基于二維光柵的高精度三維位移測量系統(tǒng).pdf

1、進(jìn)入21世紀(jì)后，半導(dǎo)體制造技術(shù)和超精密加工技術(shù)對精密位移測量提出了越來越高的要求。光柵位移測量裝置具有分辨力高、測量精度高、不易受測量環(huán)境影響、價(jià)格較低等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛的應(yīng)用在多種精密位移測量場合，并得到了國內(nèi)外眾多學(xué)者的關(guān)注。目前，測量一維直線位移和二維平面位移的光柵位移測量技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是有關(guān)使用光柵位移測量裝置測量三維位移的研究還較少，而且相關(guān)研究成果的光柵平面外位移的測量范圍都較小。因此，研究一種在三個(gè)測量方向上都具有較

2、大量程的高精度三維光柵位移測量系統(tǒng)，不僅可以為高精度的三維位移測量提供一種技術(shù)解決方案，而且對推動光柵位移測量領(lǐng)域研究的發(fā)展也具有現(xiàn)實(shí)意義。
　　本課題研究了一種基于二維光柵的高精度三維位移測量系統(tǒng)，利用反射光柵衍射的自準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)，使測量系統(tǒng)的z向位移量程不再受限于衍射光斑直徑的大小，從而擴(kuò)大了系統(tǒng)在z向的測量范圍。
　　本文基于傅里葉光學(xué)理論，分析了一維光柵和二維光柵的衍射特性，并推導(dǎo)了反射光柵衍射的自準(zhǔn)直條件，從衍射光干涉

3、理論和多普勒頻移理論兩個(gè)角度分析了光柵位移測量的測量原理。
　　在此基礎(chǔ)上，提出了所研究的三維光柵位移測量系統(tǒng)的測量結(jié)構(gòu)，并對其測量光路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由一個(gè)x向柵距和y向柵距均為8μm的反射式二維測量光柵和一個(gè)讀數(shù)系統(tǒng)構(gòu)成，讀數(shù)系統(tǒng)中包含一塊與二維測量光柵具有相同結(jié)構(gòu)參數(shù)的反射式二維參考光柵。該系統(tǒng)不僅能夠同時(shí)測量二維測量光柵沿著三個(gè)坐標(biāo)軸方向的位移Δx、Δy和Δz，而且由于引入了反射光柵衍射的自準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)，當(dāng)二維測量光柵相對讀

4、數(shù)系統(tǒng)沿z方向運(yùn)動時(shí)，系統(tǒng)所得測量信號的干涉區(qū)域不變。這使得系統(tǒng)的z向位移測量范圍可以得到很大的擴(kuò)展。在光源波長為632.8nm、二維測量光柵的尺寸為100mm×100mm時(shí)，理論上系統(tǒng)的z向最大可測位移可達(dá)1263mm。
　　然后，本文對測量系統(tǒng)所用的二維光柵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析。分別研究了選用反射鏡、透鏡作為系統(tǒng)折光元件的特點(diǎn)，并設(shè)計(jì)了一種既便于安裝又能簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的光柵式折光元件。
　　最后，本文對測量系統(tǒng)的主要誤差