面向机器人化微纳米操作的光电传感技术研究

微米、纳米尺度下的观测与操作是开展微纳米科学研究，实现微纳米尺度事物的特性发现和加工制造的重要技术手段。微纳米操作的关键技术问题主要包括两个方面：微米、纳米尺度上的操作与观测成像。通过微米、纳米尺度下的观测，可以获取微米、纳米尺度的信息，利用感知与观测信息指导微米、纳米尺度下操作控制。景物视觉观测和三维信息获取与建模在微纳米科学研究中占有着重要的地位。实现微观景物的视觉观测，需要应用光学显微镜构成显微视觉观测系统。根据显微视觉的光学成像机理，应用基于模糊测度算子的显微视觉图像处理方法，可以构建基于模糊测度的景物深度估计数学模型，进而可以实现微观景物的3D测量与重建，这为微米尺度的基于显微视觉观测的运动学建模提供了科学依据。该方法提供了解决微观尺度下微观环境的3D建模的有效技术途径，也为实时动态的视觉3D观测提供了有效技术途径。由于纳米尺度超出了光学成像的基本条件，因而需要采用隧道电流、电子束、原子力等扫描成像方法。其中基于原子力检测原理的纳米光电检测方法，由于具有接触作业功能，因而在纳米尺度上即可以实现观测效果，也可以结合机电系统进行纳米操作，是目前纳米观测与操作研究的主要模式。本文作者以微米尺度下的3D运动学建模问题为研究背景，通过研究分析显微视觉中光学成像的成像规律，建立了关于图像的模糊度判据，并利用该判据完成了微观尺度下的3D视觉观测与运动学建模。通过研究基于光电传感器的原子力检测原理与实现方法，设计研制了AFM系统，以及在此基础上的微米、纳米平台的机器人化操作实验系统。主要工作包括： (1) 针对显微光学成像系统的特点，分析了光学成像过程中聚焦和离焦成像现象发生条件和描述方法；通过研究图像清晰/模糊程度与景物深度之间的关系，给出离焦测度理论依据；通过分析不同测度算子的测量范围和精度要求；建立基于离散测度的深度估计算法；完成了微观尺度的基于模糊测度方法的视觉深度测量实验研究，实现了微执行器的运动学建模与景物3D视觉观测与重建。 (2) 进行了基于光电传感器的原子力测量度原理与实现方法研究，完成了AFM模式的原子力扫描成像方法研究和系统研制。进行了基于光电传感的纳米尺度反馈控制与实现方法研究，设计构建了基于AFM和微/纳米移动平台的机器人化操作技术实验系统。为基于自主技术的纳米操作系统研发提供了关键技术和实现方法。