一种新颖的微机电系统微结构显微图像三维自动拼接方法

提出一种基于白光垂直扫描显微镜(White-light vertical scanning interference microscopy,WVSIM)的微机电系统(Micro electro mechanical systems,MEMS)微结构三维自动拼接方法,来获得包含完整MEMS信息的大视场、高分辨率的MEMS微结构显微图像,以满足MEMS微结构功能特征分析、评定的需要。通过分析白光垂直扫描显微成像原理,将MEMS微结构显微图像的三维拼接分解为x-y向拼接与z向高度校正。将二维图像配准的尺度不变特征变换特征匹配算法应用到MEMS微结构显微图像的三维拼接中,实现MEMS微结构显微图像的智能、鲁棒三维自动拼接。试验表明,该方法不需要超高精度的硬件,解决了任意形状MEMS微结构显微图像的高精度三维自动拼接问题。横向拼接精度可达0.8μm,纵向拼接精度小于1 nm。     

金相显微镜上实现三维微观形貌恢复

金相显微镜是一种经典的测量分析仪器,已经实现了金相显微镜图像的数字化采集,并恢复了三维微观形貌。首先,对金相显微镜的载物台加装电机,利用电机带动载物台进行精密移动,在载物台移动过程中,对被测物体等步距拍摄序列图像。然后,根据聚焦形貌恢复的原理,采用修正的拉普拉斯算子进行聚焦程度判断,利用高斯插值方法获取聚焦程度最大值以及此时被测表面的高度信息,恢复三维形貌。最后,利用金相显微镜对粗糙度样块进行测量,获得了相符的测量结果。该方法对于扩展金相显微镜的测量范围具有积极意义。     

基于像差补偿的近红外显微干涉硅通孔测量

为了实现深宽比大于6∶1的硅通孔的形貌测量，提出了一种基于像差补偿的近红外显微干涉检测方法。该方法采用近红外宽带光作为光源，能够穿透硅通孔，检测系统中内置变形镜自适应像差补偿模块，主动补偿硅通孔引入的调制像差。在检测硅通孔三维形貌时，依据COMSOL Multiphysics有限元仿真软件得到的三维硅通孔高深宽比结构对探测光的调制像差规律，指导设置需变形镜补偿的像差种类和量值，用基于频域的评价函数指标阈值，判定硅通孔底部图像的聚焦状态，获得待测硅通孔清晰的底部图像，本质上提升探测光的重聚焦能力。在此基础上，使用垂直扫描干涉法得到待测硅通孔的深度与其三维形貌分布。实验测量了直径为10μm、深度为65μm、深宽比为6.5∶1和直径为10μm、深度为103μm、深宽比为10.3∶1的硅通孔深孔，并与高精度SEM的测量结果对比，深度测量的相对误差为1%。与白光显微干涉测量结果对比表明，本文所提出的方法可以获得清晰的高深宽比硅通孔的底部图像，有效增强底部的宽谱干涉信号和对比度，能够准确测量更高深宽比硅通孔的三维形貌。     

基于单目视觉的激光光束方向标定研究

在由激光位移传感器组成的测量系统中,激光光束的方向是一个关键参数.方位角和俯仰角对于一条激光光束是最为重要的两个参数.本文中提出一种基于单目视觉的激光光束方向测量方法.首先,将CCD相机放置于基础平面上方,保持相机光轴与基础平面接近于垂直状态,并利用误差为10μm的圆孔型标定板建立单目定位模型.然后将激光光束发生装置放置在基础平面上并保持位置固定,同时在基础平面上放置特制靶块,使激光光束可以投射到靶块斜面上并形成一个激光光斑.在基础平面上方放置的CCD相机可以清晰的采集到激光光斑、靶块斜面的图像,应用相关算法提取出光斑质心的二维图像坐标.沿激光光束方向以相等间距移动靶块,通过CCD相机采集每移动一次靶块在当前位置下的光斑、靶块图像.利用相关的转换公式,结合靶块本身固有参数,将光斑质心图像二维坐标转换为基础平面下的空间三维坐标.由于靶块的移动,会得到靶块不同位置下激光光斑质心的三维坐标,将这些三维坐标拟合成空间直线表征待测激光光束.拟合直线得俯仰角即为待测激光光束的俯仰角.实验中,应用高精度仪器对靶块参数进行测定,并使用高精度标定板标定相机内外参数建立相应的定位模型.测量精度主要通过单目视觉定位精度、光斑重心提取精度来保证.结果显示,待测光束的俯角最大误差达到0.02°,光束间夹角的最大误差为0.04°.     

