红外与激光工程
2024, 53(2): 20230536
1 上海市计量测试技术研究院，上海 201203
2 上海在线检测与控制技术重点实验室，上海 201203
3 桂林电子科技大学 计算机与信息安全学院，广西 桂林 541004
提出了一种结合深度学习的空间相位解包裹方法，采用基于改进U-Net网络的编码器-解码器架构，同时加入包含双向长短期记忆网络（BILSTM）的CBiLSTM模块，并且结合注意力机制，避免了典型卷积神经网络学习全局空间依赖关系的固有缺陷的同时增强了深度学习模型对相位解包裹任务中的关键信息的关注能力。通过大量的模拟数据，验证了文中方法在严重噪声(SNR=0)、不连续条件和混叠条件下的鲁棒性，在以上三种情况下，同其他深度学习网络模型进行对比，文中所提出的网络模型的归一化均方根误差（NRMSE）分别为0.75%、1.81%和1.68%；结构相似性指数（SSIM）分别为0.98、0.92和0.94；峰值信噪比(PSNR)分别为40.87、32.56、37.38；同时计算时间显著减少，适合应用到需要快速准确的空间相位解包裹任务中去。通过实际测量数据，验证了文中提出网络模型的可行性。该研究将双向长短期记忆网络（BILSTM）和注意力机制同时引入光学相位解包裹问题中，为解决复杂相位场的解包裹提供了新的思路和方案。
相位解包裹 深度学习 注意力机制 长短期记忆网络 卷积神经网络 phase unwrapping deep learning attention mechanism long short-term memory network convolutional neural network 红外与激光工程
2024, 53(2): 20230564
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
2 江苏省计量科学研究院，江苏 南京 210023
3 上海市计量测试技术研究院，上海 201203
白光显微干涉术是微结构三维形貌无损测量的有效手段，但当沟槽深度小于光源相干长度时易产生蝙蝠翼效应。ISO-25178系列规定了由三维形貌计算沟槽深度和线宽两项特征参数的方法。该计算法则首先需要确定阶跃边缘位置，然而蝙蝠翼位于阶跃边缘，造成形貌中的阶跃边缘位置定位困难。本文针对上述问题，摒弃了从三维形貌中提取阶跃边缘位置的传统方法，依据干涉图像中矩形光栅上下表面边缘位置采样点相干峰分布的差异性，提取相干包络峰值位置，并计算得到用于区分阶跃上下表面的掩膜。本文提出的方法从垂直扫描干涉图像出发，同步实现三维形貌复原和阶跃边缘位置定位，继而准确、高效地计算沟槽深度和线宽。本文以两种不同特征参数的矩形光栅作为检测对象，比对了测量结果与标称值之间的偏差，并对测量过程中的误差项进行了分析。实验结果证明，本文方法具有良好的重复性和鲁棒性。
显微干涉 矩形光栅 蝙蝠翼效应 特征参数 二值化 光学学报
2023, 43(22): 2205004
1 南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
2 上海市计量测试技术研究院，上海 201203
3 上海市在线检测与控制技术重点实验室，上海 201203
4 中国计量测试学会，北京 100029
5 同济大学 物理科学与工程学院，上海 200092
纳米位移测量技术是实现高精度纳米制造的基础。激光自混合干涉为精密纳米位移测量提供了一种结构简便、成本低廉，同时测量精度可达纳米量级的精密位移测量方法。区别于传统基于反射镜或散射面为反馈元件的激光自混合干涉测量方案，研究了一种基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量方法，该方法的位移测量结果以光栅的周期为基准。实验测得了在弱反馈强度条件下的光栅自混合干涉信号，通过阈值设定的方法确定位移方向的反转点，结合反余弦的相位解包裹算法处理光栅自混合信号，获得了对应的位移测量值。最终采用商用激光干涉仪与自组装的光栅自混合干涉仪进行位移测量数据的比对测量，实验结果表明，经过线性修正后，其位移误差不超过0.241%。
纳米位移测量 激光自混合 光栅干涉仪 全息光栅 nano-displacement measurement laser self-mixing grating interferometer holographic grating 红外与激光工程
2023, 52(4): 20220676
