“超精密测量技术”专题前言

 

——谭久彬,刘世元,赵维谦,居冰峰

[摘要]超精密测量是指测量精度达到纳米量级的先进测量技术、系统与仪器,是现代科技发展与高端装备制造的基石,涉及物理、材料、光学、机械、电子、控制和算法等多个学科的深度交叉与融合。建设高端超精密测量强国在我国具有十分突出的必要性和紧迫性,它是科学探索的“眼睛” 高端制造的“尺子”。...

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超精密测量技术与仪器是高端制造发展的前提与基础(特邀导言)

谭久彬

哈尔滨工业大学

[摘要]“现代热力学之父”开尔文有一条著名结论:“只有测量出来,才能制造出来。” 精密测量技术的发展不断促进着工业制造的换代升级。在当代科技和工业领域,高水平的精密测量技术和精密仪器制造能力,反映了一个国家科学研究和整体工业领先程度,更是发展高端制造业的必备条件。随着精密测量技术不断进步,其在科学研究、工程科技、现代工业、现代农业、医疗卫生和环境保护等领域发挥着越来越重要的作用。

先进节点图案化晶圆缺陷检测技术(封面文章)

刘佳敏, 赵杭, 吴启哲, 冯献瑞, 赵翔宇, 张震阳, 张楚苗, 黄弢, 朱金龙, 刘世元

华中科技大学

[摘要]随着亚10 nm集成电路芯片逐步进入消费电子、互联硬件、电子医疗设备等领域,由半导体制造设备所引入的晶圆缺陷对集成电路在良率与价格方面的影响将不断显现,由此带来的对典型缺陷进行高速识别、定位与分类等制造过程控制环节,将变得越来越具有挑战性。传统的晶圆缺陷检测方法包括明场、暗场及电子束成像方法,尽管能够覆盖绝大多数缺陷检测场景,但难以在检测精度、检测灵敏度和检测速度上取得较好的平衡。纳米光子学、计算成像、定量相位成像、光学涡旋、多电子束扫描、热场成像以及深度学习等新兴技术的出现,在提升缺陷灵敏度、分辨率以及对比度等方面已初步展现出一定的潜力,这为晶圆缺陷检测提供了新的可能性。因此,本综述将从缺陷的可检测性、缺陷检测系统与原理样机、先进图像后处理算法三个方面总结晶圆缺陷检测领域的最新进展,以期对初入该领域的研究人员和跨学科工作者提供一定助益。

大型飞机装配中的高精度测量技术研究进展(封底文章)

张开富, 史越, 骆彬, 童长鑫, 潘婷, 乔木

西北工业大学

[摘要]新一代飞机向着大型、重载、长寿等方向发展,对其装配质量、精度等提出更高的要求。装配中几何尺寸、物理损伤等的高精度测量是调控飞机装配工艺、保证装配指标的基础和关键,对飞机服役性能有着重要的影响。本文围绕新一代飞机结构尺寸大幅增加、承力结构复材化发展下的需求,论述了大型飞机装配中高精度测量技术的研究进展,具体从大空间点位高精度测量方法、大型结构外形高精度测量方法、复合材料结构装配缺陷高精度检测技术等方面对国内外理论研究和技术应用进行了梳理和总结,并指明相关技术的未来发展趋势和前景。

用于表面形貌测量的扫描白光干涉技术进展(内封面文章)

苏榕, 刘嘉宇, 乔潇悦, 简振雄, 张政, 温荣贤, 陈成, 任明俊, 朱利民

中国科学院上海光学精密机械研究所

[摘要]扫描白光干涉术是目前最精确的表面形貌测量技术之一,被广泛应用于工业与科研领域。从发明至今的三十余年间,在精密光学、半导体、汽车及航天等先进制造领域的需求牵引下,该技术不断取得新的进展与突破。本文从技术应用、方法和算法创新、系统设计、理论模型、校准与误差补偿等方面,总结了过去二十年扫描白光干涉技术的重要进展,对该领域进一步发展提出了展望。

空间引力波探测中的激光干涉多自由度测量技术(内封面文章)

