基于点衍射干涉的三维绝对位移测量系统误差分析与优化

作     者：徐杨波 

作者单位：中国计量大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王道档

授予年度：2017年

学科分类：070207[理学-光学] 07[理学] 0702[理学-物理学] 

主      题：点衍射干涉仪 绝对位移测量 波前重建 系统优化 误差分析 

摘      要：由于现有的高精度绝对位移测量系统制作成本很高,体积大且不便携带,操作使用繁琐,因此本文提出将点衍射干涉技术应用于绝对位移测量,在实现完整技术的前提下,分析了误差并对整个系统进行了优化。首先介绍了基于点衍射干涉技术的三维绝对位移测量系统的数学模型,并在原数学模型的基础上提出了一个改进方案,提高了算法求解的效率。介绍了硬件组成和光路设施,并提出了一种亚微米出射孔径的光纤并介绍了其制作方法,以满足测量精度以及测量范围的需求。接着对目前存在的多种重构算法进行了介绍。并根据数学模型情况选择了更为灵活的粒子群算法,并在原搜索解的方式上做出了改进,提出了快速搜索粒子群算法。算法采取了所选用的CCD样本点数目在迭代过程中以非线性增加的方式,在确保测量精度的前提下提高了效率。为了验证系统点衍射源产生球面波前的精度,提出了基于FDTD有限域时间差分仿真方法和一种点衍射球面波前的实验标定方法。实验方法通过建模推导出了点衍射波前误差存在对称性,利用对称性完成对误差的消除,并拟合得到高精度点衍射波前。然后对影响系统测量精度的误差进行了分析,将并将每一项误差进行建模、仿真和分析,最后将各个误差项进行合成,从而估计了整个系统误差量级的大小。最后搭建了本系统的硬件平台,并根据系统的执行流程基于MFC搭建了整个系统的控制中心。并通过实验验证了高精度点衍射球面标定方法和点衍射绝对位移测量方法的有效性,与海克斯康公司生产的三坐标测量机进行了比对,比对偏差为亚微米量级,证实该系统具有较高的可行性。对所做的工作进行了总结与展望。