基于法拉第效应的激光外差干涉三自由度测量方法研究

发布时间：2020-06-12 14:08

【摘要】：随着超精密加工技术、精密工作台性能检测、微电子技术与生物医学工程等技术的迅速发展,对精密平台的三自由度检测技术及仪器提出了更高的要求,既要求实现三自由度的同时测量又要求达到纳米级的测量精度。本文依托GF技术基础项目,设计了一种基于法拉第效应的激光外差干涉三自由度测量方法,并对测量方法的各项关键技术进行了研究,通过搭建完整的测量系统,最终实现了大范围、高精度的三自由度同时测量。论文介绍了国内外位移角度同时测量的研究现状,提出了一种基于法拉第效应的激光外差干涉三自由度(X-Y-θ)测量方法,分析了基于法拉第效应的激光外差干涉三自由度测量的原理,介绍了基于法拉第效应的线偏振光逆反方法,建立了三自由度同时测量的数学模型,设计了三自由度测量系统的光路结构;介绍了激光外差信号信号处理系统,运用VisualBasic设计了上位机的系统控制软件;分析了三自由度(X-Y-θ)测量的非线性误差和组合反射镜以及干涉模块运动状态对光程的影响,综合评估了该系统的测量不确定度。为验证本文所构建的基于法拉第效应的激光外差干涉三自由度测量系统的可行性与有效性,搭建了实验装置,分别进行了以下实验:(1)系统稳定性实验,保持平台静止,每隔5秒记录100个实验结果,结果显示位移测量稳定优于6nm。(2)位移和角度比对实验,精密平台分别200mm范围内进行10mm步进运动,1mm范围内进行50μm步进运动,15μm范围内在进行100nm步进运动,位移测量结果与Renishaw干涉仪测量结果相比较,位移误差最大值和误差标准偏差分别为52.6nm和22.3nm、17.1nm和6.4nm、6.9nm和1.5nm。精密平台分别在1°范围内进行0.01°步进运动,10°范围内进行0.1°步进运动,20°范围内进行0.1°步进运动,角度测量结果与Renishaw干涉仪测量结果相比较,角度误差最大值和误差标准偏差分别为0.27″和0.05″、10.97″和3.1″、10.97″和3.1″。(3)三自由度(X-Y-θ)同时测量实验,分别进行了被测精密平台1mm、1μm和100nm步进的三自由度同时测量实验,X方向位移测量结果与线性位移工作台位移值相比较,位移误差平均值与标准偏差分别为0.008μm和0.04μm、0.0026μm和0.01μm、0.002nm和0.013nm。由Y方向位移测量结果算得线性位移工作台的直线度分别为0.1μm、0.22μm和14.64nm,在线性位移工作台的直线度误差±1μm之内。偏摆角θ测量结果的最大值分别为80.90μrad、-2.11μrad和-0.67μrad,在线性位移工作台的偏摆角误差100μrad(±50μrad)之内。实验表明所研制的基于法拉第效应的激光外差干涉三自由度测量系统可实现三自由度(X-Y-θ)的大范围、高精度测量。
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH744.3

【参考文献】

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