基于双纵模同轴差动原理用于超精密加工在线检测的轮廓测量技术研究

论文摘要

本论文以国家重点实验室项目“高分辨率激光轮廓仪”以及军工预研项目“KDP晶体、非球面透镜等超精密加工表面亚纳米级微观形貌在位检测”中提出的要求为研究对象，针对一般纳米级分辨率测量仪器的不足，研究了用于在线测量的纳米级分辨率的高速激光轮廓仪。主要完成了以下工作： (1) 针对目前纳米级轮廓仪普遍存在的抗干扰能力弱，数据采集速度慢，对非平面被测面难以测量，不适合于在线检测等缺点，根据研究项目提出的要求，以“周氏”同轴式轮廓仪为原形，对激光稳频装置、光学结构、信号采集以及数据处理等方面加以改进和重新设计，形成了亚纳米级分辨率的高速在线轮廓仪。该系统采用微机控制数据采集与处理，实时显示测量结果，并对表面粗糙度各常用参数进行计算，然后绘出被测表面的轮廓图形。它能够解决要求无损伤、无污染的进行超精细加工表面测量问题，且其操作直观简便，测量精度高，重复性好。由于该系统具有杰出的抗振动干扰能力和低噪声性能，所以不需要特殊的测量环境，能够满足在线测量的需要，具有良好的通用性和性价比。 (2) 对轮廓仪光学测量部分进行了深入分析，得出了同轴式轮廓仪微观高度与测量相位差的关系。对光学系统进行了设计，主要包括：光束准直与滤波系统、参考光光路系统、测量光光路系统等。其原理是基于差动干涉原理，且其测量臂和参考臂同轴，这样就使得在垂直方向上的微小位移不会引起光程差，

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 背景及意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 非光学纳米测量方法
• 1.2.2 光学纳米测量方法
• 1.2.3 光学测量方法存在的问题
• 1.3 发展趋势
• 1.4 本论文的主要工作及创新点
• 第2章 同轴式激光干涉轮廓测量技术的理论研究
• 2.1 测量系统整体结构
• 2.2 同轴式激光干涉轮廓测量技术的原理
• 2.3 主要光路部分设计
• 2.3.1 光束的准直与滤波
• 2.3.2 同轴测量系统设计
• 2.3.3 参考光与测量光的光路设计
• 2.3.4 同轴式干涉轮廓测量技术用于在线检测的考虑
• 2.4 光学测头总体结构设计
• 2.5 小结
• 第3章 双纵模热稳频技术的研究
• 3.1 激光稳频技术概述
• 3.1.1 激光频率的稳定性和复现性
• 3.1.2 影响激光频率稳定的因素
• 3.1.3 常见稳频方法
• 3.2 双纵模热稳频技术
• 3.2.1 双纵模热稳频的理论分析
• 3.2.2 双纵模热稳频系统原理
• 3.3 电磁感应涡流加热稳频技术
• 3.3.1 电磁感应涡流加热装稳频的可行性
• 3.3.2 电磁感应涡流加热的原理
• 3.4 电磁感应涡流加热稳频系统设计
• 3.4.1 电磁感应线圈设计
• 3.4.2 谐振电容计算
• 3.4.3 稳频电路设计
• 3.4.4 电磁感应加热稳频的控制算法
• 3.5 电磁感应涡流加热稳频技术的特点及实验分析
• 3.5.1 电磁感应涡流加热技术的特点
• 3.5.2 稳频效果实验及比较
• 3.6 小结
• 第4章 高频相位检测系统
• 4.1 相位的概念
• 4.2 常见相位测量的原理和方法
• 4.2.1 矢量法
• 4.2.2 乘法器法
• 4.2.3 可变延迟线法
• 4.2.4 取样混频法
• 4.2.5 过零鉴相法
• 4.2.6 相关分析法
• 4.3 高频相位测量的原理和方法
• 4.4 高频相位测量方法研究
• 4.4.1 AD8302测量的基本原理
• 4.4.2 AD8302的功能结构
• 4.4.3 AD8302的测量工作模式
• 4.4.4 相位差正负的判断
• 4.4.5 延迟线移相系统
• 4.5 提高相位测量精度与抗干扰措施
• 4.5.1 相位测量精度的提高
• 4.5.2 滤波电路
• 4.6 小结
• 第5章 轮廓仪精度分析
• 5.1 非线误差分析
• 5.1.1 产生非线性的原因
• 5.1.2 由激光偏振态不理想引起的非线性
• 5.1.3 光学元件对非线性的影响
• 5.1.4 激光器光线偏振轴与冰洲石晶体偏振轴不垂直或不重合而引起的非线性
• 5.1.5 非线性误差的合成
• 5.2 系统参数不稳定产生的误差分析
• 5.2.1 双频激光平均频率的漂移造成的误差
• 5.2.2 系统程差变化造成的误差
• 5.2.3 双频激光差频的漂移造成的误差
• 5.2.4 高斯光束干涉附加项的变化造成的误差
• 5.2.5 相位计产生的误差
• 5.2.6 系统参数不稳定性的误差的合成
• 5.3 其它因素对测量结果的影晌
• 5.3.1 测量臂和参考臂在通过分光镜后光轴不重合引起的误差
• 5.3.2 测量光束斜入射的影响
• 5.3.3 激光器噪声对测量结果的影响
• 5.4 系统总体误差
• 5.5 小结
• 第6章 实验与分析
• 6.1 垂直分辨率测试
• 6.2 不确定度测试
• 6.3 横向分辨力测试
• 6.4 对比测试
• 第7章 结论
• 7.1 轮廓仪光路设计方面
• 7.2 双频激光热稳频方面
• 7.3 相位测量方面
• 7.4 轮廓仪总体方面
• 7.5 后续有待开展的研究工作
• 7.6 研究工作的创新点
• 参考文献
• 作者在读期间科研成果简介
• 声明
• 致谢