（精密仪器及机械专业论文）高精度定位平台标定技术.pdf

摘要 高精度定位平台标定技术是对高精度平台的定位结果进行测量和分析。高精 度定位平台是m e m s 精密作业装备中的关键部分，主要实现装配过程中的纳米 级精度和分辨率的精微调整。随着m e m s 技术的发展，显微镜下的手工装配已 不能满足m e m s 批量化和产品化的要求。因此m e m s 精密作业装备是m e m s 研究和开发的重要基础。所以高精度定位平台对于徽电子工业发展也有着非常重 要的作用。通常对于如此高精度的定位平台，都要有一定精度的计量设备予以标 定，对于这种标定技术的研究成为了更加关键的问题。 高精度定位平台的标定技术主要涉及微位移测量技术和平台标定技术这两 个方面。本文的研究也是从这两个方面展开的，主要包括以下三个部分： 1 、概述了高精度位移测量和定位技术的国际国内发展情况，介绍了多种微 位移测量和定位方法，并对它们各自的优缺点进行了总结和比较。在此基础上， 对光学测量方法中的激光干涉仪技术进行了论述，对目前世界上较先进的激光干 涉仪性能进行了分析比较。 2 、阐述了激光干涉仪的微位移测量原理，并比较了双频激光干涉仪和单频 激光干涉仪的优缺点。对于激光干涉仪在测量过程中将出现的各种误差进行了分 析研究。 在以上各种工作的基础上，为本课题选定了微位移测量仪器为东京精密生产 的单频激光干涉仪测量系统l l m - 2 0 b 。 3 、以单频激光于涉仪l l m - 2 0 b 为中心，建立了标定测量系统。阐明了系 统设计原理。对系统的各种误差提出了补偿方法，确定了误差的大小。提出了系 统的标定工作重点，并对标定系统本身的标定方法进行了分析。 最后在这些工作的基础上，搭建了标定测量系统的初步实验平台，介绍了实 验的初步情况。 关键词：高精度定位平台，微位移测量，激光干涉仪，误差分析与补偿，标 定技术 a b s t r a c t c a l i b r a t i o nt e c h n o l o g yo f h i 曲- p r e c i s ep o s i t i o n i n gt a b l em e a n s t h em e a s u r e m e n t a n da n a l y s e so ft h ec o n c l u s i o nt h a th i g h - p r e c i s ep o s i t i o n i n gt a b l eh a sa r r i v e da t h i g h p r e c i s ep o s i t i o n i n g t a b l e p l a y s a n i m p o r t a n t r o l ei na c c u r a t e m e m s m a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t s a n di t m a i n l y e x e c u t e st h ea c c u r a t e m i c r o a d j u s t m e n t s o fn a n o m e t r i c a c c u r a c y a n dr e s o l u t i o ni n m 匠m s a s s e m b l i n g p r o c e s s w i t h t h e d e v e l o p m e n t s o f 皿m s t e c h n o l o g y , h a n d - a s s e m b l i n g w j t h m i c r o s c o p ec a l ln o tm e e tt h er e q u i r e m e n t so fm a s s s e r i a lp r o d u c t i o no fm e m s t h e a c c u r a t em e m s m a n u f a c t u r i n ge q u i p m e n t sa r ek e yf o u n d a t i o n so fr e s e a r c h e sa n d d e v e l o p m e n t so f m e m s s oh i 曲p r e c i s ep o s i t i o n i n gt a b l ei sh i 武l yi m p o r t a n tf o r t h e d e v e l o p m e n t so f m i c r o e l e c t r o n i ci n d u s t r yn o r m a l l yh i g h p r e c i s eg a u g i n g - a p p a r a t u s m u s tb ea v a i l a b l ef o rt h ec a l i b r a t i o no f t h ep o s i t i o n i n gt a b l eh a v i n gs oh i