哈尔滨工业大学（深圳）机电工程与自动化学院，广东 深圳 518057
精密定位测量旨在针对微动目标实现微纳米精度的定位与小尺度操纵，其作为一种重要的测量技术，在工业生产、半导体制造等高端装备领域得到广泛应用。与其他测量方法不同，光学显微视觉测量技术因具备交互性强、扩展性强的特征而广泛应用于精密测量中。对基于光学显微视觉的精密定位测量技术进行分析与综述。首先，介绍光学显微视觉系统的成像模型与工作原理。其次，根据是否基于标靶图案的特征，对显微定位测量算法进行分类；同时，根据标靶图案的周期特征进行进一步的分类与探究，讨论其在不同标靶图案下的性能指标。最后，总结光学显微视觉定位测量方法在不同领域的应用与前景。该综述旨在为研究人员提供关于光学显微视觉精密定位测量技术的发展状态与趋势，促进微纳尺度定位测量技术的发展。
光学系统 精密定位测量 显微视觉 微纳尺度 激光与光电子学进展
2024, 61(2): 0211021
1 苏州大学 机电工程学院，江苏苏州25000
2 中国空气动力研究与发展中心 超高速空气动力研究所，四川绵阳61000
MEMS摩阻传感器是一种专门为测量高超音速飞行器模型表面摩擦阻力设计的立体式MEMS传感器，为了实现其可靠组装，设计了MEMS摩阻传感器微组装系统，对包括双显微视觉系统、高精度治具设计、精密操作工具、精密定位平台、高精度视觉识别算法以及点胶工艺等进行了研究。首先，分析确定了传感器性能与传感器浮动杆与芯片组装的形位公差、总成后的浮动杆上端圆面与传感器管壳上组件圆孔的同心度以及端面平齐度与高度差相关。然后，针对影响因素设计了高精度治具保证组装前传感器各个部件的形位公差在理论范围内，设计了精密操作工具确保精确吸取部件并在组装过程中稳定搬运部件，利用双显微视觉精确识别装配的轴孔位置，驱动精密定位平台将各部件搬运到对应装配位置。最后，研究点胶工艺对于传感器装配性能的影响。实验结果表明：传感器微组装完成后，其浮动头与管壳上组件圆孔同心度偏差平均值约4.90 μm；浮动头与上端盖端面高度差跳动值为1 μm。MEMS摩阻传感器微组装系统完全满足传感器装配要求。
MEMS封装技术 微操作 显微视觉 精密定位 MEMS packaging technology micromanipulation micro vision precision positioning 光学 精密工程
2022, 30(16): 1943
1 清华大学深圳国际研究生院，广东 深圳 518055
2 清华-伯克利深圳学院，广东 深圳 518055
光栅干涉仪凭借高精度和高鲁棒性，成为先进节点光刻机中的重要定位装置。针对14 nm及以下节点光刻机晶圆台的定位需求，综述了多自由度纳米/亚纳米测量精度的零差式和外差式光栅干涉仪的发展，并介绍了“四光栅-四读数头”的光刻机六自由度位移测量系统布局。为了获得更高的精度和可溯源性，综合分析了光栅干涉仪中的环境误差、安装误差和仪器内在误差，并提出了光栅干涉仪实现亚纳米测量精度的关键问题，期望为光栅干涉仪精度提升和系统搭建提供初步指导。
激光与光电子学进展
2022, 59(9): 0922019
1 河南理工大学 机械与动力工程学院，河南 焦作 454003
2 德国联邦物理技术研究院，德国 布伦瑞克 D-38116
超精密纳米位移台常用于扫描探针显微镜、光学显微镜等高精度分析仪器中，其纳米机械性能的精密计量和校准对显微测量系统的性能起着关键作用。基于一种双通道结构差动式平面镜干涉测量与校准方法（英国国家物理实验室），文中对一种超精密位移台的关键计量特性进行了定量研究。构建了基于现场可编程门阵列（FPGA）和LabView的高精度稳频激光干涉数据采集和数据解码系统，使其可溯源超精密纳米位移台的准静态校准计量特性。进一步地，利用该干涉测量系统对超精密位移台的计量特性进行了校准和分析。测试结果显示，该激光干涉校准系统在准开放环境中的背景噪声低于10
${\rm{pm/}}\sqrt {{\rm{Hz}}} $![]()
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；该超精密位移台具有优良的纳米机械性能，其线性度低于1.2×10
