基于光楔姿态与条纹分析的多自由度运动误差测量方法

现代精密测量与加工中,工作台运动误差的测量十分重要。运用光楔姿态的改变导致光程与光束方向变化，从而改变相干光干涉条纹的相移与形状的方法，实现工作台运动误差的测量。本项目充分利用干涉条纹的相移与形状信息，通过对干涉条纹相移与形状（形状包括干涉条纹的宽度与方向）的分析，在获取光楔姿态的同时，获取光楔所在工作台的相关自由度运动误差。本项目将首先应用空间矢量分析法，建立光楔姿态与光束方向、光程之间的理论模型；然后应用光波干涉理论，推导相干光束干涉条纹形状与光束方向的关系模型；最后采用电光调制器（EOM）调制的方法，设计相应的测量方案，并应用四象限探测器实现条纹形状与相位差的提取。由于在一个干涉仪上就实现了条纹形状识别与相移计算,且它们都具有干涉量级的灵敏度，因而该方法能实现多自由度的同步测量。特别适用于对工作台角偏、跳动量或导轨运动直线度等误差的测量，在微纳米测量与加工中具有重要意义。

在精密测量与精密加工中，对工作台的姿态偏转等误差的检测与补偿，对测量与加工精度的提高，具有重要的意义。基于此，本文根据光学元件姿态的变化，引起光束方向与相位变化的关系，提出一种基于干涉理论的针对工作台姿态误差测量的光学方法，并设计一套满足测量要求的光学系统。研究内容主要包括：（1）建立了干涉测量的理论模型，采用向量公式推导了光楔姿态与光程差、干涉条纹形状之间的关系，对4o光楔角用matlab程序进行了仿真运算。计算结果表明：在一定的光楔姿态变化范围内，光程差、干涉条纹形状只与光楔跳动量与滚摆角相关，受光楔其他自由度的影响小；（2）设计了用于调制的压电微位移器PZT的线性驱动电路；保证压电微位移器的匀速运动，以利于后续干涉条纹信号的处理，这种积分电路免除了常规采用D/A驱动方法，难以保证高速采样与驱动同步的问题，同时降低了成本与系统复杂度。（3）对条纹信号的理论计算与处理方法。建立了四象限光电管接收条纹的相位差与条纹形状之间的理论关系，设计了条纹形状识别的处理方法。（4）设计了一种针对半导体激光器温度控制与检测的方法。当外界的温度发生改变时，激光器的输出波长会发生改变，出现了干涉条纹不清晰的现象。针对此提出了对激光器进行温度控制的一种方法。采用半导体制冷器TEC作为控温执行元件，设计了对半导体激光器进行控制的温控装置。利用负温度系数的热敏电阻作为温度测量器件，采用RC滤波电路和热敏电阻提出了一种基于相差识别的温度检测方法，基于Quartus Ⅱ开发平台利用Verilog HDL设计了计数模块。实验证明：该系统的温度稳定精度达到0.1℃，提高了干涉条纹信号的质量。（5）提出了一种无回馈的干涉多自由度测量结构。提出了利用三反射镜三次反射干涉的方法，设计了一种无回馈的干涉多自由度测量方法。充分利用条纹形状与条纹运动相结合判断技术，实现2个偏转角度与一个直线位移三个参量的测量，所设计的结构简单实用。