博碩士論文 943207010 詳細資訊




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姓名 李貴宇(Kuei-yu Lee)  查詢紙本館藏   畢業系所 光機電工程研究所
論文名稱 波長調制外差式光柵干涉儀之研究
(Study of wavelength-modulated heterodyne grating interferometer)
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摘要(中) 本論文提出一種新穎的光學量測技術—波長調制外差式光柵干涉儀,一種利用波長調制外差光源結合光柵干涉技術測量面內精密位移的量測方法。所謂的面內位移是指待測物運動方向與量測光束方向為垂直關係。本研究以鋸齒波電流調變雷射二極體之波長配合設定的光程差產生外差光源,並且採用高密度的全像光柵進行面內精密位移量測,配合訊號解調技術,達到高精密度、高解析度與高靈敏度之量測能力,以滿足奈米定位技術的要求。
待測物以5 μm、1 μm、500 nm、100 nm、50 nm及10 nm不同大小的行程分別作出三角、正弦或方波形式的運動,根據量測結果製作盒鬚圖進行統計分析。本系統量測精密度優於5 nm,系統電子解析度優於1 pm,靈敏度為1.728 °/nm,最大可量測位移速度為2.6 μm/s。
最後針對可能影響系統的誤差因素進行討論,分類為內稟性、幾何誤差與環境誤差著眼探討。分別提出對實驗可能產生的誤差量與架設實驗、選擇材料的注意事項。其中內稟性誤差之一的週期性誤差,本論文提出如何以訊號處理的方法有效降低誤差量。
摘要(英) A wavelength-modulated heterodyne grating interferometer is proposed to measure the displacement. A wavelength-modulated light is divided into s and p polarized parts, and these two polarized beams propagate with difference optical path. After combining these two polarized beams, we have the heterodyne light source. Then the heterodyne light is sent to the grating interferometer (GI). The optical phase variation which is induced by the grating movement will be measured by the heterodyne detection. By means of the measured optical phase variation and grating pitch, the displacement of the grating is determined.
The experimental results demonstrate that the proposed system has measurement range up to 5 μm with 5 nm precision. The theoretical predication shows that the sensitivity is 1.728 °/nm and the maximum velocity measuring ability is 2.6 μm/s. The measurement errors, such as the environmental error, the geometric error and nonlinearity error, are also discussed
關鍵字(中) ★ 位移量測
★ 光柵干涉儀
★ 外差干涉術
★ 波長調制
★ 光學量測
關鍵字(英) ★ heterodyne interferometry
★ grating interferometer
★ displacement measurement
★ wavelength-modulated
★ optical metrology
論文目次 摘要 I
ABSTRACT II
致謝 III
目錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VII
符號表 IX
第1章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 文獻回顧 2
1.2.1 波長調制外差干涉術之文獻回顧 2
1.2.2 光柵干涉術之文獻回顧 4
1.3 研究目的 6
1.4 章節介紹 6
第2章 基礎理論 7
2.1 外差干涉術 7
2.2 波長調制外差干涉術 8
2.2.1 雷射二極體 8
2.2.2 波長調制外差干涉術 11
2.3 光柵繞射引入相位 14
2.3.1 多狹縫繞射 14
2.3.2 光柵繞射引入相位原理 17
2.3.3 全像光柵 18
2.4 相位解調 19
2.4.1 相位解調 20
2.4.2 解纏繞現象 23
2.5 小結 25
第3章 實驗架構 26
3.1 元件規格 26
3.2 光學干涉儀架構 27
3.2.1 波長調制外差系統 29
3.2.2 光柵干涉系統 29
3.3 相位解調架構 31
3.4 小結 37
第4章 實驗結果與討論 38
4.1 實驗數據 38
4.1.1 大行程運動:5 μm之正弦與三角形式運動 39
4.1.2 大行程運動:1 μm之正弦與三角形式運動 41
4.1.3 大行程運動:500 nm之正弦與三角形式運動 43
4.1.4 小行程運動:100 nm之方波形式運動 45
4.1.5 小行程運動:50 nm之方波形式運動 46
4.1.6 小行程運動:10 nm之方波形式運動 47
4.2 實驗討論 48
4.2.1 重複性 48
4.2.2 解析度 49
4.2.3 靈敏度 49
4.2.4 速度最大極限 49
4.3 小結 52
第5章 誤差分析 53
5.1 內稟性誤差 53
5.1.1 光柵週期 53
5.1.2 週期性誤差 53
5.2 幾何誤差 58
5.2.1 餘弦誤差 58
5.2.2 多餘光程 59
5.3 環境誤差 60
5.3.1 材料熱物性 61
5.3.2 振動 62
5.4 小結 64
第6章 結論與未來展望 65
6.1 結論 65
6.2 未來展望 65
參考文獻 67
附錄一 LABVIEW相位解調程式 70
附錄二 MATLAB相位解調程式 71
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指導教授 李朱育(Ju-yi Lee) 審核日期 2007-7-12
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