光栅干涉仪的运动误差原理

本文应用衍射光栅干涉仪的半波相位差面原理模型,说明光栅摆动误差引起的干涉条纹变化情况,进而分析得出光栅干涉仪运动误差公式。可作为设计和应用此种干涉仪的依据之一。     

一种二维光栅干涉仪的研究

本文描述了一种以二维正交反射光栅为计量基准元件,以透射光栅为分光元件的二维光栅干涉仪,从研究光栅表面的光扰动出发,分析了这种干涉仪的原理及所用光栅间的匹配关系,通过实验分析了干涉仪的调整方法及主要误差,实验结果表明：这种新型二维光栅 的精密线值计量方面有着良好的应用前景。     

光栅复制拼接光路中入射光角度对拼接误差的影响

设计了一种基于干涉检验法的复制拼接光栅测量光路。针对光栅复制拼接光路中入射光角度难以精确测量的问题,分析了光栅拼接实验中入射光角度对光栅拼接的影响。建立了光栅拼接误差模型,分析了五维拼接误差的容限要求。按照光栅复制拼接光路的要求,设计了一种干涉仪角度调节装置。根据误差模型和拼接光路分析了500mm×500mm大尺寸中阶梯光栅复制拼接光路中入射光角度误差与拼接误差的关系。结果显示:入射光角度误差为1°,拼接光路中绕x轴,y轴的转动误差Δθx,Δθy和沿z轴的位移误差Δz的计算值与实际值之间分别相差0.002 1μrad,0.003 3μrad和0.348 2nm时,引起波前差为2.590 1nm。根据这一计算结果,给出了干涉仪角度调节装置的设计指标,即设置角度调节分度为0.1°时,可满足大尺寸光栅复制拼接要求。     

超精密外差利特罗式光栅干涉仪位移测量系统

开展了扫描干涉光刻机工作台超精密位移测量的实验研究,以提高扫描干涉光刻机的环境鲁棒性。针对扫描干涉光刻机工作台位移测量精度,提出了新型高环境鲁棒性外差利特罗式光栅干涉仪测量系统。介绍了系统测量原理,设计了测量系统,提出了基于Elden公式的系统死程误差建模方法。设计制造了尺寸仅为48mm×48mm×18mm的光栅干涉仪。基于误差模型计算了死程误差,计算结果表明:对于1.52mm死程的光栅干涉仪,宽松的环境波动指标(温度波动为0.01℃、压力梯度为±7.5Pa、相对湿度波动为1.5%、CO2含量波动为±50×10-6)仅引起±0.05nm的死程误差。最后,设计了基于商用双频激光平面镜干涉仪的测量比对系统,开展了光栅干涉仪原理验证实验和测并量稳定性实验。原理验证实验表明:光栅干涉仪原理正确且系统分辨率达0.41nm。测量稳定性实验表明:常规实验室环境下,环境波动引起的死程误差为7.59nm(3σ)@0.9Hz1~10Hz,优于同等环境条件下平面镜干涉仪的31.11nm(3σ)@0.9Hz1~10Hz。实验结果显示系统具有很高的环境鲁棒性。     

空间分离式外差二自由度平面光栅干涉仪

为了实现平面二自由度位移测量,设计并搭建了空间分离式外差二自由度平面光栅干涉仪,并对所设计的光栅干涉仪的光学结构、测量原理、面内旋转安装误差补偿等进行了研究。基于平面光栅衍射特性和空间分离式外差光栅干涉结构设计并搭建了具有对称性的测头光路,结合实际光学器件的特点,利用琼斯矩阵分析了二自由度测量原理与显著降低周期非线性误差的特性。通过实验测定了光栅面内旋转安装误差以便于应用旋转矩阵对测量数据进行解耦。随后利用矩形和圆形轨迹分别验证了两测量轴在各自和同时运动的情况下,所设计的平面光栅干涉仪的测量能力。实验结果表明,在解耦补偿0.350°的光栅实际面内旋转安装误差的前提下,该空间分离式外差二自由度平面光栅干涉仪能够实现压电位移台30μm内的位移测量,主要由机械振动等因素引起的误差不超过0.15μm。本研究将空间分离式外差光栅干涉仪的测量维度拓展到了平面二自由度。     

衍射光栅自刻法

本文介绍以被刻光栅本身作为分度基准刻划长衍射光栅的新方法:先用原基准信号控制机器,在一个长毛坯的前端刻出一段光栅,用这段光栅构成新的干涉仪以产生“自刻信号”,然后再以自刻信号控制机器接着刻划光栅后面的部分。还分析了转接误差对自刻光栅的影响,得出刻划长度和误差累积的关系。简单介绍了实验方案、装置、实验结果等。所刻样品光栅的衍射波阵面干涉条纹在转接处看不出错开和弯曲,实测分辨本领达到理论值的90%(半宽法)。     

