nm)实现分辨率优于0.016 nm,不同视场的光谱信息明显分离。     

微硅狭缝紫外-可见光谱仪杂散光的产生与抑制

采用MEMS技术,研制了一种基于微硅狭缝的紫外-可见光谱仪.介绍了该光谱仪的系统组成,分析了其杂散光的产生原因,着重讨论了光谱仪的关键部件-微硅狭缝的直线度、厚度与杂散光之间的关系,并对狭缝直线度产生的杂散光进行了实验验证.针对以卤钨灯为光源的紫外-可见光谱仪进行测量时,紫外部分能量低,杂散光严重的问题,提出一种组合滤...     

高光谱短波红外地物光谱仪的光机设计

基于平场凹面光栅分光和线列阵探测器探测的最新设计方案,进行了短波红外波段地物光谱仪的光机设计。仪器采用光纤导光,两个独立单元分别探测,最大限度地简化了光学及结构设计。更换前置光学系统改变探测视场, 视场内的辐射经过前置光学系统均匀地照亮入射光纤,保证了两探测单元的视场相同。根据入射光通量、光谱分辨率和狭缝的关系确定入射狭缝的大小,仪器光谱覆盖900~2 400 nm,光谱分辨率优于12 nm,适合野外短波红外波段的探测。     

激光干涉微轮廓测量仪

基于Michelson干涉仪测量原理研制的微轮廓测量仪,载物平台采用步进电机和压电陶瓷(PZT)两级闭环驱动与定位,步进电机用于快速粗定位和扩大测量范围,压电陶瓷用于精密定位,重复定位精度为10 nm;测量光路采用共干涉系统,对机械振动,温度漂移不敏感;测量范围20 mm×20 mm×0.4 mm,纵向分辨率为0.32 μm,横向分辨率为0.5μm.     

超精密外差利特罗式光栅干涉仪位移测量系统

开展了扫描干涉光刻机工作台超精密位移测量的实验研究,以提高扫描干涉光刻机的环境鲁棒性。针对扫描干涉光刻机工作台位移测量精度,提出了新型高环境鲁棒性外差利特罗式光栅干涉仪测量系统。介绍了系统测量原理,设计了测量系统,提出了基于Elden公式的系统死程误差建模方法。设计制造了尺寸仅为48mm×48mm×18mm的光栅干涉仪。基于误差模型计算了死程误差,计算结果表明:对于1.52mm死程的光栅干涉仪,宽松的环境波动指标(温度波动为0.01℃、压力梯度为±7.5Pa、相对湿度波动为1.5%、CO2含量波动为±50×10-6)仅引起±0.05nm的死程误差。最后,设计了基于商用双频激光平面镜干涉仪的测量比对系统,开展了光栅干涉仪原理验证实验和测并量稳定性实验。原理验证实验表明:光栅干涉仪原理正确且系统分辨率达0.41nm。测量稳定性实验表明:常规实验室环境下,环境波动引起的死程误差为7.59nm(3σ)@0.9Hz1~10Hz,优于同等环境条件下平面镜干涉仪的31.11nm(3σ)@0.9Hz1~10Hz。实验结果显示系统具有很高的环境鲁棒性。     

椭圆弯晶谱仪波长分辨能力的改进

讨论了椭圆弯晶谱仪的波长分辨能力。在假设谱线的固有宽度可以忽略的情况下,对两种实际影响椭圆弯晶谱仪波长分辨能力的主要因素,即光源空间尺寸和非理想椭圆分光晶面进行了分析。分别对上述两种情况进行了数学建模和数值模拟仿真。定量地分析了非理想椭圆晶面和光源空间尺寸对椭圆弯晶X射线谱仪波长分辨本领的影响程度,并给出了出射狭缝宽度与椭圆弯晶谱仪波长判读加宽的关系。从理论上论证了光源空间尺寸在限制谱仪的波长分辨能力方面仍然起关键主导作用;结合椭圆分光晶体的结构参数,合理地选择出射狭缝宽度,可使谱仪达到足够好的光谱分辨率和信噪比。用搭建的实验平台进行了实验测试,结果表明,当出射狭缝宽度(2δ)为10mm时,实测的谱线半高全宽(Δλ)为3.1×10-3nm;2δ为4mm时,Δλ为2.3×10-4nm,实测结果佐证了仿真结果的正确性。     

