激光合成波长纳米位移测量干涉仪的准直方法研究

论文摘要

近年来,随着微电子、超精密加工等高新技术的迅速发展,对纳米位移测量技术及仪器提出了既要测量范围大又要同时达到纳米级测量精度的要求,为了保证纳米位移测量仪器高测量精度的实施,就要同步地监测整个仪器测量过程的准直状况,减少或消除不必要的误差。本论文依托于“激光合成波长纳米位移测量干涉仪的研制”国家自然科学基金项目(No.50827501),对激光合成波长纳米位移测量干涉仪的准直方法进行了研究,提出了采用四象限探测器实现激光合成波长干涉仪的准直方法。论文描述了激光合成波长纳米位移测量干涉仪的准直方法;分析了角锥棱镜作为测量镜和参考镜时发生偏转或横向移动时的光学特性,建立了相应的数学模型;描述了四象限探测器的工作原理与信号处理方法,完成了该信号处理系统的硬件设计和软件设计,研制并调试成功,硬件设计主要包括I/V转换电路、信号预处理电路、加法电路、减法电路、除法电路、电源电路等;软件设计是采用Visual Basic语言编写的上位机程序。本论文分别进行了以下实验:(1)角锥棱镜的横向移动对激光合成波长干涉仪测长精度影响的测量实验:首先结合实际参数进行了仿真,仿真结果表明,在保证干涉的前提下,当角锥棱镜M2只在x方向发生平移时,角锥棱镜M2的横向移动对干涉的影响甚小,但对光强的幅值影响较大,其横向移动不会产生干涉条纹的级次变化;当角锥棱镜在x方向和z方向同时运动时,干涉条纹的变化是因其在z方向上光程差的变化引起的,而其在x方向上的横向移动不会对干涉条纹的级次造成影响。然后进行了实际测试实验验证,实验结果表明所测的干涉条纹变化趋势与仿真结果比较吻合,从而得知角锥棱镜的较小横向移动对激光合成波长干涉仪的测长精度的影响可以忽略;(2)参考角锥棱镜的准直测量实验:在300mm测量范围内,以10mm为步长对参考角锥棱镜M1进行的准直测量实验,其在x方向所测数据的标准偏差从7.038mV减小到1.6mV,在z方向所测数据的标准偏差从30.118mV减小到1.119mV;(3)测量角锥棱镜的准直测量实验:在200mm测量范围内,以10mm为步长对测量角锥棱镜M2进行的的准直测量实验,其在x方向所测数据的标准偏差从3.2049 mV减小到1.202mV,在y方向所测数据的标准偏差从2.831231mV减小到0.673mV。上述实验结果表明,该准直方法能够实现激光合成波长纳米位移测量干涉仪的准直,具有较高的可靠性和实用性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 综述
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 纳米位移测量准直的意义
• 1.3 论文的研究意义
• 1.4 论文的组织结构及研究思路
• 第二章 激光合成波长纳米位移测量干涉仪准直方法的理论分析
• 2.1 本章概述
• 2.2 激光合成波长纳米位移测量干涉仪的测量原理
• 2.2.1 合成波长的概念
• 2.2.2 激光合成波长干涉纳米位移测量方法
• 2.3 激光合成波长纳米位移测量干涉仪的准直方法
• 2.3.1 激光合成波长纳米位移测量干涉仪的准直方法及系统结构
• 2.3.2 主要元件的选择
• 2.4 角锥棱镜的光学特性分析
• 2.4.1 光线矢量方向的分析与计算
• 2.4.2 光线在角锥棱镜内部路程的分析与计算
• 2.5 角锥棱镜位置变动对出射点与出射光线位置影响的分析
• 2.5.1 角锥棱镜的位置变动对出射点位置的影响
• 2.5.2 角锥棱镜的位置变动对出射光线位置的影响
• 2.6 本章小结
• 第三章 信号处理方法
• 3.1 本章概述
• 3.2 信号处理方法设计
• 3.2.1 四象限探测器的工作原理
• 3.2.2 信号处理方案选择
• 3.2.3 总体方案
• 3.3 硬件电路的设计
• 3.3.1 I/V 转换
• 3.3.2 前级处理电路
• 3.3.3 运算处理电路
• 3.3.4 电源电路设计
• 3.3.5 反相比例、跟随电路设计
• 3.3.6 电路实物图
• 3.4 A/D 采样程序的实现
• 3.5 上位机软件设计
• 3.6 本章小结
• 第四章 系统实验与分析
• 4.1 本章概述
• 4.2 角锥棱镜横向移动对激光合成波长干涉仪测量误差的影响
• 4.2.1 理论分析
• 4.2.2 仿真与实验
• 4.3 参考角锥棱镜的准直测量实验
• 4.4 测量角锥棱镜的准直测量实验
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 论文的主要创新点
• 5.2 论文完成的具体工作
• 5.3 论文展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的研究成果
• 附录 一
• 附录 二
• 附录 三