用于扫描干涉场曝光的超精密微动台设计与控制

扫描干涉场曝光(SBIL)系统中曝光效果与工件台的运动性能密切相关。为了制作纳米精度的大面积平面光栅,工件台采用了粗微叠层结构设计,其中微动台是实现工件台运动精度的关键。基于SBIL原理,推导了干涉条纹周期测量精度与曝光对比度的关系。针对移动分光镜测量干涉条纹周期的方法,结合周期测量精度需求,分析了微动台定位精度指标,提出了实现微动台x、y、θz三个自由度定位精度的控制器设计方法,并在微动台系统上进行了实验验证。结果表明,微动台x方向定位精度可达±1.51nm,y方向定位精度可达±5.46nm,θz定位精度可达±0.02μrad,可以满足SBIL的需求和干涉条纹周期测量的精度要求。     

基于双频激光干涉反馈的快速精密定位系统

为了实现大量程、高精度测量系统的快速驱动与定位,结合双频激光干涉仪、可回收废气的空气静压导轨、精密滚珠丝杆以及伺服控制系统,研制了一套定位精度高、重复性好的快速精密定位系统。该系统以双频激光干涉仪为测长基准,实时反馈系统工作台位置信息;采用余气回收式空气静压导轨克服了传统气浮导轨余气对激光干涉测量光路系统的影响;在定位过程中引入PID运动控制技术,通过调节伺服控制器的PI参数使系统拥有快速平稳的响应特性。经实验测试,在500mm行程范围内,该系统的轴线双向定位精度可以达到0.266μm,重复定位精度可以达到0.173μm,具有较好地快速响应特性。应用所研制的精密定位系统对一维直线光栅样品进行了扫描,并与用Olympus共焦显微镜测得的数据进行了比对,表明系统具备良好的轴向定位能力。     

同步辐射微束X射线荧光分析实验站

北京同步辐射装置微束X射线荧光实验站位于4W1A白光束线末端,主要仪器设备包括:束流强度监测用电离室系统、狭缝及激光对准光路系统、多维精密样品移动台及其步进马达驱动系统、体视显微镜及电视观测系统、Si(Li)能量色散谱仪系统等,实验装置在微区荧光分析中具有很清的灵敏度(绝对检测限达到10^－10－10^—13g,相对检测限为Nμg/g-N0.1μg/g级,在全反射XRF实验条件下,相对检测限为1-5ng/g),良好的空间分辨率(厚样几十μm,生物薄样200μm).本实验站在地学、生命科学、材料科学等方面开展了大量的研究工作.     

具有纳米级分辨率的超精密定位工作台

柔性铰链精密定位工作台具有直接传动、无摩擦、结构紧凑、重量轻、刚度好及分辨率高等优点。设计了一种具有较大传动比的定位工作台 ,介绍了其系统结构和工作原理 ,并对刚度性能作了分析。利用双频激光干涉仪对压电陶瓷驱动下的工作台特性进行了测量。结果表明 ,该工作台具有纳米级的分辨率和定位精度。     

显微镜工作台定位系统的设计与实现

设计了一套基于AT89C52单片机的显微镜工作台定位系统。机械传动部分采用小模数齿轮实现机械运动和动力的传递,单片机电路控制部分实现计数脉冲的获取和电机的控制,上位机控制环节完成用户命令的发布。该系统可以按照预先设定的方式控制电机,实现显微镜工作台的二维运动,两方向重复定位精度±50μm,满足了多波长光存储实验的要求,同时为医疗检验提供了自动化手段。     

一种基于光学倍乘原理的绝对距离干涉测量系统

介绍了一个基于光学倍乘原理的绝对距离干涉测量系统。系统包括两个干涉仪:采用半导体激光器作为光源的定位干涉仪和测量位移的外差干涉仪。介绍了光源的选择,系统的设计以及信号的采集和处理方案。采用这套绝对测量系统,可以实现长度为2m以内的绝对距离测量,定位精度可以达到±0.5μm。     

高精密运动工作台控制系统的设计与研究

设计并研制了用于母盘刻录机的高精密运动工作台及其控制系统。工作台控制系统采用线光栅作为工作台位移检测工具。采用数字位置环和模拟电流环组成双闭环随动系统,其中位置控制器是带有速度前馈和加速度前馈的数字PID伺服滤波器。实验结果表明,该系统可以满足母盘刻录机的要求。     