g ha c c u r a c y r e s e a r c h e so ft h ec a l i b r a t i o nt e c h n o l o g yo fh i g h - p r e c i s e p o s i t i o n i n g t a b l eh a v e b e c o m em o r e i m p o r t a n t c a l i b r a t i o nt e c h n o l o g yo fh i g h - p r e c i s e p o s i t i o n i n g t a b l e m a i n l y r e l a t e st o m i c r o d i s p l a c e m e n tm e a s u r i n gt e c h n o l o g ya n dc a l i b r a t i o no fp o s i t i o n i n gt a b l e t h e r e s e a r c h e sh a v ea l s ob e e nm a d ei nt h e s et w oa s p e c t s ，i n c l u d i n gt h r e e p a r t s a s f o l l o w e d ： 1t h ei n t e m a t i o n a la n dd o m e s t i cd e v e l o p m e n t so fh i g h p r e c i s ed i s p l a c e m e n t m e a s u r i n g a n d p o s i t i o n i n gt e c h n o l o g y a r es u m m a r i z e dv a r i o u sm e t h o d so f m i c r o d i s p l a c e m e n tm e a s u r i n ga n dp o s i t i o n i n ga r ei n t r o d u c e da n d t h e i ra d v a n t a g e so r d i s a d v a n t a g e s a r e c o m p a r e d t h e nw ei n t r o d u c et h e d e v e l o p m e n t o fl u s e r i n t e r f e r o m e t e rt e c h n o l o g yt h a ti sap a r to f o p t i c a lm e a s u r i n g m e t h o d sa n da n a l y z et h e p e r f o r m a n c eo fa d v a n c e di a s e ri n t e r f e r o m e t e r si nt h ew o r l d 2 ，p r i n c i p l e so f 】a s e ri n t e r f e r o m e t e r sd i s p a c e m e n tm e a s u r i n ga r ed i s c u s s e d t h ec h a r a c t e r i s t i c so fs i n g l e f r e q u e n c yl a s e ri n t e r f e r o m e t e ra n dd u a l f r e q u e n c y 】a s e r i n t e r f e r o m e t e ra r ea n a l y z e dv a r i o u se r r o r st h a tw i l la p p e a rd u r i n gt h ep r o c e s so fl a s e r i n t e r f e r o m e t e r sm e a s u r i n ga r ee x p l a i n e d f o rt h ea b o v ew o r k 、w ed e c i d et ou s es i n g l e f r e q u e n c yl a s e ri n t e r f e r o m e t e r m e a s u r i n gs y s t e ml l m - 2 0 b m a d eb yt o s e i e n g i n e e r i n g f o ro u rr e s e a r c h e s 3 w ee s t a b l i s ht h ec a l i b r a t i o nm e a s u r i n gs y s t e mo nt h eb a s i so f s i n g l e f r e q u e n c y 1 a s e ri n t e r f e r o m e t e rm e a s u r i n