干涉成像仪

近日，西安光机所新型干涉光谱成像技术研究取得重大进展，以光谱室胡炳樑研究员为首的研究团队在国内率先将离轴三反光学系统应用于短波红外干涉光谱成像系统中，并成功研制了基于M-Z像面干涉光谱成像的离轴三反桌面样机系统。 　　面向宽覆盖、高分辨率、高光谱分辨率的要求，离轴三反加M-Z像面干涉光谱成像技术可以有效解决大视场光学系统和大尺寸干涉仪的技术瓶颈。M-Z干涉仪放置在系统会聚光路中，在减小系统体积和重量的同时，能量利用率可以达到成像仪的极限 离轴三反光学系统则能够同时实现长焦距与大视场，并且没有中心遮拦，传递函数高。但在基于M-Z像面干涉的光谱成像系统中，离轴全反射系统难以补偿会聚光路中M-Z干涉仪棱镜元件所引入的像差，为此，科研人员将校正补偿系统应用到离轴三反系统中，设计并成功研制了一种新型离轴三反成像光学系统，并针对离轴三反系统装调自由度多，结构非对称性以及离轴系统离轴量需要精确测量调整等问题，解决了离轴非球面微应力装夹、多自由度调整结构形式、离轴三反系统高精度装调等多项技术难点，为高分辨率、高光谱分辨率光谱成像技术奠定了坚实基础，并完成了必要的技术储备，使我所先进光谱成像技术达到了国内领先水平。 　　此次研究工作取得重大进展的过程，充分体现了我所科研人员勇于攻关、勤于奉献、努力进取的精神。由于是在国内首次开展基于干涉光谱成像的离轴三反光学系统的研究，研制难度大，时间进度紧。在所各级领导的关心支持下，项目负责人胡炳樑研究员积极牵头组织专家进行方案论证，为项目设计、加工和装调，在人员、技术、设备等多方面提供了强有力的支持 白清兰研究员、熊望娥副研究员勇于攻坚克难，通过多次与领域内专家研讨，并组织科研人员无数次的讨论、论证，最终确定了新型离轴三反光机系统的设计和初步装调方案，并亲自带领年轻科研人员赵强、赵稳庄、孙剑、李勇、李立波、邹纯波、张宏建、赵瑞萍等参与项目的设计调试工作，实现了预期的研制目标 刘学斌研究员带领王爽、皮海峰、张雯、王彩玲等年轻科研同志，加班加点顺利完成了低噪声短波红外电路的设计工作，为全系统调试的顺利进行做出了极大贡献 王忠厚研究员、白加光研究员等为项目的前期方案论证和整个过程的研制提供了大量的技术支持和帮助 系统调试过程中，在系统工程部李华主任、检测中心赵建科主任的支持下，段嘉友、张建、李智勇等与项目组密切配合，出色完成了离轴三反光学系统装调任务。 　　日前，短波红外干涉光谱成像系统的研究工作仍在深入进行中，科研人员将不断创新进取，力争取得更大成绩。

由中国科学院西安光学精密机械研究所承担研制，曾为我国首次探月工程做出突出贡献的嫦娥一号卫星干涉成像光谱仪和CCD立体相机，于5月25日在西安通过了中国科学院西安分院组织的成果鉴定。 　　以中科院国家天文台李春来研究员为组长的专家鉴定委员会认为，嫦娥一号探月卫星干涉成像光谱仪采用干涉光谱成像技术，在国际上首次对月球成功实施了可见-近红外宽谱段连续光谱及光谱图像探测，是国内首台成功应用的星载干涉成像光谱仪 该仪器具有很高的信噪比(S/N)与调制传递函数(MTF)，是一台集光、机、电、算为一体的高端光学遥感设备 该项目在“行平场”、“不同光谱仪的对比方法”、“干涉仪胶合时剪切量的精密控制”以及“具有特色的付氏光学系统设计”方面形成一批自主知识产权，申请发明专利四项，已授权三项 该仪器成功应用于嫦娥一号探月卫星，获取了全月面79%区域清晰的多光谱图像，是国际上第一次获取480nm-960nm范围的32谱段的连续光谱和图像，为月球科学家研究月表物质成份提供了具有自主知识产权的原生信息源，并产生了大量的应用成果。 　　以杨元喜院士为组长的专家鉴定委员会认为，嫦娥一号卫星CCD立体相机优化集成了光、机、电等高新技术，确保了月面高精度成像和摄影测量，获得了与国外现有月球图像相比更为清晰、层次更加丰富的全月面图像 该相机采用广角、远心、消畸变光学系统及带有掩模板的面阵CCD立体成像等技术，有效减小了附加曝光影响、系统体积及定标压力 相机的立体成像系统具有高的信噪比(S/N)与调制传递函数(MTF) CCD立体相机已经成功应用于嫦娥一号探月卫星工程，申请发明专利2项(公开中)，授权实用新型1项，为月球科学家研究月球的地形地貌与地质学构造提供了具有自主知识产权的原生信息源，产生了大量的应用成果。 　　鉴定委员会认为，嫦娥一号探月卫星干涉成像光谱仪和CCD立体相机总体水平为国际先进，并建议这些技术在国防、民用及深空探测等领域进一步推广应用。

1月14日，中共中央、国务院在北京人民大会堂隆重举行2010年度国家科学技术奖励大会，党和国家领导人胡锦涛、温家宝、李长春、习近平、李克强等出席大会。胡锦涛等党和国家领导人向获国家科学技术奖的代表颁奖。中科院西安光学精密机械研究所“环境与灾害监测预报小卫星超光谱成像仪项目”荣获国家科学技术进步奖二等奖。 　　超光谱成像仪具有“图谱合一”的宽谱段(0.45～0.95mm)和精细光谱(5nm)的探测能力，其在轨获取的干涉图经滤波、相位修正、辐射度修正、光谱反演、光谱修正后，得到每一个像元的超光谱图(曲线)。把每一个像元复原光谱图中具有同一波长的相对应的光谱强度值(光谱辐射功率密度)集合在一起，并以二维空间排序，即可重构超光谱图像序列，即每个谱段的准单色图。再进一步可以合成色彩非常丰富的真彩色图像。 　　西安光机所研制的超光谱成像仪装载在HJ-1-A卫星上。它是国内首先采用静态干涉型成像光谱技术新原理，研制的一种新型有效载荷。超光谱成像仪在环境与灾害监测预报中发挥特有的作用。它可以监测土地的沙化、盐碱化、石漠化 探测冰雪灾害与森林、草原火灾 调查国土资源及广域土地分类 进行植被分类、植树造林及退耕还林效果评估以及发现森林砍伐与破坏 服务于农业估产、监测病虫害以及生态环境破坏等。对自然灾害、环境污染、危及人类的危险事故等的发生、定量化分析、评估等将起着重要作用。 　　2008年9月6日，我国在太原卫星发射中心通过一箭双星方式将首颗环境卫星(也称为环境与灾害监测预报小卫星星座)A、B卫星成功送入太空。2009年3月30日，国家国防科技工业局在京组织环境与灾害监测预报小卫星A、B星在轨交付仪式。中国航天科技集团公司和中国卫星发射测控系统部将卫星正式交付给民政部和环境保护部投入使用。

近年来，3D检测技术发展迅速，广泛应用于工业、国防、医疗、农业等领域。根据其是否应用人造光源作为照明系统，可分为主动式3D成像技术与被动式3D成像技术。无论是哪种方法，为了获得目标的高精度3D轮廓信息，都希望检测仪器具备高精度、高帧率、算法兼容性强、环境适应性强、稳定性强、操作简便、性价比高等特点，这在实际应用中，尤其在微纳米结构检测中有着重要意义。微纳米技术，是指对微纳级材料的测量、加工制造、设计、控制等相关研究技术，它与高精尖装备制造领域的发展息息相关。微纳结构测量最为基础和重要的是表面形貌的3D测量，它包括了轮廓的测量以及表面粗糙度的测量，目前常用的微结构表面形貌测量方法分为接触式和非接触式。接触式测量是目前工业领域内应用最为广泛的测量方法。这种方法在测量时有一个微小的触针，在被测样品表面上做横向移动；在这过程中触针会随着样品表面的轮廓形状垂直起伏，然后通过传感器将这微小的位移信号转换为电信号；对这些信号进行采集和运算处理后，就可以测得表面轮廓或形貌特征。测量中可以使用的传感器有很多，如光栅式、压电式、干涉式以及普遍应用的电感式。这种方法测量量程大，结果稳定可靠，并且仪器操作简单，对测量环境要求低；缺点是触针在测量时有可能会对被测表面造成损伤，且测量速度慢。非接触式测量技术大多基于光学方法，例如干涉显微法、自动聚焦法、激光干涉法等。光学测量方法具有非接触、操作简单、速度快等优点。然而在利用光学方法进行测量时，被测表面的斜率、光学参数等发生变化会引起测量误差。例如，若被测样品表面存在沟槽或其他微细结构，它们引起的散射、衍射等现象会对测量信号造成干扰。另外，若样品表面存在灰尘、细小纤维等，光学测量方法的结果也会有一定失真；而触针式方法由于测量时与样品表面接触，会划去部分表面污染物使测量结果不受影响。因此，根据不同测量要求，每种方法都有其适用性，常用的微纳结构三维测量方法如图1所示。图1：微纳结构三维测量方法接触式检测技术（1）扫描电子显微术利用物质与电子的相互作用，当电子束轰击表面时，会产生多种形式的电子和光电现象，扫描电子显微镜（SEM）利用其中的二次电子和背散射电子与表面具有的关系进行结构分析。SEM具有大视场、大倍率、大景深等优点，但其测量样品制备复杂，种类有限，常用于微结构缺陷检测等定性分析。（2）扫描探针显微术被测样品表面的相关信息利用探针与样品的相互作用特性获得，扫描探针显微镜（SPM）及其衍生而来其他测量方法，具有较高的测量分辨力，但其测量过程需要对测量表面逐点扫描，且只有微米级别成像范围，测试效率较低。（3）机械探针轮廓术探针始终与被测表面接触，被测表面结构的变化会使探针产生垂直位移，通过位移的感知即能获得被测表面特性。该方法在工业特别是制造业领域广泛使用，也是国际社会公认的表面粗糙度测量的标准方法。但是其作为接触式测量方法，容易对被测表面造成划伤，逐点测量的办法效率较低，也难以测量复杂器件。非接触式检测技术（1）激光干涉术通过干涉条纹变化与被测物位置变化的对应关系，获得位移信息，从而达到几何量测的目的。（2）自动聚焦法基于几何光学的物象共轭关系，当照明光斑汇聚在被测面时，进一步调整检测头与表面的距离，直至光斑像尺寸最小而得到该被测位置的相对高度。该方法简单易操作，但水平分辨力受光斑大小的限制较大，且垂直高分辨力对成像分析和调节能力要求高。（3）激光共焦扫描显微术首先利用精密共焦空间滤波结构，通过物象共轭关系滤除焦点外的反射光，极大地提高成像的可见度。通过聚焦光对样品垂直扫描，样品在垂直方向被分层成像，光学切片图像经三维重构，可得到样品的三维结构。该方法一次测量过程就能实现该视场三维形貌的测量，兼具高效和高精度的优点，但其分辨率易受扫描步长和物镜数值孔径的限制。（4）光学显微干涉术传统的干涉测量方法，主要是通过观测干涉条纹的位置、间距等的变化来实现精确测量。典型方法是单色光相移干涉术和白光扫描干涉术。单色光相移干涉术的测量思路为：参考臂和测量臂的反射光发生干涉后，利用相移法引入相位变化，根据该相位变化所引起的干涉光强变化，求解出每个数据点的相位，其结果不连续，位于(-p,p]之间，因此需要对该结果进行解包裹运算，然后根据高度与相位的关系，得到被测样品的表面形貌。这种方法在测量时对背景光强不敏感，测量分辨率高；但无法确定干涉条纹的零级位置和相位差的周期数，存在相位模糊问题；若被测样品表面的相邻高度超过1/4波长则不能测准，因此只能应用于对表面连续或光滑的结构的测试。白光扫描干涉法由单色光相移技术发展而来，由于使用白光作为光源，在干涉时有一个确切的零点位置，其相干长度短，干涉条纹只出现在很小的范围内；当光程差为零时，干涉信号出现最大值，该点就代表对应点的高度信息，通过Z向扫描能够还原被测样品的整体形貌。光谱分光型白光干涉由上述方法发展而来的光谱分光型白光干涉技术，则是基于频域干涉的理论，利用光谱仪将传统方法对条纹的测量转变成为对不同波长光谱的测量。包含有被测表面信息的干涉信号，由含有色散元件和阵列探测器的光谱仪接收，通过分析该频域干涉信号来实现信息获取。相比于单色光干涉技术，光谱分光型白光干涉技术具有更大的测量范围，同时与白光扫描干涉术相比，它在测量时不需要大量的Z向扫描过程，极大提高了测量效率。利用光谱分光型白光干涉技术可以测量绝对距离、位移、微结构表面形貌、薄膜厚度等。在测量微结构三维形貌时，光谱分光型白光干涉技术，比于其他方法操作更简单，测量精度更高。在微纳测量领域，为了提高光学测量系统的水平分辨率，通常采用显微物镜放大的方法。在光谱分光型白光干涉测量系统中可以采用几种显微结构，如Michelson型、Mirau型和Linnik型，图2显示了这三种显微干涉结构的构成原理。图2：三种显微干涉结构的构成原理高精度仪器设备需求不断推动着微纳米技术向前发展，因此高精度的微纳检测技术也成为了必然需求。微纳结构测量的对象有表面形貌、电子特性、材料特性、力学特性等，其中表面形貌3D测量最为基础和重要，它包括轮廓测量（如长、宽、高等）和表面粗糙度等参数的测量。对于尺寸处于微纳米量级的微纳结构器件而言，其静电力、黏附力和结构应力等因素对其本身的影响，会随着其表面积和体积之比的增大而增加，使器件的功能和质量发生变化，从而影响器件的使用。因此，对微纳结构表面形貌的检测非常必要。光谱分光型白光干涉技术，用于测量微纳米结构三维形貌的研究及其进一步产业化，填补国内空白。光谱分光型白光干涉仪（见图3）具备高精度、高帧率、算法兼容性强、环境适应性强、稳定性强、操作简便、性价比高等优点，其在新型成像/检测系统中的应用及产业化，将打破国外垄断。图3：光谱分光型白光干涉仪整机系统原理图光源是超辐射发光二极管（SLD），从光源发出的光进入光纤耦合器，从耦合器输出的光经消色差准直器准直成平行光，使用分光棱镜将准直光分为参考光和样品光。参考光经透镜3聚焦于反射镜，样品光经XY扫描振镜和透镜4，聚焦于样品。经反射的参考光和样品光由光纤耦合器的另一端输出，进入光谱仪中。光谱仪由透镜1、光栅、透镜2以及相机组成。输出的光经透镜1准直为平行光，照射到光栅上；光栅衍射分光，经透镜2汇聚于线阵相机；线阵相机记录参考光和样品光的干涉光谱，传给电脑进行处理。该系统使用振镜代替昂贵的高精密位移台进行二维扫描，可用于位移、振动及厚度测量（点测量）；线轮廓测量（线测量）；表面轮廓成像（面成像）。中科行智最新研发的白光干涉仪，用于对各种精密器件表面进行纳米级测量，专业用于超高精度、高反光及透明材质的尺寸测量。该白光干涉仪采用非接触式测量方式，避免物件受损，可进行精密零部件重点部位的表面粗糙度、微小形貌轮廓及尺寸测量。目前，在3D测量领域，白光干涉仪是精度最高的测量仪器之一。中科行智重点开发的3D飞点分光干涉仪，重复精度达30nm，扫描速度70kHz，扫描范围广，最大直径可达40mm；适应性强，可适用于测量最强反射、弱反射及透明物体等；稳定性强，分光模块与光学振镜模块化设计，加入光学振镜扫描，可替代昂贵的高精密位移台。主要特点如下：大视野：采用高精度光学振镜扫描方案，实现水平方向大视野扫描，避免使用昂贵的高精度水平位移台；大景深：高分辨率光谱仪进行信号采集，经分光元件将白光分光，具备mm级测量深度特性，无需深度方向扫描装置；高精度：大测量深度高分辨率相敏谱域干涉调解算法，重复精度30nm；高速度：采用FPGA硬件加速设计，帧率70kHz；灵活性：信号采集端和接收端分离式设计，采集端安装更灵活；用户设置自定义扫描区域、扫描间隔，也可重点获取感兴趣区域；适用性：适用于透明、弱反光、高反光、狭缝等材料类型的表面形貌以及厚度检测（见图4、图5）。目前白光干涉仪相关技术处于国际领先，苏州中科行智智能科技有限公司已发布的3D飞点分光干涉仪为国内首家，可广泛应用于半导体晶片、微机电系统、精密加工表面、材料研究等领域，为国内半导体行业及高精密行业赋能，高质量解决环节价值，可趋于替代国外高精密传感器，赋能国内高精密、高价值智能制造！

