双向反射率测量中锁相放大器的设计

均匀材料表面除镜反射方向的其他散射方向光辐射强度都较微弱.采用信号参量估计中行的最大似然估计,应用相关检测技术,利用被测信号与背景噪声不相关特性,设计了适于微弱光电信号检测的装置--锁相放大器.对金刚砂反射天顶角-55°～55°范围测量的实验结果与双向反射率(BRDF)模型比较显示,在可见光0.632 8 μm波段,误差为3.43%;近红外1.34 μm波段,误差只有0.01%.该锁相放大器适用于材料表面双向反射率的测量.     

用于曲面精密检测的新型光纤三角传感器研究

基于光纤传感技术和三角测量方法，提出了一种用于曲面检测的新型光纤三角传感器。根据所设计的轮辐式接收光纤结构，可以在测量曲面与传感头间位移时，首先获取被测点处微面元的倾斜信息，以便对传感器测量值进行实时误差修正，从而解决了被测表面倾斜对坐标测量带来的影响。该传感器还能有效地消除环境光干扰、光源波动、表面反射率变化等对测量带来的影响。建立了传感器测量的数学模型。理论分析和初步的实验结果证明了系统的有效性和实用性。该传感器系统不稳定性好于0.3%，横向分辨率好于8μm，高度分辨率好于0.1μm。     

光学材料光学不均匀性绝对测量误差分析

绝对测量技术去除了干涉仪参考面面形误差,可实现光学材料光学不均匀性的高精度测量。对现有主要光学材料光学不均匀性绝对检测技术进行了总结比较,针对像素错位、干涉图分辨率、干涉仪测量重复性、样品厚度以及折射率测量等因素对光学不均匀性绝对检测的影响进行了实验分析。实验结果表明:干涉仪重复性是光学不均匀性测量的主要误差。样品翻转测量法、样品直接透射测量法、平行平板样品测量法3种测量方法均可实现光学不均匀性（RMS）10-8检测精度。     

表面钝化对多晶硅绒面形貌的影响

多晶硅表面制绒技术是太阳能光伏产业亟待突破的一个关键技术.本文根据多晶硅强酸制绒的基本原理,提出了表面活性剂钝化多晶硅表面以降低硅原子与酸反应速度从而改善多晶硅绒面形貌的方法.实验研究了不同含量的添加剂对酸液刻蚀多晶硅绒面形貌的影响,用扫描电镜观察对应的绒面结构,用积分反射仪测量其绒面的表面反射率.实验结果表明:加入活性剂后酸液能使多晶硅表面陷阱坑分布更加均匀,并且能有效消除产生漏电流的缺陷性深沟槽,样品表面反射率比较低,其表面反射率降低到21.5%.与传统酸液腐蚀的多晶硅绒面结构相比,陷阱坑密度明显增加,这种方法在多晶硅太阳电池的生产中是有价值的.     

基于自适应条纹投影的彩色物体三维形貌测量

针对三维形貌测量技术中彩色物体表面反射率的非均匀性影响测量结果的问题,提出一种基于自适应条纹投影的三维形貌测量技术,该方法可避免彩色物体表面反射率非均匀的影响,提高系统的测量精度。彩色相机采集RGB光强图像,并根据物体表面颜色的反射特性计算每个像素点的最优投射光强和颜色;采集水平和垂直的正弦条纹序列,利用计算所得绝对相位值将相机图像坐标系中每一个像素点的最优投射光强和颜色映射到投影仪像素坐标系;投射自适应条纹序列进而测量彩色物体的三维形貌。实验结果表明,该方法能够有效测量彩色物体三维形貌,具有很高的测量精度。     

