差动式迈克尔逊干涉纳米位移测量方法研究

摘要

随着精密加工、微电子等行业的快速发展，对高精度位移测量技术的需求越来越大，性能要求也越来越高。
　　本文依托国家自然科学基金(NO.51205365)，设计了一种差动式迈克尔逊干涉纳米位移测量方法，并对测量方法的各项关键技术进行了研究，通过搭建完整的测量系统，最终实现纳米级精度的位移测量。
　　论文介绍了国内外纳米位移测量技术的研究现状，提出了一种差动式迈克尔逊干涉纳米位移测量方法，对差动式迈克尔逊干涉纳米位移测量的原理进行了详细的介绍，对测量系统的光路结构进行了设计，对系统机械支撑结构进行设计与有限元受力分析；设计了信号预处理电路与电压转化电路，用于改善干涉信号质量以及调整信号电压范围；设计了高精度的干涉信号相位差测量方法，并对相位差测量精度与分辨率进行了实验验证；设计了相位差测量速度补偿方法，对相位差测量过程中速度变化引起的误差进行了分析与补偿；对大数计数的测量原理进行了介绍，并对参考镜移动方向判断方法进行了设计；运用C语言对DSP进行了软件设计，运用VB设计了上位机的系统控制软件。
　　为验证本文所构建的差动式迈克尔逊干涉纳米位移测量系统的可行性与有效性，搭建了实验平台，分别进行了以下实验：(1)相位差测量补偿对比实验，分别以50nm、200nm为步长进行了对比位移测量实验，步长为50nm时，补偿后测量误差的标准偏差由1.0108nm减小为0.5686nm，误差平均偏差由0.7648nm减小为0.4616nm；步长为200nm时，补偿后测量误差标准偏差由1.4188nm减小为0.5687nm，误差平均偏差由1.1115nm减小为0.4838nm。(2)小数计数位移测量实验，分别进行了5nm、10nm、20nm、50nm步长的位移测量实验，测量误差的标准偏差分别为0.4697nm、0.6317nm、0.7594nm、0.6644nm。(3)大数计数位移测量时实验，分别在正反向下进行了验证实验，以0.5μm为步长，在0-7μm的范围内验证大数计数的准确性，结果为大数计数误差均小于半个波长，与干涉条纹位移测量理论相符，大数计数正确。(4)大小数结合位移测量实验，分别在1μm与7μm下进行了重复性位移测量实验，测量的误差标准偏差分别为1.3199nm与0.9184nm，平均偏差分别为1.1057nm与0.9179nm。上述实验表明本文测量方法能够实现纳米精度位移测量，并且具有良好的可靠性与稳定性。

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第一章 综 述

1.1 论文的研究背景与意义

1.2 纳米位移测量方法研究现状

1.3 论文的研究内容与组织结构

第二章 差动式迈克尔逊干涉纳米位移测量原理与系统设计

2.1 差动式迈克尔逊干涉纳米位移测量原理

2.2 测量系统的光路结构设计

2.3 测量系统的机械结构设计

2.4 差动式迈克尔逊干涉仪的系统整体结构及工作原理

2.5 主要元器件的选择

2.6 本章小结

第三章 差动式迈克尔逊干涉的信号处理系统设计

3.1 干涉系统的信号处理方法设计

3.2系统软件设计

3.3本章小结

第四章 实验与误差分析

4.1 相位差测量补偿对比实验

4.2 小数计数位移测量实验

4.3 大数计数位移测量实验

4.4 大小数结合位移测量实验

4.5 误差分析

4.6 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 论文展望

参考文献

致谢

攻读学位期间的研究成果