电光调制双零差干涉纳米位移测量技术研究

摘要

随着精密、超精密、MEMS、集成电路等加工制造技术的深入发展，对位移测量技术带来了更大的挑战。而在众多的位移测量技术中，激光干涉位移测量技术由于具有测量精度高、范围大和米溯源性等优点而被广泛应用，其中典型的激光干涉测量技术包括激光单频(零差)干涉法和激光双频(外差)干涉法。零差干涉法相较于外差干涉法不存在光源非正交及椭偏化引起的偏振和频率混叠，且结构简单、测量精度高，成为目前的研究热点。但是零差干涉法中干涉信号的直流漂移、幅值变化和相位非正交都会引起测量误差从而制约了其测量精度的提高。
　　为了解决上述零差干涉法中存在的问题，进一步提高零差干涉位移测量精度，本文提出了一种基于电光相位调制器的双零差干涉纳米位移测量技术，进行大范围、高精度的位移测量。首先详细推导了所提出的电光相位调制双零差干涉纳米位移测量原理，设计了系统的光路结构，将位移测量变换为两套干涉仪的相位差测量。提出了基于线性相位调制的时域过零鉴相相位差测量方法。为了消除PGC-Arctan相位解调中的非线性误差提出了正弦加三角波复合相位调制的相位解调方法。在线性相位调制双零差干涉仪的信号处理系统中，设计了零相位滤波器对干涉信号进行预处理，以及基于LabVIEW的相位差检测上位机处理程序。在正弦加三角波复合相位调制双零差干涉仪的信号处理系统中，设计了基于FPGA+ARM的PGC-Arctan的相位解调系统，并利用椭圆拟合进行非线性误差的补偿。
　　为了验证所提出的电光相位调制双零差干涉纳米位移测量方法的可行性，对双零差干涉系统进行搭建和调试，针对两种调制方式的双零差干涉系统分别进行相应的测试实验和位移测量实验，在线性相位调制信号处理方法中，相位差测量稳定性实验表明在6个小时内相位差每分钟变化约0.2°，符合实验测量要求。在以精密工作台位移作为参考时，纳米级位移测量实验结果为:位移误差均值和标准偏差都不超过1nm。微米级位移测量实验结果为:位移误差均值在1nm范围内，位移误差标准偏差在1.42nm～3.21nm范围内。在以商业干涉仪Agilent5519A位移测量结果作为参考时，毫米级位移测量实验结果为:位移误差均值在-0.046μm～0.107μm范围内，位移误差标准偏差在0.032μm～0.287μm范围内。在正弦加三角波复合相位调制信号处理方法中，椭圆拟合实验验证了所设计的基于FPGA+ARM的4参数椭圆拟合模块的有效性和准确性，椭圆拟合速率实验表明实时拟合速率为12.05μs。实时修正必要性实验和对比实验体现了椭圆拟合修正技术对相位解调中非线性误差的补偿效果。非线性误差实验结果表明所设计的干涉仪非线性误差低于0.1nm。毫米级步进位移测量实验通过比对双零差干涉仪与XL80干涉仪测得的位移，最大位移差值为-60.5nm，标准偏差为27.4nm。以上实验结果验证了提出的电光调制双零差干涉纳米位移测量方法的可行性和有效性。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景和意义

1．2 纳米位移测量技术国内外研究现状

1．2．1 激光单频(零差)偏振干涉位移测量技术研究

1．2．2 激光双频(外差)干涉位移测量技术研究

1．2．3 正弦相位调制干涉位移测量技术研究

1．2．4 偏振激光干涉纳米位移测量技术总结

1．3 论文研究目的和内容安排

第2章 电光调制双零差干涉位移测量原理

2．1 电光调制技术

2．1．1 纵向电光振幅调制

2．1．2 纵向电光相位调制

2．2 电光调制双零差干涉光路结构及位移测量原理

2．3 线性相位调制解调原理

2．3．1 线性相位调制技术

2．3．2 时域过零鉴相

2．4 正弦加三角波复合相位调制解调原理

2．4．1 复合相位调制解调技术

2．4．2 最小二乘法4参数椭圆拟合原理

2．4．3 CORDIC算法反正切函数计算原理

2．5 本章小结

第3章 电光调制双零差干涉仪信号处理方法研究

3．1 线性相位调制双零差干涉仪信号处理方法

3．1．1 干涉信号预处理

3．1．2 基于LabVIEW的时域过零鉴相实现

3．1．3 整周期计数及相位解包裹

3．1．4 相位差测量精度测试

3．2 正弦加三角波复合相位调制双零差干涉仪信号处理方法

3．2．1 调制信号的生成

3．2．2 数字低通滤波器设计

3．2．3 基于FPGA+ARM的快速4参数椭圆拟合及修正设计与实现

3．2．4 基于CORDIC算法的反正切函数FPGA实现

3．2．5 相位解调测试实验及结果分析

3．3 本章小结

第4章 实验结果及分析

4．1 线性相位调制双零差干涉仪位移测量相关实验

4．1．1 稳定性实验

4．1．2 位移测量实验

4．2 正弦加三角波复合相位调制双零差干涉仪位移测量相关实验

4．2．1 椭圆拟合精度实验

4．2．2 椭圆拟合速率实验

4．2．3 实时修正必要性实验

4．2．4 实时修正对比实验

4．2．5 非线性误差测量实验

4．2．6 毫米级位移测量实验

4．3 本章小结

5．1 论文总结

5．2 主要创新点

5．3 论文展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的相关研究成果

致谢