集成双光栅干涉微梁位移测量方法

介绍了一种基于集成双光栅干涉和CCD图像测量的微梁位移测量方法,并利用相位差约为π/2的一组光栅实现了扩量程位移检测。利用表面牺牲层工艺制作敏感芯片,在玻璃基底上刻蚀深度约为入射激光波长1/8的凹槽,凹槽上下的两组光栅与正上方对应的梁分别构成两组相位敏感集成光栅单元。利用1级衍射光将集成光栅单元成像在CCD靶面上,梁的位移变化通过CCD图像上对应光斑的灰度值变化来反映。实验结果表明,虽然玻璃凹槽腐蚀深度的误差导致光栅之间的相位差偏离π/2,但所制作的集成双光栅结构实现了多周期的扩量程位移检测,通过接近π/2相位差的两个光栅得到的光强信号的错峰使用,避免了干涉法正弦位移检测信号的峰谷不灵敏位置,实验测得微梁的位移变化为650nm。     

衍射光栅刻划机的高精度开环定位系统

本文介绍以８０３１单片机为核心研制成的衍射光栅刻划机的开环控制的高精度定位系统。系统中采用了光栅干涉仪、程控放大器、干涉条纹细分和马达分级调速等方法,本系统既具有闭环控制的高精度特点,又具有开环控制简单、易操作等优点。实用表明：该系统控制的刻划机的定位精度σ＝３．６ｎｍ,最大定位误差为１４．６ｎｍ。     

精密衍射光栅信号的椭圆拟合与细分校正算法

讨论了对相位差为非严格 90°的衍射光栅干涉条纹两路正弦信号的椭圆拟合算法的实现 ;提出了基于光栅正弦信号实际相位差进行残余相移识别的软件细分校正方法 ;分析了常规软件细分处理方法的缺陷并对常规细分处理方法所引起的测量误差进行了仿真。测量系统稳定下的噪声测量实验证明了本文提出的细分校正方法在提高光栅测量精度方面的有效性     

高精度衍射光栅干涉式测量系统的主要误差分析与仿真

设计了一种高精度位移传感器——衍射光栅干涉仪系统。该系统利用半导体激光器作为光源,衍射光栅作为长度标准,其光学原理可以利用多普勒效应来阐述。给出当光栅存在沿X向、Y向上的位移偏差和绕X轴、Y轴和Z轴的转动误差时,引起干涉条纹质量变化和测量误差的定量关系,为测量系统在实际应用中进行误差修正提供依据。经分析可知,光栅沿X轴(光栅运动方向)、Y轴(光栅刻线方向)和Z轴的偏移几乎不会导致条纹信号变化;当光栅沿着X轴旋转时,条纹方向和间隔均发生了变化;当绕Z轴旋转时,条纹间隔没有变化但是方向发生了变化;当沿X轴和Y轴旋转后,条纹位置分别向右和向下移动。光栅沿Z轴移动误差小于0.05mm,绕X轴和Z轴旋转误差小于0.002rad,绕Y轴旋转误差小于0.005rad时,满足测量范围为1000mm时,精度为±3μm测量的要求。     

长波红外差分干涉仪光栅低温安装结构设计与优化

长波红外差分干涉仪在低温工况下会因光学元件受到非均匀应力作用产生干涉条纹的畸变,从而降低干涉仪系统性能。本文为解决低温工况干涉条纹弯曲畸变问题,基于长波红外差分干涉仪光机系统进行了干涉条纹畸变影响因素分析,结合光-机-热耦合分析方法,对干涉仪系统低温工作状态进行仿真。随后设计了针对影响条纹畸变的关键元件——光栅元件的低温微应力动态稳定支撑安装结构,结构优化后的光栅表面面形均方根（Root Mean Square, RMS）值为3.89×10-2 nm,面形峰谷值（Peak to Valley, PV）值为2.21×10-1 nm,分别较优化前初始系统的分析结果减小了5个数量级,系统仿真干涉条纹畸变小于1个探测器像元。全系统低温验证试验表明,优化结构可有效抑制干涉条纹畸变,畸变量小于2个探测器像元,试验与仿真计算结果一致性较好,验证了优化分析方法的有效性。该优化方案对提升反射式光学系统结构低温稳定性,提高系统工作能力有较大意义和价值。     

