成像科學與技術的案例
多模式硬X射線顯微成像：超高分辨率（近10 納米）和其在材料科學研究中的應用
特別對與掃描顯微成像，并行多模式的成像方式使得不同的信息的空間分布可以同時獲得，因此在很多科學領域具有極大的應用需求。 由于聚焦硬X射線非常困難， 提高其空間分辨率一直是一個巨大的挑戰。特別是到10 納米量級，基本接近現有光學器件的衍射極限。
【成果簡介】
近日，美國布魯克海文國家實驗室國家先進光源II（NSLS-II）的嚴函斐博士（第一作者，通訊作者）及同事，康涅狄格大學Wilson Chiu教授以及克萊門大學Kyle Brinkman教授合作，報道了利用一種特殊的多層膜勞埃鏡（MLL）聚焦硬X射線接近衍射極限，并用不同的方法確認了近10納米的掃描成像分辨率。采用重疊關聯衍射成像中的迭代相位恢復算法（ptychography），分辨率可以進一步提高到10納米以下。利用納米小光斑和光柵掃描，這個小組研究了一種離子電子混合導電膜（廣泛應用于燃料電池和氣體分離技術）并得到了這種材料的在極高分辨率上的熒光，吸收，微分相位和相位圖。前者給出元素分布，后三者給出電子密度，結構和形貌分布。在納米尺度上，觀察到了一個新生成的材料相。這是硬X射線掃描顯微學在近10納米分辨率上的第一個科學應用，并宣告進入10納米時代。相關成果以題為“Multimodal hard x-ray imaging with resolution approaching 10nm for studies in material science” 發表于IOP頂級期刊Nano Futures上。
【圖文導圖】
圖1 硬X位于美國布魯克海文國家實驗室國家先進光源II的硬X射線掃描站（HXN）示意圖
NSLS-II是美國近年建造的第三代同步輻射光源，以提供高空間分辨率和高能量分辨率的巨大需求。其中HXN提供世界領先的空間分辨能力。整個束線可以認為是一個120米長的超級X射線掃描顯微鏡。
展開 懸浮成像技術與VR，Ansys Speos光學在手機背殼立體成像中的應用
為了實現手機外觀設計的差異化，各家廠商開始在手機背殼上越來越多地應用新型光學成像技術。當前，使用集成成像技術的懸浮成像技術開始被多家手機廠商應用于其高端型號的背板設計上。
懸浮成像技術，又稱空中成像技術，是一種通過特殊的光學裝置將圖像投射到空中，形成懸浮在空中的三維立體影像技術。作為一種全新的顯示和交互技術，懸浮成像技術的獨特魅力體現在其能夠在無實體接觸的情況下實現立體、真實的空中成像，并支持直觀的人機交互體驗。
近年來，在相關企業的積極推動下，搭載這一先進技術的產品正在逐步從實驗室走向市場，實現商業化落地。例如，部分智能座艙、懸浮精靈以及車載顯示產品已成功實現了規模化量產。但由于懸浮成像技術的設計和仿真難度，供應商通常要耗費比通常設計更多的時間成本和打樣次數來獲得理想的產品效果。因此，供應商們需要通過光學仿真軟件來實現最優的產品解決方案。
作為一款專業用于光學設計、環境與視覺模擬系統、成像應用的光學仿真軟件，Ansys Speos提供完美的可視化光學系統和直觀的人機交互平臺。基于三維模型CAD數據，Ansys Speos進行人眼視覺分析和人因環境評估，在產品設計階段對方案可行性進行驗證，在設計前期發現、反饋和處理問題，實現最優的產品解決方案。
基于此，7月18日，Ansys 系列網絡研討會將推出「Ansys 光學在手機背殼立體成像中的應用」主題。在本次研討會中，將介紹通過Ansys Speos搭建和仿真懸浮成像技術的方法，幫助設計者預測產品成像效果，定位設計錯誤，降低打樣次數從而降低設計成本。另外Ansys Speos 支持在VR頭顯中直接觀察懸浮成像效果，相比于普通屏幕，通過VR頭顯，設計者可以直接觀察到產品的懸浮效果，實現對設計更加高效的評估。
展開 光刻技術第7期 | 二維與三維矢量成像模型對比-零波像差雙遠心成像