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
2 上海市计量测试技术研究院，上海 201203
五棱镜扫描法通过沿扫描方向连续采集子孔径光束会聚点的坐标，由斜率反演波前分布，是检测大口径准直波前的常用方法。在传统的一维五棱镜扫描法的基础上，提出添加多个五棱镜，形成一组并联的五棱镜和一组串联的五棱镜，实现了一种基于非均匀采样的五棱镜阵列扫描测量大口径准直波前三维分布的方法。该方法通过三个平行于扫描方向的并联五棱镜同时测量准直波前X方向的斜率，三个垂直于扫描方向的串联五棱镜同时测量准直波前Y方向的斜率，采用Zernike多项式中4～11项的导函数拟合测量得到的斜率，继而获得用Zernike多项式表征的准直波前三维分布。该方法只需要一次扫描测量，就能同时获得待测波前三条线上的斜率，避免了传统方法测量全口径准直波前时需要在X、Y方向进行的多次扫描，优化了扫描机构，缩短了扫描检测时间，实现了全口径准直波前的快速检测。通过仿真验证了使用待测波前三条线上斜率复原待测波前的可行性与准确性。应用该方法对1 m口径准直波前进行了检测，并与干涉法检测结果进行了对比，两种方法得到的准直波前数值与分布形式基本一致，证明了该方法的可行性。
测量 五棱镜扫描法 波前检测 非均匀采样 波前复原 中国激光
2022, 49(24): 2404001
1 上海市计量测试技术研究院，上海 201203
2 上海市在线检测与控制技术重点实验室，上海 2012032
3 同济大学 物理科学与工程学院，上海 200082
依据穆勒椭偏测量方法中偏振光的传输方式，文中提出了一种基于自适应差分进化算法（SADE）的各向同性纳米薄膜厚度与光学常数的表征方法。通过建立出射光强关于待测标准样片穆勒矩阵的最小二乘模型，用SADE算法对穆勒矩阵元素进行求解，并将拟合得到的穆勒光谱曲线与用双旋转补偿器穆勒矩阵椭偏仪(DRC-MME)测量得到的穆勒光谱图进行了比较，利用传输矩阵求解薄膜厚度。对标定值分别为(104.2±0.4) nm和(398.4±0.4) nm的SiO2/Si标准样片进行仿真计算，实验表明：当分别迭代到80次和87次时，目标函数光强的残差平方和收敛到最小值0.97和1.01，得到的膜厚计算值分别是(103.8±0.6) nm和(397.8±0.6) nm，相对误差均小于1%。同时用计量型椭偏仪根据得到的折射率进行计算，得到膜厚的计算值分别为(104.1±0.6) nm和(398.2±0.6) nm，验证了SADE在相近收敛速度下对各向同性纳米薄膜参数求解过程中具有计算简单和可以准确的找到全局最优解的特点。
穆勒矩阵 椭偏测量 自适应差分进化算法 适应度 标准样片 Mueller matrix ellipsometry measurement self-adaptive differential evolution algorithm fitness standard sample 红外与激光工程
2022, 51(1): 20210976
1 中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018
2 上海市计量测试技术研究院，上海 201203
3 上海市在线检测与控制技术重点实验室，上海 201203
为了解决镜面反射式激光跟踪干涉测长方法在不同尺寸长度标准溯源中缺乏有效的误差分析，测量效率低等问题，文中研究了平面镜调节分辨率、平面度引入的长度测量误差，并给出了针对不同长度的平面镜角度调节允许范围。建立了镜面反射式激光跟踪干涉测长模型，分析了该模型的测量不确定度来源，模拟仿真了平面镜角度调节的影响，并进行了坐标测量机长度测量比对实验和平面镜角度调节实验。实验表明：长度测量比对的
En验证结果小于1，证明了长度测量不确定度的准确性。通过针对不同长度的平面镜角度调节实验，得到了测量不确定度为3
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(长度1 m)和3.7
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(长度2.5 m)的测量结果；同时，测量效率提高了56%，验证了此方法的准确性、高效性。文中方法实现了长度的高精度测量与测量不确定度分析。
红外与激光工程
2021, 50(12): 20210624
1 中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018；上海市计量测试技术研究院，上海 201203
