相位调制零差干涉纳米位移测量系统仪器化及性能评价

发布时间：2020-06-02 13:48

【摘要】：随着精密制造的快速发展,微电子集成电路制造技术和超精密机械加工技术实现纳米级制造精度成为亟待解决的问题,因此高精度位移测量技术应运而生。以零差干涉仪和外差干涉仪为代表的激光干涉位移测量技术因为具有测量范围大、精度高、测量速度快、非接触测量以及米溯源性等优点被广泛应用于精密制造领域。本文结合零差干涉仪与电光相位调制技术的优势,基于相位调制零差干涉纳米位移测量方法,设计了一套相位调制零差干涉仪并通过实验对其进行性能评价。本文从静态稳定性以及周期性非线性误差两个方面对所设计不同结构的相位调制零差干涉仪进行性能测试,并通过测试结果对干涉仪结构进一步优化,最终选取静态稳定性好、周期性非线性误差小的部分共光路结构作为相位调制零差干涉仪光路设计方案。通过实验验证偏振片安装误差对干涉仪周期性非线性误差的影响,当偏振片输出为垂直线偏振光时,干涉仪的周期性非线性误差最小,能够实现高精度位移测量。本文基于相位调制零差干涉纳米位移测量原理,结合部分共光路结构设计方案,综合信号处理硬件、上位机操作软件、硬件电路和光学元件机械结构对相位调制零差干涉纳米位移测量系统进行四位一体仪器化设计。根据干涉仪信号处理需要,采用FPGA+ARM的信号处理板Redpitaya完成了调制信号生成、PGC-Arctan信号解调以及解调信号的最小二乘椭圆拟合修正等信号处理过程,并实现与上位机软件的实时通讯;上位机操作软件是在虚拟仪器开发平台LabVIEW的基础上,采用模块化设计的方案,通过串口通讯的方式实现对PI导轨控制、Renishaw对比干涉仪数据处理和显示以及相位调制零差干涉仪测量结果的读取、处理、显示以及保存的功能;硬件电路主要由基于开关电源及直流降压双输出模块的电源供电电路、基于单运放信号放大器及高压放大器模块的调制信号放大电路和光电探测器电路三部分构成;基于三维结构设计软件Solidworks,完成相位调制零差干涉仪各零部件和整体结构的设计、仿真、加工和装配,并验证机械结构设计的合理性。为了对相位调制零差干涉仪进行性能评价,设计了静态稳定性测量实验、周期性非线性误差测量实验以及位移步进测量实验。通过静态稳定性对比实验证明相位调制零差干涉仪稳定性优于Renishaw对比干涉仪,10min测试时间内仅漂移5.5nm;通过周期性非线性误差测量实验证明相位调制零差干涉仪周期性非线性误差小于0.1nm且具有重复性;通过纳米级步进位移测量实验,验证相位调制零差干涉仪与PI-753.1CD导轨测量误差平均值及标准差均在1nm范围内,在微米级步进位移测量实验时,其平均误差在0.73nm~5.51nm范围内,误差标准差在0.51nm~2.25nm范围内,证明相位调制零差干涉仪在微纳米级位移测量中能够达到纳米级测量精度;通过与Renishaw干涉仪进行毫米级位移测量对比实验,证明相位调制零差干涉仪能够实现大范围位移测量,其位移误差平均值在6.58nm~163.85nm范围内,位移误差标准差在33.55nm~62.24nm范围内。以上测量结果证明,本论文所研制的相位调制零差干涉仪稳定性高、周期性非线性误差小且能够实现纳米级精度测量。
【图文】：

学位论文 相位调制零差干涉纳米位移测量系统动态补偿[39]，Keem T 等人通过调节正交信号对应探测器小[28]，JeonghoA 等人根据偏振分光镜的性质对波片光轴亚纳米级精度测量[40]，哈尔滨工业大学崔俊宁光路设计时镜减小偏振混叠串扰将周期性非线性误差减小至 0.2nm,如

0mm 该光路同样是由参考干涉仪和测量干涉仪构成，其主要特点是参考干涉仪和测量干涉仪参考光路完全共光路，，参考干涉仪与测量干涉仪测量光路仅在偏振分光镜 PBS1分光后部分不共光路，相对于 2.2.1 节提出的部分共光路相位调制零差干涉仪光路结构理论上抗干扰能力更强；但是，该光路中偏振光学元件 PBS1、PBS2和相位延时光学元件半波片等会引入由安装误差、偏振泄露以及相位延时误差产生的非线性误差。2.3 相位调制零差干涉仪光路结构优化及性能测试根据 2.2 节提出的部分共光路相位调制零差干涉仪与绝大部分共光路相位调制零差干涉仪光路结构进行机械结构设计与装配，并将装配调试好的相位调制零差干涉仪通过静态稳定性实验及周期性非线性误差测量实验对干涉仪进行性能检测，最后根据性能检测结果对干涉仪光路结构进行优化。2.3.1 部分共光路相位调制零差干涉仪静态稳定性能测试
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH16

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本文编号：2693248