本文關鍵詞：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)

  更多相關文章： 激光外差干涉 法拉第效應 納米測量 位移測量 角度測量 非線性誤差 信號處理

【摘要】：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(jié)構(gòu)，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： （1）綜合分析了納米位移和角度測量的國內(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；以基于法拉第旋光效應的線偏振光原路返回光路結(jié)構(gòu)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系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)及機械結(jié)構(gòu)設計。 （2）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(jié)構(gòu)中各光學元件布局及部件的位置關系，定義了光路結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)動情況，推導出兩路光程差與轉(zhuǎn)動角度的關系，歸納出了兩路光程差與轉(zhuǎn)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；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(jié)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°。 （3）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差。從測量系統(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(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誤差達0.45。 （4）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�，建立了四個彼此相位差為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(jié)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。 （5）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(jié)構(gòu)，搭建了單路激光外差干涉測量系統(tǒng)，進行了測量系統(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(jié)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；微米級和毫米級位移測量實驗時，測量誤差平均值優(yōu)于1μm，標準偏差優(yōu)于3μm；角度測量范圍約為4.3°，角度測量分辨率優(yōu)于0.0001°；位移和角度同時測量實驗中，位移誤差的平均值及標準偏差均處于微米級，轉(zhuǎn)角偏差在10-5°范圍以內(nèi)，這與工作臺自身技術參數(shù)較為一致。以上實驗結(jié)果驗證了提出的位移和角度同時測量方法及設計的測量系統(tǒng)的可行性和實用性。
【關鍵詞】：激光外差干涉 法拉第效應 納米測量 位移測量 角度測量 非線性誤差 信號處理
【學位授予單位】：浙江理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN247
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 目錄10-14
• 圖目錄14-19
• 表目錄19-20
• 第1章 綜述20-33
• 1.1 論文研究背景及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀20-22
• 1.1.1 納米測量技術研究背景20-21
• 1.1.2 納米測量技術發(fā)展現(xiàn)狀21-22
• 1.2 納米位移和角度測量方法及進展22-31
• 1.2.1 測量方法22-27
• 1.2.2 信號處理27-29
• 1.2.3 誤差分析29-31
• 1.3 論文的研究目的及內(nèi)容31
• 1.4 論文的組織結(jié)構(gòu)31-33
• 第2章 激光外差干涉位移和角度同時測量系統(tǒng)設計33-41
• 2.1 激光外差干涉原理及法拉第效應33-35
• 2.1.1 激光外差干涉測量原理33-34
• 2.1.2 法拉第旋光效應34-35
• 2.2 測量系統(tǒng)光路結(jié)構(gòu)設計35-38
• 2.2.1 線偏振光原路返回結(jié)構(gòu)35-36
• 2.2.2 基于法拉第旋光效應的干涉儀36
• 2.2.3 位移和角度同時測量系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)36-37
• 2.2.4 角度測量原理37-38
• 2.3 測量系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設計38-40
• 2.3.1. 一路測量光測量系統(tǒng)的設計39
• 2.3.2. 位移和角度同時測量系統(tǒng)的設計39-40
• 2.4 本章小結(jié)40-41
• 第3章 測量系統(tǒng)光路分析及建模41-62
• 3.1 分析前提41-44
• 3.1.1 角錐棱鏡41-42
• 3.1.2 平衡位置42-43
• 3.1.3 部件布局43-44
• 3.2 光路分析44-54
• 3.2.1 測量鏡沿 X 方向平動44-47
• 3.2.2 繞 Z 軸轉(zhuǎn)動47-53
• 3.2.3 光線在角椎棱鏡內(nèi)所走的光程差53-54
• 3.2.4 測量光程數(shù)學模型54
• 3.3 測量范圍分析54-58
• 3.3.1 第一路測量光55-56
• 3.3.2 第二路測量光56
• 3.3.3 測量范圍的討論56-58
• 3.4 位移角度同時測量58-61
• 3.4.1 自平衡位置開始的運動58-59
• 3.4.2 自任意位置開始的運動59-60
• 3.4.3 測量精度60-61
• 3.5 本章小結(jié)61-62
• 第4章 測量系統(tǒng)非線線誤差分析62-83
• 4.1 非線性誤差源62-64
• 4.1.1 激光光源62-63
• 4.1.2 偏振分光鏡63
• 4.1.3 旋光器63
• 4.1.4 檢偏器63
• 4.1.5 虛反射63-64
• 4.2 非線性誤差分析64-69
• 4.2.1 非線性誤差分析的光路結(jié)構(gòu)64
• 4.2.2 偏振分光鏡 2 相關的非線性誤差64-67
• 4.2.3 法拉第旋光器相關的非線性誤差67
• 4.2.4 偏振分光鏡 1 相關的非線性誤差67-69
• 4.3 非線性誤差的討論69-75
• 4.3.1 理想情況69
• 4.3.2 頻率混疊誤差69-72
• 4.3.3 偏振混疊誤差72-73
• 4.3.4 旋光器的旋轉(zhuǎn)角度誤差73-75
• 4.4 其他非線性誤差75-80
• 4.4.1 虛反射75-78
• 4.4.2 檢偏器的誤差78-80
• 4.5 非線性誤差的改善80-81
• 4.6 本章小結(jié)81-83
• 第5章 干涉信號處理方法研究83-106
• 5.1 干涉信號的預處理電路83-86
• 5.1.1 混頻濾波電路84-85
• 5.1.2 整形放大電路85-86
• 5.2 相位測量86-97
• 5.2.1 鑒相器86-88
• 5.2.2 相位測量方法88-97
• 5.3 信號處理方法的實現(xiàn)97-98
• 5.4 信號處理測試實驗98-105
• 5.4.1 實驗目的和方法98
• 5.4.2 信號處理實驗98-105
• 5.5 本章小結(jié)105-106
• 第6章 實驗及結(jié)果分析106-122
• 6.1 穩(wěn)定性實驗106-108
• 6.2 納米級位移測量實驗108-111
• 6.3 微米級和毫米級位移測量實驗111-113
• 6.4 角度測量實驗113-116
• 6.5 位移角度同時測量實驗116-120
• 6.6 本章小結(jié)120-122
• 第7章 論文總結(jié)與展望122-126
• 7.1 總結(jié)122-123
• 7.2 創(chuàng)新點123-124
• 7.3 展望124-126
• 參考文獻126-138
• 攻讀博士學位期間的學術成果及參加的主要科研項目138-140
• 致謝140

