移频式全息光栅曝光干涉条纹锁定系统的设计

建立了移频式全息光栅曝光干涉条纹锁定系统以提高全息光栅槽型对比度并降低由外部环境造成的曝光干涉条纹相位移动。根据系统的组成原理,分析了相位测量系统中莫尔条纹的产生条件及其与干涉条纹相位变化的关系,给出了探测器的选择方法。根据系统精度要求计算了A/D转换位数,自行设计了数字控制系统。提出采用光束移频方法来调整条纹相位,应用声光调制器对干涉条纹移动进行实时校正。实验结果表明,该系统采样频率可以达到5kHz,对干涉条纹漂移和10Hz以下的低频振动都有较好的抑制作用,相位变化3σ值小于0.12rad,即相位变化小于±0.02个干涉条纹周期。该系统可以实时有效地锁定曝光干涉条纹,较好地满足全息曝光的要求。     

零差移频式干涉图形相位锁定系统的超精密控制

利用全息曝光法制造大口径全息平面光栅时,常引入零差移频式干涉图形相位锁定系统来提高全息曝光质量。本文针对直接影响最终干涉曝光精度的系统控制精度开展研究。首先,介绍了新型的零差移频式干涉图形锁定系统的原理和结构,在系统理论建模及模型辨识的基础上,针对非线性系统模型进行了高阶线性化拟合,并结合系统振动测试实验结果,设计了系统控制器。然后,对设计的控制器进行了实际控制调试,实现了系统的超精密控制。最后,针对系统控制误差纹波,采用频域分析方法揭示了影响系统控制精度的主要因素,提出了未来提升系统控制精度的方法。测试结果显示:系统相位锁定控制精度可达±0.046 1rad(3σ)且以高频误差纹波形式呈现。分析了高频误差纹波的成因,指出受系统噪声、延迟、控制器参数等因素限制,控制器很难完全抑制频段跨度大而连续的高频微振动引起的干涉图形相位漂移。     

恒光强扫描干涉光刻条纹锁定系统设计

为提高扫描干涉光刻机的加工效率和加工精度、扩大加工范围、降低维护成本,提出了一种可实现干涉条纹周期、方向和相位同步实时调节控制的扫描干涉光刻机系统方案,并着重介绍了最为关键的恒光强干涉条纹相位锁定系统的设计.首先,介绍了扫描干涉光刻中干涉条纹周期、方向和相位同步实时调节控制的扫描干涉光刻机系统原理方案,并设计实现了恒光...     

用于瞬态微观轮廓检测的 Mirau 偏振干涉显微镜

基于PZT移相的传统Mirau干涉显微镜存在采样时间间隔长、易受外界环境扰动影响以及对比度不可调等问题,提出了用于瞬态微观轮廓检测的Mirau偏振干涉显微镜。系统利用线栅偏振片作为偏振分束器,实现偏振分光和条纹对比度的可调,以满足不同反射率被测对象的检测需求;利用偏振相机瞬时获取四幅偏振相移干涉图,可有效降低外界环境扰动影响。对系统采用的偏振元件进行了建模分析,得到实际的偏振像差分布,并将其作为系统误差予以剔除。同时针对偏振相机存在的视场误差,研究了基于相位插值的视场误差校正方法。通过分析系统中各个器件特性对测量结果精度的影响,提出相应的误差校正方法。对所提出的Mirau偏振干涉显微镜的精度和可行性进行了实验论证,实验结果表明,其测量精度优于1/100λ,重复性精度优于0.1 nm。该测量系统具有对比度可调、瞬态测量以及结构紧凑等优点,为各类元件表面微观轮廓以及微小结构的在线检测提供了一种可行方法。     

光纤光梳温度反馈控制方法研究

为了解决光学频率梳长时锁定困难的问题,对光学频率梳重复频率(f_r)与载波相位偏移频率(f₀)的控制方法进行了改进。采用上、下两块半导体制冷片(TEC)对振荡器局部环境进行温度控制,并微调TEC温度将f_r与f₀漂移量分别稳定在10 Hz和600 Hz以内。利用锁相电路反馈控制有效腔长和泵浦光功率对f_r与f₀进行了精密锁定。光学频率梳在170 h时间内连续锁定,f_r与f₀抖动标准偏差分别为0.83 MHz和280 MHz。结果表明,该方法可以实现光学频率梳的长时锁定,增强其环境适应能力。     

