激光单频偏振干涉直线度及位移同时测量技术研究

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1、ZSTUZhejiangSci-TechUniversity博士学位论文DoctoralDissertation中文论文题目:激光单频偏振干涉直线度及位移同时测量技术研究英文论文题目:Researchonsimultaneousmeasurementofstraightnessanddisplacementbasedonlaserhomodynepolarizationinterferometry学科专业：机械工程作者姓名：楼盈天指导教师：陈本永教授完成日期：2018年4月16日浙江理工大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成

2、果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人巳经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得浙江理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均巳在论文中作了明确的说明并表示谢意。卫今学位论文作者签名：寸曹id-久签字日期：凶/y年b月6日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解浙江理工大学有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江理工大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后

3、适用本授权书）学位论文作者签名：•位天签字日期：为8年L月b日导师签名：签字日期：浙江理工大学博士学位论文激光单频偏振干涉直线度及位移同时测量技术研究摘要直线度是表征各类高端装备中精密导轨或运动平台性能的重要几何参数，直线度的高精度测量是保证高端装备整体性能的先决条件。直线度测量技术属测试计量技术领域重要研究课题，可以用于超精密加工、微电子制造、微机电系统（MEMS）等领域的直线度误差检测与校准。随着我国供给侧结构性改革的不断深化，“加快发展先进制造业，加快建设制造业强国”制造业发展战略路线的不断推进，愈加突显测量仪器的作用与地位。然而，我国在新型精密测量技术及仪器领域与欧美日

4、等工业发达国家之间存在差距。本论文从国家对高端装备制造业需求出发，开展新型直线度与位移同时测量技术研究，提出了激光单频偏振干涉直线度及位移同时测量方法，利用非线性更具优势的激光单频干涉技术实现了高精度测量，建立直线度、位移以及转动误差六自由度参数同时测量数学模型，充分利用激光单频干涉技术高精度测量优点实现了4个自由度参数测量，依据直线度、位移以及转动误差耦合关系，实现了直线度及位移测量结果的补偿。论文详细研究了激光单频偏振干涉直线度及位移同时测量的方法及测量系统研制的相关技术。论文主要的研究工作和创新点如下：1、从直线度及位移测量的实际实现方法出发，深入分析直线度及位移测量模型

5、，从“共光路”结构与空气折射率影响方面进行光路分析与优化，提出了一种激光单频偏振干涉直线度及位移同时测量方法，通过激光单频偏振干涉技术解调两测量光束的位移信息，解决了直线度误差及其位置信息同时获取的技术问题，并利用其非线性优势实现了高精度测量。2、在激光单频偏振干涉直线度及位移同时测量光路的基础上，提出了一种直线度、位移以及转动误差六自由度参数同时测量方法，采用基于单频干涉条纹图分析的二维小角度测量方法检测俯仰角与偏摆角误差，结合准直测量方法检测滚转角与水平直线度误差，实现了六自由度参数同时测量；建立了直线度、位移及转动误差的六自由度参数同时测量数学模型，结合测量光束渥拉斯顿棱

6、镜内部光程分析，实现了对直线度及位移测量结果的准确补偿。3、提出了一种基于信号修正的激光单频偏振干涉信号处理方法，设计预处理、前置处理和相位延迟修正用于干涉信号修正，消除了直流偏置、振幅不一致以及相位非正交产生的相位测量影响，设计CORDIC小数计数方法，结合双路信号整数计数方法，实现了高精度的相位检测；提出了以中值滤波器、二值化、分离条纹、条纹直线拟合以及直线间距I浙江理工大学博士学位论文激光单频偏振干涉直线度及位移同时测量技术研究计算算法为核心的干涉条纹图像处理方法，实现了基于LabVIEW的干涉条纹图像处理程序；分析了四象限探测器差分电流信号与光斑位置坐标关系，对用于归一

7、化坐标与实际坐标之间转换参数k进行推导与仿真分析；最后给出了信号处理系统配套设计的软件系统，并对各个功能模块进行了说明。4、建立了激光单频偏振干涉直线度及位移同时测量非线性误差分析模型，理论研究和仿真分析了激光偏振态椭偏化、渥拉斯顿棱镜安装误差、直角反射棱镜偏摆角误差、四分之一波片安装误差以及偏振分光棱镜安装误差对直线度及位移测量影响；利用空气折射率间接测量方法（PTF法）实现了激光波长的修正，设计了测量装置环境扰动抑制方案，降低了外界环境干扰对实验测量的影响；结合最小二乘法与满足最小包容区