光刻成像模型中x-y坐標系和i-j坐標系示意圖
在二維矢量成像模型中，光瞳面的瓊斯矩陣（二維形式）可以轉換為3×3的矩陣（適配三維分析）：只需借助入瞳側轉換矩陣T?與出瞳側轉換矩陣T?，將這兩個矩陣與瓊斯矩陣依次結合，即可得到對應的三維矩陣。
而這兩個轉換矩陣的參數，由入瞳、出瞳處衍射光的方向余弦決定（比如入瞳的α?、β?、γ?，出瞳的α?、β?、γ?）——這些方向信息是實現二維到三維矩陣轉換的關鍵支撐。
坐標系一致性與矩陣等價條件
?物方坐標系一致性：若光刻成像模型中各級次衍射光從物面到入瞳面的i-j坐標系，與光線追跡中對應光線在第一個面前的i-j坐標系一致，則Oo與To相等；否則不相等。
?像方坐標系一致性：若各級次衍射光從出瞳面到像面的i-j坐標系，與光線追跡中對應光線在最后一個面后的i-j坐標系一致，則Oi與Ti相等；否則不相等。
零像差雙遠心物鏡下的一致性
當采用零像差雙遠心物鏡時，二維矢量成像模型的假設成立：
?成像模型中入瞳面各級衍射光傳播方向與光線追跡中對應光線在第一個面前的傳播方向相同；
?出瞳面各級衍射光傳播方向與光線追跡中對應光線在最后一個面后的傳播方向相同。
因此，成像模型中各級次衍射光在物方和像方的i-j坐標系，與光線追跡中對應光線的i-j坐標系相同，即Oo與To、Oi與Ti相等，三維矢量成像模型和二維矢量成像模型仿真結果相同。
03/先進技術與未來發展方向
1. 先進制程與新光源適配升級
面向3nm及以下節點，開發EUV光刻雙遠心物鏡適配的三維矢量模型，深化極紫外光與遠心偏振光路的耦合作用機制研究。針對高NA雙遠心物鏡（NA>1.5），構建“遠心度-偏振態-深度衍射”多物理量耦合模型，解決超高清三維圖形的成像畸變問題。
展開 光刻技術第8期 | 二維與三維矢量成像模型對比-零波像差非雙遠心成像
當物鏡所成像不在無限遠處時，光線經過出瞳面后，其傳播方向在 z 軸上的方向余弦可以表示為：由橫向方向余弦（kx,ky）推導得出的平方根形式，具體會關聯到像面與出瞳面的位置參數（α?、α?、β?、β?）。
而在偏振光學的計算中，三維偏振光線矩陣與瓊斯矩陣之間，可通過入射光學系統的瓊斯矩陣（J）、入瞳面偏振矩陣（O?）、出瞳面偏振矩陣（O?）的運算來實現轉換。
先進技術與未來發展方向
面向3nm及以下節點，開發EUV非雙遠心適配模型，深化極紫外光與矢量光場耦合機制研究；結合Transformer架構與FPGA加速，實現毫秒級動態光場仿真，搭建數字孿生系統實時調整參數；跨場景拓展：拓展至生物芯片、量子芯片光刻，構建多材質適配模型，支撐全鏈路工藝優化。
展開 
刑事科學技術裝備技術參數
刑事科學技術裝備技術參數.doc
光譜成像技術如何重塑視覺邊界？
</p><p><strong>二、按光譜分辨率分類</strong></p><p><strong>（1）多光譜成像儀</strong></p><p>獲得的目標物的波段數在3~12之間，光譜分辨率一般在10nm-30nm，主要用于農作物分類等方面。</p><p><strong>（2）高光譜成像儀</strong></p><p>獲得的目標物的波段數在100~200之間，光譜分辨率在10nm左右，被廣泛用于礦物勘探、醫學腫瘤邊界檢測、工業質檢中。</p><p><strong>（3）超光譜成像儀</strong></p><p>獲得的目標物的波段數在1000~10000之間，光譜分辨率在1nm以下，通常用于大氣微粒探測等精細探測領域及實驗室級分子光譜分析中。 </p><p><strong>三、按技術原理分類</strong></p><p><strong>（1）色散型（根據色散原理）</strong></p><p>通過棱鏡或光柵分光，直接分離不同波長的光。<strong>該技術成本低廉，能夠同時對所有波長進行成像，技術比較成熟。但同一時刻只能獲得一條線的影像，光譜分辨率容易受到狹縫寬度的限制，很難做到5nm以下。</strong>通常應用于工業線掃描相機、醫學影像等。