厚度误差对THz-TDS的测量不确定度分析

阐述了基于菲涅尔公式的透射式太赫兹时域光谱系统提取样品光学常数的方法和原理,分析了样品厚度误差对THz-TDS测量不确定度的影响,并建立了相应的不确定度模型。进行太赫兹时域光谱测量实验,提取硅片在太赫兹波段的折射率,并计算了误差对提取样品折射率的影响。结果表明,随着厚度误差的增大,系统测量偏差也随之增大。对于较厚样品,相同厚度误差对其测量结果影响较小。样品厚度为994μm时,在厚度存在1μm的测量误差情况下,系统测量折射率的偏差为0.001 2,接近模型的仿真值。实验结果验证了厚度误差对测量不确定度模型的有效性,了解了厚度误差对系统测量结果的影响情况,对测量过程及结果分析具有一定的指导意义。     

硅纳米线阵列的光学特性

在常温常压条件下,采用改进的金属催化化学腐蚀方法在n型单晶硅片(100)上制备了大面积垂直于硅衬底、直径均匀、排列整齐的硅纳米线阵列。分析了样品的表面形貌和反射谱,纳米线直径为10~50 nm。在腐蚀时间分别为15,30,60 m in时,纳米线长度分别为9,17,34μm。样品的减反射性能优异,在300~1 000nm波段,得到了2.4%的反射率。初步分析了纳米线阵列的减反射机制和不同腐蚀时间样品的反射率差异。     

非均匀水体光学隐蔽深度模型建立与验证

初始的光学隐蔽深度模型(OCD)是在海水光学性质均匀的条件下建立的,针对光学性质均匀水体假定条件下的光学隐蔽深度模型缺乏普适性的缺点,基于海水中对比度传输方程,在垂向方向上把海水划分为多个光学性质相似的均匀层,并依此建立非均匀海水条件下光学隐蔽深度(OCD_LAYER)模型。计算并分析了观测天顶角、海水体衰减系数和潜器表面反射率对非均匀海水条件下光学隐蔽深度模型的影响。使用潜模和光学隐蔽深度测量系统在近岸完成模型的实验验证和效果分析。使用3 m水柱漫衰减系数均值,OCD模型的平均均方根误差为1.19m,平均绝对误差为1.19m,平均相对误差为48.77%,OCD_LAYER模型的平均均方根误差为1.05m,平均绝对误差为0.89m,平均相对误差为36.18%。实验结果表明,OCD_LAYER模型准确性更高,误差更低,结果更可靠。     

基于白光干涉测试技术的改进Carré相移算法

为了减小白光相移干涉法测量物体微观形貌时产生的误差,对极值法的搜索路径进行优化后与Carré相移算法相结合,提出一种基于白光干涉测试技术的改进Carré相移算法.该算法减小了光源扰动及电荷耦合元件散粒噪声带来的影响,且对相移器的线性误差不敏感,免去了相位解包裹过程,提高了运算效率.采用单刻线样块对扫描步距进行校准实现了光源中心波长的在线修正,减小了由于光源特性及环境扰动误差带来的影响.采用不同算法对标准粗糙度样块进行三维形貌恢复以及表面粗糙度的重复性测量实验,结果表明:该算法对表面粗糙度的测量结果较传统白光干涉算法准确度提高,测量重复性优于1%.     

激光作用下环氧/硅树脂复合涂层的1.3μm反射特性研究

利用共轭反射计装置,开展了真空环境中激光作用下环氧/硅树脂双层结构复合涂层的1.3μm反射特性研究,测量得到了涂层反射率随样品背表面温度的变化曲线。通过有限元分析和界面热阻修正得到了反射率随涂层温度的变化关系,探讨了反射率随温度的变化机理。研究结果表明,红外连续激光损伤环氧/硅树脂复合涂层,主要表现为底漆热解引发的鼓包分层和面漆热解导致的烧蚀变色;常温下涂层对1.3μm激光的反射率约为0.80,激光辐照初始时变化不明显,鼓包前后出现波动,测量区涂层鼓包、烧蚀后反射率显著下降,最终保持在一个相对较低值;反射率变化与涂层热解过程、损伤方式密切相关,涂层对1.3μm激光的反射率变化存在3个特征温度,分别对应底漆热解、面漆热解和表面状态趋于稳定时的温度。     

