激光合成波長納米位移測量干涉儀的研制.pdf

1、大范圍高精度的納米位移測量技術(shù)及儀器是支撐高端裝備制造技術(shù)提升的一項基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)。近年來，隨著超精密加工、微電子制造等高新技術(shù)的迅速發(fā)展，零件加工精度不斷提高而加工范圍越來越大，集成電路芯片線寬不斷縮小而硅晶片尺寸不斷擴大，因此超精密數(shù)控機床工作臺的運動檢測與校準，集成電路芯片制造過程中掃描工作臺的運動控制與定位，以及精密測試計量技術(shù)領(lǐng)域中掃描探針顯微鏡、三坐標測量機、激光干涉儀、光柵尺和其他位移傳感器的校準或標定等對納米位移測量技術(shù)提

2、出了既要測量范圍達到毫米量程又要同時達到納米級測量精度的要求。
　　為此，本論文采用合成波長干涉條紋細分原理，提出激光合成波長納米位移測量干涉儀的研制，以檢測參考鏡毫米或微米級的位移來表征測量鏡納米級的微小位移，并利用單波長干涉信號作為標記參考信號，在同一干涉儀中實現(xiàn)了毫米量程測量范圍和納米級精度位移的同時測量，且具有米溯源性。論文詳細研究了激光合成波長干涉實現(xiàn)大范圍納米位移測量的方法及其儀器化的相關(guān)技術(shù)，主要研究工作和創(chuàng)新點如下

3、:
　　1.從激光合成波長干涉納米位移測量的實際實現(xiàn)方法出發(fā)，提出了檢測兩路干涉信號同時過零位置誤差的非線性誤差分析方法，建立了被測位移非線性誤差分析模型，理論分析和仿真研究了測量鏡的初始位置和步進位移與光源橢偏化、偏振分光棱鏡偏振泄漏和安裝誤差等引起的非線性誤差之間的關(guān)系，對空氣折射率測量誤差和材料線性膨脹誤差進行了理論分析和補償研究，系統(tǒng)地建立了激光合成波長干涉大范圍高精度位移測量的相關(guān)理論。
　　2.從非線性誤差、共光

4、路抗干擾和死區(qū)誤差三個方面對不同的干涉儀光路結(jié)構(gòu)進行了分析比較，提出了一種共光路的先分波長后干涉的新型激光合成波長干涉儀光路結(jié)構(gòu)，可有效減小干涉儀的非線性誤差、降低死區(qū)誤差和提高環(huán)境抗干擾能力，保證了高精度納米位移測量的實施。
　　3.針對激光合成波長干涉儀信號特點，設(shè)計了基于兩路干涉信號同時過零位置檢測的小數(shù)位移測量方法，并采用線性回歸擬合算法，提高了同時過零位置檢測精度;提出了根據(jù)小數(shù)位移測量結(jié)果修正軟件大數(shù)計數(shù)的干涉條紋計數(shù)

5、新方法，解決了大小數(shù)正確結(jié)合的問題;采用硬件和軟件相結(jié)合的大數(shù)計數(shù)方法對干涉信號進行整周期計數(shù)，解決了被測導(dǎo)軌啟動或停止時的振蕩和被測位移在λ2/2整數(shù)倍附近時大數(shù)計數(shù)容易出錯的問題。
　　4.設(shè)計了激光合成波長納米位移測量干涉儀的光路結(jié)構(gòu)、機械結(jié)構(gòu)、干涉信號處理電路、干涉信號檢測和控制軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)了干涉儀的儀器化研制。對研制的激光合成波長納米位移測量干涉儀進行了穩(wěn)定性實驗、位移測量實驗、比對實驗和應(yīng)用實驗，驗證了干涉儀的可行性

6、、有效性和實用性。實驗表明研制的干涉儀達到的主要指標為:測量分辨率0.02nm;以精密工作臺位移作為參考時，納米級步進微米級測量范圍時測量精度為1nm，微米級步進毫米級范圍時測量精度為7.1 nm-21.4nm，毫米級步進毫米級測量范圍時測量精度為37nm-51nm，測量結(jié)果與精密工作臺的技術(shù)指標一致;以國外同類儀器的測量結(jié)果作為參考時，在微米級和毫米級測量范圍內(nèi)，研制的干涉儀與國外干涉儀比對結(jié)果的標準偏差約為20nm。
　　5.

7、在激光合成波長干涉原理應(yīng)用方面，提出了基于合成波長檢測的激光波長測量方法，將待測激光波長的測量轉(zhuǎn)化為參考激光波長和待測激光波長形成的合成波長的檢測;其次，提出了基于合成波長干涉的空氣折射率波動測量方法，將測量光路空氣折射率的波動轉(zhuǎn)化為參考光路補償位移的測量;通過理論分析和實驗，驗證了這些方法的有效性和可行性，為高精度激光波長的檢測與校準、空氣折射率測量提供了新途徑。
　　6.論文較為系統(tǒng)化地研究了精密長度測量技術(shù)涉及的位移、激光波