p style=" text-align: justify text-indent: 2em " Seeing is believing，光学显微镜自1590年由荷兰詹森父子创制伊始，即成为生命科学最重要的研究工具之一。进入21世纪，借助荧光分子，科学家将光学显微镜的分辨率提高了一个数量级，由约一半光波波长（250 nm）拓展至几十纳米，并兴起了超高分辨荧光成像技术，用于“看到”精细的亚细胞结构和生物大分子定位，相关工作荣膺2014年诺贝尔化学奖。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 9月9日，Nature Methods杂志在线发表了中国科学院生物物理研究所徐涛院士研究组与科学研究平台纪伟正高级工程师研发团队合作研究论文，题为“Molecular resolution imaging by repetitive optical selective exposure”，为超高分辨光学显微镜家族再添新成员，使显微镜分辨率进一步被突破。该工作提出了一种基于激光干涉条纹定位成像的新技术，并据此研制出新型单分子干涉定位显微镜（Repetitive Optical Selective Exposure, ROSE），将荧光显微镜分辨率提升至3 nm以内的分子尺度，单分子定位精度接近1 nm，可以分辨点距为5 nm的DNA origami（DNA 折纸）结构。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 226px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201909/uepic/bcbdc347-2f8b-464e-9014-787a341c1e21.jpg" title=" 徐涛院士组与科学研究平台研发团队实现分子尺度分辨率光学成像.jpg" alt=" 徐涛院士组与科学研究平台研发团队实现分子尺度分辨率光学成像.jpg" width=" 450" height=" 226" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 图1 左侧，传统质心拟合定位方法，右侧，ROSE干涉定位方法 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 所谓干涉定位，是指采用不同方向和相位的激光干涉条纹激发荧光分子，荧光分子的发光强度与其所处条纹的相位有关，该技术即是通过荧光分子强度与干涉条纹的相位关系，来确定荧光分子的精确位置。为降低单分子发光时的闪烁和漂白对亮度和定位精度产生的不良影响，研发团队对显微镜光路进行了创造性地设计，分别为：基于电光调制器的干涉条纹快速切换激发光路，基于谐振振镜扫描的6组共轭成像光路，两种光路的同步实现了高达8 kHz的分时成像，确保在相机的单次曝光时间里把每个单分子发光状态均匀分配给6个干涉条纹，有效避免了荧光分子发光能力波动对定位精度的干扰。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 研发团队利用该技术对不同荧光位点间距的DNA origami阵列进行验证测试，证明干涉成像分辨率达到了3 nm的分子水平，可以解析5 nm的DNA origami阵列。后续的功能性实验结果显示，该技术在免疫标记的微管、CCP（clathrin coated pits，网格蛋白有被小窝）以及较致密的细胞骨架成像时展现出良好性能，该技术将为进一步解析精细亚细胞的组分和生物大分子的纳米结构提供有力工具。 /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 450px height: 311px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201909/uepic/45780611-1a95-4748-a74e-d777d33bd780.jpg" title=" 分子尺度分辨率光学成像.jpg" alt=" 分子尺度分辨率光学成像.jpg" width=" 450" height=" 311" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center text-indent: 0em " strong 图2左侧，不同荧光位点间距的DNA origami成像，ROSE技术与传统的质心拟合方法进行对比验证。右侧，鬼笔环肽标记的微丝成像，ROSE技术与传统的质心拟合方法进行对比验证。 /strong /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 徐涛院士领衔的仪器研发团队近年来致力于显微成像仪器设备和技术方法的研究和开发，先后研制出偏振单分子干涉成像、冷冻单分子定位成像以及超分辨光电融合成像系统，开发了新的超分辨显微成像算法、探针和技术，申请有多项发明专利，上述成果被广泛应用于细胞生物学相关研究，支撑团队与合作者在该领域取得了系统性成果产出。纪伟正高级工程师所在的生命科学仪器研发中心是根据研究所发展新技术新方法的迫切需求而设立，隶属于科学研究平台，在提供技术服务的同时，聚焦生物显微成像仪器设备的研发与应用推广。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 徐涛院士和纪伟正高级工程师为该文章的共同通讯作者，谷陆生、李媛媛、张淑文为共同第一作者。李栋研究员、薛艳红、李尉兴参与了本课题。 /p p style=" text-align: justify text-indent: 2em " 该工作受到中国科学院科研仪器设备研制项目、国家重点研发计划、国家自然科学基金以及北京市科技计划等项目的资助。 /p

p 　　癌症被谓为众病之王，如何预防恶性肿瘤的转移和扩散，一直是临床医学界难题。 /p p 　　有没有一种技术手段，能够对生物活体进行观察和追踪，让医生从整体上了解疾病发展的进程，及时调整药物和基因治疗方案，从而改变或阻止疾病发展? /p p 　　答案是肯定的。 /p p 　　由宁波永新光学股份有限公司牵头，联合浙江大学、上海理工大学、复旦大学附属中山医院、南京医科大学等共同进行研究和开发的“高分辨荧光显微成像仪”正在为解决这一难题而不懈努力，也正因此，该项目获得了科技部重大科学仪器设备开发重点专项立项。 /p p 　　“‘高分辨荧光显微成像仪’是以永新公司现有的一代高端倒置荧光显微成像系统主体为基础，开发出一个具有光切片成像、荧光标记与共定位、三维空间还原及动态成像、单分子荧光探测、荧光漂白后恢复等的复杂多功能高端荧光显微成像系统。”公司技术总监、项目负责人毛磊对科技日报记者说。 /p p 　　虽然电子显微镜、原子力显微镜等技术已经实现获得更高的分辨率，但由于不能对活体实时成像，样品制备复杂等原因，光学显微镜仍然是当前生物医学、生命科学以及医学研究等方面的主要观测设备。 /p p 　　“相比较传统的显微成像技术，这种高分辨荧光成像技术不仅可以实现对活体组织微观结构、各种肿瘤细胞的显微成像，还为细胞组学、基因组学、蛋白组学、肿瘤学等研究提供了强大的技术支撑，是一项在生命科学领域有着不可替代优势的技术。”毛磊说。 /p p 　　此外，这种技术还可以在活体动物体内进行显微成像，通过对同一组实验对象在不同时间点进行记录，跟踪同一观察目标(标记细胞及基因)的移动及变化，让研究人员直接快速地检测各种癌症模型中肿瘤的生长、转移以及对药物的反应，比传统方法更适合于肿瘤体内生长的定量分析。 /p p 　　值得一提的是，为了提高光学显微的成像效果，以便从复杂的细胞组织中提取出自己想要的细节，研发团队还采用了荧光标记的方法，在细胞中加入特殊的荧光标记物，这些标记物在特定的光照下，有的发红光，有的发绿光，而且每种荧光标记物都具有一定的选择性，只与细胞中既有的特定分子结合，然后发出荧光。 /p p 　　“荧光成像大大提高了光学显微成像的对比度，还帮助研发人员分辨细胞中的不同结构。预期项目结题后，3—5年内将可实现累计销售1亿多元，10年内可实现年销售3—5亿元，利税超亿元。该项成果将推动我国高端显微镜的‘跨代式’发展。”毛磊说。 /p p 　　相关统计显示，2016年全球该类产品市场共有30多亿美元，中国市场大约在16亿元人民币(约占世界市场8%)，年增长率超过30% 而在世界高端显微镜市场，我国显微镜制造企业占比小于1%，具有很大的市场空间。 /p p 　　“永新已经与三家应用单位共同在遗传/发育生物学、细胞生物学等荧光免疫方面进行了应用开发，其中NIB900、NE900系列研究级显微镜已实现批量生产，并在国内外高校及科研院所销售超过200台。下一阶段，我们将围绕切片成像模块、单分子探测模块及全内反射模块以及核心部件如高倍率、大数值孔径平场复消色差物镜，荧光滤光片，微分干涉组件等进行深度研发，最终实现预期目标。”毛磊表示。 /p

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美国IBM公司研究中心和斯坦福大学纳米探索中心的科学家们共同开发出一种磁共振成像仪(MRI)，其分辨率要比常规MRI高出1亿倍。发表在《美国国家科学院院报》的这项研究成果，标志着为在纳米级研究复杂3D结构提供分子生物学和纳米技术工具方面迈出了重大一步。 通过将MRI的分辨率扩展到如此精细的程度，科学家们已经开发出一种显微镜，随着技术的进一步发展，该显微镜最终也许足以揭示蛋白质的结构和相互作用，为个性化医疗和靶标药物的开发取得更新进展铺平道路。该成就也将对从蛋白质到集成电路等材料研究产生影响，此类材料的研究对详细了解原子结构至关重要。 IBM研究中心战略与运营副总裁马克戴恩表示，该项技术有望提供非侵入的方式来展示诸如蛋白质等生物结构的三维细节，将给人们观察病毒、细菌、蛋白及其他生物分子的方法带来革命性变化。 这项成果的取得得益于一种称为磁共振力显微镜(MRFM)技术，该技术依赖于超细磁力的探测，除了高分辨率，该成像技术还有更进一步的化学特性优势，可“看到”表面下的东西。而且与电子显微镜不同的是，该技术不会对敏感的生物材料造成破坏。 十多年来，IBM科学家在MRFM领域一直占据着领军的地位。现在，IBM领导的研究小组已大幅提升了MRFM的灵敏度，并将其与先进的三维图像重建技术相结合，这使得他们首次能揭示纳米尺寸生物体的MRI。该技术应用于烟草花叶病毒样本时，获得的分辨率可低至4纳米(烟草花叶病毒的宽为18纳米)。 该新技术与使用梯度和成像线圈的常规MRI不同。研究人员使用MRFM来检测置于显微悬臂下样品的微小磁力，这个悬臂是一个状如跳板的薄硅片。当样本氢原子中的磁自旋与周围纳米级磁尖发生作用时，激光干涉就可跟踪悬臂的运动。对磁尖进行三维扫描，就可对悬臂的震动进行分析，从而建立起一个三维图像。 IBM研究中心纳米技术部主任丹?路加尔说，作为医疗成像领域众所周知的有力工具，MRI显微能力一直非常有限，而纳米MRI技术能够展现出个别蛋白质分子与分子化合物的内部结构，这是人们了解生物功能的关键。研究人员接下来将努力增强MRFM的灵敏度，希望能在半导体或是医学领域，显示单个分子与原子的影像。

2009年12月29日，“十一五”863对地观测与导航领域专题课题验收会在北京举行，由中科院空间科学与应用研究中心承担的“干涉式毫米波成像辐射计关键技术研究”课题通过验收。 　　该课题为“十一五”本领域首批立项的专题课题之一，主要目标是针对当前地球静止轨道气象卫星对微波/毫米波有效载荷的迫切需求，开展以分时采样综合孔径技术为核心的关键技术攻关，以解决真实孔径系统天线口面过大以及传统综合孔径系统单元天线数目过多的问题。在当前全球气候变化加剧、灾害性天气现象频发的大背景下，开展此项研究具有特别意义。 　　在课题执行过程中，以吴季研究员为首的空间中心研究团队提出了圆环阵列自旋扫描的方案，在简化系统复杂度、提高运动机构稳定性以及定标可行性上具备明显的优势，并最终形成了自主知识产权，成功进行了外场成像实验。 　　在课题验收会上，与会评审专家一致认为，课题组在50～56GHz的氧气吸收峰频段成功验证了干涉式综合孔径辐射计体制的可行性，达到了目前国内干涉式辐射计技术的最高频率，并突破了多项具备国际水平的关键技术，包括：分时采样体制下干涉式综合孔径辐射计关键性能指标的分析方法 稀疏天线阵列与分时采样方式的联合优化设计方法 毫米波接收机前端噪声互耦抑制方法 多时延数字相关技术 分时采样干涉式综合孔径系统的整体定标技术等。研究成果有力支持了未来在我国下一代风云四号静止轨道气象卫星上实施综合孔径大气温度探测仪的可行性与必要性。地球静止轨道(GEO)具有大覆盖以及实时性等特点，而微波/毫米波段观测则具有全天候全天时的优势，两者的结合能够实现对整个天气变化动态过程的连续有效观测，为数值天气预报提供高时间分辨率的观测数据，满足短期预报甚至即时预报的要求。 　　本课题成果已获“十一五”863重点项目的后续支持，在该成果的基础上进一步研制一台全尺度地面样机，为本成果最终进入工程型号应用奠定基础。

大脑的神经回路是极其复杂的网络，包含数十亿个神经元细胞，这些细胞间又存在着数以百亿计的连接。如果只了解其中单个分子或单个神经细胞的工作机理而不了解多个神经元细胞之间连接之后的网络结构和集体行为方式，则无法理解大脑复杂且高等的功能行为，也无法解释很多脑部疾病的致病机理。目前成像技术众多，但仍然缺乏可在亚细胞神经元突起水平上描绘出单个脑组织中所有细胞以及神经投射图谱的方法。构建出一种能快速绘制神经网络联接图谱，展现全细胞细节并与电子显微成像相关联以发挥二者优势的光学成像技术，对了解大脑的工作机制和相关疾病机理具有重大意义。　　近期，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所张若冰课题组提出一种光学多层干涉断层成像方法Optical Multilayer Interference Tomography（OMLIT）。科研人员发现，原本仅用于收集超薄切片的卷带以及为电镜成像提供导电性的导电镀层在光学显微镜下可发挥独特作用：光经过层与层之间的反射与干涉后到达物镜，获得对比度增强的图像。OMLIT在此基础上，通过测试收集超薄切片时所使用的卷带材料、镀层材料、镀层厚度、超薄切片厚度等因素，找到一种在光学分辨率下获取满足介观尺度下要求的图像的条件。　　这种成像方法另外的优势在于快速高效准确。相较于电子显微镜成像所需的3.5小时，OMLIT最快可在12分钟内获得神经突触水平下的小鼠皮层三维结构数据集（0.95×1.15×0.027mm3），并可区分和重建所有神经元和神经胶质细胞的形态以及空间位置，以及毛细血管和神经突触的交织网络。使用扫描电镜验证OMLIT的成像与三维重建精度，展示了两种成像方法之间的兼容性。科研人员认为，未来可将长程神经投射图谱与单个脑组织中全细胞的局部回路的互补突触级细节合并，提高大尺度脑图谱的成像通量。　　相关成果发表在ACS Photonics上。　　论文链接

诊断高能量密度(HED)等离子体的特性，例如存在于惯性约束聚变(ICF)中的等离子体，对于理解它们的演化和相互作用至关重要。然而，考虑到所涉及的通常极端的温度和密度条件，以及其中一些相互作用发生的小时间和空间尺度，获得这些测量结果是具有挑战性的。干涉测量法是目前等离子体最灵敏、最成功的诊断方法之一。然而，由于最常见的干涉测量系统的设计，工作波长有限，因此可以探测的密度和温度范围受到严重限制，难以测量对于可见光波段不透明的 HED 等离子体。基于 Talbot 效应的 Talbot-Lau 干涉法，提供了将干涉测量扩展到 X 射线波长的可能性。另一方面，在光子能量从几 keV 到几十 keV 的范围内的硬 X 射线，低 z 物质的弹性散射截面远大于衰减截面，相位对比度比传统的衰减度对比对电子密度的变化更敏感。因此，在成像机制上，基于折射的方法相较于基于吸收的方法有更高的固有对比度。即，基于相位变化的 X 射线成像方法，包括 Talbot-Lau 偏折测量方法，尤其适用于低 z 生物组织、聚合物、纤维复合材料和 HED 等离子体等的表征。约翰霍普金斯大学物理与天文学系的 M. P. Valdivia 与 D. Stutman 等人提出了将TL莫尔光束偏转技术扩展到8 keV 能量，用于 HED 等离子体实验中的密度梯度测量。[http://dx.doi.org/10.1063/1.4885467]该实验采用低能 TL 干涉仪装置采用焦斑为 ~ 15 μm FWHM 的铜阳极管作为 X 射线源。当在 22 kV 下工作时，该管产生 Kα 特征线主导的光谱，在 8 keV 处有一个强峰。同时使用了 30 μm 厚度的 Ni 滤波器，进一步提高特征线与轫致辐射之间的比率。对于微周期 Talbot-Lau 光栅的设计与制造工艺，对于高能量X射线（如20~100keV），难点在于得到高厚度/深宽比的光栅结构；对于低能 X 射线（如1. Microworks GmbH 提供的 Talbot-Lau 光栅：a)源光栅；b)相位光栅；c)分析光栅该小组使用多种形状（棱柱，圆柱，球型）的多种材料（丙烯酸，铍，PMMA）作为材料进行实验验证。其中，以 PMMA 球形样品的测试结果为例：2. 直径1.5mm的 PMMA 球的 Moiré 条纹像（a）及其偏移映射图（b）结果表明，在 8 keV 下的测量足够灵敏，可以测量几到几十微弧度范围内的折射角，从而提供 10-20 到 10-21 mm&minus 2范围内的面密度。在静态模式下论证得出该技术能够为 HED 相关物体提供密度诊断。上述小组进一步改进该实验，使用短脉冲(30–100 J, 10 ps)激光轰击 Cu 箔产生 X 射线作为测量光源，由于激光的脉冲特性，使得对 HED 的时间分辨测量成为了可能。(doi: 10.1063/1.5123919)3. 超短脉冲时间分辨 X 射线 Talbot-Lau 干涉实验前端光路示意图4. Talbot-Lau X 射线干涉法诊断平台波尔多大学的 G. P´ erez-Callejo 与 V. Bouffetier,对特定靶结构在激光作用下产生的 HED 瞬时密度进行了模拟和测量，并提供了相应的干涉图像的后处理工具。（DOI: 10.1063/5.0085822）5. 等离子体靶材结构设计示意图（左）；模拟轰击靶材后30ns 瞬时密度图像6. 瞬时状态下的干涉图像（a）与空光路参考图像(b)7. 经数据处理后的吸收像（a），暗场像（b）与相位像（c）相关阅读- Microworks光栅助力新冠病毒肺部诊断- 实验室X射线相衬成像技术—核心调制和探测器件技术分析（上）- 实验室X射线相衬成像技术—核心调制和探测器件技术分析（下）Microworks 德国 Microworks GmbH 基于其独特的 LIGA 技术，向广大科研用户提供定制化的微结构加工服务。其中，它的X射线透射光栅在相衬成像领域，有着极高的声誉。Microworks为X射线无损检测（NDT）提供标准化和定制产品。在微纳米技术领域，Microworks代表着高精度，其最高纵横比和精度可以远低于 1 µ m。北京众星联恒科技有限公司作为 Microworks 的中国大陆全权代理商，为中国用户提供所有的售前咨询，销售及售后服务，同时 TALINT EDU 干涉仪套件目前我们开放国内试用, 如果您想体验这款模块化、操作简易的 X 射线相衬、暗场成像套件, 欢迎联系我们。免责声明：此篇文章内容（含图片）部分来源于网络。文章引用部分版权及观点归原作者所有，北京众星联恒科技有限公司发布及转载目的在于传递更多行业资讯与网络分享。若您认为本文存在侵权之处，请联系我们，我们会在第一时间处理。如有任何疑问，欢迎您随时与我们联系。

