高精度控制光电光栅刻划机的光栅外差干涉仪

为提高光电式光栅刻划机的控制精度,设计了一种自准直式激光光栅外差干涉仪的新型测量系统。以光栅衍射和偏振光学为理论基础,结合电子学的相关知识对系统进行了理论分析,设计了基准光栅,并进行了大量的实验研究。由实验研究可知,这种利用光栅的自准直衍射和以光栅栅距作为计量基准的干涉测量系统,具有受环境因素的影响低,结构简单、装调方便等优点;采用双频激光得到的测量信号增益大,信噪比高;该系统用于光栅刻划,得到的栅线间距刻划偏差优于10nm,在3mm行程内累积误差约为0.3μm。结果表明,该系统具有纳米级分辨力,用于实时测量控制系统,测量误差很小,完全达到了中阶梯光栅等特种光栅对刻划机的高精度分度要求。     

二维光栅制作与装配误差综合建模与实验研究

针对二维位移测量系统中光栅制作与装配非理想所引起的几何误差,基于多普勒频移理论和坐标变换方法,建立了同时包含光栅非正交角与装配角在内的通用几何误差模型,定量研究了各误差角对系统性能的影响程度,仿真分析了X与Y方向余弦误差和耦合误差随误差参数的变化规律。结果表明,光栅制作和装配误差与系统所用衍射级次、衍射次数和光学细分倍数无关,只与各误差角和被测位移有关。与此同时,四个误差角都会导致余弦误差的产生,而耦合误差则主要受光栅非正交角和偏航角的影响。此外,相同误差角所引起的耦合误差要明显严重于余弦误差,是系统几何误差的主要构成成分。通过搭建基于二维交叉光栅的平面位移测量系统,利用10 mm方形运动轨迹实验验证了理论分析与数值仿真的正确性。     

微米-亚微米级扫描电镜图像放大倍率校准标样的研制报告

周期性线距结构或光栅是对如光学显微镜、电子显微镜或扫描探针显微镜等图像系统进行放大倍率校准和空间变形评定的最好样品。由于图像系统的放大倍率的变化不一定是线性的，不同放大倍率级别需要使用不同长度级别的标准样品进行校准，因此，我们设计了适用于从低倍到高倍的各级校验用的标准参考样品，包括以下三个类型：（1）12．5μm、25μm和百微米尺度的三种栅网图形标准样品；（2）微米-亚微米级图形标准样品；（3）100nm或更小尺度的一维或二维光栅标准样品。本文将介绍第二种类型即微米-亚微米级系列中最小线距为1μm的图像放大倍率校准标样S1000的研制情况。     

光栅干涉位移测量技术发展综述

介绍了经典双光栅测量系统、非对称双级闪耀光栅测量系统、单光栅测量系统、基于2次莫尔条纹的光栅测量系统、同心圆光栅2维位移测量系统、2维光栅位移测量系统的测量原理,阐述了各系统的关键问题及不足之处。同时结合双频激光干涉仪外差干涉思想,在单光栅测量系统的基础上,提出了双波长单光栅式纳米级位移测量方法,并通过分析系统特点指出该方法能实现大量程测量、获得纳米级的精度和分辨力。在对各种测量方法进行综合比较之后,总结了光栅测量的关键问题,并展望了光栅干涉位移测量的未来发展方向。     

热真空环境下二维尺寸视觉测量标定方法研究

针对热真空环境条件对视觉测量精度影响的问题,提出了一种新的基于像素当量的二维尺寸视觉测量系统实时标定方法。该方法采用光刻已知尺寸线条的石英标准件作为测量基准,利用一阶微分期望亚像素细分算法和最小二乘拟合,可实时获取较高精度的像素当量值从而减小环境误差。热真空环境下的实验结果表明,该方法可用于热真空环境下二维小尺寸视觉测量的标定。     

激光振镜直写光栅误差分析及校正方法

针对振镜式激光直写光栅系统中存在的扫描畸变的问题,提出了一种内部转角优化和外部扫描误差补偿相结合的校正方法。以光栅栅距10μm为目标,建立了振镜系统的几何光学模型,对扫描误差进行了分析,然后对振镜转角进行了优化,进一步对振镜进行了曲线拟合补偿,坐标点(100,10)处误差从0936mm,1912mm降低到0148μm,00296μm。结果表明,这种方法能够满足振镜式激光直写光栅在短距离刻划的精度要求。     

基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量研究

纳米位移测量技术是实现高精度纳米制造的基础。激光自混合干涉为精密纳米位移测量提供了一种结构简便、成本低廉,同时测量精度可达纳米量级的精密位移测量方法。区别于传统基于反射镜或散射面为反馈元件的激光自混合干涉测量方案,研究了一种基于平面反射式全息光栅的激光自混合纳米位移测量方法,该方法的位移测量结果以光栅的周期为基准。实验测得了在弱反馈强度条件下的光栅自混合干涉信号,通过阈值设定的方法确定位移方向的反转点,结合反余弦的相位解包裹算法处理光栅自混合信号,获得了对应的位移测量值。最终采用商用激光干涉仪与自组装的光栅自混合干涉仪进行位移测量数据的比对测量,实验结果表明,经过线性修正后,其位移误差不超过0.241%。     

