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系統識別號 U0002-0208201108513100
中文論文名稱 繞射式光學尺於奈米定位應用研究
英文論文名稱 Study on Application of Diffravctive Laser Optical En-coder to Nanopositioning
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 99
學期 2
出版年 100
研究生中文姓名 許修得
研究生英文姓名 SHIU,SHIOU-DE
學號 697371853
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-07-18
論文頁數 49頁
口試委員 指導教授-吳乾埼
委員-李其源
委員-戴慶良
委員-吳乾埼
中文關鍵字 雷射光學尺  解相位  都卜勒效應  奈米定位 
英文關鍵字 Laser encoder  Phase decoding,  Doppler effect  Nano-positioning 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 定位平台在各種領域應用範圍廣泛,定位平台的定位能力往往影響儀器設備的性能,平台的定位能力則與位移感測技術息息相關。為了使量測與定位的精度提高,本文選擇不易受環境干擾的繞射式雷射光學尺作為精密定位平台的回授裝置,以控制步進馬達與壓電平台。
本文整合本實驗室所開發的繞射式雷射光學尺技術與商用奈米級移動台,建構出一個奈米級定位平台,並針對步進馬達、壓電致動器、雷射光學尺回授系統與解相位演算法進行探討,使該定位平台可應用於各領域之奈米定位。實驗結果顯示,本系統行程30 um與HP5529A的最大差異量為12.043 nm、60 um與HP5529A的最大差異量為15.371 nm、360 um與HP5529A的最大差異量為5.74 um、行程10.8 mm與HP5529A的最大差異量為62.191 um。
英文摘要 The positioning technique are widely used in various fields. Its positioning ca-pability of the stage usually influences the performance of the instruments or machines. The positioning capability of the stage, however, strongly depends on the displacement sensing technique. In order to raise the precision of the measurement and positioning, we adopted the laser encoder to serve as the feedback system, which can effectively slash the environmental disturbance. We integrated it and the actua-tor to control the positioning stage.
In this study, we integrated the laser encoder, which was developed by our labor-atory, and the nanopositioning stage to construct a new positioner. We also studied the step motor, the piezoelectric actuator, the laser encoder feedback system and the phase decoding algorithm for the positioning stage. According to our experimental results, the maximum discrepancy between our system and HP5529A in 30 um range is 12.043 nm, the maximum discrepancy between our system and HP5529A in 60 um is 15.371 nm, the maximum discrepancy between our system and HP5529A in 360 um is 5.74 um, the maximum discrepancy between our system and HP5529A in 10.8 mm is 62.191 um.
論文目次 目錄
中文摘要 i
英文摘要 ii
目 錄 iv
表目錄 vi
圖目錄 vii
第一章 緒 論 1
1.1 前 言 1
1.2 文獻回顧 3
1.3 研究背景與動機 7
1.4 研究目的 8
1.5 論文架構 8
第二章 雷射光學尺量測原理 9
2.1 系統架構 9
2.2 共路徑之繞射光束 10
2.3都卜勒效應(Doppler effect) 12
2.4位移和相位變化之間的關係 16
2.5 正交訊號容錯式解相位演算法 18
2.5.1 原理 18
2.5.2 正交訊號校正程序 23
2.6 半波二值化相位演算法 24
第三章 奈米定位 28
3.1 精密定位概論 28
3.2 壓電致動器與移動平台 29
3.3 奈米定位系統架構 31
第四章 實驗與結果 33
4.1 實驗架構 33
4.2 定位規劃 34
4.2.1 訊號擷取濾波 35
4.2.2 步進馬達運動控制 37
4.2.3 壓電致動器運動控制 38
4.2.4 系統控制 39
4.4 實驗結果 40
第五章 結論與未來展望 44
5.1 結論 44
5.2 未來展望 44
參考文獻 46

表目錄
表1 精密定位的構成要素 2
表2 奈米定位技術 7
表3 二值化訊號分析 26
表4 半波二值化相位演算法 27
表5 壓電驅動定位機構 30
表6 實驗架設之設備與元件規格 34

圖目錄
圖 1 精密定位技術 2
圖 2共路徑光學尺架構圖。Laser source:雷射光源,f1與f2:透鏡焦距,PBS:分光鏡, :光柵移動速度,D1、D2:光偵測器 10
圖 3重疊示意圖 10
圖 4透鏡聚光與相關參數示意圖 11
圖 5光柵移動所造成都卜勒頻率偏移示意圖 12
圖 6三維空間中光柵移動所造成的都卜勒頻率偏移 13
圖 7共路徑光學尺架構圖。Laser source:雷射光源,f:透鏡焦距,PBS:分光鏡, :光柵移動速度,D1、D2:光偵測器 16
圖 8 P/Q訊號之橢圓 18
圖 9 二值化訊號 25
圖 10 精密度高但準確度低 28
圖 11 準確度高、精密度低 29
圖 12 實驗流程圖 32
圖 13 實驗架構 33
圖 14 濾波元件 36
圖 15 濾波元件特性設定 36
圖 16 經低通濾波器的雜訊訊號還原 36
圖 17 步進馬達控制 37
圖 18 步進馬達結構 38
圖 19 奈米定位控制流程圖 39
圖 20 實驗流程圖 40
圖 21 30 位移量測 41
圖 22 60 位移量測 42
圖 23 360 位移量測 42
圖 24 10.8 mm位移量測 43




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