gs y s t e ml - l m 2 0 b w ea n a l y z et h ed e s i g no ft h i s s y s t e m ，p r e s e n tc o m p e n s a t i n g m e t h o d so fe r r o r si nt h i s m e a s u r i n gs y s t e m a n d c a l c u l a t et h et o t a lg t o o ft h es y s t e mw ea l s op r e s e n tt h ee m p h u s e so fs y s t e m s c a l i b r a t i o nw o r ka n da n a l y z et h ec a l i b r a t i o nm e t h o d so fo u rc a l i b r a t i o ns y s t e m w eb u i l d u p t h e p r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t a le q u i p m e n t s o fo u rc a l i b r a t i o n m e a s u r i n gs y s t e mo i lt h eb a s i so fa b o v e w o r ka n da n a l y z et h ep r e l i m i n a r ye x p e r i m e n t r e s u l t s k e yw o r d s ：h i g h p r e c i s ep o s i t i o n i n gt a b l e ，m i c r o d i s p l a c e m e n tm e a s u r e m e n t l a s e r i n t e r f e r o m e t e r , e r r o r a n a l y z i n g a n d m e a s u r i n g ，c a l i b r a t i o nt e c h n o l o g y i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 期矽啦2 _ , 2 - 驴 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 曰期：却弘2 ， 高精度定位平台标定技术 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 本课题研究的意义和目的 随着科学技术的不断发展，超精密加工在微电子工业、光学仪器制造及航 空航天等领域得到了广泛应用【l j 。另一方面超精密加工对人们的日常生活也有着 重要的作用，因为人们需要在工业产品上集成更多的功能，从而可以达到更高的 空间利用率以及更多利于携带的产品。最为典型的例子就是我们日常生活中的袖 珍式收录机，其中的机械结构以及电子回路设计已经达到了四十年前的百分之 的大小【2 j 。能够达到纳米级精度的超精密加工技术是生产这些微小部件和零件的 最基本技术pj 【“。超精密加工技术包括很多方面，诸如超精密切割、超精密造型、 超精密计量、超精密定位以及超精密装配等等，其中对于位移量的精密、超精密 测量以及超精密定位是超精密加工的前提。现在般认为，精密定位就是达到小 于1 i t m 的定位误差，超精密定位就是达到小于0 1 u m 的定位误差p j 。 “十五”期间，我国计划在发展集成电路设计的同时，努力提高集成电路 的装备水平，以振兴微电子产业。如果要求实现0 1 9 m 级别的集成电路加工制造， 那么对光刻机用精密定位平台的精度要求为：精度优于0 0 5 n ( 5 0 n m ) ，分辨率 优于0 0 2 5 p a n ( 2 5 n m ) 。从科学的态度出发，对如此高的精度和分辨率，必须要有 高精度的计量设备予以标定。但是这一点似乎还未引起国内的高度重视，研究也 开展得不够充分。虽然在“九五”期间，国内多家单位进行了精密定位工作台的 研究，但都是在实验室环境下的样机系统，更没有经过计量设备的标定，园此这 一标定系统就成为了更加重要的关键性问题。 本课题是国家“8 6 3 计划”项目“m e m s 装配关键技术及设备”中的一 个子项目，将对高精度定位平台的标定技术进行研究，提出适合我国应用实际情 况的标定技术，这对我国m e m s 技术的发展有着非常重要的意义。本课题将以 高精度微位移测量技术为基础，以实现测量精度在5 0 n m 左右、分辨率在2 5 r i m 左右的标定技术为目标，对激光干涉仪的微位移测量技术进行了研究，重点研究 了激光干涉仪测量过程中的误差补偿技术，建立了初步的标定实验环境，为进一 步实现高精度的位移测量以及标定提供技术基础和实验条件。 1 1 2高精度位移测量和定位技术概述 在目前蓬勃发展的纳米测量与技术领域中，纳米定位技术是实现纳米加工 和纳米测量的关键技术，纳米定位技术已成为纳米测量和原子操作工程研究及走 向产业化的前提条件和工作基础【6 1 。