基于双光栅干涉的三维位移测量技术研究

发布时间：2017-05-23 08:01

  本文关键词：基于双光栅干涉的三维位移测量技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着现代科学技术和工业生产的不断进步,微电子制造工业、半导体制造工业等对位移测量技术的维度与精度要求也愈来愈高。超精密位移测量技术已成为测量领域内的研究热点和现代工业中测量技术的一个重要发展方向。其中,光栅位移测量技术以其高稳定性、高分辨力、低成本的特点广泛地应用于各种超精密位移测量领域。目前,光栅位移测量技术得到广泛研究,也有很多成果,但是仍存在测量维度不足,量程小的问题,因此研究一种具有多维度测量能力的高精度光栅位移测量系统具有重要意义。本文主要研究了一种基于双光栅干涉的三维位移测量系统,通过结合双光栅干涉原理,利用组合型透射扫描光栅和二维反射标尺光栅对入射光进行多次分光合光,实现了光栅平面内X向和Y向的位移测量,以及结合经典迈克尔逊干涉仪原理实现了垂直于光栅平面Z向的位移测量。首先,本文基于严格耦合波矢量衍射理论建立了一维矩形光栅和二维矩形光栅的矢量衍射特性模型,对严格耦合波理论求解光栅衍射效率的过程进行了推导,仿真分析了结构参数对光栅衍射特性的影响,为后续设计符合测量系统要求的光栅结构参数奠定理论基础。其次,介绍了测量系统的光学结构。基于双光栅干涉原理完成了X向和Y向测量的光学结构设计,分析了具体测量原理,并确定了扫描光栅和标尺光栅的放置方式;基于迈克尔逊干涉仪原理完成了Z向测量的光学结构设计,分析了具体测量原理;最终完成测量系统的整体光学结构设计,并针对测量原理对光栅的衍射特性和结构形式提出了要求;对X向、Y向和Z向测量干涉信号的形式进行了分析,并对干涉信号强度和位移之间的关系进行了仿真,阐明了各方向的位移测量均实现了光学2细分,并且各方向之间的位移信息是独立的,不存在耦合关系。再次,完成了测量系统的硬件结构设计。基于矢量衍射理论并针对系统要求设计了扫描光栅和标尺光栅的结构参数,并根据扫描光栅的特殊结构形式,设计了扫描光栅和标尺光栅的加工尺寸,以保证双光栅能够正常工作。为了实现对输出干涉信号的采集,设计了光电检测电路,并设计了信号调理电路,包括低通滤波电路,消除直流偏置电路等,以消除干扰信号的影响。最后,对加工的组合型透射扫描光栅和二维反射标尺光栅的衍射特性进行了测试,并将测试结果与理论设计结果进行对比,分析了产生误差的原因;搭建了实验平台,完成了基于双光栅干涉的三维位移测量系统的实验测试,对测量系统X向、Y向和Z向的测量原理进行了实验验证。实验表明,该位移测量系统能够实现三个维度的位移测量,并且各方向的位移信息不耦合;X向、Y向和Z向均实现了光学2细分,不进行电学细分时,X向和Y向的分辨力为2√2μm,Z向的分辨力为λ/2,在本文中即为0.32μm,与理论设计相符。
【关键词】：双光栅干涉 位移测量 矢量衍射理论
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TH74
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-22
• 1.1 课题研究的背景和意义10-11
• 1.2 国内外光栅位移测量的研究现状分析11-20
• 1.2.1 国外光栅位移测量的研究现状11-17
• 1.2.2 国内光栅位移测量的研究现状17-19
• 1.2.3 光栅位移测量的研究现状分析19-20
• 1.3 主要研究内容20-22
• 第2章 光栅衍射特性分析22-36
• 2.1 引言22
• 2.2 矢量衍射理论22-23
• 2.3 一维矩形光栅衍射特性求解23-27
• 2.3.1 建立各区域电磁场表达式24-25
• 2.3.2 建立耦合波方程组25-26
• 2.3.3 利用边界条件求解26-27
• 2.4 二维矩形光栅衍射特性求解27-32
• 2.4.1 建立各区域电磁场表达式28-29
• 2.4.2 建立耦合波方程29-30
• 2.4.3 利用边界条件求解30-32
• 2.5 仿真分析32-35
• 2.6 本章小结35-36
• 第3章 测量系统光学结构设计与分析36-50
• 3.1 引言36
• 3.2 光学结构设计36-41
• 3.2.1 X向和Y向光学结构设计37-39
• 3.2.2 Z向光学结构设计39-40
• 3.2.3 整体光学结构40-41
• 3.3 各方向干涉信号分析41-48
• 3.3.1 X向和Y向干涉信号分析41-47
• 3.3.2 Z向干涉信号分析47-48
• 3.4 本章小结48-50
• 第4章 测量系统硬件设计50-63
• 4.1 引言50
• 4.2 光栅结构参数设计50-57
• 4.2.1 扫描光栅参数设计50-54
• 4.2.2 标尺光栅参数设计54-56
• 4.2.3 光栅加工尺寸设计56-57
• 4.3 硬件检测电路设计57-60
• 4.3.1 光电检测电路设计58-60
• 4.3.2 信号调理电路设计60
• 4.4 辅助机械元件设计60-61
• 4.5 本章小结61-63
• 第5章 测量系统实验与分析63-71
• 5.1 引言63
• 5.2 光栅衍射实验63-64
• 5.2.1 扫描光栅的衍射分析63-64
• 5.2.2 标尺光栅的衍射分析64
• 5.3 测量系统性能实验64-70
• 5.3.1 测量系统实验平台的搭建64-66
• 5.3.2 X向和Y向原理验证实验66-69
• 5.3.3 Z向原理验证实验69-70
• 5.4 本章小结70-71
• 结论71-72
• 参考文献72-75
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果75-77
• 致谢77

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前4条

1 刘晓e

本文编号：387266