随着微电子、微机械、微光学等技术的发展,测量分辨力、范围、工作距等超精密测量指标在结构表面形貌高精度测量、凸台高度绝对微位移测量等几何量超精密测量领域有着更高的发展需求。同步移相干涉技术具有抗环境振动和高分辨力的特点,广泛应用在高精密测量领域,但是其测量范围与测量分辨力相互限制,很难兼容;差分共焦显微技术具有双极性与零点的特点,在三维扫描与成像领域有着广泛应用,但是易受环境振动影响,并且差分光学系统结构复杂,针孔探测位置装调困难,一定程度上影响了整体的测量精度、减小了测量同步性。为了克服外界环境振动影响,提高系统稳定性,研究一种小型化、大测量范围和高分辨力的高精度微位移绝对测量,本课题把同步移相干涉与差分共焦理论相结合,将位移变化转变成相位变化,利用差分共焦实现绝对位置的粗略测量,再利用同步移相干涉精确测量位移值。为了解决上述超精密位移测量中的问题,本课题“光栅分光式移相干涉差分共焦位移传感技术研究”的主要完成的工作如下:(1)针对测量分辨力与测量范围矛盾的问题,将差分共焦理论融入到空间同步移相干涉理论中,建立光栅分光式、偏振片组移相的移相干涉差分共焦理论模型,理论分析四通道同步移相干涉原理、基于光瞳移焦的差分共焦原理以及同步移相干涉差分共焦位移测量特性。(2)为了提高系统抗环境振动的能力,设计正交位相型Ronchi光栅,实现共光轴;设计移相器和分瞳式相位光瞳滤波器,使得四束光同时共面探测,达到稳定测量的目的;利用参考面与测量面的显微物镜实现等倾照明,探测光强不再是干涉条纹,而是均匀的光斑,提高系统的同步性和稳定性。(3)为了扩大系统的测量工作距,结合差分共焦系统在整体装置中的作用,在满足移相干涉测量周期一半的条件下,适当减小差分共焦的分辨力,选取较小数值孔径的测量物镜,提高系统工作距。最后结合设计的分光光学元件与移相器、分瞳式光瞳滤波器搭建相关光学系统实验平台,对系统光路的工作特性、稳定性、重复性以及分辨力进行实验验证。实验结果表明:以平面镜作为被测面,利用正交相位Ronchi光栅分光的移相干涉位移测量装置对其分辨力与稳定性测试,在测量范围为100μm内能稳定分辨10nm的微小位移变化,并且该装置的测量工作距可以达到7mm。