三光軸集成式單頻激光干涉測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、精密和超精密機(jī)械制造加工、微電子裝備、納米技術(shù)工業(yè)裝備等技術(shù)領(lǐng)域的不斷發(fā)展，提出了對(duì)線位移和角位移的同步高精度測(cè)量的要求。單頻激光干涉在實(shí)現(xiàn)高精度、高分辨率的測(cè)量要求的情況下，由于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)易于集成、信號(hào)處理相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用于納米測(cè)量系統(tǒng)中。
　　本課題“三光軸集成式單頻激光干涉測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)研究”主要針對(duì)超精密量級(jí)的線位移、角位移同步測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，包括系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和基于光開(kāi)關(guān)的非線性誤差校正方法，課題的

2、主要研究工作與結(jié)論如下：
　　針對(duì)線位移與角位移同步測(cè)量的問(wèn)題，提出了一種三光軸單頻激光干涉測(cè)量實(shí)現(xiàn)方法，基于瓊斯矩陣對(duì)現(xiàn)有光路設(shè)計(jì)進(jìn)行理論分析，并在單頻激光干涉測(cè)量線位移原理的基礎(chǔ)上，給出三光軸測(cè)量系統(tǒng)角位移基本測(cè)量原理。首先要分析三光軸激光干涉測(cè)量時(shí)對(duì)激光分光空間特性的需求以及其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，包括激光分光平行性的分析與仿真、光束調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和理論分析、以及激光分光平行性和偏振態(tài)的檢測(cè)；最終完成集成式系統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括

3、三軸分光機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與分析以及集成式測(cè)量系統(tǒng)的光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
　　針對(duì)傳統(tǒng)非線性誤差校正要求線位移一般大于半波長(zhǎng)才能實(shí)現(xiàn)橢圓擬合建立校正模型的問(wèn)題，研究一種新的校正方法，即通過(guò)在參考臂和測(cè)量臂加入光開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)，不要求測(cè)量過(guò)程中至少產(chǎn)生半個(gè)波長(zhǎng)的線位移才能校正，只需要在單次測(cè)量初始開(kāi)機(jī)并通過(guò)控制光開(kāi)關(guān)得到初始狀態(tài)的各路直流偏置信號(hào)，在后期測(cè)量時(shí)結(jié)合初始采集的信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)非線性誤差的校正，基本實(shí)現(xiàn)消除直流偏置誤差和不等幅誤差，并對(duì)非正交誤差

4、進(jìn)行校正，建立非線性誤差校正模型，從而實(shí)現(xiàn)角位移、線位移的精密測(cè)量。
　　最后，在課題綜合分析以及關(guān)鍵技術(shù)的研究基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并研制三光軸集成式單頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng)，并對(duì)線位移、俯仰角位移以及偏擺角位移這三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，給出相應(yīng)分辨力及測(cè)量范圍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本課題研制的三光軸集成式單頻激光干涉測(cè)量系統(tǒng)，其線位移測(cè)量分辨力可以達(dá)到3nm，距離200mm處線位移測(cè)量范圍為可以達(dá)到至少60mm；俯仰角分辨力為0.01″，距離100