双线阵CCD光学拼接与误差分析研究

基于线阵CCD的图像测量技术是当前工程应用中的一个重要领域,针对当前高精度大动态范围测量和标准线阵CCD测量范围及线阵CCD几何结构之间的矛盾,提出了一种高精度大范围的线阵CCD测量拼接方案。利用半反半透镜平面反射原理设计了双线阵CCD高精度拼接的光学拼接系统的光机结构原理,给出了重叠像元的标定原理,对其标定和拼接误差进行了分析。通过拼接系统的实验室长期实验结果表明:方案拼接简单,实用可靠,系统的整体拼接误差约为0.019mm,且拼接不存在漏缝现象,拼接精度满足高精度测量的要求。拼接方案对高精度、大动态范围CCD测量实际应用有一定的参考意义。     

多坐标激光干涉仪用于纳米定位系统中的研究

提出了应用激光干涉量度(LM)系列多坐标激光干涉仪在纳米定位系统中进行同步定位检测,具有尺寸小、重量轻、光源与测量头分离的特点,完全消除了由于光源的震动、发热等因素对纳米定位系统的影响;它的测量分辨率高、测量范围大及本身带有智能分析环节,在IC(Integrated circuit)制造装备及微机械、生物芯片制造装备等方面的应用中,满足大空间范围和超高精度定位的要求,并且可以通过分布式CPU控制方式实现多坐标高速、同步实时定位.     

多坐标激光干涉仪用于纳米定位系统中的研究

提出了应用激光干涉量度（LM）系列多坐标激光干涉仪在纳米定位系统中进行同步定位检测，具有尺寸小，重量轻，光源与测量头分离的特点，完全消除了由于光源的震动，发热等因素对纳米定位系统的影响；它的测量分辨率高，测量范围大及本身带有智能分析环节，在IC（Integrated circuit)制造装备及微机械，生物芯片制造装备等方面的应用中，满足大空间范围和超高精度定位的要求，并且可以通过分布式CPU控制方式实现多坐标高速，同步实时定位。     

一种自适应安装的高精度图像式角位移测量装置

采用图像探测器的角位移测量技术可实现高精度高分辨力角位移测量。为提高角位移测量装置的鲁棒性,本文设计了一种自适应安装的高精度图像式角位移测量装置。其装调过程非常简便,且可以保证在标定光栅存在偏心时具有高分辨力和高精度测量输出。首先,提出了基于双线阵图像传感器的测角装置设计原理,并设计了单圈绝对式标定光栅。然后,采用基于质心算法的高分辨力细分算法进行细分,并采用双线阵图像传感器对测角误差进行误差补偿。最后,设计实验装置测试自适应安装的性能。实验结果表明,当标定光栅的偏心度在±1 mm以内时,所设计装置可以实现高精度和高分辨力的角位移测量。本文所设计的装置可以在标定光栅存在±1 mm的安装偏心时保证输出精度,为小型角位移测量装置适应性的提高给出了解决方案。     

光学超分辨成像精度破极限达4.1nm

中国科大郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室孙方稳研究组,利用光学超分辨成像技术实现了对单个自旋态的纳米量级空间分辨率测量和操控,其成像精度达到4.1 nm。了解微纳尺度物体的物理属性及动力学过程,需要纳米尺寸的探测器,纳米尺度的固态量子测量技术因此得到快速发展。但实现高空间分辨率的电磁场等物理量测量,不仅需要高精度的成像和分辨,还需要高精度量     

相移干涉显微术测量表面微观形貌

在微分干涉相衬显微镜中加入偏振相移装置,实现了对干涉光强的调制,达到了相移的目的,构造了具有纳米级分辨率的相移干涉显微测量系统。编制了一套测试软件及多组数据处理软件,将测量系统的各组成部分用软件进行了连接。分析并解决了测量过程中的技术难题,对纳米表面微观形貌进行了高精度实时自动测量。该测量系统能够准确地重构出纳米表面微观形貌,并给出了定量测量数据。     