阿美特克(纽约证券交易所代码:AME)旗下Zygo公司宣布发布其最新的激光干涉仪Qualifire™。Qualifier加入了一系列高端干涉仪解决方案，该仪器旨在支持半导体、光刻、星载成像系统、尖端消费电子产品、国防等行业中最苛刻的计量应用。Qualifire将于1月30日在加州旧金山的SPIE Photonics West首次亮相。这款干涉仪在不牺牲性能的情况下，将显著的增强功能集成到一个更轻的小型封装中。Zygo 激光干涉仪产品经理 Erin McDonnell 表示：“我们很高兴将 Qualifire 推向市场，其改进的人体工程学设计使其易于使用，并且比 Zygo 的许多其他激光干涉仪更便携。使用激光干涉仪进行的测量往往对噪声、污染物和其他伪影敏感，因为该仪器能够提供纳米级精度；Qualifire上的可选模块飞点可主动减少甚至消除这些伪影，从而提高测量的可靠性和可重复性。飞点结合了Zygo最好的两种伪影减少技术：环纹和相干伪影减少。飞点在需要高精度的应用中尤其有价值，包括科学研究和先进的制造工艺。Qualifire为Zygo的激光干涉仪产品线带来这些功能和改进：Qualire激光干涉仪提供了许多新颖的新功能。智能附件接口——干涉仪可以识别任何安装的“智能附件”，并自动应用系统错误文件并执行横向校准。体积小、重量轻——最小的 Qualifire 型号重约 45 磅（20.4 千克）。 它是真正的便携式，特别是对于干涉仪必须经常移动或调整的复杂和精密应用。移相器（PMR）——PMR 是调制测试部件和参考光学器件之间干涉条纹所必需的，最终可创建定量表面图。其整体设计提供：整体机械稳定性和对准降低损坏或错位的风险确保性能一致，减少重新校准的需要改进的用户体验——方便使用的电源按钮和运动安装支脚使设置更易于使用。大型控制旋钮可实现更精确的调整，这对校准和校准都至关重要。 集成手柄确保安全可靠的操作。更易于维护—— 密封的光学系统和整合的电子元件使更换各种组件变得简单，而不会使光学元件暴露在污染物中。飞点——用于减少伪影的可选模块，包括自动对焦功能。稳定变焦——提供新变焦方法的选项，可在所有放大倍率下实现完美的图像配准和衍射限制图像采样。计量集团副总裁Kurt Redlitz 表示：“Qualifire 保持了 Zygo 在计量方面的高标准，同时提供了最高水平的精度并优化了用户体验。通过改进的人体工程学设计，它可以在不牺牲性能的情况下提高操作效率和部署灵活性。Qualifire 是一款更强大、更可靠、用户友好的仪器，可随时应付最苛刻的应用和环境——精度不容置疑。

凝胶成像仪作为生物工程常规研究中必备的仪器，常用于对蛋白质、核酸、多肽、氨基酸、多聚氨基酸等生物分子的分离纯化结果作定性、定量分析。常见的凝胶成像仪可以分为紫外凝胶成像仪、荧光凝胶成像仪、化学发光凝胶成像仪和多功能凝胶成像仪。因此，为了更好地给广大用户提供凝胶成像仪设备更新选型参考，以及为厂商提供市场机会参考，小编对2021年1月1日到2023年12月31日凝胶成像仪中标标讯进行了整理分析。本次共统计了476条标讯，共涉及521台仪器，中标总金额约为7221.5万元。（本文数据来源于中国政府采购网，不包括非招标形式采购以及未公开采购项目，结果仅供定性参考）一、国产品牌市场占比领先在统计到的476条标讯中，含有品牌的有效标讯共有433条。其中共涉及到37个品牌，国产和进口品牌分别占比55%和45%，可见在激烈的市场竞争中，国产品牌略胜一筹。小编统计了近3年热门中标品牌前10名供大家参考。其中，美国伯乐摘得桂冠，占比26.2%；第2名是天能，占比14.9%；第3名是森西赛智，占比6.1%；第4名是博鹭腾，占比5.2%；第5名是勤翔，占比5%。除了上表列出的TOP10外，还有培清、百晶、法国Vilber、光仪、埃帕柯、英国Syngene、英国Uvitec、申花科技、道一、君意、美国LI-COR Biosciences、美国Azure Biosystems、思凡和莫纳等品牌参与市场。以下为热门中标型号TOP10排行榜。前3名均来自美国伯乐，第1名是GelDoc Go，第2名是ChemiDoc XRS+，第3名是ChemiDoc MP。第4名是六一的WD-9413B；第5名是天能的5200 Multi；第6名是博鹭腾的GelView 6000Plus；第7、8名分别是天能的MINI Space 1000和5200；第9名是森西赛智的ChampGel 6000和天能的MINI Space 2000。二、科研单位是购买“主力军”，占比近6成！从采购单位类型分布情况来看，科研单位的采购量占比最大，共占比57%。其中高校占比39%，科研院/所占比18%。医院的采购量占比第2，为24%；疾病预防控制中心的采购量占比第3，为6%；职业教育院校的采购量占比第4，为4%；食品药品检验中心的采购量占比第5，为3%。此外，还有政府、海关、血站、质检所和环境监测站等其他单位占少量采购份额。因此，科研单位是凝胶成像仪设备更新采购的“主力军”。三、紫外和多功能凝胶成像仪“人气”最高！从仪器细分类型分布情况来看，普通紫外凝胶成像仪最受欢迎，占比45%。与之旗鼓相当的是多功能凝胶成像仪，占比40%。化学发光凝胶成像仪占比第3，为13%，荧光凝胶成像仪占比第4，为2%。可见，目前紫外和多功能凝胶成像仪是市场主流。四、凝胶成像仪“畅销价”区间——5-10万从招标采购的凝胶成像仪价格区间来看，价格在5-10万的凝胶成像仪最多，占比为24%，符合大多数单位的招标预算。其次，与之占比相近的价格是小于等于5万，占比22%。10-15万的数量占比第3，为17%。15-20万的凝胶成像仪占比11%，25-30万占比7%，30-40万占比6%，20-25万和40-50分别占比5%。价格高于50万的凝胶成像仪占比最低，仅为3%。对标品牌和采购单位来看，价格高于30万的凝胶成像仪主要都是进口品牌，采购主体是少数高校和科研院/所。

激光干涉技术主要应用光波的空间相干特性。具体而言，对于两束光波或电磁波等横波，当波长相等、且相位差为2π整数倍时，合成波的振幅叠加增强至最大；当相位差为π奇数倍时，合成波的振幅抵消减小至最小。早在十九世纪下半叶，科学家们就已发明了多种原理干涉结构装置用于科学研究，其中最著名的是迈克尔逊-莫雷干涉试验，该实验采用钠光源平均谱线近似单色光进行干涉测量，从而否定了“以太”的假说。图1 迈克尔逊-莫雷干涉试验激光干涉仪的构成真正促进干涉技术巨大进步的契机是1960年激光器的发明。激光由于具有极窄的谱线，因而具有非常优秀的空间相干性。目前激光干涉仪主要的用途包括精准的尺寸和移动距离测量，测量准确度最高可以达到纳米甚至亚纳米量级。在构成上激光干涉仪最常使用的波长为632.8 nm，对于经典的迈克尔逊干涉测量原理，由激光器中出射的单色激光经过50:50半透半反的分束镜后分为2束光束，其中一束经过固定的光程后被反射镜反射，称为参考光束；另外一束光束由于存在被测对象，被反射镜反射后光程发生改变(距离或折射率变化引起)，称为测量光束。当两束光被反射后在分束镜第二次合成并随后照射探测器上被接收后，将产生干涉条纹的移动。由之前的光波的叠加性可知，假设测量光路距离变化为316.4 nm，当只存在一去程一回程的情况下，此时干涉条纹相位变化2π。目前商用激光干涉仪普遍采用两去程两回程，同时采用1024倍电子细分卡，因此分辨率可达0.16 nm。图2 激光干涉仪原理构造激光干涉仪的应用现状1. 在工业领域应用随着理论研究的深入和技术的不断进步，激光干涉测量技术目前精彩纷呈，在多个领域中都得到了非常广泛的应用。 包括单频激光干涉仪、双频激光干涉仪、激光平面干涉仪、法布里-珀罗干涉仪、皮米激光干涉仪、多波长干涉测距等。 单频和双频激光干涉仪。测量具有非接触和无损检测的特点，能够在线测量长度、角度和转速等参数，因此已成为各国精密数控机床在线定位精度测量的最主要标准之一。在精密加工过程中，位置精度是机床的重要指标，激光干涉仪通过在线位置测量、实时数据处理实现机床误差修正。另外在集成电路制造中，激光干涉仪也是光刻机在线位移测量的核心部件。图3 激光干涉仪在精密机床中的应用激光平面干涉仪。激光干涉仪不仅可以用于测量长度、角度以及位移，也可以测量物体的表面形貌。测量基本原理为激光菲索(Fizeau)干涉，激光经过扩束后先后经过参考平面和待测平面，两个平面的反射光发生干涉后产生干涉条纹，通过成像系统接收。分析条纹形状即可判断是否存在缺陷。图4 激光平面干涉仪皮米激光干涉仪。现在随着微纳测量分辨率要求的进一步提高，出现了商品化的皮米激光干涉仪。皮米激光干涉仪采用包覆光纤作为激光传输介质，有效减小了空气折射率扰动对测量的影响；同时在干涉方式上干涉仪采用法布里-珀罗(F-P)干涉仪原理，是一种多倍程干涉，进一步提高了分辨率。 图5 皮米激光干涉仪多波长干涉绝对测距。采用单波长干涉测距虽然分辨率可达到纳米级，但是单波长干涉测距是相对测量，且测量时光路不能中断，而多波长干涉能很好解决这个问题。因为在干涉测距中波长就像一把量尺，但如果测量距离大于这把量尺，则需要多次拼接测量。多波长干涉能形成很长的等效波长，使量尺范围大于被测距离，实现绝对距离测量。图6 多波长干涉绝对测距光相控阵雷达。随着自动驾驶技术的高速发展，现在激光干涉技术也应用在光相控阵(OPA)激光雷达(LiDAR)中。激光雷达会产生一系列密集超短激光脉冲扫描周围物体，通过脉冲返回时长差判断距离和轮廓。光相控阵雷达利用光栅干涉原理，可以通过改变不同狭缝中入射光线的相位差来改变光栅后中央条纹(主瓣)位置，从而控制激光雷达光束的指向和转向。 图7 激光干涉技术在光相控阵雷达中的应用2. 在科学研究方面应用激光干涉引力波天文台(LIGO)。LIGO用于验证广义相对论预言的引力场扰动产生的时空扭曲。它本质上是一个超大型迈克尔逊干涉仪，由2条4千米长的互相垂直的臂构成，同时光线还会在臂内折返300次。当引力波会产生空间弯曲，干涉结果也会轻微变化。2017年美国科学家借助LIGO观测到双中子星合并引力波事件并获得了诺贝尔物理学奖。图8 激光干涉引力波天文台(LIGO)激光全息干涉测量技术。利用非共面多光束干涉可以在空间形成二维或三维周期性强度分布，从而被用来制作二维或三维光子晶体；利用全息干涉技术可用于位移及形变测量、应变与应力分析、缺陷或损伤探测、振动模式可视化及测量、晶体和蛋白质生长过程监测、流体中密度场和热对流场的观察与测量。图9 激光全息干涉测量技术作者：中国计量科学研究院副研究员 李琪

1.IDS3010激光干涉仪在自动驾驶高分辨调频连续波（FMCW）雷达中的应用自动驾驶是目前汽车工业为前沿和火热的研究，其中可靠和高分辨率的距离测量雷达的开发是尤为重要的。德国弗劳恩霍夫高频物理和雷达技术研究所（Wachtberg，D）Nils Pohl教授和波鸿鲁尔大学（Bochum，D）的研究小组提出了一种全集成硅锗基调频连续波雷达传感器（FMCW），工作频率为224 GHz，调谐频率为52 GHz。通过使用德国attocube公司的皮米精度激光干涉仪FPS1010（新版本为IDS3010），该雷达测量系统在-3.9 um至+2.8 um之间实现了-0.5-0.4 um的超高精度。这种新型的高精度雷达传感器将会应用于许多全新的汽车自动驾驶领域。更多信息请了解:S. Thomas, et al IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques 67, 11, (2019)图1.1 紧凑型FMCW传感器的照片图1.2 雷达测距示意图，左边为雷达，右边为移目标，attocube激光干涉仪用来标定测量结果 2. IDS3010激光干涉仪在半导体晶圆加工无轴承转台形变测量上的应用半导体光刻系统中的晶圆轻量化移动结构的变形阻碍了高通吐量的半导体制造过程。为了补偿这些变形，需要的测量由光压产生的形变。来自理工大学荷兰Eindhoven University of Technology 的科学家设计了一种基于德国attocube干涉仪IDS3010的测量结构，以此来详细地研究由光压导致的形变特性。图2.1所示为测量装置示意图，测量装置是由5 x 5 共计25个M12/F40激光探头组成的网格，用于监测纳米的无轴承平面电机内部的移动器变形。实验目的是通过对无轴承平面的力分布进行适当的补偿，从而有效控制转台的变形。实验测得大形变量为544 nm，小形变量为110 nm（如图2.2所示）。更多信息请了解:Measuring the Deformation of a Magnetically Levitated Plate displacement sensor图2.1 左侧为5X5排列探头测量装置示意图，右图为实物图图2.2 无轴承磁悬浮机台形变量的测量结果，大形变量为544 nm 3.IDS3010在提高X射线成像分辨率中的应用在硬X射线成像中，每个探针平均扫描时间的减少对于由束流造成的损伤是至关重要的。同时，系统的振动或漂移会严重影响系统的实时分辨率。而在结晶学等光学实验中，扫描时间主要取决于装置的稳定性。attocube公司的皮米精度干涉仪FPS3010（升后的型号为IDS3010），被用于测量及优化由多层波带片（MZP）和基于MZP的压电样品扫描仪组成的实验装置的稳定性。实验是在德国DESY Photon Science中心佩特拉III期同步加速器的P10光束线站上进行的。attocube公司的激光干涉仪PFS3010用来检测样品校准电机引起的振动和冲击产生的串扰。基于这些测量，装置的成像分辨率被提高到了±10 nm。更多信息请了解:Markus Osterhoff, et at. Proceedings Volume 10389, X-Ray Nanoimaging: Instruments and Methods III 103890T (2017)图3.1 实验得到的系统分辨率结果 4.IDS3010激光干涉仪在微小振动分析中的应用电荷化理论能够描述中性玻色子系统的布洛赫能带，它预言二维量子化的四缘体具有带隙、拓扑的一维边缘模式。全球研究机构苏黎世邦理工大学的Sebastian Huber教授课题组巧妙地利用一种机械超材料结构来模拟二维的拓扑缘体，次在实验上观测到了声子四拓扑缘体。这一具有重要意义的结果时间被刊登在Nature上（doi:10.1038/nature25156）。研究人员通过测试一种机械超材料的体、边缘和拐角的物理属性，发现了理论预言的带隙边缘和隙内拐角态。这为实验实现高维度的拓扑超材料奠定了重要基石。德国attocube公司的激光干涉仪IDS3010被用于超声-空气转换器激励后的机械超材料振动分析。IDS3010能到探测到机械超材料不同位置的微小振动，以识别共振频率。终实现了11.2 pm的系统误差，为声子四拓扑缘体的实验分析提供了有力的支持。更多信息请了解：Marc Serra-Garcia, et al. Nature volume 555, pages 342–345 (2018)图4.1 实验中对对机械超材料微小振动的频率分析5. IDS3010激光干涉仪在快速机床校准中的应用德国亚琛工业大学（Rwth Aachen University，被誉为“欧洲的麻省理工”）机床与生产工程实验室（WZL）生产计量与质量管理主任的研究人员利用IDS3010让机床自动校准成为可能，这又将大的提高机床的加工精度和加工效率。研究人员通过将IDS3010皮米精度激光干涉仪和其他传感器集成到机床中，实现对机床的自动在线测量。这使得耗时且需要中断生产过程的安装和卸载校准设备变得多余。研究人员建立了一个单轴装置的原型，利用IDS3010进行位置跟踪。其他传感器如CMOS相机被用来检测俯仰和偏摆。校准结果与常规校准系统的结果进行了比较，六个运动误差（位置、俯仰、偏摆、Y-直线度、Z-直线度）对这两个系统显示出良好的一致性。值得指出的是，使用IDS3010的总时间和成本显著降低。该装置演示了自动校准机床的个原型，而且自动程序减少了机器停机时间，从而在保持相同的精度水平下大的提高了生产率。更多信息请了解：Benjamin Montavon et al J. Manuf. Mater. Process. 2(1), 14 (2018)图5.1 自动校准激光探头安装示意图6.IDS3010激光干涉仪在工业C-T断层扫描设备中的应用工业C-T断层扫描被广泛用于材料测试和工件尺寸表征。几何测量系统是设计的锥束C-T系统的一大挑战。近期，瑞士联邦计量院（METAS）的科学家采用德国attocube公司的IDS3010皮米精度激光干涉仪用于X射线源、样品和探测器之间的精密位移跟踪。该实验共有八个轴用于位移跟踪。除了测量位移之外，该实验装置还能够进行样品台的角度误差分析。终实现非线性度小于0.1 um，锥束稳定性在一小时内优于10 ppb的高精度工业C-T。更多信息请了解:Benjamin A. Bircher, Felix Meli, Alain Küng, Rudolf Thalmann: "A geometry measurement system for a dimensional cone beam CT", 8th Conference on Industrial Computed Tomography (iCT 2018), At Wels, AU6.1激光干涉仪在系统中的测量定位示意图7.IDS3010激光干涉仪在增材制造3D打印中的应用微尺度选择性激光烧结（u-SLS）是制造集成电路封装构件（如微控制器）的一种创新方法。在大多数的增材制造中需要微米量的精度控制，然而集成电路封装的生产尺寸只有几微米，并且需要比传统的增材制造方法有更小的公差。德克萨斯大学和NXP半导体公司开发了一种基于u-SLS技术的新型3D打印机，用于制造集成电路封装。该系统包括用于在烧结站和槽模涂布台之间传送工件的空气轴承线性导轨。为满足导轨对定位精度高的要求，该系统采用德国attocube公司的皮米精度干涉仪IDS3010来进行位置的跟踪。更多信息请了解：Nilabh K. Roy, Chee S. Foong, Michael A. Cullinan: "Design of a Micro-scale Selective Laser Sintering System", 27th Annual International Solid Freeform Fabrication Symposium, At Austin, Texas, USA 7.1系统示意图，其中激光干涉仪被用作位移的测量和反馈8. IDS3010激光干涉仪在扫描荧光X射线显微镜中的应用在搭建具有纳米分辨率的X射线显微镜时，对系统稳定性提出了更高的要求。在整个实验过程中，必须确保各个组件以及组件之间的热稳定性和机械稳定性。德国attocube的IDS3010激光干涉仪具有优异的稳定性和测量亚纳米位移的能力，在40小时内表现出优于1.25 nm的稳定性，并且在100赫兹带宽的受控环境中具有优于300 pm的分辨率。因此，IDS3010是对上述X射线显微镜装置的所有部件进行机械控制的不二选择，使得整个X射线显微镜实现了40 nm的分辨率，而在数据收集所需的整个时间内系统稳定性优于45 nm。更多信息请了解：Characterizing a scanning fluorescence X ray microscope made with the displacement sensor 8.1荧光X射线显微镜的高分辨成像结果

