用于纳米级位移测量的紧凑型空间相位移动正交检测技术

《MECHANICAL SYSTEMS AND SIGNAL PROCESSING》：Compact spatial phase-shifting quadrature detection for nanometer displacement measurement

　　

陈志强|张正辉|赵国波|彭宁明|陈百根|李国军|王兰兰|姜伟|刘洪忠

摘要

传统的相移检测系统能够实现紧凑型正交信号采集；然而，它对非共线光束的空间位置偏移引起的角度扰动非常敏感。在这里，我们提出了一种基于空间干涉条纹和沿条纹法线方向布置的双探测器配置的鲁棒空间相移干涉检测方法。我们建立了正交信号采集的物理模型，并通过比较扰动前后沿探测器轴方向的条纹周期比值来定量表征其鲁棒性。分析表明，在特定的同向角度扰动（0.005°）下，纵向条纹干涉几何结构的相对偏差是优化后的横向条纹干涉几何结构的3×10⁷倍。优化后的横向条纹干涉几何结构能够将这一比值保持在接近1的水平，从而确保稳定的相位匹配和信号正交性。该方法应用于光栅干涉仪，并通过仿真和实验进行了验证。优化后的系统在300 μm的测量范围内实现了最大残差误差21.29 nm和最大标准偏差12.71 nm，显示出优异的鲁棒性和适用于紧凑型光栅干涉位移测量系统的适用性。