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可视化非接触式探头的研制

作　者: 张珂
导　师: 范光照
学　校: 合肥工业大学
专　业: 精密仪器及机械
关键词: 蓝光DVD读取头可视化非接触式探头共焦光路像散原理边缘信号模型
分类号: TN946.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
下　载: 2次
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内容摘要

为解决微型工件的高精度测量问题，研制了一台基于蓝光DVD光学读取头的可视化非接触扫描探头。该探头包括可视化模块、测量模块和CCD相机三部分。该探头可以实现微小尺寸的纵向和横向高精度测量，借助CCD相机，透过探头的可视化系统可以观察待测件表面形貌，并可以看清聚焦光点与待测位置的相对关系。论文主要完成了以下工作：(1)对市售蓝光DVD光学读取头的结构加以改进，将其作为探头的位移传感器，完成微位移测量要求。(2)设计了共焦光路系统，实现了在实验过程中观察测量进程的目的。共焦(无限远)光路系统的设计主要包括合理的光路分析和正确的参数计算这两项工作。(3)确立了基于象散原理和反射能量的测量方法。其中，象散原理用于纵向(阶高)测量，通过对误差聚焦信号曲线的标定处理实现纵向(阶高)高精度测量；反射能量用于横向测量，通过反射能量的变化建立边缘信号模型并确定合适阈值来判断边缘位置，以此得到横向(线宽)测量高分辨率，突破衍射极限对传统光学测量的限制。(4)在纳米定位平台上构建实验系统，对组装好的探头的性能进行了分辨率、重复性的测试。实验结果证实：对阶高的高度测量(纵向测量)分辨率小于10nm，标准差可达22nm；对标准阶高片的线宽、MEMS方孔和圆孔直径的测量(横向测量)分辨率小于10nm，标准差约为40nm。实现了超分辨率的测量能力。

全文目录

致谢  7-8
摘要  8-9
ABSTRACT  9-14
第一章绪论  14-22
  1.1 研究起源与目的  14-15
  1.2 国内外现状  15-20
  1.3 研究方法与内容概要  20-22
第二章可视化非接触式探头结构及设计原则  22-37
  2.1 蓝光光学读取头工作原理及组件介绍  22-27
    2.1.1 蓝光光学读取头工作原理  22-23
    2.1.2 激光二极管  23-24
    2.1.3 四象限光电传感器  24-26
    2.1.4 光束整形器  26-27
    2.1.5 伺服镜片  27
  2.2 显微物镜  27-28
  2.3 场镜选取  28-30
  2.4 继电器与偏振片  30-31
  2.5 可视化非接触式探头整体结构和光路系统  31-34
    2.5.1 可视化非接触式探头光路系统  31-32
    2.5.2 可视化非接触式探头整体结构  32-34
  2.6 可视化非接触式探头电路系统  34-35
    2.6.1 蓝光 DVD 读取头的启动电路  35
    2.6.2 信号处理电路  35
  2.7 本章小结  35-37
第三章可视化非接触式探头测量原理  37-53
  3.1 高度(阶高)测量原理  37-43
    3.1.1 聚焦误差曲线公式推导  37-43
    3.1.2 可视化非接触式探头高度测量原理  43
  3.2 宽度(线宽)测量原理  43-52
    3.2.1 线宽测量原理一(阶高在测量范围内)  44-48
    3.2.2 线宽测量原理二(阶高大于测量范围)  48-52
  3.3 本章小结  52-53
第四章非接触式探头实际应用及误差分析  53-70
  4.1 纳米三维平台介绍  53-57
    4.1.1 二维共平面平台  53-56
    4.1.2 宝塔形桥架及 Z 轴构架  56-57
  4.2 可视化非接触式探头测量实际应用  57-68
    4.2.1 高度测量应用‐‐测量 4 μm 阶高  58-61
    4.2.2 宽度(线宽)测量应用‐‐测量标准阶高片线宽  61-65
    4.2.3 宽度(线宽)测量应用‐‐测量方孔  65-67
    4.2.4 宽度(线宽)测量应用‐‐测量 50 μm 圆孔  67-68
  4.3 可视化非接触式探头误差分析  68-69
    4.3.1 硬件噪声  68-69
    4.3.2 环境误差  69
  4.4 本章小结  69-70
第五章结论与展望  70-71
  5.1 研究总结  70
  5.2 工作展望  70-71
参考文献  71-74
攻读硕士学位期间的学术活动及论文情况  74-75

可视化非接触式探头的研制

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