微悬臂振动干涉测量非正交信号的处理算法

设计了干涉条纹形状对悬臂角度变化不敏感的干涉光路系统,针对实际干涉条纹光电转换信号的特点,提出了对难以保证正交化的两路信号进行实时椭圆拟合的方法。应用椭圆拟合及换算参数的结果,推导了干涉条纹相位变化的理论公式。最后,根据相位量与振动位移量的关系,以及振动位移连续性的特点,通过直接解包裹的衔接算法,得到了最终振动位移量。实验表明,该方法在保证足够采样频率的条件下,无需额外硬件计数电路,就能完成微悬臂振动位移的干涉量级精度的测量。     

一种新型的全光纤速度干涉仪实验研究

全光纤可测量任意反射面的速度干涉仪,对强动载下的界面运动速度测量具有重要意义.基于传统光纤速度干涉仪的特点,设计了一种新型全光纤速度测量系统.该系统不仅能消除延迟线圈的分布式相位调制噪声,还能得到高条纹对比度的干涉信号.采用偏振分束器替代耦合器,应用琼斯矩阵法分析推导了偏振分束器能够消除系统中的非相干光束原理.振动台表面速度测量的实验结果表明,该系统能得到89.1％条纹对比度的干涉信号,大幅提高系统信号噪声比,并且相比Levin结构的传统干涉仪能抑制延迟光纤线圈的相位噪声超过30 dB.     

干涉测量低频水下声源频率的改进算法

为了实现低频段水下发生目标频率的准确识别,搭建了一套激光干涉测量系统。在相位生成载波解调技术的基础上,提出了一种改进的基于相位生成载波反正切算法的解调方式。在光学暗室下利用分立光学元件搭建了一套干涉实验系统,在参考光路引入水面波动作为高频载波,利用水表面漫反射的主反光与参考光干涉获得干涉信号。以相位生成载波解调技术的反正切算法为基础,引入高频载波信号的一倍和二倍正弦混频。通过功率比较的算法在两组正交信号当中筛选功率较强的一组进行解调,避免了载波初相位导致的正交信号消隐引起的解调失真。最后,在模拟的低频大幅度海浪扰动情况下进行了探测实验,取得了良好的解调效果。实验结果表明:水下声源的低频探测下限约为30 Hz;100Hz以上频段的频率探测精度优于1Hz。改进的反正切解调算法能够避免解调失真,具有很强的抗干扰能力。     

应用复Morlet小波变换分析条纹图相位

针对在使用干涉、Moiré偏折等方法进行流场高速动态测量时条纹图中大量无效数据对计算结果的影响,提出了一种基于连续小波变换的条纹图相位分析方法.利用小波变换的瞬时条纹频率分析能力,选用复Morlet小波及合适的小波参数,使得条纹图的小波变换模极大值与其调制度系数成正比,将其作为加权最小二乘法相位展开算法的权值,保证了相位有效展开.使用曲线拟合进行小波变换脊定位,缩短了定位时间并消除了噪声干扰.仿真实验显示,使用该方法得到的分析结果与实际相位值的相对误差小于0.01％;内波流场测量实验显示,使用该方法进行条纹图分析,密度梯度测量精度达到了5×10-6g/cm4.结果表明,用该方法进行条纹图相位分析可以有效消除无效数据对结果的不利影响,相位展开有效可靠,分析结果精度高.     

