直线度测量中往往存在有限的测量范围、精度低和阿贝误差等问题。本文提出了一种高精密直线度外差干涉测量装置, 该装置由Koester棱镜、角锥棱镜、1/4波片、楔面棱镜和楔面反射镜构成。楔面棱镜为直线度传感元件, 角隅棱镜和楔面反射镜是测量信号的回光元件。双频激光信号进入直线度干涉仪后组成几何空间对称四光路测量信号。四路测量光走过几乎完全相同的路径有效地提高了干涉仪的稳定性, 并且使空程误差最小化。使用楔角为1°的楔角棱镜和2π/512细分的相位计, 直线度测量分辨力为17.71 nm。该方法不需要与行程同长的大反射参考镜, 但同样能实现高分辨率, 理论和实验证明空间对称测量结构避免了由俯仰, 偏转和滚转角引起的阿贝误差的串扰, 而且光学元件少, 结构简单, 方便易用, 结果可以直接溯源到米的定义。

外差激光干涉仪由于测量精度高,环境适应能力强和实时动态高速测量等特点而广泛应用于机床误差的实时监测中。外差激光干涉仪中,使用平面镜作为转向装置时,接收器上的两束光有可能只是相交而不是重合,这给光路的调节增加了很大的难度。针对这一问题,提出一种辅助光路调节方法,先将光路切换到单频干涉仪,调好光路,再切换到外差干涉仪,利用单频干涉条纹的直观性能可看出外差干涉仪光路调节的好坏。理论分析和实验结果表明，提出的调节方案具有可行性,效果良好,同时通过从单频切换到双频能更深入地理解拍频。

为了实现工业中较大直线位移上的滚转角快速测量, 设计了一种基于激光外差干涉技术的几何空间对称四光路滚转角测量系统, 并针对缺少滚转参数的较大行程位移台, 进行了滚转特性测量试验。试验证明, 几何空间对称四光路滚转角测量系统稳定性好, 抗干扰能力强, 不仅有效消除了其它自由度误差的串扰, 还能够高效地测出不同精度直线位移台的滚转特性, 并灵敏地再现了直线位移台工作条件发生改变时工作台滚转角变化。使用常用的2π/512细分的相位计和宽度为120 mm的楔面反射镜, 系统角测量分辨率为0.8″, 最大可测行程达到6 m。若将相位计细分提高100倍, 滚转角的测量分辨率将达到0.008″。当楔面反射镜宽度提高1倍, 最大可测行程超过10 m。

所有的机械导轨运动副都具有三个回转自由度或称作为角运动误差,包括俯仰角、偏摆角和滚转角误差，其中滚转角由于其产生的特别原因，而最难测量。针对现有的以对称的双楔角棱镜和对称的双楔面反射镜组成的滚转角测量干涉仪，提出了利用单楔角和单楔面反射镜的高精密滚转角测量干涉仪系统。由于系统所需光学元件较少，在实现相同测量分辨率的情况下，更有利于光学元件的加工和安装调试。系统中不同频率的两束光的传播路径相互平行，因此能够有效地减小死程误差和排除其他自由度的干扰，系统稳定性更好。使用普通的2π/512 细分相位计，滚转角测量分辨率为2 μrad。

针对以往文献提出的探测非线性误差方案比较复杂,通常不容易实行的缺点,设计了一套简单有效的系统,用以区分由光源偏振态非理想和偏振分光镜(PBS)漏光引起混频造成的非线性误差.实验结果表明,光先后两次经过PBS后漏光分量将会大大减少,相对于由光源非正交分量引起的混频误差可以忽略不计.为了最大限度地减小安装误差,提出了一种切实有效地调整PBS的方法,确保入射光水平分量的偏振面平行于偏振分光镜的参照面,并以布儒斯特角入射.

针对传统差分平面镜干涉仪结构复杂、需要光学部件多从而导致系统调试困难、测量信噪比低等缺点，提出了一种结构简单需要光学部件少的新型差分平面镜干涉仪系统。此干涉仪能够产生对称的空间四光路，对环境因素（湿度、温度及大气压）的变化有很好的抗干扰能力，测量分辨率高。如果附加其他光学元件，可轻易实现对偏摆角、微滚转角、直线度等几何量的测量。静态状态下，其位移漂移小于1 nm，而同等条件下传统迈克耳孙干涉仪漂移大于10 nm。基于此系统的精密角度测量干涉仪，使用电子细分为2π/516的相位计，可以得到0.024 μrad的测量分辨率。

基于衍射光探测的套刻测量技术(DBO)具备高分辨率、高精度及低的工具引起编差(TIS)等显著优点，已逐步取代传统基于成像的套刻测量技术(IBO)，成为大规模集成电路22 nm及以下工艺技术节点所广泛采用的套刻测量方式。相较IBO技术，DBO技术面临的最大问题是标记成本高，测量时间长。IBO技术仅需使用单个标记测量x、y两个方向的套刻误差，而DBO则需要分别使用x、y两种方向的一维光栅实现测量，且每个方向至少需要2个标记。提出一种基于二维周期结构标记衍射光探测的套刻测量方法，使用严格耦合波分析(RCWA)算法建立标记衍射光的物理模型，通过分析该方法测量套刻的灵敏度、主要测量误差，验证该方法的可行性。二维DBO测量方法的应用，将使标记成本和测量时间比传统的DBO方法减少一半，显著降低DBO测量的成本并提高测量效率。

介绍了一种用于在线检测纳米定位平台的全自动六维纳米测量系统。提出了整波长干涉测量方法, 可以避免激光干涉仪的非线性影响, 使系统能够得到准确校准, 达到纳米级精度。该测量系统可以测定6个自由度, 三维直线运动测量范围为100μm×100μm×100μm, 分辨率能够达到1nm以下。

为了得到准确的光谱测量结果, 对AvaSpec-2048微型光纤光谱仪进行了标定实验设计。根据标定实验结果, 采用两种不同的数学算法, 使用MATLAB软件, 得到了标定方程和拟合曲线。为了验证标定结果的准确性, 设计了验证实验, 通过对比验证实验结果得到最佳标定方程。

外差激光干涉仪能够通过光波细分达到亚纳米分辨率，因而在科学研究和精密机械制造中得到了广泛应用。然而，由于光学系统中不可避免的缺陷，导致被测信号中出现一个附加的相位误差，使测到的相位移和被测长度不呈线性关系，成为现有激光干涉仪难以逾越的精度极限。为此，通过光学相位补偿理论的研究得出一种消除激光干涉仪非线性误差的方法，它可以应用在大部分科学实验和工业制造中的纳米长度测量中，而且不论是一阶或二阶误差都可以通过这个方法被消除。