徐欣, 谈宜东, 穆衡霖, 李岩, 王加刚, 金景峰

清华大学

[摘要]在空天探索领域,空间引力波探测是当前国际研究热点,核心技术是测量相距数百万千米的两测试质量间的平动转动等多个自由度,探测灵敏度需要在1 mHz~1 Hz频段达到~1 pm/Hz1/2以及~1 nrad/Hz1/2水平。目前,激光干涉是实现如此远距离的两个物体之间多自由度测量的最精密的手段,本文介绍了面向空间引力波探测的激光外差多自由度超精密测量技术,概述了其光路结构、测量原理、相位信号处理方法,回顾了近三十年国内外相关研究进展,并分析了空间引力波探测中外差干涉测量的噪声源作用机制以及相关研究进展。最后,对激光外差干涉多自由度超精密测量技术的发展趋势和前景作了展望。

时栅传感器的技术现状、发展趋势和思想延伸

彭东林

重庆理工大学

[摘要]介绍了时栅位移传感器在3个方面的技术现状和3个方面的发展趋势,4项性能特色和4个技术应用领域的最新发展,归纳了三代时栅演变过程;介绍了目前的3种4类场式时栅,以及其与传统位移传感器的联系与区别,分析了下一代时栅可能采用的工作机理。最后,对时空转换思想的三点延伸进行了讨论。

高精度自由空间光学时频基准传输技术研究进展

于连栋, 朱家圣, 陆洋

中国石油大学(华东)

[摘要]自由空间时频基准传输是全球授时与同步、高速宽带通信、卫星编队飞行和空间物理参数监测等应用的关键技术,光钟技术的发展对光学时频基准传输精度提出了更高的要求。本文介绍了国内外自由空间光学时频基准传输技术的研究进展,重点介绍了不同研究机构基于光学频率梳开展的大气湍流相位噪声和空间噪声补偿方法,以满足高精度时间和频率基准的传输要求,最后对自由空间光学时频基准传输技术的应用进行了总结和展望。

面向制造的光学面形超精密测量技术研究进展

陈善勇, 薛帅, 熊玉朋, 彭小强, 戴一帆

国防科技大学

[摘要]超精密测量是光学制造的前提。高精度的光学面形测量仍然遵循零位检验原则,计算机生成全息图(CGH)是自由曲面等复杂面形零位检验所必需的补偿器。为此,面向制造过程,重点论述CGH补偿检验原理及其衍射级次的鬼像干扰、投影畸变校正、测量不确定度与绝对检验问题,探讨CGH补偿检验的局限与应对方法。针对制造过程中产生的动态演变局部大误差的测量难题,论述子孔径拼接测量、自适应补偿干涉测量方法,探讨加工原位干涉测量进展。最后,从超高精度测量与溯源、混合光学零件的宏微跨尺度测量、自主可控面形测量仪器及其原位集成三个方面对光学面形测量技术发展进行展望。

激光多自由度同时测量研究现状与发展趋势

龙飞, 郑发家, 贾培智, 张斌, 李家琨, 冯其波

北京交通大学

[摘要]仪器是获取信息的主要手段,是信息产业的支撑。快速准确地获得多种信息是测量仪器的一大发展趋势,也是信息时代快速发展的必然要求。激光多自由度同时测量具有测量效率高、多自由度误差参数同时测量等显著优点,克服了传统激光单参数测量获取信息有限、测量效率低下等缺点,成为数控机床误差测量等领域重要的研究方向。本文按照激光单自由度测量方法到多自由度同时测量系统集成的顺序,对目前激光多自由度同时测量方法和系统进行了较全面的介绍,分析了其优缺点,并讨论了激光多自由度未来的发展趋势。

基于光学频率梳的表面形貌测量方法

吴冠豪, 施立恒, 李尔格

清华大学

[摘要]表面形貌检测是工业生产和科学研究所需的关键技术之一,高精度和高效率是该领域一直以来的发展方向。光学频率梳有着独特宽光谱、窄线宽和稳定频率的特性,展现了优越的计量潜力,在表面形貌测量领域有着重要的应用并取得了重要的进展。首先介绍了光学频率梳的定义;根据不同的技术路线,分类回顾了光学频率梳在形貌测量中的研究现状及特点;最后,对基于光频梳的形貌测量技术进行了展望。