西澳大利亚大学研究人员利用基于MEMS的固定腔法布里-珀罗（F-P）干涉仪实现了在长波红外（LWIR）波段的光学遥控成像和传感，并完成了该光谱系统的轻型化和便携式。F-P干涉仪基于锗 (Ge) 氟化钡 (BaF2) 薄膜分布式布拉格反射器。研究人员之所以选择BaF2，是因为它在LWIR波长范围内表现出低折射率并可提供高折射率对比度，有利于提高器件的性能。该干涉仪具有与薄膜、表面微加工 MEMS兼容的架构。当与单点红外探测器或焦平面成像阵列结合使用时，可用于开发轻便的便携式光谱仪。据研究人员称，这是首次实现将低指数的BaF 2薄膜与的高指数Ge薄膜相结合来构建干涉仪。该团队使用三层Ge/BaF2/Ge光学薄膜结构构建了扁平、独立的分布式布拉格反射器。在10到20nm范围内，跨越数百微米的空间尺寸，独立结构实现了峰间平坦度。实验表明，所制备的F-P干涉仪线宽约为110nm，峰值透过率约为50%，满足可调谐、基于MEMS的LWIR光谱传感和成像这些需要窄线宽的光谱分辨应用的要求。研究人员对固定气腔滤光片进行了表征，并将测量的光学性能与建模结果和先前研究的结果进行了比较。在考虑到制造缺陷对分布式布拉格反射器的影响后，他们发现F-P干涉仪的测量光学特性与模拟的光学响应非常吻合。Mariusz Martyniuk教授表示：“这些微型化的片上、轻型和小尺寸设备被视为未来用于简单和低成本的微型光谱远程系统的解决方案，而面向热红外发射波段，轻量化、小尺寸和低功率等需求均至关重要。”该研究以“Large-area narrowband Fabry–Pérot interferometers for long-wavelength infrared spectral sensing”为题发表于 Journal of Optical Microsystems 。

近日，清华大学深圳国际研究生院李星辉团队与国防科技大学团队合作提出了一种基于反射型二维光栅的外差式三自由光栅干涉仪。团队自主设计具有高光敏度、高频差和高信噪比的双频激光系统，基于二维反射型光栅和采用创新的共光路设计，搭建三自由度位移测量系统，设计并优化外差信号相位检测算法，最终实现了亚纳米的测量分辨率和重复定位精度。这项工作将有效推动多自由度光栅精密定位技术的发展。多自由度精密定位技术在纳米计量、显微成像、精密机床、半导体制造等领域具有重要地位。以半导体制造为例，光刻机是半导体行业的“掌上明珠”，在先进制程的光刻机中，晶圆台需要亚纳米位移测量精度的六自由度超精密定位技术。当前光刻机常用激光干涉仪和光栅干涉仪对晶圆台进行多自由度超精密定位，然而激光干涉仪由于暴露在环境中的光路长、难以实现单测量点多自由度测量等限制，会引入环境噪声和阿贝误差，而以光栅栅距为测量基准的光栅干涉仪正成为光刻机晶圆台超精密定位的主流方法。（a）光刻机晶圆台中“四读数头—四光栅”的六自由度测量系统；（b）外差式三自由度光栅干涉仪基本原理针对光刻机等先进装备中的超精密定位需求，团队提出了一种新型的基于外差干涉原理的三自由度光栅干涉仪，可以实现亚纳米的测量分辨率和重复测量精度，并通过 “四读数头—四光栅”的晶圆台测量系统可以实现六自由度位移/角位移测量。该外差光栅干涉仪使用一束双频激光，通过二维反射型光栅的四束衍射光产生外差干涉，实现光栅在X/Y方向上的位移测量，通过光栅反射光与固定反射镜反射光产生外差干涉，实现光栅在Z方向上的位移测量，从而完成光栅ΔX、ΔY、ΔZ三自由位移测量。该方案创新地采用了二维反射型光栅，利于光路系统读数头的集成化和小型化，在未来应用中，可以将读数头和光栅分别安装于固定部件和运动部件上，来检测运动部件的位移，其相对于基于透射型光栅的测量方法具有更广的适用性。此外，研究团队提出并采用了自主设计的双频激光系统，相比于传统的基于塞曼效应的商用双频激光器，具备更大更稳定的频差，以及更强的激光功率，可以实现更高的光源稳定性和信噪比以及更大的外差频率，有利于提升系统的整体精度和测量速度。最终实验结果显示，该系统具备0.5 nm的分辨率，0.6 nm的重复定位精度和2.5×10-5的测量线性度。该研究提出的外差式三自由度光栅干涉测量方法有利于多自由度超精密定位技术的发展，同时对先进装备和精密仪器的发展具有指导意义，尤其是需要多轴超精密定位的纳米科学和技术。 （a）自主设计的双频激光系统；（b）外差式三自由度光栅干涉仪测量系统 （a）三轴分辨率测试结果；（b）三轴在10 nm和40 nm处的重复定位精度测试结果相关成果以“三自由度亚纳米测量反射型外差光栅干涉仪”（A Reflective-Type Heterodyne Grating Interferometer for Three-Degree-of-Freedom Subnanometer Measurement）为题，在线发表在仪器仪表领域期刊《IEEE仪器与测量汇刊》（IEEE Transactions on Instrumentation & Measurement）上。论文第一作者为清华大学深圳国际研究生院2020级硕士生朱俊豪，清华大学深圳国际研究生院李星辉副教授为通讯作者，国防科技大学为共同通讯作者单位。该研究工作得到了广东省基础与应用基础研究基金、国家自然科学基金、清华大学科研启动基金、湖南省自然科学基金、中国博士后科学基金等项目的支持。论文链接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9913946/

光电界面携能载流子的时空演化与能源、催化和传感等领域紧密相关，是近年来物理、化学和材料等领域的研究热点之一。载流子的迁移、分布和弛豫是影响材料功能的关键之所在，因此，利用高时空分辨成像技术观测载流子时空演化对于新型材料基础研究和应用均具有重大意义。然而，极微弱载流子信号的测量是学界公认的难题。总体而言，国内外尚无成熟的仪器装置能够有效实现瞬态信号放大，直接"看见"少量载流子仍是巨大的挑战。近日，南京大学化学化工学院生命分析化学国家重点实验室康斌/徐静娟团队结合飞秒泵浦-探测技术和干涉散射显微术，研制成国际上首台飞秒干涉散射显微镜（Femto-iSCAT），并成功获得发明专利授权（专利号：202110510123.X）。该仪器作为一个通用测量平台，实现了超灵敏、高通量观测各种材料中的载流子迁移、分布和弛豫动力学。通过干涉放大效应和空间光场调制，瞬态图像对比度相比于传统方法提升了2个数量级以上，可探测极微弱载流子信号，从而有利于揭示超导材料、二维材料及新型光电材料中的稀奇科学现象。飞秒干涉散射成像原理随后作者展示了Femto-iSCAT的一系列极具挑战的应用场景，包括常用光电器件如金属薄膜、硅基半导体和钙钛矿太阳能电池中的界面载流子/热扩散迁移，单个等离激元微纳颗粒中的不均匀热电子分布和弛豫，以及二维材料中的载流子/激子在边缘态的独特动力学。Femto-iSCAT相比于传统瞬态显微镜，极大拓展了材料的适用范围，以极高灵敏度和检测通量实现了载流子时空演化的多功能成像，助力界面能量和载流子转移等超快过程的研究。该工作以"Decrypting Material Performance by Wide-field Femtosecond Interferometric Imaging of Energy Carrier Evolution"为题，于2022年7月22日发表在Journal of the American Chemical Society（美国化学会志）。博士生吕品田为该论文第一作者，康斌副教授和徐静娟教授为论文通讯作者，陈洪渊院士对该工作的研究思想做出了重要指导。该工作得到了国家自然科学基金、南京大学卓越研究计划、南京大学生命分析化学国家重点实验室自主研究课题等资助。文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c05735

全息术是一种能够对光波前进行记录和重建的技术，自从 1948 年匈牙利-英国物理学家 Dennis Gabor 发明全息术以来，该技术不仅得到了显微学家，工程师，物理学家甚至艺术家等各领域的广泛关注，还使他获得了 1971 年的诺贝尔物理学奖。干涉术作为光学中另一个主要研究领域，是利用光波的叠加干涉来提取信息，其原理与全息术都是用整体的强度信息来记录光波的振幅和相位，虽然记录的方法有很大不同，但随着 20 世纪 90 年代，高采样密度的电子相机的出现，可用来记录数字全息图，则进一步增强了二者的联系。近日，针对全息术对表面形貌的干涉测量的发展的推动作用，来自美国 Zygo Corporation 的 Peter J. de Groot、 Leslie L. Deck，中国科学院上海光机所的 苏榕 以及德国斯图加特大学的 Wolfgang Osten 联合在 Light: Advanced Manufacturing 上发表了综述文章，题为“Contributions of holography to the advancement of interferometric measurements of surface topography”。本文回顾了包括相移干涉测量，载波条纹干涉，相干降噪，数字全息的斐索干涉仪，计算机生成全息图，震动、变形和粗糙表面形貌和使用三维传输方程的光学建模七个方面，从数据采集到三维成像的基本理论，说明了全息术和干涉测量的协同发展，这两个领域呈现出共同增强和改进的趋势。图1 全息术的两步过程图2 干涉术的两步过程相移干涉测量术 因为记录的光场的复振幅被锁定在强度图样中的共同基本原理，全息术和干涉测量术捕获波前信息也是一个常见的困难，用于表面形貌测量的现代干涉仪中，常用相移干涉测量术（PSI）来解决这个问题，PSI 的思路是通过记录除了它们之间的相移之外几乎相同的多个干涉图，以获取足够的信息来提取被测物体光的相位和强度。Dennis Gabor 早在 1950 年代搭建的全息干涉显微镜使用偏振光学隔离所需的波前，引入除相移外两个完全相同的全息图。如图3所示，Gabor 的正交显微镜使用了一个特殊的棱镜，在反射光和透射光之间引入了 π/2 的相移。因此，可以说，用于表面测量的 PSI 首先出现在全息术中，然后独立出现在干涉测量术中。PSI 现在被广泛用于光学测试和干涉显微镜，虽然许多因素促成了其发展，但其基本思想可以追溯到使用多个相移全息图进行波前合成的最早工作。图3 Gabor正交显微镜简化示意图载波条纹干涉测量术 通过使用角度足够大的参考波来分离 Gabor 全息图中的重叠图像，从而使全息图形成的重建真实图像和共轭图像在远场中变得可分离，是全息术的重大突破之一， 到 1970 年代，人们意识到传播波阵面的远场分离等价物可以在没有全息重建的情况下模拟干涉测量。这一概念在 1982 年武田 (Takeda) 的开创性工作中广受欢迎，他描述了用于结构光和表面形貌的干涉测量的载波条纹方法。载波条纹干涉测量术的基本原理源自通信理论和 Lohmann 对全息重建过程的傅里叶分析。到 2000 年代，计算机和相机技术已经足够先进，可以使用高横向分辨率的二维数字傅里叶变换进行实时数据处理，赋予了载波条纹干涉技术的新的生命。图4 从干涉图到最后的表面形貌地图的过程此外，在菲索干涉仪中，参考波和物体表面的相对倾斜会导致相机处出现密集的干涉条纹。如果仪器在离轴操作时，具有可控制或可补偿的像差，所以只需要对激光菲索系统的光机械硬件进行少量更改，就可以实现这种全息数据采集。因此，载波条纹干涉仪通常是提供机械相移的系统的选择。相干降噪 虽然可见光波段激光器的发明给全息术带来重要进展，然而，在全息术和干涉测量术中不使用激光的主要原因是，散斑效应和来自尘埃颗粒和额外的反射而产生的相干噪声。通过仔细清理光学表面只能很小部分的噪声，而围绕系统的光轴连续地旋转整个光源单元就可以解决这个问题。如果曝光时间很长，这种运动会增强所需的静态图样，同时平均化掉大部分相干噪声。常用的实现平均化的方式包括围绕光轴旋转光学元件、沿着照明光移动漫射器、用旋转元件改变照明光的入射方向，或在傅里叶平面中移动不同的掩模成像系统。激光在 1960 年代开始出现在不等路径光学装置中，最初为全息术开发以减少相干噪声的平均方法，被证明也可有效改善干涉测量的结果。图5中，是 Close 在 1972 年提出的一种基于脉冲红宝石激光器的便携式全息显微镜。显微镜记录了四个全息图，每个全息图都有一个独立的散斑图案，对应于棱镜的旋转位置，由全息图形成的四个图像不相干叠加以减少相干噪声和散斑粒度。图5 使用旋转楔形棱镜的相干降噪系统数字全息菲索干涉仪 Gabor 的背景和研究兴趣使他将全息术视为一种具有大景深的新型显微成像技术，使显微镜学家可以任意地检查图像的不同平面。记录后重新聚焦图像的能力仍然是全息术的决定性特征之一，使我们无需仔细地将物体成像到胶片或探测器上。它还可以记录测量体积，能够清晰地成像三维数据的横截面。而数字全息术使这种能力变得更具吸引力，其重新聚焦完全在计算机内实现。虽然数字重聚焦在数字全息显微镜中很常见，但它通常不被认为是表面形貌干涉测量的特征或能力。尽管如此，从前面对该方法的数学描述来看，在采集后以相同的方式重新聚焦常规干涉测量数据是完全可行的。随着数据密度的增加，人们对校正聚焦误差以保持干涉测量中的高横向分辨率感兴趣。图6 激光菲索干涉仪的聚焦机理与全息系统不同，传统干涉仪的布置方式是在数据采集之前将物体表面精确地聚焦到相机上。图 6 说明了一种简化的聚焦机制。聚焦通常是手动过程，涉及图像清晰度的主观确定。由于光学表面通常在设计上没有特征，因此常见的过程包括将直尺放置在尽可能靠近调整表面的位置并调整焦距，直到直尺看起来最锋利。繁琐的设置和人为错误的结合使得我们可以合理地断言，今天很少有干涉仪能够充分发挥其潜力，仅仅是因为聚焦错误。数字重新聚焦提供了使用软件解决此问题的机会。计算机产生全息图 早在 1960 年代后期，学者们就已经对波带片与计算机生成全息图 (CGH) 之间的类比有了很好的理解，这是因为在开发新的基于激光的不等径干涉仪来测试光学元件的表面形状的应用时，需要对具有非球面形状的透镜和反射镜进行精确测试。图7 计算的菲涅尔波带片图样和牛顿环（等效于单独的虚拟点光源产生的Gabor全息图）然而，干涉仪作为最好的空检测器，在比较形状几乎相同的物体和参考波前时能提供最高的精度和准确度，虽然有许多巧妙的方法可以使用反射和折射光学器件对特定种类的非球面进行空测试，但 CGH 可通过简单地改变不透明和透明区域的分布来显着增加解空间。CGH 空校正器的最吸引人的特点是波前构造的准确性在很大程度上取决于衍射区的平面内位置，而不是表面高度。因此，无需费力地将非球面参考表面抛光至纳米精度，而是可以在更宽松的尺度上从精密参考波来合成反射波前。图8 使用激光菲索干涉仪和计算机产生的全息图测试非球形表面的光学装置振动、变形和粗糙表面形貌 全息干涉测量术是全息术对干涉测量术最明显的贡献，从技术名称中就可以看出。这项发现的广泛应用引起了计量学家高度关注，包括用于通过全息术定量分析三维漫射物体的应力、应变、变形和整体轮廓的方法。全息干涉测量术的发现对干涉测量术的能力和可解释性产生了深远的影响，为了辨别这些联系，首先考虑在同一全息图的两次全息曝光中，倾斜一个平面物体。两个物体方向的强度图样的不相干叠加，调制了全息图中条纹的对比度，而当这个双曝光全息图用参考波重新照射，以合成来自物体的原始波前时，结果也是条纹图样。因此，我们看到传播波前的全息再现，可用于解调双曝光全息图中存在的非相干叠加的干涉图案，将对比度的变化转换为表示两次曝光之间差异的干涉条纹。由于全息图中这些叠加的图案相互不相干，它们可以在不同的时间、全息系统的组成部分的不同位置、甚至不同的波长等条件下生成，因此，该技术的应用范围十分广泛。图9 模拟平面的双曝光全息使用三维传输方程的光学建模 使用物体表面的二维复表示，对本质上是三维问题的传统建模，是假设所有表面点可以同时沿传播方向处于相同焦点位置。因此，这种二维近似的限制是表面高度变化相对于成像系统的景深必须很小。全息术影响了三维衍射理论的发展，进一步影响了干涉显微镜的评估和性能提升。光学仪器的许多特性可以使用传统的阿贝理论和傅里叶光学建模来理解，包括成像系统的空间带宽滤波特性。干涉仪的傅立叶光学模型的第一步，是将表面形貌的表示简化为限制在垂直于光轴的平面内的相位分布。但对于使用干涉测量术的表面形貌测量，这并不是一个具有挑战性的限制，因为普通的菲索干涉仪的景深大约为几毫米，表面高度测量范围可能为几十微米。因此，在高倍显微镜中采用三维方法的速度更快，特别是对于共聚焦显微镜，在高数值孔径下，表面形貌特征不能都在相对于景深的相同的焦点。然而，二维傅里叶光学的近似对于干涉显微镜来说是不够精确的，因为在高放大倍率下，仅几微米的高度变化，就会影响干涉条纹的清晰度和对比度。基于 Kirchhoff 近似推导出了 CSI 的三维图像形成和有效传递函数，其中均匀介质的表面可表示为连续的单层散射点。这种方法已被证明具有重要的实用价值，不仅可以用于理解测量误差的起源，是斜率、曲率和焦点的函数，还可以用于校正像差。本文总结 基于激光的全息术的出现带来了一系列快速的创新，这些创新从全息术发展到干涉测量术。虽然文中提到的七个方面无法完全概括全息术的贡献，但一个明显的趋势是全息术对用于表面形貌测量的干涉测量技术的影响正在不断增加， 这最终可能会导致全息术与通常不被认为是全息术的技术相融合，而应用光学计量的这种演变必将带来全新的解决方案。论文信息 de Groot et al. Light: Advanced Manufacturing (2022)3:7https://doi.org/10.37188/lam.2022.007本文撰稿： 刘子维（英国剑桥大学，博士后）