−4，分辨率达40 pm，重复性和稳定性较好。上述对校准设备准静态性能和对纳米位移台计量特性的测试结果表明，所提出的方法和系统能够对纳米位移台进行计量，从而用于小于几皮米的皮米级压痕测量以及原子尺度上的大范围测量。
红外与激光工程
2021, 50(11): 20210070
1 上海市计量测试技术研究院 机械与制造计量技术研究所, 上海 201203
2 哈尔滨工业大学 仪器科学与工程学院, 黑龙江 哈尔滨 150001
针对当前微纳米测量中存在的大范围高精度测量及复杂微结构几何参数表征难题, 基于多测头传感和精密定位平台复用技术, 开发了一台具有多种测量尺度和测量模式的复合型微纳米测量仪。为使其具备大范围快速扫描测量和小范围精细测量功能, 仪器集成了白光干涉和原子力显微镜两种测头, 通过设计适用于两种测头集成的桥架结构及宏/微两级驱动定位平台, 实现整机的开发。为保证仪器测量结果的准确性和溯源性, 利用标准样板对开发完成的仪器进行了校准。仪器搭载的白光干涉测头可以达到横向500 nm, 纵向1 nm的分辨力; 原子力显微镜测头横向和纵向分辨力均可达到1 nm。最后, 利用目标仪器对微球样品进行了测量, 通过大范围成像和小范围精细扫描, 获得了微球的表面特征, 验证了仪器对复杂微结构的测量能力。
微纳米测量 白光干涉测头 原子力显微镜 多测头技术 精密定位 micro and nano measurement white light interference microscope atomic force microscope Multi-probe technology precise positioning
华南理工大学 广东省精密装备与制造技术重点实验室, 广东 广州 510640
针对目前用于原子力显微镜的扫描定位平台带宽低、行程小、耦合性能差等问题, 提出了一种基于柔性梁的高带宽两自由度精密定位平台并对该平台进行了优化设计、仿真验证与实验分析。首先, 提出了以双端固定梁与平行杂交梁为基础的并联柔顺平台, 分别运用卡式第二定理和拉格朗日方程建立了平台刚度和固有频率的数学模型; 然后, 通过最优化理论获取了平台的最高固有频率及最优设计尺寸, 并运用有限元方法验证了优化结果的可靠性; 最后, 搭建了实验系统, 对平台进行了实验研究。实验结果表明: 所设计平台的最大行程为12.950 μm×13.517 μm, 耦合误差小于1.77%, X, Y方向的固有频率分别为12.21和13.50 kHz, 在开环条件下可良好地追踪频率小于1 kHz的三角波, 有效改善了传统扫描定位平台响应慢、行程小、耦合性能差等问题。
精密定位平台 高带宽 优化设计 固有频率 compliant nanopositioning stage high-bandwidth optimization design resonant frequency
1 南京航空航天大学 机械结构力学及控制国家重点实验室, 江苏 南京 210016
2 华侨大学 精密测量技术及仪器研究中心, 福建 厦门 361021
针对目前光波导封装使用的精密定位平台行程小, 结构与控制系统复杂的问题, 提出了非共振型压电电机驱动的大行程精密旋转定位平台。该平台通过压电电机的连续作动和步进作动两种工作模式来满足大行程和高精度要求。首先对该精密旋转定位平台进行动力学建模, 确定了系统运动方程。然后, 分析其作动机理, 研究影响旋转平台转速的不同因素。最后, 实验研究该精密旋转定位平台的速度、步距、分辨率与负载特性, 确定平台连续作动与步进作动的驱动方式。实验结果表明, 在直流偏置为60 V, 峰峰电压为120 V, 频率为180 Hz的正弦波电压激励下, 该精密旋转定位平台最大转速可达47 963.2 μrad/s, 分辨率和最大负载分别为3 μrad和60 g。与现有的大行程精密定位旋转平台相比, 设计的平台具有行程大, 精度高, 结构简单, 稳定可控, 且装配调试方便, 易于批量化生产等优势。