基于光谱共焦的碱金属气室壁厚测量传感器的线性色散物镜设计

基于光谱共焦的碱金属气室壁厚测量传感器是通过直接测量光波波长信息来得到透明材料厚度值,是一种非接触式厚度测量传感器。色散物镜是厚度测量传感器的核心部件,色散物镜的线性度和色散范围决定了厚度测量传感器的精度和分辨率。文章介绍了基于光谱共焦的厚度测量传感器的原理,分析了波长信息与轴向色散范围之间的关系,利用ZEMAX光学设计软件对色散物镜进行设计,采用多重结构进行优化。在420～620nm的波长区间内实现0.801mm的轴向色散范围,使用最小二乘法对波长和轴向色散进行线性拟合所得线性度为0.9975。配合0.001nm的高分辨率光谱仪,传感器测量精度可以达到纳米级,满足对碱金属气室壁厚高精度测量的需求。     

基于扫描白光干涉法的表面三维轮廓仪

在强调表面三维形貌测量重要性的基础上 ,介绍了利用扫描白光干涉法测量表面三维微观形貌的原理及三维轮廓仪测量系统的构成。通过给出的几个测量实例 ,反映了该三维轮廓仪的主要特点 ,适合于大范围、高精度、阶梯面的测量。最后分析了影响其测量精度的主要因素。     

纳米表面相互作用及振动测头模型

如何实现高精度的测量是现代制造业及微电子技术领域的热点问题之一. 基于微纳米测头的三坐标测量机是当前实现高精度测量的重要手段. 随着测量尺寸的减小, 常用的纳米/微纳尺度的测头与待测表面之间形成静态接触, 其表面相互作用成为了影响其测量精度和可靠性的关键因素之一. 本文基于一种触发式振动测头, 研究了其动力学模型, 并通过对测头纳米尺度表面相互作用的理论分析及数值模拟, 确立了测头振动参数与表面相互作用之间的关联. 实验研究表明, 参数优化后的谐振微纳测头能有效抑制表面作用带来的干扰, 提高测量精度.     

共轭涡旋光干涉精密位移测量方法与系统

为实现高精度大量程精密位移测量，提出了一种基于涡旋光共轭干涉的精密位移测量方法。通过建立位移过程中涡旋光共轭干涉图样的旋转角弧度与位移之间的数学关系，实现了对旋转角弧度的精确提取，得到了高精度的精密位移测量结果。基于该原理对测量方案进行了光学系统设计与仿真，研制了实验系统并进行了实验测试。当标准位移为20 nm时，实验测量结果的误差为25 pm，相对误差为0.13%，证明了所提亚纳米级精密位移测量方案的有效性。所提系统还可通过计量干涉图样旋转圈数进行大测量范围的精密位移测量。实验结果表明，所提方案可在30μm范围内实现精密位移测量。     

大范围高分辨率法-珀干涉仪

法 珀干涉仪有较高的分辨率 ,但是由于受到激光器模间隔的限制 ,测量范围较小。介绍了使用换模锁定法对其进行扩展 ,实现了具有较大测量范围及纳米分辨率和测量精度的法 珀干涉仪 ,扩展了法 珀干涉仪的测量范围     

激光干涉法测量硅高温环境下的线膨胀系数的实验研究

利用中国计量科学研究院自行设计的基于激光干涉法的材料线膨胀系数测量装置进行了材料线膨胀系数测量试验。该装置采用单频激光干涉，对称光路设计，其干涉仪分辨率小于1nm。实验过程中改进并完善了该装置，重新设计了加热炉，改进了实验方法，使该装置在800K以上的高温环境下能进行材料线膨胀系数的测量。在800K到1200K温度范围内，对单晶硅试样采用分段加热进行测量,并对样品变化过程及测量结果作了分析，得到了单晶硅线膨胀系数的曲线，实现了在1200K环境下采用激光干涉法材料线膨胀系数的纳米级测量。     

全自动在线六维纳米测量系统

介绍了一种用于在线检测纳米定位平台的全自动六维纳米测量系统。提出了整波长干涉测量方法,可以避免激光干涉仪的非线性影响,使系统能够得到准确校准,达到纳米级精度。该测量系统可以测定6个自由度,三维直线运动测量范围为100μm×100μm×100μm,分辨率能够达到1nm以下。     

