光电子学与激光技术

基于衍射光栅的干涉式精密位移测量系统

吕强，李文昊，巴音贺希格，等

摘要：目的：光栅位移测量系统是实现大量程、高分辨率、高精度位移测量的主要手段之一。为了对光栅位移测量系统进行深入研究，进一步提升系统的性能，介绍了光栅位移测量系统的原理、现状以及关键技术，同时指出了存在的问题以及其未来的发展方向。方法：根据测量原理，光栅位移测量系统可分为基于几何莫尔条纹原理的位移测量系统和基于干涉原理的位移测量系统。基于干涉原理的光栅位移测量系统采用了更高刻线密度的光栅，其分辨率和精度更高，在毫米量级测量范围内，分辨率可达纳米甚至是皮米，因此是目前研究的热点。要实现对光栅位移测量系统的优化和改进，有必要了解目前国内外对基于干涉原理的光栅位移测量系统的研究情况。结果：在国外，德国、日本等国家在光栅位移测量领域进行了大量研究，具有很大优势，德国Heidehain公司的光栅位移测量系统的设计理念，产品种类和产量都居于领先地位。Heidehain公司的LIP、LIF、PP系列产品一般采用周期为8 μm和4 μm的光栅，系统的分辨率为50～5 nm，精度等级为±1 μm。该公司的LIP372和LIP382采用了周期为512 nm的光栅，系统分辨率可达1 nm，精度等级±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周期的全息光栅，通过4000倍的电子细分实现了34 pm的最小步距，精度最高可达±0.04 μm，测量长度为10～420 mm，该测量系统的分辨率到达皮米量级，可以算是21世纪精密检测的一个重大飞跃。日本R. Sawada等人利用半导体制造技术将位移测量系统的尺寸缩小至500 μm2，系统分辨率小于10 nm，非常适用于微型机器人手臂等微位移测量中。日本尼康公司为了扩大光栅位移测量系统的量程，在半导体光刻机的扫描平台上，将多个光栅位移测量系统的读数头相结合，并且与激光干涉仪共同构成BEC系统，使得两测量系统优势互补，提高了硅片的产量和质量。日本东北大学Gao Wei等人对多维光栅位移测量系统进行了研究，采用0.57 μm的二维光栅，实现了2 nm位移分辨率，0.3角秒的角度测量分辨率的多维度测量。在国内，国防科技大学采用高级次衍射光实现了1 nm分辨率10 nm测量精度的位移测量。台湾范光照等人利用1200 l/mm的全息光栅，采用二次衍射结构，实现了15 mm测量范围内与激光干涉仪标准差为10～19 nm的测量精度。他还利用二维光栅和Littrow结构实现了1 nm分辨率的二维位移测量。李世光等人在测量系统中引入了单倍望远镜结构，提高了对位公差和信噪比，系统在 20 mm测量范围内具有33.71 nm的测量精度。Hsieh等人设计了能够实现6维测量的系统，位移分辨率2 nm，角度分辨率0.05 μrad。清华大学主要设计了外差式的光栅位移测量系统，其二维位移测量系统的分辨率可达0.6 nm。结论：国内外对光栅位移测量系统的研究，无论在系统结构上还是原理上都有一定的创新和发展,相关产品也应用在不同的测量领域。但是，光栅位移测量系统还存在一些关键性问题需要我们去解决。（1）光栅制造的精度需要提高；（2）位移测量系统的量程和分辨率之间的矛盾需要解决；（3）系统的装调和标定需要完善；（4）需要对系统进行小型化、集成化设计。随着对光栅位移测量系统研究的不断深入，具有大量程、高分辨、高精度、小型化、多维度的光栅位移测量系统必将广泛应用与各种测量领域中，对精密制造领域的发展有很重要的意义。

来源出版物：中国光学, 2017, 10(1)： 39-50

入选年份：2017

二维电子气等离激元太赫兹波器件

秦华，黄永丹，孙建东，等

摘要：目的：与我们已广泛使用的无线电波、红外、可见光和紫外波段不同，基于电子学或光子学的太赫兹光源、探测器和调制器等核心器件技术还很不成熟。半导体异质结中二维电子气及其一种集体激发模式，即等离激元，与电子学和光子学紧密相关，有望成为太赫兹波器件的工作媒质。通过二维电子气的太赫兹波吸收、混频和辐射特性的测试分析，理解二维电子气及其等离激元与太赫兹波的相互作用和调控方法，探索并评估其用于太赫兹波调制、探测和发射器件的潜力和尚且存在的困难。方法：采用 AlGaN/GaN异质结中自发极化和压电极化形成的高浓度（1013 cm-2）、高电子迁移率（2000 cm2/Vs）二维电子气及其频率可调范围宽（0.1～3 THz）的等离激元，采用光栅栅极和片上天线调控入射太赫兹波与二维电子气及其等离激元的耦合，利用栅极电压调控二维电子气浓度并对等离激元频率进行调节，通过太赫兹波的透射光谱、发射光谱和光电流响应特性的测试，研究二维电子气用于太赫兹波调制、发射和探测的机理和方法，试制并评估相应的调制器、探测器和光源原型器件。与AlGaAs/GaAs异质结二维电子气的电子迁移率（＞7000 cm2/Vs）相比，AlGaN/GaN异质结二维电子气虽然电子迁移率相对较低，但是势垒层较薄，因此在其表面制备的太赫兹波光栅或天线有利于增强二维电子气与太赫兹波的耦合作用。结果：通过光栅和硅透镜共同耦合太赫兹波，在低温下（8.7 K）AlGaN/GaN二维电子气的太赫兹透射光谱中观测到由光栅栅极电压连续调节的等离激元，模式数目达到 8，等离激元频率达到2 THz以上。通过光栅和法布里-珀罗谐振腔的共同耦合，在太赫兹透射光谱和发射光谱中均观测到等离激元与太赫兹波腔模强耦合形成的等离极化激元。等离激元模式和太赫兹谐振腔模式的线宽分别为80 GHz和50 GHz，两者的耦合强度约为50 GHz，相应的拉比频率达到95 GHz。利用光栅栅极电压开启和关闭太赫兹波与等离（极化）激元的共振，实现了高调制深度的太赫兹波调制，在0.67、0.85和1.27 THz频点的调制深度分别达到80%、84.5%和 62%。利用片上偶极天线将太赫兹波耦合到场效应栅极调控的二维电子气沟道中，并产生局域的、增强的和非对称的场分布，在室温下形成太赫兹波的自混频，产生可检测的太赫兹波自混频光电流。建立天线耦合场效应晶体管的自混频物理模型，准确描述自混频产生的太赫兹光电流信号及其与栅极电压和源漏电压的关系，指导室温高灵敏度太赫兹探测器的设计。在低温（77 K）探测器中观测到太赫兹波共振激发的等离激元，其激发产生的太赫兹光电流与自混频响应响应相比较弱。实现了室温工作的高灵敏度太赫兹波自混频探测器的单元、线阵列和面阵列，演示了对太赫兹波光束和不同物体的扫描（透射和反射）成像。结论：通过低温下 AlGaN/GaN二维电子气等离激元的制备和调控，实现了基于等离激元共振的太赫兹波调制、发射和探测。等离激元的共振激发在理论上能够

