线性位移台直线度高精密外差干涉测量装置

直线度测量中往往存在有限的测量范围、精度低和阿贝误差等问题。本文提出了一种高精密直线度外差干涉测量装置,该装置由Koester棱镜、角锥棱镜、1/4波片、楔面棱镜和楔面反射镜构成。楔面棱镜为直线度传感元件,角隅棱镜和楔面反射镜是测量信号的回光元件。双频激光信号进入直线度干涉仪后组成几何空间对称四光路测量信号。四路测量光走过几乎完全相同的路径有效地提高了干涉仪的稳定性,并且使空程误差最小化。使用楔角为1°的楔角棱镜和2π/512细分的相位计,直线度测量分辨力为17.71nm。该方法不需要与行程同长的大反射参考镜,但同样能实现高分辨率,理论和实验证明空间对称测量结构避免了由俯仰,偏转和滚转角引起的阿贝误差的串扰,而且光学元件少,结构简单,方便易用,结果可以直接溯源到米的定义。     

高精密滚转角测量干涉仪

现有的各种激光干涉仪可以方便地测量围绕垂直于直线位移方向的两个转角偏移,但是对于围绕运动轴的滚转角偏移,特别是对于大行程运动,缺乏有效的测量方法。针对各种高精密直线运动定位装置,设计一个新型的差分平面干涉仪,并采用一个楔面棱镜和楔面反射镜,组合成为一个几何空间对称四光路系统,构成新型的高精密滚转角激光干涉测量仪。它不需要与行程同长的大反射参考镜,但同样能实现高分辨率,而且简便实用,可以直接溯源米定义。试验证明,几何空间对称四光路滚转角干涉测量仪能够有效地排除其他自由度运动的干扰,利用它可以快速高效地测量各种精密直线位移运动的滚转角。使用普通的2π/360细分相位计,测量分辨率为1.1″,若使用2π/36 000的高精密细分相位计,滚转角的测量分辨率可达到0.01″。     

基于电涡流位移传感器的嵌入式滚转角测量方法

导轨运动副在运动过程中会产生6个自由度误差,滚转角误差一直是测量的难点。提出一种基于电涡流位移传感器的滚转角在线测量方法和装置。该方法将导轨固定于基准平面,电涡流位移传感器探头通过连接板安装在运动平台上,其中两个探头相距L,并且连线垂直导轨运动轴线,平台运动过程中,两个探头通过测得的导轨直线度误差间接得到导轨滚转角误差;考虑到基准平面平面度误差影响,建立了误差补偿模型,对基准平面平面度误差对滚转角误差测量引起的角度变化量进行补偿,从而计算出导轨精确滚转角误差。静态和动态加载对比试验结果表明:在导轨运动距离为100 mm,导轨滚转角误差变化范围为-32.5″至8.6″时,本方法与标准中的水平仪法比对残差在±1.5″左右,验证了该测量系统的可行性和所提出的补偿方法的有效性。提出的导轨滚转角测量方法充分考虑和减少了基准平面平面度误差的影响。此外,所提方法可以实现在线测量,可以与其他电涡流位移传感器相结合,组成结构简单、测量精度高、抗干扰能力强的多自由度在线测量系统。     

四自由度同步外差干涉测量系统设计

针对多自由度测量技术中存在的测量范围有限、精度低和阿贝误差等问题，设计了一种大行程、高精度、可溯源、四自由度同时测量的外差干涉测量系统。采用碘稳频532 nm固体激光器作为测量仪光源，结合光纤耦合技术对双频光进行空间分离。使用差分波前传感技术实现位移、俯仰角和偏转角的同步检测，并采用楔面棱镜测量直线度的变化。该测量系统可以抑制双频光混叠引起的非线性误差，行程范围为6 m，位移分辨率为0.13 nm，俯仰角和偏转角分辨率为0.026 μrad，直线度分辨率为14.88 nm，测量结果具有可溯源性。     

方波磁光调制测量在航天器对接中的应用

为了精确测量航天器对接过程中最终逼近段航天器间的滚转角,设计了基于方波磁光调制的滚转角测量系统。利用法拉第磁致旋光效应并结合马吕斯定律,建立了方波磁光调制后输出信号的模型;通过分析输出信号的特点,推导了输出信号与滚转角之间的关系方程;利用滚转角变化过程中输出信号的增减性组合去除了方程的增根,最终得到了基于方波磁光调制的滚转角测量模型。仿真结果表明:文中提出的方法理论测量精度高,可测量-90～90°间的滚转角,优于传统方法。此外,利用方波信号调制具有数据采集简单、信号处理难度低等优势,是实现高精度大范围测量航天器间滚转角的一种新方案。     

Application of square wave magneto-optic modulation to spacecraft docking

为了精确测量航天器对接过程中最终逼近段航天器间的滚转角,设计了基于方波磁光调制的滚转角测量系统.利用法拉第磁致旋光效应并结合马吕斯定律,建立了方波磁光调制后输出信号的模型;通过分析输出信号的特点,推导了输出信号与滚转角之间的关系方程;利用滚转角变化过程中输出信号的增减性组合去除了方程的增根,最终得到了基于方波磁光调制的滚转角测量模型.仿真结果表明:文中提出的方法理论测量精度高,可测量-90～90°间的滚转角,优于传统方法.此外,利用方波信号调制具有数据采集简单、信号处理难度低等优势,是实现高精度大范围测量航天器间滚转角的一种新方案.     