用于大气遥感探测的临边成像光谱仪

分析了大气临边成像光谱探测的原理,依据应用要求设计研制了光栅色散型紫外/可见临边成像光谱仪原理样机。该样机采用宽波段折射式消色差前置望远光学系统与改进的Czerny-Turner光谱成像系统匹配的结构形式,工作波段为540～800nm(一级光谱)和270～400nm(二级光谱),通过切换紫外、可见带通滤光片来实现两个波段分别探测,质量为8kg,体积为450mm×250mm×200mm。用该样机进行了实验室光谱实验,并对光谱分辨率进行了分析,测量了该样机的实际光谱分辨率。测量结果表明,该样机的实际光谱分辨率为1.3nm,接近其理论光谱分辨率1.12nm,满足设计指标1.4nm的要求,并具有体积小、质量轻等特点,适合空间遥感应用。     

First experimental test of a new monochromated and aberration-corrected 200 kV field-emission scanning transmission electron microscope

The first 200 kV scanning transmission electron microscope (STEM) with an imaging energy filter, a monochromator and a corrector for the spherical aberration (Cs-corrector) of the illumination system has been built and tested. The STEM/TEM concept with Koehler illumination allows to switch easily between STEM mode for analytical and TEM mode for high-resolution or in situ studies. The Cs-corrector allows the use of large illumination angles for retaining a sufficiently high beam current despite the intensity loss in the monochromator. With the monochromator on and a 3 microm slit in the dispersion plane that gives 0.26 eV full-width at half-maximum (FWHM) energy resolution we have obtained so far an electron beam smaller than 0.20 nm in diameter (FWHM as measured by scanning the spot quickly over the CCD) which contains 7 pA current and, according to simulations, should be around 0.12 nm in true size. A high-angle annular dark field (ADF) image with isotropic resolution better than 0.28 nm has been recorded with the monochromator in the above configuration and the Cs-corrector on. The beam current is still somewhat low for electron energy-loss spectroscopy (EELS) but is expected to increase substantially by optimising the condenser set-up and using a somewhat larger condenser aperture.     

Investigation of spectral resolution in a Czerny Turner spectrograph

This article describes a smiple and low-cost Czerny-Turner spectrograph capable to operate in spectral range from approximately 350–900 nm. A sine drive assembly was used for linearizing the wavelength scale. The wavelength and pixel position calibration problem have been solved using light sources with known wavelength emission lines, and a polynomial fitting method to find the relationship between diffraction wave-lengths and pixel numbers. The pixel resolution ∼0.015 nm/pixels and FWHM ∼0.1 nm at 170 μm entrance slit width are sophisticated enough to serve well in a research laboratory, yet is simple and inexpensive enough to be affordable for educational use.     

矩形离轴非球面反射镜的数控加工

针对离轴TMA结构空间相机中使用的两块离轴非球面反射镜的加工过程,提出了一种新型的矩形离轴非球面的最接近球面半径的求解及其优化方法,并且开发了基于计算机虚拟加工技术的CCOS工艺参数计算方法.被加工工件分别为165mm×100mm的矩形凸面离轴非球面和770mm×200mm的矩形轻量化凹面离轴非球面,设计精度分别为任意100mm,200mm子孔径面形精度优于0.025λRMS(λ=632.8nm).经检验,工件的加工精度满足了设计要求,分别达到了0.023λRMS和0.013λRMS.     

A New Method of Non-Contact Measurement for Microtopography in Semiconductor Wafer Implementing a New Optical Probe Based on the Precision Defocus Measurement

In this paper, a new method of non-contact measurement has been developed for 3D topography for a semiconductor wafer, implementing a new optical probe based on precision defocus measurement. The developed technique consists of the new optical probe, precision stages, and the measurement/control system. The basic principle of the technique is to use the reflected slit beam from the specimen surface to measure the deviation of the specimen surface. The defocusing distance can be measured by the reflected slit beam, where the defocused image is measured by the proposed optical probe, giving very high resolution. A distance measuring formula has been proposed for the developed probe, using the laws of geometric optics. A precision calibration technique has been applied, giving about 10 nm resolution and 72 nm four-sigma uncertainty. In order to quantitise the micro pattern on the specimen surface, some efficient analysis algorithms have been developed to analyse the 3D topography pattern and some parameters of the surface. The developed system has been successfully applied to measure the wafer surface, demonstrating the line scanning feature and the excellent 3D measurement capability.     

双读数系统的天基绝对式光电编码器设计

为了有效地减小航天相机的体积、减轻其重量并满足冷备份要求,设计了双读数系统的天基绝对式光电编码器。首先,根据航天相机的要求,对绝对式光学码盘进行了小型化设计;然后,根据码盘的特点设计了双读数狭缝盘及读数系统;最后,对设计的双读数系统的天基绝对式光电编码器进行了精度检测。实验结果表明：双读数系统的天基绝对式光电编码器外形尺寸为f50 mm×32 mm、重量为150g、分辨力为20″、精度为σ≤30″。本编码器具有读数系统冷备份功能,且体积小、重量轻、抗干扰能力强、满足航天相机的要求。