立体视觉引导三维微纳米测头

基于DVD读取头高精度位移传感特性与机器视觉三维引导技术，研制立体视觉引导微纳米三维测头，测量范围50μm，测量精度25nm，分辨率1nm，测量力小于1mN，测球直径25~100μm，用于解决MEMS等微器件三维高精度几何形状与尺寸的测量难题。测头采用三点悬挂光纤探针结构，探针由一体化测杆与测球组成。在探针周围，嵌入一个单摄像机立体视觉引导系统，并把光源从探针一端引入，使光纤测球既作为探头，也作为光源，协作引导系统，在以球心1mm的空间内，对测球进行三维可视化引导。探针位移采用三个DVD读取头感知；当测杆受力变形时，可用立体视觉引导系统进行准确的测量，实现测头定位误差补偿，或直接获得测球发光点中心的位置变化，实现三维测量。本项目的特色在于将接触式发光光纤探针和光学DVD读取头的扫描特性结合在一起，实现对微纳器件的真正三维测量。并在测量过程中，采用立体视觉成像技术，对测头进行三维可视化引导。

本项目研究目的是研制一个立体视觉引导接触式微纳米三维测头。其主要研究内容和完成情况如下：.1、.测头的制备技术研究.我们采用微测球电火花加工原理，自制了一套光纤球烧结装置。该装置可以精准调节光纤和放电电极棒之间的位置关系，且通过自制的放电电路控制放电时间和放电电流；为了精确调整电极棒和光纤的位置并且实时测量光纤球的圆度，安装了三个相互垂直显微成像系统，这样通过CCD和上位机软件就可以精确测量其位置关系和光纤球的圆度。我们开发了一套与该装置相关的软件，该软件可以调节放电时间和放电强度，并且通过采集CCD数据来计算光纤球的圆度，这样我们就可以得出光纤球的圆度和放电电流和放电时间的关系。目前我们烧结出的光纤球的直径150um，球的圆度为1.8um。.2、.信号感测系统的研究.利用DVD读取头作为位移传感器。我们通过自制的电路，将DVD读取头的输出信号进行处理，得出与反射物距离的S曲线。为了消除不同反射系数带来的影响和得到单调的S曲线，我们有自制了归一化电路和S曲线线性区选择及位置判断电路。最后我们对自制的信号感测系统的特性进行了实验与数据分析，其结果为：平均灵敏度69.98 mV/µm，线性范围灵敏度120.3 mV/µm，标准差2.91 mV，测量误差41.6nm，噪声6.71mv。在此基础上我发表了2篇第一作者文章。.3、.测头的高灵敏弹性机械结构设计方法研究.微纳米测头需要超轻高灵敏弹性机械结构，要能精确控制测量力，为此我们设计一种新型的弹性机构。该构设计成各向同性，对称分布且具有单一热学中心的机械结构，因此采用3个均布高精度DVD读取头协同工作可以完成3D测量。我们通过仿真软件得出了其结构的具体参数。实验结果表明，当臂长a=b=8mm，d1=d2=0.5mm，θ=60°，悬挂结构厚度d=0.1mm以及中间连接件厚度1mm时，能达到设计要求。有一篇文章正在送审。