2 上海市计量测试技术研究院，上海 201203
3 中国电子电科集团第十三研究所，河北 石家庄 050051
4 中国计量大学 计量测试工程学院，浙江 杭州 310018
依据穆勒椭偏测量方法中偏振光的传输方式，提出了一种椭偏系统中光学元件参数的定标方法。通过建立出射光强关于起偏器和检偏器透光轴方位角、旋转补偿器方位角和相位延迟的非线性最小二乘模型，用列文伯格?马夸尔特（Levenberg-Marquardt，LM）算法对初始参数进行迭代。求解出光学元件参数的精确值，从而实现对元件的定标。通过仿真实验，利用已知穆勒（Mueller）矩阵且标定值为(24.90±0.30) nm的SiO2/Si标准样片，基于LM算法迭代计算光强值的残差平方和。实验可得当迭代次数为50次时，残差平方和收敛到最小值0.24；与传统多点标定法进行对比试验，验证了基于LM算法求解光学参数的可行性；用标定值为(91.21±0.36) nm的SiO2/Si标准样片进行验证，得到膜厚的计算值为91.53 nm，相对误差为0.35%。结果表明：在穆勒椭偏系统参数标定中，LM算法具有收敛速度快，计算精度高等优点。
参数定标 穆勒矩阵 椭偏测量 LM算法 标准样片 parameter calibration Mueller matrix ellipsometry LM algorithm standard sample 红外与激光工程
2020, 49(8): 20200204
1 上海市计量测试技术研究院 机械与制造计量技术研究所, 上海 201203
2 哈尔滨工业大学 仪器科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
针对当前微纳米测量中存在的大范围高精度测量及复杂微结构几何参数表征难题, 基于多测头传感和精密定位平台复用技术, 开发了一台具有多种测量尺度和测量模式的复合型微纳米测量仪。为使其具备大范围快速扫描测量和小范围精细测量功能, 仪器集成了白光干涉和原子力显微镜两种测头, 通过设计适用于两种测头集成的桥架结构及宏/微两级驱动定位平台, 实现整机的开发。为保证仪器测量结果的准确性和溯源性, 利用标准样板对开发完成的仪器进行了校准。仪器搭载的白光干涉测头可以达到横向500 nm, 纵向1 nm的分辨力; 原子力显微镜测头横向和纵向分辨力均可达到1 nm。最后, 利用目标仪器对微球样品进行了测量, 通过大范围成像和小范围精细扫描, 获得了微球的表面特征, 验证了仪器对复杂微结构的测量能力。
微纳米测量 白光干涉测头 原子力显微镜 多测头技术 精密定位 micro and nano measurement white light interference microscope atomic force microscope Multi-probe technology precise positioning
1 上海市计量测试技术研究院, 上海 201203
2 中国计量大学 计量测试工程学院, 浙江 杭州 310018
3 中国航空工业集团公司 北京长城计量测试技术研究所 计量与校准技术重点实验室, 北京 100095
为了在椭圆偏振测量过程中得到精确的纳米薄膜参数, 提出了一种求解纳米薄膜参数的混合优化算法。结合人工神经网络算法反向传播和粒子群算法快速寻优的特点, 建立了改进粒子群-神经网络(Improved Particle Swarm Optimization-Neural Network, IPSO-NN)混合优化算法。该算法在较少的迭代次数下具有快速跳出局部最优解的能力, 从而快速寻找椭偏方程最优解。文中使用该算法对标称值为(26.7±0.4 )nm的硅上二氧化硅纳米薄膜厚度标准样片进行薄膜参数计算。结果表明: 采用IPSO-NN混合优化算法计算薄膜厚度时相对误差小于2%, 折射率误差小于0.1。同时, 文中通过实验对比了传统粒子群算法与IPSO-NN算法, 验证了IPSO-NN算法计算薄膜参数时能有效优化迭代次数和寻找最优解的过程, 实现快速收敛, 提高计算效率。
椭圆偏振测量 纳米薄膜参数 数据处理 混合优化算法 ellipsometry measurement nano-film parameters data processing hybrid optimization algorithm 红外与激光工程
2020, 49(2): 0213002
