基于衍射光柵的干涉式精密位移測(cè)量系統(tǒng)

呂強(qiáng)，李文昊，巴音賀希格，等

摘要：目的：光柵位移測(cè)量系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)大量程、高分辨率、高精度位移測(cè)量的主要手段之一。為了對(duì)光柵位移測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行深入研究，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的性能，介紹了光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的原理、現(xiàn)狀以及關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)指出了存在的問題以及其未來的發(fā)展方向。方法：根據(jù)測(cè)量原理，光柵位移測(cè)量系統(tǒng)可分為基于幾何莫爾條紋原理的位移測(cè)量系統(tǒng)和基于干涉原理的位移測(cè)量系統(tǒng)。基于干涉原理的光柵位移測(cè)量系統(tǒng)采用了更高刻線密度的光柵，其分辨率和精度更高，在毫米量級(jí)測(cè)量范圍內(nèi)，分辨率可達(dá)納米甚至是皮米，因此是目前研究的熱點(diǎn)。要實(shí)現(xiàn)對(duì)光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的優(yōu)化和改進(jìn)，有必要了解目前國(guó)內(nèi)外對(duì)基于干涉原理的光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的研究情況。結(jié)果：在國(guó)外，德國(guó)、日本等國(guó)家在光柵位移測(cè)量領(lǐng)域進(jìn)行了大量研究，具有很大優(yōu)勢(shì)，德國(guó)Heidehain公司的光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，產(chǎn)品種類和產(chǎn)量都居于領(lǐng)先地位。Heidehain公司的LIP、LIF、PP系列產(chǎn)品一般采用周期為8 μm和4 μm的光柵，系統(tǒng)的分辨率為50～5 nm，精度等級(jí)為±1 μm。該公司的LIP372和LIP382采用了周期為512 nm的光柵，系統(tǒng)分辨率可達(dá)1 nm，精度等級(jí)±0.5 μm，量程70～270 mm。日本Sony公司研制的BS78系列激光尺采用550 nm周期的全息光柵，通過4000倍的電子細(xì)分實(shí)現(xiàn)了34 pm的最小步距，精度最高可達(dá)±0.04 μm，測(cè)量長(zhǎng)度為10～420 mm，該測(cè)量系統(tǒng)的分辨率到達(dá)皮米量級(jí)，可以算是21世紀(jì)精密檢測(cè)的一個(gè)重大飛躍。日本R. Sawada等人利用半導(dǎo)體制造技術(shù)將位移測(cè)量系統(tǒng)的尺寸縮小至500 μm2，系統(tǒng)分辨率小于10 nm，非常適用于微型機(jī)器人手臂等微位移測(cè)量中。日本尼康公司為了擴(kuò)大光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的量程，在半導(dǎo)體光刻機(jī)的掃描平臺(tái)上，將多個(gè)光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的讀數(shù)頭相結(jié)合，并且與激光干涉儀共同構(gòu)成BEC系統(tǒng)，使得兩測(cè)量系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高了硅片的產(chǎn)量和質(zhì)量。日本東北大學(xué)Gao Wei等人對(duì)多維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了研究，采用0.57 μm的二維光柵，實(shí)現(xiàn)了2 nm位移分辨率，0.3角秒的角度測(cè)量分辨率的多維度測(cè)量。在國(guó)內(nèi)，國(guó)防科技大學(xué)采用高級(jí)次衍射光實(shí)現(xiàn)了1 nm分辨率10 nm測(cè)量精度的位移測(cè)量。臺(tái)灣范光照等人利用1200 l/mm的全息光柵，采用二次衍射結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了15 mm測(cè)量范圍內(nèi)與激光干涉儀標(biāo)準(zhǔn)差為10～19 nm的測(cè)量精度。他還利用二維光柵和Littrow結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了1 nm分辨率的二維位移測(cè)量。李世光等人在測(cè)量系統(tǒng)中引入了單倍望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，提高了對(duì)位公差和信噪比，系統(tǒng)在 20 mm測(cè)量范圍內(nèi)具有33.71 nm的測(cè)量精度。Hsieh等人設(shè)計(jì)了能夠?qū)崿F(xiàn)6維測(cè)量的系統(tǒng)，位移分辨率2 nm，角度分辨率0.05 μrad。清華大學(xué)主要設(shè)計(jì)了外差式的光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，其二維位移測(cè)量系統(tǒng)的分辨率可達(dá)0.6 nm。結(jié)論：國(guó)內(nèi)外對(duì)光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的研究，無論在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上還是原理上都有一定的創(chuàng)新和發(fā)展,相關(guān)產(chǎn)品也應(yīng)用在不同的測(cè)量領(lǐng)域。但是，光柵位移測(cè)量系統(tǒng)還存在一些關(guān)鍵性問題需要我們?nèi)ソ鉀Q。（1）光柵制造的精度需要提高；（2）位移測(cè)量系統(tǒng)的量程和分辨率之間的矛盾需要解決；（3）系統(tǒng)的裝調(diào)和標(biāo)定需要完善；（4）需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行小型化、集成化設(shè)計(jì)。隨著對(duì)光柵位移測(cè)量系統(tǒng)研究的不斷深入，具有大量程、高分辨、高精度、小型化、多維度的光柵位移測(cè)量系統(tǒng)必將廣泛應(yīng)用與各種測(cè)量領(lǐng)域中，對(duì)精密制造領(lǐng)域的發(fā)展有很重要的意義。