高精度光谱共焦位移测量技术研究进展

白蛟, 李婧雯, 王晓浩, 李星辉

中国工程物理研究院材料研究所

[摘要]随着我国先进制造业的快速发展,光谱共焦位移测量技术以其精度高、适应性强、效率高等优势而得到广泛关注,被应用于诸多行业。本文首先介绍了光谱共焦技术的应用进展,对其在表面形貌及工件厚度测量方面的研究成果进行分析,从多个方面说明了光谱共焦技术在位移测量过程中的性能特点。其次,针对光谱共焦技术的关键组成阐述了其研究进展情况,包括宽谱光源、色散物镜、共轭小孔以及光谱检测与处理等方面的主要成果,展示了各种创新思想在光谱共焦技术中的具体实现,并对各种技术方案进行对比分析,梳理了光谱共焦仪器的技术特点及优缺点。最后,对光谱共焦位移测量技术存在的技术问题进行了总结和展望,以期为光谱共焦技术的性能提升和应用拓展提供有益参考。

材料力学性能原位测试技术:发展与应用

邢文娟, 于忠瀚, 刘长宜, 赵宏伟

吉林大学

[摘要]材料力学性能原位测试技术能够在力学性能测试过程中对材料使役过程中微观结构演化与损伤失效机理进行表征分析,研究材料成分、工艺、组织结构与力学性能、使役行为之间的内在规律。研究材料成形加工关键技术,推动先进材料设计与制造,对服务国防和国民经济建设具有重要意义。本文首先对材料力学性能测试技术的发展进行回顾总结,然后分别对扫描电子显微镜、透射电子显微镜、衍射成像下的材料力学性能原位测试技术进行概述,重点阐述了原位力学加载和温度场构建技术。最后,对材料力学性能原位测试领域的未来发展趋势进行展望。

亚纳米皮米激光干涉位移测量技术与仪器

林雄磊, 苏晓博, 王嘉宁, 孙云科, 胡鹏程

哈尔滨工业大学

[摘要]激光干涉位移测量技术因具有大量程、高分辨力、非接触式及可溯源性等特点,成为当前与下一代高端装备、超精密计量的基础性技术之一。在简要介绍国内外现有的各类亚纳米级激光干涉仪的基础上,重点从“精”“准”“快”方面综述了面向亚纳米、皮米级激光干涉位移测量技术的研究成果。首先,从激光干涉测量原理出发,分析了限制激光干涉仪中测量分辨力、速度等进一步提升的主要误差项及技术难点;其次,重点列举了近年来国内外在激光器高精度稳频、高精度干涉镜组、高速/高分辨力相位细分技术、环境补偿与控制等方面所取得的重大关键技术突破;最后,对下一代超精密激光干涉位移测量技术的发展趋势进行了总结与展望。

MEMS光学声传感器

郑永秋, 陈佳敏, 赵馨瑜, 白建东, 武丽云, 薛晨阳

中北大学

[摘要]结合光纤工作频带宽、传输损耗小以及微机电系统(MEMS)制造工艺可实现微小型化、批量化和高一致性生产的优势,MEMS光学声传感器表现出高灵敏度、宽频带、大动态范围和高信噪比的优异声探测性能,受到了科研人员的普遍关注和深入研究。根据声敏感单元结构不同,将MEMS光学声传感器分为微结构光纤光栅型、光纤干涉仪型和微谐振腔型。然后,分别介绍了不同类型MEMS光学声传感器的声敏感原理,并在此基础上讨论了它们在不同声探测领域中的研究现状以及目前最为成熟的应用领域。最后展望了MEMS光学声传感器在MEMS工艺逐渐成熟的促使下,可与硅基光电子集成技术相结合实现系统片上集成的未来发展趋势。

