光電子學與激光技術(shù)

基于衍射光柵的干涉式精密位移測量系統(tǒng)

呂強，李文昊，巴音賀希格，等

摘要：目的：光柵位移測量系統(tǒng)是實現(xiàn)大量程、高分辨率、高精度位移測量的主要手段之一。為了對光柵位移測量系統(tǒng)進行深入研究，進一步提升系統(tǒng)的性能，介紹了光柵位移測量系統(tǒng)的原理、現(xiàn)狀以及關(guān)鍵技術(shù)，同時指出了存在的問題以及其未來的發(fā)展方向。方法：根據(jù)測量原理，光柵位移測量系統(tǒng)可分為基于幾何莫爾條紋原理的位移測量系統(tǒng)和基于干涉原理的位移測量系統(tǒng)?；诟缮嬖淼墓鈻盼灰茰y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，在毫米量級測量范圍內(nèi)，分辨率可達納米甚至是皮米，因此是目前研究的熱點。要實現(xiàn)對光柵位移測量系統(tǒng)的優(yōu)化和改進，有必要了解目前國內(nèi)外對基于干涉原理的光柵位移測量系統(tǒng)的研究情況。結(jié)果：在國外，德國、日本等國家在光柵位移測量領(lǐng)域進行了大量研究，具有很大優(yōu)勢，德國Heidehain公司的光柵位移測量系統(tǒng)的設(shè)計理念，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1 nm，精度等級±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倍的電子細分實現(xiàn)了34 pm的最小步距，精度最高可達±0.04 μm，測量長度為10～420 mm，該測量系統(tǒng)的分辨率到達皮米量級，可以算是21世紀精密檢測的一個重大飛躍。日本R. Sawada等人利用半導體制造技術(shù)將位移測量系統(tǒng)的尺寸縮小至500 μm2，系統(tǒng)分辨率小于10 nm，非常適用于微型機器人手臂等微位移測量中。日本尼康公司為了擴大光柵位移測量系統(tǒng)的量程，在半導體光刻機的掃描平臺上，將多個光柵位移測量系統(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)，使得兩測量系統(tǒng)優(yōu)勢互補，提高了硅片的產(chǎn)量和質(zhì)量。日本東北大學Gao Wei等人對多維光柵位移測量系統(tǒng)進行了研究，采用0.57 μm的二維光柵，實現(xiàn)了2 nm位移分辨率，0.3角秒的角度測量分辨率的多維度測量。在國內(nèi)，國防科技大學采用高級次衍射光實現(xiàn)了1 nm分辨率10 nm測量精度的位移測量。臺灣范光照等人利用1200 l/mm的全息光柵，采用二次衍射結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了15 mm測量范圍內(nèi)與激光干涉儀標準差為10～19 nm的測量精度。他還利用二維光柵和Littrow結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了1 nm分辨率的二維位移測量。李世光等人在測量系統(tǒng)中引入了單倍望遠鏡結(jié)構(gòu)，提高了對位公差和信噪比，系統(tǒng)在 20 mm測量范圍內(nèi)具有33.71 nm的測量精度。Hsieh等人設(shè)計了能夠?qū)崿F(xiàn)6維測量的系統(tǒng)，位移分辨率2 nm，角度分辨率0.05 μrad。清華大學主要設(shè)計了外差式的光柵位移測量系統(tǒng)，其二維位移測量系統(tǒng)的分辨率可達0.6 nm。結(jié)論：國內(nèi)外對光柵位移測量系統(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)用在不同的測量領(lǐng)域。但是，光柵位移測量系統(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)和標定需要完善；（4）需要對系統(tǒng)進行小型化、集成化設(shè)計。隨著對光柵位移測量系統(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量系統(tǒng)必將廣泛應(yīng)用與各種測量領(lǐng)域中，對精密制造領(lǐng)域的發(fā)展有很重要的意義。