随着医学和生命科学领域的快速发展，动物模型在研究人类生命奥秘中扮演着至关重要的角色。1999年，分子影像学的概念应运而生，它通过影像学方法使得活体动物体内成像成为可能。这一技术的出现极大地推动了生命科学研究的进步，尤其是在特异性细胞研究、靶细胞追踪、药物和基因治疗优化等方面。活体成像技术是一系列用于观察活体动物体内过程的非侵入性技术。这些技术包括光学成像、核素成像（PET、SPECT）、磁共振成像（MRI）、CT成像、超声成像以及磁粒子成像（MPI）。它们各自具有独特的优势，通常不是相互竞争，而是互补共存，共同为生命科学研究提供支持。光学成像技术光学成像技术是小动物活体成像系统中应用最为广泛的一种技术。它利用生物发光和荧光原理，通过特定的成像设备捕捉活体动物体内发出的光信号，从而实现对细胞、分子和组织等生物过程的实时、动态监测。光学成像技术具有操作简便、结果直观、测量快速、同时可检测多个动物费用低廉等优点，因此受到生命科学、医学研究等各领域研究者的广泛关注和应用。基于此，本文聚焦以光学成像技术为核心的小动物活体成像仪，通过对2023年中国小动物活体成像仪（单价大于100万元）市场销售情况的调研统计，并以重大科研设施与仪器国家网络管理平台（以下简称“重大平台”）所收录的超过12万台重大仪器设备（货值大于100万元）为数据基础，对当前中国小动物活体成像仪的销售及使用情况进行简要分析。一、2023年中国小动物活体成像仪市场销售情况分析 根据仪器信息网调研统计，2023年中国小动物活体成像仪市场销售额约为5.6亿元，其中约90%为近红外一区小动物活体成像仪，10%为近红外二区小动物活体成像仪。瑞孚迪Revvity以69.5%的市场份额，毫无争议地成为了市场的领头羊。2023年中国小动物活体成像仪主要品牌销售额市场分布数据来源：信立方科学仪器产业大数据、仪器信息网，2024年6月 从销售额分布来看，2023年中国小动物活体成像仪市场占比最高的是瑞孚迪Revvity，以69.5%的市场占比高居榜首之位。其他品牌均在10%以内，博鹭腾、德国伯托、上海恒光智影、北京DPM、和法国Vilber等，其市场占比分别约为9%、3.6%、2.9%、2.7%和2.5%。自2011年收购专注于生命科学研究、成像和检测服务的Caliper Life Sciences公司以来，瑞孚迪Revvity已经成为全球小动物成像领域最大的供应商，除了整机产品之外，还提供种类丰富的生物发光细胞株、细菌、生物发光底物及丰富的活体荧光成像试剂。据报道，瑞孚迪Revvity IVIS系列高端小动物活体光学成像系统在国内装机量已经超过1000台，在生命科学研究领域中扮演着重要的角色。二、重大平台小动物活体成像仪使用情况分析重大平台小动物活体成像仪单位类型分布数据来源：信立方科学仪器产业大数据、仪器信息网，2024年6月据仪器信息网统计，重大平台收录登记的小动物活体成像仪共398台，小动物活体成像仪使用单位主要以大专院校和科研院所为主，两者合计约占9成。进一步分析发现，大专院校用户单位中，双一流大学占据较大比例，约占2/3。科研院所用户单位则主要以医学研究所、药物研究所、动物研究所、肿瘤研究所等为主。除了大专院校和科研院所用户单位之外，以疾控、医院等为代表的卫生系统用户单位也占据了一部分比例，所占比例约为6%。小动物活体成像仪重大平台用户省份分布数据来源：信立方科学仪器产业大数据、仪器信息网，2024年6月 重大平台数据分析表明，小动物活体成像仪用户分布涉及29个省份/直辖市/自治区，主要分布在江苏、北京、广东、浙江、上海、河南等地区。由此可见仪器资源依然集中分布在高等教育强省，存在资源分布不均的问题。重大平台小动物活体成像仪品牌分布数据来源：信立方科学仪器产业大数据、仪器信息网，2024年6月重大平台数据分析表明，目前国内用户登记使用的小动物活体成像仪主要以进口品牌为主，其中瑞孚迪Revvity以68%的占比排在首位，遥遥领先其他品牌，其次是美国Carestream（原Kodak），所占比例约为8%。德国伯托和布鲁克也占据了一定的比例，分别约为6%和5%。除了以上品牌之外，其他品牌所占比例不超过1%。由此可见，瑞孚迪Revvtiy深受高校、科研院所等用户的欢迎。重大平台江苏地区小动物活体成像仪品牌分布数据来源：信立方科学仪器产业大数据、仪器信息网，2024年6月 从江苏地区重大平台小动物活体成像仪品牌分布来看，整体趋势与全国重大平台品牌分布相似，瑞孚迪Revvity在江苏地区有着绝对的竞争优势，所占比例高达83%，这不仅证明了其产品的卓越性能，也反映了市场对其品牌的深厚信任。

随着2000亿贴息贷款东风吹向全国各所高校单位，瞬间点燃了第四季度高校科学仪器市场。据统计，11月全国高校仪器采购热潮中共有48项动物活体成像仪采购意向，涉及清华、复旦、同济等18所高校，累计预算金额超过1.72亿元。复旦大学以采购总预算4310万元位居榜首，意向采购数量高达10台（套）。紧随其后的是同济大学，采购总预算3420万元，拟采购数量为7台（套）。清华大学排名第三，采购总预算1463万元，拟采购数量为5台（套）。18所高校意向采购动物活体成像仪项目详情如下：序号项目名称采购单位预计采购时间采购需求概况预算金额(万元)1高分辨率X射线活体显微断层成像系统复旦大学2022-12意向原文3502活体动物体成分定量检测仪复旦大学2022-12意向原文1603近红外II区活体荧光成像复旦大学2022-12意向原文2204红外自适应光学活体成像系统复旦大学2022-12意向原文6805高分辨率X射线活体显微断层扫描成像系统复旦大学2022-12意向原文4006活体小动物全脑成像系统复旦大学2022-12意向原文6507活体鼠脑深穿透高分辨钙成像多光子系统光源复旦大学2022-12意向原文2008高通量小动物活体成像与分析仪复旦大学2022-12意向原文3209活体成像共聚焦双光子显微镜复旦大学2022-12意向原文68010小动物活体三维多模式成像系统采购复旦大学2022-12意向原文650合计431011小动物活体Micro-CT成像系统同济大学2022-12意向原文30012小动物活体三维多模式成像系统同济大学2022-12意向原文65013小动物活体Micro-CT成像系统同济大学2022-12意向原文42014小动物活体三维多模式成像系统同济大学2022-12意向原文65015小动物活体三维多模式成像系统同济大学2022-12意向原文65016小动物活体三维活体成像系统同济大学2022-12意向原文40017小动物活体Micro-CT成像系统同济大学2022-12意向原文350合计342018高分辨X射线活体显微断层成像系统清华大学2022-12意向原文30019高速高分辨率三维活体显微系统清华大学2022-12意向原文35020头戴式单光子结合光遗传微型显微成像系统（小鼠活体钙成像2）清华大学2022-12意向原文11021头戴式小鼠活体钙成像（小鼠活体钙成像1）清华大学2022-12意向原文20722活体三位多模式功能结构二合一影像系统清华大学2022-12意向原文496合计146323全光谱激光活体成像系统华东师范大学2022-11意向原文23024小动物活体成像系统华东师范大学2022-11意向原文39025小动物活体成像设备华东师范大学2022-11意向原文50026高通量活体动物荧光筛选系统华东师范大学2022-11意向原文139合计125927小动物活体成像浙江大学2022-12意向原文17028小动物活体三维多模式成像系统浙江大学2022-12意向原文68029小动物活体成像仪浙江大学2022-12意向原文16230活体成像仪浙江大学2022-12意向原文160合计117231三维活体成像仪大连理工大学2022-11意向原文42532小动物活体Micro-CT成像仪大连理工大学2022-11意向原文365合计79033TX-小动物活体原位细胞动态分析成像系统华中科技大学2022-12意向原文49034TX-小动物活体光学（1区+2区）成像系统华中科技大学2022-12意向原文280合计77035生命医学实验平台--近红外二区小动物活体荧光成像系统东北大学2022-11意向原文16036生命医学实验平台--小动物活体micro CT成像系统东北大学2022-11意向原文549合计70937小动物活体成像系统湖南大学2022-12意向原文15038小动物高分辨率活体超声成像系统湖南大学2022-12意向原文450合计60039小动物活体光学成像系统东华大学2022-12意向原文19040近红外二区小动物活体成像系统东华大学2022-12意向原文160合计35041活体原位动态分析成像系统上海交通大学2022-12意向原文72042高分辨X射线活体显微断层成像系统东南大学2022-12意向原文38043小动物活体光学成像系统北京大学2022-12意向原文37544小动物活体Micro CT成像仪四川大学2022-12意向原文34545小动物活体光学成像系统天津大学2022-11意向原文16046近红外二区荧光活体成像系统北京理工大学2022-12意向原文15047小动物活体成像厦门大学2022-12意向原文15048小动物活体成像吉林大学2022-12意向原文120共计17243附：10月高校采购意向汇总：70台套动物活体成像系统，总金额超4亿元(点击查看)为帮助大家及时了解国内高校科学仪器市场需求，仪器信息网特别开设#高校仪器采购品类盘点 话题，汇总了各所高校重点仪器品类采购最新动态。点击图片，带走商机！

超精密高速激光干涉位移测量技术与仪器 杨宏兴 1，2，付海金 1，2，胡鹏程 1，2*，杨睿韬 1，2，邢旭 1，2，于亮 1，2，常笛 1，2，谭久彬 1，2 1 哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所，黑龙江 哈尔滨 150080； 2 哈尔滨工业大学超精密仪器技术及智能化工业和信息化部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080 摘要 针对微电子光刻机等高端装备中提出的超精密、高速位移测量需求，哈尔滨工业大学深入探索了传统的共 光路外差激光干涉测量方法和新一代的非共光路外差激光干涉测量方法，并在高精度激光稳频、光学非线性误差 精准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等多项关键技术方面取得持续突破，研制了系列超精密高速激光干涉仪，激 光真空波长相对准确度最高达 9. 6×10-10，位移分辨力为 0. 077 nm，光学非线性误差最低为 13 pm，最大测量速度 为 5. 37 m/s。目前该系列仪器已成功应用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测 试领域，为我国光刻机等高端装备发展提供了关键技术支撑和重要测量手段。 关键词 光学设计与制造；激光干涉；超精密高速位移测量引 言 激光干涉位移测量（DMLI）技术是一种以激光 波长为标尺，通过干涉光斑的频率、相位变化来感知位移信息的测量技术。因具有非接触、高精度、高动 态、测量结果可直接溯源等特点，DMLI 技术和仪器被广泛应用于材料几何特性表征、精密传感器标定、 精密运动测试与高端装备集成等场合。特别是在微电子光刻机等高端装备中嵌入的超精密高速激光干涉仪，已成为支撑装备达成极限工作精度和工作效率的前提条件和重要保障。以目前的主流光刻机为例，其内部通常集成有 6 轴至 22 轴以上的超精密高速激光干涉仪，来实时测量高速运动的掩模工件台、 硅片工件台的 6 自由度位置和姿态信息。根据光刻机套刻精度、产率等不同特性要求，目前对激光干涉的位移测量精度需求从数十纳米至数纳米，并将进一步突破至原子尺度即亚纳米量级；而位移测量速度需求，则从数百毫米每秒到数米每秒。 对 DMLI 技术和仪器而言，影响其测量精度和测量速度提升的主要瓶颈包括激光干涉测量的方法原理、干涉光源/干涉镜组/干涉信号处理卡等仪器关键单元特性以及实际测量环境的稳定性。围绕光刻机等高端装备提出的超精密高速测量需求，以美国 Keysight 公司（原 Agilent 公司）和 Zygo 公司为代表的国际激光干涉仪企业和研发机构，长期在高精度激光稳频、高精度多轴干涉镜组、高速高分辨力干涉信号处理等方面持续攻关并取得不断突破， 已可满足当前主流光刻机的位移测量需求。然而， 一方面，上述超精密高速激光干涉测量技术和仪器 已被列入有关国家的出口管制清单，不能广泛地支撑我国当前的光刻机研发生产需求；另一方面，上述技术和仪器并不能完全满足国内外下一代光刻机研 发所提出的更精准、更高速的位移测量需求。 针对我国光刻机等高端装备研发的迫切需求， 哈尔滨工业大学先后探索了传统的共光路双频激光干涉测量方法和新一代的非共光路双频激光干涉测量方法，并在高精度激光稳频、光学非线性误差精 准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等关键技术方 面取得持续突破，研制了系列超精密高速激光干涉 仪，可在数米每秒的高测速下实现亚纳米级的高分辨力高精度位移测量，已成功应用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测试领域。该技术和仪器不仅直接为我国当前微电子光刻机研发生产提供了关键技术支撑和核心 测量手段，而且还可为我国 7 nm 及以下节点光刻机研发提供重要的共性技术储备。高精度干涉镜组设计与研制 高精度干涉镜组的 3 个核心指标包括光学非线性、热稳定性和光轴平行性，本课题组围绕这 3 个核心指标（特别是光学非线性）设计并研制了前后两代镜组。 共光路多轴干涉镜组共光路多轴干涉镜组由双频激光共轴输入，具备抗环境干扰能力强的优点，是空间约束前提下用于被测目标位置/姿态同步精准测量不可或缺的技术途径，并且是光刻机定位系统精度的保证。该类干涉镜组设计难点在于，通过复杂光路中测量臂和参考臂的光路平衡设计保证干涉镜组的热稳定性，并通过无偏分光技术和自主设计的光束平行性测量系统，保证偏振正交的双频激光在入射分光及多次反射/折射后的高度平行性［19- 20］。目前本课题组研制的 5 轴干涉镜组（图 11） 可实现热稳定性小于 10 nm/K、光学非线性误差小于 1 nm 以及任意两束光的平行性小于 8″，与国 际主流商品安捷伦 Agilent、Zygo 两束光的平行性 5″~10″相当。 图 11. 自主研制的共光路多轴干涉镜组。（a）典型镜组的3D设计图；（b）实物图非共光路干涉镜组 非共光路干涉镜组在传统共光路镜组的基础上， 通过双频激光非共轴传输避免了双频激光的频率混叠，优化了纳米量级的光学非线性误差。2014 年，本课题组提出了一种非共光路干涉镜组结构［2，21］，具体结构如图 12 所示，测试可得该干涉镜组的光学非 线性误差为 33 pm。并进一步发现基于多阶多普勒 虚反射的光学非线性误差源，建立了基于虚反射光迹精准规划的干涉镜组光学非线性优化算法，改进并设计了光学非线性误差小于 13 pm 的非共光路干涉镜组［2-3］，并通过双层干涉光路结构对称设计保证热稳定性小于 2 nm/K［22- 25］。同时，本课题组也采用多光纤高精度平行分光，突破了共光路多轴干涉镜组棱镜组逐级多轴平行分光，致使光轴之间的平行度误差 逐级累加的固有问题，保证多光纤准直器输出光任意 两个光束之间的平行度均小于 5″。 图 12. 自主设计的非共光路多轴干涉镜组。（a）典型镜组的3D设计图；（b）实物图基于上述高精度激光稳频、光学非线性误差精准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等多项关键技 术，本课题组研制了系列超精密高速激光干涉仪 （图 17），其激光真空波长准确度最高达 9. 6×10-10 （k=3），位移分辨力为 0. 077 nm，最低光学非线性误差为 13 pm，最大测量速度为 5. 37 m/s（表 2）。并成功应用于上海微电子装备（集团）股份有限公司 （SMEE）、中国计量科学研究院（NIM）、德国联邦物理技术研究院（PTB）等十余家单位 ，在国产光刻机、国家级计量基准装置等高端装备的研制中发挥了关键作用。 图 17. 自主研制的系列超精密高速激光干涉仪实物图。（a）20轴以上超精密高速激光干涉仪；（b）单轴亚纳米级激光干涉仪；（c）三轴亚纳米级激光干涉仪超精密激光干涉仪在精密工程中的实际测量， 不仅考验仪器的研制水平，更考验仪器的应用水 平，如复杂系统中的多轴同步测量，亚纳米乃至皮 米量级新误差源的发现与处理，高水平的温控与隔 振环境等。下面主要介绍超精密激光干涉仪的几 个典型应用。 国产光刻机研制：多轴高速超精密激光干涉仪 在国产光刻机研制方面，多轴高速超精密激光 干涉仪是嵌入光刻机并决定其光刻精度的核心单元之一。但是，一方面欧美国家在瓦森纳协定中明确规定了该类干涉仪产品对我国严格禁运；另一方面该类仪器技术复杂、难度极大，我国一直未能完整掌握，这严重制约了国产光刻机的研制和生产。 为此，本课题组研制了系列超精密高速激光干涉测量系统，已成功应用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测试领域，典型应用如图 18 所示，其各项关键指标均满足国产先进光刻机研发需求，打破了国外相关产品对我国 的禁运封锁，在国产光刻机研制中发挥了重要作用。在所应用的光刻机中，干涉仪的测量轴数可达 22 轴以上，最大测量速度可达 5. 37 m/s，激光真空 波 长/频 率 准 确 度 最 高 可 达 9. 6×10−10（k=3），位 移 分 辨 力 可 达 0. 077 nm，光 学 非 线 性 误 差 最 低 为 13 pm。 配 合 超 稳 定 的 恒 温 气 浴（3~5 mK@ 10 min）和隔振环境，可以对光刻机中双工件台的多维运动进行线位移、角位移同步测量与解耦，以满足掩模工件台、硅片工件台和投影物镜之间日益复杂的相对位置/姿态测量需求，进而保证光刻机整体套刻精度。图 18. 超精密高速激光干涉测量系统在光刻机中的应用原理及现场照片国家级计量基准装置研制：亚纳米精度激光干涉仪 在国家级计量基准装置研制方面，如何利用基本物理常数对质量单位千克进行重新定义，被国际知名学术期刊《Nature》评为近年来世界六大科学难题之一。在中国计量科学研究院张钟华院士提出的“能量天平”方案中，关键点之一便是利用超精密激光干涉仪实现高准确度的长度测量，其要求绝对测量精度达到 1 nm 以内。为此，本课题组研制了国内首套亚纳米激光干涉仪，并成功应用于我国首套量子化质量基准装置（图 19），在量子化质量基准中 国方案的实施中起到了关键作用，并推动我国成为首批成功参加千克复现国际比对的六个国家之一［30- 32］。为达到亚纳米级测量精度，除了精密的隔振与温控环境以外，该激光干涉仪必须在真空环境 下进行测量以排除空气折射率对激光波长的影响， 其测量不确定度可达 0. 54 nm @100 mm。此外，为了实现对被测对象的姿态监测，该干涉仪的测量轴 数达到了 9 轴。图 19. 国家量子化质量基准及其中集成的亚纳米激光干涉仪 结论 近年来，随着高端装备制造、精密计量和大科学装置等精密工程领域技术的迅猛发展，光刻机等高端制造装备、能量天平等量子化计量基准装置、 空间引力波探测等重大科学工程对激光干涉测量技术提出了从纳米到亚纳米甚至皮米量级精度的 重大挑战。对此，本课题组在超精密激光干涉测量方法、关键技术和仪器工程方面取得了系列突破性进展，下一步的研究重点主要包括以下 3 个方面： 1）围绕下一代极紫外光刻机的超精密高速激光干涉仪的研制与应用。在下一代极紫外光刻机中，其移动工件台运动范围、运动精度和运动速度将进一步提升，将要求在大量程、6 自由度复杂耦合、高速运动条件下实现 0. 1 nm 及以下的位移测量精度，对激光干涉仪的研发提出严峻挑战；极紫外光刻机采用真空工作环境，可减小空气气流波动和空气折射率引入的测量误差，同时也使整个测量系统结构针对空气- 真空适应性设计的复杂性大幅度增加。2）皮米激光干涉仪的研制与国际比对。2021年， 国家自然科学基金委员会（NSFC）联合德国科学基 金会（DFG）共同批准了中德合作项目“皮米级多轴 超精密激光测量方法、关键技术与比对测试”（2021 至 2023 年）。该项目由本课题组与德国联邦物理技术研究院（PTB）合作完成，预计将分别研制下一代皮米级精度激光干涉仪，并进行国际范围内的直接 比对。3）空间引力波探测。继 2017 年美国 LIGO 地面引力波探测获诺贝尔物理学奖后，各国纷纷开展了空间引力波探测计划，这些引力波探测器实质上就是巨型的超精密激光干涉仪。其中，中国的空间引力波探测计划，将借助激光干涉仪在数百万公里距离尺度上，实现皮米精度的超精密测量，本课题组在引力波国家重点研发技术项目的支持下，将陆 续开展卫星- 卫星之间和卫星- 平台质量块之间皮米级激光干涉仪的设计和研究，特别是皮米级非线性实现和皮米干涉仪测试比对的工作，预期可对空间引力波探测起到积极的支撑作用。本课题组在超精密激光干涉测量技术与仪器领域有超过 20 年的研究基础，建成了一支能够完全自主开发全部激光干涉仪核心部件、拥有完整自主知识产权的研究团队，并且在研究过程中得到了 12 项国家自然科学基金、2 项国家科技重大专项、2 项 国家重点研发计划等项目的支持，建成了超精密激光测量仪器技术研发平台和产业化平台，开发了系列超精密激光干涉测量仪，在国产先进光刻机研发、我国量子化质量基准装置等场合成功应用，推动了我国微电子光刻机等高端装备领域的发展，并将通过进一步研发，为我国下一代极紫外光刻机研 发、空间引力波探测、皮米激光干涉仪国际比对提供支撑。全文详见：超精密高速激光干涉位移测量技术与仪器.pdf

