激光外差干涉大范圍位移和角度同時測量系統(tǒng)的設計與實現(xiàn).pdf

1、隨著微電子技術、超精密加工技術和生物醫(yī)學工程等高新技術的迅速發(fā)展，對納米測量技術及儀器提出了更高的要求，大范圍、高精度的多自由度測量系統(tǒng)已成為納米測量技術研究的重點，位移和角度的同時測量是實現(xiàn)多自由度納米測量的關鍵，越來越受到人們的重視。本論文基于法拉第效應的線偏振光正交返回方法，詳細研究了激光外差干涉大范圍位移和角度同時測量的相關理論和技術，設計了實現(xiàn)位移和角度同時測量的光路結構，建立了位移和角度同時測量的數(shù)學模型，并進行了非線性誤差

2、的分析，研究了激光外差干涉信號處理方法，通過相關實驗，驗證了位移和角度同時測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量的國內外研究現(xiàn)狀，描述了激光外差干涉原理和法拉第旋光效應；以基于法拉第旋光效應的線偏振光原路返回光路結構為基礎，設計了激光外差干涉大范圍納米位移和角度同時測量的系統(tǒng)方案，提出了基于法拉第效應的激光外差干涉大范圍納米位移和角度測量方法，完成了位移和角度同時測量

3、系統(tǒng)的光路結構及機械結構設計。
　?。?）針對設計的位移和角度同時測量系統(tǒng)方案，確定了光路結構中各光學元件布局及部件的位置關系，定義了光路結構的平衡位置；從被測量對象的各種運動方式出發(fā)，分析了測量鏡在平動時兩路光程差，分別針對被測量對象的順時針方向和逆時針方向的轉動情況，推導出兩路光程差與轉動角度的關系，歸納出了兩路光程差與轉動角度的一般表達式，導出測量位移和角度與兩路光程差的關系，建立了激光外差干涉位移和角度同時測量的數(shù)學模型；

4、分別從自平衡位置開始的運動和任意位置開始的運動兩種情況，討論了位移角度同時測量方法，得出了兩種情況下的位移和角度測量的具體公式，并討論了位移角度的測量范圍與測量精度；仿真結果表明：當取兩束光間距為150mm，角度測量范圍約為11.0?，沿X軸方向運動的位移測量分辨率為0.293nm，當兩路光程差為1nm時，系統(tǒng)角度測量分辨率達0.0001°。
　?。?）研究了采用法拉第旋光效應進行激光外差干涉大范圍、高精度位移和角度測量的非線性誤

5、差。從測量系統(tǒng)的光路結構出發(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，建立了測量系統(tǒng)非線性誤差分析的綜合模型；討論了各誤差源對測量系統(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成測量系統(tǒng)非線性誤差的最主要來源，最大頻率混疊非線性相位誤差達0.6?，最大偏振混疊非線性相位

6、誤差達0.45?。
　?。?）研究了激光外差干涉信號處理方法，設計了干涉信號預處理電路，實現(xiàn)對高頻干涉信號的降頻、波形變換、波形的優(yōu)化等，為可編程器件對信號的處理提供了基礎?；趨⒖夹盘枺⒘怂膫€彼此相位差為90o的邊界，根據(jù)測量信號過邊界的次數(shù)，實時確定被測量對象的運動方向及整數(shù)計數(shù)；提出了一種四區(qū)間過邊界檢測的激光外差干涉信號處理方法，解決了測量信號初始相位不等于零相位差時測量相位的不連續(xù)問題，給出了具體的相位補償方法。以信

7、號發(fā)生器輸出信號作為測量信號和參考信號，進行了小相位測量和大相位測量模擬實驗，實驗結果表明，提出的信號處理方法能正確判定被測量對象的運動方向，并對測量相位進行實時補償，在穩(wěn)定性實驗中，測量誤差平均值為?-0.0401，標準偏差?0.0683，相應于激光波長為632.8nm的位移測量系統(tǒng)，系統(tǒng)的位移測量精度優(yōu)于0.1758nm。
　?。?）根據(jù)設計的基于法拉第旋光效應的激光外差干涉測量系統(tǒng)光路結構，搭建了單路激光外差干涉測量系統(tǒng)，進

8、行了測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性實驗、納米級位移測量實驗、微米級和毫米級位移測量實驗，檢測了系統(tǒng)的納米級、微米級和毫米級運動時的位移測量精度及穩(wěn)定性，在此基礎上，還搭建了基于法拉第旋光效應的激光外差干涉位移和角度同時測量系統(tǒng)，檢測了系統(tǒng)角度測量范圍及測量精度，以精密直線位移工作臺為被測對象，進行了位移和角度同時測量實驗。實驗結果表明：平臺靜止不動時，位移測量穩(wěn)定性優(yōu)于5nm；納米級位移實驗時，測量誤差平均值優(yōu)于10nm，標準偏差優(yōu)于8nm；微米級和