基于雙光柵干涉的三維位移測量技術(shù)研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的不斷進(jìn)步，微電子制造工業(yè)、半導(dǎo)體制造工業(yè)等對位移測量技術(shù)的維度與精度要求也愈來愈高。超精密位移測量技術(shù)已成為測量領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)和現(xiàn)代工業(yè)中測量技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。其中，光柵位移測量技術(shù)以其高穩(wěn)定性、高分辨力、低成本的特點(diǎn)廣泛地應(yīng)用于各種超精密位移測量領(lǐng)域。目前，光柵位移測量技術(shù)得到廣泛研究，也有很多成果，但是仍存在測量維度不足，量程小的問題，因此研究一種具有多維度測量能力的高精度光柵位移測量系統(tǒng)具有重要

2、意義。
　　本文主要研究了一種基于雙光柵干涉的三維位移測量系統(tǒng)，通過結(jié)合雙光柵干涉原理，利用組合型透射掃描光柵和二維反射標(biāo)尺光柵對入射光進(jìn)行多次分光合光，實(shí)現(xiàn)了光柵平面內(nèi)X向和Y向的位移測量，以及結(jié)合經(jīng)典邁克爾遜干涉儀原理實(shí)現(xiàn)了垂直于光柵平面Z向的位移測量。
　　首先，本文基于嚴(yán)格耦合波矢量衍射理論建立了一維矩形光柵和二維矩形光柵的矢量衍射特性模型，對嚴(yán)格耦合波理論求解光柵衍射效率的過程進(jìn)行了推導(dǎo)，仿真分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)對光柵衍

3、射特性的影響，為后續(xù)設(shè)計(jì)符合測量系統(tǒng)要求的光柵結(jié)構(gòu)參數(shù)奠定理論基礎(chǔ)。
　　其次，介紹了測量系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)。基于雙光柵干涉原理完成了X向和Y向測量的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析了具體測量原理，并確定了掃描光柵和標(biāo)尺光柵的放置方式；基于邁克爾遜干涉儀原理完成了Z向測量的光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分析了具體測量原理；最終完成測量系統(tǒng)的整體光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并針對測量原理對光柵的衍射特性和結(jié)構(gòu)形式提出了要求；對X向、Y向和Z向測量干涉信號的形式進(jìn)行了分析，并對干涉

4、信號強(qiáng)度和位移之間的關(guān)系進(jìn)行了仿真，闡明了各方向的位移測量均實(shí)現(xiàn)了光學(xué)2細(xì)分，并且各方向之間的位移信息是獨(dú)立的，不存在耦合關(guān)系。
　　再次，完成了測量系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)?；谑噶垦苌淅碚摬⑨槍ο到y(tǒng)要求設(shè)計(jì)了掃描光柵和標(biāo)尺光柵的結(jié)構(gòu)參數(shù)，并根據(jù)掃描光柵的特殊結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)了掃描光柵和標(biāo)尺光柵的加工尺寸，以保證雙光柵能夠正常工作。為了實(shí)現(xiàn)對輸出干涉信號的采集，設(shè)計(jì)了光電檢測電路，并設(shè)計(jì)了信號調(diào)理電路，包括低通濾波電路，消除直流偏置電路

5、等，以消除干擾信號的影響。
　　最后，對加工的組合型透射掃描光柵和二維反射標(biāo)尺光柵的衍射特性進(jìn)行了測試，并將測試結(jié)果與理論設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行對比，分析了產(chǎn)生誤差的原因；搭建了實(shí)驗(yàn)平臺，完成了基于雙光柵干涉的三維位移測量系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測試，對測量系統(tǒng) X向、Y向和Z向的測量原理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，該位移測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)三個維度的位移測量，并且各方向的位移信息不耦合；X向、Y向和Z向均實(shí)現(xiàn)了光學(xué)2細(xì)分，不進(jìn)行電學(xué)細(xì)分時，X向和Y向的分辨力