增强太赫兹波检测的灵敏度，利用非对称分布的并且高度局域的太赫兹近场即可在栅控的室温二维电子气沟道内产生太赫兹波的自混频，从而成为室温高灵敏度太赫兹波检测的有效机制。值得强调的是，太赫兹波探测器和调制器均可工作在源漏电压为零的模式下，即二维电子气不产生功耗。由于二维电子气有限的电子迁移率和等离激元的高损耗，基于等离激元共振吸收的太赫兹波调制器即使不需要源漏电场的驱动目前也只能在低温下工作。而基于等离激元共振激发或失稳的太赫兹光源则需要将二维电子气中电子加速到特定的阈值速度以上，加剧了等离激元的损耗，太赫兹波发射效率降低。未来半导体等离激元太赫兹波器件的研究仍需围绕等离激元损耗机制和高品质等离激元谐振腔的构筑展开。

来源出版物：中国光学, 2017, 10(1)： 51-67

入选年份：2017

结合Harris与SIFT算子的图像快速配准算法

许佳佳

摘要：目的：图像配准技术一直是图像处理领域的重要研究方向，各种配准方法各有所长，还没有一种配准方法能够解决所有的图像配准问题。本文从实际工程应用角度出发，分析了各种配准方法的优缺点，并在此基础上提出一种快速准确的图像配准方法，解决航空等领域的遥感图像配准问题。方法：基于特征的配准方法是图像配准常用的一种方法，其速度快、匹配精度高，并且某些特征对于图像的变形、光照变化及噪声等都具有较好的鲁棒性。基于特征的配准方法的首要任务是进行特征点检测及匹配。SIFT是目前公认的最为鲁棒的特征匹配算子，它是由Lowe在总结了现有基于不变量技术特征提取方法基础上提出的一种基于尺度空间的局部特征描述算子。SIFT具有尺度不变性、旋转不变性及光照不变性等诸多优点，但其存在一个巨大缺陷——运算复杂，处理速度慢，难以处理大幅面影像或进行实时应用。在其他的特征检测算子（如Maravec算子、Harris算子、Susan算子等）中，Harris角点检测算法计算简单、稳定且不受光照、旋转、噪声等影响,具有最好的检测效果。但是Harris算子不具有尺度不变性，而且在角点定位方面存在偏差，可能导致匹配不准确，难以精确配准。本文结合Harris角点检测和SIFT特征描述的优点，采用多尺度 Harris算子检测图像角点特征，并利用 Forstner算子思想对角点精定位，然后使用 SIFT特征描述方法进行特征描述和匹配；最后利用获得的匹配点对采用最小二乘法计算图像变换参数，完成图像配准。结果：通过实验对本文提出的Harris-SIFT算法、标准SIFT算法以及SURF算法进行对比分析发现：采用Harris算法进行特征检测确实具有很大的时间优势，在3组测试图像中，Harris特征检测时间比标准SIFT至少减少了42%，最多减少量达到了79%，其特征提取速度基本达到了SURF算法的水平，这是因为多尺度Harris不需要构造太复杂的尺度空间，所需计算的像素量大大减少，节省了相当一部分计算时间；另外，通过比较本文方法与标准 SIFT算法所提特征点在图象中的分布可以看出，采用本文方法所获得的特征点数量虽然少，但在图像中分布均匀，并不过密，这也节省了后续匹配过程的时间消耗；最后，通过统计所有匹配点对变换后坐标与参考坐标间的均方根误差RMSE以定量的评价配准精度，实验数据表明本文提出的多尺度 Harris-Sift算法能够保证SIFT算法的匹配正确率。结论：本文针对SIFT算法匹配速度慢的问题，提出了改进 Harris算法与SIFT算子相结合的快速图像配准方法。该方法以Harris角点检测代替 SIFT算法的极值检测部分，同时为了保证特征点的尺度不变性，对Harris进行了改进。首先建立高斯尺度空间，检测具有尺度信息的Harris角点，然后利用摄影测量学中的Forstner算子思想对角点进行精定位，最后采用SIFT描述符对角点进行描述，利用RANSAC法以及随机K-D树算法完成特征点匹配。

来源出版物：中国光学, 2015, 8(4)： 574-581

入选年份：2017