1、浙江理工大学硕士学位论文 摘 要 着微电子、超精密加工等高新技术的迅速发展，对纳米位移测量技术及仪 量范围大又要同时达到纳米级测量精度的要求。本论文依托于“激光合成波 干涉 仪的研制” 国家自然科学基金 项目（），设计并研制了基于 器件（）的激光合成波长干涉纳米位移测量信号处理系统，实现了大小数计数正确结合的纳米位移测量。 论文在描述了基于合成波长条纹细分原理的基础上，就激光合成波长纳米位移测量干涉仪的信号处理方法的关键技术进行了详细研究，并针对干涉信号在测量过程中发生振荡或抖动及停止位置处出现计数错误的问题，提出了双边沿触发计数的硬件大数计数和软件修正相结合的新方法，完成了该信号处理系统的硬
2、件设计和软件设计，研制并调试成功。硬件 设计主要包括基于的大小数结合计数的各模块、信号预处理电路、电源电路、时钟电路、调试电路和串口通讯电路；软件设计是采用 语言编写的上位机程序。 本论文分别进行了以下实验：（）小数计数位移测量实验：分别以、和为步长进行了测量实验，在测量范围内，测量结果的线性相关系数分别为、和，标准偏差分别为、 吼和；（）大数 计数位移测量实验：在上测量范围内，偏差最大为，小于半个波 长；（）大小数计数相结合位移测量实验：分别以和为步长进行了测量实验，在测量范围内，标准偏差分别为和。上述实验结果表明，该信号处理系统能够满足大范围和高精度测量的要求，具有较高的可靠性和实用性。关
3、键词：激光干涉；合成波长；纳米位移测量；信号处理。 ， （， ） （） ， ， ， ， ， ， ， ， ： （） ： ， ， ， ， ， （） ： ， 肛 （） ： 岬 岬 ， ， ， 学硕士学位论文 录 。 常用的光学细分方法 常用的电子细分方法。 论文研究意义 论文的组织结构及研究思路第二章 测量原理及系统结构 本章概述 基于合成波长条纹细分原理的纳米测量方法 合成波长 合成波长干涉条纹细分原理 合成波长干涉纳米位移测量方法 信号处理系统“ 系统结构及工作原理 主要元件的选择 本章小结第三章 干涉信号处理方法研究。 本章概述 干涉信号处理方法设计 总体方案 干涉信号大数计数 干涉信号小数计
4、数 干涉信号的大小数结合 硬件电路的设计 器件的选择。 预处理电路设计 电源电路设计 时钟电路设计 调试电路设计。 串口通讯电路设计 整体电路原理图 上位机软件设计 本章小结。第四章 实验与误差分析。 本章概述 小数计数位移测量实验一 大数计数位移测量实验 大小数计数结合位移测量实验 误差分析 激光器的 频率稳定性引起的误差 浙江理工大学硕士学位论文 第一章 综述 ）的基本涵义是在纳米级尺度（ 子运动规律和特性，是一门基础研究与应用探索紧密结合的 理学、纳米电子学、纳米机械学、纳米材料科学、 纳米显微学、 纳米测量学和纳米制造技术等。纳米科技是世纪科技产业革命的重要内容之一，是可以与产业革命相
5、比拟的，它是高度交叉的综合性学科。它不仅包含以观测、分析和研究为主线的基础学科， 还包括以纳米工程与加工学为主线的技术科学，所以纳米科学与技术是一个融前沿科学和高技术于一体的完整体系【】。 纳米测量学是纳米科学技术的重要学科之一，其内涵涉及纳米尺度的评价、成份、微细结构和物性的纳米尺度的测量，是在 纳米尺度上研究材料和器件的结构与性能、发现新现象、 发展新方法、创造新技术的基础。纳米测量不仅是世纪纳米科技的关注焦点，更是测试计量领域研究的重中之重。现在纳米级精度的测量已经成为科学发展和工业发展迫切需要解决的问题。其中，举凡精密机械、微机电系统、电子 产业等，都需要高分辨率、高精度位移 传感器，
6、以达到纳米甚至亚纳米精密定位。 纳米位移测量是纳米测量学的最重要分支，它是长度、表面形貌、振动、 应变、折射率等物理量测量的基础，从目前美国、德国、日本、韩国等发达国家的科技项目立项情况来看，世界各国都把大范围高精度的纳米位移测量技术作为本国的一项战略研究计划。可以说， 谁解决了大范围、高精度的 纳米位移测量这个技术难题，谁就掌握了这些高新技术进一步发展的主动权。鉴于纳米位移测量技术的重要性，世界各国都在加强对纳米位移测量技术及仪器的研究，力争在世界纳米技术领域处于领先地位。 国外，特 别是美、日、欧等发达国家均投入相当大的人力和物力予以重点支持。例如：美国公司生产的型激光外差干涉仪（需要说明
