激光合成波长纳米位移测量干涉仪的研制

摘要

大范围高精度的纳米位移测量技术及仪器是支撑高端装备制造技术提升的一项基础关键技术。近年来，随着超精密加工、微电子制造等高新技术的迅速发展，零件加工精度不断提高而加工范围越来越大，集成电路芯片线宽不断缩小而硅晶片尺寸不断扩大，因此超精密数控机床工作台的运动检测与校准，集成电路芯片制造过程中扫描工作台的运动控制与定位，以及精密测试计量技术领域中扫描探针显微镜、三坐标测量机、激光干涉仪、光栅尺和其他位移传感器的校准或标定等对纳米位移测量技术提出了既要测量范围达到毫米量程又要同时达到纳米级测量精度的要求。
　　为此，本论文采用合成波长干涉条纹细分原理，提出激光合成波长纳米位移测量干涉仪的研制，以检测参考镜毫米或微米级的位移来表征测量镜纳米级的微小位移，并利用单波长干涉信号作为标记参考信号，在同一干涉仪中实现了毫米量程测量范围和纳米级精度位移的同时测量，且具有米溯源性。论文详细研究了激光合成波长干涉实现大范围纳米位移测量的方法及其仪器化的相关技术，主要研究工作和创新点如下:
　　1.从激光合成波长干涉纳米位移测量的实际实现方法出发，提出了检测两路干涉信号同时过零位置误差的非线性误差分析方法，建立了被测位移非线性误差分析模型，理论分析和仿真研究了测量镜的初始位置和步进位移与光源椭偏化、偏振分光棱镜偏振泄漏和安装误差等引起的非线性误差之间的关系，对空气折射率测量误差和材料线性膨胀误差进行了理论分析和补偿研究，系统地建立了激光合成波长干涉大范围高精度位移测量的相关理论。
　　2.从非线性误差、共光路抗干扰和死区误差三个方面对不同的干涉仪光路结构进行了分析比较，提出了一种共光路的先分波长后干涉的新型激光合成波长干涉仪光路结构，可有效减小干涉仪的非线性误差、降低死区误差和提高环境抗干扰能力，保证了高精度纳米位移测量的实施。
　　3.针对激光合成波长干涉仪信号特点，设计了基于两路干涉信号同时过零位置检测的小数位移测量方法，并采用线性回归拟合算法，提高了同时过零位置检测精度;提出了根据小数位移测量结果修正软件大数计数的干涉条纹计数新方法，解决了大小数正确结合的问题;采用硬件和软件相结合的大数计数方法对干涉信号进行整周期计数，解决了被测导轨启动或停止时的振荡和被测位移在λ2/2整数倍附近时大数计数容易出错的问题。
　　4.设计了激光合成波长纳米位移测量干涉仪的光路结构、机械结构、干涉信号处理电路、干涉信号检测和控制软件系统，实现了干涉仪的仪器化研制。对研制的激光合成波长纳米位移测量干涉仪进行了稳定性实验、位移测量实验、比对实验和应用实验，验证了干涉仪的可行性、有效性和实用性。实验表明研制的干涉仪达到的主要指标为:测量分辨率0.02nm;以精密工作台位移作为参考时，纳米级步进微米级测量范围时测量精度为1nm，微米级步进毫米级范围时测量精度为7.1 nm-21.4nm，毫米级步进毫米级测量范围时测量精度为37nm-51nm，测量结果与精密工作台的技术指标一致;以国外同类仪器的测量结果作为参考时，在微米级和毫米级测量范围内，研制的干涉仪与国外干涉仪比对结果的标准偏差约为20nm。
　　5.在激光合成波长干涉原理应用方面，提出了基于合成波长检测的激光波长测量方法，将待测激光波长的测量转化为参考激光波长和待测激光波长形成的合成波长的检测;其次，提出了基于合成波长干涉的空气折射率波动测量方法，将测量光路空气折射率的波动转化为参考光路补偿位移的测量;通过理论分析和实验，验证了这些方法的有效性和可行性，为高精度激光波长的检测与校准、空气折射率测量提供了新途径。
　　6.论文较为系统化地研究了精密长度测量技术涉及的位移、激光波长和空气折射率的测量方法及理论。

