2010年 3卷 第5期
2010, 3(5): 405-414.
摘要
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摘要:
基于激光的直写技术具有加工周期短、使用灵活、无需掩模、环境要求低等诸多优点,其在微电子等领域应用广泛。本文引入了一种新的激光直写技术激光微熔覆技术,介绍了该技术的工艺过程及特点,并在此基础上集成制造了激光微熔覆设备。通过激光与物质的相互作用原理,理论分析了激光微熔覆电子浆料的成型机理。最后,举例说明该技术在微电子、光电子以及传感器领域的应用,并对该技术的发展趋势进行了初步预测,认为该技术在混合集成电路基板的加工、微型传感器和加热器的制造、平面无源电子器件和分立无源电子器件的研制以及生物芯片、电子封装等领域有好的发展前景。
基于激光的直写技术具有加工周期短、使用灵活、无需掩模、环境要求低等诸多优点,其在微电子等领域应用广泛。本文引入了一种新的激光直写技术激光微熔覆技术,介绍了该技术的工艺过程及特点,并在此基础上集成制造了激光微熔覆设备。通过激光与物质的相互作用原理,理论分析了激光微熔覆电子浆料的成型机理。最后,举例说明该技术在微电子、光电子以及传感器领域的应用,并对该技术的发展趋势进行了初步预测,认为该技术在混合集成电路基板的加工、微型传感器和加热器的制造、平面无源电子器件和分立无源电子器件的研制以及生物芯片、电子封装等领域有好的发展前景。
2010, 3(5): 415-431.
摘要:
阐述了以曲线光栅面发射分布反馈半导体激光器(SEDFB)为代表的SE-DFB器件的原理和结构,讨论了它们的性能和特点并与其他类型的半导体激光器进行了比较。指出依靠曲线光栅特殊的衍射特性,可实现对模式的控制和二维漏模耦合阵列化出光,得到窄线宽(典型值0.08 nm)、小发散角(典型值0.5 mrad)、高亮度(单管近衍射极限3 W(CW))和大功率(单管最高73 W,列阵为kW级)的激光。综述了SE-DFB的发展历程、现状及未来的发展趋势,强调由于曲线光栅耦合SE-DFB激光器兼具边发射和面发射器件的优势和诸多其他优秀性能,将其应用于不同材料体系,不同结构的半导体激光器及其阵列,制作不同波段的高功率、高光束质量的SEDFB器件会有很好的研究意义和应用前景。
阐述了以曲线光栅面发射分布反馈半导体激光器(SEDFB)为代表的SE-DFB器件的原理和结构,讨论了它们的性能和特点并与其他类型的半导体激光器进行了比较。指出依靠曲线光栅特殊的衍射特性,可实现对模式的控制和二维漏模耦合阵列化出光,得到窄线宽(典型值0.08 nm)、小发散角(典型值0.5 mrad)、高亮度(单管近衍射极限3 W(CW))和大功率(单管最高73 W,列阵为kW级)的激光。综述了SE-DFB的发展历程、现状及未来的发展趋势,强调由于曲线光栅耦合SE-DFB激光器兼具边发射和面发射器件的优势和诸多其他优秀性能,将其应用于不同材料体系,不同结构的半导体激光器及其阵列,制作不同波段的高功率、高光束质量的SEDFB器件会有很好的研究意义和应用前景。
2010, 3(5): 432-439.
摘要:
表面等离子体激元(SPPs)是在金属和介质界面传播的一种波动模式。本文首先叙述了SPPs的相关特性和激发方式,给出了一种基于表面等离子体激元共振(SPR)场增强原理产生相干极紫外辐射的方法,利用该方法可极大地提高光源的光子流量。分析了SPPs在生物及医疗领域的新应用,并对其在治疗癌症方面的技术原理进行了讨论。介绍了SPPs在新型光源和能源领域的发展和应用情况,综述了SPPs在太阳能电池、光子芯片以及集成电路方面的新工艺和新技术,包括最近几年来所取得的一些重要成果。最后讨论了SPPs在光存储方面的快速发展和巨大贡献。
表面等离子体激元(SPPs)是在金属和介质界面传播的一种波动模式。本文首先叙述了SPPs的相关特性和激发方式,给出了一种基于表面等离子体激元共振(SPR)场增强原理产生相干极紫外辐射的方法,利用该方法可极大地提高光源的光子流量。分析了SPPs在生物及医疗领域的新应用,并对其在治疗癌症方面的技术原理进行了讨论。介绍了SPPs在新型光源和能源领域的发展和应用情况,综述了SPPs在太阳能电池、光子芯片以及集成电路方面的新工艺和新技术,包括最近几年来所取得的一些重要成果。最后讨论了SPPs在光存储方面的快速发展和巨大贡献。
2010, 3(5): 440-445.