世界上许多科学家正在从事这方面的工作， 也为此提出了许多测量原理和方法。纳米测量h 划在日本、暮国、欧洲等圈家都 高精度定位平台标定技术 第一章绪论 非常受到重视，他们在高精度测量和定位技术上也取得了一定的突破 7 1 1 8 删f 1 0 1 。 1 国外研究现状 由于微电子工业发展的要求，世晃上各发达国家对高精度定位技术的发展 都给予了足够的重视，因此各个领域的科学家也都开展了相应的研究 1 1 】i t 2 1 。目 前，能够进行高精度测量的方法主要分为：非光学方法和光学方法两大类f l ”。 前者包括两种测量方法：是显微镜技术，例如扫描隧道显微镜( s t m ) ，二是电 学测量方法，例如电容测微法、电感测微法等4 j ：后者则包括：x 光干涉法、各 种形式的激光干涉法和光学光栅等方法。 表1 1 是几种典型的纳米定位精度产品的性能比较； 表1 2 是几种主要的纳米测量方法的应用情况比较。 表1 - 1纳米级定位产品性能( 国外) 产品：分辨率精度( 1 1 n 1 ) ：测量范围最大速度 ( n m ) ：( n m ) ：( n m j s ) ： 双频激光干涉仪 0 6 0 02 o oi 1 0 1 25 1 0 l o 光外差干涉仪 0 ，1 0 0o i o5 1 0 725 1 0 f - p 标准具测量仪 0 0 0 1o o o l55 1 0 x 射线干涉仪 0 0 0 5o 。o l o2 1 0 53 1 0 2 衍射光栅 1 0505 1 0 71 0 6 i 扫描隧道显微镜 0 0 5 00 0 5 03 1 0 41 0 其中f - p 标准具测量仪的精度和分辨率相当高，可达o ，0 0 1 n m ，但其测量范 围仅为5 r i m 。且其测量速度非常慢，因此在实际应用中存在着一定的局限性。而 双频激光干涉仪和光外差干涉仪在相对较大的测量范围内可达到纳米级的测量 精度和分辨率。 表1 2 几种主要的纳米测量方法应用情况比较 名称：优点：缺点：实例： x 射线干测量分辨率局( 理论单晶硅的选择加工困用于大规模集成电 涉仪上可达到p m 精度) 。难，仪器使用时调整操路器件的制作中。 作复杂，对环境要求 高，测量范围小。 光栅测量机械结构、光路、信测量精度还有待提高。 德国海德汉 法号和数据处理等方 f h e i d e r h a i n ) 公司 面比较简单，对使用生产的光栅。 环境的要求和激光其测量分辨率为 干涉仪相比低的多。 l n m ，测量精度为 1 0 0 n m o l 。 高精度定位平台标定技术 第一章绪论 激光干涉激光干涉法是经典对使用环境的要求比 激光干涉仪的主要 法的长度计量法。现代较商，存在一定的系统 形式有：外差干涉 激光干涉仪中吸收误差。 仪，f e b r y - p e r o t 干 应用了基础物理学、涉仪，偏振干涉仪 现代光学、电子电路和调频激光干涉 和信号处理方面的仪。 技术，已经成为比较 成熟且应用广泛的 高精度纳米计量仪 器【1 3 】。 电容测微结构简单、分辨率主要的缺点是非线性。德国p i 公司的最 法高、体积小、便于安新产品d 1 0 0 电容 装、可以与机械微位传感器当测量范围 移结构或压电陶瓷可达3 0 0 9 m 时，分 做成一体，在精密测辨率为o ，0 1 n m 1 酣。 量方面的应用很广。 光纤位移体积小、抗电磁干扰测量时存在一个死区，美国p h i l t e c 公司生 传感器能力强、易柔性弯当反射光的接受率很产的对反射光接受 曲、可在某些特殊场小时，将会降低灵敏率不进行补偿的光 合下进行非接触式度。实用化的例子还是纤传感器d 1 7 0 ，当 的尺寸测量。很少【1 7 】。量程为3 0 r a m ，近 区的分辨率为 o 5 3 9 m ，远区的分 辨率为3 8 1 u m f l 8 j 。 世界各国的科研工作者在纳米测量技术领域也分别取得了相应的成就。 日本的学者sy o s b i d a 主持的y o s n d a 纳米机械项目主要在以下二个方面进 行了研究：1 使用经过他们改制的扫描隧道显微镜可以进行微形貌的测量，已 经可阱应用于石墨表面和生物样本的纳米级测量；2 在激光干涉仪中，他们开 发的双波长法，限制了空气湍流造成的误差影响，他们的实验装置已达到了l n m 的测量控制精度f 】。 英国的国家物理研究所对各种纳米测量仪器与被测对象之间的有关几何与 物理间的相互作用情况进行了详尽的研究，绘制了各种纳米测量仪器的测量范 围。他们所研制的微形貌纳米测量仪器的测量范围是00 0 1 n m 3 n m 和 03 n m 1 0 0 n m 【2 0 1 。 美国一些大学在电子行业和计算机行业的一些大公司支持下，开展了纳米 精度的位移测量和定位工作的研究，也取得了令人瞩目的成就口l 】口2 l 。这将在第3 高精度定位平台标定技术 第一章绪论 部分中举例说明。 