展開 機器人視覺三維成像技術全解析
摘要
本文針對智能制造領域機器人視覺感知中的三維視覺成像技術進行綜述,系統地總結了一些有代表性的機器人視覺成像方法的特點和實際應用中的局限性,內容涉及飛行時間三維成像、點線掃描三維成像、色散共焦成像、結構光投影三維成像、光學偏折成像、單目與多目立體視覺三維成像和光場成像等。繪制了各種視覺成像的圖譜,并探討了機器人手眼系統最佳三維成像方法。
在工業4.0時代，國家智能制造高速發展，傳統的編程來執行某一動作的機器人已經難以滿足現今的自動化需求。在很多應用場景下，需要為工業機器人安裝一雙眼睛，即機器人視覺成像感知系統，使機器人具備識別、分析、處理等更高級的功能，可以正確對目標場景的狀態進行判斷與分析，做到靈活地自行解決發生的問題。
一、機器視覺系統組成
典型的機器視覺系統可以分為：圖像采集部分、圖像處理部分和運動控制部分。基于PC的視覺系統具體由如圖1所示的幾部分組成：
圖1 機器視覺系統組成
①工業相機與工業鏡頭——這部分屬于成像器件，通常的視覺系統都是由一套或者多套這樣的成像系統組成，如果有多路相機，可能由圖像卡切換來獲取圖像數據，也可能由同步控制同時獲取多相機通道的數據。根據應用的需要相機可能是輸出標準的單色視頻（RS-170/CCIR）、復合信號（Y/C）、RGB信號，也可能是非標準的逐行掃描信號、線掃描信號、高分辨率信號等。
②光源——作為輔助成像器件，對成像質量的好壞往往能起到至關重要的作用，各種形狀的LED燈、高頻熒光燈、光纖鹵素燈等都容易得到。
展開 光刻技術第4期 | 光刻成像理論
01/簡介
光刻成像理論的演進與物鏡NA發展緊密耦合。半導體工藝早期，光刻系統以低數值孔徑（NA<1）為特征，光的傳播與成像可通過標量光刻成像理論精準描述，其核心是將光場視為標量、忽略偏振特性，該簡化在低NA場景下誤差極小且能降低模型復雜度，為早期光刻技術產業化奠定理論基礎。
此階段技術研發圍繞“標量計算光刻成像RET”展開，基于瑞利-索末菲衍射模型等標量模型，結合光源優化、OPC等逆向算法，通過調整光源強度、修正掩模邊緣等補償光學鄰近效應，實現關鍵尺寸（CD）精準控制，例如90nm-45nm節點中，標量計算光刻通過添加SRAF拓寬工藝窗口，滿足當時芯片制造需求。
隨著工藝進入28nm及以下節點，為突破衍射極限，光刻系統采用高數值孔徑（NA>1）浸沒式設計，通過填充高折射率（n≈1.44）液體將有效NA提升至1.35以上。此時光的偏振特性影響不可忽略，高NA下光場在物鏡邊緣傳播方向與光軸夾角增大，不同偏振態光的衍射效率和傳播特性存在差異，標量理論“忽略偏振”的假設會導致成像誤差劇增，無法滿足CD均勻性要求，這一瓶頸直接推動光刻成像理論從“標量”向“矢量”范式轉換，矢量光刻成像理論隨之產生。
02/矢量成像模型
二維矢量光刻成像模型聚焦平面圖形的高保真成像，主要應用于邏輯芯片的二維關鍵圖形（如柵極、接觸孔陣列）。它在局部坐標系和全局坐標系下分別構建理論框架，局部坐標系以單個圖形單元為原點，可簡化局部光場計算，實現單個圖形 CD 均勻性與邊緣精度的精細優化；全局坐標系以整個曝光視場為基準，能分析全視場偏振像差的空間分布差異，實現全視場二維圖形成像均勻性的全局優化。
展開 光刻技術第5期 | 二維矢量光刻成像
01/簡介
光刻技術，作為半導體芯片制造的“靈魂工序”，直接決定芯片的制程精度與性能上限，更是全球半導體產業競爭的核心制高點。當制程節點邁入5nm及以下的精微領域，芯片關鍵尺寸已逼近原子級別，傳統標量成像理論因無法精準捕捉光的偏振特性對成像精度的影響，已難以滿足關鍵尺寸均勻性（CDU）的嚴苛要求，制程升級陷入瓶頸。
在此背景下，二維矢量光刻成像模型應勢而生，憑借對矢量光場與偏振像差的精準把控，成功突破衍射極限，成為先進邏輯芯片制造的核心技術支撐，為7nm、5nm乃至3nm制程的落地注入強勁動力，推動半導體產業實現跨越式發展。
