基于線陣CMOS傳感器的光柵尺測量系統(tǒng)開發(fā).pdf

1、隨著微電子產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，微電子制造裝備對運(yùn)動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（3m/s~5m/s）和末端精密定位（0.01μm~1μm）。如何提高測量速度和精度是實(shí)現(xiàn)高速精密測量的前提，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)用于精密測量領(lǐng)域。光柵位移測量系統(tǒng)的性能直接決定位移測量精度，常用的柵格式位移測量系

2、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量精度，前者是對模擬信號的數(shù)字細(xì)分，易受外部噪聲干擾而降低精度，后者對光柵尺的制造要求高，成本大幅增加。針對柵格式位移測量系統(tǒng)存在的問題，本文著眼于光柵測量技術(shù)，從提高分辨率、位移測量精度和測量速度這三個角度出發(fā)，設(shè)計了一款基于線陣CMOS圖像傳感器的光柵尺位移測量系統(tǒng)。
　　在系統(tǒng)方案制定過程中，針對現(xiàn)有光柵位移測量系統(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

3、陣CMOS傳感器的光柵圖像采集方案，并利用FPGA并行特性對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)分法提高測量精度。為減小數(shù)據(jù)量處理，對細(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)計過程中，根據(jù)線陣CMOS傳感器成像特點(diǎn)選擇對

4、應(yīng)的光源，鏡頭和支架平臺。位移采集卡是本系統(tǒng)取得高精度測量的關(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)光柵圖像和測量位移值的傳輸。
　　本文在系統(tǒng)軟件設(shè)計過程中，采用Verilog語言完成線陣CMOS傳感器、高速AD轉(zhuǎn)換的驅(qū)動程序設(shè)計，并進(jìn)行仿真驗證。根據(jù)CY7C68013A的傳輸方式，采用Slave FIFO

5、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)動程序。圖像傳感器采集到的光柵圖像往往會帶有大量噪聲，本文提出了改進(jìn)的中值濾波求解算法對圖像進(jìn)行降噪處理。根據(jù)系統(tǒng)實(shí)時性要求，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，實(shí)現(xiàn)位移的實(shí)時采集和光柵圖像的顯示。
　　最后在大族伺服直線電機(jī)平臺上安裝本論文設(shè)計的光柵位