雙波長二維光柵納米級平面位移測量方法的研究

《雙波長二維光柵納米級平面位移測量方法的研究》是依託中國人民解放軍國防科技大學，由顏樹華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：雙波長二維光柵納米級平面位移測量方法的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：顏樹華
• 依託單位：中國人民解放軍國防科技大學

中文摘要

納米測量是先進制造業發展的關鍵技術，也是整個納米科技領域的先導和基礎。本項目提出了雙波長二維光柵納米級平面位移測量方法，利用二維光柵的兩組正交衍射光實現兩個方向的位移測量，以消除兩套獨立的一維測量裝置安裝時堆疊式結構帶來的阿貝誤差和兩軸向之間的垂直度偏差；採用雙波長雷射，給干涉條紋隨位移（或時間）的變化引入一個載波，使普通光柵測量的直流信號系統轉變為交流信號系統，大大增強系統的抗干擾能力和穩定性。通過研究干涉場特徵信號變化與平面內位移量的對應機理、x和y兩方向的測量參數耦合機理及解耦算法、二維光柵衍射特性對測量精度的影響機理、測量誤差分析及性能綜合評估等關鍵科學問題，構造高精度、高集成度、抗干擾性強且具有較大量程（如40mm*40mm）的外差式光柵干涉平面位移測量系統。其研究成果將提高我國超精密加工中較低價位納米級測量儀器的自主創新能力，對進一步推動先進制造技術的發展具有重要的現實意義。

結題摘要

納米測量是先進制造業發展的關鍵技術，也是整個納米科技領域的先導和基礎，對國民經濟發展與科技進步具有重要意義。本項目首次將雙波長雷射與二維光柵相結合，構造了具有大量程、高精度、高穩定性特點的外差干涉納米級平面位移測量系統。提出了一種基於對角線衍射級次的二維外差干涉光柵位移測量方法，配合所提出的解耦方法與交叉光柵，保證了高光學細分、高對比度與高信噪比的同時獲得。提出並研製了基於單層和雙層交叉矩形結構的兩種二維計量光柵，分別利用掩膜光刻方法和全息光刻方法對其進行了製作，並實驗驗證了所製作二維光柵的有效性。研製了雙波長二維光柵納米級平面位移測量系統，分別利用線性位移、平面位移、直線度、穩定性實驗對其進行了測試，結果顯示其測量量程為60mm*60mm，X與Y方向的位移解析度均為0.125nm、小量程重複性分別為2.2nm與2.5nm、10分鐘下的系統穩定性分別為4nm和6.5nm，且可以有效實現X與Y方向的直線度誤差測量。同時建立了包含二維光柵橫滾角、俯仰角、偏航角、非正交角在內的幾何誤差通用數學模型，定量研究了餘弦誤差與耦合誤差同各誤差角、衍射級次、衍射次數和光學細分倍數的關係。提出了一種將自標定與比較式標定相結合的二維系統幾何誤差補償方法，並實驗驗證了所提出方法的有效性。以上研究成果有助於提高我國超精密加工中較低價位納米級測量儀器的自主創新能力，對進一步促進先進制造技術的發展具有重要的現實意義。