來源出版物：中國光學, 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，基于電子學或光子學的太赫茲光源、探測器和調(diào)制器等核心器件技術(shù)還很不成熟。半導體異質(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，與電子學和光子學緊密相關(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，探索并評估其用于太赫茲波調(diào)制、探測和發(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等離激元頻率進行調(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)特性的測試，研究二維電子氣用于太赫茲波調(diào)制、發(fā)射和探測的機理和方法，試制并評估相應(yīng)的調(diào)制器、探測器和光源原型器件。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較低，但是勢壘層較薄，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)目達到 8，等離激元頻率達到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)射光譜中均觀測到等離激元與太赫茲波腔模強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，兩者的耦合強度約為50 GHz，相應(yīng)的拉比頻率達到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頻點的調(diào)制深度分別達到80%、84.5%和 62%。利用片上偶極天線將太赫茲波耦合到場效應(yīng)柵極調(diào)控的二維電子氣溝道中，并產(chǎn)生局域的、增強的和非對稱的場分布，在室溫下形成太赫茲波的自混頻，產(chǎn)生可檢測的太赫茲波自混頻光電流。建立天線耦合場效應(yīng)晶體管的自混頻物理模型，準確描述自混頻產(chǎn)生的太赫茲光電流信號及其與柵極電壓和源漏電壓的關(guān)系，指導室溫高靈敏度太赫茲探測器的設(shè)計。在低溫（77 K）探測器中觀測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。實現(xiàn)了室溫工作的高靈敏度太赫茲波自混頻探測器的單元、線陣列和面陣列，演示了對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。等離激元的共振激發(fā)在理論上能夠

增強太赫茲波檢測的靈敏度，利用非對稱分布的并且高度局域的太赫茲近場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的有效機制。值得強調(diào)的是，太赫茲波探測器和調(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的驅(qū)動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：中國光學, 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算法

許佳佳

摘要：目的：圖像配準技術(shù)一直是圖像處理領(lǐng)域的重要研究方向，各種配準方法各有所長，還沒有一種配準方法能夠解決所有的圖像配準問題。本文從實際工程應(yīng)用角度出發(fā)，分析了各種配準方法的優(yōu)缺點，并在此基礎(chǔ)上提出一種快速準確的圖像配準方法，解決航空等領(lǐng)域的遙感圖像配準問題。方法：基于特征的配準方法是圖像配準常用的一種方法，其速度快、匹配精度高，并且某些特征對于圖像的變形、光照變化及噪聲等都具有較好的魯棒性?；谔卣鞯呐錅史椒ǖ氖滓蝿?wù)是進行特征點檢測及匹配。SIFT是目前公認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，但其存在一個巨大缺陷——運算復雜，處理速度慢，難以處理大幅面影像或進行實時應(yīng)用。在其他的特征檢測算子（如Maravec算子、Harris算子、Susan算子等）中，Harris角點檢測算法計算簡單、穩(wěn)定且不受光照、旋轉(zhuǎn)、噪聲等影響,具有最好的檢測效果。但是Harris算子不具有尺度不變性，而且在角點定位方面存在偏差，可能導致匹配不準確，難以精確配準。本文結(jié)合Harris角點檢測和SIFT特征描述的優(yōu)點，采用多尺度 Harris算子檢測圖像角點特征，并利用 Forstner算子思想對角點精定位，然后使用 SIFT特征描述方法進行特征描述和匹配；最后利用獲得的匹配點對采用最小二乘法計算圖像變換參數(shù)，完成圖像配準。結(jié)果：通過實驗對本文提出的Harris-SIFT算法、標準SIFT算法以及SURF算法進行對比分析發(fā)現(xiàn)：采用Harris算法進行特征檢測確實具有很大的時間優(yōu)勢，在3組測試圖像中，Harris特征檢測時間比標準SIFT至少減少了42%，最多減少量達到了79%，其特征提取速度基本達到了SURF算法的水平，這是因為多尺度Harris不需要構(gòu)造太復雜的尺度空間，所需計算的像素量大大減少，節(jié)省了相當一部分計算時間；另外，通過比較本文方法與標準 SIFT算法所提特征點在圖象中的分布可以看出，采用本文方法所獲得的特征點數(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)匹配過程的時間消耗；最后，通過統(tǒng)計所有匹配點對變換后坐標與參考坐標間的均方根誤差RMSE以定量的評價配準精度，實驗數(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SIFT算法匹配速度慢的問題，提出了改進 Harris算法與SIFT算子相結(jié)合的快速圖像配準方法。該方法以Harris角點檢測代替 SIFT算法的極值檢測部分，同時為了保證特征點的尺度不變性，對Harris進行了改進。首先建立高斯尺度空間，檢測具有尺度信息的Harris角點，然后利用攝影測量學中的Forstner算子思想對角點進行精定位，最后采用SIFT描述符對角點進行描述，利用RANSAC法以及隨機K-D樹算法完成特征點匹配。

來源出版物：中國光學, 2015, 8(4)： 574-581

入選年份：2017