2 国内研究现状 国内鉴于生物基因技术的发展需要，在“九五”期间，科技部8 6 3 计划机 器人主题，以及其它部委重点资助了多家单位( 如哈工大、南开、北航、中科大、 清华、浙大等) 开展了细胞操作系统的研究开发，涉及的x y 精密定位工作台 的定位精度大致在l p m 左右，分辨率在0l t a m 左右，但这些数据大多是样机系 统在实验室条件下达到的。由清华大学精密测量技术与仪器国家重点实验室所研 制的柔性铰链精密定位工作台样机系统在具有亚纳米级精度的双频激光干涉仪 【2 3 】和压电陶瓷驱动的条件下，可以达到o , 2 n m 的分辨率和i n t o 的定位精度：如 果它和粗动定位工作台相结合，就可以满足大量程和高精度的定位要求f “1 。 由于我国在高精度传感器，微进给技术以及计算机技术上的限制，在研发 高精度定位平台及其产业化上尚需努力。 3 一台完整的高精度定位工作台介绍 一个完整的高精度定位工作台是许多高精尖技术的结晶，其中包括超精密 的控制方式、可达到纳米级精度的传感器技术、微进给技术、计算机技术以及如 何处理由于高速化和超精密化而带来的振动和热，还有就是如何解决测量精度和 测量范围两者之间的矛盾。下面就是芝加哥大学在摩托罗拉公司的支持下所研制 成功的三维纳米定位工作台1 2 “( 见图l 1 ) 。 t l 鹏c d e g r e e s o ff r c c d o mn a l l op o s i t i o n e r 图1 1 三维纳米定位工作台 该定位工作台在x 、y 、z 三个轴向上都利用压电陶瓷作为微进给装置，同 时在这三个轴向位置上都安装了电容传感器来测量其运动的微小位移。定位工具 在整个路径上的绝对位置由双频激光干涉仪来测定。该套定位系统采用了神经模 高精度定位平台标定技术 第一章绪论 糊控制方法。在工作过程中，由电容传感器测得定位工具的当前位置信息，并且 输送给后台的计算机，和所预定的理想位置比较，通过由c 语言编制的程序来 计算出此时压电陶瓷所需的电压值( 其中包括了一些误差补偿) ，再通过电压放 大器后，把这个电压输送给压电陶瓷，从而使定位工具更进一步接近理想位置。 该定位工作台的整套系统的定位分辨率为士2 n m ，运动范围为i o m m 。 1 1 3 激光干涉仪技术概述 我们可以感受到：高精度测量在国民经济发展中有着非常重要的地位。而 光学测量方法是一种进行高精度测量的重要途径，虽然有一些非光学的高精度测 量方法能够实现纳米甚至亚纳米级的测量分辨率，但是这些方法仍然需要利用激 光干涉仪等光学方法进行标定和校正，因此光学纳米测量方法的研究在世界上倍 受重视，尤其是激光干涉法，这一点由表i - 1 可以看出。 自从6 0 年代h e - n e 激光器问世以来，激光干涉仪以其特有的大测量范围、 高分辨率和高测量精度等优点，在精密和超精密测长领域获得了广泛的应用。并 且随着电子学、光学和物理光学的发展，激光干涉仪与计算机相匹配后，加之丰 富的应用软件和各种附件，使它成为了精密机械工业不可缺少的测量工具。因此 激光干涉仪在超精密加工中有着广泛的应用前景。而本课题中的微位移测量系统 也是以激光干涉仪为主要测量设备，本文也将对激光干涉仪的测量系统进行研究 讨论。 1 国外研究现状 在国外，分辨率达到l n m 的可进行线性位移测量的激光干涉系统已用于商 业运行中，而分辨率高于l n m 的激光干涉测量系统也正在研究中【l 。目前世界 上有三种比较典型，也是比较成熟的激光干涉仪：美国h e w l e t t p a c k a r d 公司生产 的 p 系列双频激光干涉仪：美国z y g o 公司研制的用于d s w 光刻枧x 、y 工作 台直线及角位移测量的双频激光于涉测量系统 2 6 】；英国r e n i s b a w 公司的激光校 准系统。具体隋况可见表1 - 3 【”】。 表1 3国外主要激光干涉测量系统厂家的产品和技术指标 序号：型号：激光功分辨 精度p m ：测量 厂家：国 京 速度家： m w ：n m ：r f l s ： ls p l 2 51 506 3 525 4 x 1 0 。美国 2m l l o 1 ) 的实际测量环境中，空气折射率受到多种因素的影响。最 新的空气折射率计算公式【4 1 1 由埃德勒( e d l e n ) 在1 9 6 5 年得到的，其准确度可达 5 1 0 一。 ( 理一1 ) ，= 【8 3 4 2 1 3 + 2 4 0 6 0 3 0 ( 1 3 0 一仃2 ) 一+ 1 5 9 9 7 ( 3 8 9 一盯2 ) “】1 0 _ 8( 3 1 0 ) 式中，盯为真空中的波数，即盯= 0 - 1 o 为真空中的激光波长，单位为微米。 下标s 表示该式是在标准状态下，即气压p = 7 6 0 m m h g ，温度f _ 2 0 。c ，c 0 2 含量 为0 0 3 的干燥空气。则在标准状态下，( 聍一1 ) s = 2 7 6 5 2 1 0 。4 。 当环境条件偏离标准状态时，可以采用埃德勒得出的折射率随环境条件变化 而变化的公式进行计算f 4 1 1 ： ( n - 1 ) 中r = ( n - 1 ) s x ；黑一f ( 5 7 2 2 4 0 0 4 5 7 t r 2 ) 1 。8 ：( 黑- 5 6 0 8 f ) 一8 3 - 1 1 ) 1 0 ( 3 - 1 1 叫百蒜o “。 