摘要:
为了实现对远距离暗弱快速运动目标的高分辨率成像,基于多光束傅里叶望远镜的组成,对光学分系统、机械分系统、电子分系统和软件分系统涉及的关键技术进行了分析和讨论。针对光学分系统主要分析了激光光源、相位延迟器,声光移频器和光电倍增管所涉及的主要技术指标;机械分系统讨论了发射望远镜指示和跟踪精度、发射光束的快速切换和主镜的拼接支撑结构等;电子分系统介绍了同步控制、电磁屏蔽和配电等需要注意的问题;而针对软件分系统则讨论了光束快速切换、位置和角度变化的同步控制和图像恢复等。对上述关键技术的分析和讨论为多光束傅里叶望远镜系统的研制提供了参考。
为了实现对远距离暗弱快速运动目标的高分辨率成像,基于多光束傅里叶望远镜的组成,对光学分系统、机械分系统、电子分系统和软件分系统涉及的关键技术进行了分析和讨论。针对光学分系统主要分析了激光光源、相位延迟器,声光移频器和光电倍增管所涉及的主要技术指标;机械分系统讨论了发射望远镜指示和跟踪精度、发射光束的快速切换和主镜的拼接支撑结构等;电子分系统介绍了同步控制、电磁屏蔽和配电等需要注意的问题;而针对软件分系统则讨论了光束快速切换、位置和角度变化的同步控制和图像恢复等。对上述关键技术的分析和讨论为多光束傅里叶望远镜系统的研制提供了参考。
2010, 3(5): 446-451.
摘要:
介绍了近年来Mg2Si薄膜的研究进展。从Mg2Si材料的晶体结构出发,重点对Mg2Si薄膜的基本性质、制备方法和应用前景进行了论述。研究表明,Mg2Si是一种窄带隙间接半导体材料,在光电和热电领域都具有较好的应用价值,因其兼具了组成元素地层含量丰富、无毒、无污染等优点,被视为是一种新型的环境友好半导体材料。在Mg2Si薄膜的外延生长技术方面,目前比较成熟的方法有分子束外延、脉冲激光沉积、反应扩散等多种,但普遍存在制备条件较苛刻,成膜质量不高等缺点。最后,对目前存在的问题及未来的研究动向做了简要讨论。
介绍了近年来Mg2Si薄膜的研究进展。从Mg2Si材料的晶体结构出发,重点对Mg2Si薄膜的基本性质、制备方法和应用前景进行了论述。研究表明,Mg2Si是一种窄带隙间接半导体材料,在光电和热电领域都具有较好的应用价值,因其兼具了组成元素地层含量丰富、无毒、无污染等优点,被视为是一种新型的环境友好半导体材料。在Mg2Si薄膜的外延生长技术方面,目前比较成熟的方法有分子束外延、脉冲激光沉积、反应扩散等多种,但普遍存在制备条件较苛刻,成膜质量不高等缺点。最后,对目前存在的问题及未来的研究动向做了简要讨论。
2010, 3(5): 452-461.
摘要:
极紫外光刻(EUVL)是半导体工业实现32~16 nm技术节点的候选技术,而极紫外曝光光学系统是EUVL的核心部件,它主要由照明系统和微缩投影物镜组成。本文介绍了国内外现有的EUVL实验样机及其系统参数特性;总结了EUVL光学系统设计原则,分别综述了EUVL投影光学系统和照明光学系统的设计要求;描述了EUVL投影曝光系统及照明系统的设计方法;重点讨论了适用于22 nm节点的EUVL非球面六镜投影光学系统,指出了改善EUVL照明均匀性的方法。
极紫外光刻(EUVL)是半导体工业实现32~16 nm技术节点的候选技术,而极紫外曝光光学系统是EUVL的核心部件,它主要由照明系统和微缩投影物镜组成。本文介绍了国内外现有的EUVL实验样机及其系统参数特性;总结了EUVL光学系统设计原则,分别综述了EUVL投影光学系统和照明光学系统的设计要求;描述了EUVL投影曝光系统及照明系统的设计方法;重点讨论了适用于22 nm节点的EUVL非球面六镜投影光学系统,指出了改善EUVL照明均匀性的方法。
2010, 3(5): 462-466.