磁控溅射方法制备直径120mm高均匀性Mo/Si多层膜

为满足极紫外、软X射线和X射线大口径多层膜反射镜的需求,采用基板扫掠过矩形靶材表面的镀膜方法,在直径120 mm的平面基板上镀制了Mo/Si周期多层膜。通过调整基板扫掠过矩形靶材表面的速率修正了薄膜的沉积速率,极大地提高了薄膜厚度的均匀性。采用X射线衍射仪对反射镜不同位置多层膜周期厚度进行了测量,结果表明,在直径120 mm范围内,Mo/Si多层膜周期厚度的均匀性达到了0.26%。同步辐射测量多层膜样品不同位置处的反射率,结果表明,在直径120 mm范围内,多层膜的膜层厚度均匀,在入射角10°时13.75 nm波长处平均反射率为66.82%。     

白光显微干涉测量曲面样品形貌误差的校正方法

白光显微干涉术在平面阶跃型结构的形貌测量中具有显著优势。但在测量斜率变化的曲面样品时,由于物镜数值孔径的限制,样品表面反射光随着斜率的增大而减弱,干涉信号对比度降低,导致形貌测量结果的误差增大。基于表面传递函数（surface transfer function, STF）计算得到的逆滤波器可用于校正曲面样品的形貌测量误差,但现有方法的逆滤波器增益受限,无法有效提升频谱中的高频信号,对最大可测量斜率的提升有限。针对该问题,提取由白光干涉仪特性参数计算获得的虚拟STF的模作为振幅增益函数,由干涉图傅里叶变换得到的实测STF的相位作为相位补偿函数,形成虚实融合型逆滤波器,据此实现白光干涉仪曲面形貌测量误差的校正。应用该方法校正微球的形貌测量结果,校正后最大可测量斜率从8.09°提升到21.20°,均方根误差从0.545 5μm降低至0.175 9μm,实现了提升曲面样品的最大可测量斜率和减小测量误差的目的,有效提升了仪器针对曲面样品的测量范围。     

新型添加剂对单晶硅表面金字塔形貌的影响

单晶硅表面微结构对晶体硅光电转换性能有非常重要的影响, 晶体硅表面微结构的调节技术一直是半导体、 太阳能电池领域研究的热点之一.利用碱液与单晶硅异向腐蚀特性的刻蚀技术, 在单晶硅表面可以获得布满金字塔的绒面, 但普通碱液刻蚀的绒面, 其金字塔大小、 形貌和分布随机性大, 不利于提高硅太阳电池的转换效率.在普通的碱腐蚀液中加入不同量的特种添加剂, 然后在相同的温度、 时间下刻蚀单晶硅表面, 通过观察样品表面SEM图, 发现在普通碱液中加入适量添加剂后刻蚀的单晶硅表面能形成均匀密集分布金字塔, 金字塔大小在2—4μupm 之间, 棱边圆滑, 表面金字塔覆盖率高; 用积分反射仪测量了样品的反射率曲线, 发现样品平均反射率下降到12.51%.实验结果表明, 在普通碱液中加入特种添加剂, 能控制单晶硅表面金字塔的大小和分布.     

光刻机硅片表面不平度原位检测技术

随着光刻特征尺寸的不断减小,硅片表面不平度对光刻性能的影响越来越显著.该文提出了一种新的硅片表面不平度的原位检测技术本文在分析特殊测试标记成像规律的基础上,讨论了测试标记的对准位置偏移量与硅片表面起伏高度的变化规律,提出了一种新的硅片表面不平度原位检测技术.实验表明,该技术可实现硅片表面不平度及硅片表面形貌的高准确度原位测量.该技术考虑了光刻机承片台吸附力的非均匀性对硅片表面不平度的影响,更真实反映曝光工作状态下的硅片表面不平度大小.与现有的原位检测方法相比,硅片表面不平度的测量空间分辨率提高了1.67%倍,可实现硅片表面形貌的原位检测.     

