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基于双频激光干涉测量的大行程纳米定位技术及其应用研究

于海利  
【摘要】:大行程纳米定位技术是光栅刻划机制造的核心技术,本文结合光栅刻划机的特点,对基于双频激光干涉测量的大行程纳米定位系统做了较为深入的研究。设计的大行程纳米定位系统包含宏定位、微定位、测量反馈和控制四个子系统,通过宏、微两级的工作方式实现纳米级精度的定位。在第二章中,介绍了丝杠螺母传动的宏定位系统结构、柔性弹簧片+压电陶瓷驱动的微定位系统结构,着重分析了以双频激光干涉仪为基础的测量反馈系统精度,分析结果表明在光栅刻划的环境下,0.15nm分辨力的测量系统短期重复性为2nm,满足光栅刻划机10nm周期定位误差要求。第三章分析了宏、微系统的控制特性。第四章对控制系统进行了研究。第五章给出了一种光栅刻划机运行状态实时监测的方法。总结主要研究内容和取得的成果如下:第一,建立了光栅刻划机的误差模型,该模型描述了定位误差与光栅性能指标之间的关系,同时给出了定位精度求解的计算式,该式是分析光栅刻划机中定位系统精度的基础。第二,建立并辨识得到宏定位系统六阶模型的参数,模型误差小于1.6%。利用传递函数和状态方程分析了系统的可控性、可观性、频域特性和时域特性,分析结果表明该系统适用于光栅刻划机的宏定位。第三,建立并辨识得到微定位系统的二阶传递函数,依据分析结果优化设计了新的微定位工作台,在自振频率不变的情况下增加了阻尼比,提高了系统的动态特性。对微定位系统的实验研究结果表明,在实验室环境下其分辨力优于3nm,摆角校正精度为0.0031″(3σ)。第四,为大行程纳米定位系统设计了传统的PID控制器和基于BP神经网络的控制算法。衍射光栅刻划实验表明两种控制算法的随机刻槽误差分别为7.548nm(σ值)、4.17nm(σ值),平均刻槽误差分别为0.23nm(σ值)、0.16nm(σ值),周期刻槽误差分别为0.04322nm、0.01nm,控制系统校正了光栅刻划机的周期误差,并提高了刻划光栅的波前质量和杂散光指标。其中,基于BP神经网络的控制算法可有效消除系统在几百小时刻划中引起的非线性误差,增加了系统的鲁棒性。第五,设计了宏定位实时补偿控制环路,解决了控制系统的积分饱和问题,提高了定位系统的稳定性。第六,依据衍射光栅光谱成像理论,得到利用波前误差求解衍射谱分布的归一化计算式,提出利用泽尼克多项式求解衍射光栅分辨本领的方法,对比实验结果表明该方法的求解误差小于4.42%。同时将该方法应用于光栅刻划机运行状态实时监测,可提高光栅刻划机的运行效率。


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