干涉测量的误差分析与并联机床的准确度测量

对雷尼绍激光干涉仪的线性测量原理进行了详细探讨,分析了干涉仪在线性测量中的主要影响因素和误差诱因;作出了线性测量的准直误差特性曲线和阿贝误差特性曲面,并利用最小二乘法拟合得到了干涉仪准直测量误差的数学模型和沿u、v方向离散的阿贝误差特性曲线方程;给出了一种建立误差数学模型的方法.采用激光干涉仪检测了并联数控机床直线轴的运动准确度,并提出了一种适合于并联机床直线轴定位准确度测量的干涉测量方法.     

光谱稳定性对直接探测多普勒测风激光雷达的影响研究

从种子注入固体激光器的不稳定和多普勒频移检测干涉仪的光谱漂移出发,模拟和分析其对基于双边缘探测技术的直接探测多普勒激光雷达风速测量准确度的影响. 模拟结果显示,在5 min积分时间的30 000个脉冲内,如果达到风速准确度1 m/s,要求激光器出现多纵模的脉冲不能超过总脉冲个数的0.06％.在干涉仪光谱稳定方面,使用两级温控可以将干涉仪温度控制在±0.002℃,对应风速误差为±0.226 m/s.同时提出通过监视种子注入过程中的脉冲建立时间和干涉仪温度,可以在数据反演时,消除激光频率跳动和干涉仪光谱漂移对风速测量准确度的影响.     

单频偏振激光干涉仪中波片对非线性误差的影响

研究了用于纳米测量的激光干涉仪中光学波片对非线性误差的影响,基于琼斯矩阵理论建立了多波片的误差分析模型,分析了λ/2和λ/4波片引起的干涉仪非线性误差,对波片位置引起的非线性误差进行了实验研究.结果表明,波片位置调整精度对干涉仪测量影响巨大,在0～5°范围内,λ/2波片和λ/4波片引起的非线性误差分别为6.5 nm和9...     

菲索干涉仪中精确移相的实现

为了实现移相式菲索干涉仪对光学元件面形的高精度测量,建立了干涉仪同步采集移相系统,并对精确移相方法进行了研究。介绍了移相系统的构成和工作原理,计算了测量过程中移相器的速度。针对PZT移相器在移相过程中会引入离焦误差,并存在加速段和减速段的问题,详细设计了移相器的行进过程。最后,对移相器的性能进行了标定。在改造后的干涉仪上开展了重复性验证实验,结果表明：干涉仪可以获得λ/11 340的RMS测量重复性。对改造后干涉仪与Zygo公司生产的Verifire XP/D干涉仪的测量精度做了比对实验,结果显示：相同元件下两者测量结果的面形RMS之差约为0.9 nm,表明提出的移相系统及移相方法在重复性和准确度方面都能满足纳米级面形测量的要求,为研制高精度移相干涉仪奠定了基础。     

纳米压印多孔硅模板的研究

纳米压印模板通常采用极紫外光刻、聚焦离子束光刻和电子束光刻等传统光刻技术制备,成本较高.寻找一种简单、低成本的纳米压印模板制备方法以提升纳米压印光刻技术的应用成为研究的重点与难点.本文以多孔氧化铝为母模板,采用纳米压印光刻技术对纳米多孔硅模板的制备进行了研究.在硅基表面成功制备出纳米多孔阵列结构,孔间距为350—560 nm,孔径在170—480 nm,孔深为200 nm.在激发波长为514 nm时,拉曼光谱的测试结果表明,相对于单面抛光的硅片,纳米多孔结构的硅模板拉曼光强有了约12倍左右的提升,对提升硅基光电器件的应用具有重要的意义.最后,利用多孔硅模板作为纳米压印母模板,通过热压印技术,成功制备出了聚合物纳米柱软模板.     

集成聚焦式测头的纳米测量机用于台阶高度标准的评价

利用集成聚焦式测头的纳米测量机实现了高精度的台阶高度标准评价,该系统的测量范围可以达到25mm×25mm×5mm.描述了纳米测量机的工作原理,通过内嵌激光干涉仪和角度传感器的实时测量与反馈,实现高精度定位与扫描.聚焦式测头只作为零点传感器,与3个激光轴交于一点,避免了阿贝误差影响.通过将聚焦式测头的输出信号引入到纳米测量机的数字信号控制器中,实现定位系统的辅助测量,减小了聚焦式测头的非线性对测量结果的影响.根据ISO 5436-1:2000的评价方法对经过标定的台阶高度进行评价,14次测量的均方根(RMS)偏差为0.237nm.     

