激光合成波長(zhǎng)納米位移測(cè)量干涉儀的研制.pdf

1、大范圍高精度的納米位移測(cè)量技術(shù)及儀器是支撐高端裝備制造技術(shù)提升的一項(xiàng)基礎(chǔ)關(guān)鍵技術(shù)。近年來(lái)，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(lái)越大，集成電路芯片線寬不斷縮小而硅晶片尺寸不斷擴(kuò)大，因此超精密數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)與校準(zhǔn)，集成電路芯片制造過(guò)程中掃描工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制與定位，以及精密測(cè)試計(jì)量技術(shù)領(lǐng)域中掃描探針顯微鏡、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、激光干涉儀、光柵尺和其他位移傳感器的校準(zhǔn)或標(biāo)定等對(duì)納米位移測(cè)量技術(shù)提

2、出了既要測(cè)量范圍達(dá)到毫米量程又要同時(shí)達(dá)到納米級(jí)測(cè)量精度的要求。
　　為此，本論文采用合成波長(zhǎng)干涉條紋細(xì)分原理，提出激光合成波長(zhǎng)納米位移測(cè)量干涉儀的研制，以檢測(cè)參考鏡毫米或微米級(jí)的位移來(lái)表征測(cè)量鏡納米級(jí)的微小位移，并利用單波長(zhǎng)干涉信號(hào)作為標(biāo)記參考信號(hào)，在同一干涉儀中實(shí)現(xiàn)了毫米量程測(cè)量范圍和納米級(jí)精度位移的同時(shí)測(cè)量，且具有米溯源性。論文詳細(xì)研究了激光合成波長(zhǎng)干涉實(shí)現(xiàn)大范圍納米位移測(cè)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(diǎn)如下

3、:
　　1.從激光合成波長(zhǎng)干涉納米位移測(cè)量的實(shí)際實(shí)現(xiàn)方法出發(fā)，提出了檢測(cè)兩路干涉信號(hào)同時(shí)過(guò)零位置誤差的非線性誤差分析方法，建立了被測(cè)位移非線性誤差分析模型，理論分析和仿真研究了測(cè)量鏡的初始位置和步進(jìn)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(duì)空氣折射率測(cè)量誤差和材料線性膨脹誤差進(jìn)行了理論分析和補(bǔ)償研究，系統(tǒng)地建立了激光合成波長(zhǎng)干涉大范圍高精度位移測(cè)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(gè)方面對(duì)不同的干涉儀光路結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析比較，提出了一種共光路的先分波長(zhǎng)后干涉的新型激光合成波長(zhǎng)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(cè)量的實(shí)施。
　　3.針對(duì)激光合成波長(zhǎng)干涉儀信號(hào)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于兩路干涉信號(hào)同時(shí)過(guò)零位置檢測(cè)的小數(shù)位移測(cè)量方法，并采用線性回歸擬合算法，提高了同時(shí)過(guò)零位置檢測(cè)精度;提出了根據(jù)小數(shù)位移測(cè)量結(jié)果修正軟件大數(shù)計(jì)數(shù)的干涉條紋計(jì)數(shù)

5、新方法，解決了大小數(shù)正確結(jié)合的問(wèn)題;采用硬件和軟件相結(jié)合的大數(shù)計(jì)數(shù)方法對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行整周期計(jì)數(shù)，解決了被測(cè)導(dǎo)軌啟動(dòng)或停止時(shí)的振蕩和被測(cè)位移在λ2/2整數(shù)倍附近時(shí)大數(shù)計(jì)數(shù)容易出錯(cuò)的問(wèn)題。
　　4.設(shè)計(jì)了激光合成波長(zhǎng)納米位移測(cè)量干涉儀的光路結(jié)構(gòu)、機(jī)械結(jié)構(gòu)、干涉信號(hào)處理電路、干涉信號(hào)檢測(cè)和控制軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了干涉儀的儀器化研制。對(duì)研制的激光合成波長(zhǎng)納米位移測(cè)量干涉儀進(jìn)行了穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)、位移測(cè)量實(shí)驗(yàn)、比對(duì)實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了干涉儀的可行性

6、、有效性和實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)表明研制的干涉儀達(dá)到的主要指標(biāo)為:測(cè)量分辨率0.02nm;以精密工作臺(tái)位移作為參考時(shí)，納米級(jí)步進(jìn)微米級(jí)測(cè)量范圍時(shí)測(cè)量精度為1nm，微米級(jí)步進(jìn)毫米級(jí)范圍時(shí)測(cè)量精度為7.1 nm-21.4nm，毫米級(jí)步進(jìn)毫米級(jí)測(cè)量范圍時(shí)測(cè)量精度為37nm-51nm，測(cè)量結(jié)果與精密工作臺(tái)的技術(shù)指標(biāo)一致;以國(guó)外同類儀器的測(cè)量結(jié)果作為參考時(shí)，在微米級(jí)和毫米級(jí)測(cè)量范圍內(nèi)，研制的干涉儀與國(guó)外干涉儀比對(duì)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差約為20nm。
　　5.

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