激光合成波長納米位移測(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，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(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干涉條紋細(xì)分原理，提出激光合成波長納米位移測(cè)量干涉儀的研制，以檢測(cè)參考鏡毫米或微米級(jí)的位移來表征測(cè)量鏡納米級(jí)的微小位移，并利用單波長干涉信號(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(cè)量的實(shí)施。
　　3.針對(duì)激光合成波長干涉儀信號(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)的問題。
　　4.設(shè)計(jì)了激光合成波長納米位移測(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、在激光合成波長干涉原理應(yīng)用方面，提出了基于合成波長檢測(cè)的激光波長測(cè)量方法，將待測(cè)激光波長的測(cè)量轉(zhuǎn)化為參考激光波長和待測(cè)激光波長形成的合成波長的檢測(cè);其次，提出了基于合成波長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)化地研究了精密長度測(cè)量技術(shù)涉及的位移、激光波