大量程纳米级光栅位移测量理论及关键技术研究

【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。