基于正交偏振双纵模的氦氖激光器纳米测尺系统

提出一种基于正交偏振双纵模的氦氖激光器纳米测尺系统,将双折射元件插入He-Ne激光器谐振腔内产生频率分裂效应,使激光器变成了频差可调的双频激光器。运用频率分裂、模竞争、双纵模功率调谐等激光物理效应和设定浮动阈值,研制了新型的激光器纳米测尺。以激光波长为尺子,具有可溯源性,在没有任何电细分的条件下达到了纳米量级的分辨率,与激光干涉仪的比对实验表明,该系统的分辨率为79 nm,量程为15 mm,线性度为5.4×10-5,标准差为380 nm。     

利用Mirau显微干涉仪测量微器件的纳米级运动

描述了一种用于微机电系统（MEMS）纳米级微运动测量的Mirau显微干涉系统.该系统利用商业化的Mirau显微干涉仪，它直接安装在光学显微镜上，用于测量一个表面微加工水平谐振器的三维运动.面内运动取决于亮场在最佳焦平面处的图像，而离面运动则取决于频闪得到的干涉图像，该图像在物镜纳米定位器的8个不同位置处得到.实验结果表明了系统进行面内和离面运动测量的纳米级分辨力.     

精密测量中的纳米计量技术

随着纳米科学的迅速发展,对纳米计量技术也提出了更高要求。目前,纳米计量技术已经实现在几十微米量程范围内具有亚纳米甚至皮米量级的测量分辨率。回顾了现在主要的纳米计量技术,包括激光干涉仪、差拍F P干涉仪、X射线干涉仪、光学+X射线干涉仪、基于频率测量技术和光频梳技术等,介绍了其工作原理、技术特点、应用范围及其最新研究进展。     

High-resolution parallel multipass laser interferometer with an interference fringe spacing of 15 nm

We present a high-resolution laser interferometer based on the parallel multipass configuration with a pair of right-angle prisms to increase the optical fringe subdivision order up to 21. In the experiment, a multipass homodyne Michelson interferometer (MHMI) with the fringe spacing of 15 nm was demonstrated, resulting in the displacement measurement with a measurement resolution of 180 pm limited by the sampling rate of the employed analog-to-digital converter. We show that the ultimate resolution of the demonstrated MHMI scales with 1/N and it is estimated to be 8.7 pm for N = 21.     

纳米精度外差干涉仪非线性漂移的研究

在纳米精度外差干涉仪中，由于非线性温度漂移，成为外差干涉仪实现纳米精度测量的重要误差源。本文对差动干涉仪的理论分析得出如下的结论，干涉仪中除了测量光路和参考光路以外，还存在参考光误差分量和测量光误差分量的额外光路，从而引和了干涉混叠，产生非线性漂移：１／４波片的相位延迟量误差和安装是引入非线性漂移的主要因素，其影响程度是一阶的，提高波片对加工精度，并尽量减少其级数可降低非线性漂移。     

基于F-P腔法的纳米精度非线性误差校准系统研究

为了研究可用于纳米、亚纳米精度的非线性误差校准系统,采用差拍F-P干涉法,在中国计量科学研究院研制的差拍F-P干涉仪基础上,设计并制作了适用于该系统的密封干涉光路的真空系统。通过与电容式测微仪的比对实验,证明了系统的抗干扰能力得到了改善,在大于半波长的测量范围内,系统的非线性度优于3.86nm。     

双频氦氖激光回馈位移测量系统的实验与应用研究

研究了一种全新的纳米尺度位移测量系统。将双折射元件插入He-Ne激光器谐振腔内产生频率分裂效应，使原本单模谐振的激光器输出变成了频差可调的2个正交偏振频率（o光和e光），而形成双频激光器。在激光谐振腔外放置沿激光轴线位移的反射表面，将输出的激光束反射回腔内，以便对激光的光强进行调制，可实现高分辨率非接触式可判向位移测量。提出了一种细分方法，该方法突破了传统干涉系统的衍射极限（1/2波长）。对于633nm波长He-Ne激光，本系统的理想分辨率为1/8波长（约为79nm）。