來源出版物：中國(guó)光學(xué), 2017, 10(1)： 39-50

入選年份：2017

二維電子氣等離激元太赫茲波器件

秦華，黃永丹，孫建東，等

摘要：目的：與我們已廣泛使用的無線電波、紅外、可見光和紫外波段不同，基于電子學(xué)或光子學(xué)的太赫茲光源、探測(cè)器和調(diào)制器等核心器件技術(shù)還很不成熟。半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中二維電子氣及其一種集體激發(fā)模式，即等離激元，與電子學(xué)和光子學(xué)緊密相關(guān)，有望成為太赫茲波器件的工作媒質(zhì)。通過二維電子氣的太赫茲波吸收、混頻和輻射特性的測(cè)試分析，理解二維電子氣及其等離激元與太赫茲波的相互作用和調(diào)控方法，探索并評(píng)估其用于太赫茲波調(diào)制、探測(cè)和發(fā)射器件的潛力和尚且存在的困難。方法：采用 AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)中自發(fā)極化和壓電極化形成的高濃度（1013 cm-2）、高電子遷移率（2000 cm2/Vs）二維電子氣及其頻率可調(diào)范圍寬（0.1～3 THz）的等離激元，采用光柵柵極和片上天線調(diào)控入射太赫茲波與二維電子氣及其等離激元的耦合，利用柵極電壓調(diào)控二維電子氣濃度并對(duì)等離激元頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，通過太赫茲波的透射光譜、發(fā)射光譜和光電流響應(yīng)特性的測(cè)試，研究二維電子氣用于太赫茲波調(diào)制、發(fā)射和探測(cè)的機(jī)理和方法，試制并評(píng)估相應(yīng)的調(diào)制器、探測(cè)器和光源原型器件。與AlGaAs/GaAs異質(zhì)結(jié)二維電子氣的電子遷移率（＞7000 cm2/Vs）相比，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)二維電子氣雖然電子遷移率相對(duì)較低，但是勢(shì)壘層較薄，因此在其表面制備的太赫茲波光柵或天線有利于增強(qiáng)二維電子氣與太赫茲波的耦合作用。結(jié)果：通過光柵和硅透鏡共同耦合太赫茲波，在低溫下（8.7 K）AlGaN/GaN二維電子氣的太赫茲透射光譜中觀測(cè)到由光柵柵極電壓連續(xù)調(diào)節(jié)的等離激元，模式數(shù)目達(dá)到 8，等離激元頻率達(dá)到2 THz以上。通過光柵和法布里-珀羅諧振腔的共同耦合，在太赫茲透射光譜和發(fā)射光譜中均觀測(cè)到等離激元與太赫茲波腔模強(qiáng)耦合形成的等離極化激元。等離激元模式和太赫茲諧振腔模式的線寬分別為80 GHz和50 GHz，兩者的耦合強(qiáng)度約為50 GHz，相應(yīng)的拉比頻率達(dá)到95 GHz。利用光柵柵極電壓開啟和關(guān)閉太赫茲波與等離（極化）激元的共振，實(shí)現(xiàn)了高調(diào)制深度的太赫茲波調(diào)制，在0.67、0.85和1.27 THz頻點(diǎn)的調(diào)制深度分別達(dá)到80%、84.5%和 62%。利用片上偶極天線將太赫茲波耦合到場(chǎng)效應(yīng)柵極調(diào)控的二維電子氣溝道中，并產(chǎn)生局域的、增強(qiáng)的和非對(duì)稱的場(chǎng)分布，在室溫下形成太赫茲波的自混頻，產(chǎn)生可檢測(cè)的太赫茲波自混頻光電流。建立天線耦合場(chǎng)效應(yīng)晶體管的自混頻物理模型，準(zhǔn)確描述自混頻產(chǎn)生的太赫茲光電流信號(hào)及其與柵極電壓和源漏電壓的關(guān)系，指導(dǎo)室溫高靈敏度太赫茲探測(cè)器的設(shè)計(jì)。在低溫（77 K）探測(cè)器中觀測(cè)到太赫茲波共振激發(fā)的等離激元，其激發(fā)產(chǎn)生的太赫茲光電流與自混頻響應(yīng)響應(yīng)相比較弱。實(shí)現(xiàn)了室溫工作的高靈敏度太赫茲波自混頻探測(cè)器的單元、線陣列和面陣列，演示了對(duì)太赫茲波光束和不同物體的掃描（透射和反射）成像。結(jié)論：通過低溫下 AlGaN/GaN二維電子氣等離激元的制備和調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了基于等離激元共振的太赫茲波調(diào)制、發(fā)射和探測(cè)。等離激元的共振激發(fā)在理論上能夠

