超精密位移测量系统是光刻机不可或缺的关键分系统之一，而基于激光外差干涉技术的超精密位移测量系统同时具备亚纳米级分辨率、纳米级精度、米级量程和数米每秒的测量速度等优点，是目前唯一能满足光刻机要求的位移测量系统。目前应用于光刻机的超精密位移测量系统主要有双频激光干涉仪和平面光栅测量系统两种，二者均以激光外差干涉技术为基础。本文将分别对这两种测量系统的原理、优缺点以及在光刻机中的典型应用进行阐述。

为实现对双晶单色器角度微振动的原位测量, 设计了基于双频激光干涉仪的双晶单色器晶体角度微振动测试系统, 并搭建了实验平台。激光经干涉计偏振分光后射向被测晶面, 对反射信号调制解调求得晶面两端的位移偏差, 从而高频获取晶面的角度位移信息。通过数据预处理可以有效去除夹杂在数据中的噪声及直流分量, 应用快速傅立叶变换处理得到晶体角度振动的频谱信息, 准确获取对晶体稳定性产生影响的特征频率, 从而分析影响晶体稳定性的主要振源。该方案可实现晶体角位移的高频采集, 分辨率高达25 nrad, 并能准确分析出不同振源影响下晶体微振动的情况, 为单色器结构优化提供参考。

为了解决应用于关节型三维激光传感器的小型谐波转台角度定位精度标定的问题, 提出了一种基于Renishaw双频激光干涉仪的单自由度小型谐波转台旋转角度测量和补偿方法。首先依据干涉仪角度测量原理和光路调节方法, 建立了测量光路系统, 分析了回转台装配误差对角度测量精度的影响并进行了有效调整, 而后提出了小型谐波转台360°范围角度标定的实验方案, 最后通过曲线拟合的方法分析了转台转角误差的测量数据, 总结转台转角误差随位置改变的变化规律, 并将误差补偿函数嵌入控制器中, 对转台的每次运动进行实时有效补偿。实验结果表明: 使用该标定补偿方法能够将小型谐波转台的定位精度提高85%以上, 补偿后的定位误差小于10″。采用该方法能够对小型谐波转台进行小间隔360°标定, 标定后转台满足激光传感器空间精确定位的要求。

为了对光纤阵列测量的高精度显微模板进行精密检测,采用双频激光干涉仪结合显微视觉系统,通过骨架化、腐蚀法、质心法等算法对显微图像进行计算处理,实现模板特征刻线的提取与精确定位.对模板上8条刻度线之间的间距分别进行重复测量和组合测量,实验结果表明重复测量的标准偏差不大于0.07 μm,组合测量的标准偏差不大于0.04 μm.介绍了测量系统构成与工作原理,并对测量过程进行了精度分析,分析结果表明测量过程的极限误差不大于0.10 μm.

尝试在大型衍射光栅刻划机中使用气浮导轨承载金刚石刻划刀具系统运行。气浮导轨同时承担刀具系统的承重与导向任务，由于使用气体作为润滑剂而接近零摩擦状态，可以避免触点磨损及低速爬行现象。分析了气浮导轨工作过程中产生的误差及该误差对刻划刀具运动轨迹的影响，并使用双频激光干涉仪测量刻划过程中刻划刀具运动的直线度误差。测量结果表明，金刚石刀具系统单向行程400 mm 时，该误差约为200 nm，小于使用石英导轨承载刀具系统时的误差，同时在高频振动方面有明显改善。刻制一段79 gr/mm，400 mm×500 mm 的中阶梯光栅，观察其衍射光斑并使用照度计检测得其不同位置杂散光强度为0.2‰~5‰，实验结果表明使用气浮导轨承载刻划刀具可以满足光栅刻划精度要求。

基于Altera公司FPGA芯片,提出了一种基于双频激光干涉仪系统中数字相位计的实现方法。该相位计用于测量系统中被测信号 和参考信号之间的相位差角度,间接测量激光干涉仪的光程差信息。被测信号经过光电接收器以及A/D模数转换成数字信号送到FPGA芯片中,与FPGA内建的查找表参考信号做正交相关法解调运算,得到一组X-Y值,再利用CORDIC算法计算 arctan函数获取相位差,最后计算出干涉仪的光程差,算法的全过程使用FPGA硬件实现。实验结果表明,该相位计使双频激光干涉仪的相位差测量精度在0.01°以内。

作为一种超精密的非接触式测量设备，双频激光干涉测量系统可以在保证纳米级测量精度的情况下实现大范围和高速度测量，因而获得非常广泛的用途。环境是影响激光干涉测量系统测量精度的最大因素，为了获得纳米测量精度，必须对测量环境进行补偿。因此，重点研究了环境补偿技术，并研制了一种新型波长跟踪器，与Edlen经验公式进行对比测试，结果表明新型波长跟踪器具有良好的补偿效果。采用自制波长跟踪器补偿之后，被测运动台伺服精度可达1.61 nm。

设计了一套光栅刻划机刀架系统。该系统将刻划刀具部分安装于能绕鞍形滑块自由转动的安装板上, 利用铰链机构来实现了刀架刻划部分与承重部分的分离, 降低运动中鞍形滑块的变形、偏移等对金刚石刻刀的影响。分析了刀架运动中产生的误差以及该误差对金刚石刻刀的影响。提出了一种新型检测光路结构, 该结构利用双频激光干涉仪测量运动中刀架相对于导向导轨的位移变化。结果显示, 刀架单向行程约70 mm时, 刀架在光栅刻划阶段相对于导向导轨在分度方向的最大位移值约为60 nm。由于在刻划阶段, 膜层对金刚石刻刀存在约束作用, 所以金刚石刻刀相对于导向导轨的实际位移会更小。利用新的刀架结构刻制了一块70 mm×70 mm, 600 gr/mm的衍射光栅, 对比利用原刀架结构刻制的光栅, 该光栅杂散光强度减弱, 质量提高。

针对高精度光电编码器转角精度的检测，提出了一种基于双频激光干涉仪的光电编码器转角精度检测方法，并研制了相应的检测装置。该装置以步进电机为驱动元件，通过减速机构带动被检编码器和角度基准旋转，以Renishaw双频激光干涉仪为角度基准检测仪器，使用Renishaw RX10回转轴校准组件为角度旋转基准，检测精度达1.36″。分别使用该装置和传统手动检测装置对21 bit绝对式编码器进行精度检测对比实验，结果表明，该装置是可行的，且在检测效率、检测精度上均高于传统检测装置。

为了获取高精密双频激光干涉测量中的干涉信号, 完成了一种新的光电探测器电路设计。该探测器利用AD645设计了精密低噪声光电转换前置放大器, 保证微弱干涉光信号的有效接收; 增益可调的主放大器设计保证输出信号足够的动态范围, 适应不同类型的干涉信号处理电路, 双二次型带通滤波器有效抑制了噪声与温漂。结果表明, 研制的光电探测器能完成微弱干涉信号的接收处理, 信噪比高、频率稳定、结构简单易实现, 可应用于高精密比相计等激光干涉仪信号处理装置。