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双波长单光栅大量程纳米级位移测量方法的研究

作　者: 王国超
导　师: 颜树华
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 纳米位移测量光栅衍射双波长外差干涉相位测量
分类号: TH822
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

光栅干涉位移测量技术,作为能够实现纳米级位移测量的技术之一,其具有体积小,成本低,结构简单,易于仪器化等优点。相比于传统的激光干涉仪,它以实物形式提供测量基准,对环境条件的要求相对较低,使用稳定可靠,零点漂移极小,同时可以获得比几何莫尔术更高的测量精度和分辨力,在诸如生物制药、微电子、超精加工、航天科学、材料科学等领域具有广阔的应用前景。本文以解决光栅位移测量中大量程和纳米级精度这一矛盾为核心,主要围绕双波长单光栅位移测量的原理、理论模型、光路设计、外差干涉信号的处理等相关内容进行了深入的研究,论文的具体工作及主要创新点体现在以下几个方面:1.首次将双波长激光应用于单光栅位移测量系统,给衍射后的干涉条纹随位移的变化引入一个载波,把普通单光栅干涉测量的直流信号系统转变为双波长单光栅式干涉测量的交流信号系统,从而大大增强系统的抗干扰能力和稳定性。2.基于基尔霍夫标量衍射理论,建立了双波长单光栅位移测量光学系统的理论模型,通过研究双波长高斯光束和光栅衍射的数学模型,推导了双波长激光照射光栅时合光场的场强分布;同时,利用Matlab程序仿真分析了干涉后的合光场,得到了光栅衍射场的外差干涉余弦信号,验证了双波长单光栅干涉位移测量方法的可行性。3.在分析光学系统理论模型的基础上,设计了双波长单光栅位移测量方法的光学结构,讨论了激光器、分光器、偏振分光棱镜和计量光栅这些关键光学器件的选择;在外差干涉的理论基础上,建立了双频激光器性能非理想对测量精度所造成影响的误差模型,分析讨论了影响误差大小的主要因素,并通过实验仿真得到了误差变化的规律。4.研究了脉冲填充测量相位的方法,同时把锁相环混频降频技术与脉冲填充法结合起来,实现了中高频外差信号的相位解调,拓展了外差信号的处理技术。5.提出了基于FPGA和锁相环混频技术的整小数相位测量相结合的数字相位测量方法,实现了外差相位信息的整周期测量以及小数相位的高倍细分,并通过设计多组相位测试实验,验证了该方法可以实现测量精度优于0.03°以及整周期的准确测量。

全文目录

摘要  10-11
ABSTRACT  11-13
第一章绪论  13-22
  1.1 光栅干涉位移测量技术研究现状及发展趋势  13-19
    1.1.1 光栅位移测量的国内外研究现状  13-14
    1.1.2 几种光栅干涉位移测量技术  14-18
    1.1.3 光栅干涉位移测量的发展趋势  18-19
  1.2 课题研究的背景及意义  19-20
  1.3 本文的主要研究内容与工作安排  20-22
第二章双波长单光栅干涉位移测量及外差信号处理技术  22-31
  2.1 双波长单光栅式干涉测量方法  22-25
    2.1.1 基本原理  22-24
    2.1.2 主要特点  24-25
    2.1.3 关键技术  25
  2.2 外差干涉信号的处理技术  25-30
    2.2.1 频率解调法  25-26
    2.2.2 相位解调法  26-29
    2.2.3 双波长单光栅测量系统拟采取的信号处理方法  29-30
  2.3 本章小结  30-31
第三章双波长单光栅测量光学系统的建模仿真  31-42
  3.1 光栅测量光学系统的理论模型  31-35
    3.1.1 光栅测量光学系统的描述  31-32
    3.1.2 高斯光束的数学模型  32
    3.1.3 照射光栅时合光场的数学模型  32-33
    3.1.4 光栅透射函数  33-34
    3.1.5 接收屏上的衍射光场  34-35
  3.2 光栅测量光学系统的仿真研究  35-41
    3.2.1 仿真参数设置  35-36
    3.2.2 振幅光栅产生的外差干涉场  36-38
    3.2.3 相位光栅产生的外差干涉场  38-39
    3.2.4 外差干涉测量信号  39-41
  3.3 本章小结  41-42
第四章光学系统设计及激光器性能对测量精度的影响  42-52
  4.1 光学系统总体设计  42-43
  4.2 光学系统重要器件的选择  43-44
    4.2.1 激光器  43
    4.2.2 分光器  43-44
    4.2.3 偏振分光棱镜  44
    4.2.4 计量光栅  44
  4.3 激光器性能非理想对测量精度的影响分析  44-51
    4.3.1 激光器波长不稳定对测量精度的影响  44-46
    4.3.2 激光器椭圆极化偏振对测量精度的影响  46-51
  4.4 本章小结  51-52
第五章基于FPGA 和锁相环的整小数相位测量相结合的数字相位测量方法  52-62
  5.1 数字相位测量系统的基本原理  52-53
  5.2 锁相环混频降频技术  53-55
    5.2.1 锁相环的基本原理  53
    5.2.2 混频器的基本结构  53-54
    5.2.3 锁相环混频的实现方法  54
    5.2.4 锁相环混频的特点  54-55
  5.3 脉冲填充测量相位的方法  55-56
  5.4 整小数相位相结合的相位测量方法  56-61
    5.4.1 整数相位的测量方法  56-57
    5.4.2 小数相位的测量方法  57-60
    5.4.3 整小数相位测量的实现及其特点  60-61
  5.5 本章小结  61-62
第六章相位测量系统性能指标的测试实验及误差分析  62-75
  6.1 相位差测量的技术指标  62
  6.2 相位测试实验的具体方案  62-65
    6.2.1 总体的测试方案  62-63
    6.2.2 预定标准相位差的产生  63-64
    6.2.3 整小数一体化相位测量的数字化模块  64-65
    6.2.4 拟进行的相位测量验证实验  65
  6.3 验证实验的结果数据及误差分析  65-73
    6.3.1 小数相位测量验证实验  65-71
    6.3.2 整数相位测量验证实验  71-72
    6.3.3 实验总结及误差分析  72-73
  6.4 本章小结  73-75
第七章结束语  75-77
  7.1 全文工作总结  75-76
  7.2 研究展望  76-77
致谢  77-78
参考文献  78-83
作者在学期间取得的学术成果  83

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