基于单目视觉的激光光束方向标定研究（英文）

在由激光位移传感器组成的测量系统中,激光光束的方向是一个关键参数。方位角和俯仰角对于一条激光光束是最为重要的两个参数。本文中提出一种基于单目视觉的激光光束方向测量方法。首先,将CCD相机放置于基础平面上方,保持相机光轴与基础平面接近于垂直状态,并利用误差为10μm的圆孔型标定板建立单目定位模型。然后将激光光束发生装置放置在基础平面上并保持位置固定,同时在基础平面上放置特制靶块,使激光光束可以投射到靶块斜面上并形成一个激光光斑。在基础平面上方放置的CCD相机可以清晰的采集到激光光斑、靶块斜面的图像,应用相关算法提取出光斑质心的二维图像坐标。沿激光光束方向以相等间距移动靶块,通过CCD相机采集每移动一次靶块在当前位置下的光斑、靶块图像。利用相关的转换公式,结合靶块本身固有参数,将光斑质心图像二维坐标转换为基础平面下的空间三维坐标。由于靶块的移动,会得到靶块不同位置下激光光斑质心的三维坐标,将这些三维坐标拟合成空间直线表征待测激光光束。拟合直线得俯仰角即为待测激光光束的俯仰角。实验中,应用高精度仪器对靶块参数进行测定,并使用高精度标定板标定相机内外参数建立相应的定位模型。测量精度主要通过单目视觉定位精度、光斑重心提取精度来保证。结果显示,待测光束的俯角最大误差达到0.02°,光束间夹角的最大误差为0.04°。     

提高自由曲面透镜测量精度的迭代重构曲面算法研究

在提出的基于图像变换的光学透镜的表面面形测量方法中，建立了造代重构曲面算法。算法根据待测透镜光学表面在光学成像系统中的图像变换特性，重构出与待测透镜光学表面具有相同图像变换特性的数值三维曲面簇，利用造代方法从中筛选出与待测透镜光学表面面形完全相同的数值三维曲面，解决了测量精度不足的问题。实验结果表明，使用该算法所构建的数值曲面与待测透镜光学表面的曲面面形能够准确相符。     

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。     

复合型超精密表面形貌测量仪

研制了基于同一显微镜基体实现原子力探针扫描测量与非接触光学测量两种功能的复合型超精密表面形貌测量仪.分析了基于白光显微干涉原子力探针的测量方法、探针微悬臂变形量与白光干涉条纹移动量的关系以及探针微悬臂测量非线性误差的修正方法,和通过融合垂直扫描系统的位移量和悬臂梁变形量得到了原子力探针的工作方式.研制了三维精密位移系统...     

结构光照明并行物方差动快速测量方法研究

激光扫描差动共聚焦显微测量方法具有纳米量级的轴向测量精度,然而信号在离焦位置获取,横向分辨率较低,而且使用激光逐点扫描方式,测量速度慢;基于空间光相位调制的结构光照明显微成像方法,可以实现超分辨率成像,但不具备高的轴向测量精度,因此这两种方法都不能满足微纳加工过程中复杂物体微观表面形貌在线、在位测量的要求。将空间光相位调制结构光照明显微成像技术与差动轴向测量方法结合,提出基于结构光照明的并行物方差动快速测量方法。该方法只需要使用一台面阵相机做探测器,在结构光照明相位调制模式下,获取样品在焦前和焦后位置的相位图像并分别合成对应的焦前及焦后高分辨率图像I_A和I_B,对两幅图像进行求差而建立差动信号I_D,再根据预先刻度好的差动曲线就可以得出被测样品在各个位置的表面高度。使用该方法对500 nm步高、10μm周期的标准样品进行测量,标准差为2.8 nm,相对误差为0.6%,完成一幅包含2 048×2 048个位置的表面形貌测量耗时65 ms。测量实验结果表明,该方法可以进行快速、在线纳米量级高精度轴向测量,可以实现15/s次三维形貌纳米量级精度测量。     

