基于衍射光栅的外差Littrow式精密位移测量系统关键技术研究

论文摘要

精密测量技术是现代加工和制造领域的基础,兼顾大量程、高精度、多维度的精密测量设备对推动先进加工业和制造业的发展有非常重要的意义。光栅位移测量系统作为一种精密位移测量设备,以其精度高、量程大、结构简单紧凑、受环境影响小等优点备受国内外研究学者关注,相关产品已经广泛应用于多种精密测量的场合。目前对光栅位移测量系统的研究虽然很多,但是该系统还存在着大量程与高分辨力、高精度之间的矛盾,多维度与小体积、大量程之间的矛盾等问题。这些问题严重限制了光栅位移测量系统的应用,制约了其向小型化、商品化方向发展。鉴于此,本文对基于衍射光栅的外差Littrow式精密位移测量系统的关键技术进行研究,旨在解决上述矛盾,为光栅位移测量系统向产业化发展奠定坚实的基础。本文具体研究内容如下:第一,研究了基于衍射光栅的精密位移测量系统的测量理论。用严格的耦合波理论建立了分析一维梯形光栅衍射效率的理论模型;利用Doppler频移原理、光的干涉原理和位移转换原理推导了位移测量的基本原理;列举了偏振光和常用偏振光学元件的琼斯矩阵表示方法。第二,提出了一个小型化、高精度、外差式光栅二维位移测量系统。理论分析了Littrow结构进行二维位移测量的基本原理以及光栅、读数头和位移平台之间的偏摆关系对该系统位移测量的影响;搭建了原理样机并与双频激光干涉仪进行了位移测量对比实验,在两个维度上实现了最小分辨力3nm,测量范围10mm的高精度位移测量,系统还具有优于激光干涉仪的静态稳定性;该二维位移测量系统结合Littrow结构和外差测量原理,读数头结构简单,便于集成和安装,测量范围大,精度高,对光栅位移测量系统向产品化发展有重要意义。第三,提出了衍射光栅五维自由度精密测量系统。理论分析了利用衍射光栅结合位置灵敏探测器进行三维角度测量的基本原理;在二维位移测量系统的基础上引入高精度位置灵敏探测器搭建了原理样机并与双频激光干涉仪和光电自准直仪进行了位移及角度测量对比实验,实现了分辨力3nm的高精度二维位移测量以及分辨力优于1?的高精度三维角度测量;该五维自由度精密测量系统结构简单易集成,分辨力和精度高,位移测量范围大,实用性强,对多维度光栅位移测量系统向产品化发展有重要意义。第四,系统分析了光栅对外差Littrow式光栅位移测量系统位移测量的影响。模拟了光栅与读数头之间的位置误差对位移测量的影响,揭示了光栅偏摆误差是系统最为敏感的误差,对系统的装调以及测量环境的选择有重要的指导意义;利用几何光学原理建立了光栅面形误差、刻线误差对外差Littrow式光栅位移测量系统位移测量影响的理论模型,提出了一种快速检测和计算该误差的方法,搭建了外差Littrow式光栅位移测量系统原理样机并与双频激光干涉仪进行了位移测量对比实验,实验验证了该方法的正确性并且具有速度快、精度高的特点,对提升系统精度有重要意义;利用琼斯矩阵分析方法建立了Littrow式光栅位移测量系统光学元件偏振特性与信号强度之间关系的理论模型,模拟了光栅的衍射效率和偏振特性对位移测量的影响,揭示了光栅?1级衍射光对P光和S光衍射效率不同对非线性误差影响最大,对于光栅的设计和系统精度的提升有重要的理论意义。第五,提出了一种大量程、高精度的外差式光栅一维位移测量系统。采用光栅交错拼接的方式扩大了系统量程,利用双层Littrow结构设计了小型化的读数头,搭建了原理样机并与双频激光干涉仪进行了位移测量对比实验,验证了原理的正确性,实现了量程50mm,分辨力3nm的高精度位移测量;模拟了交错拼接光栅的拼接过程,为光栅的制作奠定了基础;该一维位移测量系统测量范围大、精度高、读数头结构简单,对光栅位移测量系统向大量程、高精度发展有重要意义。

论文目录

摘要

Abstract

第1章绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 光栅位移测量系统的研究现状

1.2.1 国外研究现状

1.2.2 国内研究现状

1.2.3 基于衍射光栅的精密位移测量系统发展趋势

1.3 论文主要研究内容和结构安排

1.3.1 论文主要研究内容

1.3.2 论文结构安排

第2章基本原理

2.1 引言

2.2 几何莫尔条纹原理

2.3 光栅衍射的严格耦合波理论分析

2.4 Doppler频移原理

2.4.1 光Doppler频移原理

2.4.2 光栅Doppler频移原理

2.5 光的干涉原理

2.5.1 同频干涉原理

2.5.2 差频干涉原理

2.5.3 外差测量方法

2.6 位移转换原理

2.7 琼斯矩阵表示方法

2.7.1 偏振光的琼斯矩阵表示方法

2.7.2 偏振器件的琼斯矩阵表示方法

2.8 本章小结

第3章外差式光栅五维自由度精密测量系统设计

3.1 引言

3.2 系统的结构组成

3.2.1 位移测量单元

3.2.2 角度测量单元

3.3 多维度测量原理

3.3.1 位移测量原理

3.3.2 角度测量原理

3.4 关键元件选择

3.4.1 光源的选取

3.4.2 光栅的选择

3.4.3 其他光学元件的选取

3.4.4 角度测量元件的选择

3.4.5 信号接收及处理系统的选择

3.5 实验与测试

3.5.1 实验搭建

3.5.2 二维位移测量系统性能测试实验

3.5.3 五维自由度精密测量系统性能测试实验

3.6 误差分析

3.6.1 光栅与位移平台之间存在偏摆角度

3.6.2 光栅与读数头之间存在偏摆角度

3.6.3 位移平台存在偏摆误差

3.7 测量维度的扩展

3.8 本章小结

第4章光栅对外差Littrow式光栅位移测量系统影响的分析

4.1 引言

4.2 外差Littrow式光栅位移测量系统的基本结构

4.3 光栅与读数头之间的位置误差对位移测量的影响

4.3.1 平移误差

4.3.2 角度误差

4.4 光栅面形误差和刻线误差对位移测量的影响

4.4.1 理论模型

4.4.2 误差计算与检测方法

4.4.3 实验验证

4.5 光栅的衍射效率和偏振特性对位移测量的影响

4.5.1 理论模型

4.5.2 模拟分析

4.6 本章小结

第5章大量程、高精度外差式光栅一维位移测量系统设计

5.1 引言

5.2 系统的结构组成

5.2.1 交错拼接式光栅

5.2.2 读数头的设计

5.3 实验与测试

5.3.1 实验搭建

5.3.2 位移测试实验

5.4 交错拼接式光栅的拼接方法模拟

5.5 本章小结

第6章总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 展望

参考文献

致谢

作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果

文章来源

类型: 博士论文

作者: 吕强

导师: 李文昊

关键词: 精密测量,衍射光栅,多维度,大量程,误差分析,外差测量,结构

来源: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,仪器仪表工业

单位: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

基金: 吉林省重点科技研发项目“基于高刻线密度衍射光栅的精密位移感知系统研制”,吉林省与中国科学院科技合作高技术产业化专项资金项目“光栅型精密位移感知系统研制及产业化”

分类号: O436.1;TH822

总页数: 132

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