近日，杭州海康微影传感科技有限公司（以下简称“海康微影”）重磅推出【在线式测温显微热成像仪】，7×24h在线，满足科研人员的快速专业测温需求。产品特性——快——01 快捷切换：微距or远景，一扭切换模式单镜头，多模式。无需拆卸更换镜头，简单一扭即可变身。常规模式下的热图微距模式下的热图常规模式25mm，微距模式最小可分辨35um，能看清比头发丝更细小的物体。最小可分辨35um02 快捷连接：10秒开机，一连出图一插即连，10秒快速开机。直接接入Analyzer，瞬间出图，免去繁琐配置（仅首次连接需完成设备激活，后续便可即插即用）。插入电源接入软件03 快捷安装：单手可安装，轻巧易集成标准1/4螺纹孔设计，轻松应对各类安装场景（三脚架等）。体积小、重量轻，单手可持握，安装超便捷。1/4螺纹孔单手可握持单手可安装——专——01 专业监测：7x24h在线，数据记录超省心支持定时，可7x24小时在线监测，一键录制与拍照，满足长时间数据记录需求。支持7x24小时在线监测02 专业分析：自研客户端软件，功能强大【在线实时分析】最高支持6条实时温度曲线，帮助了解温度变化；可自定义点线框测温规则，对测温参数分区调节。支持6条实时温度曲线自定义测温规则【历史温度分析】离线图片/视频可在客户端分析；离线图片/视频的3D热成像可在客户端显示。支持离线分析支持3D热图【强大的数据渲染能力】最高50帧裸数据，保障画面流畅稳定性，二次分析更还原。50hz流畅画面【报告便捷导出】预设多种专业报告模板，可自由组合布局，一键导出，专业且美观。自由组合布局报告一键导出/分享——精——01 精准测温：测温精度±1℃，匠心研发提品质测温精度可达±1℃，突破实现业内高水准，帮助科研人提升研究数据精准度。-20-150℃：±1℃或者读数的±1%（取最大值），均匀性±1℃或者读数的±1%（取最大值）；0-650℃：±2℃或者读数的±2%（取最大值），均匀性±1℃或者读数的±1%（取最大值）。02 精准记录：8h不打挡片，保障数据不丢失探测器可自适应环境变化，自动达到最佳观测效果，能连续8h测温不打挡片，有效避免数据缺帧情况发生。搭配推荐配套支架，支持多模式调节；建议配套微影专业桌面支架使用，支持粗调和微米级微调模式，保障稳定、精准调节测距。用户应用实例在注重科技创新的今天，各行各业都会有科研项目产生，诸如机械研究、化学制药、电路板热设计等。对于科研过程中涉及的各类物理化学实验、材料检测、机械工艺以及硬件测试而言，都需要借助温度检测手段，通过温度数据与温度分布情况来发现和分析问题。生物医药研究芯片研发仪器放电温度监测材料温度分布监测材料耐热性检测光纤熔接点质量监测海康微影热成像仪已成功赋能多个行业的研究工作，辅助上万位科研人员精准高效测温、快速排查问题、提高研究效率。

引力波模拟图 　　据近日美国《基督教科学箴言报》在线版文章称，德国引力波探测器GEO 600的一项奇怪发现，不但可能冲击现有宇宙理论，还引发美国费米国家实验室的科学家们开始建造一个“全息干涉仪”，将探测深入到“普朗克长度”，以便更进一步观察宇宙的时空结构及这一结构中的波动――引力波。 　　引力波被称为“爱因斯坦广义相对论中最后一个尚未被证明是对的组成部分”，新探测仪器的出现有可能使人们直接观测到时间的不连续性，亦将带领人们发掘宇宙起源最深处的奥秘。 　　激光干涉追寻时空波纹 　　引力波其实是爱因斯坦对于万有引力本质的理解。他认为引力场有一种跟电磁波一样的波动，是为引力波。而引力波表现为时空曲率的扰动，以行进波的形式向外传递，其传播速度等于光速。 　　按道理，引力波存在且无处不在，深空中的突变性事件，如超新星爆发、黑洞形成、大型天体相撞这些过程，都能辐射出较强引力波。但事实上，以往在地球上进行的引力波直接搜寻的所有努力都以失败告终。其原因在于，波动虽能造成地球上各处相对距离的变动，但当它们到达地球的时候已经变得非常弱了，对于地球上最先进的引力波探测器来说，其变动的数量级小于一颗质子直径的千分之一。因而尽管引力波毫不模糊且被公认，却一直只能是广义相对论的预言。 　　但科学家们可不满足于这一点。于是，基于激光干涉原理的引力波探测器被建造出来。这一类型的探测器通过测量两条激光束相遇时所形成的干涉图像的变化来探测引力波，干涉图像依赖于激光束的传播距离，当引力波穿过时激光束的传播距离会相应变化。 　　因为目标是非常微弱的信号，引力波探测器的敏感度需达到几乎难以想象的程度。以德国引力波探测器GEO 600来讲，其对距离上极微小的变化都非常敏锐，甚至可探测到日地距离所发生的原子半径级别的变化。不过，这种激光干涉计的探测器灵敏度要与激光传播的距离成比例的话，一般来讲其尺寸都非常可观。 　　“奇怪波动”挑战现有认知 　　德国的GEO 600并不是新产物了，其已默默工作有些时日。然而，在近期利用其搜寻引力波的过程中，物理学家偶然发现了令人迷惑的现象――这一高科技设备虽然还没有找到引力波存在的证据，但却发现了大量的噪音。 　　这就有必要简单描述一下这类探测器的工作过程。以GEO 600为例，其要实现功能，需要发射一束激光穿过600米的隧道，再将激光分裂成两束，经过反射的一束以及未经反射的一束均进入干涉仪。当引力波经过这部分空间的时候，两束激光之间的微小位移将会由干涉仪进行探测。即便这种距离的变化非常之微妙，但如果引力波探测器有结果，那就很可能是引力波通过时引起的。 　　而今GEO 600的“噪音”让研究人员无从解释，在剔除了所有人为因素的影响之后仍不得要领，他们于是向费米实验室的科学家克雷格・ 霍根寻求帮助，希望他利用量子力学上的专业知识帮助阐明这一不规则的噪音。 　　霍根反馈的意见让人震撼又迷惑。他说：“看上去GEO 600受到了时空微观量子级别的冲击。”换句话说，GEO 600探测到的并不是来自什么噪音源，而是时空本身发生的量子级别波动。 　　这一看法的深层意义在于：根据爱因斯坦对宇宙的认知，时空应该是连续平滑的，而照霍根的结论推测时空实际上是不连续的，是由一系列量子点组成。其直指爱因斯坦的理论需要修正。 　　全新探测器进入量子尺度 　　量子力学的测不准原理意味着一些基本量度如长度和时间具有测不准性。而测不准的程度由普朗克常数确定，该常数可以定出最小长度量子――“普朗克长度”，比其更短的长度是没有意义的。 　　现在，要证明“奇怪波动”的来源，研究人员就需要深入到“普朗克长度”――10-35米进行探测，而GEO 600实验中探测到的噪音尺度不到10-15米。因此需要提升引力波探测仪的分辨率，这导致了“全息干涉仪”的产生。 　　“全息干涉仪”是利用全息照相的方法来进行干涉计量，其与一般光学干涉检测方法很相似，但获得相干光的方式不同。光学干涉检测方法获得相干光的方式如前所述，一般是将同一束光的振幅分为两个部分，但全息干涉计量术则是将同一束光在不同时间的波前来进行干涉，可以看作是一种波前的时间分割法。这就使相干光束由同一光学系统所产生，可以消除系统误差。 　　霍根认为，GEO 600在其尺度上发现的噪音是由于宇宙“视界”(天文学中黑洞的边界，在此边界以内的光无法逃离)的全息投射造成的。霍根比喻说，这就像一张图片越放大就会越模糊甚至像素化，宇宙“视界”投射其实发生在普朗克尺度中，所以在我们所身处的时空尺度上，这一投射发生了模糊。 　　而要验证霍根的结论，目前最值得依赖的就是这台“全息干涉仪”。其现正由费米实验室全力打造，它必将比GEO 600探测到更小的尺度，从而进入到量子尺度。如果霍根的看法是正确的，探测器将能探测到时空结构中的量子噪声，给我们现有对宇宙的认知带来巨大的冲击。

p style=" text-indent: 2em " 来自空天院等单位的研究人员成功研制了我国首套自主知识产权的超算合成孔径雷达干涉测量系统，并首次实现全国尺度地表形变合成孔径雷达干涉测量制图。 /p p style=" text-indent: 2em " 作为受地质灾害影响最严重的国家之一，我国地质灾害造成的损失逐年增加。“利用空间遥感技术实现地表形变大范围监测，对开展固体地球运动研究和地质灾害调查具有重要意义。”空天院研究员王超说。 /p p style=" text-indent: 2em " 合成孔径雷达干涉测量技术是通过利用合成孔径雷达图像中的相位信号来获取毫米级地表形变信息的技术。随着宽幅合成孔径雷达成像技术的成熟，国内外合成孔径雷达卫星数据爆炸式增长。 /p p style=" text-indent: 2em " 在计算机存储与计算能力不断增强的背景下，针对全国尺度的地质灾害调查、监测的迫切需求，研究人员结合卫星大数据处理技术与超算硬件平台，经过2年多时间对早期独立研发的相干目标时序合成孔径雷达干涉测量处理软件进行算法改进及并行优化，研发了我国首套具有自主知识产权的超算合成孔径雷达干涉测量系统，实现了合成孔径雷达干涉测量大数据自动化、批量并行处理。基于该系统，研究人员首次获取了全国尺度的地表形变合成孔径雷达干涉测量结果。 /p p style=" text-indent: 2em " 王超表示，该系统所提供的大尺度地表形变产品不仅可以促进地球科学的新发现，服务于板块运动、全球环境变化等地球科学领域，而且还可以提高我国遥感数据处理能力，服务于我国大范围地面沉降的地理国情监测及地质灾害普查等领域，对社会经济可持续发展具有重大意义。 /p p br/ /p

传送带在各行各业的制造过程中发挥着至关重要的作用，其有助于实现更加精简、自动化和高效的生产流程，有效提高生产力和产品质量。然而，持续的磨损会导致传送系统及其部件(如轴承和惰轮)劣化。长此以往，可能会导致系统故障，降低系统效率，增加能耗，甚至会导致计划外和代价高昂的停机。如何有效避免传送带故障，是每个制造行业都需要解决的事情。声学成像技术让传送带故障“看得见”传送带的传统维护方法在很大程度上依赖于例行检查和对报告问题的被动响应，这可能会遗漏一些隐藏的故障，从而为意外停机和昂贵的维修留下了可能。要想避免事故的发生，就需要预知风险，在萌芽阶段制止故障的发生。传送带相关的检测人员可以采用先进的故障检测技术，如声学成像技术，以便在早期阶段识别关键问题。使用FLIR Si2声学成像仪拍摄的机械故障快照：高声压级、波峰因数和峰度通常是轴承潜在问题的迹象。为了获得最可靠的结果，建议始终将读数与从相似距离测量的相同类型的健康轴承进行比较。通过最近在一家金属加工厂进行的检查表明，配备市场先锋技术的FLIR Si2声学成像仪，能够识别机械部件中的关键故障。声学成像快照不仅证实了对传送带系统内已知问题的怀疑，而且还发现了一个重大故障——导致电动机和泵之间的驱动联轴器故障（如果发现不及时，将在几天内发生）。金属加工公司的代表对使用声学成像仪检测到的故障快照印象特别看重，有了图片不仅非常直观，并且易于解释。利用FLIR Si2声学成像仪提供的决策支持，该公司立即制定了更换各种链条和轴承的计划。用于机械故障检测的声学解决方案使用声学成像仪进行预防故障检测的主要优势之一是，它允许主动维护，而不是被动响应。在潜在问题严重之前发现它们，可确保采用更高效、更具成本效益的设备维护方法。这也带来了另一个好处：节省成本。通过在早期阶段解决故障，企业可以显著降低与大修和意外停机相关的高额成本。在上述案例中，通过采取积极的纠正措施，检测到驱动联轴器的故障，有效防止了对周围组件造成进一步损坏。金属加工设施的机械故障检查结果突出了声学成像仪在工业维护中的有效性。通过采用先进的故障检测技术主动识别和解决机械故障，企业不仅可以节省成本，还可以提高其运营的可靠性和安全性。选择FLIR Si2的优势FLIR Si2声学成像仪配备专属机械故障检测模式，非常适合传送带的故障检测，它能让用户在较远的安全距离范围(最远200米)或嘈杂环境中也能识别机械故障的声音，生成精确的声像图。其接收频率范围在2kHz至130kHz，几乎涵盖了机械故障的全部声波范围。有了它，主要优势有：★ 可以快速检测和测量轴承和其他机械问题，这些问题可能导致代价高昂的生产中断或安全隐患；★ 通过防止关键机械(如气动设备和传送带系统)的计划外停机，确保设备操作的连续性；★ 即使在嘈杂的工业环境中，也能扫描大面积区域并准确定位关键问题；★ 为精准定位制造环境中的已知和隐藏的机械故障，提供了全面的解决方案；★ 为预防和维修计划提供实时结果；★ 只需少量培训，就可轻松便捷地纳入维护周期。FLIR Si2特有的机械故障检测模式不仅可以对传送带进行预防性检测还能快速检测轴承相关及其他可能导致代价高昂的生产中断或安全隐患的机械故障问题能大大提高企业的投资回报您在工作中会涉及到机械故障检测吗？FLIR专家将为您量身定制解决方案您可直接拨打官方客服电话一对一咨询哦~