平面反射式二维光栅测量系统研究

刘红忠, 史永胜, 尹磊, 陈邦道, 雷彪, 蒋维涛, 牛东, 王兰兰, 姜维, 李国俊, ChenJinju

西安交通大学

[摘要]针对超精密运动台的二维亚微米级精度同步测量需求,提出并建立了平面反射式二维光栅测量系统,研究了平面反射式二维光栅的平面位移同步测量方法,分析了平面反射式二维光栅测量系统的误差传递模型。通过Vold-Kalman滤波算法,对光栅信号中存在的高次谐波误差、幅值/相位误差进行实时修正和滤除。采用反正切细分算法和周期测量法对光栅正交脉冲的频率进行测量,实现对被测目标的高分辨率测量和实时运动速度测量。同时,构建了亚微米级测量精度的平面反射式二维光栅测量系统,测量范围为500 mm×500 mm,x、y方向的定位精度为±0.3 μm,测量分辨率为0.005 μm。

基于扫摆式多相机跟踪的六自由度测量方法

曹首钦, 孙子杰, 杨泽, 孙岩标, 邾继贵

天津大学

[摘要]目前视觉测量技术针对工业目标的六自由度测量,存在难以兼顾测量效率、精度与范围的问题。为此,本文提出了一种基于扫摆式多相机跟踪的六自由度测量方法,通过同站位不同角度多图像观测联合构成大尺寸坐标计算的冗余约束量,来实现高效率、高精度、大范围位姿测量。首先,提出相机旋转扫摆运动模型,快速估计相机位姿,并作为先验信息进行图像匹配与空间后方交会,得到精确相机位姿,进行空间前方交会;然后,提出了基于像点平差的位姿估计方法,直接利用物体移动前后的像点信息作为观测值,进行物体位姿的最优化估计。实验结果表明,测量效率提高了4倍,单点精度的最大误差不超过0.2 mm,姿态精度的最大误差不超过0.043°,证实提出方法能有效测量物体的六自由度位姿,一定程度上平衡了测量效率、精度与范围的矛盾。

超声扫查横波成像的波数域快速重建技术

陈沐, 金浩然, 杨克己, 居冰峰

浙江大学

[摘要]超声无损检测为航空航天、石油化工、轨道交通等领域的设备正常运行提供保障,具有十分重要的意义。横波超声检测因其振动模态衰减小、传播速度低、空间分辨率高等优势成为固体内部缺陷检测的重要手段。然而,常规的超声换能器因压电晶片的振动特性,无法直接发射和接收横波,需要借助斜入射折射出横波。由于斜入射的特殊性,需要同时考虑折射效应和斜面检测的问题,这给超声成像重建计算增加了负担。为此,提出一种超声扫查横波成像的波数域快速重建技术。该方法在传统波数域超声图像重建技术的基础上,结合波数域坐标变换以及横波波场外推实现斜入射横波成像的快速重建。仿真和实验结果表明,利用本文方法,在以20°~60°左右的折射角检测横通孔、裂纹和半球面平底孔时,均能展现优良的检测效果。并且相较于时域合成孔径聚焦技术,在不损失重建精度的条件下,该方法的计算效率至少提高100倍。

一种视觉惯性系统位姿高精度一体化标定方法

马可瑶, 任永杰, 林嘉睿, 牛志远, 邾继贵

天津大学

[摘要]在视觉惯性定位系统中,传感器位姿关系的标定对于实现精确空间定位至关重要,针对现有标定方法对多传感器系统缺乏集成性、标定精度受限等问题,提出了一种视觉惯性系统位姿高精度一体化标定方法。通过精密三轴转台提供角度基准,基于重力矢量不变性和匀速圆周运动下向心加速度数值的一致性求解惯性测量单元(IMU)与转台之间的外参,利用转台构建控制场为相机标定提供空间角度约束,联合优化求解无重叠视场多相机内外参。仿真和实验结果表明,该方法具有较高的标定精度和稳定性,在多相机IMU系统组合定位测试中,与经典标定方法Kalibr相比,本文方法系统运动轨迹拟合轴线的角度偏差降低40.32%,距离偏差降低18.93%,可满足高精度视觉惯性定位系统的标定需求。