式中，t 为温度值，p 为气压值，f 为湿度值。测量出这些参数，便可通过式( 3 1 1 ) 直接计算出测量环境下的空气折射率n 。 首先根据上式来分析各环境参数的测量不确定度对测长不确定度的影响。 设环境温度t 、气压p 、湿度f 的测量不确定度分别为u ( t ) 、u ( p ) 和u ( 0 ，可 由( 3 一1 1 ) 式可求得n 对t 、p 、f 的偏导数分别为： 竺：一0 9 2 9 1 0 + 6r 3 1 2 1 西 竺：0 3 5 8 1 0 6 r 3 1 3 ) 竺：一0 0 5 6 1 0 6( 3 1 4 ) 可 因此空气折射率的测量不确定度u ( n ) 可表示为： “2 ( 盯) = 等邮) 】2 + 【参“( 州2 + 雾 ( 删2( 3 - 1 5 ) = d i + d ，+ d i 假设温度、气压、湿度对空气折射率的测量不确定度的作用相等，则由式( 3 9 ) 和式( 3 1 5 ) 可得： 高精度定位平台标定技术 第三章测量误差的分析研究 d ，= d p = d ，= ”( 行) 压 0 3 5 1 1 6 ( 0 2 + 5 1 0 7 l ) 4 7 n ( 3 1 6 ) 激光干涉仪常用的测长范围为o - 3 0 m 。现在根据课题的测量要求把不同的 测量范围数据代入公式进行计算可以得到各参数的标准测量不确定度如下： 当l = 7 5 9 m 时，并根据式( 3 7 ) 可以得到： 盟删035116x(0可2+5丽x10-7广x75)x0632820t= 罂4 3x 器2 3 70 3 3 2 7 5 再根据式( 3 - 1 2 ) ，可得： “( ，) ，堕! 坐生：1 8 4 1 4 3 。c 3 2 3 7 0 3 0 9 2 9 1 0 - 6 同理可得： 咖) 丽器= 4 7 7 8 4 6 m 咄 “( 厂) 而面0 3 丽5 1 1 6 而x0 磊2 一= 3 0 5 4 7 6 。m l h g 当l = 1 0 0 m m ，代入计算可得： 塑如) 0 3 5 1 1 6 x ( 0 丽2 + 5 x 丽1 0 - 7x 而1 0 0 x r l 0 3 ) x 0 6 3 2 8 2 0 t=糌43 31 6 x 1 0 3 2 1 0 0 1 0 。 再根据式( 3 1 2 ) ，可得： 川，瓦罴畿羔矛删，。o c 同理可得： 甜( p ) 百丽0 丽3 5 1 蔽1 6 x 丽0 2 5 = 。4 4 8 m i l l h g “( 厂) 瓦瓦0 3 面5 1 1 丽6 x 0 丽2 5 = 2 8 6 4m 咄 假设所使用的干涉仪的最大测量范围为l m ，则有各参数的不确定度为： ：肌、 ! ：型! ! ：殳：! ：0 0 4 8o c 甜()qr3x316x106x0929x10-6。 2 1 高精度定位平台标定技术 第三章测量误差的分析研究 咖，瓦意鬻熬丽一o m 啦 甜( 厂) ；- ：j j 里i ；! ! ：蒜= 。s 。2mmh431 6 1 000 5 6 g 3 6 ，1 0 “ 。 由上面的计算可知，各参数的测量不确定度随测量范围的变大有相应的提 高。如果要保证测长不确定度，则应选择适当的环境参数测试仪器来保证它们的 测量不确定度。由上面的数值可以看出对测长影响较显著的环境参数是气压和温 度。如果在测量范围较大的情况下，要保证上述的测温不确定度，温度计的分辨 率应高于o 0 5o c 。而气压计的分辨率应高于0 1m m h g 。 由于使用式( 3 1 1 ) 来计算空气折射率比较繁，根据式( 3 1 2 ) 、( 3 - 1 3 ) 和( 3 1 4 ) 可以得到简化公式空气折射率的变化量为【4 1 1 ： a n = 【o 3 5 8 6 p o 9 2 9 a t 一0 0 5 6 a f 】1 0 。( 3 1 7 ) 式中印= p - 7 6 0 、a t = f 一2 0 、a f = 厂一1 0 。( 一般选取t = 2 0 。c 、p = 7 6 0 m m h g 、 f = l o m m h g ，亦称为正常状态 4 1 1 ) 该式就是我们在测量空气折射率时常用的经验 公式，这种方法简单、易行。 2 环境温度变化引起工件变形造成的误差 这一误差主要是指激光干涉仪测量系统中的工作台、导轨、被测元件以及一 些元件的基座随着温度变化而会产生的尺寸大小变化，就是线膨胀误差。所以在 进行系统设计时，要选用线膨胀系数较小的材料。但是这一误差也可实行软件上 的计算和补偿。 3 测量零点漂移引起的误差 这一误差是由于干涉系统中的测量光束与参考光束在光程上存在初始距离 差而引起的4 2 1 。于涉仪测量过程中的零点也是光程计算起始的零点。当环境发 生变化时，这一初始光程差发生变化，零点漂移，造成干涉条纹数的变化d f 。 如果假设测量环境是均匀一致的，干涉条纹数的变化d f 与空气折射率阻和光学 镜的折射率，以及材料的膨胀系数有如下关系： ( 2 2 ) d f = l g ( 一r i 9 0 ) + ( r i g 一1 ) a d t 】+ l a ( n n 一7 c o )( 3 - 1 8 ) 式中， 为激光在测量环境中的波长，a 为材料的线膨胀系数，l g 是测量臂和 参考臂中光学玻璃长度的差值。