曲率半径干涉测量定焦误差分析

为了提高曲率半径定焦准确度,从移相干涉仪,标准镜头透射波前误差,被测光学元件表面面形误差及调整误差等方面出发,分析影响干涉仪定焦准确度的各因素,并给出各误差补偿表达式.通过对比实验发现,在猫眼及共焦位置处调整误差补偿后,离焦量及曲率半径测量结果的变化趋势由近似线性变为随机变化,同时由离焦量引入的曲率半径变化量由7.05μm减小为0.5μm.在曲率半径干涉测量中,调整误差为影响定焦准确度的主要误差源,调节调整误差可有效控制离焦量的变化,提高曲率半径测量准确度.     

激光双频率外差法精密位移测量研究

基于激光干涉的测量技术目前已在观测测量中被广泛应用,测量设备也向着便携化、智能化和集成化的方向发展。目前的激光干涉测量设备大多是利用迈克尔逊干涉仪的原理,然而,该方法通常是将干涉信息在空间域上进行处理,对实验平台搭建和测量环境的要求也较为苛刻,在工业生产环境中运用时易受工业设备位移时产生的高频震动影响。因此,提出一种基于激光双外差干涉的位移量精密测量系统,利用两组激光外差信号来构成两组干涉仪,探测器接收到回波拍频信号后进行时间域的平均与频域解调,提高测量系统的鲁棒性,使得测量系统的准确度达到0.01 mm。     

HL-2M 装置 CO2 色散干涉仪研制

研制了一套新型 CO₂ 激光色散干涉仪用于 HL-2M 装置初始放电期间的电子密度测量。该系统采用 基于激光倍频的色散测量原理,能够消除机械振动产生的相位误差。该系统使用全新的调相式信号调制,研发了 相应的数据采集/处理/上传系统。根据实验测量结果表明,CO₂ 激光色散干涉仪和微波干涉仪测量曲线基本一致, 色散干涉仪系统的测量精度约为 2×10¹⁷m⁻³,密度测量上限能达到 10²¹m⁻³。     

压印光刻中的两步对正技术

压印光刻中套刻需要粗、精两级对正.实验采用一对斜纹结构光栅作为对正标记.利用物镜组观察光栅标记图像的边界特征进行粗对正,其准确度在精对正信号的捕捉范围内；利用光电接收器件阵列组合接收光栅莫尔信号，在莫尔信号的线区进行精对正.由于线性区的斜率大, 精对正过程中得到相应x,y方向的对正误差信号灵敏度高,利用高灵敏度对正误差信号作为控制系统的驱动信号,对承片台进行驱动定位,实现精对正.最终使X,Y方向上的重复对正准确度分别达到了± 21 nm(± 3σ)和±24 nm(± 3σ).     

可调波长半导体激光法布里-珀罗干涉仪

为了对激光十涉仪、高精度位移传感器等测量系统进行纳米级精度的非线性误差校准,需进一步提高中国计量科学研究院与清华大学合作研制的差拍F-P 干涉仪的线性度、稳定性及测量范围.在合理分析空气折射率变化及He-Ne激光器纵模调谐范围等因素对测量的影响基础上,设计并制作了密封干涉光路的真宅系统,并用调谐范围较大的半导体激光器作为工作激光器.实验结果表明,系统在大于1/4波长的行程范围内的线性度有明显的提高,最大非线性误差由8.93 nm减小至1.19 nm.     

基于重采样技术的调频连续波激光绝对测距高精度及快速测量方法研究

调频连续波激光测距方法可以实现高精度的大尺寸绝对距离测量, 且测量过程无需合作目标, 在大空间坐标精密测量领域有很高的研究价值. 而如何提高测量分辨率和实用化一直是近年来调频连续波激光绝对测距研究的热点. 本文研究了调频连续波激光测距的原理, 基于双光路调频连续波激光测距系统, 提出了通过信号拼接提高测量分辨率的信号处理优化方案, 该方案可以提高测距分辨率, 且可以降低对激光器的性能要求; 提出了可实现高速测量的简易测量方法. 设计加工了双光路光纤调频连续波激光测距系统, 利用该系统进行了测距分辨率及测距误差标定实验, 实验结果表明: 优化方案可以有效地提高测量分辨率和测量效率, 在26 m测量范围内, 测距分辨率达到了50 μm, 测距误差不超过100 μm; 快速测量方案有较高实用价值.     

Two-wavelength sinusoidal phase-modulating interferometer for nanometer accuracy measurement

A two-wavelength sinusoidal phase-modulating(SPM) laser diode(LD) interferometer for nanometer accuracy measurement is proposed.To eliminate the error caused by the intensity modulation,the SPM depth of the interference signal is chosen appropriately by varying the amplitude of the modulation current periodically. Then,the refine theory is induced to the measurement,and the two-wavelength interferometer (TWI) is combined with the single-wavelength LD interferometric technique to realize static displacement measurement with nanometer accuracy.Experimental results indicate that a static displacement measurement accuracy of 5 nm can be achieved over a range of 200μm.     