基于远心成像的高精度线激光三维测量方法

孟亚云, 邓惠文, 张国锋, 葛灵宇, 林开梁, 杨树明

西安交通大学

[摘要]精密零部件的高精度三维成像是工业制造和检测的关键任务。针对现有的线激光测量系统效率慢、精度低等问题,提出了利用远心成像的线激光三维测量系统,研究了该系统的标定方法。首先,分别采集不同位置的靶标图像和激光线照射下相同位置的靶标图像,通过远心正交成像标定相机内参矩阵系数和外参位姿关系;然后,建立线激光投影平面与标定目标平面之间的几何关系,求解不同目标平面下的激光线方向矢量,进而通过最小二乘法获得光平面方程;最后,在极大似然准则下,利用Levenberg-Marquard非线性优化算法精确地计算标定参数最优解,搭建了测试系统,开发了专用标定程序。实验结果表明:在60 mm×48 mm的视场下,所设计的系统和方法可以实现优于18 μm的测量误差,能够快速准确地重建出三维形貌。

基于偏振信息的车窗透反混叠图像解耦研究

周俊焯, 陈明麟, 封入琦, 纵园, 郝佳, 虞益挺

西北工业大学

[摘要]随着智慧城市、智慧交通和天网工程的不断发展,复杂城市环境下的车窗透反混叠图像解耦技术成为当前研究的热点,在卡口登记、安全驾驶、逃犯追踪和军事反恐等领域需求迫切。为克服传统成像技术依赖光强信息、易受环境干扰等劣势,基于偏振成像技术建立玻璃透反光传输模型,提出车窗透射信息光和反射干扰光的解耦分离方法,面向室内模拟场景和户外真实场景开展实验研究。结果表明:室内场景下轿车模型和客车模型消反图像的信息熵较原始强度图像分别提升14.3%和9.8%;室外场景真实车辆消反图像因消除包含大量环境信息的反射光成分而使信息熵较原始强度图像下降2.7%;这几类场景消反图像的区域对比度相较原始强度图像分别提升40.1%、117.5%、237.8%。此外,研究图像消反质量与模型几何因素的相关关系,所得结论能对相机摆放高度和车辆停止线划线位置起到指导作用。

基于条纹投影和双屏透射显示的复合表面三维测量方法

肖月新, 张宗华, 刘硕, 李梓瑜, 高楠, 孟召宗, 高峰

河北工业大学

[摘要]光学三维形貌测量技术具有无损、快速、高精度等优势,被广泛应用于不同领域。工业生产及现实生活中的镜面/漫反射复合表面三维形貌的快速、高精度测量一直是未解决的难题。提出一种基于条纹投影和双屏透射显示的镜面/漫反射复合表面测量方法,并对系统的非线性响应进行了补偿。首先,普通屏和透明屏分别显示绿色条纹,被镜面部分反射,投影仪投射蓝色正弦条纹图到漫反射部分;其次,相机采集不同颜色的变形条纹图;然后,三维标定获取系统参数,通过相位与深度的关系恢复物体的三维形貌;最后,校正系统的非线性响应误差并进行补偿,提高三维测量精度。实验结果表明:该方法能够实现非连续复合表面物体三维形貌的高精度测量。

大频差双腔双频Nd∶YAG激光器合成波绝对距离干涉测量系统设计

焦明星, 江飞, 苏娟, 邢俊红, 刘芸, 连天虹, 刘健宁, 王晛, 李鹤群

西安理工大学

[摘要]为了实现高精度绝对距离测量,提出了双腔双频Nd∶YAG激光器(TCDFL)合成波绝对距离干涉测量方案。以正交解调Pound-Drever-Hall稳频的大频差TCDFL作光源,采用马赫-曾德尔干涉仪结构,设计了双频激光合成波绝对距离外差干涉测量系统,获得了两路同频外差干涉信号,对其进行比相测量,得到合成波干涉条纹的小数级次;对被测距离进行粗测,可唯一确定合成波干涉条纹的整数级次,从而实现绝对距离测量。建立了频差为24 GHz的二极管泵浦1064 nm正交线偏振TCDFL合成波长标定与绝对距离干涉测量实验系统,实验结果表明:空气中的合成波长标定值为12.4614 mm,其标准差为0.13 μm;当被测绝对距离为900 mm时,其重复测量平均值为899.3851 mm,标准差和测量不确定度分别为1.36 μm和4.08 μm。该实验研究为今后研究开发超精密绝对距离干涉测量仪奠定了坚实基础。

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