基于莫尔信号的精密位移测量与控制的研究

应用光衍射理论分析了一种纳米级位移分辨率的双级衍射光栅测量系统,建立了衍射莫尔信号与对应位移的数学模型,并通过计算机仿真对莫尔信号的位移特性进行了研究。在此基础上构建了一套精密位移测量与控制装置,取差动零次激光莫尔信号为控制信号,由微机控制实现高精度位移检测及全自动精密定位。实验结果表明,基于激光莫尔信号的精密检测与控制装置可获得得5nm的位移分辨率及±0.4μm的定位精度。     

点火靶半腔套装实验系统设计

根据美国NIF点火基准靶REV4.0要求,对半腔套装工艺进行了具体的参数分析,确定了半黑腔与冷冻罩的铝套筒过盈配合公差带等关键参数,制定了装配系统技术指标,设计了系统方案,研制了实验样机。该样机具有12个电控台,重复定位精度达到0.3μm和0.01°,并配备激光测头和6轴微力传感器,对靶件姿态与套装过程中的受力情况进行检测,可完成半黑腔套入与入射孔衬垫装配两道工序。利用该样机对模拟靶件进行了装配实验,半黑腔与铝套筒同轴度为8μm,轴向与径向夹角优于0.5°,验证了装配工艺与系统功能的有效性。     

多用途温度传感器

York传感器公司发展了一种用分布温度传感器提供温度和位置连续分布的技术。此系统用标准远距离通信多模50/125μm光纤检测由于温度变化引起局部光散射功率的改变。长20km的单根光纤起传感元件的作用,可从10000个位置测量温度和位置。在距离、空间分辨率、温度分辨率和测量时间方面要作权衡。在5s、±1℃分辨率、1km距离范围,可达到1m的空间分辨率。在60s内1m空间分辨率和10km距离,或10m空间分辨率及20km情况下,可达到±2.5℃温度分辨率。     

机器视觉精密测量系统研究

微小孔系的精密测量用传统的手段是难以实现的。以机器视觉为基础,结合计算机图像处理技术可完成这类测量任务。介绍了基于机器视觉的孔系精密测量系统的硬件组成和图像处理算法。以所提出的识别弦端点来确定图像圆心坐标的算法对500根弦的中点坐标进行滤波处理,可使识别误差达到亚像素级。圆心坐标在X和Y方向的标准差均小于4μm,孔系间角度测量标准差小于3″。     

Z箍缩丝阵负载微型装配系统

 在利用金属丝阵Z箍缩产生强X射线辐射的方法中,为获得超强X射线,一般采用直径几μm的钨丝构成单、双或多层圆柱面状丝阵负载,其中丝阵负载的结构和装配精度是关键因素。为制备出均匀、平直的丝阵负载,进行了Z箍缩丝阵负载微型装配系统的研制,建立了基于机器视觉、微力传感器和精密运动控制系统的Z箍缩丝阵负载微型装配实验系统。该系统成功实现了双层直径5 μm钨丝丝阵的装配,且张力控制精度达0.002 N。     

FSM在高精度瞄准线稳定系统中的应用研究

快速反射镜（fast-steering mirrors,简称FSM）是一种精确控制光束方向的装置。提出用一种基于压电陶瓷驱动的FSM补偿稳瞄系统中粗级平台的残余误差的方法,可以提高系统稳定精度,同时对采用FSM的高精度稳瞄系统进行了仿真。仿真结果表明:粗级平台稳定误差为110 rad,通过FSM补偿后的系统稳定误差不大于8 rad,即采用该方法可将稳定精度提高一个数量级以上。     

移动式多普勒激光雷达光束扫描及风场反演技术研究

移动式多普勒激光雷达在外场实验过程中,考虑到工作平台的随机性,测量坐标系很可能不再是地面参考坐标系,这为三维矢量风场的反演带来困难。提出采用三维空间坐标旋转变换的方法建立了测量坐标系与地面参考坐标系的一般关系式,并进一步导出了反演三维风场的普遍公式。此外,在光束扫描过程中,由于二维扫描仪加工精度等的限制,光束存在一定的定向误差。采用Monte-Carlo模拟方法定量研究了光束指向偏差引起的风场测量误差,结果表明,当水平风速为100m/s时,1°的光束定向误差引起的水平风速大小误差为0.712m/s,方向误差为0.704°,与理论计算结果一致。理论分析结果还表明:当水平风速为100m/s时,1°的光束最大定向偏差引起的水平风速大小的最大偏差为1.16m/s,方向最大偏差为1°。     

精密宏微复合绝对式光栅尺设计与研究

通过对光栅尺原理的研究,设计一种宏微复合切换测量模式,利用增量码进行低精度测量,绝对码进行高精度测量。采用增量方式采集莫尔条纹的高速性,解决高精度绝对位置采集的低速性,实现宏微复合的高速与高精度的测量。实验证明,高精度低速绝对位置测量过程中测量精度可达0.6 m,在测量中使用新型高速与低速的变速切换测量方式,综合测量速度最高可以达到2 m/s。     

拼接式光学窗口装配关键技术研究

对拼接式光学窗口组件的结构特点作了介绍,分析了影响拼接式光学窗口性能的主要装配因素,并从装配齐平性及微应力装调两个方面出发,开展了装配关键技术研究,通过计算分析及参数量化工艺措施解决装调技术难题,获得了装配后外形齐平性≤0.2 mm,装配后应力≤50 nm/cm的高精度、微应力装调效果,满足光学分辨率及高速飞行使用要求。     

水下平台对卫星上行激光通信研究

在合理选择通信系统参量和通信信道参量的基础上,利用Monte Carlo方法模拟了卫星接收到的水下平台上行激光通信信号.分析了卫星接收信号的空间和时间分布特性,以及与望远镜接收视场角的关系,并计算了接收信号的信噪比,得出了3°望远镜视场角和15 μs信号积分时间的优化参量.基于计算结果,根据激光脉冲的PPM调制方式和最大似然检测方法,计算了系统的通信误码率,同时分析了海气界面、云等传输介质对通信的影响.研究结果表明:根据文中给定通信系统参量,在典型海水、海气界面、云等环境条件下,卫星与激光信号中心水平距离5 km范围内信号误码率<10－4.因此位于水下60 m的水下平台可能实现对卫星上行激光通信.     

非对称空间外差干涉仪相位探测和漂移校正

针对多普勒非对称空间外差干涉技术,提出一种目标信号相位自校正的方法.首先通过连续采样单色光的干涉图跟踪绝对相位漂移;然后分段线性拟合不同风速下的干涉相位,通过计算两条拟合曲线距离去除相位漂移.搭建风速模拟实验平台,获得采样干涉图,并对相位误差进行校正.结果表明,在60.37 m/s的模拟风速下,相位漂移误差达到30.78 m/s,通过相位校正风速反演误差降低至3.51 m/s,风速精度得到较大改善.最终通过几组不同风速下的反演值得到了平均2.97 m/s的风速测量精度.     

基于ACR9000控制器的自动光学检测平台设计 

针对自动光学检测（AOI）平台运行过程中的定位精度控制问题,提出了一种基于速度和加速度前馈控制与PID反馈控制的复合控制算法,该算法对输入量进行跟踪补偿控制以消除系统稳态误差,用于提高AOI平台定位精度。基于开放式的数控系统设计方法设计了AOI平台。在Matlab/Simulink环境下,构建了基于该复合控制算法的定位精度控制仿真模型,仿真结果验证了复合控制算法的有效性。将该复合控制算法作为ACR9000控制器的控制算法,并基于ACR9000控制器进行AOI平台实验研究。应用该AOI平台进行了印刷电路板（PCB）检测实验,实验结果表明文中复合控制算法能够提高AOI平台定位精度,AOI平台的定位精度满足印刷电路板检测要求,可以将该AOI平台用于印刷电路板检测。     

光谱共焦测量系统中的色散透镜组设计

光谱共焦位移测量系统具有精度高、质量轻、体积小和灵敏高等优点,可以实现在各种极端情况下的微位移测量。在光谱共焦测量系统中色散透镜组的色散特性决定了整个测量系统的性能。对色散透镜组的测量需求进行了分析,提出了详细的设计指标,基于折射、衍射两种方法对透镜组进行了设计和优化,给出了设计结果。色散透镜组的色散范围为2.2mm,光谱范围为500～700nm,线性度较好。利用分辨率为0.5nm的光谱仪接收光谱信息,理论上精度优于2μm。