1 引 言激光干涉位移测量技术具有大量程、高分辨力、非接触式及可溯源性等优势，广泛应用于精密计量、微电子集成装备和大科学装置等领域，成为超精密位移测量领域中的重要技术之一。近年来，随着这些领域的迅猛发展，对激光干涉测量技术提出了新的测量需求。如在基于长度等量子化参量的质量基准溯源方案中，要想实现1×10−8 量级的溯源要求，需要激光干涉仪长度测量精度达0. 1 nm 量级；在集成电路制造方面，激光干涉仪承担光刻机中掩模台、工件台空间位置的高速、超精密测量任务，按照“ 摩尔定律”发展规律，近些年要想实现1 nm 节点光刻技术，需要超精密测量动态精度达0. 1 nm，达到原子尺度。为此，国际上以顶级的计量机构为代表的单位均部署了诸如NNI、Nanotrace 等工程，开展了“纳米”尺度测量仪器的研制工程，并制定了测量确定度在10 pm 以下的激光干涉测量技术的研发战略。着眼于国际形势，我国同样根据先进光刻机等高端备、先进计量的测量需求，制定了诸多纳米计量技术的研发要。可见，超精密位移测量技术的发展对推进我国众多大高端装备具有重要战略意义，是目前纳米度下测量领域逐步发展的重大研究方向。2 激光干涉测量原理根据光波的传播和叠加原理，满足相干条件的光波能够在空间中出现干涉现象。在激光干涉测量中，由于测量目标运动，将产生多普勒- 菲佐（Doppler-Fizeau效应，干涉条纹将随时间呈周期性变化，称为拍频现象。移/相移信息与测量目标的运动速度/位移关系满足fd = 2nv/ λ ， （1）φd = 2nL/ λ ， （2）式中：fd为多普勒频移；φd为多普勒相移；n 为空气折射率；v 和L 为运动速度和位移；λ 为激光波长。通过对干涉信号的频率/相位进行解算即可间接获得测量目标运动过程中速度/位信息。典型的干涉测量系统可按照激光光源类型分为单频（零差式）激光干涉仪和双频（外差式）激光干涉仪两大类。零差式激光干涉测量基本原理如图1 所示，其结构与Michelson 干涉仪相仿，参考光与测量光合光干涉后，经过QPD 输出一对相互正交的信号，为Icos = A cos (2πfd t + φ0 + φd ) ， （3）Isin = A sin (2πfd t + φ0 + φd ) ， （4）式中：（Icos， Isin）为QPD 输出的正交信号；A 为信号幅值；φ0 为初始相位。结合后续的信号处理单元即可构成完整、可辨向的测量系统。图1　零差激光干涉测量原理外差式激光干涉仪的光源是偏振态相互垂直且具有一定频差Δf 的双频激光，其典型的干涉仪结构如图2 所示。双频激光经过NPBS 后，反射光通过偏振片发生干涉，形成参考信号Ir；透射光经过PBS，光束中两个垂直偏振态相互分开，f2 光经过固定的参考镜反射，f1 光经运动的测量镜反射并附加多普勒频移fd，与反射光合光干涉后形成测量信号Im。Ir = Ar cos (2πΔft + φr ) ， （5）Im = Am cos (2πΔft + φm )， （6）式中：Δf、A 和φ 分别为双频激光频差、信号幅值和初始相位差。结合式（5）和式（6），可解算出测量目标的相位信息。图2　外差激光干涉测量原理零差式激光干涉仪常用于分辨力高、速度相对低并且轴数少的应用中。外差式激光干涉仪具有更强的抗电子噪声能力，易于实现对多个目标运动位移的多轴同步测量，适用于兼容高分辨力、高速及多轴同步测量场合，是目前主流的干涉结构之一。3 激光干涉测量关键技术在超精密激光干涉仪中，波长是测量基准，尤其在米量级的大测程中，要实现亚纳米测量，波长准确度对测量精度起到决定性作用。其中，稳频技术直接影响了激光波长的准确度，决定激光干涉仪的精度上限；环境因素的变化将影响激光的真实波长，间接降低了实际的测量精度。干涉镜组结构决定光束传播过程中的偏振态、方向性等参数，影响干涉信号质量。此外，干涉信号相位细分技术决定激光干涉仪的测量分辨力，并限制了激光干涉仪的最大测量速度。3. 1　高精度稳频技术在自由运转的状态下，激光器的频率准确度通常只有±1. 5×10−6，无法满足超精密测量中10−8~10−7的频率准确度要求。利用传统的热稳频技术（单纵模激光器的兰姆凹陷稳频方法等），可以提高频率准确度，但系统中稳频控制点常偏离光功率平衡点，输出光频率准确度仅能达2×10−7量级，无法完全满足超精密测量的精度需求。目前，超精密干涉测量中采用的高精度稳频技术主要有热稳频、饱和吸收及偏频锁定3 种。由于激光管谐振腔的热膨胀特性，腔长随温度变化呈近似线性变化。因此，热稳频方法通过对谐振腔进行温度控制实现对激光频率的闭环调节。具体过程为：选定稳定的参考频标（双纵模激光器的光功率平衡点、纵向塞曼激光器频差曲线的峰/谷值点），当激光频率偏离参考频标时，产生的频差信号用于驱动加热膜等执行机构进行激光管谐振腔腔长调节。热稳频方法能够使激光器的输出频率的准确度在10−9~10−8 量级，但原子跃迁的中心频率随时间推移受腔内气体气压、放电条件及激光管老化的影响会发生温度漂移。利用稳频控制点修正方法，通过对左右旋圆偏振光进行精确偏振分光和对称功率检测来抑制稳频控制点偏移的随机扰动，同时补偿其相对稳定偏置分量。该方法显著改善了激光频率的长期漂移现象，阿伦方差频率稳定度为1. 9×10−10，漂移量可减小至（1~2）×10−8。稳频点修正后的激光波长仍存在较大的短期抖动，主要源于激光器对环境温度的敏感性，温差对频率稳定性的影响大。自然散热型激光器和强耦合水冷散热型激光器均存在散热效果不均匀和散热程度不稳定的问题。多层弱耦合水冷散热结构为激光管提供一个相对稳定的稳频环境，既能抑制外界环境温度变化对激光管产生的扰动，冷却水自身的弱耦合特性又不影响激光管性能，进而减小了温度梯度和热应力，提高了激光器对环境温度的抗干扰能力，减少了输出激光频率的短期噪声，波长的相对频率稳定度约为1×10−9 h−1。碘分子饱和吸收稳频法将激光器的振荡频率锁定在外界的参考频率上，碘分子饱和吸收室内处于低压状态下（1~10 Pa）的碘分子气体在特定频率点附近存在频率稳定的吸收峰，将其作为稳频基准后准确度可达2. 5×10−11。但由于谐振腔损耗过大，稳频激光输出功率难以超过100 μW 且存在MHz 量级的调制频率，与运动目标测量过程中产生的多普勒频移相近。因此，饱和吸收法难以适用于多轴、动态的测量场合。偏频锁定技术是另一种高精度的热稳频方法，其原理如图3 所示，通过实时测量待稳频激光器出射光与高精度碘稳频激光频差，获得反馈控制量，从而对待稳频激光器谐振腔进行不同程度加热，实现高精度稳频。在水冷系统提供的稳频环境下，偏频锁定激光器的出射光相对频率准确度优于2. 3×10−11。图3 偏频锁定热稳频原理3. 2　高精度干涉镜组周期非线性误差是激光干涉仪中特有的内在原理性误差，随位移变化呈周期性变化，每经过半波长，将会出现一次最大值。误差大小取决光束质量，而干涉镜组是决定光束质量的主导因素。传统的周期非线性误差可以归结为零差干涉仪的三差问题和外差干涉仪的双频混叠问题，产生的非线性误差机理如图4 所示，其中Ix、Iy分别表示正交信号的归一化强度。其中，GR为虚反射，MMS 为主信号，PISn 为第n 个寄生干涉信号，DFSn 为第n 阶虚反射信号。二者表现形式不完全相同，但都会对测量结果产生数纳米至数十纳米的测量误差。可见，在面向亚纳米、皮米级的干涉测量技术中，周期非线性误差难以避免。图4　零差与外差干涉仪中的周期非线性误差机理。（a）传统三差问题与多阶虚反射李萨如图；（b）多阶虚反射与双频混叠频谱分布Heydemann 椭圆拟合法是抑制零差干涉仪中非线性误差的有效方法。该方法基于最小二乘拟合，获得关于干涉直流偏置、交流幅值以及相位偏移的线性方程组，从而对信号进行修正。在此基础上，Köning等提出一种基于测量信号和拟合信号最小几何距离的椭圆拟合方法，该方法能提供未知模型参数的局部最佳线性无偏估计量，通过Monte Carlo 随机模拟后，其非线性幅值的理论值约为22 pm。在外差干涉仪中，双频混叠本质上是源于共光路结构中双频激光光源和偏振器件分光的不理想性，称为第1 类周期非线性。对于此类周期非线性误差，补偿方法主要可以从光路系统和信号处理算法两个方面入手。前者通过优化光路可以将非线性误差补偿至数纳米水平；后者通过椭圆拟合法提取椭圆特征参数，可以将外差干涉仪中周期非线性误差补偿至亚纳米量级；两种均属补偿法，方法较为复杂，误差难以抑制到0. 1 nm 以下。另一种基于空间分离式外差干涉结构的光学非线性误差抑制技术采用独立的参考光路和测量光路，非共光路使两路光在干涉前保持独立传播，从根本上避免了外差干涉仪中频率混叠的问题，系统残余的非线性误差约为数十皮米。空间分离式干涉结构能够消除频率混叠引起的第1 类周期非线性误差，但在测量结果中仍残余亚纳米量级的非线性误差，这种有别于频率混叠的残余误差即为多阶多普勒虚反射现象，也称为第2 类周期非线性误差。虚反射现象源自光学镜面的不理想分光、反射等因素，如图5所示，其中MB 为主光束，GR 为反射光束，虚反射现象普遍存在于绝大多数干涉仪结构中。虚反射效应将会使零差干涉仪中李萨如图的椭圆产生畸变，而在外差干涉仪中则出现明显高于双频混叠的高阶误差分量。图5　多阶虚反射现象使用降低反射率的方法，如镀增透膜、设计多层增透膜等，能够弱化虚反射现象，将周期非线性降低至亚纳米水平；德国联邦物理技术研究院Weichert等通过调节虚反射光束与测量光束间的失配角，利用透镜加入空间滤波的方法将周期非线性误差降低至±10 pm。上述方法在抑制单次的虚反射现象时有着良好的效果，但在面对多阶虚反射效应时作用有限。哈尔滨工业大学王越提出一种适用于多阶虚反射的周期非线性误差抑制方法，该方法利用遗传算法优化关键虚反射面空间姿态，精准规划虚反射光束轨迹，可以将周期非线性误差抑制到数皮米量级，突破了该领域10 pm 的周期非线性误差极限。3. 3　高速高分辨力相位细分技术在激光干涉仪中，相位细分技术直接决定系统的测量精度。实现亚纳米、皮米测量的关键离不开高精度的相位细分技术。相位的解算可以从时域和频域两个角度进行。最为常用的时域解算方法是基于脉冲边缘触发的相位测量方法，该方法利用高频脉冲信号对测量信号与参考信号进行周期计数，进而获取两路信号的相位差。该方法的测量速度与测量分辨力模型可表达为vm/dLm= Bm ， （7）式中：vm 为测量速度；dLm 为测量分辨力；Bm 为系统带宽。在系统带宽恒定的情况下，高测速与高分辨力之间存在相互制约关系。只有提高系统带宽才能实现测量速度和测量分辨力的同时提升，也因此极度依赖硬件运行能力。在测量速度方面，外差激光干涉仪的测量速度主要受限于双频激光频差Δf，测量目标运动产生的多普勒频移需满足fd≤Δf。目前，美国的Zygo 公司和哈尔滨工业大学利用双声光移频方案所研制的结构的频差可达20 MHz，理论的测量速度优于5 m/s。该方法通过增加双频激光频差来间接提升测量速度，频差连续可调，适用于不同测量速度的应用场合，最大频差通常可达几十MHz，满足目前多数测量速度需求。从干涉结构出发，刁晓飞提出一种双向多普勒频移干涉测量方法，采用全对称的光路结构，如图6所示，获得两路多普勒频移方向相反的干涉信号，并根据目标运动方向选择性地采用不同干涉信号，保证始终采用正向多普勒频移进行相位/位移解算。该方法从原理上克服了双频激光频差对测量速度的限制，其最大测量速度主要受限于光电探测器带宽与模/数转换器的采样频率。图6 全对称光路结构在提升测量分辨力方面，Yan 等提出一种基于电光调制的相位调制方法，对频率为500 Hz 的信号进行周期计数，该方法实现的相位测量标准差约为0. 005°，具有10 pm 内的超高位移测量分辨力，适用于低速测量场合。对于高速信号，基于脉冲边缘触发的相位测量方法受限于硬件带宽，高频脉冲频率极限在500 MHz 左右，其测量分辨力极限约为1~10 nm，难以突破亚纳米水平。利用高速芯片，可以将处理带宽提升至10 GHz，从而实现亚纳米的测量分辨力，但成本较大。闫磊提出一种数字延时细分超精细相位测量技术，在硬件性能相同、采样频率不变的情况下，该方法利用8 阶数字延迟线，实现了相位的1024 电子细分，具有0. 31 nm 的位移测量分辨力，实现了亚纳米测量水平。该方法的等效脉冲频率约为5 GHz，接近硬件处理极限，但其测量速度与测量分辨力之间依旧存在式（7）的制约关系。德国联邦物理技术研究院的Köchert 等提出了一种双正交锁相放大相位测量方法，如图7所示，FPGA 内部生成的理想正交信号分别与外部测量信号、参考信号混频，获取相位差。利用该方法，可以实现10 pm 以内的静态测量偏差。双正交锁相放大法能够处理正弦模拟信号，充分利用了信号的频率与幅值信息，其测量速度与测量分辨力计算公式为vm/0. 1λ0= Bm， （8）dLm/0. 5λ0=Bs/dLc， （9）式中：Bs为采样带宽；dLc为解算分辨力。图7 双正交锁相方法测量原理可见，测量速度与测量分辨力相互独立，从原理上解决了高测速与高分辨力相互制约的矛盾，为激光干涉仪提供了一种兼顾高速和高分辨力的相位处理方法。在此基础上，为了适应现代工业中系统化和集成化的测量需求，美国Keysight 公司、Zygo 公司及哈尔滨工业大学相继研发出了光电探测与信号处理一体化板卡，能够实现高于5 m/s 的测量速度以及0. 31 nm 甚至0. 077 nm 的测量分辨力。此外，从变换域方面同样可以实现高精度的相位解算。张紫杨等提出了一种基于小波变换的相位细分方法，通过小波变换提取信号的瞬时频率，计算频率变化的细分时间，实现高精度的位移测量，该方法的理论相位细分数可达1024，等效位移精度约为0. 63 nm。Strube 等利用频谱分析法，从信号离散傅里叶变换（DFT）后的相位谱中获取测量目标的位移，实现了0. 3 nm 的位移测量分辨力。由于采用图像传感器为光电转换器，信号处理是以干涉条纹为基础的，适用于静态、准静态的低速测量场合。3. 4环境补偿与控制技术环境中温度、气压及湿度等变化会引起空气折射率变化，使得激光在空气中传播时波长变动，导致测量结果产生纳米量级的误差。环境误差补偿与控制技术是抑制空气折射率误差的两种重要手段。补偿法是修正空气折射率误差最常用的方法，具有极高的环境容忍度。采用折光仪原理、双波长法等可以实现10−7~10−8 量级的空气折射率相对测量不确定度。根据Edlen 经验公式，通过精确测定环境参数（温度、湿度和大气压等），可以计算出空气折射率的精确值，用于补偿位移测量结果，其中温度是影响补偿精度的最主要因素。采用高精度铂电阻传感器，设备可以实现1 mK 的温度测量精度，其折射率的补偿精度可达10−8量级，接近Edlen 公式的补偿极限。环境控制技术是保证干涉仪亚纳米测量精度的另一种有效方法。在现行的DUV 光刻机中，采用气浴法，建立3 mK/5 min 以内恒温、10 Pa/5 min 以内恒压、恒湿气浴场，该环境中能够实现10−9~10−8 量级空气折射率的不确定度。对于深空引力波探测、下一代质量基准溯源等应用场合，对激光干涉仪工作的环境控制要求更为严苛，测量装置需置于真空环境中，此时，空气折射率引入的测量误差将被彻底消除。4 激光干涉测量技术发展趋势近年来，超精密位移测量的精度需求逐渐从纳米量级向亚纳米甚至皮米量级过渡。国内在激光干涉仪中的激光稳频、周期非线性误差消除和信号处理等关键技术上均取得了重大的突破。在LISA 团队规划的空间引力波探测方案中，要求在500 万千米的距离上，激光干涉仪对相对位移量需要具有10 pm 以内的分辨能力。面对更严苛的测量需求，超精密位移测量依然严峻面临挑战。激光干涉测量技术的未来发展趋势可以归结如下。1）激光波长存在的长期漂移和短期抖动是限制测量精度提升的根本原因。高精度稳频技术对激光波长不确定度的提升极限约为10−9量级。继续提升激光波长稳定度仍需要依托于下一阶段的工业基础，改善激光管本身的物理特性，优化光源质量。2）纳米级原理性光学周期非线性误差是限制激光干涉仪测量精度向亚纳米、皮米精度发展的重要瓶颈。消除和抑制第1 类和第2 类周期非线性误差后，仍残余数十皮米的非线性误差。由于周期非线性误差的表现形式与耦合关系复杂，想要进一步降低周期非线性误差幅值，需要继续探索可能存在的第3 类非线性误差机理。3）测量速度与测量分辨力的矛盾关系在动态锁相放大相位测量方法中得到初步解决。但面对深空引力波探测中高速、皮米的测量要求，仍然需要进一步探索弱光探测下的高分辨力相位细分技术；同时，需要研究高速测量过程中的动态误差校准技术。高速、高分辨力特征依旧是相位细分技术今后的研究方向。全文下载：亚纳米皮米激光干涉位移测量技术与仪器_激光与光电子学进展.pdf

日前，丹麦哥本哈根大学研究人员日前制造出一种可在室温下工作的量子干涉仪，能广泛应用于医疗、勘测、考古等多个领域。相关研究发表在最新一期的《物理评论快报》(PRL)杂志上。 　　量子干涉仪是应用量子力学原理制成的超高灵敏度磁传感器，可检测出非常微弱的磁场。负责该研究的哥本哈根大学尼尔斯波尔研究所的物理学家尤金波尔齐克称，与原先的超导量子干涉仪(squids)相比，新的干涉仪在室温下就能工作，并且结构更简单，造价也更为低廉。 　　自旋是原子的一个基本特性，这使得一个原子就像一个小磁体很容易受到外部磁场的影响。根据这一特性，科学家提出了以原子作为磁传感器的设想，但由于每个原子自旋都存在一定的不确定性，这决定了以这种方法检测外部磁场在灵敏度上存在着极限。由于作为一个整体时数十亿原子能达到的敏感度比单个原子要大得多，传统的原子磁力计一般由极为大量的原子制成。但这样一来要达到理论上最大的灵敏度就困难了很多。为了进一步提高灵敏度，研究人员在新的磁力计中只使用了一个单原子。 　　尤金波尔齐克举例说，为了达到这个目的，研究人员不但要避免一切可能导致仪器出现失误的因素，如广播、手机等公共通讯系统所产生的磁场波动，还要消除现有量子力学理论中可能存在的错误。最终，该仪器可测量到比地球磁场弱一千亿倍的磁通量。 　　由于有电流的地方就有磁场存在，该磁力计在微磁场测量、重力波测量、核磁共振、古地磁测量以及非破坏性磁检测等多个领域都有着广泛的应用前景。