光栅信号自适应调理系统设计

实际光栅干涉位移传感器输出正余弦信号由于光路、电路、环境误差的影响,存在非正交误差、不等幅误差和直流漂移误差,进而影响到位移传感器的计量精度。为了提高传感器的计量精度,本文设计了一种由微处理器、ADC、数字电位器及运算放大电路等构成的光栅信号自适应调理系统,采用硬件电路配合算法来实现光栅信号误差的实时调理。试验证明,该自适应调理系统对光栅信号误差具有较好的调理效果,能够显著改善信号质量,提高传感器的计量精度。     

基于最小二乘法的光栅干涉传感细 分误差校正研究

针对纳米级分辨率光栅干涉传感中存在的细分误差问题,对光栅干涉传感的细分原理、传感信号中的噪声以及非线性误差等方面进行了研究。采用数字细分方式,对传感光电信号进行了数字滤波处理以降低噪声信号干扰,对传感信号中存在幅值波动、直流电平漂移以及相位非正交性等缺陷建立了非线性误差模型,并基于最小二乘原理提出了一种非线性误差修正方法;利用纳米二维定位平台对光栅干涉传感系统进行了测试。研究结果表明:在50 nm步距以及200 nm步距两组等位移量连续测量的测量列中,非线性误差修正后测量列的标准差较修正前均有显著的降低,说明光栅干涉传感信号经非线性误差修正处理后可以较明显地校正细分误差,提高细分精度。     

非平衡光纤干涉仪臂差精确测量方法研究

为实现对光纤干涉仪臂差的精确测量,提出了一种采用基于F-P调谐滤波技术的光纤光栅解调系统来精确测量光纤干涉仪臂长差的方法.简要介绍了F-P调谐滤渡法的渡长解调原理,通过分析非平衡迈克尔逊干涉仪的工作原理,指出了输出干涉谱与臂差之间的关系,进而分析了光纤光栅解调仪对干涉仪臂差进行精确测量原理.实验表明该方法可以实现对干涉...     

用于实时大气补偿的径向光栅剪切干涉仪

本文介绍了一种用于实时大气补偿的波前探测装置——径向光栅剪切干涉仪。讨论了它的一般原理及其应用;分析了光栅原理;给出了光电比相测量系统。最后,讨论了此种干涉仪的精度。     

纳米精度外差式激光干涉仪非线性误差修正方法研究

提出一种外差干涉非线性误差修正方法,采用混频技术将光频信号降低到通用数据采集系统频率响应范围内;采用高速数据采集板实现外差干涉测量信号和参考信号双通道同步实时采集;对采集数据进行光滑处理,滤除高阶非线性误差;解出位移量对应的相位差。试验结果表明,所提出的修正方法可以较好地修正双频激光干涉仪中存在的非线性误差,使外差干涉仪测量不确定度由原来的20nm降低到10nm。     

大口径莫阿全息泰曼干涉仪

本文提出了用全息光栅作光束分束器的大口径莫阿全息泰曼干涉仪。文中采用莫阿技术消除仪器的综合误差,以莫阿条纹代替通常的双光束干涉条纹,降低了对仪器中各光学元件的精度要求,是一种高精度低成本的新颖干涉仪。     

用于线值计量的光栅式双光束干涉仪

本文阐述了由衍射光栅和分光棱镜构成的干涉计量装置的干涉光路、干涉条纹的形成及条纹定位面,相位的调制原理。还讨论了本干涉系统与莫尔条纹系统的区别并作了比较。     

光栅分光干涉法测量磁盘平面度

本文提出了一种用光栅分光干涉法测量磁盘平面度的非接触式测量方法。它是利用迈克尔逊干涉对磁盘的径向轮廓进行绝对测量;利用光栅衍射的零级和一级光的互干涉对磁盘的周向轮廓进行相对测量。通过数据处理将两者联系起来得到平面度值。该测量原理的优点是:减少外界条件变化的影响和磁盘转动过程中轴本身的摆动及跳动的影响,反映真实的平面度值,使测量达到高精度,本文叙述了对该方法进行的理论分析及实验研究。     

同心圆光栅二自由度误差测量系统

提出了一种基于同心圆光栅莫尔条纹图象处理的超精密二自由度误差测量(TDFM)方法,介绍了该测量方法的基本原理,包括同心圆光栅莫尔条纹产生机理、三光栅光学系统原理、影像光学原理以及CCD莫尔条纹图象处理的方法.通过实验对实际测量系统进行了分析与标定,并将测量结果与双频激光干涉仪进行了比较.结果表明该测量方法可实现超精密二自由度的误差在线测量及补偿,测量精度优于0.1μm.