l 。是测量臂和参考臂光路中空气路径死行程的差 值。n g 、n g o 是环境变化前后的光学镜片的折射率，n a 、l l a o 是环境变化前后的空 气折射率，d t 表示温度变化，d f 表示干涉条纹的变化数。确定备项参数后，可 以由上式求出条纹变化数d f 。很显然修正后的条纹变化数与实际条纹变化数有 高精度定位平台标定技术 第三章测量误差的分析研究 如下关系： f 。t = 最h o w d ff 3 1 9 ) 得到实际条纹变化数后，可得实际物理位移值如下： l = ( 工2 砌) 足。一 ( 3 2 0 ) 虽然通过上面的公式要求出干涉条纹变化数d f 比较繁，而且它们的数量级 都相对比较小，但是我们不能忽略光学元件路径长度差值l 。，如图3 1 所示： 参考臂光路 1 。i j 上 丌 i：l i ly 测量臂光路 图3 - 1 可产生较大l 憧值的光路设计 测量臂比参考臂多通过两次分光镜和四次 4 波片，如果分光镜厚3 5 m m ， 4 波片厚3 r a m ，该光路中的l 。可达8 2 r a m 。 由于光学玻璃的折射率大于空气，而且由于玻璃的低热导率，其温度变化 要滞后于周围环境的变化，并且在内部存在温度梯度。在利用光学倍频设计来提 高系统分辨奉的光路中，l 嘻往往很大。因此合理设计光路使k 尽可能豹小就非 常的重要。 3 3 安装误差 这是由于在干涉仪的测量系统中机械结构设计不合理或是机械系统的安装 不准确所引起的相应误差。 1 阿贝误差 在测量系统中，由于被测量轴线与测量轴线不重合或者不在其延长线上，系 统将产生阿贝误差。那么在机械结构设计时就要求尽量符合阿贝原则。但是有时 由于结构的限制，这两根轴线无法设计得符合阿贝原则。阿贝误差应该得到计算 和补偿。假设被测件的安装定位偏移量为a o ，偏摆角为o ，则有阿贝误差u ： “= a 。t a n 曰( 3 - 2 1 ) 2 死区误差 在激光干涉仪测量系统中，由于测量过程中干涉头和动角锥棱镜或动反射 镜之间相隔有一定距离空气中的路径，一些对于环境变化而引起误差的补偿方法 高精度定位平台标定技术 第三章测量误差的分析研究 在这一段中将不起作用，会影响系统最终的校正误差。因此称之为死区误差。在 单频激光干涉仪d i s t a xl l m 2 0 b 系统中存在一定的死区误差，具体分析可见 第四章内容。 3 余弦误差 余弦误差是由于微位移工作台沿运动方向水平偏摆而与测量光轴不平行引 入的误差。如图3 - 2 所示，设a b 方向为微工作台移动方向，a c 方向为测量光 束方向。测量光束与微位移工作台运动方向不平行，则无论偏角是正是负均将 使测量值大于实际移动值4 3 1 。 一0 寰c 运动方向 t 方向 图3 2 余弦误差的产生 由上图各变量之间的三角关系可以得到下面的等式： l = l l c o s 0 ( 3 - 2 2 ) 可得测量值与实际移动值之间的差值为： a l = l l l = l 1 ( 1 一c o s 0 )( 3 - 2 3 ) 3 4 主要误差的相应补偿方法 1 由环境( 如温度、湿度、气压) 变化引起的空气折射率改变而产生的误差 解决方法【3 4 】 根据前面推出的埃德勒简易公式( 3 1 7 ) ： a n = ( o 3 5 8 印一0 9 2 9 a t o 0 5 6 a f ) x 1 0 。 可以看出，湿度和气压的影响可以互相抵消，而在实际的测量过程它们的 影响也可以忽略。温度的变化也可通过软件进行补偿。但是要达到纳米级精度的 位移测量，利用经验公式并不是一个理想的方法，因为经验公式是在一定的实验 条件下得到的，它的误差来源除了计算公式本身的不准确性f 1 3 i ，以及气压、温 度、湿度等参数本身的测量获得值也存在误差之外( 前面对它们的测量不确定度 对测长不确定度的影响已做了分析) ，还应考虑到由于测量环境的空气成分与标 准状态的差别而产生的误差。因为标准状态下的测量环境是均匀一致的，而在实 高精度定位平台标定技术 第三章测量误差的分析研究 际测量环境中，由于空气的热导率很低，这使得难以获得一个均匀一致的测量环 境。而且光学元件，例如分光镜、角锥棱镜、反射镜和波片都具有较高的折射率 和较差的热导率。所以许多高精度的测量并不采用这种方法，而是利用光干涉直 接测量出空气的折射率。前面所提的成都工具研究所研制的m j s 5 c 激光干涉仪 就带有测量空气折射率的裴置并进行了修正和补偿。或者采用多点检测线性拟合 的方法，这主要用于大量程测试的情况下，由计算机控制多点测量，最后综合修 正补偿。 2 阿贝误差以及余弦误差的补偿 首先在机械结构设计时要尽量符合阿贝原则。假设被测件的安装定位偏移量 a o 控制在0 5 r a m 之中，偏摆角控制在o 5 “之中，则有阿贝误差u a ： 蚴= a0 t a n0 = 0 5 t a n0 5 ”= 12 n m ( 3 - 2 4 ) 余弦误差也可以通过结构的设计和调整得到控制。