矢量光刻成像模型
二維矢量光刻成像流程簡潔高效且精準可控，每一步都經過嚴苛的技術打磨：光源經定制化照明系統進行勻光、偏振調控后，均勻照射在高精度掩模上，掩模上的二維圖形會對入射光進行選擇性衍射；衍射出的光進入高數值孔徑物鏡系統后，系統會在入瞳與出瞳處通過特殊光學結構完成偏振態、相位及振幅的精準調控，濾除無效雜光，保留有效成像光；最終，經過調控的光在硅片像面精準匯聚，實現高保真成像。
整個過程中，掩模圖形的最終成像光強，由不同照明出瞳點照射形成的像光強疊加而成，這種疊加機制確保了即使在大視場曝光場景下，圖形的邊緣精度與內部均勻性也能得到雙重保障，有效避免了傳統光刻中“邊緣模糊、中心失真”的問題。
02/構造模型
1.物方衍射遠場：
采用傅里葉變換技術，將掩模表面復雜的光場分布轉化為物方衍射遠場Efar，分離不同偏振方向的光場分量特征。而近場光場的形成直接與入射照明光的偏振態有關，通過提前調控照明光偏振方向，可針對性強化關鍵圖形的光場信號。
展開 前沿進展 | 多焦點光場顯微成像技術
在后續的工作中，研究人員將探索更復雜的相位編碼，進一步優化sLFM的成像性能，推動高質量大范圍活體三維成像技術的發展。
主要作者
戴瓊海，教授，博士生導師。清華大學信息學院院長、中國工程院院士、中國人工智能學會理事長。從人工智能立體視覺、計算成像到腦與認知開展了基礎理論與關鍵技術系列研究，承擔了國家973、重大儀器和基礎科學中心等項目。在Nature, Cell, Nature Biotechnology, Nature Methods, Nature Photonics等發表論文百余篇，培養研究生百余名。獲國家技術發明一等獎、國家科技進步獎二等獎、全國高校黃大年式教師團隊。
季向陽，清華大學自動化系教授，獲國家杰出青年科學基金、國家“萬人計劃”領軍人才、中國青年科技獎等人才獎勵。主要研究方向為光學成像、視覺信號獲取與智能處理等。主持基金委重大科研儀器研制項目“散射場景編碼攝像儀器”、科技部重點研發計劃“無人系統自主智能精準感知與操控”等一系列國家重大科研項目。
展開 CCUS新技術：我國碳捕集利用與封存技術發展研究丨中國工程科學
主要從事油氣藏開發基礎理論和關鍵工程技術研究。
文章來源：中國工程科學
光刻技術第6期 | 三維嚴格矢量光刻成像
?在網格點不夠多的情況下，各級衍射光在光瞳面上的坐標(fx,fy)和采樣點坐標(fm,fn)之間的差異造成兩個三維偏振追跡矩陣Pfx,fy和Pfm,fn之間存在差異，從而導致成像結果存在誤差。在網格點足夠多的情況下，該誤差可以忽略不計。
04/先進技術與未來發展方向
厚掩模衍射精準建模技術突破了傳統薄掩模近似瓶頸，基于嚴格耦合波分析（RCWA）與時域有限差分（FDTD）方法，構建厚掩模多層結構的電磁散射模型，通過旋轉變換與維度縮減算法降低計算開銷，實現掩模吸收層散射效應的精確表征，在14nm以下節點將衍射近場預測誤差控制在5%以內。針對EUV光刻高寬比掩模，開發多材質耦合衍射模型，解決Ta吸收層深度衍射帶來的成像畸變問題。
三維偏振像差調控技術通過建立“視場-深度”二維偏振像差映射模型，采用瓊斯矩陣張量表征偏振態的三維演化規律，結合全視場多目標優化算法，實現偏振像差的定量分離與動態校正。創新偏振-光瞳協同優化策略，在3D NAND堆疊圖形中，將偏振像差導致的CD偏差從12nm降至3nm以內。
此外，面向3nm及以下節點，構建EUV光刻專屬三維矢量模型，深化極紫外光與多層掩模的矢量相互作用機制研究。針對垂直堆疊結構，開發“深度-偏振-劑量”多維度耦合優化模型，實現亞納米級CD均勻性控制。
通過推進AI與物理驅動建模的深度融合，利用Transformer架構捕捉三維光場長距離依賴關系，結合FPGA硬件加速實現毫秒級動態光場仿真。探索數字孿生技術應用，搭建光刻過程虛實映射系統，實現三維模型參數的實時自適應調整。