摘要:
设计了一种用于空间相机的调焦机构,该机构采用步进电机带动的精密步进谐波传动。波发生器由椭圆凸轮与套在其上的柔性轴承组成,输出端连接滚珠丝杠将旋转运动转化为直线运动,带动调焦镜沿直线导轨往复运动,其中输出刚轮与绝对式编码器相连,检测调焦移动位移。该机构具有传动比大、精度高、结构紧凑、效率高、运转平稳等特点。针对该机构在空间相机的实际应用,推导出了调焦机构位移与焦面移动的位置关系,并对该调焦机构进行了误差分析,用闭环控制的方式对其精度进行了检测。试验数据表明,该调焦机构传动比为1∶ 70,重复定位精度为2 m,满足空间相机使用要求。
设计了一种用于空间相机的调焦机构,该机构采用步进电机带动的精密步进谐波传动。波发生器由椭圆凸轮与套在其上的柔性轴承组成,输出端连接滚珠丝杠将旋转运动转化为直线运动,带动调焦镜沿直线导轨往复运动,其中输出刚轮与绝对式编码器相连,检测调焦移动位移。该机构具有传动比大、精度高、结构紧凑、效率高、运转平稳等特点。针对该机构在空间相机的实际应用,推导出了调焦机构位移与焦面移动的位置关系,并对该调焦机构进行了误差分析,用闭环控制的方式对其精度进行了检测。试验数据表明,该调焦机构传动比为1∶ 70,重复定位精度为2 m,满足空间相机使用要求。
2010, 3(5): 467-473.
摘要:
设计了一套光学对准测量装置,该装置主要由面阵CCD相机、光学镜头、图像处理模块、LED红光光源、球面反光镜组成。介绍了测量原理,测量目标采用等腰三角形排列,通过面阵CCD对目标所反射的图像进行采集,由图像处理模块对该图像进行实时处理,能够同时得到X、Y、Z以及旋转角度等四维坐标数据。推导了光斑图像坐标和被测平面距离等计算公式,并进行了对准精度分析。结果表明,该装置位置误差＜1 mm,角度误差为0.24,实现了高精度、自动、快速对准测量。
设计了一套光学对准测量装置,该装置主要由面阵CCD相机、光学镜头、图像处理模块、LED红光光源、球面反光镜组成。介绍了测量原理,测量目标采用等腰三角形排列,通过面阵CCD对目标所反射的图像进行采集,由图像处理模块对该图像进行实时处理,能够同时得到X、Y、Z以及旋转角度等四维坐标数据。推导了光斑图像坐标和被测平面距离等计算公式,并进行了对准精度分析。结果表明,该装置位置误差＜1 mm,角度误差为0.24,实现了高精度、自动、快速对准测量。
2010, 3(5): 474-479.
摘要:
设计了一套300~1 100 nm多波段光学系统,该系统能对目标的近紫外、可见光和近红外3个波段同时成像,可满足目标多波段信息探测的要求。由于在光学系统中镜筒内壁反射和棱镜表面反射会产生杂光和鬼像,因此,利用LightTools软件对此系统的杂光和鬼像进行了模拟分析。模拟结果表明,视场之外11.7~18.3和-11.7~-18.3的入射光线被胶合棱镜上下表面反射后,会聚焦到3个探测器靶面范围内,形成鬼像;6.2~9.8和-6.2~-9.8的入射光线被镜筒反射后会在3个探测器上形成杂光。利用设计的多波段光学系统进行了相关实验,结果证明了模拟分析的正确性,表明此分析能用于指导多波段光学系统的设计和研制。提出了减少杂光和鬼像的相应措施,实验结果验证了提出的措施能够减少杂光及消除鬼像,提高系统成像质量。
设计了一套300~1 100 nm多波段光学系统,该系统能对目标的近紫外、可见光和近红外3个波段同时成像,可满足目标多波段信息探测的要求。由于在光学系统中镜筒内壁反射和棱镜表面反射会产生杂光和鬼像,因此,利用LightTools软件对此系统的杂光和鬼像进行了模拟分析。模拟结果表明,视场之外11.7~18.3和-11.7~-18.3的入射光线被胶合棱镜上下表面反射后,会聚焦到3个探测器靶面范围内,形成鬼像;6.2~9.8和-6.2~-9.8的入射光线被镜筒反射后会在3个探测器上形成杂光。利用设计的多波段光学系统进行了相关实验,结果证明了模拟分析的正确性,表明此分析能用于指导多波段光学系统的设计和研制。提出了减少杂光和鬼像的相应措施,实验结果验证了提出的措施能够减少杂光及消除鬼像,提高系统成像质量。
2010, 3(5): 480-485.
