激光干涉儀轉(zhuǎn)角準(zhǔn)直調(diào)節(jié)

任耀華，王曉奎

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原030024)

半導(dǎo)體工藝設(shè)備的精度越來越高，精密設(shè)備對定位平臺(tái)的精度要求也越來越高。多軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的定位精度的提高，依賴各獨(dú)立軸的定位精度。必要時(shí)，還要對各運(yùn)動(dòng)軸的定位精度進(jìn)行補(bǔ)償。

激光干涉儀因其精度高、應(yīng)用范圍廣、環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測速高等優(yōu)點(diǎn)，被用作精度檢測、驗(yàn)收的首選設(shè)備。定位精度測量是激光干涉儀最常見的一種測量。激光干涉儀系統(tǒng)會(huì)比較軸位置上的目標(biāo)位置數(shù)據(jù)與測量的實(shí)際數(shù)據(jù)，從而測量運(yùn)動(dòng)軸的定位精度和重復(fù)定位精度。

我們使用的是RENISHAW（雷尼紹）公司最新產(chǎn)品XL-80 校準(zhǔn)激光干涉儀，在日常的檢測工作中，根據(jù)測試內(nèi)容，再選擇相應(yīng)的光學(xué)鏡組，才能完成相應(yīng)的測試。圖1是測量線性位置的典型系統(tǒng)設(shè)定。

執(zhí)行定位精度測量時(shí)，為了減小系統(tǒng)的阿貝誤差和余弦誤差，即測量軸和運(yùn)動(dòng)軸的平行，必須首先對測量系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)直調(diào)節(jié)。XL-80 校準(zhǔn)激光干涉儀幫助系統(tǒng)中，對準(zhǔn)直操作的敘述不是很詳細(xì)，特別是對運(yùn)動(dòng)軸與激光器垂直的測量方式，僅介紹了可以這樣檢測，而沒有介紹如何進(jìn)行準(zhǔn)直操作。在我們的實(shí)際工作中，由于受到設(shè)備空間的限制，經(jīng)常用到運(yùn)動(dòng)軸與激光器垂直的測量方式，結(jié)合運(yùn)動(dòng)軸與激光器平行的準(zhǔn)直過程，并根據(jù)多年的使用經(jīng)驗(yàn)，和大家共享準(zhǔn)直過程的收獲。

圖1 線性測量的系統(tǒng)設(shè)定

1 線性測量

線性測量是激光干涉儀測量運(yùn)動(dòng)軸實(shí)際位置與目標(biāo)位置的差值，從而測量線性定位精度和重復(fù)定位精度。

1.1 線性測量所用光學(xué)鏡組

線性測量鏡組用于測量線性定位精度、重復(fù)定位精度等。 線性測量鏡組組件包括：光學(xué)鏡、分光鏡（1 個(gè)）；線性反射鏡（2 個(gè)）、用于光學(xué)準(zhǔn)直的光靶（2 個(gè)），如圖2所示。

1.2 準(zhǔn)直測量原理

分光鏡和一個(gè)帶固定桿的線性反射鏡組合后，便成為一個(gè)線性干涉儀(見圖3)。

圖2 線性測量鏡組

圖3 準(zhǔn)直測量原理

激光頭的光束進(jìn)入線性干涉儀，通過分光鏡，光束被分成兩束。一束光（稱為參考光束）被引向裝在分光鏡上的反射鏡，另一束光（測量光束）則穿過分光鏡到達(dá)第二個(gè)反射鏡。然后，兩束光都被反射回分光鏡，在此它們重新組合并被導(dǎo)回到激光頭，激光頭內(nèi)的探測器監(jiān)測兩束光之間的干涉。在線性測量過程中，一個(gè)光學(xué)組件保持靜止不動(dòng)，另一個(gè)光學(xué)組件沿線性軸移動(dòng)。通過監(jiān)測測量光束和參考光束之間光路差異的變化，產(chǎn)生定位精度測量值。此測量值可以與被測設(shè)備定位系統(tǒng)上的讀數(shù)比較，獲得機(jī)器的精度誤差。

通常，將反射鏡設(shè)定為移動(dòng)光學(xué)部件，將干涉鏡設(shè)定為靜止部件，如圖1、圖3所示。二者也可以反過來。

運(yùn)動(dòng)軸與激光器垂直測量方式的測量原理相似，不同的是，激光頭的光束進(jìn)入線性干涉儀，通過分光鏡，。透射光穿過分光鏡，到達(dá)反射鏡，反射回分光鏡，反射光（測量光束）則到達(dá)第二個(gè)反射鏡。然后，兩束光都被反射回分光鏡，在此它們重新組合并被導(dǎo)回到激光頭，激光頭內(nèi)的探測器監(jiān)測兩束光之間的干涉。