大跨距、小步距法测量导轨系统的导轨直线度研究

在导轨系统中,导轨的直线度误差通常可利用自准直仪或电子水平仪,采用节距法来达到误差检定的目的。而节距法只对导轨副行程相对较大的导轨系统奏效,对于文中提到的两类小行程导轨系统而言,传统的节距法则无法实现测量。针对两类跨距大而行程范围相对较小的导轨系统,笔者基于导轨系统中导轨直线度、直线度运动误差、角运动误差三者之间的相互关系,提出以大跨距、小步距法测量该类导轨系统的导轨直线度;结合双频激光干涉仪和电子水平仪测量运动部件所得到的直线度运动误差,以及对应位置下的角运动误差,处理得到了导轨系统的导轨直线度。     

激光外差干涉的非线性误差补偿

为了补偿用激光外差干涉法进行纳米测量产生的非线性误差,进行了非线性误差补偿的实验研究。根据镀膜实体角锥棱镜反射光的偏振特性,推导出当激光器出射光束存在偏振椭圆化时,测量角锥棱镜以运动方向为轴线的轴向旋转对非线性误差一次谐波的影响模型。分析表明,测量角锥棱镜以其运动方向为轴线的轴向旋转会减小非线性误差一次谐波。实验显示,当测量角锥棱镜轴向旋转角从0°增加到100°时,非线性误差从3.48 nm减小到1.39 nm,实现了非线性误差一次谐波减小为原来的40%。该方法避免了现有的非线性误差补偿方法光路系统和电路系统复杂的缺点,系统实现很简单。     

自准直仪测量直线度误差

自准直仪是一种光学测角仪器,它是利用光学自准直原理来观测目标位置的变化,广泛应用于直线度和平面度的测量。由于自准直仪是通过对反射镜微小角度的变化来评定被测零件的直线度或平面度的,因此测量人员在用自准直仪测量直线度时,总是存在角度与线性尺寸之间的转换、仪器的线性分度值等问题。为此,本文从自准直仪的外形结构、自准直原理、测微原理和测量过程等方面,对自准直仪测量直线度的过程进行详细的介绍。     

非接触式扫描反射镜转角测量系统

为了提高扫描反射镜转角检测系统的测角范围,建立了基于一字线激光器和线阵CCD的高精度非接触式扫描镜角度检测系统。介绍了检测系统的结构和工作原理,该系统根据激光光斑在CCD上的位置计算扫描反射镜的转角,并利用特殊设计的阵列反射镜增大测角范围。为了降低对加工及装调精度的要求,对系统进行了误差分析,给出了采用多项式拟合法进行角度测量的理论依据。讨论了影响系统检测精度的一系列误差源,计算了系统测量的总误差。最后进行了相关的测量实验。实验结果表明：系统的检测系统分辨率为2.5",测角范围为11°,测角精度可达3",可以满足扫描反射镜对角度测量系统提出的高精度、非接触、大测角范围的要求。     

基于保偏镜组的外差干涉测量几何误差分析

角锥棱镜由于本身缺陷会导致失偏效应。在平面镜外差干涉仪中,使用一种保偏反射镜组替代角锥棱镜,以减小外差干涉仪的非线性误差。根据这个平面镜外差干涉仪的基本光路图,基于偏振分光棱镜和角锥棱镜的基本光学特性,分析了平面镜外差干涉仪中3个偏振分光棱镜偏摆角、仰俯角和滚动角,保偏反射镜组中2个偏振分光棱镜之间的间距和角度,以及角锥棱镜的偏摆角和仰俯角等误差对干涉仪的影响。推导出外差干涉仪中各个光学元件的最大安装误差,并规定好其加工精度,确保外差干涉仪性能。     

点阵全息防伪标识的衍射效率测量研究

提出了一种测量点阵全息图衍射效率的方法,搭建了光学系统。通过在系统光路中放置平面反射镜,巧妙地将正负一级衍射光与其他级次的衍射光分离开,使光电探测器只接收正负一级衍射光,并且这种测量方法不受被测点干涉条纹方向变化的影响;在激光器后面放置一个半透半反波片,用两个相同的光电探测器分别实时测量反射光和衍射光的功率,降低了由于激光器功率不稳定造成的测量误差,得到八种不同的点阵全息防伪标识的衍射效率的测量结果。     