本文作者：清华大学张书练教授1. 激光干涉仪的发展史做衣量身、体检量高都由尺子完成，这些日常的尺子的刻度是毫米。机械零件加工和检验都要用尺子，在机械制造企业，卡尺、千分尺随处可见，其精确度是0.1 μm，1 μm。1887年迈克尔逊（Michelson）和莫雷（Morley）研究以太[1]是否存在，使用了光。他们以光波长作尺子刻度测量了水平面和垂直面的光速之差，第一次否定了以太的存在。他们利用的是光的干涉现象，这就是光学干涉仪的诞生。注[1]：根据古代和中世纪科学，以太被称为第五元素，是填充地球球体上方宇宙区域的物质。以太的概念在一些理论中被用来解释一些自然现象，例如光和重力的传播。19世纪末，物理学家假设以太渗透到整个空间，以太是光在真空中传播的介质，但是在迈克尔逊-莫利实验中没有发现这种介质存在的证据，这个结果被解释为没有光以太存在。1961年研究人员发明了氦氖激光器，开始用氦氖激光器作为迈克尔逊干涉仪的光源，从而诞生了激光干涉仪。图1是迈克尔逊干涉仪简图。迈克尔逊干涉仪是普通物理的基本实验之一。但今天在科学研究和工业中应用的激光干涉仪出于迈克尔逊，但性能远远胜于迈克尔逊。图1 迈克尔逊干涉仪简图基本上，激光干涉仪都使用氦氖激光器的632.8 nm波长的光，橙红灿烂的光束射向远方，发散角可以小到0.1 mrad，光束截面的光斑均匀。氦氖激光器还可输出绿光、黄光、红外光，但只有632.8 nm波长的光适合作激光干涉仪的光源。其它类型的激光器，如半导体（LD）、固体激光器等的相干等性能都远不及氦氖激光器，研究人员多有尝试，但都没有成功。激光干涉仪有很多应用，但本质都是测量中学课本讲的“位移”，诸多应用都是“位移”的延伸和转化。激光干涉仪有两个主流类型：单频激光干涉仪和双频激光干涉仪。单频干涉仪能做的双频激光干涉仪都能做，但双频干涉仪能做的单频干涉仪不见得能做。由于历史、技术和商业原因，两种干涉仪都有着广泛应用。但在光刻机上，双频激光干涉仪独占市场。单频干涉仪不需要对市场上的氦氖激光器进行改造，直接可用。但双频激光干涉仪用的激光器需要附加技术使其产生双频（两个频率）。历史上，双频激光干涉仪测量位移的速度不及单频激光干涉仪，自发明了双折射-塞曼双频激光器，双频激光干涉仪的测量速度也达到每秒几米，与单频激光器看齐了。按产生双频的方法，双频激光干涉仪分为塞曼双频激光（国外）干涉仪和双折射-塞曼双频激光（国内）干涉仪。现在干涉仪的指标：最小可感知1 nm（十亿分之1 m），可以测量百米长的零件，且测量70 m长的导轨误差仅为几微米。2. 测量位移的干涉仪和测量表面的干涉仪？有几个概念的定义比较混乱（特别是有些研究发展趋势的报告），需要注意。一是“激光测距”和“激光测位移”没有界定，资料往往鹿马不分。二是不少资料所说“激光干涉仪”实际上包含两种不同的仪器，一种是测量面型（元件表面）的激光干涉仪，一种是测量位移（长度）的激光干涉仪。如海关的统计和一些年度报告往往混在一起。激光测距机发出的激光束是一个持续时间纳秒的光脉冲，利用光脉冲达到目标和返回的时间之半乘以光速得到距离，完全和光的干涉无关。尽管激光波面干涉仪和测量位移（长度）的干涉仪都是利用光干涉现象，但仪器的设计、光路结构、探测方式、应用场合几乎没有共同之处。激光波面干涉仪能够测量光学元件表面的形貌，光束直径要覆盖被测零件，在整个零件表面形成系列干涉条纹，根据测量条纹的亮度（也即相位）算出表面的形貌，其光束口径、零件直径可达百毫米；另一种则是测量位移（长度）干涉仪，光干涉发生在直径几毫米光路上，表现为只有光电探测器（眼睛）正对着射来的光线才能“看”到光强度的波动，由波动的整次数和（不足半波长的）小数算出被测件的位移。 3. 双频激光干涉仪的原理和构成当图1的可动反射镜有位移时，光电探测器光敏面会感受到的光强度正弦变化，动镜移动半个波长，光强变化一个周期。光电探测器将光强变化转化为电信号。如探测到电信号变化了一个周期，我们就知道动镜移动了半个波长。计出总周期数测得动镜的位移。 （1）式中：λ为激光波长，N 为电脉冲总数。今天的激光干涉仪使用632.8 nm波长的激光束，半波长即316.4 nm。动镜安装在被测目标上与目标一起位移，如光刻机的机台，机床的动板上。为了提高分辨力，半波长的正弦信号被细分，变成1 nm甚至0.1 nm的电脉冲，可逆计数器计算出总脉冲数，再由计算机计算出位移量S。也常用下式表示动镜的位移， （2）其中∆f为目标运动速度为V时的多普勒频移。式（1）和（2）是等价的，可以互相推导推出来，仅是表方式的不同。图2是今天的双频激光干涉仪框图。它由7个部分构成。图2双频激光干涉仪原理框图（1） 双频氦氖激光器氦氖激光器上有磁体。磁体为筒形，激光器上加的是纵向磁场，称为纵向塞曼双频激光器。四分之一波长（λ/4）片把激光器输出的左旋和右旋光变成偏振态互相垂直的线偏振光。前文所说的双折射-塞曼双频激光器则是在激光器内置入双折射元件（图内未画出），并加图2所示的磁条。双折射元件使激光器形成双频，横向磁场消除两个频率之间的耦合。双折射-塞曼双频激光干涉仪不需使用四分之一波长片。双频激光器是双频激光干涉仪的核心，很大程度上，它的性能决定激光干涉仪的性能，要求波长（频率）精度高，功率大，寿命长，双频间隔（频差）大且稳定，偏振状态稳定，两频率之间不偏振耦合。这一问题的解决是作者较突出的贡献之一。（2） 频率稳定单元它的作用是保证波长（频率）这把尺子的精确性，达到10-8甚至10-9，即4.74×1014的激光频率长期的变化仅1 MHz左右。（3） 扩束准直器实际上是一个倒装的望远镜，防止光束发散。要求激光出射80 m，光束光斑直径仍然在10 mm之内。（4） 测量干涉光路测量干涉光路包括：从分光镜向右直到可动反射镜（实际是个角锥棱镜），向下到光电探测器2。可动反射镜装在被测目标上（如光刻机工作台上的反射镜），目标的移动产生激光束的频移Δf，Δf和目标速度成正比，积分就是目标走过的距离（位移或长度）。积分由信号处理单元完成。（5） 参考光路参考光路由分光镜-偏振片-光电探测器1实现，参考光路中没有任何元件移动，它测得的位移是“假位移”真噪声。噪声来自环境的扰动。信号处理单元从干涉光路的位移中扣除这一噪声。（6） 温度和空气折射率补偿单元干涉仪测量的目标位移可能长达百米，空气折射率（及改变）和长度的乘积成为激光干涉仪的最主要误差来源之一。用传感器测出温度、气压、湿度，信号处理单元计算出空气折射率引入的假位移，并从结果中扣除。（7）信号处理单元光电探测器1和2，分别把信号f1-(f2±∆f)和f1-f2的光束转化为电信号，±∆f是可动反射镜位移时因多普勒效应产生的附加频率，正负号表示位移的方向。电信号经放大器、整形器后进入减法器相减，输出成为仅含有±Δf的电脉冲信号。经可逆计数器计数后，由电子计算机进行当量换算即可得出可动反射镜的位移量。环境温度，气压，湿度引入的折射率变化（假位移）送入计算机计算，扣除他们的影响。最后显示。相当多的应用要求计算机和应用系统通讯，实现对加工过程的闭环控制。4. 激光干涉仪的应用一般说来，激光干涉仪的主要用途是测量目标的运动状态，即目标的线性位移大小、旋转角度（滚转、俯仰和偏摆）、直线度、垂直度、两个目标在运动的平行性（度）、平面度等。无论光刻机的机台，还是数控机床的导轨（包括激光加工机床），不论是飞行物，还是静止物的热膨胀、变形，一旦需要高精度，都要用激光干涉仪测量，得到目标的运动状态。运动状态用由多个参数给出。以光刻机两维运动中的一个方向运动时为例，位移（走过的长度）、机台位移过程中的偏 转（ 角 ）、俯仰 （ 角 ）和滚转（角）都需要测出。很多类型的设备需要测量，如各类机床、三坐标测量机、机器人、3D打印设备、自动化设备、线性位移平台、精密机械设备、精密检测仪器等领域的线性测量。图3（a）（b）（c）（d）（e）是几个应用的例子。美国LIGO激光干涉仪实验室宣称首次直接测量到了引力波(2016)，使用的仪器是激光干涉仪，单程臂长4 km。见图4。图3 激光干涉仪几个应用的例子来源：(a)(b)(c)由北京镭测科技有限公司提供，(d)(e)来自深圳市中图仪器股份有限公司网页图4 LIGO激光干涉仪来源：https://www.ligo.caltech.edu/image/ligo20150731c 5. 双频激光干涉仪发展存在的问题（1）国内外单频和双频激光干涉仪的进展及问题多年来，国内外在单频和双频激光干涉仪方面进步不大，特例是双折射-塞曼双频激光器的发明。由于从国外购买的激光器不能产生大间隔的双频光，原有国内双频激光干涉仪的供应商基本停产。以前作为基础研究的双折射-塞曼双频激光器被推到前台。双频激光器是干涉仪的核心技术，走在了世界前端，也解决了国内无源的重大难题。北京镭测科技有限公司的开发、纠错，终于使双折射-塞曼双频激光干涉仪实现产品化，进入先进制造全行业，特别是光刻机。北京镭测科技有限公司双折射-塞曼双频激光器达到指标：频率间隔可在1~ 30 MHz之间选择，功率可达1 mW。 频率差与激光功率之间没有相互影响，没有塞曼效应的双频激光器高功率和大频率差不能兼得的缺点。尽管取得进展，但氦氖激光器的制造工艺等是个系统性技术问题，需要全面改善。特别是，国外双频激光干涉仪的几家企业的激光器都是自产自用，不对外销售，因此，我们必须自己解决问题。（2）业界往往忽略干涉仪的非线性误差很长时期以来，业界认为单频干涉仪没有非线性误差。德国联邦物理技术研究院(PTB) 经严格测试发现，单频干涉仪也存在几纳米的非线性误差，甚至大于10 nm。塞曼效应的双频干涉仪也有非线性误差，也是无法消除。对此干涉仪测量误差，大多使用者是不知情的。到目前，中国计量科学院的测试得出，北京镭测科技生产的双频激光干涉仪的非线性误差在1 nm以下。建议把中国计量科学院的仪器批准为国家标准，并和德国、美国计量院作比对。非线性误差发生在半个波长的位移内，即使量程很小也照样存在。图5 中国计量科学研究院：镭测LH3000双频激光干涉仪在进行测长比对6. 双频激光干涉仪的未来挑战本文作者从事研究双折射-塞曼双频激光器起步到成批生产双折射-塞曼双频激光干涉仪，历经近40年，建议加强以下研究。（1）高测速制造业的发展很快，精密数控机床运动速度已达几m/s，有特殊应用提出达到10 m/s的要求。目前单频激光的测量速度还没有超过5 m/s。双折射-塞曼双频激光干涉仪的测速也处于这一水平，但其频率差的实验已经达到几十MHz，有待信号处理技术的跟进发展，实现10 m/s以上的测量速度。（2）皮米干涉仪市场上的干涉仪基本都标称分辨力1 nm，也有0.1 nm的广告。需要发展皮米分辨力的激光干涉仪以满足对原子、病毒尺度上的观测要求。（3）溯源前文已经提到，小于半波长的位移是把正弦波动信号电子细分得到标称的1 nm，和真实的1 nm相差多少？没有人知道，所以需要建立纳米、皮米的标准。作者曾做过初步努力，达到10 nm的纯光学信号，还需做长期艰苦的研究。（4）提高氦氖激光器寿命在未来很长一段时间，氦氖激光器仍然是激光干涉仪最好的光源，但其漏气的特点导致其使用寿命有限，替换寿命终结的氦氖激光器导致光刻机停机，会带来巨大经济损失。因此，延长氦氖激光器寿命十分有必要。没有测量就没有科学技术，没有精密测量就没有当今的先进制造，为此作者最近出版了题名《不创新我何用，不应用我何为：你所没有见过的激光精密测量仪器》的书籍，书的主标题似是铭志抒怀，而实际内容是一本地道的学术专著，书籍内容为作者的课题组近40年做出的创新成果总结。作者简介张书练，清华大学教授，博导。曾任清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室主任，清华大学光学工程研究所所长，主要研究方向为激光技术与精密测量，致力于激光器特性的研究和把这些特性应用于精密测量，是国内外正交偏振激光精密测量领域的的主要创始人。

2020年，由于新冠爆发，中国的红外热成像仪在测温领域取得了惊人增长。那么，2021年随着国内疫情趋于稳定，测温需求下滑，国内厂商的业绩表现如何呢？目前，我国红外热成像仪的生产厂家众多，本次将主要了解市场份额排在前列的四家国内厂商——高德红外、海康威视、睿创微纳和大立科技在2021年的业绩表现。核心技术方面，高德红外拥有完全自主知识产权的“中国红外芯”全套研制、批产技术，一举打破了西方多年的技术封锁、实现了完全自主可控，建成了三条8英寸（制冷碲镉汞、Ⅱ类超晶格、非制冷）红外焦平面探测器批产线。海康威视自建一条自主可控的8寸MEMS生产线及封装线，具备年产晶圆1万片，探测器百万颗的生产能力，在非制冷红外热成像传感器的先进集成电路设计、MEMS微桥结构设计、MEMS及封装制程开发、高真空封装技术等方面具备优势。睿创微纳自主研发的非制冷红外传感器焦平面阵列敏感材料制备、非制冷红外焦平面阵列设计与制备、非制冷红外焦平面探测器晶圆级封装技术、基于非制冷红外技术的高精度非接触式测温技术研发等均实现了量产。大立科技拥有国内唯一的非制冷红外焦平面探测器（非晶硅）产业化基地，发布的业内首款600万像素非制冷红外焦平面探测器，至今仍是国内最高分辨率的非制冷红外焦平面探测器。红外热成像仪国产厂商核心技术红外热成像仪国产厂商高德红外海康威视睿创微纳大立科技核心技术建成了三条8英寸（制冷碲镉汞、Ⅱ类超晶格、非制冷）红外焦平面探测器批产线非制冷红外热成像传感器技术(自建8寸MEMS 生产线及封装线)非制冷红外传感器焦平面阵列敏感材料制备；非制冷红外焦平面阵列设计、制备；非制冷红外焦平面探测器晶圆级封装技术；基于非制冷红外技术的高精度非接触式测温技术研发国内唯一的非制冷红外焦平面探测器（非晶硅）产业化基地，国内最高分辨率的非制冷红外焦平面探测器营业收入方面，截至2021年第三季度，高德红外、海康威视、睿创微纳年初至报告期末营业收入均有不同程度增长——高德红外营业收入24.54亿元，比同期增长26.26%；海康威视营业收入556.30亿元，比同期增长32.38%；睿创微纳营业收入12.09亿元，比同期增长12.15%。大立科技截至2021年第三季度期末，防疫类产品收入975.23万元，较上年同期减少98.18%，非防疫类产品业务收入实现161.22%的大幅增长，防疫类产品收入大幅减少是影响其营收的重要因素。2021年第三季度财报中营收情况红外热像仪国产厂商年初至报告期末营业收入（元）年初至报告期末比上年同期增减变动幅度(%)高德红外2,444,778,946.4126.26海康威视55,629,267,490.8832.38睿创微纳1,208,508,540.9412.15大立科技741,397,083.44-9.37净利润方面，截至2021年第三季度，高德红外和海康威视归属于上市公司股东的净利润及归属于上市公司股东的扣除非经常性损益的净利润增加，而睿创微纳和大立科技归属于上市公司股东的净利润及归属于上市公司股东的扣除非经常性损益的净利润减少。相比同期，高德红外研发投入2.38亿元，增加15.15%；海康威视研发投入60.64亿元，增加27.90%；睿创微纳研发投入2.09亿，增加67.11%；大立科技研发投入2175.20亿，增加27.10%。2021年第三季度财报中归属于上市公司股东的净利润情况红外热像仪国产厂商归属于上市公司股东的净利润（元）年初至报告期末比上年同期增减变动幅度(%)高德红外919,328,504.1615.49海康威视10,965,641,158.1129.94睿创微纳423,682,306.65-8.84大立科技250,845,311.53-25.962021年第三季度财报中归属于上市公司股东的扣除非经常性损益的净利润情况红外热像仪国产厂商归属于上市公司股东的扣除非经常性损益的净利润（元）年初至报告期末比上年同期增减变动幅度(%)高德红外898,761,131.0914.26海康威视10,693,898,565.4433.01睿创微纳392,696,685.26-10.29大立科技190,528,629.69-42.05综合来看，截至2021年第三季度，国内红外热成像仪厂商总体营收呈增长态势，尽管不同程度受到防疫产品需求下滑带来的不利影响，但在非防疫类的红外热成像仪市场也各自通过规划布局取得了大幅增长。此外，在研发投入上，各大厂商也纷纷加大了研发力度，力求通过提升技术水平，稳固当前占据的市场份额，并加速进入红外热成像仪应用的新兴领域。2021年第三季度财报中营收和净利润情况红外热像仪国产厂商年初至报告期末营业收入（元）年初至报告期末比上年同期增减变动幅度(%)归属于上市公司股东的净利润（元）年初至报告期末比上年同期增减变动幅度(%)归属于上市公司股东的扣除非经常性损益的净利润（元）年初至报告期末比上年同期增减变动幅度(%)高德红外2,444,778,946.4126.26919,328,504.1615.49898,761,131.0914.26海康威视55,629,267,490.8832.3810,965,641,158.1129.9410,693,898,565.4433.01睿创微纳1,208,508,540.9412.15423,682,306.65-8.84392,696,685.26-10.29大立科技741,397,083.44-9.37250,845,311.53-25.96190,528,629.69-42.05