扩展差动共焦显微系统量程范围的方法与措施

为扩展差动共焦显微镜(HCMS)的测量量程范围,使其满足三维微细结构和三维表面轮廓测量时的需求,基于环形光瞳滤波技术提出一种扩展HCMS测量范围的环形光瞳量程扩展方法与技术。该方法应用二元光学整形原理将HCMS中两探测器探测到的光强响应曲线的半高宽拓宽,继而达到扩展量程范围的目的。与常用的通过减小共焦显微系统物镜的数值孔来扩展量程范围的方法相比,整形环形光瞳量程扩展法在扩展量程范围的同时,还改善了HCMS的分辨特性,压缩其旁瓣,避免了因减小物镜数值孔径值引起的横向分辨力降低的不足。理论分析和实验表明：当环形光内、外径半径比ε=0．5时,环形光瞳量程扩展技术使HCMS的量程扩展了1倍,同时使其横向分辨力得到改善,旁瓣得到抑制。     

自聚焦共焦式微小内腔体探测技术

系统用自聚焦透镜代替共焦扫描显微镜中的聚焦透镜 ,将自聚焦透镜体积小的特点与共焦显微技术的轴向高分辨力和绝对位置跟踪特性有机结合 ,具有测头微小型化 ,高的轴向分辨力、较大倾斜表面的瞄准能力、对突跳位置的绝对跟踪能力等特点。选用PZT作为轴向扫描驱动元件 (线性范围± 5 μm ,每个脉冲 2nm进给 ) ,用高精度电容位移传感器作为位置跟踪元件 (线性范围± 5 μm ,分辨力 1nm)。对 2 0°角度块进行测试实验表明 ,在测头直径为 1mm的情况下 ,系统对 2 0°倾斜度以内的斜面轮廓的探测轴向分辨力可达 10nm。     

激光外差干涉快速超精密测量模型研究

为了精确地描述激光外差干涉在快速超精密测量中的位移测量．建立了激光外差干涉快速超精密测量模型。传统外差干涉测量模型采用舍去高阶误差的方法,便于分析与快速计算,但存快速纳米精度测量中,高阶误差已经影响到测量精度．根据多普勒频移公式,通过分析激光外差干涉的测量原理．在已有的激光干涉测量模型上增加了u^2/c的积分项．相当于将传统测量模型进行了高阶误差补偿。通过理论分析可知,当最高测量速度为1m/s,运行位移为3m时,该测量模型能够减小约18nm的测量误差,解决了传统测量模型存存的残余误差累计问题,从而为激光外差干涉在快速超精密测量领域的应用提供了一种理论依据。     

微型差动式共焦自聚焦光聚焦探测系统

为解决微小内轮廓尺寸为代表的微小尺寸的非接触式超精密测量问题，提出了将自聚焦透镜体积小的特点与共焦显微技术的高分辨率和绝对位置跟踪特性相结合的差动式自聚焦共焦微型显微技术的光探测技术，建立了相应的传感系统，介绍了系统的工作原理和构成，自聚焦透镜测头直径为1mm，两个探测器差动设置，不但消除了光源的光强漂移和探测器的电子漂移产生的共模噪声，提高了测量信噪比，而且有效地提高了系统的轴向分辨率，初步实验表明，系统轴向分辨率在倾斜率小于20度的范围内可达5nm。     

基于PFC算法的纵向塞曼热稳频系统预热控制方法

针对传统纵向塞曼热稳频系统的恒值加热方法存在预热时间长、在不同环境预热效果存在差异的问题,提出了一种基于预测函数控制(PFC)算法的预热控制方法.该方法采用一阶加纯滞后模型作为PFC算法的预测模型,参考Smith预估思想对系统输出对象进行修正,可以有效克服被控系统热交换的时滞特性对预热效果的影响,缩短预热时间;控制参考温度与不同环境温度相差为固定值,并设定阈值跳模时间作为预热-稳频转换的判据,可以有效克服环境温度对同一时刻预热效果的影响.实验表明,在15～26 ℃环境温度下,激光器开机小于17 min即可完成预热-稳频转换,预热时间差异小于2 min,不同环境下热平衡温度与环境温度差值的差异小于1.5 ℃.     

基于梯度信息的随机Hough变换圆轮廓测量技术

在图像处理及计算机视觉中,Hough变换是一种应用非常广泛的图像边缘检测技术.分析了Hough变换的基本原理,指出了传统Hough变换以及随机Hough变换存在的缺陷,提出了一种基于随机Hough变换、综合利用图像本身灰度信息和梯度信息,并根据图形本身性质搜索边缘点的适用于圆周及圆弧轮廓的边缘检测算法.该算法采用"多对一"映射,显著减少了存储所需的容量;采取并行算法提高了运算速度;采用亚像素细分技术对边缘进行进一步的细化处理,提高了测量精度;最后用弦长加权法对边缘点进行拟合,得到被测参数.依据上述原理研制了高精度、高效率图像采集与处理系统,并在该系统上进行了实验.实验结果表明,对于对比度较差的轮廓,其测量不确定度在0.15像素以内.     

锅炉火焰动态跟踪识别算法的研究

采用动态跟踪火焰焰芯算法和改进的一维灰度直方图算法用于燃烧控制，很好地解决了实时监测锅炉火焰的燃烧状态和品质问题，1000幅典型图像的仿真结果，同目测判别结果比较，此方法识别率优于99.8％。     

基于特征谱信号抑制的气膜刚度测量技术

针对动压轴承气膜刚度测量中转子形状误差、质量偏心、表面缺陷等具有周期性频谱特征的扰动信号抑制问题,提出基于特征谱信号抑制的气膜刚度测量技术.采用傅立叶分析的方法分析信号频谱,选取能量相对集中的与转速相关的扰动信号为抑制目标信号,通过对原始采样序列引入目标信号半周期的相位移动,产生与目标信号符号相反的虚拟采样序列,将虚拟采样序列与原始采样序列相加实现对特定频率扰动信号的抑制.基于这种信号处理方法,研制了基于激光三角激光位移传感器测量的自重法动压轴承气膜刚度测量仪.实验证明,由质心偏移测量误差引入的气膜刚度测量实验标准不确定度为5.5×10-3 N/μm.     

Assessment method of numerical integration used in measuring profile based on ultra-precise thin light beam scanning

In order to improve the precision of profile measurement based on ultra-precise thin light beam scanning, an assessment method that compares different numerical integration algorithms in frequency-domain is put forward. The compared numerical integration methods are regarded as recursive digital filters. Through comparing their functions of frequency response in frequency-domain, the delivering role of noise with different frequencies can be analyzed directly and clearly in the process of integrating measured slope data. Analyzing results show that the method of cubic spline is better than trapezoidal, Simpson and 3/8 Simpson rules.     

激光干涉快速超精密测量残余累计误差研究

随着激光外差干涉测量速度的提高,其存在的原理性误差严重影响测量精度。通过对激光外差干涉原理上产生残余累计误差的机理进行理论分析,给出影响误差大小的因素,并进行相应的仿真验证,提出误差修正方案,应用数值分析的方法,通过获取激光外差干涉的实时速度,实现误差补偿。仿真结果表明,此方法能够有效地减小残余累计误差,当最大测量速度为1m／s、最大位移为3m时,能够消除17．7nm的残余累计误差,而且能消除其累计现象。