【摘要】：精密測量技術(shù)是現(xiàn)代加工和制造領(lǐng)域的基礎(chǔ),兼顧大量程、高精度、多維度的精密測量設(shè)備對推動先進(jìn)加工業(yè)和制造業(yè)的發(fā)展有非常重要的意義。光柵位移測量系統(tǒng)作為一種精密位移測量設(shè)備,以其精度高、量程大、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、受環(huán)境影響小等優(yōu)點備受國內(nèi)外研究學(xué)者關(guān)注,相關(guān)產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多種精密測量的場合。目前對光柵位移測量系統(tǒng)的研究雖然很多,但是該系統(tǒng)還存在著大量程與高分辨力、高精度之間的矛盾,多維度與小體積、大量程之間的矛盾等問題。這些問題嚴(yán)重限制了光柵位移測量系統(tǒng)的應(yīng)用,制約了其向小型化、商品化方向發(fā)展。鑒于此,本文對基于衍射光柵的外差Littrow式精密位移測量系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究,旨在解決上述矛盾,為光柵位移測量系統(tǒng)向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定堅實的基礎(chǔ)。本文具體研究內(nèi)容如下:第一,研究了基于衍射光柵的精密位移測量系統(tǒng)的測量理論。用嚴(yán)格的耦合波理論建立了分析一維梯形光柵衍射效率的理論模型;利用Doppler頻移原理、光的干涉原理和位移轉(zhuǎn)換原理推導(dǎo)了位移測量的基本原理;列舉了偏振光和常用偏振光學(xué)元件的瓊斯矩陣表示方法。第二,提出了一個小型化、高精度、外差式光柵二維位移測量系統(tǒng)。理論分析了Littrow結(jié)構(gòu)進(jìn)行二維位移測量的基本原理以及光柵、讀數(shù)頭和位移平臺之間的偏擺關(guān)系對該系統(tǒng)位移測量的影響;搭建了原理樣機(jī)并與雙頻激光干涉儀進(jìn)行了位移測量對比實驗,在兩個維度上實現(xiàn)了最小分辨力3nm,測量范圍10mm的高精度位移測量,系統(tǒng)還具有優(yōu)于激光干涉儀的靜態(tài)穩(wěn)定性;該二維位移測量系統(tǒng)結(jié)合Littrow結(jié)構(gòu)和外差測量原理,讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)簡單,便于集成和安裝,測量范圍大,精度高,對光柵位移測量系統(tǒng)向產(chǎn)品化發(fā)展有重要意義。第三,提出了衍射光柵五維自由度精密測量系統(tǒng)。理論分析了利用衍射光柵結(jié)合位置靈敏探測器進(jìn)行三維角度測量的基本原理;在二維位移測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上引入高精度位置靈敏探測器搭建了原理樣機(jī)并與雙頻激光干涉儀和光電自準(zhǔn)直儀進(jìn)行了位移及角度測量對比實驗,實現(xiàn)了分辨力3nm的高精度二維位移測量以及分辨力優(yōu)于1?的高精度三維角度測量;該五維自由度精密測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單易集成,分辨力和精度高,位移測量范圍大,實用性強(qiáng),對多維度光柵位移測量系統(tǒng)向產(chǎn)品化發(fā)展有重要意義。第四,系統(tǒng)分析了光柵對外差Littrow式光柵位移測量系統(tǒng)位移測量的影響。模擬了光柵與讀數(shù)頭之間的位置誤差對位移測量的影響,揭示了光柵偏擺誤差是系統(tǒng)最為敏感的誤差,對系統(tǒng)的裝調(diào)以及測量環(huán)境的選擇有重要的指導(dǎo)意義;利用幾何光學(xué)原理建立了光柵面形誤差、刻線誤差對外差Littrow式光柵位移測量系統(tǒng)位移測量影響的理論模型,提出了一種快速檢測和計算該誤差的方法,搭建了外差Littrow式光柵位移測量系統(tǒng)原理樣機(jī)并與雙頻激光干涉儀進(jìn)行了位移測量對比實驗,實驗驗證了該方法的正確性并且具有速度快、精度高的特點,對提升系統(tǒng)精度有重要意義;利用瓊斯矩陣分析方法建立了Littrow式光柵位移測量系統(tǒng)光學(xué)元件偏振特性與信號強(qiáng)度之間關(guān)系的理論模型,模擬了光柵的衍射效率和偏振特性對位移測量的影響,揭示了光柵?1級衍射光對P光和S光衍射效率不同對非線性誤差影響最大,對于光柵的設(shè)計和系統(tǒng)精度的提升有重要的理論意義。第五,提出了一種大量程、高精度的外差式光柵一維位移測量系統(tǒng)。采用光柵交錯拼接的方式擴(kuò)大了系統(tǒng)量程,利用雙層Littrow結(jié)構(gòu)設(shè)計了小型化的讀數(shù)頭,搭建了原理樣機(jī)并與雙頻激光干涉儀進(jìn)行了位移測量對比實驗,驗證了原理的正確性,實現(xiàn)了量程50mm,分辨力3nm的高精度位移測量;模擬了交錯拼接光柵的拼接過程,為光柵的制作奠定了基礎(chǔ);該一維位移測量系統(tǒng)測量范圍大、精度高、讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)簡單,對光柵位移測量系統(tǒng)向大量程、高精度發(fā)展有重要意義。
【圖文】：

多領(lǐng)域倍受世人關(guān)注。光柵位移測量系統(tǒng)是光柵在計精度的光柵猶如一把精確的量尺，為微小位移的測量擴(kuò)大量程、提高精度、提高分辨力、擴(kuò)大維度、縮小射光干涉原理的光柵位移測量系統(tǒng)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。究現(xiàn)狀光柵周期減小導(dǎo)致的衍射現(xiàn)象對測量信號的影響較大移測量系統(tǒng)的分辨力和精度，1987 年，德國 Heiden提出了能夠?qū)崿F(xiàn)納米級測量的光柵位移測量系統(tǒng)，P 等[27-29]系列產(chǎn)品都是采用此原理的光柵位移測量系統(tǒng)圖。這類產(chǎn)品一般采用兩塊柵距為 8μm 或 4μm 的光柵，測量光柵 G2為反射光柵。LED 光源 S 發(fā)射的光經(jīng)上，經(jīng)過兩光柵衍射后，，最終的干涉信號分別被三個光

GDL1L2L3圖 1.7 微型光柵位移測量系統(tǒng)原理圖e 1.7 Schematic diagram of micro diffraction grating interferometer dmeasurement system Physik Instrumente 公司[43]利用馬赫-森德干涉儀原理設(shè)計了器，其原理結(jié)構(gòu)如圖 1.8 所示。該編碼器結(jié)構(gòu)緊湊，mm×5mm，分辨力可達(dá) 20pm。這項技術(shù)應(yīng)用于該公司推出位移平臺（圖 1.9）中，可實現(xiàn)最小位移 2nm，最大行程分2mm 的高精度位移。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O436.1;TH822

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2692420