MEMS器件圆度误差纳米级测量方法研究

为了测量毫米以下尺寸MEMS零件的圆度参数,建立了将扫描探针显微镜(SPM)系统的原子力测头作为测量传感器,配合精密回转气浮轴系实现对待测试件进行转位的测试系统;讨论了精密气浮轴系、驱动电机、装夹调心装置等关键部件的设计问题及测量系统的工作原理.应用测试系统测量了直径约为0.2mm的微细电极外表面形貌,对获得的表面数据进行了滤波处理,最后使用最小二乘圆度评定准则计算其圆度误差为3.210μm.这种方法可以为圆形MEMS器件的制造工艺提供可行的测量方法与手段.     

基于3-CCD显微视觉的高精度靶位姿控制

针对高功率激光物理装置中的靶自动准直实验平台,提出了一种基于三路显微视觉的高精度靶位姿控制方法。该方法采用基于图像的显微视觉控制策略,通过对送靶机构的主动运动控制,实现了图像雅可比矩阵的在线自标定;利用增量式PI控制方法对送靶机构进行控制,实现靶的快速定位及姿态调整。本文对比了基于图像的显微视觉控制和之前研究中所提出的基于位置的显微视觉控制两种方法。其中,基于图像的控制方法靶的定位误差为0.07μm,姿态调整误差为0.02μrad;而基于位置的控制方法靶的定位误差为0.16μm,姿态调整误差为0.07μrad。实验结果表明:基于图像的显微视觉控制方法对系统中的运动学误差、视觉标定误差等因素具有较好的鲁棒性,靶定位及姿态调整的精度高且稳定性好。     

圆弧金刚石砂轮三维几何形貌的在位检测和误差评价

针对非球面光学元件加工对圆弧金刚石砂轮形状误差测量的需求,提出了砂轮三维几何形貌在位检测与误差评价方法。建立了砂轮外圆面螺旋扫描轨迹测量数学模型,利用位移传感器获取了砂轮表面轮廓数据;对得到的数据匀滑滤波后沿圆周展开并进行插值处理,得到砂轮三维几何形貌。然后,根据非球面平行磨削加工特点,提出评价圆弧砂轮形状精度的指标。通过提取三维几何形貌轴截面轮廓,进行最小二乘圆弧拟合得到不同相位处的圆弧半径与圆心坐标,并由误差分离获得砂轮表面圆弧的圆度误差、圆周跳动误差及轮廓圆心轴向偏差。最后,对非球面加工圆弧金刚石砂轮进行检测,获得了砂轮的三维几何形貌以及多个关键尺寸及其误差数据:即圆弧金刚石砂轮的平均圆弧半径为55.442 3mm,半径波动极差为0.16mm,中央±8mm环带内圆弧的圆度误差约为5μm,圆周跳动误差约为2μm,截面轮廓圆心轴向位置相对偏差为0.008mm。根据检测结果,进行了大口径复杂非球面磨削实验,得到的元件面形P-V值为4.62μm,RMS值优于0.7μm,满足工程的实际需求。     

射电望远镜主动反射面系统的控制

针对新疆奇台110m射电望远镜主动反射面控制技术的要求,设计和研制了一种新型的位移促动器和位移控制系统,并采用双频激光干涉仪对多个位移促动器及其控制系统进行了全面检测。位移促动器采用了基于涡轮蜗杆加滚珠丝杆的高精度结构设计方案,控制器系统采用了ARM微处理器。最后选择S曲线加速控制方法,设计了主动反射面控制系统硬件平台和软件算法。基于双频激光干涉仪和光学隔振平台在恒温超洁净条件下进行了系列测试。结果表明:系统实现了行程范围为30mm,控制精度为5μm RMS的快速精密控制;在额定负载300kg,步长2mm,行程30mm范围内,实测结果平均值与理论值偏差为0.04%,标准偏差为3.67μm。最后,采用测量精度为0.25μm的激光传感器对4块四点支撑的四边形子面板进行了验证检测。结果显示:经多次迭代后主动反射面控制闭环系统的控制精度小于5μm RMS,远远优于3mm波段射电望远镜主动反射面控制的技术要求。     

