激光外差干涉大范圍位移和角度同時(shí)測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、隨著微電子技術(shù)、超精密加工技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)工程等高新技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)納米測(cè)量技術(shù)及儀器提出了更高的要求，大范圍、高精度的多自由度測(cè)量系統(tǒng)已成為納米測(cè)量技術(shù)研究的重點(diǎn)，位移和角度的同時(shí)測(cè)量是實(shí)現(xiàn)多自由度納米測(cè)量的關(guān)鍵，越來(lái)越受到人們的重視。本論文基于法拉第效應(yīng)的線偏振光正交返回方法，詳細(xì)研究了激光外差干涉大范圍位移和角度同時(shí)測(cè)量的相關(guān)理論和技術(shù)，設(shè)計(jì)了實(shí)現(xiàn)位移和角度同時(shí)測(cè)量的光路結(jié)構(gòu)，建立了位移和角度同時(shí)測(cè)量的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行了非線性誤差

2、的分析，研究了激光外差干涉信號(hào)處理方法，通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了位移和角度同時(shí)測(cè)量方法的可行性和有效性。本論文的主要研究工作和創(chuàng)新之處如下：
　?。?）綜合分析了納米位移和角度測(cè)量的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，描述了激光外差干涉原理和法拉第旋光效應(yīng)；以基于法拉第旋光效應(yīng)的線偏振光原路返回光路結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了激光外差干涉大范圍納米位移和角度同時(shí)測(cè)量的系統(tǒng)方案，提出了基于法拉第效應(yīng)的激光外差干涉大范圍納米位移和角度測(cè)量方法，完成了位移和角度同時(shí)測(cè)量

3、系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)及機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
　?。?）針對(duì)設(shè)計(jì)的位移和角度同時(shí)測(cè)量系統(tǒng)方案，確定了光路結(jié)構(gòu)中各光學(xué)元件布局及部件的位置關(guān)系，定義了光路結(jié)構(gòu)的平衡位置；從被測(cè)量對(duì)象的各種運(yùn)動(dòng)方式出發(fā)，分析了測(cè)量鏡在平動(dòng)時(shí)兩路光程差，分別針對(duì)被測(cè)量對(duì)象的順時(shí)針?lè)较蚝湍鏁r(shí)針?lè)较虻霓D(zhuǎn)動(dòng)情況，推導(dǎo)出兩路光程差與轉(zhuǎn)動(dòng)角度的關(guān)系，歸納出了兩路光程差與轉(zhuǎn)動(dòng)角度的一般表達(dá)式，導(dǎo)出測(cè)量位移和角度與兩路光程差的關(guān)系，建立了激光外差干涉位移和角度同時(shí)測(cè)量的數(shù)學(xué)模型；

4、分別從自平衡位置開(kāi)始的運(yùn)動(dòng)和任意位置開(kāi)始的運(yùn)動(dòng)兩種情況，討論了位移角度同時(shí)測(cè)量方法，得出了兩種情況下的位移和角度測(cè)量的具體公式，并討論了位移角度的測(cè)量范圍與測(cè)量精度；仿真結(jié)果表明：當(dāng)取兩束光間距為150mm，角度測(cè)量范圍約為11.0?，沿X軸方向運(yùn)動(dòng)的位移測(cè)量分辨率為0.293nm，當(dāng)兩路光程差為1nm時(shí)，系統(tǒng)角度測(cè)量分辨率達(dá)0.0001°。
　?。?）研究了采用法拉第旋光效應(yīng)進(jìn)行激光外差干涉大范圍、高精度位移和角度測(cè)量的非線性誤

5、差。從測(cè)量系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)出發(fā)，討論了非線性誤差產(chǎn)生的根源；分析了激光光源、偏振分光鏡、旋光器、虛反射和檢偏器安裝誤差等的非線性誤差，建立了測(cè)量系統(tǒng)非線性誤差分析的綜合模型；討論了各誤差源對(duì)測(cè)量系統(tǒng)誤差的綜合影響，提出了一些改善非線性誤差的方法和措施；理論分析和仿真結(jié)果表明：激光光源、偏振分光鏡和旋光器中的線偏振光的偏振混疊誤差和頻率混疊誤差是構(gòu)成測(cè)量系統(tǒng)非線性誤差的最主要來(lái)源，最大頻率混疊非線性相位誤差達(dá)0.6?，最大偏振混疊非線性相位

6、誤差達(dá)0.45?。
　　（4）研究了激光外差干涉信號(hào)處理方法，設(shè)計(jì)了干涉信號(hào)預(yù)處理電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻干涉信號(hào)的降頻、波形變換、波形的優(yōu)化等，為可編程器件對(duì)信號(hào)的處理提供了基礎(chǔ)?；趨⒖夹盘?hào)，建立了四個(gè)彼此相位差為90o的邊界，根據(jù)測(cè)量信號(hào)過(guò)邊界的次數(shù)，實(shí)時(shí)確定被測(cè)量對(duì)象的運(yùn)動(dòng)方向及整數(shù)計(jì)數(shù)；提出了一種四區(qū)間過(guò)邊界檢測(cè)的激光外差干涉信號(hào)處理方法，解決了測(cè)量信號(hào)初始相位不等于零相位差時(shí)測(cè)量相位的不連續(xù)問(wèn)題，給出了具體的相位補(bǔ)償方法。以信

7、號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)作為測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)，進(jìn)行了小相位測(cè)量和大相位測(cè)量模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，提出的信號(hào)處理方法能正確判定被測(cè)量對(duì)象的運(yùn)動(dòng)方向，并對(duì)測(cè)量相位進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，在穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量誤差平均值為?-0.0401，標(biāo)準(zhǔn)偏差?0.0683，相應(yīng)于激光波長(zhǎng)為632.8nm的位移測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)的位移測(cè)量精度優(yōu)于0.1758nm。
　　（5）根據(jù)設(shè)計(jì)的基于法拉第旋光效應(yīng)的激光外差干涉測(cè)量系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)，搭建了單路激光外差干涉測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)

8、行了測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)、納米級(jí)位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)、微米級(jí)和毫米級(jí)位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)，檢測(cè)了系統(tǒng)的納米級(jí)、微米級(jí)和毫米級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)的位移測(cè)量精度及穩(wěn)定性，在此基礎(chǔ)上，還搭建了基于法拉第旋光效應(yīng)的激光外差干涉位移和角度同時(shí)測(cè)量系統(tǒng)，檢測(cè)了系統(tǒng)角度測(cè)量范圍及測(cè)量精度，以精密直線位移工作臺(tái)為被測(cè)對(duì)象，進(jìn)行了位移和角度同時(shí)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：平臺(tái)靜止不動(dòng)時(shí)，位移測(cè)量穩(wěn)定性優(yōu)于5nm；納米級(jí)位移實(shí)驗(yàn)時(shí)，測(cè)量誤差平均值優(yōu)于10nm，標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)于8nm；微米級(jí)和