超精密仪器工程关键技术研究若干进展

　　仪器精度的不断提高是仪器科学追求的永恒目标。科学技术发展的不同历史阶段,对精度要求的水平有所不同。随着近20年科学技术的迅速发展,对仪器精度要求出现了数量级的变化。从精密测量(0.5~0.05μm),发展到超精密测量(0·05~0·005μm),最近又提出纳米精度测量(5-0·05 nm)的要求。

　　根据专家们的推测,2000年以后,随着精密工程技术、尖端技术和空间技术的迅速发展,轮廓形状允差为505 nm,尺度允差为10010 nm的超精密零件将被广泛使用,所以超精密测量技术和仪器工程的研究与应用已成为本领域科学技术发展的关键因素之一[1]。

　　1　二维和三维微小内尺度精密和超精密测量技术

　　1.1　存在的问题

　　随着我国信息工业的快速发展,对信息装备技术的需求日益迫切,其关键技术如回转基准技术和直线基准技术从亚微米级向深亚微米级延伸。目前航空、航天及汽车工业对超精密、高可靠、低耗损和低污染的要求日益迫切,相应地,微小内尺度零件越来越多,如航空发动机的微喷嘴和静电陀螺仪内球腔电极等,其内尺度约为几百微米至几毫米量级,且大多为深盲孔、半球碗或过半球碗。微小内尺度的测量问题是测量界的新问题,隐含着很多技术难度很大的关键技术问题。传统的机械接触式传感器测头尽管也可以做到较小直径(如0.2 mm),但由于宏观测量力引起的接触点弹性变形和测杆弹性变形,造成较大的测量误差。

　　1.2　微力接触式测量技术

　　1997-1998年,德国联邦物理技术研究院(PTB)和天津大学[1,2]先后提出了微力接触式测量技术,原理见图1。

　　测量系统主要包括光学成像、照明单元、光纤触测单元和三维CNC控制运动单元。测量系统的原理是利用光学成像系统和CCD摄像机确定被照明的接触测头的球心位置。经拉伸及弯曲后的光纤作为“测杆”置于光学系统的光轴上,在光纤的拉伸端粘有或利用热熔化方法形成的微型触测球体。微型触测球体被调整到光学系统的焦平面内,并由光纤另一端的冷光源照明。由被照明的触测球体反射或漫反射回来的光经光学成像系统在像平面的CCD上形成圆形亮光斑。当系统触测工件时(触测球体相对于CCD移动),亮光斑的位置将发生变化。光斑中心位置的变化(与被测点的空间坐标相对应)可以利用相应的图像处理软件以亚像素的精度计算出。

　　理论上讲,若光学系统采用10倍的物镜,CCD像素间距为10μm,则光学系统标尺应为1μm像素。当亮光斑在CCD上所成的像多于50个像素,则利用亚像素插分优化算法,光斑中心位置的横向分辨率可达0.05μm。当然,系统的实际横向分辨率还取决于图像算法和光斑的成像质量。