正交视觉与倾角仪组合空间位姿测量方法研究

为了解决跨尺度微小型零件在精密装配中宏尺度与微特征的测量分辨问题，提出了一种基于正交双目视觉与倾角仪组合的空间位姿高精测量系统。该系统建立了成像单元、倾角仪辅助测量单元、零部件夹持单元之间的坐标转换关系，并结合倾角仪提供的角度信息，提出了针对微小型零件的空间位姿高精测量解析算法。同时，以光纤阵列及连接头为研究对象，搭建了两零件的空间位姿实时测量及自动化装配测试平台。结果表明，在3mm×2mm×2mm的空间范围内，组合测量系统测得的位置与姿态偏差分别小于(±2μm, ±2μm, ±3μm)和(±0.005°, ±0.004°, ±0.005°)。相对于传统的测量方法，该组合测量系统显著提高了微器件的测量精度，可进一步满足微小型零件的空间位姿精密测量及自动化装配需求。     

激光非接触式大尺寸内径自动测量系统

为了解决大孔径的高精度检测问题,介绍了一种激光非接触式大尺寸内径自动测量系统。该系统具有灵活可控的运动机构、稳定可靠的定心机构、同步伸缩的支撑机构、对称协调的扫描机构,可实现轴向自动行走、高精度同轴定位和快速扫描测量。高可靠性的控制系统和无线传输模式使其实现了远距离的实时控制和可靠性测量。高精度的温度采集模块实时监测环境温度的变化,便于温度补偿。以VC++为平台的上位机软件,集数据处理与实时显示于一体,操作极其方便。另外,该系统采用相对测量原理、高精度激光位移传感器与标定好尺寸的测量臂相结合,使系统测量范围达到Ф580～998 mm。高精度的激光位移传感器实现系统的非接触式内径测量,测量精度高。通过对比实验和现场实验对系统的测量精度和重复性进行了验证。结果表明:系统的测量精度与FARO激光跟踪仪测量结果比较差值小于6μm,现场测量重复性精度小于7μm。能够实现管道内径几何参数的测量和管道表面的几何评估及校正。     

一种小型化纳米级单光栅位移测量系统的研制

随着纳米技术的广泛应用以及人们对纳米位移测量认识的不断深化,光栅位移测量技术正在受到广泛的关注。在研究反射式光栅位移测量原理的基础上,设计并实现了一种小型化纳米级单光栅位移测量系统,对系统总体设计、光路布局以及软件算法进行了阐述,最后,利用电容位移传感器ASP-10-ILA等辅助仪器进行了对比实验。实验结果表明:在两路信号不完全正交的情况下系统也能实现准确测量,且理论上系统的位移测量分辨率达到1 nm;在电容位移传感器的量程范围内进行小位移对比试验,系统测量均值与参考值最大偏差118 nm,且与拟合直线偏差均小于100 nm;当光栅发生10 mm以上的较大位移时,测量结果与均值的偏差均小于5 ppm。     

用于光导板的亚微米光栅衍射特性研究

提出了利用亚微米光栅制作光导板的方法,用严格耦合波理论计算分析了亚微米光栅从光密介质到光疏介质的1级透射衍射效率与光栅槽深、入射角度的关系。讨论了在满足基底全反射条件的入射角时对应于R、G、B三原色光的亚微米光栅（0．651μm、0．508μm、0．405μm）在导波条件下的光场衍射特性,并用实验证明在导波条件下1级衍射效率率与光栅槽深关系的可靠性。给出亚微米光栅型光导板的初始结构,并进行了误差分析。     

高密度全场主动离焦三维测量的精度分析

向物体投射正交正弦光栅或正弦光栅,都能实现我们提出的高密度全场离焦三维测量,实验发现测量精度依赖于投射模式和物体毒面纹理。计算机模拟显示物体深度测量精度与物体纹理的调制度、频率和投射光栅方向有关。对各种纹理,正交正弦光栅投射的测量精度都高于正弦光栅投射的测量精度。在相同实验条件下,正交正弦光栅和正弦光栅投射的弱纹理表面的深度测量均方误差分别为0．18mm和0．25mm,较强纹理表面的均方误差为0．35ram和0．54mm。     

面向激光追踪测量系统二维回转轴系的误差分析及精度保证

为实现对数控装备测量精度的快速检测,面向激光追踪测量系统设计了一套二维万向节式回转轴系。将高精度标准球作为反射单元固定安装在基座上,保证了激光追踪测量系统具有较大的跟踪角度,同时避免了轴系回转时的窜动和游动对测量结果的影响。分析了轴系结构中主要几何误差对激光追踪测量系统测量精度的影响,研究了轴系跳动误差与测量精度的关系,并简化了轴系跳动误差模型。实验结果表明,当轴系跳动误差在±5μm以内时,由该误差引起的激光追踪测量系统的测量误差不足0.1μm,保证了激光追踪测量系统具有消除跳动误差影响的能力。     

