三维显微光切法表面粗糙度的非接触测量技术

基于三维视觉检测原理对三维显微光切法表面粗糙度非接触测量技术进行研究。使激光光线与被测工件表面相切,利用工业相机采集获取表面微观轮廓,采用图像处理技术恢复出微观轮廓的几何形貌。根据设计算法,由表面粗糙度评定算法得到表面粗糙度的R_a、R_z等评定指标。这种测量方法效率高,适用范围广,且非接触式测量可避免对工件表面的损坏。     

表面三维微观形貌检测技术及其发展

从表面特征衡量的角度阐述三维参数评定的客观性及合理性,强调三维微观形貌测量的重要民生。介绍当前表面三维微观形貌检测的多种测量方法及其特点,并阐述该测量技术的发展及趋势,提出表面形貌检测应从简单过程检测的角度扩展到完成工艺优化角色的思想。     

基于功能特性的MEMS表面结构三维测量评定探索

MEMS表面结构质量对其功能特性具有重要的影响,本文专门探索研究了MEMS表面结构三维测量评定,主要分析了其表面结构质量对其功能特性影响,并举例进行了分析;提出了基于功能特性的MEMS表面结构三维测量评定综合参数、测量评定流程方案.     

基于回转密封表面微观构造缺陷所导致的功能失效及其监控

轴类零件回转密封面的微观构造缺陷将有可能引起动力总成类产品内腔的工作介质外泄,从而导致因功能失效而造成严重的质量问题。本文从回转密封表面微观结构的形貌特征出发,对其成因做了详细说明,描述了利用精密的表面轮廓仪、简单实用的悬线偏移法以及在线光学测量等三种检测方案,并介绍了以标准形式提出的用于评定回转密封面螺线状态的规范方法。     

加工表面形貌测量理论、方法及评价

随着精密、超精密及纳米级加工技术的发展,对工件表面的微观几何结构及表面形貌特性的检测提出了越来越高的要求,传统的二维表面测量,评定方法发展较为成熟,但已经不能满足现代计量技术的需要。三维的测量,评定方法则是目前国内外研究的重点。本文就表面测量方法、理论及评价指标等进行了论述。     

用于表面微观形貌测量的光学方法

介绍了在表面微观形貌测量中常用的光学测量方法,分析了它们各自的原理和优缺点,并对光学法表面微观形貌测量技术的发展作了简要评述。     

亚纳米级超精细表面微观形貌光电测量技术的现状与发展

通过对亚纳米级超精细表面微观形貌光电测量技术发展现状的介绍，着重阐述了激光差动干涉到同轴式激光表面微观测量的原理，对四种典型同轴式激光轮廓仪的特点以及影响表面微观形貌测量精度和限制测量分辨率的因素进行了分析，介绍了作者关于同轴式激光轮廓仪运用到超精加工金刚石车床上进行纳米级微观形貌在线检测的研究成果。     

基于CCD的高精度非球面测量与控制技术

高精度非球面具有广泛的、潜在的应用前景,非球面加工中的表面精度测量及补偿控制是制约其加工过程的关键因素.提出了基于CCD成像技术在线动态测量非球面的表面精度,研究了在线动态测量控制的结构方案,建立了基于CCD作为测量环节的计算机控制光学表面成形系统,提出了对表面精度的加工采用宏观形貌和微观形貌分段测量与控制的方法.     

表面粗糙度Rz值的测量与计算

微观不平度10点高度Rz是广泛应用的表面粗糙度基本评定参数之一。Rz比较直观,但只反映被测表面轮廓的峰谷起伏高度,不能表征不平峰谷的钝锐程度(几何特性)。测量时易受测量者主观影响,如选点不同,测量结果有较大差异。由于当前现有轮廓仪大多用于常用数值范围内(Ra为0.025～6.3μm,Rz为0.1～25μm)Ra值的测量,其余的,特别是超精加工表面粗糙度通常用光学仪器测量Rz,在此情况下对Rz值测量的研究更有必要。     

超精密加工表面微观形貌的光学测量方法

介绍了几种典型的超精密加工表面微观形貌光学测量方法的测量原理及优缺点,评述了表面微观形貌光学测量技术的发展动态。     

Profile evaluation of radial Fresnel lens directly machined on roller molds by rotating-tool diamond turning

