1 中国科学院微电子研究所, 光电技术研发中心, 北京100094
2 中国科学院大学, 北京100049
3 中钞印刷技术研究院有限公司, 北京 100070
微电子机械系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）具有小型化、高集成度的特点，随着MEMS结构深宽比的不断增大，对MEMS结构尺寸的测量提出更高的要求。过焦扫描光学显微技术（Through-focus Scanning Optical Microscopy，TSOM）是一种高精度无损的光学测量方法，通过采集一组离焦图并沿扫描方向截取TSOM图像，利用库匹配的方法从中提取待测结构的尺寸信息。该方法对于纳米级结构测量有着极高的灵敏度，然而对于微米级特征尺寸存在建库困难且易受环境干扰的问题。本文针对微米级MEMS沟槽结构，在传统的光学显微镜基础上进行改造，建立了TSOM光学系统采集离焦图像，利用图像特征提取方法生成TSOM特征向量集，结合机器学习的方法建立不同槽宽尺寸的回归预测模型，对微米级MEMS槽宽尺寸实现纳米级测量精度，单点重复性测量2 μm槽宽的相对标准差（Relative Standard Deviation，RSD）在1%左右，10 μm和30 μm槽宽RSD分别低于0.2%和0.35%，结果表明该方法对于微米级MEMS沟槽测量具有极高的应用前景。
MEMS 机器学习 过焦扫描光学显微法 微纳测量 MEMS machine learning TSOM micro-nano measuring
1 中国科学院 微电子研究所，北京00029
2 中国科学院大学，北京100049
针对航空航天、汽车装配等高端制造领域对姿态测量的迫切需求，提出一种面向激光跟踪仪的快速高精度姿态测量方法，利用深度学习结合视觉PnP模型实现了激光跟踪过程中被测件姿态的自动测量。针对PnP姿态求解模型所需的3D特征点和2D特征点之间的对应关系难以直接确定的问题，设计了一个特征提取网络用于提取特征点对应的高维特征，采用最优传输理论确定特征向量之间的联合概率分布，从而完成3D-2D特征点的自动匹配；使用Ransac-P3P结合EPnP算法对匹配好的3D特征点和2D像素点进行姿态求解，获得高精度的姿态信息；在此基础上，利用隐式微分理论计算PnP求解过程的雅克比矩阵，从而将PnP姿态求解模型集成到网络中并指导网络训练，实现了深度网络匹配能力与PnP模型姿态求解能力的优势互补，提高了解算精度。最后，制作了一个含有丰富标注信息的数据集，用于训练面向激光跟踪仪的姿态测量网络。基于高精度二维转台进行了姿态测量实验，结果表明，该方法在3 m处对俯仰角的测量精度优于0.31°，横滚角精度优于0.03°，单次测量耗时约40 ms，能够实现激光跟踪仪的高精度姿态测量。
激光跟踪仪 姿态测量 单目视觉 深度学习 laser tracker attitude measurement monocular vision deep learning
1 中国科学院光电研究院, 北京 100094
2 中国科学院大学, 北京 100049
基于光学系统对跟踪探测的影响,结合仪器功能,提出了一种基于胶合透镜减小跟踪偏移量的方法,实现了对飞秒激光跟踪仪跟踪光路的优化;改进了准直扩束光路,细化了光学系统,分析了优化后光学系统在接收功率和杂光方面对跟踪探测的影响机理。基于优化的光学系统设计,搭建实验系统进行了探测实验。实验结果表明,补偿后的跟踪探测精度可达3 μm,这满足仪器精密跟踪要求。
测量 光路优化 激光跟踪 位置灵敏探测器激光跟踪仪 杂散光
1 长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 中国科学院光电研究院, 北京 100094
3 北京信息科技大学 仪器科学与光电工程学院, 北京 100192
飞秒激光跟踪仪通过PSD探测脱靶量实现目标跟踪, 脱靶量零位是跟踪激光指向反射靶球的中心时反射激光在PSD上输出的光斑位置, 跟踪时以脱靶量零位作为基准计算目标脱靶量, 因此如何准确标定脱靶量零位是仪器实现精确测量的前提。文中在分析角反射器特性的基础上, 结合仪器自身特点提出了一种基于角反射器的飞秒激光跟踪仪跟踪脱靶量零位标定方法。分析了脱靶量零位误差对仪器指向精度的影响; 建立了跟踪脱靶量标定误差模型; 根据仪器结构设计和轴系几何误差对脱靶量零位标定方法进行了仿真, 结果显示, 其误差小于17.8 ?滋m, 当目标距离仪器10 m时, 仪器的指向误差小于1.1″, 该结果对系统误差补偿模型建立奠定了基础。最后, 基于实际装置对仪器的脱靶量零位进行了标定, 为后续仪器的动态测量提供了跟踪基准。
飞秒激光跟踪仪 角反射器 跟踪脱靶量零位 指向误差 femtosecond laser tracker retro-reflector initial position of miss distance pointing error 红外与激光工程
2017, 46(1): 0117001
1 长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130009
2 中国科学院 光电研究院, 北京 100094
3 合肥工业大学 仪器科学和光电工程学院, 安徽 合肥 230009
4 中国科学院大学, 北京 100049
考虑飞秒激光跟踪仪仪器轴系的几何误差会影响仪器的指向精度并最终影响坐标测量精度, 本文研究了激光光轴与竖轴的几何误差对仪器测量精度的影响。提出了激光光轴与竖轴的同轴度标定方法, 以降低其不重合带来的跟踪测量误差。首先, 基于几何光学原理建立了光轴与竖轴的几何误差模型, 分别分析了光轴与竖轴的倾斜与平移误差对仪器测角精度的影响。 然后, 针对设计的仪器提出了基于旋转成像原理的光轴与竖轴同轴度的检测方法, 并设计了一套同轴度检测装置。最后, 基于该检测装置, 通过调节两组双光楔完成了激光光轴与竖轴的倾斜与平移误差的标定。结果显示, 经标定校准后激光光轴与竖轴的角度误差为3.4″; 平移误差为26.1 μm, 得到的结果为仪器后续建立误差补偿模型奠定了基础。
飞秒激光跟踪仪 同轴度 旋转成像 双光楔 标定 femtosecond laser tracker coaxiality rotation imaging dual wedge calibration 光学 精密工程
2016, 24(11): 2651
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 航空光学成像与测量重点实验室，长春 130033
2 长春理工大学 光电工程学院，长春 130022
设计了一种前置超光谱成像变焦系统,其工作谱段在400～1 000 nm，F数为3.5～5.6，在焦距28 mm和80 mm处的全视场分别为7.88°和2.76°.前置超光谱成像变焦系统与传统变焦系统主要有两点不同:第一、由于该超光谱系统应用声光可调滤光器元件分光，更加关心分光后各个谱段下系统的整体传函情况，所以需要进行逐一离散评价;第二、由于实际应用中前置系统与后续成像模块综合应用达到总体变焦的目的，两个系统的传函在系统整体传函中均具有一定的贡献量，所以对前置超光谱成像变焦系统的评价需要综合考虑系统对后续成像模块传函要求的合理化及整体传函受人眼视觉阈约束的影响，从而对前置超光谱变焦系统的像质评价指标进行了具体分析.根据物像交换原则对系统的初始结构进行了计算，并应用ZEMAX软件对系统进行了优化设计，设计结果表明，系统在各个焦距位置及超光谱各谱段下，像质均满足了设计指标要求.
超光谱 前置变焦系统 光学设计 像质评价指标 Hyperspectrum Fore zoom system Optical design Image quality evaluation