扫描干涉光刻机的超精密移相锁定系统

扫描干涉光刻机移相锁定是实现大面积高精度全息光栅曝光拼接的关键之一。为了实现大面积高精度全息光栅高精度曝光拼接,针对扫描干涉光刻机步进扫描拼接轨迹,重点开展了移相锁定系统的研究。在零差移频式相位锁定分系统和外差利特罗式光栅位移测量干涉仪的基础上,阐述了扫描干涉光刻机的新型移相锁定系统原理。针对新型的移相锁定系统原理,构建了移相锁定控制系统实验装置。最后,基于移相锁定控制实验装置,针对移相锁定定位性能,开展了移相锁定定位控制实验以及影响控制精度的因素分析,实现了±3.27nm (3σ,Λ=251nm)的定位控制精度;针对移相跟踪控制性能,在移相跟踪控制精度实验分析的基础上,利用陷阱滤波PID控制实现了±4.17nm(3σ,Λ=251nm)的跟踪控制精度。     

偏振调制测距系统频率漂移误差及其补偿

偏振调制测距方法中,频率测量的稳定性是影响测距精度的关键因素。为提高偏振调制测距系统中频率测量精度,提出一种双向扫频频率测量方法。分析了偏振调制测距原理及测频精度与测距精度的关系,探讨了频率漂移量的影响因素和频率漂移规律,证明调制深度和热致附加相位差是影响频率漂移的重要因素。利用正向扫频和反向扫频时频率漂移方向相反的特点,提出频率漂移误差补偿方法,可在低调制深度条件下补偿热致附加相位差引起的频率漂移。对距离为15.23m的目标进行测量,频率测量标准差从3.822 9×104 Hz减小到5.807 5×103 Hz,测距误差从7.513 7mm减小到0.866 7mm,验证了该方法的有效性。     

基于正弦相位调制的光纤干涉位移测量系统研究

针对全光纤干涉仪工作距离短、测量范围小等问题,提出了一种基于正弦相位调制的全光纤干涉系统,在参考臂通过电光调制器引入的调制参考光,与探头接收到的目标反射光产生干涉。根据锁相放大原理从干涉信号中提取出正交分量后,首先建立由正交分量构成的观测模型,通过卡尔曼滤波对正交分量的幅值和偏置进行迭代估计和修正,降低由相位延迟、调制深度漂移、寄生干扰等导致的幅值漂移和附加偏置;然后利用反正切法对反射光与参考光之间的相位差进行解调。开展了模拟干涉信号的相位解算仿真模拟和位移测量实验。仿真和实验验证了该算法解算相位的有效性。结果表明,该位移测量系统的工作距离可达到20 cm,测量精度为10 nm。     

Vibration-resistant interference microscope with assistant focusing for on-machine measurement of surface topography

The interference microscope is a powerful tool for surface topography measurement, but its high sensitivity to vibration hinders its application to on-machine use. To measure surface roughness on a machine for the ultra-precision machining, a vibration-resistant interference microscope (VRIM) with an assistant focusing function is developed. The basic principle of VRIM is an error-compensated phase-shifting interferometry. An iterative algorithm is presented to calculate the surface phase with the phase shift amounts as unknown variables, where the phase shift amounts are calculated and compensated with least-squares method. A narrow bandwidth illumination is employed to alleviate coherence envelop influence, and a simplified intensity model is established to decouple the variables. Assisting the microscope to find fringe quickly, the focusing is realized by introducing an off-axis thin beam to generate two spots, of which their relative position relates to the defocus. The focusing method is directional and determinant, and has a large range up to 0.3 mm. In the vibration disturbances of 0.2 μm and 0.4 μm amplitudes over 0 Hz to 20 Hz frequency region, the roughness accuracy and repeatability of measuring an ultra-precision machined surface are both up to the sub-nanometer level. The developed instrument is applied to a single-point diamond turning machine and achieves a sub-nanometer accuracy and repeatability.     

互补格雷码双 N 步相移的彩色编码光栅投影轮廓术

在三维轮廓测量领域,互补格雷码相移法能够得到连续的展开相位,然而,单组相移条纹导致其测量精度极易受到周围环境变化的影响,且传统投影方式增加了干扰的引入。针对此问题,本文提出了一种基于彩色编码光栅投影的互补格雷码双N步相移法。首先将双N步相移条纹和互补格雷码条纹混合编码成彩色条纹,然后依次投射到目标表面,最后从采集的彩色条纹中提取相位信息分别进行相位解算、融合后求得表面三维形貌。为了验证本文所提方法,将该方法与传统互补格雷码N步相移法以及三频外差法进行了对比实验。实验结果证明,本文方法能够获得高精度表面形貌信息,有效降低测量误差,同时检测效率提高50%。     

