激光干涉测量中的误差分析与补偿

　　0　引言

　　随着半导体技术及微电子技术的迅速发展,对精密加工技术及零件加工精度的要求也越来越高。定位误差是影响加工精度的主要因素,而高精度的在线测量系统又是降低定位误差的技术关键。传统的非光学测量方法虽然能够实现纳米甚至亚纳米的测量分辨率,但在溯源到米定义时,仍然需要利用激光干涉仪等光学方法进行标定和校正[1]。因此在现代超精密加工设备中,普遍采用纳米级分辨率的双频激光干涉仪进行高精度位移测量。

　　由于激光干涉测量的分辨率相当高,测量过程中的各种误差都将直接影响最终的测量精度,因此必须从激光干涉仪自身固有的系统误差、安装过程及运动过程中所引起的阿贝与余弦误差、测量环境变化所致的环境误差以及测量系统自身所存在的电路延时、测量数据滞后导致的延时误差等方面分析其误差来源,并进行补偿。本文结合具体项目所使用的双频干涉仪,介绍了双频激光干涉测量原理,并在此基础上从以上各方面对激光干涉测量的各种误差进行了分析,并给出了相应的补偿方法。

　　1　测量原理

　　双频激光干涉仪是一种增量式的测长仪器。它将测量反射器与被测对象固联在一起,通过测量反射镜相对于参考反射器的位移来反映被测长度,其测量原理为多普勒频移效应。现以美国Agilent (前身为HP)公司生产的双频激光干涉仪为例介绍其基本原理[2]。

　　该公司的双频激光干涉仪采用自制的塞曼双频激光器作为光源,激光器输出两种频率f1、f2的双频激光,经准直后经1/4波片变为垂直和水平的两个线偏振光,一部分被分光镜反射进入参考光接收器,以取得频差为f1-f2的参考信号,用作测量基准,另一部分作为测量光束进入干涉镜,如图1所示。

　　进入干涉镜后的光路如图2 (a)所示。

　　在双频激光测量系统的实际应用中,运动精度要求极高,因此采用了平面反射镜干涉仪,即移动反射镜为平面反射镜,而非一般干涉测量仪所用的角锥棱镜,如图2 (b)所示。采用平面反射镜时,测量光束光程变化为反射镜位移变化的4倍,与一般的双频干涉测量仪相比,精度提高了一倍。

　　当反射镜随被测对象一起移动时,产生的多普勒效应使得f1发生变化。由图2 (a)可知从干涉镜射出并被测量光接收器接收到的光频分别为f1±2Δf和f2,频差为f1±2Δf-f2。

　　通过与参考光接收器获得的参考信号相比较,可得到f1的频率变化Δf,该变化量包含了被测对象的运动信息,其值可用下式表示:

式中:c为光速,v为测量反射镜移动速度,f1为光频。

　　上式对时间积分可得到反射镜移动的距离L: