叠栅条纹和CCD用于位移和角度的测量

将叠栅条纹测量技术和CCD器件结合应用于角度和位移的智能测量系统,该系统利用光栅的衍射自成像现象产生虚拟光栅,与另一光栅形成叠栅条纹,并用CCD光电转换系统,测量叠栅条纹的距离,可得到两光栅间的夹角.当任意一片光栅沿垂直于栅线方向移动时,通过数出移过叠栅条纹数目,即可得到相应光栅移动的位移.本文还分析和讨论了误差来源及给实验带来的影响.     

码盘偏心对叠栅条纹信号相位影响的理论分析

增量式光学编码器根据径向辐射光栅产生的叠栅条纹进行角度测量，两光栅码盘轴之间及其与系统转动轴之间的偏心和晃动，影响着编码器读头输出的叠栅条纹信号的相位，这给角度测量带来了一定的系统误差。根据光栅码盘产生叠栅条纹的基本理论，在改进计量光栅码盘理论模型的基础上，推导出码盘偏心情况下码盘读头输出的叠栅条纹信号相位的理论公式，对码盘偏心给叠栅条纹信号相位带来的偏差、增量式光学编码器光学设计原理及消除此由此带来的系统误差的技术原理进行了分析与讨论。     

码盘偏心对叠栅条纹信号相位的影响

根据两计量光栅产生叠栅条纹的几何光学基本理论,在改进计量光栅码盘理论模型的基础上,推导出码盘偏心情况下读头输出的叠栅条纹信号相位的理论公式,对码盘偏心给叠栅条纹信号相位带来的偏差进行了分析与讨论.     

叠栅条纹相位分布对对准精度的影响分析

光刻对准中,一般将硅片和掩模对准标记制作成周期接近的光栅,通过光栅标记叠加形成的叠栅条纹的相位信息,探测掩模和硅片的相对位置关系。在实际的应用中,叠栅条纹的方向不仅与对准标记的几何位置有关,而且还与CCD的位置有关。为了将叠栅条纹的光刻对准方法推向实际应用,从矩形光栅到叠栅条纹,分析了一般光栅的相位分布规律。根据叠栅条纹相位特性分析了掩模、基片和CCD的几何位置对对准精度的影响;建立了实际对准偏差与理论值的数学关系模型。研究表明,没有角位移的情况下,当位移值小于0.4pixel时,理论上最大对准误差低于0.002pixel。     

双光栅在不同夹角下测量杨氏模量的实验研究

根据莫尔条纹的位移放大原理,利用在光栅栅距恒定时栅线夹角与莫尔条纹的宽度在小角度情况下成反比的关系,对钢丝杨氏弹性模量进行测量.通过对测量数据及计算结果的分析,得出结论:莫尔条纹的宽度随夹角增大而减小;测量误差随着光栅夹角增加而增大,但小于5%.并将实验值与理论值相比较,确定莫尔条纹法测量杨氏模量的可行性.     

光载波条纹图的计算机辅助分析——阶梯形虚拟光栅解调法

本文提出一种两维光测条纹图的相位测量技术--阶梯形虚光栅解调算法。此法只需要获取一幅光载波条纹图,由计算机产生两个由N(整数)个象素构成、透射函数呈阶梯形分布、彼此间有一定相位差的两个虚光栅(参考信号),通过在整数域的运算实现对条纹图和虚光栅的相乘型叠加,低通滤波后得到两个相位差已知的叠栅函数,然后从两个相差为已知值的正弦信号中提取相位信息。理论分析和计算机模拟表明,具有相当高的测量精度,计算简便快捷。文中还给出了阶梯虚光栅解调法在投影光栅法三维形貌测量中的应用实例。     

一种多距离融合的大深度测量范围相移阴影叠栅轮廓术

针对传统阴影叠栅轮廓术深度测量范围有限的问题,根据阴影叠栅条纹对比度的变化特点,提出了大深度范围内的阴影叠栅轮廓新型测量方法。该方法将光栅置于不同的高度,在物体表面形成叠栅条纹,通过将不同高度范围内的条纹相位测量结果相互融合,实现了大深度范围内的阴影叠栅轮廓测量。分析了光栅处于不同位置时叠栅条纹的相位分布特点,提出了基于重叠区域的相位融合方法和误差补偿方法。通过实验验证了所提出方法的可行性和准确性。     

阴影叠栅相移非线性误差补偿算法研究

相移阴影叠栅干涉场的相位(高度)存在非线性关系,而传统的相移阴影叠栅技术往往忽略了相位与高度的非线性关系,从而在测量系统中引入测量误差。对此提出了一种基于迭代相位解调自调算法相移阴影叠栅技术,该方法利用最小二乘技术获得相移量估算值,利用该估算值通过迭代算法消除相移阴影叠栅的全场相位误差,从而得到正确的相位分布。模拟计算表明该方法可以有效解决相移不均产生的相位测量误差问题,且可实现光栅移动量的精确估算,其误差不超过3.4%。对比实验进一步说明了所提出方法的正确性和优越性。     

基于叠栅条纹的光刻对准理论分析及标定方法

在线光栅用于纳米光刻对准理论的基础上,为实现光栅方向的标定和掩模硅片对准,提出一种利用相位斜率消除角位移的新方法,并给出线光栅标记及其对准原理。在对准前,掩模对准标记和硅片对准标记存在角位移,重点讨论了此种情况下叠栅条纹的特性以及与光栅物理参数的关系,并给出了相应的计算公式。基于傅里叶频域分析法,对叠栅条纹频率成分与条纹的关系做了简要分析。利用提取叠栅条纹行列方向的一维相位,通过数据拟合,得出了相位斜率与角位移的内在关系,实现了条纹方向的标定。模拟实验结果表明,该方法简单可靠,可分辨的最小角位移低于0.02°。     

提高叠栅条纹信号质量的一种新方法

在国内外普遍使用的细栅距幅光栅叠栅条纹系统中,衍射效应是很明显的,这是造成叠栅条纹信号的衬比(度)和正弦性不好的主要原因.本文在分析了叠栅条纹信号的基础上,导出了衍射光栅副中±1级叠栅条纹的相位与光栅副间隔,光线入射角等的关系,提出了用±1级叠栅条纹来提高叠栅条纹的信号质量,实验结果与理论分析一致,实际应用,效果良好.     

任意相移阴影叠栅相位解调技术的研究

结合时域和频域干涉图分析方法,提出一种任意相移阴影叠栅条纹图相位解调技术,降低了干涉图在采样过程中对相移量的严格标定要求,补偿了相移阴影叠栅技术固有的相移不匀误差。使用空域技术确定采样干涉图的正交信号,进而得到了采样干涉图的相移量,然后运用任意相移相位提取算法搜索测量相位信息。实验证明此方法简单方便、求解迅速,且优于典型的相移算法,其测量误差的标准差不超过3×10-3 mm,该方法为提高相移阴影叠栅技术的测量精度提供了有效手段。     

基于方形孔径微透镜阵列二维叠栅条纹的微小角度测量

提出了一种利用方形孔径微透镜阵列和微图形阵列产生的二维叠栅条纹测量微小角度的方法。分析了不同尺寸阵列产生的二维叠栅条纹的节距变化规律,推导了微小旋转角度的表达式,对叠栅条纹的节距与阵列夹角之间的关系进行了理论分析与实验测量。研究结果表明,当微图形阵列的窗口边长小于微透镜阵列的透镜元宽度时,叠栅条纹的节距变化较平缓,且对微图形与微透镜阵列间的夹角θ的变化较敏感,这有利于提高测量结果的准确性;当微图形阵列的窗口边长为0.3mm,微透镜阵列的透镜元宽度为0.4mm时,节距与夹角θ间关系的实验结果与理论结果总体一致。     

傅里叶变换求取叠栅条纹微小位移的精度分析

提出了借助于傅里叶变换提取叠栅条纹相位分布的途径来获得条纹微小位移量的方法中，图像的截断必然会产生频谱泄漏，从而引入数据处理的误差。详细分析了傅里叶变换中频谱泄漏产生的原因及其对测量误差的影响，提出了图像处理时，通过外插值将截断区域延拓为叠栅条纹周期整数倍时可以减小甚至忽略频谱泄漏所引起的相位计算误差，并对此进行了数值模拟以及初步的实验验证，证实了该方法的有效性，为叠栅偏折法应用于微细尺度流动与传热的实验研究提供了有效的技术途径。     

基于双光栅的纳米测量方法

针对两个物体或平面的相对位移和间隙的纳米级变化量,提出并研究了一种光栅测量方法.采用两组周期接近的微光栅重叠可以产生一组周期分布的条纹,条纹的周期相对于两光栅周期被大幅度放大,并将光栅间的位移反应在条纹的相位信息中.建立了关于双光栅产生叠栅条纹的复振幅分布的近似理论模型.基于该模型设计了一种能够测量两个平行平面相对位移和间隙的方法.针对光栅移动产生相应条纹的过程进行了数值计算.结果表明,两个平行平面的相对微位移将引起相应条纹的大位移,并且该方法最终能在纳米级以内分辨两平面(物体)的相对位移或者间隙变化量.     

光栅周期不一致对莫尔条纹法测量扭转角的影响

为了提高用莫尔条纹法测量扭转角的测量精度,分析了光栅周期不一致对扭转角测量误差的影响。从基于莫尔条纹法测量扭转角的原理出发,论述了光栅周期不一致与测量精度的关系,讨论了引起两光栅周期不一致的两个因素,即光栅刻划误差以及两光栅栅面不平行。理论分析表明,前者是引起光栅周期不一致的主要原因。当两光栅等效周期比值β＜1.001时,在±15′的测量范围内,选择光栅周期为50 μm,莫尔条纹宽度为1 400~1 800 μm时,光栅周期不一致引起的测量误差可以控制在1.6″之内。     

绝对编码光栅的相位细分及其在位移测量中的应用

提出通过光栅条纹相位的精密测量,获取光栅高精度位移信息的方法。具体方法是对光栅图像采用多码道设计,用CCD二维图像传感器获取测量段光栅图像多码道信息。对最低码道图形的周期函数序列进行傅里叶变换、基频滤波和逆傅里叶变换获得光栅截断相位分布,其余码道信息提供相位展开的级次,以此获得测量段光栅的绝对相位分布。用光刻的手段制作了实用的绝对编码光栅,基元码道的尺寸是:27.36μm用于明条纹,27.36μm用于暗条纹,最小基元码道空间周期为54.72μm,光栅长度为14008.32μm。在步长近似3μm的位移测试中,与比对的标准仪器记录值比较,标准偏差为0.2057μm,精度在亚微米量级。重复性实验表明,位置测试的稳定性为0.09μm(标准差),得到600倍以上细分的分辨力。     

基于STM32F4的时栅位移传感器信号处理系统设计

为了提高时栅位移传感器的测量精度及分辨率,提出了一种基于STM32F4的时栅位移传感器信号处理系统。系统包括硬件电路和软件设计,运用STM32F4处理器产生的高频时钟脉冲插补感应信号和参考信号的相位差,实现了相位检测。经实验验证,采用系统后,时栅位移传感器的角度误差峰峰值为2.4＂,实现了高精度、高分辨率的时栅角位移测量。     

铋光栅X射线相衬成像条纹对比度的定量计算

吸收光栅是X射线相衬成像系统的关键器件,铋吸收光栅由于其制作成本低廉且适于在普通实验室开展制作而受到青睐。提出了一种针对铋光栅X射线相衬成像条纹对比度的定量计算方法,通过建立模型,数值计算了不同铋层厚度的吸收光栅所对应的叠栅条纹对比度,并比较了π和π/2相位光栅两种情形下的结果。结果显示,随着吸收光栅铋层厚度的增加,条纹对比度逐渐增加,当源光栅和分析光栅的铋层厚度分别达到150μm和110μm时,利用π相位光栅在40kV管电压下其条纹对比度可达48%,60kV管电压下其条纹对比度只能达到22%。而在两个吸收光栅铋层厚度相同的情况下,采用π/2相位光栅所得条纹对比度略优于π相位光栅的结果。对铋光栅X射线相衬成像条纹对比度的计算分析,可作为X射线相衬成像系统设计的参考依据,推动该成像技术走向实用化。     

绝对式光栅尺细分误差补偿方法

为了提高绝对式光栅尺的细分精度,提出了一种细分误差补偿方法。对绝对式光栅尺A、B两路叠栅条纹信号进行傅里叶分析,建立叠栅条纹信号模型;对信号模型中的相位、振幅、谐波、直流分量进行校正,得到理想叠栅条纹信号的模型;对比实际信号模型和理想信号模型的细分位置,得到绝对式光栅尺的细分误差;根据该误差对细分值进行补偿,提高细分精度。通过使用JC09型绝对式光栅尺对该方法进行验证,可使其细分相对误差从2.70%降低到1.05%。实验结果表明,该方法能够有效地提高绝对式光栅尺细分精度,且该方法具有原理简单、易于实现的优点。     

基于二元光栅特征提取的相位展开方法

传统基于正弦光栅相位测量轮廓术中,相位因反正切运算而被截断在（-π,π]之间,需要利用菱形等相对相位展开算法进行展开,容易产生相位误差累计,甚至无法展开相位;或者利用投影辅助格雷码等额外结构光场来确定条纹级次,避免相位误差累计,实现相位的展开。提出了一种基于二元光栅特征提取的相位展开方法。通过投影一组相移二元光栅来实现三维测量,既避免了投影仪伽玛非线性对三维测量的影响,又将投影系统的刷新频率提高一个数量级,同时利用二元光栅本身的图像特性,在不增加辅助结构光场投影的前提下,自定条纹级次,从而将自定的条纹级次相位与截断相位相加,实现展开相位,有效避免了相位误差的累计。实验验证了所提方法的可行性和有效性,解相结果与未发生累计误差的菱形算法解相结果具有很好的吻合效果。