7、的是，测量分辨率在以下的该类仪器是美国集成电路生产设备的核心检测仪器，一直对我国禁售），美国国家标准与技术研究院（）研制的分子测量机，、外差式迈克尔逊干涉仪、用于原子力显微镜轴位移测量及外差干涉仪非线性测量的法布里一珀罗干涉测量系统【刀。日本的纳米机械计划研制的单频干涉仪，激光外差干涉仪，? 糜诖蠓段 矫嫘蚊膊饬康难悄擅准端 羟型獠罡缮嬉牵?，用于晶体晶格间距测量的扫描隧道显微镜和激光干涉仪相结合 浙江理工大学硕士学位论文的直接测量仪器【】。英国公司的 型单频干涉仪，英国国家物理实验室（）研制的具有亚纳米级测量能力的激光干涉仪【，大学研制的测量范围微米的射线干涉仪【” 】。德国联邦物理技术研究
8、院（）为集成电路芯片特征尺寸测量而开发的纳米比较仪【、计量型扫描探针显微镜【】、以及带激光干涉仪位移测量的扫描电子显微镜【】。意大利计量研究院（）、德国和英等 联合研制的用于高精度纳米位移测量的激光和射线组合干涉仪（），应用于传感器的校准。英国和德国将扫描隧道显微镜和射线干涉仪相结合，用于光栅结构的测型埽】；把和原子力显微镜（）相结合，以克服扫描探针显微镜（）非线性、不可溯源性及测量范围小的缺点【。韩国科学与标准研究院（）利用混频方法 实现的激光外差干涉仪 和非线性动态补偿零差激光干涉仪【。 我国各高等院校、科研院所近几年来也相继开展了纳米位移测量技术的研究，取得了显著成绩。例如：清 华大学的
9、射线干涉法【、激光频率分裂法【】、外差干涉共焦法【，浙江理工大学与清华大学的合成波长法【，中国计量科学研究院的计量型原子力显微镜【、拍频干涉法【，天津大学的双光纤干涉澍、耦合差动干涉法【、电容测微仪【，浙江大学和中国计量学院的双干涉过零检测法【，中国科学院化学所、北京 电子显微镜实验室、浙江大学、天津大学等研制的原子力显微镜【弓等等，这些研究都获得了纳米或亚纳米级的测量精度。 表各种纳米测量方法的比较 概括国内外的纳米测量方法，可以分为两类：一类是非光学方法：包括扫描探针显微术、电子显微术、 电容电感测微法；另类是光学方法：包括各种激光干涉仪、射线干 的关注。激光干涉仪测量精 ，激光干涉仪都毫
10、无例外对 精度，】。 条纹细分方法，主要分为两 学元件特性的设计来实现；常用的光学细分方法 （）光学倍程法【】 一般的干涉仪是通过测量反射镜位移引起测 量光程二倍于位移的变化，实现二细分。光学倍 程法即利用这种思路设计测量光路，使光线进行 次往返即可 实现次干涉条纹的细分，一种 典型的光路结构如图 所示，图中实现的是 图光学倍程法示意图 细分。这种方法是从光学角度来实现条纹的细分，因此结构简单，但是易受光强损失和偏振态变化的影响， 对光学元件表面的膜层质量和元件的加工精度有很高的要求。一般细分系数在以内。 （）分步调相法】 分步调相可以对干涉条纹小数（即相位差中不 足万的尾数）进行读取。典型的
11、光路如图所 示，干涉仪由偏振分光镜、固定在压电晶体 上的参考反射镜、测量反射镜和检偏器 组 成。 图分布调相光学系统设干涉仪的原始信号表示为： 厶， （） 论文 三次，每步相移后光强为： （） （） 测平面取代测量反射镜，实现对平面形状的测量，可应用阵列器件对光场扫描接收，做出表面的三维形状图形。 这种细分方法要求调制结构的位移直线性和位移准确性较高，但是能够实现的细分系数可以达到，大大高于光学倍程法的系数。 （）磁光偏振光干涉仪 偏振干涉仪中条纹细分原理见图。通过对线偏振光的偏振面进行调制， 检测线偏振光经正交放置的偏振器件后偏振面的变化。其调制信号为（），其中是一个很大的直流量，根据法拉第
