针对精密定位平台大行程下定位精度不足的问题, 提出一种基于非共光路外差激光干涉反馈的新型纳米精密定位系统。系统由非共光路外差激光干涉和高精度光栅构成复合反馈, 保留了高精度光栅大行程高分辨率的优势, 同时结合非共光路外差激光干涉协同定位, 消除了光栅的安装误差和变形对定位精度的影响, 提升了大行程下的定位精度。系统采用基于BP神经网络的预测微调定位技术, 一定程度上提升了定位效率。实验结果表明, 在100mm行程范围内,系统轴线双向定位精度可以达到28nm, 轴线重复定位精度可以达到26nm。通过预测定位, 定位结束门限设定为20nm时, 系统定位微调时间可由1.65s以内缩短至0.6s以内。5mm/s的速度下, 系统跟随误差可达100nm。

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17.71 nm。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。

为提高微型星敏感器的质心定位精度, 提出了一种利用外差式激光干涉装置标定图像传感器像素位置偏差的方法, 并就像素位置偏差对星点像质心定位精度的影响进行了仿真研究。在噪声忽略不计的情况下, 当像素位置偏差服从(-0.02, 0.02)上的均匀分布时, 补偿系统误差能够使星点定位精度从0.008 pixel提高到0.002 pixel。而如果加入服从N(0, 5.52)的高斯白噪声, 当像素位置偏差服从(-0.02, 0.02)上的均匀分布时, 补偿像素位置偏差能使定位精度从0.020 pixel提高到0.018 pixel; 当像素位置偏差服从(-0.04, 0.04)上的均匀分布时, 补偿像素位置偏差能使定位精度从0.026 pixel提高到0.018 pixel, 提高了31%。这说明标定像素位置偏差对提升质心定位精度有显著作用, 为发展高精度微型星敏感器提供了一种新的技术手段。