基于二維光柵的高精度三維位移測量系統(tǒng).pdf

1、進入21世紀后，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、價格較低等優(yōu)點，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，從而擴大了系統(tǒng)在z向的測量范圍。
　　本文基于傅里葉光學理論，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直條件，從衍射光干涉

3、理論和多普勒頻移理論兩個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)，并對其測量光路進行了設(shè)計。該系統(tǒng)由一個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)不僅能夠同時測量二維測量光柵沿著三個坐標軸方向的位移Δx、Δy和Δz，而且由于引入了反射光柵衍射的自準直結(jié)構(gòu)，當二維測量光柵相對讀

4、數(shù)系統(tǒng)沿z方向運動時，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展。在光源波長為632.8nm、二維測量光柵的尺寸為100mm×100mm時，理論上系統(tǒng)的z向最大可測位移可達1263mm。
　　然后，本文對測量系統(tǒng)所用的二維光柵的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計和分析。分別研究了選用反射鏡、透鏡作為系統(tǒng)折光元件的特點，并設(shè)計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