大行程旋转平台 非共振压电电机 精密定位 光波导封装 rotary positioner with large stroke non-resonant piezoelectric motor precision positioning waveguide packging 光学 精密工程
2016, 24(11): 2712
1 南京师范大学电气与自动化工程学院, 江苏 南京 210042
2 东南大学自动控制系, 江苏 南京 210096
3 日本爱知工业大学智能机械工学科, 丰田市 470-0392
在光学理论基础上，对反射型双光栅检测系统进行了研究。建立了以反射叠栅信号及其相应位移为对象的数学模型，并利用Matlab 软件对反射叠栅信号其位移特性进行数值计算及分析仿真，经仿真研究发现，反射0 次叠栅信号输出光波强度最强、呈现出稳定的规律性。据此，设计实现一种基于反射叠栅信号的超精密定位系统，以反射0次叠栅信号作为定位台的控制信号，在微型计算机闭环作用下，实现微定位工作台高精度位移偏差实时检测以及超高精度自动定位。对于反射定位系统存在的非线性、迟滞性等特点，提出基于模糊径向基函数(RBF)神经网络的智能比例积分微分(PID)控制技术，在二者共同作用下在线实时调整PID 控制参数，实现PID 控制的智能化，提高智能控制的自适应能力。结果表明，采用反射叠栅信号的智能PID 控制系统抗干扰性强、定位效率高，可实现± 10 nm 的定位精度。
几何光学 超精密定位 反射叠栅信号 模糊径向基函数神经网络 比例积分微分控制 光学学报
2015, 35(12): 1208002
北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院，北京 100124
针对音圈电机驱动的X-Y定位平台中稳态误差导致的系统定位精度较低的问题，提出了基于敏感函数逆的前馈补偿控制方法。首先，采用频域辨识方法建立了系统模型，基于终值定理推导出系统扰动和稳态误差的关系，并由此设计了敏感函数的逆模型来补偿扰动对稳态误差的影响，从而提高系统精密定位性能。最后,在搭建的音圈电机驱动X-Y定位平台上进行了不同运动行程的实验研究。实验结果表明: 在行程为10 μm，最大加速度为6 mm/s2的微定位运动条件下，补偿后的定位误差可由2 μm降低到0.2 μm; 在行程为10 mm，最大加速度为6 m/s2的宏定位运动条件下，定位误差可由2 μm降低到0.4 μm。实验结果验证了本方法的有效性，为后续高精密伺服系统的研制提供了重要参考和设计依据。
音圈电机 精密定位平台 敏感函数 前馈补偿 voice coil motor precise positioning table sensitivity function feedforword compensation
北京理工大学 光电学院 精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室, 北京 100081
为了实现大量程、高精度测量系统的快速驱动与定位,结合双频激光干涉仪、可回收废气的空气静压导轨、精密滚珠丝杆以及伺服控制系统,研制了一套定位精度高、重复性好的快速精密定位系统.该系统以双频激光干涉仪为测长基准,实时反馈系统工作台位置信息;采用余气回收式空气静压导轨克服了传统气浮导轨余气对激光干涉测量光路系统的影响;在定位过程中引入PID运动控制技术,通过调节伺服控制器的PI参数使系统拥有快速平稳的响应特性.经实验测试,在500mm行程范围内,该系统的轴线双向定位精度可以达到0.266μm,重复定位精度可以达到0.173μm,具有较好地快速响应特性.应用所研制的精密定位系统对一维直线光栅样品进行了扫描,并与用Olympus共焦显微镜测得的数据进行了比对,表明系统具备良好的轴向定位能力.
光学测量 快速精密定位 双频激光干涉 空气静压导轨 PID控制 定位精度 optical measurements high-speed precision positioning double-frequency laser interference aerostatic guideway PID control positioning accuracy