如果安装偏移量和偏摆 角不能控制在一定的范围内，可以采用适当的测量方法从而进行软件上的补偿。 3 光学元件非线性误差的补偿 要减少这方面的误差就要选择高质量的光学元件，如天然石英晶体的1 4 波片等。更有可能是进行软件上的修正补偿，使非线性误差控制在3 n m 左右。 4 零点漂移误差的消除 图3 - 3 可利于零点漂移误差消除的光路设计 由32 小节第3 部分的内容可知，零点漂移误差主要是由测量臂和参考臂中 光学玻璃长度的差值k 以及测量臂和参考臂光路中空气路径死行程的差值l 。引 起的。要消除这方面的误差，就要使k 和l a 为零。这要求在参考臂和测量臂中 采用对称的光路。一种方法是使两臂的死行程都为零，但在实际测量中测量臂的 死行程很难为零，所以一般采用两臂等死行程的方法。图3 3 的光路设计就是基 于这一原则的。 在图3 3 的测量光路设计中，使得l o = l 1 十l 2 ，著使m i 和m 2 的光心之间的距 高精度定位平台标定技术 第三章测量误差的分折研究 离值尽可能的小，这样才能保证测量臂和参考臂处于一个近似一致的测量环境 中，那么死行程差才会为零或保持尽可能的小，从而可以消除由于光学元件受环 境影响而使测量零点产生漂移而引起的误差。 5 参考棱镜和测量棱镜的合理安装 在一般的激光干涉仪测量系统中，活动棱镜和被检测的物件一起固定于可 动工作台上，而固定棱镜则固定不动。但是它们相对于整个测量系统的安装是否 合理对测量结果也有着一定的影响。实验表明：干涉仪测量系统中的固定棱镜最 好安装在被检仪器的同一基座上，否则会因被检仪器工作台的移动而引起整体倾 斜而引入一系统误差。活动棱镜在安装时，应使测量线与工作线相重台【4 ”，如 果由于条件的限制安装不便，可在角晃动小的方向安装活动棱镜，以减少附加的 阿贝误差。 高精度定位平台标定技术 第四章系统设计介绍 第四章系统设计介绍 在论文的第一章中已提到，本课题的研究重点分为微位移测量技术和标定 技术这两个方面。因为我们所标定的对象为高精度的定位平台，所以我们要研制 的标定系统除了具有可进行高精度微位移测量的功能外，还应具备对其他高精度 定位平台的标定作用。其中，在微位移测量技术中还包括一些误差分析和补偿技 术；在标定技术中，根据基准检定的惯例，标定系统的精度至少要比被标定系统 的精度提高一倍或两倍，即误差的1 2 、1 3 原则；另外在小位移超高精度条件下， 还允许采用同精度等级的测量仪器，通过比对方法进行标定。所以我们要建立起 来的标定系统在测量精度上必须高于被标定的定位平台的测量精度两三倍以上， 并且还需具备标定系统自身的工作方式和特点。根据这些情况，我们进行了以下 的系统设计。 4 1 标定系统中的激光干涉仪测量系统分析 通过前面第二章对激光干涉仪位移测量系统的研究以及结合实验室的实际 情况，我们的标定系统主要采用激光干涉仪测量系统。同时根据精度的要求，再 设计和搭建相应的光路以及研究相应的误差补偿算法和标定算法。下面首先介绍 一下我们所采用的激光干涉仪测量系统。 在考虑选用双频还是单频激光干涉仪测量系统的问题上，由于双频激光干 涉仪的体积庞大、结构复杂、光学对准费时、费力，而且对于测量速度有一定的 限制；单频激光干涉仪结构相对较简单，对测量速度的限制较少。所以我们选购 了由东京精密生产的d i s t a xl l m 2 0 b 型号的单频激光干涉仪系统。如图4 1 所示为其结构示意图。具体情况可见第五章。 图4 - 1d i s t a xl l m - 2 0 b 结构示意图 高精度定位平台标定技术 第四章系统设计介绍 图4 1 中： 1 激光头( l a s e rh e a d ) ； 2 发送光纤( t r a n s m i s s i o nf i b e r ) ： 3 干涉头( i n t e r f e r e n c eo p t i c a lb e a d ) ： 4 角锥棱镜( r e f l e c t i n gm i r r o r 、； 5 可动平台( m o v i n gt a b l e l ； 6 基座( b e d ) ； 7 接收光纤限e c e i v i n gf i b e r ) ； 8 计数器( c o u n t e r ) 。 4 1 1 激光干涉仪测量系统结构以及测量原理分析 由图4 1 可以看出，该激光干涉仪最显著的特点在于它是通过两根光纤连接 线来进行激光的传输和接收。这样不仅使得接个系统结构紧凑、易于安装调整， 而且减少了光在传播过程中测量环境对光强的影响，从而也减少了环境变化对测 量精度的影响。系统中计数器( c o u n t e r ) 的数量和所需测量的轴向数目相同。如果 用于空间测量，需要进行三轴测量，则要有三个计数器。在我们的课题中是对一 维定位平台进行标定，因此只需一台计数器就可。 当激光从l a s e rh e a d 中的h e n e 激光器中射出后，通过光纤的传输，到达 干涉仪的光学头部，经过光学头部的光路后，其中测量光路从光学头部射出，入 射到角锥棱镜并被反射后，再次进入到光学头部，在光学头部中参考光线和测量 光线产生干涉，形成明暗相问的干涉条纹，这些干涉条纹的强度随着角锥棱镜所