發(fā)布時間：2018-08-20 20:10

【摘要】：外差激光干涉儀是超精密工程與納米科技等領域中重要的位移檢測手段,外差激光干涉儀動態(tài)位移測量的校準是保證其動態(tài)位移測量精度、實現(xiàn)其溯源性和標準化的必要技術手段。隨著外差激光干涉儀動態(tài)位移測量精度和測量速度的不斷提高,迫切需要高精度、快速的外差激光干涉儀動態(tài)位移測量校準方法和技術。校準中余弦、阿貝和空氣折射率差異誤差,以及關鍵動態(tài)性能指標——數(shù)據(jù)延遲誤差如何校準,已成為實現(xiàn)外差激光干涉儀高精度、快速動態(tài)位移測量校準的瓶頸問題。本文為解決校準中的余弦、阿貝、空氣折射率差異誤差和數(shù)據(jù)延遲誤差如何校準問題,提出了一種基于共測量軌跡的外差激光干涉儀動態(tài)位移測量校準方法,以及基于該共測量軌跡校準的數(shù)據(jù)延遲誤差校準方法。具體研究內容如下:1、針對校準中的阿貝和空氣折射率差異誤差問題,提出了一種基于共測量軌跡的外差激光干涉儀動態(tài)位移測量校準方法。設計了共測量軌跡校準的標準干涉儀結構,使被校準干涉儀位移測量軸夾持在標準干涉儀四束平行測量光中間位置,實現(xiàn)相同位移測量方向、共測量軸和共測量點的干涉儀位移測量校準,在推導該標準干涉儀位移測量模型的基礎上,建立了該共測量軌跡校準方法的位移校準模型和空氣折射率差異誤差模型,通過分析所建立的模型,證明該校準方法能夠有效抑制校準中的阿貝和空氣折射率差異誤差。分析表明,10m位移范圍內,阿貝誤差小于2nm,空氣折射率差異誤差小于1nm。2、針對校準中的余弦誤差問題,提出了一種基于光束方向向量的光軸平行性調節(jié)方法。設計了光束方向向量檢測的雙光斑位置探測單元和光束方向向量調節(jié)的雙光楔鏡組裝置,建立了相應的光束方向向量測量模型和光束方向向量調節(jié)模型,在獲得光束方向向量的基礎上,可無耦合地兩維旋轉調節(jié)光束方向至目標方向,實現(xiàn)了光軸平行性的精密調節(jié),在抑制校準中余弦誤差的同時,還為校準中阿貝和空氣折射率差異誤差的抑制提供了技術保證。分析表明,該方法能夠實現(xiàn)2"的光軸平行性調節(jié),可使10m位移范圍內余弦誤差小于0.1nm。3、針對如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)延遲誤差校準問題,提出了基于共測量軌跡校準的數(shù)據(jù)延遲誤差校準方法。通過分析干涉儀位移測量的數(shù)據(jù)延遲誤差模型,提出并研究了數(shù)據(jù)延遲誤差的校準模型,按照該模型原理,利用加速過程中瞬時校準結果的差值變化,在共測量軌跡校準前提下,實現(xiàn)了干涉儀測量分辨力量級的數(shù)據(jù)延遲誤差校準,為今后干涉儀數(shù)據(jù)延遲誤差校準的深入研究提供了必要的鋪墊。實驗結果表明,數(shù)據(jù)延遲誤差的校準精度優(yōu)于3nm,數(shù)據(jù)延遲時間的校準精度優(yōu)于5ns。在上述研究的基礎上,搭建基于共測量軌跡的外差激光干涉儀動態(tài)位移測量校準系統(tǒng)。對光軸平行性調節(jié)方法進行了實驗驗證,實驗結果表明,光束方向的檢測精度為1",調節(jié)精度為2",滿足光軸平行性2"的調節(jié)要求。對所建立的空氣折射率差異誤差和位移校準模型進行了實驗驗證,證明了該共測量軌跡校準方法能夠有效抑制校準中的空氣折射率差異誤差、阿貝和余弦誤差。實驗結果表明,10m位移范圍內,空氣折射率差異誤差的模型值相對于實驗值有13%的偏差,由此偏差關系可得,實際空氣折射率差異誤差小于1.2nm;阿貝和余弦誤差各自模型值相對于實驗值的偏差均為被校準干涉儀波長穩(wěn)定度2×10-9;該共測量軌跡位移測量校準方法的校準重復性優(yōu)于20nm。
[Abstract]:Heterodyne laser interferometer is an important displacement measurement method in the fields of ultra-precision engineering and nanotechnology. The calibration of dynamic displacement measurement of heterodyne laser interferometer is a necessary technical means to ensure its dynamic displacement measurement accuracy and realize its traceability and standardization. With the development of heterodyne laser interferometer, there is an urgent need for high precision and fast dynamic displacement measurement and calibration methods and techniques. In order to solve the calibration problems of cosine, Abbe, air refractive index difference error and data delay error in calibration, a method of dynamic displacement measurement and calibration of heterodyne laser interferometer based on common measurement trajectory is proposed in this paper. The method of data delay error calibration based on common measurement trajectory is also presented. The main research contents are as follows: 1. Aiming at the problem of Abbe and air refractive index difference error in calibration, a method of dynamic displacement measurement and calibration of heterodyne laser interferometer based on common measuring trajectory is proposed. Based on the displacement measurement model of the standard interferometer, the displacement calibration model of the common measurement trajectory calibration method and the error model of the air refractive