摘要:
介绍一种基于相位相关的图像配准方法,并将该方法应用于序列图像的运动检测,通过运动补偿,实现了序列图像的稳定输出。采用相位相关配准方法对序列图像进行亚像素精度配准,运用基于最小二乘的曲面拟合法,估计当前图像相对参考图像的亚像素级的平移量。在补偿图像运动时,为保证亚像素级的补偿精度,采用平滑算法,避免在图像补偿时出现马赛克现象。最后,对样本图像进行了亚像素级位移配准和图像补偿对比实验。实验结果表明,提出的方法可以检测到0.01 pixel的运动量, 最大配准误差为0.008 pixel;采用亚像素级运动量补偿图像,最大误差＜0.5。
介绍一种基于相位相关的图像配准方法,并将该方法应用于序列图像的运动检测,通过运动补偿,实现了序列图像的稳定输出。采用相位相关配准方法对序列图像进行亚像素精度配准,运用基于最小二乘的曲面拟合法,估计当前图像相对参考图像的亚像素级的平移量。在补偿图像运动时,为保证亚像素级的补偿精度,采用平滑算法,避免在图像补偿时出现马赛克现象。最后,对样本图像进行了亚像素级位移配准和图像补偿对比实验。实验结果表明,提出的方法可以检测到0.01 pixel的运动量, 最大配准误差为0.008 pixel;采用亚像素级运动量补偿图像,最大误差＜0.5。
2010, 3(5): 486-493.
摘要:
为了方便星图识别算法和星敏感器性能的测试,设计了一种CCD星图模拟器,开发了星图模拟软件。采用高分辨率显示设备及平行光管模拟无穷远处平行光,实现了高质量星图的模拟。通过高精度QUEST算法求解姿态,对模拟的星图进行了验证。计算了3颗以上恒星的偏航角、俯仰角和滚动角,对100幅模拟星图进行了统计分析,结果显示其定位精度已达98.1%。目前,该星图模拟器已成功用于实际项目,为后续的测试星图识别算法提供了良好的依据,并缩短了开发周期。
为了方便星图识别算法和星敏感器性能的测试,设计了一种CCD星图模拟器,开发了星图模拟软件。采用高分辨率显示设备及平行光管模拟无穷远处平行光,实现了高质量星图的模拟。通过高精度QUEST算法求解姿态,对模拟的星图进行了验证。计算了3颗以上恒星的偏航角、俯仰角和滚动角,对100幅模拟星图进行了统计分析,结果显示其定位精度已达98.1%。目前,该星图模拟器已成功用于实际项目,为后续的测试星图识别算法提供了良好的依据,并缩短了开发周期。
2010, 3(5): 494-499.
摘要:
以椭圆形平面反射镜实例为研究对象,介绍了轻质反射镜材料的选择以及反射镜在真空超低温环境中的应用。分析了各种轻量化孔的特点,设计了一种反射镜结构;在吊带支撑方式下,建立整体结构的有限元模型,对由于镜体自重及超低温环境引起的镜面变形进行了有限元分析。由数控系统在图形方式下控制实际轻量化加工,加工后的反射镜轻量化率达到33%;采用化学方法消除加工过程中产生的应力与微小裂纹;运用环形抛光机结合局部修磨进行光学抛光加工,抛光后面形精度达到0.022(均方根,=633 nm);在实验室进行小范围温度拉偏实验,实验结果表明,面形精度变化量为0.03 nm。
以椭圆形平面反射镜实例为研究对象,介绍了轻质反射镜材料的选择以及反射镜在真空超低温环境中的应用。分析了各种轻量化孔的特点,设计了一种反射镜结构;在吊带支撑方式下,建立整体结构的有限元模型,对由于镜体自重及超低温环境引起的镜面变形进行了有限元分析。由数控系统在图形方式下控制实际轻量化加工,加工后的反射镜轻量化率达到33%;采用化学方法消除加工过程中产生的应力与微小裂纹;运用环形抛光机结合局部修磨进行光学抛光加工,抛光后面形精度达到0.022(均方根,=633 nm);在实验室进行小范围温度拉偏实验,实验结果表明,面形精度变化量为0.03 nm。
2010, 3(5): 500-508.