In Roll-to-Roll manufacturing of high-quality optical Fresnel lens films, a high-precision roller mold with super-fine surface quality is essential to precisely transfer the functional microstructures from the periphery roller surface onto the flexible substrate. Unfortunately, direct diamond turning of deep circular grooves on the periphery surface of a roller mold was considered infeasible. Recently, the team has developed a novel 4-axis interactive tool-workpiece motion, Rotating-tool diamond turning (RDT), as a solution to overcome this challenge. Experiments were conducted to justify the capability of the proposed RDT process by directly machining a radial Fresnel lens on a brass roller mold, but without precise 3D profile evaluation of the lens on the roller surface. On-machine measurement of the machined lens structures using 3D touch probe is not applicable because the diameter of the probe is relatively large to penetrate into steep grooves of the Fresnel lens. On the other hand, off-machine measurement using stylus profilometer will introduce inevitable alignment errors during the measurement and lead to mismatched machining and measurement coordinates, making it difficult to evaluate the 3D lens profile generated by the RDT process eventually. In this study, a compensation and comparison algorithm is presented to precisely evaluate the form error between the machined and designed features in a three dimensional manner. Alignment errors generated when positioning the roller mold on the stylus profilometer are investigated and quantified through analyzing the characteristics of this unique micro structure with Fresnel lens wrapped on the roller periphery. As a conclusion, the machined lens structure is compensated and restored to compare with the designed profile, and the form error is obtained with the sources of errors analyzed. Such profile compensation and comparison method can be applied in other measurement and characterization studies on evaluation of complex optical structures patterned on roller molds for Roll-to-Roll manufacturing of advanced functional films.     

基于多图像融合的MEMS显微三维形貌重构

针对微型机电系统(MEMS)的三维测量,显微镜或光学轮廓干涉仪等传统方法存在显微测量精度低、设备成本高等问题,且当结构含有较多断裂面时,解包裹算法效果欠佳。本文提出一种基于多图像融合的MEMS显微三维测量方法。不同于多角度显微三维测量方法,本研究首先利用单目显微镜,通过单一轴向移动获取一系列测量目标深度信息的单一角度图像,并利用去雾算法对图像进行预处理,实现了去噪和有效信息提取的目的;然后通过聚焦测度算法获取待测对象的深度信息;最后利用数据处理软件进行三维拟合。基于上述原理,本文以焦平面阵列(FPA)作为待测目标进行了测量实验。本文提出的三维测量方法和图像处理算法可获得更准确的FPA形貌,可清晰显示反射面与支腿部分及反射面上的释放孔,测得FPA的支腿长度为110.6μm,每个反射面的像元尺寸为120.8μm×70.8μm,与设计值基本吻合,解决了断裂面难以测量的问题,同时降低了微结构测量的难度和成本。单目显微镜单向移动的多图像融合测量技术对MEMS的三维形貌测量具有重要意义,去雾算法在图像融合与三维测量的图像处理也有很好的应用价值。     

基于轮廓法的金刚石线锯整周三维表面形貌测量和评价

针对毫米级尺度线径和微米级尺度磨粒的金刚石线锯整周三维表面形貌测量难以实现与定量评价问题,提出一种基于轮廓法的圆周扫描表面磨粒形貌测量与分析方法。通过显微测量系统沿周向扫描采集金刚石线锯对应的边缘轮廓图像序列,经图像处理后获得金刚石线锯整个圆周表面形貌的坐标点云,采用三次样条插值法对数据进行平滑处理,经圆柱坐标变换处理,可重构金刚石线锯三维表面形貌。在金刚石线锯常用评价参数基础上,提出基于扫描过程二维投影轮廓和三维重构形貌的综合评价参数。采用自行研制的测量系统,对两个规格的线锯（线径外径分别为0.250 mm、0.320 mm;磨粒粒径范围30~40 μm）进行测量和评价。试验结果表明：该方法无需多次拼接,就可完成金刚石线锯整周三维微观形貌测量,并能实现对线锯特征参数的全面评价,可为线锯本身制造及使用过程中的工艺优化提供更加客观的基础数据。     

