一种用计量光栅实现2nm测量分辨率的新方法

　　1概述

　　随着科学技术向微小领域的不断深化和纳米技术的快速发展，最近}一年来沂}一量光栅技术也逐渐向纳米领域靠近”，2{。要把不}一量光栅技术推进到纳米量级，实现纳米级的测量分辨率，有两个基木的努力方向:提高光栅的刻线密度和提高莫尔条纹信号的细分份数。

　　目前，用十精密测量的长光栅的栅距基木上都在20 N,m至1 N,m之间，要想在保证线条质量和精度的前提下进一步提高光栅的线密度，不仅土艺上很难实现，而日‘栅距与光波波长相当的光栅在信号的拾取和使用上也存在诸多困难。因此，用进一步提高光栅线密度的方法来获得高分辨率的潜力是有的。

　　随着电子儿器件制造技术和不}一算机技术的快速提高，发展新的适合十纳米测量应用的莫尔条纹信号细分处理技术成为将光栅测量的分辨率和准确度提高到纳米量级的最有效途径。

　　木文提出了一种利用正切函数在零点附近的小范围内线性度非常好的特点，对n-算机正切细分法进行扩展，在信号处理电路中设不「出一个量程比较小的精测档，以获得更高的测量分辨率和测量精度的新方法，并对之进行了实验验证，实验表明，该方法能够获得非常稳定的2nm的测量分辨率。

　　2计算机正切细分法及其扩展

　　2.1 算机正切细分法的基木原理

　　利用}I-算机实现数字化细分是光栅纳米测量中提高测量分辨率的卞要手段。设莫尔条纹信号的长度周期为u}, VII路相位分别相差900的光电信号为Sn} S}n} Sia。和-}n通过A/D转换电路，将上述U }I路信号进行数字化并输入不}一算机，求出正切值:

　　于是求得信号相位角:

　　就可得到光栅副的细分位置:

　　在n算s-},a,时一，公式中的减法，可以消除或减小光电信号及其放大电路的直流电平漂移对测量结果的影响;公式中的除法，可以消除或减小光电信号及其放大电路的信率漂移对测量结果的影响。同时一，s-},a、中又隐含了全部的确定的相位信息。

　　上述信号处理方法称为不}一算机正切细分法，’已消除或减小了一部分系统误差因素，提高了细分的稳定性和可靠性。因此，当光电信号的质量达到一定的要求时一，适当地运用}I-算机正切细分法，能够非常稳定地获得iooo份的细分份数。木文实验中所采用的光栅纳米测微仪的精测档就运用了这种细分方法，光电信号的长度周期为l o N,m，可以得到lOnm的测量分辨率。

　　2. 2 计算机正切细分法的扩展

　　图1所不为正切函数曲线。从图中可以看出，正切曲线1的线性度很差，而日在1 90}附近的斜率变得极大，这对细分的稳定性非常不利，更不利十系统误差的补偿和修正。这个弱点限制了不l一算机正切细分法的实际有效细分份数的进一步提高。