摘要:
对移相干涉测量中影响移相稳定性,从而产生测量误差的小幅度机械振动进行了研究,建立了振动误差模型,仿真分析了Wyant84b三步算法、Hariharan87五步算法、七步算法和十三步算法4种不同移相算法对振动的免疫能力。模拟结果显示,十三步算法对振动的免疫能力最好,与已发表文献成果吻合,说明本文的模拟具有较高的可信度,在一定程度上能够对影响干涉仪精度的振动误差进行合理预测,并能够起到评价和筛选移相算法的作用。
对移相干涉测量中影响移相稳定性,从而产生测量误差的小幅度机械振动进行了研究,建立了振动误差模型,仿真分析了Wyant84b三步算法、Hariharan87五步算法、七步算法和十三步算法4种不同移相算法对振动的免疫能力。模拟结果显示,十三步算法对振动的免疫能力最好,与已发表文献成果吻合,说明本文的模拟具有较高的可信度,在一定程度上能够对影响干涉仪精度的振动误差进行合理预测,并能够起到评价和筛选移相算法的作用。
2010, 3(5): 509-512.
摘要:
对经纬仪的一个重要的系统误差水平轴倾斜进行了分析,讨论了水平轴倾斜对经纬仪测角精度的影响。介绍了常用的水平轴倾斜检测方法,针对其局限性提出了一种新的基于莱卡经纬仪的水平轴倾斜检测方法。 实验显示这种新方法具有通用性,且根据莱卡读数即可以轻易判断被测经纬仪的倾斜方向。最后,对两种方法的测量误差进行了比较,比较结果表明,新方法的测量误差源虽然比传统方法多,但由于莱卡经纬仪的各项精度指标都很高,故其测量误差＜4,优于传统方法的测量精度。
对经纬仪的一个重要的系统误差水平轴倾斜进行了分析,讨论了水平轴倾斜对经纬仪测角精度的影响。介绍了常用的水平轴倾斜检测方法,针对其局限性提出了一种新的基于莱卡经纬仪的水平轴倾斜检测方法。 实验显示这种新方法具有通用性,且根据莱卡读数即可以轻易判断被测经纬仪的倾斜方向。最后,对两种方法的测量误差进行了比较,比较结果表明,新方法的测量误差源虽然比传统方法多,但由于莱卡经纬仪的各项精度指标都很高,故其测量误差＜4,优于传统方法的测量精度。
2010, 3(5): 513-517.
摘要:
针对目前国内自主研制的激光位移传感器精度低,测量范围小等问题,提出了一种采用光学设计软件预先仿真整个激光位移传感器光学系统的方法。在分析系统各部分的光学特性的基础上,结合具体要求设计了一个激光位移传感器的光学系统,其工作范围为(5010) mm。采用系统分割的方法,将整个光学系统分为两部分进行设计,第一部分是激光束的整形透镜,要求在有效的工作范围内得到小而均匀的出射光斑,设计结果表明,在测量范围内,光斑大小能够控制在10-1 mm量级;另一部分是被测面散射光接收的成像物镜,该系统的特点是物面和像面相对于光轴都有一定的角度,实验结果表明其成像满足Scheimpflug条件。
针对目前国内自主研制的激光位移传感器精度低,测量范围小等问题,提出了一种采用光学设计软件预先仿真整个激光位移传感器光学系统的方法。在分析系统各部分的光学特性的基础上,结合具体要求设计了一个激光位移传感器的光学系统,其工作范围为(5010) mm。采用系统分割的方法,将整个光学系统分为两部分进行设计,第一部分是激光束的整形透镜,要求在有效的工作范围内得到小而均匀的出射光斑,设计结果表明,在测量范围内,光斑大小能够控制在10-1 mm量级;另一部分是被测面散射光接收的成像物镜,该系统的特点是物面和像面相对于光轴都有一定的角度,实验结果表明其成像满足Scheimpflug条件。
