【摘要】：隨著微電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展,微電子制造裝備對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和定位精度要求越來越高,微電子制造裝備的特征是過程高速運(yùn)動(dòng)(3m/s~5m/s)和末端精密定位(0.01?m~1?m)。如何提高測(cè)量速度和精度是實(shí)現(xiàn)高速精密測(cè)量的前提,也是電子制造設(shè)備的關(guān)鍵,關(guān)系著微電子產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展。光柵是應(yīng)用最多的位移傳感器,具有高精度、高分辨率、大量程和抗干擾能力強(qiáng)等特性,被廣泛應(yīng)用于精密測(cè)量領(lǐng)域。光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的性能直接決定位移測(cè)量精度,常用的柵格式位移測(cè)量系統(tǒng)是利用莫爾條紋的復(fù)雜細(xì)分或減小光柵條紋柵距來提高測(cè)量精度,前者是對(duì)模擬信號(hào)的數(shù)字細(xì)分,易受外部噪聲干擾而降低精度,后者對(duì)光柵尺的制造要求高,成本大幅增加。針對(duì)柵格式位移測(cè)量系統(tǒng)存在的問題,本文著眼于光柵測(cè)量技術(shù),從提高分辨率、位移測(cè)量精度和測(cè)量速度這三個(gè)角度出發(fā),設(shè)計(jì)了一款基于線陣CMOS圖像傳感器的光柵尺位移測(cè)量系統(tǒng)。在系統(tǒng)方案制定過程中,針對(duì)現(xiàn)有光柵位移測(cè)量系統(tǒng)獲取位移的方案不能兼顧高速高精度的問題,提出基于高幀頻的線陣CMOS傳感器的光柵圖像采集方案,并利用FPGA并行特性對(duì)采集到的光柵圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行快速編解碼處理,以滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示位移要求。為提高系統(tǒng)分辨率,本文提出了將圖像傳感器與光柵柵紋成一定傾斜角度的縱橫轉(zhuǎn)換放大方法來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高分辨率,并采用亞像元細(xì)分法提高測(cè)量精度。為減小數(shù)據(jù)量處理,對(duì)細(xì)分法獲取的圖像區(qū)間求均值并取整得到等距區(qū)間,對(duì)單一等距區(qū)間進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)解碼得到位移值。在系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)過程中,根據(jù)線陣CMOS傳感器成像特點(diǎn)選擇對(duì)應(yīng)的光源,鏡頭和支架平臺(tái)。位移采集卡是本系統(tǒng)取得高精度測(cè)量的關(guān)鍵部件,根據(jù)系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)傳輸特性,采用高速AD和高速并行FPGA來完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和像素處理工作。為滿足人機(jī)交互要求,采用USB2.0高速數(shù)據(jù)傳輸接口實(shí)現(xiàn)光柵圖像和測(cè)量位移值的傳輸。本文在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過程中,采用Verilog語言完成線陣CMOS傳感器、高速AD轉(zhuǎn)換的驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì),并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。根據(jù)CY7C68013A的傳輸方式,采用Slave FIFO模式完成下位機(jī)和上位機(jī)的圖像數(shù)據(jù)傳輸,確定縱橫轉(zhuǎn)換放大方法的傾斜角度,并更改固件程序和驅(qū)動(dòng)程序。圖像傳感器采集到的光柵圖像往往會(huì)帶有大量噪聲,本文提出了改進(jìn)的中值濾波求解算法對(duì)圖像進(jìn)行降噪處理。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求,在FPGA內(nèi)部完成亞像元細(xì)分算法、圖像降噪算法、方向判斷和位移計(jì)算。PC端軟件開發(fā)采用MFC多線程編程方法,完成上位機(jī)界面設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)位移的實(shí)時(shí)采集和光柵圖像的顯示。最后在大族伺服直線電機(jī)平臺(tái)上安裝本論文設(shè)計(jì)的光柵位移測(cè)量系統(tǒng),并用激光干涉儀進(jìn)行位移測(cè)量標(biāo)定。通過理論分析和實(shí)驗(yàn)表明,該位移測(cè)量系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度,同時(shí)具有實(shí)時(shí)性高,穩(wěn)定性好,硬件電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn),測(cè)量系統(tǒng)能達(dá)到位移測(cè)量精度±0.5?m,分辨率0.06?m,最高運(yùn)動(dòng)速度10mm/s。本論文所研究的成果對(duì)光柵尺位移測(cè)量領(lǐng)域提供了一條新的路徑。
[Abstract]:The paper designs a grating image acquisition scheme based on linear array CMOS image sensor by using high speed AD and high speed parallel FPGA to improve the accuracy of measurement . The displacement measuring system has the characteristics of high measurement accuracy , high real - time performance , good stability and simple hardware circuit . The measurement system can achieve the displacement measurement accuracy of 鹵 0.5 脳 m , resolution 0.06 ? m and the highest moving speed of 10mm / s . The results of this paper provide a new path for the field of grating ruler displacement measurement .
【學(xué)位授予單位】：廣東工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TP391.41;TP212

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 雷勇構(gòu);;微電子封裝技術(shù)的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用[J];技術(shù)與市場(chǎng);2016年11期

2 王彩霞;;線陣CCD非接觸直徑測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J];自動(dòng)化儀表;2012年04期

3 時(shí)魁;高云國(guó);趙勇志;喬兵;;增量式光柵編碼器與絕對(duì)式編碼器性能比較和分析[J];機(jī)械設(shè)計(jì)與制造;2011年01期

4 王旭東;葉玉堂;;CMOS與CCD圖像傳感器的比較研究和發(fā)展趨勢(shì)[J];電子設(shè)計(jì)工程;2010年11期

5 常麗;李健強(qiáng);;基于CCD和FPGA的光柵位移測(cè)量系統(tǒng)[J];儀表技術(shù)與傳感器;2010年05期

6 李繼軍;杜云剛;張麗華;劉全龍;陳建芮;;CMOS圖像傳感器的研究進(jìn)展[J];激光與光電子學(xué)進(jìn)展;2009年04期

7 張舞杰;楊義祿;李迪;葉峰;;自動(dòng)影像測(cè)量系統(tǒng)關(guān)鍵算法[J];光學(xué)精密工程;2007年02期

8 谷林,胡曉東,陳良益,曾志雄;基于FPGA的線陣CCD亞像元邊緣檢測(cè)片上系統(tǒng)[J];光子學(xué)報(bào);2004年05期

9 劉清;提高光柵測(cè)量精度和分辨率的技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[J];計(jì)量學(xué)報(bào);2003年04期

10 鄭洪;單道編碼CCD細(xì)分直線編碼器的研究[J];中國(guó)機(jī)械工程;2003年03期

，

本文編號(hào)：2136169