增強(qiáng)太赫茲波檢測(cè)的靈敏度，利用非對(duì)稱分布的并且高度局域的太赫茲近場(chǎng)即可在柵控的室溫二維電子氣溝道內(nèi)產(chǎn)生太赫茲波的自混頻，從而成為室溫高靈敏度太赫茲波檢測(cè)的有效機(jī)制。值得強(qiáng)調(diào)的是，太赫茲波探測(cè)器和調(diào)制器均可工作在源漏電壓為零的模式下，即二維電子氣不產(chǎn)生功耗。由于二維電子氣有限的電子遷移率和等離激元的高損耗，基于等離激元共振吸收的太赫茲波調(diào)制器即使不需要源漏電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)目前也只能在低溫下工作。而基于等離激元共振激發(fā)或失穩(wěn)的太赫茲光源則需要將二維電子氣中電子加速到特定的閾值速度以上，加劇了等離激元的損耗，太赫茲波發(fā)射效率降低。未來半導(dǎo)體等離激元太赫茲波器件的研究仍需圍繞等離激元損耗機(jī)制和高品質(zhì)等離激元諧振腔的構(gòu)筑展開。

來源出版物：中國(guó)光學(xué), 2017, 10(1)： 51-67

入選年份：2017

結(jié)合Harris與SIFT算子的圖像快速配準(zhǔn)算法

許佳佳

摘要：目的：圖像配準(zhǔn)技術(shù)一直是圖像處理領(lǐng)域的重要研究方向，各種配準(zhǔn)方法各有所長(zhǎng)，還沒有一種配準(zhǔn)方法能夠解決所有的圖像配準(zhǔn)問題。本文從實(shí)際工程應(yīng)用角度出發(fā)，分析了各種配準(zhǔn)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上提出一種快速準(zhǔn)確的圖像配準(zhǔn)方法，解決航空等領(lǐng)域的遙感圖像配準(zhǔn)問題。方法：基于特征的配準(zhǔn)方法是圖像配準(zhǔn)常用的一種方法，其速度快、匹配精度高，并且某些特征對(duì)于圖像的變形、光照變化及噪聲等都具有較好的魯棒性。基于特征的配準(zhǔn)方法的首要任務(wù)是進(jìn)行特征點(diǎn)檢測(cè)及匹配。SIFT是目前公認(rèn)的最為魯棒的特征匹配算子，它是由Lowe在總結(jié)了現(xiàn)有基于不變量技術(shù)特征提取方法基礎(chǔ)上提出的一種基于尺度空間的局部特征描述算子。SIFT具有尺度不變性、旋轉(zhuǎn)不變性及光照不變性等諸多優(yōu)點(diǎn)，但其存在一個(gè)巨大缺陷——運(yùn)算復(fù)雜，處理速度慢，難以處理大幅面影像或進(jìn)行實(shí)時(shí)應(yīng)用。在其他的特征檢測(cè)算子（如Maravec算子、Harris算子、Susan算子等）中，Harris角點(diǎn)檢測(cè)算法計(jì)算簡(jiǎn)單、穩(wěn)定且不受光照、旋轉(zhuǎn)、噪聲等影響,具有最好的檢測(cè)效果。但是Harris算子不具有尺度不變性，而且在角點(diǎn)定位方面存在偏差，可能導(dǎo)致匹配不準(zhǔn)確，難以精確配準(zhǔn)。