基于反射式三光栅光学系统的金属光栅编码器

传统的透射式二光栅系统为了提高精度,需要高度准直的光源,主光栅和指示光栅之间的间隙很小,一般位于第一菲涅耳焦面上,允差较小,容易擦伤光栅表面。而三光栅系统对光源的准直度要求不高,对光栅间隙变化不敏感,采用细栅距光栅时对光机结构的要求不象二光栅系统那样严格。因此,可将之应用于反射式金属编码器中。深入讨论了反射式三光栅系统的工作原理,基于反射式三光栅光学系统设计了金属光栅编码器的光机结构和信号处理硬件电路,采用对径数字量相加技术补偿反射式金属光栅的安装误差。     

光纤位移传感器在PET瓶胚壁厚测量中的应用研究

为了实现对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）瓶胚壁厚实时、高效、高精度的测量,采用理论仿真结合实验验证的方法,以标称3.5mm厚型的PET瓶胚为例给出设计实例,建立了PET瓶胚壁厚测量的光学模型,根据光线追迹原理分析验证反射式光纤位移传感器在测量PET瓶胚壁厚中应用的可行性,并利用LIGHTTOOLS软件进行仿真模拟,最终设计出一种基于反射式光纤位移传感器对PET瓶胚壁厚实时测量的装置,并进行了实验验证。结果表明,实验装置的测量量程为3.20mm~3.80mm,线性度为15.8%,灵敏度为0.8448mV/μm,该装置相比传统测量效率提高了30%以上。这对提高实际检测效率和精度具有参考应用价值。     

基于正弦光栅的凝视型激光探测告警系统的设计与实现

当激光入射到正弦光栅时,会产生0级和±1级衍射谱线,通过测量衍射谱线的分布,可获得入射激光的波长及方位角信息。为了实时探测激光光源的波长和方位角,设计了一种基于正弦光栅的凝视型激光探测告警系统。介绍了系统的工作原理,推导了激光波长和方位角的计算公式,并对系统的探测精度进行了数值模拟研究。分析了光栅常数和柱面镜曲率半径对系统探测能力的影响,并且给出了相关函数。实验结果表明:当光栅常数为1/500mm、柱面镜曲率半径为20mm时,系统可实现对波长为320～1100nm、视场角为±20°范围内激光源的实时探测,波长分辨率可达到10nm,角分辨率可达到1°。     

用于光导板的亚微米光栅透射衍射特性分析

提出了利用亚微米光棚制作光导板的方法,用严格耦合波理论博分析了亚微米光栅从光密介质到光疏介质的1级透射衍射效率与光栅槽深的关系,讨论在满足基底全反射条件的入射角下,对应于红、绿、蓝(红光700mn,绿光555nm,蓝光465nm)三色光的亚微米光栅(0.651μm、0.516μm、0.433μm)在导波条件下的光场衍射特性,并用实验证明在导波条件下1级衍射效率与光栅槽深关系的可靠性,给出亚微米光栅型光导板的初始结构,进行误差分析.     

核燃料芯块几何尺寸同步测量系统研究

几何尺寸和密度是影响核燃料燃烧效率和安全使用的重要因素。针对核燃料芯块的特殊性,研制了芯块几何尺寸、密度等多参数集成测量系统。该系统通过光学非接触法对芯块的高度和直径进行二维同步高精度测量,同时使用重量传感器测量重量,进而获取芯块密度参数。文中还对测量原理误差和系统误差进行了分析。实际测量结果表明,该系统相对于接触式测量,具有速度更快,精度更高,操作方便等优点,并可实现数据的同步采集、实时显示、处理、远程存储及超差提示、报表、系统设置、用户管理和权限设置等功能。     

多线结构光视觉传感器测量系统的标定

为实现大尺寸轧钢几何尺寸、形状误差、表面缺陷的实时检测,采用4个激光器和4个CCD摄像机搭建了多线结构光视觉传感器测量系统。针对多视觉传感器全局校准的关键问题,设计了特殊形状的靶标,提出了新的全局标定方法。利用交比不变原理获取光平面上多个标定点,同步实现视觉传感器的局部标定和全局校准。详细阐述了标定的基本原理和系统构建过程,分析了标定中存在的误差,并提出了减小误差的方法。实验验证系统重复测量精度在0.04mm以内,测量相对误差小于0.9%。     

精密转台在平面度检测中的应用

介绍了一种使用精密转台,千分表,0级平尺,光电自准直仪测量非连续平面零件平面度的方法。用该方法测量了一件直径Ф2310mm的非连续平面零件并给出其数据处理方法和测量结果。对这种测量方法进行了测量不确定度分析其结果为5μm。