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白光垂直扫描干涉仪控制系统设计及优化

作　者: 吴志顺
导　师: 崔长彩
学　校: 华侨大学
专　业: 测试计量技术及仪器
关键词: 白光干涉仪 自动对焦扫描 干涉条纹 表面形貌测量
分类号: TP273
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


物体表面的质量将直接影响到其使用功能特性，也是评定加工工艺好坏的重要依据，同时机械加工技术、光学技术和微电子技术的发展对于表面形貌测量技术及方法提出了更高的要求。白光垂直扫描干涉法作为一种常用的表面形貌光学测量方法，具有高精度、大量程、相位不模糊、非接触、面扫描的特点，在对表面进行三维形貌测量时所需时间短、稳定性高。目前大部分的白光干涉仪采用手动对焦。由于白光相干长度在几个微米到十几个微米范围之内，很容易因为手动调节过快、人员反映过慢或人眼视觉疲劳而错过干涉条纹，同时手动确定的垂直扫描行程具有不准确性。为了改善上述缺点，本文提出了基于图像灰度方差变化的自动对焦扫描方法，该方法能够将被测物体自动对焦到干涉物镜的干涉范围，并根据干涉条纹出现的范围确定垂直扫描行程。为了使干涉仪性能更加稳定，本文采用粗精双级运动控制机构，即使用独立的控制机构分别实现自动对焦和垂直扫描功能。本文的主要内容和创新点如下：1）根据白光垂直扫描原理研制了白光垂直扫描干涉仪。该干涉仪采用驱动光学干涉系统的控制结构，能够实现自动对焦扫描功能，主要技术指标：垂直扫描范围为0-14μm，垂直扫描精度为±0.03μm，视场范围为0.36*0.27mm~2。2）研制了粗精双级运动控制机构，充分利用了粗精双级机构的各自优点。粗级机构为步进电机单轴驱动器，行程150mm，单步步长0.3μm，实现干涉仪自动对焦功能；精级机构为压电陶瓷微位移器，行程14μm，精度±0.03μm，实现垂直扫描的功能。3）为了改善手动对焦的缺点，提出了白光干涉自动对焦扫描算法。该方法采用全新的基于图像灰度方差变化的方法，首先，计算图像灰度方差变化比值；其次，将该比值与预先设定的阈值进行比较，判断干涉条纹初始和结束位置；最后，根据这两个位置自动确定垂直扫描行程。并在实验中证明了该算法的可行性，同时分析了影响阈值的因素，为以后测量其他物体时阈值的选择提供了依据。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-8
第1章 引言  8-18
  1.1 课题的研究意义及目的  8-9
  1.2 表面形貌光学测量技术方法  9-12
    1.2.1 光学探针法  9-10
    1.2.2 干涉显微法  10-12
  1.3 白光干涉技术  12-15
    1.3.2 白光干涉控制系统典型结构  13-14
    1.3.3 白光干涉对焦  14-15
  1.4 课题来源  15
  1.5 本文的主要研究内容及论文结构安排  15-18
第2章 白光垂直扫描干涉仪  18-26
  2.1 白光垂直扫描干涉原理  18
  2.2 白光垂直扫描干涉仪系统结构  18-20
  2.3 光学干涉系统  20-23
  2.4 干涉仪软件系统  23-24
  2.5 本章小结  24-26
第3章 白光垂直扫描干涉仪运动控制系统的设计  26-38
  3.1 白光垂直扫描干涉仪运动控制结构  26
  3.2 步进电机单轴驱动器  26-30
    3.2.1 丝杆及导轨的选型  27-28
    3.2.2 步进电机的选型  28-29
    3.2.3 步进电机单轴驱动器的控制  29-30
  3.3 压电陶瓷微位移器  30-37
    3.3.1 压电陶瓷的工作原理及特性  31-33
    3.3.2 柔性铰链  33
    3.3.3 压电陶瓷微位移器的控制  33-34
    3.3.4 性能测试  34-37
  3.4 本章小结  37-38
第4章 运动控制系统的优化—白光干涉自动对焦扫描技术  38-52
  4.1 白光干涉对焦扫描的特殊性  38-39
  4.2 评价函数  39-42
    4.2.1 灰度方差评价函数  39
    4.2.2 梯度评价函数  39-40
    4.2.3 频谱评价函数  40
    4.2.4 评价函数性能对比分析  40-42
  4.3 基于图像灰度方差变化的方法  42-48
    4.3.1 自动对焦扫描策略  42-44
    4.3.2 阈值的选取  44-47
    4.3.3 阈值重复性分析  47-48
  4.4 白光干涉仪测量性能分析  48-51
    4.4.1 单刻线样板  49-50
    4.4.2 多刻线样板  50-51
  4.5 本章小结  51-52
第5章 总结与展望  52-54
  5.1 总结  52
  5.2 展望  52-54
参考文献  54-58
致谢  58-60
个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果  60

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 自动化系统 > 自动控制、自动控制系统
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