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纳米光栅干涉位移测量关键技术的研究

作　者: 楚兴春
导　师: 吕海宝
学　校: 国防科学技术大学
专　业: 仪器科学与技术
关键词: 纳米光栅干涉术莫尔条纹位移测量细分
分类号: TH822
类　型: 博士论文
年　份: 2005年
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内容摘要

纳米测量技术是解决目前和未来许多高精度、高分辨率问题的先决条件之一,是整个纳米科技领域的先导和基础,是当前计量科学领域的重要课题。作为能够实现纳米级位移测量的技术之一,光栅干涉位移测量技术具有激光干涉仪不具备的独特优点,可以获得比几何莫尔术更高的测量准确度、更高的分辨率,在诸如微电子、超精加工、生物工程、未来医学、航天技术、材料科学等众多领域有广泛的应用前景。本文围绕纳米光栅干涉位移测量的关键技术进行了系统深入的研究,重点进行了测量理论、光路设计以及莫尔干涉条纹细分新方法等方面的研究。主要的研究内容和所取得的成果可归纳如下:1.基于标量衍射理论,建立了透射式光栅干涉仪光路的数学模型,分析了透射式光栅干涉仪的莫尔干涉条纹与光栅栅距、光栅开口比、光波波长、光斑尺寸、光束入射角等多个参数的关系。通过数值模拟,讨论了每个参数变化对莫尔干涉条纹的宽度、幅值、方向或对比度的影响。2.用矢量衍射理论对矩形光栅的衍射特性进行了分析。讨论了入射角、入射方位角、入射光波长、光栅栅距、介质折射率与矩形光栅衍射级次数目间的关系。对单色平面波和有限尺寸高斯光束入射矩形光栅时的衍射效率与光栅栅距、槽深、开口比和入射角等参数的关系进行了仿真计算。3.提出了基于保偏光纤耦合器的光栅干涉仪光路。该光路采用保偏光纤耦合器代替透射式光栅干涉仪中的分光镜和反射镜,克服了传统光路中采用分光镜和反射镜时分光比受光源光强波动和偏振态变化的影响,条纹对比度稳定;可消除光栅运动过程中的偏转和平移引入的测量误差,具有更强的抗干扰能力。4.首次提出了镜栅随动式光栅干涉仪光路。该光路中把光栅和反射镜作为一个整体同步移动,光栅的工作区域始终固定不变,从原理上克服了光栅长、短周期误差和均匀性误差对光栅干涉仪测量准确度的影响,在整个量程上不存在累积误差;突破了传统光栅干涉仪中量程由光栅长度决定的限制,用短光栅实现了大量程测量;实现了光栅干涉仪测量准确度与量程的分离,有望使光栅干涉仪的测量准确度进一步提高。5.首次提出了任意位相差条纹信号计数细分新方法,突破了传统细分法中条纹信号必须正交的限制,实现了对非正交信号的高倍数准确细分。通过对两路条纹信号交点的跟踪,实现了条纹信号周期的动态分段,保证了对非正交条纹信号细分的准确性;实现了条纹的浮动计数,克服了传统方法中采用信号过零点或设定固定阈值作为条纹信号计数判据的缺点。分析了细分倍数和ADC位数与该方法可以处理的条纹信号位相差极限的关系。模拟实验结果表明,采用10bit的ADC,就可对位相差在90°±77°范

