基于法拉第效应的激光外差干涉三自由度测量方法研究

摘要

随着超精密加工技术、精密工作台性能检测、微电子技术与生物医学工程等技术的迅速发展，对精密平台的三自由度检测技术及仪器提出了更高的要求，既要求实现三自由度的同时测量又要求达到纳米级的测量精度。本文依托GF技术基础项目，设计了一种基于法拉第效应的激光外差干涉三自由度测量方法，并对测量方法的各项关键技术进行了研究，通过搭建完整的测量系统，最终实现了大范围、高精度的三自由度同时测量。
　　论文介绍了国内外位移角度同时测量的研究现状，提出了一种基于法拉第效应的激光外差干涉三自由度(X-Y-θ)测量方法，分析了基于法拉第效应的激光外差干涉三自由度测量的原理，介绍了基于法拉第效应的线偏振光逆反方法，建立了三自由度同时测量的数学模型，设计了三自由度测量系统的光路结构;介绍了激光外差信号信号处理系统，运用VisualBasic设计了上位机的系统控制软件;分析了三自由度(X-Y-θ)测量的非线性误差和组合反射镜以及干涉模块运动状态对光程的影响，综合评估了该系统的测量不确定度。
　　为验证本文所构建的基于法拉第效应的激光外差干涉三自由度测量系统的可行性与有效性，搭建了实验装置，分别进行了以下实验:(1)系统稳定性实验，保持平台静止，每隔5秒记录100个实验结果，结果显示位移测量稳定优于6nm。(2)位移和角度比对实验，精密平台分别200mm范围内进行10mm步进运动，1mm范围内进行50μm步进运动，15μm范围内在进行100nm步进运动，位移测量结果与Renishaw干涉仪测量结果相比较，位移误差最大值和误差标准偏差分别为52.6nm和22.3nm、17.1nm和6.4nm、6.9nm和1.5nm。精密平台分别在1°范围内进行0.01°步进运动，10°范围内进行0.1°步进运动，20°范围内进行0.1°步进运动，角度测量结果与Renishaw干涉仪测量结果相比较，角度误差最大值和误差标准偏差分别为0.27

目录

声明

摘要

第一章 综述

1．1 论文的研究背景与意义

1．2 三自由度(X-Y-θ)测量方法研究现状

1．3 论文的研究内容与组织结构

第二章 三自由度测量方案设计及理论分析

2．1 法拉第效应及线偏振光逆返方法

2．2 三自由度测量系统方案设计

2．3 三自由度同时测量方法的理论分析

2．4 本章小结

第三章 信号处理系统设计

3．1 信号处理方案总体设计

3．2 硬件处理电路

3．2．1 光电探测器

3．2．2 信号预处理电路

3．2．3 基于FPGA的数字信号处理

3．3 系统软件设计

3．3．1 三自由度数据的获取

3．3．2 精密平台的自动化运动控制

3．3．2 三自由度数据的记录

3．4 本章小结

第四章 系统测量误差分析

4．1 非线性误差分析

4．1．1 三自由度测量系统非线性误差来源

4．1．2 三自由度测量系统非线性误差分析

4．1．3 三自由度测量系统非线性误差讨论

4．2 组合反射镜运动状态对光程的影响分析

4．2．1 沿X轴运动对光程的影响

4．2．2 沿Y轴运动对光程的影响

4．3 干涉模块运动状态对光程的影响分析

4．3．1 沿X轴运动对光程的影响

4．3．2 沿Y轴运动对光程的影响

4．4 系统的测量不确定度评估

4．4．1 X方向位移的测量不确定度

4．4．2 Y方向位移的测量不确定度

4．4．3 偏摆角θ的测量不确定度

4．5 本章小结

第五章 实验及结果分析

5．1 三自由度测量系统实验装置的构建

5．2 系统稳定性实验

5．3 单参数测量与比对实验

5．3．1 位移比对实验

5．3．2 角度比对实验

5．4 三自由度同时测量实验

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 论文总结

6．1．1 主要创新点

6．1．2 完成的具体工作

6．2 论文展望

参考文献

致谢

攻读学位期间研究成果