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現(xiàn)高速精密測量的前提，也是電子制造設備的關鍵，關系著微電子產(chǎn)業(yè)的未來發(fā)展。光柵是應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等特性，被廣泛應用于精密測量領域。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雜細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，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)進行快速編解碼處理，以滿足系統(tǒng)實時顯示位移要求。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換放大方法來實現(xiàn)系統(tǒng)高分辨率，并采用亞像元細分法提高測量精度。為減小數(shù)據(jù)量處理，對細分法獲取的圖像區(qū)間求均值并取整得到等距區(qū)間，對單一等距區(qū)間進行圖像數(shù)據(jù)解碼得到位移值。
　　在系統(tǒng)硬件設計過程中，根據(jù)線陣CMOS傳感器成像特點選擇對

4、應的光源，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鍵部件，根據(jù)系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)采集的實時傳輸特性，采用高速AD和高速并行FPGA來完成數(shù)據(jù)的轉換和像素處理工作。為滿足人機交互要求，采用USB2.0高速數(shù)據(jù)傳輸接口實現(xiàn)光柵圖像和測量位移值的傳輸。
　　本文在系統(tǒng)軟件設計過程中，采用Verilog語言完成線陣CMOS傳感器、高速AD轉換的驅動程序設計，并進行仿真驗證。根據(jù)CY7C68013A的傳輸方式，采用Slave FIFO

5、模式完成下位機和上位機的圖像數(shù)據(jù)傳輸，確定縱橫轉換放大方法的傾斜角度，并更改固件程序和驅動程序。圖像傳感器采集到的光柵圖像往往會帶有大量噪聲，本文提出了改進的中值濾波求解算法對圖像進行降噪處理。根據(jù)系統(tǒng)實時性要求，在FPGA內(nèi)部完成亞像元細分算法、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，完成上位機界面設計，實現(xiàn)位移的實時采集和光柵圖像的顯示。
　　最后在大族伺服直線電機平臺上安裝本論文設計的光柵位