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大量程纳米级光栅位移测量理论及关键技术研究

苏绍璟  
【摘要】: 在微电子、超精加工等现代工业技术领域,对精密位移测量的要求越来越高。 有些应用要求测量的分辨率达到纳米量级,而且测量范围越来越大。本文主要研究 利用低线数计量光栅实现具有大量程、纳米级分辨率的位移测量理论及其关键技术。 本文的主要研究内容包括: 1.研究大量程、纳米级分辨率的光栅测量理论及方法。在对现有方法分析的 基础上,重点对非对称双级闪耀光栅进行系统的理论分析和实验研究。分析了该方 法实现高倍数光学细分的原理,建立了光路系统的数学模型,对莫尔条纹的成因作 了解释,并讨论了入射角对测量的影响以及光栅付中闪耀光栅的作用。 2.指出了非对称双级闪耀光栅实现莫尔条纹倍增理论的实质,并简化了实现 高倍数光学细分的手段。在此基础上,提出了全新的单计量光栅位移测量方案。该 方案不仅可实现高倍数光学细分,而且克服了闪耀光栅的许多限制。文中利用波动 光学、多普勒效应和傅里叶光学对测量原理进行了分析,建立了量程400mm、分辨 率为1nm的位移测量系统,并介绍了有关在摩擦扭轮传动平台上进行实验的情况, 3.利用标量和矢量衍射理论研究光栅衍射效率,包括光栅的轮廓形状、光栅 系统的结构布局对衍射效率的影响。目的是使获取的光学莫尔条纹信噪比最高。提 出了一种新型的相位光栅——等腰闪耀光栅,并对其衍射特性作了分析和仿真。 4.提出了基于DSP的宽动态范围莫尔条纹精密计数细分方法。详细描述了该 方法的硬件平台、处理时序及其具体实现手段。该方法利用高速数据采集及数字信 号处理技术,通过软件双阈值二倍频计数、分片段细分以及计数与细分的合理匹配, 能够对0——1MHz的条纹信号进行可逆计数和高倍数细分。实现了零频响特性,对A、 B相信号的正交性不敏感,抗干扰性强。 5.将自适应信号处理理论引入到莫尔条纹光电转换信号处理之中。建立了A、 B相信号质量增强的自适应模型,使用该模型可以快速精密地提高莫尔条纹光电转 换信号质量。提出并实现了一些高效率的实时处理算法,这些算法能有效的提高A、 B相信号质量,达到消除零点漂移,滤除信号中高次谐波的效果,并且可实现信号 幅度的自增益调整,改善通道间的正交性。提出了利用互相关系数阈值法判别和剔 除A、B相信号中典型的故障信号。 6.系统分析了影响单计量光栅位移测量系统精度的各种因素,定量计算了各 项误差的极限值,并分别提出了误差的修正补偿方法。给出了各种情况下单光栅位 移测量系统的精度指标。得出单计量光栅系统在安装时对光栅间隙大小和锥度不敏 感的结论,这大大方便了系统的安装、使用。在修正光栅累积误差以及对温度进行 补偿之后,系统完全可以实现0.1μm/100nm的位移测量精度。


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