针对近景工业摄影测量中镜头自动对焦导致相机内参数波动进而降低测量精度的问题, 提出一种分层式相机标定方法。分析了基于平面棋盘格的相机标定技术, 阐述了数码单反相机的自动对焦原理及其如何影响相机主距的变化, 重点分析了分层式相机标定方法的基本思想。分层式相机标定实验揭示了相机内参数及畸变系数随着标定距离变化的规律, 精度评价实验的结果表明, 依据摄影距离选择合适的相机内参数能够显著提高近景工业摄影测量的精度。

在基于图像传感器的倾斜镜控制系统中，由于传感器采样频率和系统延时的影响，限制了系统的闭环性能和控制带宽。在有限带宽的条件下，本文提出利用光栅尺测量位置，差分得到速度，实现基于图像传感器系统的速度-位置反馈控制，从而提升倾斜镜控制系统的误差抑制能力。速度反馈环节的引入，使控制系统呈微分特性，当速度反馈闭环完成后，图像位置回路具有积分特性，此时使用PI控制器稳定系统，从而使得系统从零型上升为二型系统，提升系统的误差抑制能力。仿真和实验都证明这种方法可以有效地提高跟踪控制系统的闭环性能。

为实现掩模台水平向三自由度高精度的运动定位,掩模台测量系统需要建立准确的多自由度解耦测量模型。采用二维衍射平面光栅尺建立掩模台自由度位置测量系统,并主要分析平面光栅尺和读头产生的多个安装误差使测量掩模台位置存在偏差的原因。首先结合安装布局设计出三自由度位移模型,然后结合平面光栅尺和读头的安装误差,分析掩模台位置产生阿贝误差与余弦误差的原因,并设计补偿算法来减小掩模台位置误差,再通过MATLAB软件对模型进行仿真,发现耦合系数具有收敛性;最后提出一种误差校准方法,以双频激光干涉仪测量系统为基准,利用最小二乘法拟合平面光栅尺位置模型的自由度耦合系数。结果表明,该算法能有效地对掩模台的阿贝误差与余弦误差进行补偿,实现5 nm的测量系统不确定度。

为了解决数字图像亚像素级高精度尺寸检测问题, 采用了基于人工神经网络的线阵相机镜头畸变矫正方法, 比传统的多项式拟合法矫正精度高且操作简便; 提出了将光栅尺融入线阵相机扫描机构的新方法, 利用高精度光栅尺测位移信号触发线阵CCD图像采集动作, 精确获取线阵相机扫描目标的亚像素级图像。实验证明, 新的测量技术可在对运动系统要求不高的情况下获取高精度图像, 图像检测精度可以达到1μm。

为适应微电子制造装备中精密位移反馈装置的要求, 提出并设计了一种新型宏微复合光栅尺测量系统.测量系统采用LabVIEW虚拟仪器系统高速采集图像数据, 通过图像处理算法对放大后的光栅栅纹进行边界处理, 将其细化为线再转化为像素点, 并补偿运动过程中的微量位移来提高精度.实验结果表明：电机速度为1 mm/s, 行程为100 mm内时, 该系统产生的位移误差可控制在1.5 μm内, 分辨率可达0.275 μm.与传统光栅尺测量中需对莫尔条纹进行电子细分相比, 本测量系统可以有效消除光栅尺破损、污染、倾斜、光源不稳定等干扰给测量带来的影响, 同时保持微米级别的测量精度, 特别适用于敞开式光栅尺长行程的测量领域.

通过对光栅尺原理的研究,设计一种宏微复合切换测量模式,利用增量码进行低精度测量,绝对码进行高精度测量.采用增量方式采集莫尔条纹的高速性,解决高精度绝对位置采集的低速性,实现宏微复合的高速与高精度的测量.实验证明,高精度低速绝对位置测量过程中测量精度可达0.6 μm,在测量中使用新型高速与低速的变速切换测量方式,综合测量速度最高可以达到2 m/s.

针对光栅尺具有断电位置复位、无累计误差、高精度优点, 在光学隔振平台上分别建立开放式和封闭式绝对光栅尺实验系统, 绝对光栅尺采用图像识别原理, 以气浮直线电机ArotechABL1500为参考对象, 使用激光干涉仪RENISHAW XL-80校核精度, 研究不同结构绝对光栅尺的误码特点及原因。通过对比实验及研究分析, 表明封闭式绝对尺相对于开放式绝对尺的误码率要高, 开放式绝对式光栅尺的误码率为3%, 封闭式绝对式光栅尺的误码率为8%。

为了提高绝对式光栅尺的细分精度，提出了一种细分误差补偿方法。对绝对式光栅尺A、B两路叠栅条纹信号进行傅里叶分析，建立叠栅条纹信号模型；对信号模型中的相位、振幅、谐波、直流分量进行校正，得到理想叠栅条纹信号的模型；对比实际信号模型和理想信号模型的细分位置，得到绝对式光栅尺的细分误差；根据该误差对细分值进行补偿，提高细分精度。通过使用JC09型绝对式光栅尺对该方法进行验证，可使其细分相对误差从2.70%降低到1.05%。实验结果表明，该方法能够有效地提高绝对式光栅尺细分精度，且该方法具有原理简单、易于实现的优点。

为了增强高精度曲率半径测量仪器的抗环境干扰能力, 满足现场使用需求, 研制了一套基于光栅尺测长的激光差动共焦曲率半径测量系统。该系统利用差动共焦轴向光强响应曲线的过零点对应系统物镜聚焦焦点这一特性, 对被测样品的猫眼位置及共焦位置进行精确瞄准定位, 并借助光栅尺测长得到透镜猫眼位置与共焦位置之间的距离, 实现曲率半径的测量。实验表明, 该系统相对测量精度优于5×10-6, 满足高精度曲率半径测量的精度需求。