2 準(zhǔn)直過程的討論

進(jìn)行精度測量時(shí)，為了減小測量誤差，并確保被測量軸整個(gè)運(yùn)動(dòng)行程都有足夠的信號強(qiáng)度，首先要完成測量系統(tǒng)的準(zhǔn)直調(diào)節(jié)。準(zhǔn)直就是調(diào)整激光器和鏡組的位置和姿態(tài)，使測量激光束與所測量運(yùn)動(dòng)軸的移動(dòng)軸平行，在被測軸全程范圍內(nèi)激光頭都能獲得可以用來測試的信號強(qiáng)度。

系統(tǒng)的準(zhǔn)直調(diào)節(jié)分為：線性反射鏡定位→粗略準(zhǔn)直→低精度準(zhǔn)直→光路高精度準(zhǔn)直→線性干涉鏡定位和準(zhǔn)直。

2.1 線性反射鏡定位

（1）反射鏡固定在移動(dòng)的工作臺(tái)上（一般選擇反射鏡移動(dòng)，這樣的準(zhǔn)直過程比較簡單）；反射鏡固定采用XL-80 校準(zhǔn)激光干涉儀測量系統(tǒng)中磁座加固定桿，對于一些微小運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上沒有磁性材料的，設(shè)計(jì)時(shí)在運(yùn)動(dòng)塊上合適位置加工M8 螺紋孔，方便反射鏡固定鏡固定。

（2）干涉鏡固定到設(shè)備的固定部件上（通過磁性支架或其它方法），且干涉鏡最好能夠與線性干涉鏡盡量靠近反射鏡，如果二者靠近，則余下的準(zhǔn)直工作僅僅是調(diào)整激光頭。

2.2 粗略準(zhǔn)直

光路準(zhǔn)直是實(shí)現(xiàn)測量激光束與運(yùn)動(dòng)軸的平行，精確準(zhǔn)直是在粗略準(zhǔn)直的基礎(chǔ)上完成的，雖然精確準(zhǔn)直的方法有許多，但是都是建立在目測準(zhǔn)直基礎(chǔ)之上。

粗略準(zhǔn)直分為水平調(diào)節(jié)和位置調(diào)節(jié)。

2.2.1 水平調(diào)節(jié)

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行精度校準(zhǔn)時(shí)，工作平面一般是經(jīng)過水平校準(zhǔn)的，所以為了保證測量激光束和平臺(tái)移動(dòng)軸在水平或垂直面上共面，就需要對激光器進(jìn)行水平校準(zhǔn)。

氣泡水平儀是三腳架云臺(tái)組件的一個(gè)配件。水平儀可以裝到云臺(tái)頂部的圓形凹槽、三腳架云臺(tái)適配器的上方，也可以放在XL 激光頭的上方。氣泡水平儀用于檢驗(yàn)XL-80 激光頭的設(shè)定是否水平。

2.2.2 位置調(diào)節(jié)

圖4 位置調(diào)節(jié)原理

運(yùn)動(dòng)軸與激光器垂直的測量方式與運(yùn)動(dòng)軸與激光器平行的測量方式相比較，前者的準(zhǔn)直操作比較難，因?yàn)榍罢叩母缮骁R位置及角度影響反射鏡反射光路，而后者在調(diào)試激光器與運(yùn)動(dòng)軸平行時(shí)，不受干涉鏡是否存在的影響。

首先調(diào)節(jié)測量反射鏡和線性干涉鏡的位置，線性干涉鏡的出光口平面與測量反射鏡入射口平面完全重合，消除這兩個(gè)鏡組之間的夾角誤差（圖4）。再調(diào)節(jié)這兩個(gè)鏡組的光軸大致重合（通過使鏡組的外表面重合來保證光軸大致重合）。

光靶安裝在線性干涉鏡上，并把光靶定位成白點(diǎn)朝上（圖5）；XL-80 激光頭的光閘旋轉(zhuǎn)到準(zhǔn)直調(diào)整位置（圖6B），使激光輸出光束直徑減小，便于精確調(diào)準(zhǔn)直；轉(zhuǎn)動(dòng)高度調(diào)節(jié)曲柄，調(diào)節(jié)激光頭的高度，并平移激光頭，直到激光束射到光靶上的白點(diǎn)中心。此時(shí)激光頭的高度基本確定，高度鎖定環(huán)鎖緊。

圖5 光靶的安裝

圖6 XL-80 激光頭的標(biāo)準(zhǔn)光閘

調(diào)整云臺(tái)后方的扭擺微調(diào)控制和快速平移手柄，使其處于行程的中間位置，目的是避免激光器在調(diào)整中產(chǎn)生因?yàn)樾谐痰筋^而無法調(diào)整的情況。通過移動(dòng)三腳架，目測調(diào)整激光器的水平方向，使激光束在水平方向上與被測運(yùn)動(dòng)軸的移動(dòng)方向平行，此時(shí)就完成了大致準(zhǔn)直。

2.3 光路準(zhǔn)直粗調(diào)

（1）通過移動(dòng)平臺(tái)，將測量反射鏡移動(dòng)離開干涉鏡組，將光靶安裝到測量反射鏡上，而且定位成白點(diǎn)朝上，（圖5），調(diào)整激光頭的高低和左右位置，使激光束擊中光靶上的白點(diǎn)中心。