用空间载频法测量玻璃平板的厚度均匀性

设计了一种基于迈克耳逊干涉光路的相位测量系统,将单臂作为检测端完成了对玻璃平板厚度均匀性的直接测量和分析。该系统由CCD采集干涉图样,利用傅里叶变换条纹分析术和相位解包裹技术提取干涉图中所包含的待测相位信息;对于傅里叶变换法中频谱旁瓣中心无法准确定位的问题,采用三角变换法去载频,从而不需要准确地得知频谱旁瓣的中心位置就可以计算出相位结果,消除了人为估算和垂轴方向上的微小载频分量给测量结果带来的误差。实验测量了多块玻璃平板的厚度均匀性。测量结果显示：使用像元大小为4.65 μm×4.65 μm的CCD相机,测量玻璃平板两表面在长度方向和宽度方向上的厚度均匀性的理论精度分别达到0.93%和0.92%,表明本系统基本满足玻璃平板厚度均匀性测量的要求,且对干涉图频谱旁瓣的定位精度和载频的方向精度要求较低。     

惯性参考单元的变增益PI位置控制技术

基于惯性参考单元的视轴稳定方式是克服运动载体光电跟瞄系统外部扰动,实现微弧度甚至亚微弧度级跟瞄的主要技术手段。惯性参考单元的初始校准需要构建以电涡流线位移传感器作为角位置反馈元件的闭环控制回路,角位置控制精度是影响光电跟瞄系统指向精度的主要因素。为了解决惯性参考单元系统位置控制面临的基座扰动、传感器噪声等问题,提出基于频段估计的变增益PI控制方法。设计改进扰动观测器,降低中低频传感噪声对控制精度的影响,设计频段估计器实现外部扰动频段的细分,据此动态调节控制器增益。仿真和实验结果表明,基于VGPI-IDOB控制算法能够有效提高系统的位置控制精度,无输入条件下,系统的静态输出均方根较PI控制降低了67.3%;15 Hz, 1 mrad正弦输入,20 Hz, 0.097 mrad扰动作用下,VGPI-IDOB的位置控制精度相较PI控制提升了72%。     

基于闪耀光栅图形化实现高分辨率干涉光刻

为提高图形化干涉光刻质量,提出了基于闪耀光栅的图形化干涉光刻(PIIL)系统,并对该系统所采用的光学原理和实现方法进行了研究。首先,分析了图形化干涉光刻系统的光场特性,阐述了其分辨率提升的原理。讨论了光学系统带宽和图案分布对光刻图形质量的影响,给出了图形质量控制的工艺方法。其次,提出了一种新型的图形化干涉光刻方法,该方法采用闪耀光栅作为衍射分光器件,实现了位相和振幅的一体化调制。采用数值计算方法模拟了闪耀光栅的衍射特性和像面光场分布,讨论了闪耀光栅的优化设计方法,获得了高达92.3%的±1级衍射效率。最后,基于数字微镜器件(DMD)和微缩成像光路设计开发了图形化干涉光刻系统,实验获得了像素化的点阵图形和质量明显改善的光刻图像,验证了该方法对任意图形的适用性。     

基于干扰观测器的无人机在轨姿态控制系统设计

针对无人机在轨姿态控制系统误差较大的问题,提出基于干扰观测器的无人机在轨姿态控制系统设计.选择 STK５３F４０６V 作为微处理器的芯片,存储器选用 AY５４GN１７８M 芯片,通过 TIM 时钟输入捕获命令进行脉冲调制信号的采集与存储.系统软件采用干扰观测器来分析无人机姿态控制中的干扰频域,从干扰的种类、精度、动态性能和飞行模式等方面对系统进行正弦波的干扰分析,将扰动与系统的控制参数控制在同一个范围内,实现对飞行状态的修正和扰动频率的正确估计.实验结果表明,基于干扰观测器的无人机姿态控制系统的抗干扰性强,耗时较短,控制性能较好.