index difference are established. The model is established by analysis. The results show that Abbe error is less than 2 nm and air refractive index difference error is less than 1 nm.2 in the range of 10 m displacement. A dual-spot position detection unit for beam direction vector detection and a double-wedge mirror assembly with beam direction vector adjustment are set up. The corresponding beam direction vector measurement model and beam direction vector adjustment model are established. On the basis of obtaining beam direction vector, the beam direction can be adjusted to the target direction by two-dimensional rotation without coupling. The precise adjustment of optical axis parallelism can not only suppress the cosine error in calibration, but also provide a technical guarantee to suppress the difference of refractive index between Abbe and air in calibration. The analysis shows that this method can realize 2 "optical axis parallelism adjustment, and make the cosine error less than 0.1 nm.3 in the range of 10 m displacement. In this paper, a method of data delay error calibration based on common measurement trajectory calibration is proposed. By analyzing the data delay error model of interferometer displacement measurement, a calibration model of data delay error is proposed and studied. According to the principle of the model, the difference of instantaneous calibration results during acceleration is used to calibrate the common measurement trajectory. On the premise of calibration, the data delay error calibration of the resolution level of the interferometer is realized, which provides a necessary foundation for the further study of the data delay error calibration of the interferometer. The experimental results show that the calibration accuracy of the data delay error is better than 3 nm, and the calibration accuracy of the data delay time is better than 5 ns. A dynamic displacement measurement and calibration system of heterodyne laser interferometer based on common measuring trajectory is established. The method of adjusting the optical axis parallelism is experimentally verified. The experimental results show that the detection accuracy of the beam direction is 1 ", the adjusting accuracy is 2" and the adjustment requirement of the optical axis parallelism is satisfied. The model is validated by experiments, which proves that the method can effectively suppress the air refractive index difference error, Abbe and cosine error in calibration. The experimental results show that the model value of air refractive index difference error is 13% deviated from the experimental value in the range of 10 m displacement, and the deviation relation can be obtained. The error of emissivity difference is less than 1.2 nm; the deviations of Abbe and cosine errors from the experimental values are 2 *10-9 for the wavelength stability of the calibrated interferometer; the calibration repeatability of the proposed method is better than 20 nm.
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TH744.3

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本文編號：2194852