一种针对彩色物体的光栅投影三维测量方法

针对传统彩色编码光栅三维轮廓术中光栅易受到物体表面彩色纹理的干扰,从而造成编码条纹颜色误判和相位误差增大这一问题,提出一种基于互补彩色光栅的三维测量方法,给出了理论分析、光栅设计原理、补偿算法与实验分析。对图像进行初步的解耦校正后,通过预先设计的光栅互补特性,依据彩色响应模型求取物体表面逐点的反射率,并对红绿蓝(RGB)三通道反射率的不平衡进行补偿,消除物体表面彩色纹理的干扰,改善光栅的正弦性。以补偿后的图像来指导彩色编码条纹的分割解码并用傅里叶变换法提取出包裹相位,依据解码结果指导相位展开,继而完成整个三维测量过程。实验证明该方法对彩色纹理的补偿准确有效,降低了彩色纹理对测量的影响。     

红外大气折射率剖面分布模式

针对光电测量设备的大气折射误差实时修正以及红外激光传输研究等问题,利用2006年至2010年间在新疆戈壁地区获取的大气参数探空实验数据,计算得到了两个特定的波长,即1.32 m和4 m对应的大气折射率平均剖面分布,进而提出了一种实用的折射率剖面分布模式三参数指数分布模式。利用非线性最小二乘法,分别拟合得到了波长为1.32 m和4 m时的红外波在各季节内折射率的三参数指数剖面分布模式。采用统计得到的折射率剖面分布模式实时修正了光电设备的仰角测量数据,通过和实测模型的事后修正结果比较发现,二者的差值小于5,实现了对当地光学测量数据大气折射误差的实时、快速修正。     

基于标记点消隐与提取的三维形貌及形变测量

条纹投影轮廓术期望被测表面反射率足够均匀以保证形貌测量精度，而数字图像相关技术则期望被测表面能够提供高对比度的纹理信息来确保图像匹配准确性和形变计算精度，二者对表面的纹理需求存在矛盾。针对这一矛盾，提出基于RGB模型的标记点纹理消隐与提取方法，通过计算特定的消隐系数与提取系数，同时提取高质量的条纹图案和纹理图案分别用于后续形貌和形变测量。实验结果表明，相较于已有方法，所提方法可以解决条纹投影轮廓术和数字图像相关技术对纹理要求的矛盾性问题，同时实现高精度的三维形貌和形变测量。     

ICF�����������

用AFM轮廓仪测量了ICF靶丸3个相互正交方向上的表面高度数据。分析了测量数据的误差来源,给出了消除表面异常扰动和偏心距两类误差的方法和原始数据预处理步骤,采用最小二乘法评定了靶丸球度。给出了靶丸表面形貌一维功率谱估计计算方法和表面粗糙度的计算方法。     

2.7～3.0μm波段高反镜反射率测量研究

中红外激光领域广泛使用高性能高反射光学元件,高反射率高精度测试技术是制备高性能反射光学元件的基础。针对2.7～3.0μm波段光学元件高反射率测量的实际需求,基于量子级联激光器建立了连续光腔衰荡反射率测试实验装置,通过优选2.7～3.0μm波段反射带内水汽吸收较弱的测试波长,分析空气中水汽吸收对衰荡时间和反射率测量的影响,并比较空气和氮气环境下反射率测量结果,实现了2.7～3.0μm波段高反镜反射率的准确测量,在反射率约99.95%时绝对测量精度优于2×10-5。实验结果显示,采用测试波长2.9μm并在测量时保证初始腔和测试腔腔长相同,无需使用氮气环境,直接在实验室空气环境可实现高反射率的精确测量。     

磁控溅射制备微球表面金属Mo涂层的研究

利用磁控溅射制备了各种工艺参数不同的微球表面金属Mo涂层样品,并通过白光干涉仪和扫描电子显微镜对样品的表面及剖面进行了系统的测试分析。分别探究了溅射工作气压和沉积制备时间对微球表面Mo涂层表面形貌以及结晶质量的影响规律。结果表明通过优化工艺参数可制备微球直径约为800μm、涂层厚度为3.5μm到14.1μm、厚度均匀性良好的微球表面Mo涂层。Mo涂层中的晶粒呈现出柱状结构致密堆积在一起,且随涂层的厚度增加晶粒间空隙增大。