基于光栅干涉相位扫描的虚拟亚纳米光栅尺超精密定位检测与控制方法的理论与实验研究

Ultra precision measuring for displacement is the core technology of ultra precision positioning system and is applied in almost all hi-tech fields. The research orientation is leaded to sub-nanometer resolution measuring field and the research production will reflect greatly to the whole technology power of a country..The phase moving method for displacement measuring is suggested in this subject. The principle of it is acquiring the sub-nanometer placement signals by moving the receiving position of the sensor that transfers the grating signal to electronic signal. Basing on the phase moving method, virtual grating with sub-nanometer resolution power is presented aiming at close-loop positioning control system. Its principle is acquiring the sub-nanometer placement signals built-in direction information by multi-moving the receiving position of the sensor. Based on the grating phase moving method, the virtual grating control theory system is developed. Many experiments will be done to verified the new theory and the resolution of the displacement measuring is expected to achieving to 0.1nm by using the new methods..Comparing with the traditional measuring methods, the developed displacement measuring system gets the ability of sub-nanometer resolution by grating interferometer with micrometer resolution power instead of relying on the physical accuracy of the reference elements. The virtual grating method is an active one that different from the traditional passive measuring method. Therefore, the developed measuring system have great value and profound significance in both theoretical and application fields.

超精密位移检测是超精密定位系统的核心技术，应用涉及几乎所有高技术领域，正向亚纳米级测量分辨率快速发展，研究成果能体现国家的综合科技实力。.项目提出基于光栅干涉相移的位移检测方法，通过对微米测量分辨率光栅干涉信号相位的移动，获得亚纳米级分辨率的测量信号，在此基础上，面向纳米定位闭环反馈控制，提出虚拟亚纳米光栅尺的概念，通过多次移动扫描，主动获取亚纳米分辨率双向位移反馈信号。通过理论分析建立系统模型，构建基于光栅干涉相位移动扫描检测的虚拟亚纳米光栅尺定位控制理论体系，通过实验进行验证，获得0.1nm位移分辨率的检测结果。.项目研究的检测方法与传统的直接利用测量元件自身物理精度进行测量的检测方式相比，可利用微米级分辨率的测量元件实现亚纳米级分辨率的位移检测，虚拟亚纳米光栅尺的检测方式也不同于传统的被动位移检测，是一种主动检测方法，具有重要的理论价值和实际意义。

超精密位移检测是超精密定位系统的核心技术，目前，位移检测分辨率正在向亚纳米拓展。利用光栅进行位置测量，使用和维护方便、环境因素影响小，是超精密位置检测的理想传感器，目前提高光栅测量分辨率的方法是通过各种手段，对光栅信号进行细分，要达到亚纳米级分辨率，其细分倍数高达104以上，这对原始光栅信号的要求极为苛刻，受到光栅制作质量的限制，高倍率细分方法在实际应用中存在很大难度。. 目前，超精密位移测量分辨率完全、直接依赖于检测元件的物理精度，这给进一步提高检测分辨率带来了极大的挑战。.本项目开展了光栅干涉仪超精密位移检测方面的研究，提出了虚拟亚纳米光栅尺的概念，这是一种通过改变光栅干涉仪中传感器的接收相位，获得亚纳米级测量分辨率的超精密位移测量新方法：通过调整光路，使检测视场中出现两条干涉条纹，理论上，条纹的0°—360°相位信号被均匀地分布在这两条条纹之间，若改变光电接收器的位置，即改变了光栅干涉条纹的接收相位。如果用微米级的相位移动，即可以获得亚纳米级的位移检测分辨率。. 对上述单次相移的位移检测方法的测量控制机理进行了研究，建立了相应的原理模型；进一步提出了光栅干涉仪多次连续相移的超精密位移检测方法并进行了理论研究，依据该方法，可以获得连续的、分辨率更高的检测脉冲信号，即虚拟光栅尺信号，可实现更高分辨率的测量；提出了虚拟亚纳米光栅尺的两种控制结构及控制算法，即主动跟随和循环扫描控制结构，进行了建模和相关的仿真分析；完成了单次相移位移测量实验、虚拟光栅尺主动跟随移动位移测量实验、虚拟光栅尺循环扫描位移检测实验等大量实验工作，并进行了误差分析。. 理论仿真和实验结果证明了：提出的虚拟亚纳米光栅尺超精密位移检测方法的有效性，其位移测量分辨率可以达到亚纳米以上。.项目提出的虚拟光栅尺位移检测方法，突破了位移检测分辨率受检测元件物理参考尺寸的限制，利用微米级分辨率的测量元件实现了亚纳米级分辨率的位移检测，虚拟亚纳米光栅尺的检测方式也不同于传统的被动位移检测，是一种主动检测方法，具有重大的科学意义和实际价值。