偏振相移技术在DIC显微术中的应用研究

微分干涉（DIC）显微技术使用诺曼斯基棱镜完成光束的分割、合成、最后发生干涉,将样品上各个部分折射率、厚度的变化率或表面起伏的不同转化为像面上光强的差别,一般情况下,无法进行定量测量。文章将激光偏振相移技术应用于DIC显微术中,建立并推导出光学数学模型。该模型利用无限远光学系统优化系统光路,使系统减小了因为使用激光光源、     

傅里叶变换红外光谱仪动镜倾斜误差分析

通过建立傅里叶变换光谱仪中动镜、定镜和干涉面的坐标对应关系,对动镜存在多个方向倾斜时的干涉光路进行了详细的分析。建立了非准直状态下干涉面光强分布的二维数学模型,确立了干涉图函数的数学表达式,从调制度、相位误差和频率噪声的角度,对动镜倾斜造成的影响进行了系统分析。在动镜的运动中,左右方向的倾斜和俯仰方向的倾斜对系统的影响彼此具有独立性,又具有叠加性;干涉图中初相位因子随光程差改变缓慢变化或快速变化,对相位误差的影响也不全相同。在倾斜误差分析的基础上,对动镜的最大倾斜角度和减少误差的方法进行讨论,并提出了两种动态准直校正的思路。     

Present Status of EUV Interferometer Development at the Research Center for Soft X-ray Microscopy

A new interferometer for extreme ultraviolet (EUV) radiation with a laser produced plasma (LPP) laboratory source is under construction. The LPP source is operated with a Sn solid rod target on which pulsed YAG laser is focused to produce high temperature plasma emitting EUV radiation. The source is equipped with a newly designed debris stopper protecting a condenser multilayer mirror from the particle debris of the target. The condenser mirror focuses the light onto an EUV beam - splitter to form transmitted and reflected paths for producing interference fringes of a sharing type. The optical configuration is of a common path based on a triangular path type with a focusing at the beam- splitter, which is enabled to produce fringes by a low coherence radiation with a standard optical quality beam - splitter. The fringes are recorded by an imaging plate with pixels as small as 25μm. The dynamic range of linearity in detection of the EUV light was found to be more than 10^4 with sensitivity of 10^4 photo ns/pixel, enough for the purpose of interferogram recording possibly with one laser shot.     

一种基于临界角法检焦系统的设计

临界角法检焦是利用光波在临界角附近的反射特性来检测聚焦状态,它具有分辨力高、损失光能小、结构简单、系统调试容易的特点,是亚微米级离焦检测的首选方法之一。根据菲涅尔公式,并通过合理假设,利用高斯光学公式可以得到离焦误差信号的计算公式。实验采用单光路临界角法,利用He-Ne激光器、临界角棱镜、四象限光电探测器、信号采样电路、数据采集卡等元器件组成了离焦检测系统,实现了离焦信号的提取;通过数字滤波、归一化处理等技术得到离焦误差信号（FES）,以此获得了FES的大小和变化趋势与离焦量的关系曲线,为临界角法离焦检测系统的工程实现提供了参考。     

一种新型的激光二维可调分束器

本文介绍一种把单一激光束变成两光束,其中一束非偏振,另一束非偏振,两光束强度比和夹角连续可调的装置和方法。它由一个偏光镜,一个偏尤分束镜,一个45°石英退偏棱镜和一对反向旋转光楔组成。由于偏光镜、偏光分束镜和棱镜的不变光学性质,它对机构失调相对不敏感。     

Effective elimination of laser interference fringing in fluorescence microscopy by spinning azimuthal incidence angle

Laser illumination used in both conventional widefield epi-fluorescence as well as in total internal reflection fluorescence (TIRF) microscopy is subject to nonuniformities in intensity that obscure true image details. These intensity variations are interference fringes arising from coherent light scattering and diffraction at every surface in the laser light's optical path, including the lenses, mirrors, and coverslip. We present an inexpensive technique for effectively eliminating these interference fringes based upon introduction of the excitation laser beam by oblique through-the-objective incidence coupled with rapid azimuthal rotation of the plane of incidence. Although this rotation can be accomplished in several ways, a particularly simple method applicable to a free laser beam is to use an optical wedge, spun on a motor, which diverts the beam into a hollow cone of fixed angle. A system of lenses converts this collimated beam cone into a focused spot that traces a circle at the objective's back focal plane. Consequently, a collimated beam with fixed polar angle and spinning azimuthal angle illuminates the sample. If the wedge is spun rapidly, then the different interference patterns at every particular azimuthal incidence angle average out over a single camera exposure to produce an effectively uniform field of illumination.