【參考文獻】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 魏強,張玉林,宋會英,于欣蕾;基于掃描隧道顯微鏡的納米加工技術[J];微納電子技術;2005年09期

2 陳洪芳;鐘志;丁雪梅;;激光外差干涉非線性誤差的測量方法[J];北京工業(yè)大學學報;2010年06期

3 珍花;0.13微米IC設計所遇到的困難[J];電子產(chǎn)品世界;2002年09期

4 張立;周魯飛;談宜東;張書練;;納米級分辨率雙頻激光回饋位移測量系統(tǒng)[J];電子測量與儀器學報;2009年04期

5 陳曉梅,曹航,周自力,亓愛會;納米級二維激光外差干涉儀的設計[J];光電工程;1998年01期

6 陳洪芳;丁雪梅;鐘志;謝站磊;岳華;;起偏器對激光外差干涉非線性誤差的影響[J];光電子.激光;2007年04期

7 陳洪芳;鐘志;丁雪梅;;激光外差干涉的非線性誤差補償[J];光學精密工程;2010年05期

8 程曉輝,李達成,趙洋;一種利用合成波長法實現(xiàn)的納米測量方法[J];光學技術;2000年04期

9 陳本永,李達成,朱若谷;基于干涉條紋跟蹤實現(xiàn)納米級位移測量的方法研究[J];光學技術;2001年03期

10 韋豐,陳本永,丁啟全;大范圍高精度的納米測量現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J];光學技術;2005年02期

中國博士學位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 程方;納米三坐標測量機測控系統(tǒng)關鍵技術研究[D];合肥工業(yè)大學;2010年

本文編號：952148