角度位置自动识别的红外折射率测量

为准确快速获得块体硫系玻璃红外波段的折射率,搭建了基于类准直测量法的折射率测量系统。该系统采用液氮制冷的碲镉汞探测器和特殊的光路实现了光强信息的高分辨采集,使用高分辨数据采集卡将角度信息数字化,利用精密步进电机传动控制系统实现了光强信号与位置信号的同步记录。开发的测量软件可自动判别光强峰位信息,自动计算获得待测样品的折射率。对比测试Ge_(20)Sb_(15)Se_(65)、Ge_(28)Sb_(12)Se_(60)、As_2S_3和As_2Se_3商用硫系玻璃在3.39μm和4.8μm处的折射率。实验结果表明,该装置系统测量折射率的标准偏差为10~(-3),测量不确定度为0.002 9,可快速、准确测量块体材料红外波段的折射率。     

涡轮叶片三维叶尖间隙光纤检测系统

航空发动机涡轮叶片叶尖间隙呈三维变化特点,传统光纤式叶尖间隙检测系统的测量结果受维间耦合影响精度差,信息源单一。本文利用一种沿直角等腰三角排布的三路双圈同轴式光纤传感基元组成的传感探头,通过BP神经网络解耦方法,实现了从传感器输出到叶尖端面径向间隙、轴向倾角和周向倾角三维参量的解耦。设计加工三维测量光纤传感器和后续调理电路并对检测系统进行了静、动态实验验证。实验结果表明:该系统径向间隙静态测量的最大误差为47μm,标准差为10μm,轴向和周向倾角的静态测量最大误差分别为0.49°和2.32°,标准差分别为0.13°和0.36°。系统具有良好的重复性和可靠性,径向间隙的动态测量标准差小于18μm,轴向和周向倾角的动态测量标准差小0.2°和0.5°,能够满足航空发动机涡轮叶片叶尖间隙三维参量快速实时检测的需求。     

大型光学载荷次镜调整机构优化设计及误差分配

设计了一种用于大型光学载荷次镜在轨位姿精密调整的Hexapod型平台机构,并对其进行构型参数优化以及各支撑杆和上下铰点误差限的最优分配。建立了Hexapod平台机构运动学模型和静柔度模型,分析了主要结构参数对机构性能的影响。按照次镜精调机构性能要求,提出了定位精度指标和抗变形指标,建立了以构型参数为变量的优化目标函数,并利用遗传算法对两个单目标函数进行优化。利用加权分配法构造统一约束目标函数,利用遗传算法对其进行多目标优化。然后,建立非线性最优误差分配模型,对各支撑杆和上下铰点进行误差分配。最后,通过对原理样机性能指标的测试验证了上述研究方法的效果。研究结果表明:优化前后动平台定位精度提高了8.3%,抗变形能力提高了62.5%,铰点误差限由2.7μm提高到6.3μm,支撑杆误差限由1.3μm提高到3.2μm。另外,实验测得Z轴相对定位精度为0.6%,静刚度达到41.14N/μm。本研究提高了次镜精调机构的定位精度和静载抗变形能力,有助于缩短设计、加工周期,节约设计、加工成本。     