本文結(jié)合Harris角點(diǎn)檢測(cè)和SIFT特征描述的優(yōu)點(diǎn)，采用多尺度 Harris算子檢測(cè)圖像角點(diǎn)特征，并利用 Forstner算子思想對(duì)角點(diǎn)精定位，然后使用 SIFT特征描述方法進(jìn)行特征描述和匹配；最后利用獲得的匹配點(diǎn)對(duì)采用最小二乘法計(jì)算圖像變換參數(shù)，完成圖像配準(zhǔn)。結(jié)果：通過實(shí)驗(yàn)對(duì)本文提出的Harris-SIFT算法、標(biāo)準(zhǔn)SIFT算法以及SURF算法進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：采用Harris算法進(jìn)行特征檢測(cè)確實(shí)具有很大的時(shí)間優(yōu)勢(shì)，在3組測(cè)試圖像中，Harris特征檢測(cè)時(shí)間比標(biāo)準(zhǔn)SIFT至少減少了42%，最多減少量達(dá)到了79%，其特征提取速度基本達(dá)到了SURF算法的水平，這是因?yàn)槎喑叨菻arris不需要構(gòu)造太復(fù)雜的尺度空間，所需計(jì)算的像素量大大減少，節(jié)省了相當(dāng)一部分計(jì)算時(shí)間；另外，通過比較本文方法與標(biāo)準(zhǔn) SIFT算法所提特征點(diǎn)在圖象中的分布可以看出，采用本文方法所獲得的特征點(diǎn)數(shù)量雖然少，但在圖像中分布均勻，并不過密，這也節(jié)省了后續(xù)匹配過程的時(shí)間消耗；最后，通過統(tǒng)計(jì)所有匹配點(diǎn)對(duì)變換后坐標(biāo)與參考坐標(biāo)間的均方根誤差RMSE以定量的評(píng)價(jià)配準(zhǔn)精度，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明本文提出的多尺度 Harris-Sift算法能夠保證SIFT算法的匹配正確率。結(jié)論：本文針對(duì)SIFT算法匹配速度慢的問題，提出了改進(jìn) Harris算法與SIFT算子相結(jié)合的快速圖像配準(zhǔn)方法。該方法以Harris角點(diǎn)檢測(cè)代替 SIFT算法的極值檢測(cè)部分，同時(shí)為了保證特征點(diǎn)的尺度不變性，對(duì)Harris進(jìn)行了改進(jìn)。首先建立高斯尺度空間，檢測(cè)具有尺度信息的Harris角點(diǎn)，然后利用攝影測(cè)量學(xué)中的Forstner算子思想對(duì)角點(diǎn)進(jìn)行精定位，最后采用SIFT描述符對(duì)角點(diǎn)進(jìn)行描述，利用RANSAC法以及隨機(jī)K-D樹算法完成特征點(diǎn)匹配。

來源出版物：中國(guó)光學(xué), 2015, 8(4)： 574-581

入選年份：2017