基于合成波长法的飞秒激光外差干涉测距方法

本文提出了一种基于合成波长法的飞秒激光外差干涉测距方法.系统采用两个带通滤波器产生两个具有一定波长差的单波长,用于产生合成波长.本方法结构简单,能量利用率高.与双频激光干涉仪在40 mm范围内的比对结果表明,该方法比对残差的标准差为91 nm.     

基于F-P腔法的纳米精度非线性误差校准系统研究

为了研究可用于纳米、亚纳米精度的非线性误差校准系统,采用差拍F-P干涉法,在中国计量科学研究院研制的差拍F-P干涉仪基础上,设计并制作了适用于该系统的密封干涉光路的真空系统。通过与电容式测微仪的比对实验,证明了系统的抗干扰能力得到了改善,在大于半波长的测量范围内,系统的非线性度优于3.86nm。     

Real-time micro-vibration measurement in sinusoidal phase-modulating interferometry

As there exist some problems with the previous laser diode (LD) real-time microvibration measurement interferometers, such as low accuracy, correction before every use, etc., in this paper, we propose a new technique to realize the real-time microvibration measurement by using the LD sinusoidal phase-modulating interferometer, analyze the measurement theory and error, and simulate the measurement accuracy. This interferometer utilizes a circuit to process the interference signal in order to obtain the vibration frequency and amplitude of the detective signal, and a computer is not necessary in it. The influence of the varying light intensity and light path difference on the measurement result can be eliminated. This technique is real-time, convenient, fast, and can enhance the measurement accuracy too. Experiments show that the repeatable measurement accuracy is less than 3.37 nm, and this interferometer can be applied to real-time microvibration measurement of the MEMS.     

基于法布里-珀罗干涉仪的液体浓度实时检测系统的研究

设计了一种对透明液体浓度进行高精度测量的动态跟踪系统。该系统根据液体的浓度与折射率关系以及折射率与光纤法布里珀罗(F-P)干涉仪干涉光波波长、级次之间关系,通过测量法布里珀罗干涉仪干涉级次的变化量,获得液体浓度的变化量。系统中光源选用He-Ne激光器,波长为632.8 nm,输出功率为2 mW,法布里珀罗干涉腔反射面的反射系数为0.9~0.95,平行度为(1/10~1/20)光波波长,平面度为(1/20~1/100)光波波长,接收干涉条纹的器件采用电荷耦合器件(CCD),对电荷耦合器件输出的信号进行二值化处理时采用阈值浮动措施,消除光强波动带来的测量误差。通过对一组不同浓度酒精进行测量,该系统可识别出0.01?的浓度变化。     

Fiber-optic Based Scanning Confocal Microscopic Interferometer for the Measurement of Surface Topography

A fiber-optic based scanning confocal microscopic interferometer with digital feedback is developed for the precise measurement of the surface topography on a large-scale object of complex shape with steep surface slopes. Theoretical analysis on interference formation demonstrates the confocal characteristic of the proposed interferometer along its measurement path. Experimental results confirm the spatial resolution of the measuring system to be within 1 μm and the measurement accuracy to be better than 5 nm.     

Fiber-optic Based Scanning Confocal Microscopic Interferometer for the Measurement of Surface Topography

1　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　　Ｔｈｅｒｅｉｓａｎｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｆｏｒｔｈｅｐｒｅｃｉｓｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｏｎｌａｒｇｅ ｓｃａｌｅｏｂｊｅｃｔｓｏｆｃｏｍｐｌｅｘｓｈａｐｅｗｉｔｈｓｔｅｅｐｓｕｒｆａｃｅｓｌｏｐｅｓ .Ｔｈｅｓｔｙｌｕｓｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｉｓｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄａｓｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｍｅｔｈｏｄ ,ｂｕｔｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔａｃｃｕｒａｃｙｉｓｌｉｍｉｔｅｄｄｕｅｔｏｉｔｓｃｏｎ…     

Measurement Accuracy in Phase-Shifting Point Diffraction Interferometer with Two Optical Fibers

A phase-shifting point diffraction interferometer (PS/PDI) with point sources of two single mode optical fibers has been developed, which will be appropriate for the surface figure measurement of large aperture optics on a sub-nanometer scale. To reduce the measurement error factors, a fiber optic plate (FOP) is used as a projection plane for interference pattern. Errors caused by imperfection of optical alignment, such as position of point sources and tilt of FOP, are minimized by analyzing the measured phase data with an original method. Measurement accuracy in the PS/ PDI is estimated with the interference pattern produced by the two optical fiber sources. If inhomogeneity of the FOP and a systematic error of the PS/PDI are eliminated, the measurement accuracy of the present system is estimated to be less than 4nm P-V and 0.7nm rms, respectively, at a measurement wavelength of 632.8 nm.