目录

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摘要

图目录

表目录

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 纳米位移测量技术国内外研究现状

1．2．1 单频激光偏振干涉仪

1．2．2 双频激光外差干涉仪

1．2．3 法布里-珀罗(F-P)干涉仪

1．2．4 X射线干涉仪

1．2．5 光栅干涉仪

1．2．6 各种测量方法小结

1．3 论文研究目的和内容安排

第二章 激光合成波长干涉纳米位移测量理论分析

2．1 激光合成波长干涉纳米位移测量原理

2．2 激光合成波长干涉纳米位移测量非线性误差分析与建模

2．2．1 非线性误差分析方法

2．2．2 激光光源椭偏化非线性误差分析

2．2．3 偏振分光镜偏振泄漏非线性误差分析

2．2．4 俯振分光镜安装误差非线性误差分析

2．2．5 系统总的非线性误差

2．3 本章小结

第三章 激光合成波长干涉仪设计与优化

3．1 干涉仪设计要求

3．2 干涉仪光路结构设计

3．2．1 先干涉后分波长的激光合成波长干涉光路结构

3．2．2 先分波长后干涉的激光合成波长干涉光路结构

3．2．3 共光路的先分波长后干涉的激光合成波长干涉光路结构

3．3 光路结构分析与优化

3．3．1 三种光路的非线性误差分析

3．3．2 三种光路的共光路分析

3．3．3 三种光路的死区误差分析

3．4 机械结构设计及总体装配

3．4．1 各零部件设计

3．4．2 激光合成波长干涉仅总体装配

3．5 环境因素影响分析与补偿

3．5．1 空气折射率分析及补偿

3．5．2 材料温度影响分析与补偿

3．5．3 外界环境干扰因素抑制方法设计

3．6 本章小结

第四章 激光合成波长干涉信号处理方法研究

4．1 干涉信号处理方法

4．1．1 整周期干涉条纹计数方法

4．1．2 小数干涉条纹计数方法

4．1．3 整小数干涉条纹计数结合方法

4．2 基于DSP的干涉信号处理实现

4．2．1 基于DSP的大数计数

4．2．2 基于DSP的两单波长干涉信号同时过零检测

4．2．3 实验验证

4．3 软件系统研制

4．3．1 系统初始化

4．3．2 合成波长测量

4．3．3 位移测量

4．3．4 环境参数测量

4．4 本章小结

第五章 实验结果及分析

5．1 干涉仪的总体调试

5．2 稳定性实验

5．2．1 45号钢零部件光路稳定性实验

5．2．2 殷钢零部件光路稳定性实验

5．3 位移测量分辨率实验

5．4 位移测量实验

5．4．1 纳米级步进位移测量实验

5．4．2 微米级步进位移测量实验

5．4．3 毫米级步进位移测量实验

5．5 比对实验

5．5．1 激光合成波长干涉仪与Agilent 5529A干涉仪比对实验

5．5．2 激光合成波长干涉仪与Renishaw XL80干涉仪比对实验

5．6 仪器测量不确定度分析

5．7 本章小结

第六章 激光合成波长干涉仪的应用研究

6．1 精密工作台定位精度检测

6．1．1 精密直线位移工作台定位精度检测实验(一)

6．1．2 精密直线位移工作台定位精度检测实验(二)

6．2 基于合成波长检测的激光波长测量方法研究

6．2．1 激光波长测量原理

6．2．2 激光波长测量实验

6．2．3 测量精度分析

6．3 激光合成波长干涉空气折射率测量方法研究

6．3．1 空气折射率波动测量原理

6．3．2 空气折射率波动测量实验

6．3．3 测量精度分析

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 结论

7．2 主要创新点

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的相关研究成果

致谢