A New Method of Non-Contact Measurement for Microtopography in Semiconductor Wafer Implementing a New Optical Probe Based on the Precision Defocus Measurement

In this paper, a new method of non-contact measurement has been developed for 3D topography for a semiconductor wafer, implementing a new optical probe based on precision defocus measurement. The developed technique consists of the new optical probe, precision stages, and the measurement/control system. The basic principle of the technique is to use the reflected slit beam from the specimen surface to measure the deviation of the specimen surface. The defocusing distance can be measured by the reflected slit beam, where the defocused image is measured by the proposed optical probe, giving very high resolution. A distance measuring formula has been proposed for the developed probe, using the laws of geometric optics. A precision calibration technique has been applied, giving about 10 nm resolution and 72 nm four-sigma uncertainty. In order to quantitise the micro pattern on the specimen surface, some efficient analysis algorithms have been developed to analyse the 3D topography pattern and some parameters of the surface. The developed system has been successfully applied to measure the wafer surface, demonstrating the line scanning feature and the excellent 3D measurement capability.     

表面形貌的研究现状及发展趋势

对国内外表面形貌测量仪器、表征方法研究情况进行了阐述,并指出了其发展趋势。随着纳米技术、激光测量等相关技术的发展和新的先进数学方法,如分形理论、小波分析等应用于表面表征中,表面测量仪器、表征方法也越来越多;二维参数表征已不能满足工程界的要求,三维表征参数将取代原来的二维参数;粗糙表面的分形特性研究主要集中在机加工表面与磨损表面,开展密封表面的分形特性研究将大大促进密封技术的发展。     

面向MEMS构件在线检测和三维外型测量的立体视觉系统

开发了可用于MEMS微制造和微装配过程的一种面向MEMS构件的在线监测和三维外型测量的视觉系统。介绍了该系统的设计、结构、工作原理及实现，并讨论了立体视觉模块的一些关键技术。参考微操作系统的原理，将立体视觉技术引入MEMS构件的检测，实现了由体视显微镜和一个CCD摄像机构建光学系统的三维外型视觉测量系统。实验结果表明，该系统是一种有效的三维检测解决方案。加以少量结构改进，该系统可以用于微制造和微操作过程中对MEMS构件的在线监测和三维外型的视觉测量。     

基于随机编码结构光的双目立体三维测量系统

基于双目立体视觉理论建立的三维测量方法具有非接触、大视场、较高精度以及实时性强等优点,因此在工业众多领域得到广泛的应用。立体匹配是实现双目立体测量的关键技术。为了提高匹配精度和鲁棒性,将一种随机编码结构光投射到被测物体表面,使物体表面具有丰富的纹理信息,从而使立体匹配不受自身表面纹理的影响,而且具有较强的抗外界噪音的能力,满足现场测量的要求。该方法仅需拍摄1次,完成一次三维测量仅需十几秒,因此能够应用到动态场景并且实现快速三维测量。     

实物三维数字化技术

本文分析了接触式三座标和非接触式光学实物三维数据采集技术。分析了非接触式光学采集的光三角法原理,比较了三种结构照明方式,包括点光源照明、线光源照明、面结构光照明,并对几种实体三维数据采集方法进行比较。探讨了实物三维数字化技术在逆向设计、实物复制、制造质量检验等方面的应用。     

新型自由曲面三维激光扫描系统

从机械结构、控制系统及操作系统结构等几个角度介绍一种三维激光扫描系统设计方案。系统集成了先进的数据处理技术、激光扫描技术、先进控制技术及机器人技术,有效地借助于光机电一体化技术实现了表面检测及三维表面模型重构智能化及自动化。系统由具有电驱动装置的激光测头、C形滑臂、升降旋转台、电控系统及主控计算机组成。通过所设置测量参数,系统能够对不同的被测物体进行扫描路径规划,进而通过激光测头、C形滑臂及转台的全自动协调控制完成无盲点三维表面测量任务。试验结果表明,该三维激光扫描系统的扫描精度达到0.1 mm,速度为10 000点/s,能够应用于小型工件及模型、模具表面数据检测及模型重构。