介绍超精密仪器工程研究中的几个最近研究进展二维和三维微小内尺度精密和超精密测量技术、超精密三维轮廓与坐标测量技术、无基准三维轮廓测量技术、超精密回转基准和直线基准技术、大输出力、高稳定性超微驱动技术等.这些问题代表了目前超精密仪器工程研究的发展趋势,优先发展仪器单元技术和解决关键技术是促使仪器工程精度水平迅速提高的关键.

针对当前测量领域内球度差的超精密测量和评定这一薄弱环节,采用"经线法”球度误差测量技术,通过超精型圆度仪和相应的支承装置实现对外球面轮廓的测量.建立了采样数据的维数转换数学模型和球度误差最小二乘法评定数学模型,在最小区域法、最小外接球法、最大内接球法评定球度时,充分利用了最优化理论的单纯型法.为了验证该理论及软件的精度,作了大量仿真试验,并利用不同半径的球体、椭球、以及带有一定规律误差的球进行验证,通过分析可证明"经线法”理论是正确的,该系统的设计方案是切实可行的,并且该算法精度较高,可达到0.01 μm.

针对大尺寸试件的圆柱度误差的超精测量时仪器的测量基准的误差分离问题，提出了一种可分离出基准间的平行度误差以及直行基准的直线度误差的方法，即反向法误差分离技术。利用该方法建立的两截面及多截面误差分离模型已用于重要试件圆柱度误差的超精测量中。

系统用自聚焦透镜代替共焦扫描显微镜中的聚焦透镜,将自聚焦透镜体积小的特点与共焦显微技术的轴向高分辨力和绝对位置跟踪特性有机结合,具有测头微小型化,高的轴向分辨力、较大倾斜表面的瞄准能力、对突跳位置的绝对跟踪能力等特点.选用PZT作为轴向扫描驱动元件(线性范围±5 μm,每个脉冲2 nm进给),用高精度电容位移传感器作为位置跟踪元件(线性范围±5 μm,分辨力1 nm).对20°角度块进行测试实验表明,在测头直径为1 mm的情况下,系统对20°倾斜度以内的斜面轮廓的探测轴向分辨力可达10 nm.

基于扫描探针理论，本文介绍了一种超精神加工金刚石刀具刃口锋锐轮廓的测量方法，给出了测量图象并分析了测量结果，首次对金刚石刀具刃口轮廓参数进行了ＡＦＭ扫描原理下的初步评定。这一方法可提高金刚石刀具刃口锋锐度的测量准确度，对进一步分析刃口参数如何影响超精密加工表面质量具有指导意义。

由于目前微位移驱动器普遍存在输出力及输出范围小的缺点,所以提出将超磁致伸缩材料引入到微位移驱动器的设计当中。文中详细描述了基于超磁致伸缩材料的驱动器的设计原理及性能,同时设计了用水冷装置消除线圈发热带来的影响,从而使其达到具有纳米级的驱动精度。

较全面地介绍了用于表面微观轮廓测量的几种高分辨率甚至可达亚纳米的光学测量方法及其最新进展。文中重点描述了以扫描共焦显微检测法、离焦误差检测法为代表的光触针法，以ＴＯＰＯ轮廓仪、Ｎｏｍａｒｓｋｉ显微镜，外差干涉轮廓仪，双焦干涉轮廓仪和同轴干涉轮廓仪为代表的干涉同量法和以扫描近场光学显微镜及光子扫描隧道显微镜为代表的近场光学法三种适用于表面微观轮廓测量的光学测量方法，分别介绍了其工作原理、特性，发展现

分析了基于能量守恒法获得的对数光锥位相函数的特点，建立了长焦深元件焦深与系统f／#及衍射元件浮雕深度间的函数关系，基于菲涅耳衍射公式分析了参数不同时元件的轴向光强分布规律。仿真结果表明：在给定波长及焦距的条件下，折-衍混合长焦深元件相对同f／#的球面折射透镜的焦深扩展倍数取决于衍射元件的浮雕深度，其值越大，焦深扩展倍数越大，焦深内轴向光强分布越接近平顶分布；焦深一定时，小f／#系统更易获得焦深内轴向光强的平顶分布。

为兼顾成像系统消色差及扩展焦深的特性，提出了一种基于折/衍混合原理的长焦深成像物镜在可见光波段内消色差的方法。通过阐述对数光锥位相结构的特征，讨论了长焦深元件的色散特性，并依据折／衍混合消色差原理，确定长焦深成像物镜中折射元件与衍射元件位相函数重新分配的原则；位相重新分配后，衍射元件在承担扩展焦深功能的同时增加了部分消色差光焦度，从而使长焦深元件获得消色差特性。理论和仿真分析表明，位相函数重新分配后得到的长焦深元件在中心波长λd（587nm）时的轴向光强分布与原长焦深元件一致，而在波长为λF（486nm）、λc（656nm）时的轴向光强分布区域重合，即在保留焦深扩展特性的同时，有效地校正了其在可见光波段内的初级色差。

针对传统超精密定位系统存在位移灵敏度、系统频响及重复定位精度难以兼顾的问题,设计并研制了一种具有纳米分辨力的二维超精密定位系统.系统集成平行四连杆结构双柔性二维工作台无间隙传动、双极性可伸缩压电陶瓷微位移驱动和纳米精度电容位移监测等先进技术,在微处理器控制下可实现纳米量级的定位.为改善传统PID控制方法存在的精度低、实时性差等缺陷,提出了一种结合定位过程中各阶段系统不同响应特性的比例、积分和微分(PID)参数自适应控制算法.结果表明平行四连杆结构能有效地消除运动方向间的交叉耦合,确保了工作台在运动方向上的直线度;在30μm行程内,单轴位移分辨力优于1 nm,重复定位精度优于10 nm,最大行程时响应时间＜1 s.