12、磁光效应它可以使光的偏振态发生旋转，是产生一 缈的相移；（）是调制项，利用相敏检波电路和二倍频判据可以判断干涉信号的极大值点。再由与一缈的关系就可以计算出与被测位移相对应的角度缈。 图磁光干涉 仪典型光路图 浙江理工大学硕士学位论文 这种细分方法实现的细分系数较大，测量系统的位移测量分辨率可达到亚纳米级，其缺点是测量范围小，所使用的磁光调制器体积较大，调制器的发热会影响测量精度；另外对电子电路的要求较高。常用的电子细分方法 （）电阻链移相细分 】 电阻链移相 细分是应用很广的电子细分技术，主要实现对正余弦模拟信号的细分。其原理是将两个? 辔徊煌 慕槐湫藕攀釉诘缱枇吹牧蕉耍 捎诘缪购铣傻囊葡嘧饔
13、茫 诘缱枇吹母鞯缱璩橥飞辖 玫椒 岛拖辔桓鞑幌嗤 囊幌盗幸葡嘈藕牛 儆眉 闫鞫运 恪 危 憧稍诟缮嫣跷埔桓鲋芷谀诘玫饺舾筛雎龀逍藕哦 锏较阜帜康摹庵窒阜址椒 梢允迪旨甘 郊赴俚南阜帧?（）锁相倍频细分方法 【掣 】 锁相倍频细分方法常用于对精密定位等要求实时采样的测量速度比较快的场合，其特点是：利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位。图为锁相倍频电路的框图，由鉴相器，低通 滤波器和压控振荡器三部分组成。压控振荡器输出信号频率五经分频以后的信号作为反馈信号，和 输入信号石一起送入鉴相器进行鉴相，输出同两信号的相位差成控制电压，经过低通滤波器滤除高频噪声和干扰后，从压控振荡器输出，
14、 经过跟踪使得即氓，完成了倍频。 这种方法存在的问题是系统对锁相环的最大频率和动态跟踪范围要求较高。 图锁相倍频细分电路框图 （）数字鉴相条纹细分法【】 数字鉴相法最常用的实现方式是基于填脉冲原理的相位测量，即采用一定的数字逻辑器件将参考信号和测量信号的相位差和周期取出，分别向其中填入高频计数脉冲和。小数相位缈可以表示为缈，目前这种方法的条纹细分系数可达以上。 浙江理工大学硕士学位论文 （）程序细分方法【 】 程序细分方法，也称软件细分方法、变换细分、变换细分。 这种细分方法是利用计算机具有的运算和逻辑功能来完成对干涉条纹信号的细分。例如干涉信号（和信号）分别经 各自的转换器，转换 成数字量，
15、再经接口电路进入计算机；或者干涉条纹图像经摄像后被送入计算机。计算机通过判别干涉信号的极性和绝对值大小，实现对干涉条纹信号的细分。 该细分方法受测量通道的一致性影响较大，系统直流漂移和信号幅度变化对测量结果有较大的影响。细分系数一般为几十到。 综上所述，各种常用的干涉条纹细分方法得到的细分结果如下：光学倍程法细分系数在以内，且多次反射造成界面多光损失大，偏振态产生不必要的变化，影响测量精度；分布调相法细分系数达到，主要用于准静态干涉条纹测量、三维形貌测量；磁光偏振光干涉仪可达亚纳米级分辨率，但是其测量范围小（几十纳米），且磁光调制器体积及冷却装置体积庞大。软件细分和电阻链细分法细分系数可达几十
16、到，通常应用于直流干涉仪，需要多个探测量；锁相倍频细分达到亚纳米级的测量分辨率，适用于快速测量，受到 锁相环频率跟踪范围限制，影响了相位速度；数字鉴相条纹细分法细分系数达以上，在零相位处测量误差较大，需要精心设计。论文研究意义 近年来，随着微电子、超精密加工等高新技 术的迅速发展，对纳米位移测量技术及仪器提出了既要测量范围大又要同时达到纳米级测量精度的要求，这突出表现在以下几个方面：（）微电子技术领域：超大规模集成电路芯片线宽不断缩小而硅晶片尺寸不断扩大；（）超精密技术领域：超精密加工的定位精度不断提高而运动范围不断增加；（）光存储技术领域：光存储信息点特征尺寸不断减小而存储容量不断增大；（）精密测试计量技术领域：各种扫描探针显微镜、三坐标测量机、激光干涉仪、光栅尺和其他位移 传感器等也离不开大范围高精度的纳米位移测量仪器的校准或标定。由此可看出，以上这些技术领域的基础科学前沿研究，都涉及到了毫米量程大范围内纳米级精度的超精密位移测试计量问题，大范围高精度的纳米位移测量技术及仪器已是制约这些高新技术进一步发展和技术提升的一个瓶颈，已成为精密测量科学当前需要重点解决的关键科学技术问题.