磨齿机分度误差传递规律

为预测被加工齿轮的齿距加工精度,研究了Y7125型大平面砂轮磨齿机系统分度误差的传递规律。采用全闭环测量法对用作角度测量基准的正36面棱体进行了高精度标定;基于该正36面棱体和相对测量法在机提取机床36个等分点系统分度误差曲线;最后在磨齿机上进行精密磨齿实验,通过比较齿轮试件的齿距累积偏差与机床原始系统分度误差的差异,研究机床分度误差的传递规律,并通过实验得到磨齿机分度误差传递过程中的不确定度。实验结果表明:采用全闭环测量法标定正36面棱体的测量不确定度达到±0.05;磨齿机系统分度误差传递到被加工齿轮后,齿距累积总偏差由2.1m增大到2.6m,相对误差增加了24%;通过磨齿实验得到磨齿机分度误差传递过程中的不确定度为±0.6m。得到的机床分度误差传递规律可用于预测齿轮的齿距累积加工精度,为制定科学的磨齿工艺提供技术支持。     

高精度石英全息透镜的MEMS工艺制作

通过微电子机械技术(MEMS)在抛光的熔融石英基材表面制作了平面精度达到0.4μm的超大单片面积的全息透镜。采用了分辨率达到0.2μm的步进投影式拼接光刻,适合石英基材的专用等离子耦合刻蚀(ICP)干法刻蚀技术,特殊的物理清洗方法,以及相关的多项辅助工艺。透镜理想面形横截面曲线为分段抛物线,每一片由23个柱状结构单元周期横向排列构成,采用等深度不等宽度的4台阶结构拟合,单元宽度约为2.966mm。在4in(10.16cm)圆片上,获得了单片尺寸为68mm×68mm的方形透镜。采用接触式台阶仪,扫描电子显微镜(SEM),高倍光学显微镜等方法进行不同阶段检测。结果显示:台阶平面精度为0.4μm,垂直精度为30nm,有非常好的立墙陡直度和刻蚀均匀性。此工艺方案可实现小规模批量生产,成本适中,可以直接用于制作6in(15.24cm)以上同等级要求的石英透镜,经适当改进也可用于蓝宝石等基底材料的制作。     

激光冲击软模大面积微弯曲成形方法

为了实现金属箔板大面积微弯曲成形,本文结合激光冲击微弯曲成形技术与软模成形技术的优点,提出了激光冲击软模大面积微弯曲成形方法。 该方法是在脉冲激光冲击波压力下,将软模作为柔性冲头作用于金属箔板来实现工件成形的。实验中使用了Innolas Gmbit公司生产的Spitlight 2000 THG脉冲激光器,将250 μm厚的聚氨酯橡胶薄膜作为软模,采用德国LPKF-ProtoMat-C60型雕刻机在印刷电路板上加工出深度为120 μm的U型多槽模具,实现了在厚度为30 μm的铜箔板上一次性对3个U型凹槽冲击成形。用KEYENCE VHX-1000C超景深三维显微系统进行工件观测,结果显示工件上的微成形槽具有良好的轮廓质量。以ANSYS/LS-DYNA为平台,使用有限元建模（FEM）方法对微弯曲过程进行了数值模拟。实验和模拟结果均表明,加载软模的工件与模具的U型凹槽特征在形状上更加接近,成形工件更加均匀,而且具有较好的表面质量,其最大平均成形深度可达110 μm,大于激光直接冲击成形的最大深度（88 μm）,说明使用软模提高了充型能力。     

三相磨粒流抛光及其气泡溃灭分布特性

针对软性磨粒流在加工硬脆性材料时效率低下的问题,本文提出一种气-液-固三相磨粒流加工方法。该方法通过在加工流场内注入微尺度气泡群,利用气泡溃灭释放的能量提升磨粒流加工能力。基于计算流体力学和群体平衡模型耦合计算方法,建立气-液-固三相磨粒流流体力学模型,数值模拟结果揭示了工件表面三相磨粒流形成高速湍流涡旋流场加工特性,得到了工件表面气泡溃灭的分布规律,并探明流体黏度与气泡溃灭之间的关系。图像粒子测速实验表明,通入微尺度气泡群后,平均速度从12.50~13.50m/s提升至15.00~17.00m/s,最高平均速度可达20.00m/s以上。对比加工实验显示,经8h加工后,粗糙度从0.50μm降低到0.05μm。理论和实验研究结果说明借助微尺度气泡群的溃灭效应可有效提升软性磨粒流的加工效率和加工精度。