展開 “神工坊”團隊榮獲2022年度中國電工技術學會科學技術獎一等獎
近日，2022年度中國電工技術學會科學技術獎揭曉，“神工坊”團隊參與申報的“電機先進分析設計方法、仿真平臺開發及應用”項目榮膺2022年度中國電工技術學會科學技術獎一等獎。
中國電工技術學會科學技術獎是2001年經國家科學技術獎勵主管部門批準設立的首批社會力量設獎，以獎勵在電氣工程領域科技進步中作出突出貢獻的單位和個人。多年來，中國電工技術學會科學技術獎得到廣大科技工作者的熱切關注和大力支持，已經成為業內知名獎項。
“電機先進分析設計方法、仿真平臺開發及應用”項目由哈爾濱工業大學牽頭，“神工坊”團隊深度參與，針對電機優化平臺計算和服務需求，通過研發國產超級計算機“神威·太湖之光”工程計算共性支撐技術，對國產超算上自主高性能計算支撐環境進行了完善升級。例如，神工坊團隊開發的非結構加速套件UNAT（點擊了解詳情）能夠克服國產超算“編程墻”，大幅提升復雜電機系統研發效率。
最終，本項目通過產學研合作、優勢互補、協同攻關和自主創新，在電機的先進分析設計方法、關鍵技術及應用方面取得了多項重大突破，研發了國際首個基于超級計算機的電機優化設計仿真平臺，實現電機電磁-熱、熱-應力等物理場強耦合分析，開發100多種通用和專用電機優化設計仿真APP。相關技術在大型發電設備、新能源汽車、綠色家電、工業伺服等行業取得廣泛應用，創造了顯著的經濟效益和社會效益。
不僅是電機優化設計仿真，隨著工業4.0的到來，仿真成為工業數字化的重要引擎。為了推進工業基礎設施國產化，助力制造業高質量發展，國家超級計算無錫中心基于超級計算機的強大算力，推出“神工坊”高性能工業仿真平臺（點擊查看詳情）。
展開 多光譜成像+AI系統技術是如何來監測植被的？
蜂巢航宇無人機基于多光譜成像+AI系統技術對植被（包括農作物、經濟作物、草場和森林等）的長勢和病蟲害監測有機動靈活、及時、快速、成本低廉、精確度高的優勢，可以為農林業的信息化和現代化作出貢獻。特別是提供及時準確的作物生長信息有益于合理使用肥料和農藥，直接為改善和保護環境提供幫助。
聲學在科學技術中的十大作用（上）
另一方面，為超聲電子技術進一步發展的需要，推動相應的理論基礎同時發展起來。除有關聲表面波的基礎理論迅速發展之外，也推動聲與半導體載流子、聲與聲、聲與光等相互作用的機理的研究和發展。作為聲波的激發、傳播和檢測的基礎，晶體物理與技術也相應地進一步向縱深發展起來。
5、生物醫學超聲
自第二次世界大戰以來，先進的工程技術與生物醫學相結合，逐步發展形成了一個新的科學技術分支，稱為生物醫學工程。20世紀后半期，生物醫學發展很快，將超聲技術與生物醫學相結合，即形成生物醫學超聲分支學科。
近年來，超聲診斷在醫院中已普遍推廣，許多疾病都可由超聲診斷儀器（如A型掃描儀，B型超聲斷面顯像儀，多普勒血流圖等等）早期發現。超聲多普勒成像系統可以對顱腦內血管及血流情況以彩色圖形進行實時顯示。甚至發展對全身各部位的血流進行多普勒彩色圖形顯示。超聲與X光、核磁共振成為醫學三大診斷手段。
為了能更準確地診斷早期病灶，了解聲波參量與生物組織的生理和病理狀態之間的關系是至關重要的。因此，聲波在生物器官和組織內的傳播規律的研究引起很大重視，超聲診斷儀器設備也不斷發展之中。最近，利用非線性參量成像，有別于上述的根據聲速和衰減等線性參量成像的傳統設備，對生物組織的病理現象更為敏感。
此外，還將多媒體技術用于超聲診斷，建立圖形檔案與通訊系統，其特點是可以存儲管理大量病人超聲診斷圖像信息，并進行三維組合形成立體信息。
大功率超聲還可使人體局部加熱，并且超聲波的振動可進人體，因此，熱效應、振動效應以及由強振動引起的空化效應均可以用于治療疾病，促進藥物擴散。甚至用于外科手術，如眼科手術、骨骼修復，腫瘤消除等等。
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