摘要：

本文以光刻机超精密测量需求为背景,论述了一种二自由度光栅干涉仪测量系统.分别对光栅干涉仪的光路结构和测量原理进行了介绍和推导,并基于外差相位解算方法对光栅干涉仪测量原理进行了验证;提出了一种基于光学软件ZEMAX的信号对比度和位移测量仿真方法,在此基础上分析了光栅干涉仪进行转动测量时光栅角度转动对信号对比度和位移测量的影响;最后提出了基于蒙特卡洛模拟的公差评价方法和基于最小加工难度的公差优化分配方法,并得到测量读数头中各光学元件的最优角度公差带.论文所提出的基于ZEMAX的仿真方法具有通用性,建模简单,可进行动态信号仿真,准确性高等特点.本文具体的工作如下:针对本文论述的一种二自由度光栅干涉仪,提出了一种基于光学仿真软件ZEMAX的仿真方法.该方法通过ZEMAX和MATLAB的配合使用,可进行光栅干涉仪动态信号仿真,从而可进行干涉仪信号对比度和位移测量的仿真分析.通过实验验证了该仿真方法的正确性,并成功搭建了二自由度光栅干涉仪实验平台,利用外差解算方法完成了测量原理验证.在光栅干涉仪进行转角测量过程中,测量光栅的角度转动会直接影响信号对比度,进而影响信噪比.根据信号对比度仿真方法,分析了光栅干涉仪中测量光栅角度转动对信号对比度的影响,并分析了光栅存在多角度耦合情况下的情况.为了约束光栅干涉仪尺寸,必须进行集成型光栅干涉仪的加工,而其加工公差的大小会影响最终的信号对比度.目前,尚未有针对光栅干涉仪加工公差的相关研究.因此,本文根据信号对比度仿真方法,提出了基于蒙特卡洛模拟的公差评价方法,利用BP神经网络进行了信号对比度与光学元件角度偏差关系的拟合.结合上述研究内容,提出了基于最小加工难度的光栅干涉仪公差优化分配方法,并以此得到光栅干涉仪测量读数头中各光学元件的最优角度公差带.

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