【摘要】：隨著精密制造的快速發(fā)展,微電子集成電路制造技術(shù)和超精密機(jī)械加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)納米級(jí)制造精度成為亟待解決的問(wèn)題,因此高精度位移測(cè)量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。以零差干涉儀和外差干涉儀為代表的激光干涉位移測(cè)量技術(shù)因?yàn)榫哂袦y(cè)量范圍大、精度高、測(cè)量速度快、非接觸測(cè)量以及米溯源性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于精密制造領(lǐng)域。本文結(jié)合零差干涉儀與電光相位調(diào)制技術(shù)的優(yōu)勢(shì),基于相位調(diào)制零差干涉納米位移測(cè)量方法,設(shè)計(jì)了一套相位調(diào)制零差干涉儀并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行性能評(píng)價(jià)。本文從靜態(tài)穩(wěn)定性以及周期性非線性誤差兩個(gè)方面對(duì)所設(shè)計(jì)不同結(jié)構(gòu)的相位調(diào)制零差干涉儀進(jìn)行性能測(cè)試,并通過(guò)測(cè)試結(jié)果對(duì)干涉儀結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化,最終選取靜態(tài)穩(wěn)定性好、周期性非線性誤差小的部分共光路結(jié)構(gòu)作為相位調(diào)制零差干涉儀光路設(shè)計(jì)方案。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證偏振片安裝誤差對(duì)干涉儀周期性非線性誤差的影響,當(dāng)偏振片輸出為垂直線偏振光時(shí),干涉儀的周期性非線性誤差最小,能夠?qū)崿F(xiàn)高精度位移測(cè)量。本文基于相位調(diào)制零差干涉納米位移測(cè)量原理,結(jié)合部分共光路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案,綜合信號(hào)處理硬件、上位機(jī)操作軟件、硬件電路和光學(xué)元件機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)相位調(diào)制零差干涉納米位移測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行四位一體儀器化設(shè)計(jì)。根據(jù)干涉儀信號(hào)處理需要,采用FPGA+ARM的信號(hào)處理板Redpitaya完成了調(diào)制信號(hào)生成、PGC-Arctan信號(hào)解調(diào)以及解調(diào)信號(hào)的最小二乘橢圓擬合修正等信號(hào)處理過(guò)程,并實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)軟件的實(shí)時(shí)通訊;上位機(jī)操作軟件是在虛擬儀器開(kāi)發(fā)平臺(tái)LabVIEW的基礎(chǔ)上,采用模塊化設(shè)計(jì)的方案,通過(guò)串口通訊的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)PI導(dǎo)軌控制、Renishaw對(duì)比干涉儀數(shù)據(jù)處理和顯示以及相位調(diào)制零差干涉儀測(cè)量結(jié)果的讀取、處理、顯示以及保存的功能;硬件電路主要由基于開(kāi)關(guān)電源及直流降壓雙輸出模塊的電源供電電路、基于單運(yùn)放信號(hào)放大器及高壓放大器模塊的調(diào)制信號(hào)放大電路和光電探測(cè)器電路三部分構(gòu)成;基于三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件Solidworks,完成相位調(diào)制零差干涉儀各零部件和整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、仿真、加工和裝配,并驗(yàn)證機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。為了對(duì)相位調(diào)制零差干涉儀進(jìn)行性能評(píng)價(jià),設(shè)計(jì)了靜態(tài)穩(wěn)定性測(cè)量實(shí)驗(yàn)、周期性非線性誤差測(cè)量實(shí)驗(yàn)以及位移步進(jìn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)。通過(guò)靜態(tài)穩(wěn)定性對(duì)比實(shí)驗(yàn)證明相位調(diào)制零差干涉儀穩(wěn)定性優(yōu)于Renishaw對(duì)比干涉儀,10min測(cè)試時(shí)間內(nèi)僅漂移5.5nm;通過(guò)周期性非線性誤差測(cè)量實(shí)驗(yàn)證明相位調(diào)制零差干涉儀周期性非線性誤差小于0.1nm且具有重復(fù)性;通過(guò)納米級(jí)步進(jìn)位移測(cè)量實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證相位調(diào)制零差干涉儀與PI-753.1CD導(dǎo)軌測(cè)量誤差平均值及標(biāo)準(zhǔn)差均在1nm范圍內(nèi),在微米級(jí)步進(jìn)位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)時(shí),其平均誤差在0.73nm~5.51nm范圍內(nèi),誤差標(biāo)準(zhǔn)差在0.51nm~2.25nm范圍內(nèi),證明相位調(diào)制零差干涉儀在微納米級(jí)位移測(cè)量中能夠達(dá)到納米級(jí)測(cè)量精度;通過(guò)與Renishaw干涉儀進(jìn)行毫米級(jí)位移測(cè)量對(duì)比實(shí)驗(yàn),證明相位調(diào)制零差干涉儀能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍位移測(cè)量,其位移誤差平均值在6.58nm~163.85nm范圍內(nèi),位移誤差標(biāo)準(zhǔn)差在33.55nm~62.24nm范圍內(nèi)。以上測(cè)量結(jié)果證明,本論文所研制的相位調(diào)制零差干涉儀穩(wěn)定性高、周期性非線性誤差小且能夠?qū)崿F(xiàn)納米級(jí)精度測(cè)量。
【圖文】：

學(xué)位論文 相位調(diào)制零差干涉納米位移測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償[39]，Keem T 等人通過(guò)調(diào)節(jié)正交信號(hào)對(duì)應(yīng)探測(cè)器小[28]，JeonghoA 等人根據(jù)偏振分光鏡的性質(zhì)對(duì)波片光軸亞納米級(jí)精度測(cè)量[40]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)崔俊寧光路設(shè)計(jì)時(shí)鏡減小偏振混疊串?dāng)_將周期性非線性誤差減小至 0.2nm,如

0mm 該光路同樣是由參考干涉儀和測(cè)量干涉儀構(gòu)成，其主要特點(diǎn)是參考干涉儀和測(cè)量干涉儀參考光路完全共光路，，參考干涉儀與測(cè)量干涉儀測(cè)量光路僅在偏振分光鏡 PBS1分光后部分不共光路，相對(duì)于 2.2.1 節(jié)提出的部分共光路相位調(diào)制零差干涉儀光路結(jié)構(gòu)理論上抗干擾能力更強(qiáng)；但是，該光路中偏振光學(xué)元件 PBS1、PBS2和相位延時(shí)光學(xué)元件半波片等會(huì)引入由安裝誤差、偏振泄露以及相位延時(shí)誤差產(chǎn)生的非線性誤差。2.3 相位調(diào)制零差干涉儀光路結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能測(cè)試根據(jù) 2.2 節(jié)提出的部分共光路相位調(diào)制零差干涉儀與絕大部分共光路相位調(diào)制零差干涉儀光路結(jié)構(gòu)進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝配，并將裝配調(diào)試好的相位調(diào)制零差干涉儀通過(guò)靜態(tài)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)及周期性非線性誤差測(cè)量實(shí)驗(yàn)對(duì)干涉儀進(jìn)行性能檢測(cè)，最后根據(jù)性能檢測(cè)結(jié)果對(duì)干涉儀光路結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。2.3.1 部分共光路相位調(diào)制零差干涉儀靜態(tài)穩(wěn)定性能測(cè)試
【學(xué)位授予單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TH16

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