全文目录

摘要  7-9
ABSTRACT  9-12
图表索引  12-16
专用术语与缩略词说明  16-17
第一章绪论  17-34
  1.1 研究背景、意义及课题来源  17-19
  1.2 纳米测量技术的现状及发展趋势  19-26
    1.2.1 纳米测量方法的种类与特点  19-24
    1.2.2 大量程纳米测量方法的比较  24-26
  1.3 光栅位移测量技术的现状和发展趋势  26-31
    1.3.1 大量程纳米级光栅位移测量系统的比较  27-30
    1.3.2 莫尔干涉条纹计数细分技术  30-31
  1.4 本文的主要研究内容与工作安排  31-34
第二章光栅干涉仪光路数学模型与分析  34-50
  2.1 光栅干涉仪的工作原理  34-36
  2.2 光栅干涉仪的标量数学模型  36-41
    2.2.1 矩形光栅的透射函数  36-37
    2.2.2 数学模型  37-41
  2.3 光路参数变化对莫尔干涉条纹影响的数值分析  41-48
    2.3.1 光栅栅距或开口比变化对条纹的影响  43-44
    2.3.2 光斑尺寸变化对条纹的影响  44-45
    2.3.3 光波波长变化对条纹的影响  45-47
    2.3.4 光束入射角变化对条纹的影响  47-48
  2.4 本章小结  48-50
第三章光栅衍射特性的矢量理论分析  50-68
  3.1 矢量衍射分析方法概述  50-52
  3.2 矩形光栅的衍射级次  52-55
  3.3 光栅衍射效率的严格耦合波分析  55-62
    3.3.1 严格耦合波理论  55-59
    3.3.2 矩形光栅衍射特性的数值分析  59-62
  3.4 有限尺寸高斯光束的衍射效率分析  62-67
    3.4.1 有限尺寸高斯光束的角谱分解  62-64
    3.4.2 矩形光栅对有限尺寸高斯光束的衍射效率分析  64-67
  3.5 本章小结  67-68
第四章大量程光栅干涉位移测量光路的设计  68-85
  4.1 典型光栅干涉仪光路概述  68-69
  4.2 光栅运动中的偏转和平移对条纹的影响  69-72
    4.2.1 光栅偏转对条纹的影响  69-71
    4.2.2 光栅法向平移对条纹的影响  71-72
  4.3 基于保偏光纤耦合器的光栅干涉仪光路设计  72-76
    4.3.1 基于保偏光纤耦合器的光栅干涉仪原理分析  73-74
    4.3.2 基于保偏光纤耦合器光栅干涉仪的特点及其它光路  74-76
  4.4 镜栅随动式光栅干涉仪的光路设计  76-83
    4.4.1 光栅对光栅干涉仪测量精度和量程的影响  76-78
    4.4.2 镜栅随动式光栅干涉仪光路  78-81
    4.4.3 镜栅随动式光栅干涉仪光路的原理实验与分析  81-83
  4.5 本章小结  83-85
第五章任意相位差条纹信号计数细分法  85-100
  5.1 概述  85-86
  5.2 任意相位差条纹信号的计数和细分  86-96
    5.2.1 任意相位差条纹信号细分原理  87-90
    5.2.2 条纹信号的计数  90-94
    5.2.3 计数值的修正与条纹位移的辨向  94-95
    5.2.4 可以正确处理的信号相位差极限  95-96
  5.3 任意相位差条纹信号计数细分法的实验验证  96-98
  5.4 任意相位差条纹信号计数细分法的讨论  98-99
  5.5 本章小结  99-100
第六章莫尔干涉条纹高精度细分新方法的研究  100-118
  6.1 条纹图的相位分布与细分  100-101
  6.2 条纹图相位提取方法的比较  101-106
    6.2.1 条纹跟踪法  102
    6.2.2 正则化法  102-103
    6.2.3 相移法  103-105
    6.2.4 傅里叶变换法  105-106
  6.3 能量泄漏对傅里叶变换法提取相位精度的影响  106-107
  6.4 条纹图整周期裁剪对提高傅里叶变换法精度的分析  107-110
  6.5 基于傅里叶变换时移特性的条纹细分新方法  110-112
  6.6 傅里叶变换条纹细分法的数值验证  112-116
    6.6.1 对理想条纹信号的细分  112-114
    6.6.2 对含有谐波的条纹信号的细分  114-115
    6.6.3 对含有噪声的高斯包络调制条纹信号的细分  115-116
  6.7 本章小结  116-118
第七章光栅干涉位移测量系统与实验研究  118-133
  7.1 系统总体方案  118-119
  7.2 任意相位差条纹信号计数细分模快的设计  119-121
  7.3 傅里叶变换条纹细分模块的设计  121-123
  7.4 基于任意相位差条纹信号细分法的系统比对实验  123-130
    7.4.1 软件细分倍数和准确度验证  123-124
    7.4.2 实验系统的静态测试  124-125
    7.4.3 系统比对实验  125-130
  7.5 基于傅里叶变换条纹细分法的系统比对实验  130-132
  7.6 本章小结  132-133
第八章结论与展望  133-136
  8.1 全文研究总结  133-135
  8.2 研究展望  135-136
致谢  136-137
参考文献  137-153
作者在攻读博士学位期间发表的论文及获得的成果  153-154

纳米光栅干涉位移测量关键技术的研究

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