研制了基于同一显微镜基体实现原子力探针扫描测量与非接触光学测量两种功能的复合型超精密表面形貌测量仪。分析了基于白光显微干涉原子力探针的测量方法、探针微悬臂变形量与白光干涉条纹移动量的关系以及探针微悬臂测量非线性误差的修正方法，和通过融合垂直扫描系统的位移量和悬臂梁变形量得到了原子力探针的工作方式。研制了三维精密位移系统和基于白光显微干涉的原子力探针测头。采用原子力探针扫描测量对NT-MDT公司生产的扫描探针校准光栅TGZ2_PTB进行了重复性实验，实验显示标准差为0.96 nm，相对重复性误差为3.08%。给出了原子力探针扫描测量、相移干涉测量及白光干涉垂直扫描测量的测量实例。实验结果表明，所研制的超精密表面形貌测量仪可用于超精密加工工程表面、光学表面以及微纳几何结构的测量。

为满足精密位移的需要，研究开发了一种大行程、纳米级和计量型三维精密位移系统。采用模块化结构设计，即3个方向的驱动机构均采用完全相同的设计结构，分别称为X、Y、Z向一维工作台。位移系统在X、Y、Z 3个方向采用粗、精两级驱动，并分别装有计量光栅。各方向粗驱动采用交流伺服电机配合精密丝杠和直线导轨进行，精驱动采用压电陶瓷微位移器配合柔性铰链进行，每个方向的两级驱动共用一套计量光栅，从而保证了位移系统的大行程、纳米级和计量型。介绍了位移系统的结构设计，分析了位移系统的位移分辨率、计量原理以及它的运动性能。实验表明，在40 mm位移行程内，X、Y和Z向工作台两级驱动实际位移与设定位移之差分别不超过±0.030、±0.028和±0.033 μm，验证了位移系统设计的有效性，为位移系统的设计提供了依据。

贴片机对准系统的精度标定是视觉定位的关键环节，直接影响贴片精度与贴片质量。为提高对准系统标定精度,提出了基于光栅的精度标定方法。将光栅图像灰度值之和形成一组周期固定的准正弦信号，通过像元平移把图像条纹灰度值变为李萨如图。对李萨如图及其数据进行分析与处理，直接计算出光学系统的分辨率，从而实现光学系统的精度标定。采用上述方法得到了与理论计算比较吻合的贴片机对准系统精度标定结果，并且利用标准大刻尺进行了标定验证实验。获取了标准大刻尺的图像，通过图像处理计算出刻线间的像素坐标差，将像素坐标差值与成像系统分辨率相乘计算出代表实测的刻线间距。对实验数据的误差分析表明，这种标定方法精度高，偏差＜0.2 μm,满足贴片机的对准精度要求。

依据白光干涉理论，研制了垂直扫描白光干涉表面三维形貌测量仪。重点对实现垂直扫描运动的工作台进行了分析。所研制的测量系统具有1nm的垂直分辨力，可用于表面粗糙度、台阶、膜厚、球面等三维形貌测量。

研究开发了一种能实现大量程位移和纳米级定位精度的一维位移工作台.工作台采用粗、精两级定位机构,以精密衍射光栅传感器组成工作台位移的闭环检测系统.工作台可以实现o～6 mm的位移及1 nm的定位分辨力.文中建立了由压电陶瓷驱动和柔性铰链导向的精定位机构的机电耦合模型,进行了精定位机构的模态分析和静力学分析,并采用ANSYS软件进行了有限元仿真运算.最后给出了工作台在表面三维微观形貌测量仪中的应用结果.

提出以正交衍射光栅作为X-Y二维位移工作台计量标准器的思想,阐述了正交衍射光栅作为大量程二维位置检测传感器的工作原理及光路布置方法,推导了光栅运动位移与所产生干涉条纹的相移之间的关系.介绍了工作台粗、细两级定位系统的组成结构:粗定位部分由磁悬浮平面直线电机驱动,细定位部分采用弹性铰支结构并由压电陶瓷驱动;通过分别对电机和压电陶瓷驱动范围与定位精度的分析,提出对工作台精密快速定位的方法.设计了一套对电机与压电陶瓷进行驱动控制和光栅信号进行处理的电路,并结合实际正交衍射光栅的刻线精度,计算了工作台位置检测的有效分辨率.最后,分析了当前几种典型压电陶瓷驱动电路的特点,提出选用直流放大电源的方式作为本系统高压驱动方法,并给出了高压驱动电路图.