（2）將測量反射鏡移動(dòng)到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的另一個(gè)極限，此時(shí)若光束仍在光靶的白點(diǎn)中心上，則說明已經(jīng)基本準(zhǔn)直。如果光束偏離白點(diǎn)中心，則說明激光束與工作臺(tái)移動(dòng)方向不平行。可調(diào)整云臺(tái)后方的扭擺微調(diào)控制旋鈕（圖7）使激光器水平旋轉(zhuǎn)，如果光束和白點(diǎn)存在高度偏離，可調(diào)整激光器后方的俯仰旋鈕，通過這兩個(gè)旋鈕使光束移動(dòng)到以光靶白點(diǎn)為中心的對稱位置，然后整體平移（高低左右）激光器（圖8），使光束對準(zhǔn)白點(diǎn)中心（圖5）。

圖7 角度扭擺(yaw) 控制旋鈕

圖8 水平平移調(diào)整

圖9 俯仰(pitch)調(diào)節(jié)旋鈕

（3）將測量反射鏡移動(dòng)到干涉鏡最近處，此時(shí)若光束仍偏離靶心，則可重復(fù)步驟（1)～（2)，這樣來回二三次，直到在全行程內(nèi)，光束均保持在靶心，說明激光器光束的準(zhǔn)直已基本調(diào)好。

2.4 光路高精度準(zhǔn)直

任何光束準(zhǔn)直偏差都會(huì)在激光頭處以2 倍的偏差呈現(xiàn)，因此通過激光頭光閘上的白色光靶更容易檢測到準(zhǔn)直誤差。所以在完成低精度準(zhǔn)直后，去掉光學(xué)鏡組上的光靶，再進(jìn)行高精度準(zhǔn)直。

（1）去掉測量反射鏡上的光靶，觀察從測量反射鏡返回到光閘上的激光束是否在白點(diǎn)中心上。調(diào)整測量反射鏡上或激光頭上下左右平動(dòng)，使激光束對準(zhǔn)激光器光閘的靶子中心。

（2）將測量反射鏡移動(dòng)到激光器最遠(yuǎn)處，此時(shí)若光束仍在激光器光閘的白點(diǎn)中心上，則說明已經(jīng)完全準(zhǔn)直。如果光束偏離白點(diǎn)中心，則說明激光束與工作臺(tái)移動(dòng)方向還存在準(zhǔn)直誤差。可調(diào)整云臺(tái)后方的扭擺微調(diào)控制旋鈕（圖7）使激光器水平旋轉(zhuǎn)，如果光束和白點(diǎn)存在高度偏離，可調(diào)整激光器后方的俯仰旋鈕，通過這兩個(gè)旋鈕使光束移動(dòng)到以光靶白點(diǎn)為中心的對稱位置，然后整體平移（高低左右）激光器（圖8），使光束對準(zhǔn)白點(diǎn)中心（圖5）。

（3）將測量反射鏡移動(dòng)到激光器最近處，此時(shí)若光束仍偏離靶心，則可重復(fù)步驟（4)-（5)，這樣來回二三次，直到在全行程內(nèi)，光束均保持在激光器光閘靶心，說明激光器光束的準(zhǔn)直已完成。此時(shí)如果旋轉(zhuǎn)光閘到測量位置，則激光頭光束強(qiáng)度指示燈全亮。

2.5 線性干涉鏡定位和準(zhǔn)直

完成激光束從干涉鏡返回到激光頭光閘的白點(diǎn)，與從運(yùn)動(dòng)反射鏡反射回來的激光束形成干涉光束。

（1）在設(shè)備的固定位置上而且是激光器與反射鏡之間放入線性干涉鏡，光靶安裝在線性干涉鏡上，而且定位成白點(diǎn)朝上（圖5）。調(diào)整線性干涉鏡高低左右移動(dòng)，使激光束擊中光靶上白點(diǎn)的中心。

（2）去掉線性干涉鏡上的光靶，把它安裝到測量反射鏡上，觀察從線性干涉鏡返回到光閘上的激光束是否在白點(diǎn)中心上。調(diào)整線性干涉鏡的俯仰(pitch)和扭擺(yaw)（圖9），使激光束對準(zhǔn)激光器光閘的靶子中心。

（3）去掉測量反射鏡的光靶，一般情況下，激光頭光閘上2 個(gè)光束就完全重合且對準(zhǔn)白點(diǎn)中心。

（4）在被測軸的全行程范圍內(nèi)移動(dòng)測量反射鏡，如果全程范圍內(nèi)激光頭都能獲得可以用來測試的信號強(qiáng)度，即可進(jìn)行測量。

3 結(jié) 論

該準(zhǔn)直過程不僅應(yīng)用于線性定位測量，而且可以應(yīng)用于其它線性測量等。

該準(zhǔn)直方法分為五步，其中前兩大步是準(zhǔn)直過程所必須的步驟，后面的三步（十小步）是作者的操作經(jīng)驗(yàn)分享。

通常是將反射鏡設(shè)定為移動(dòng)光學(xué)部件，將干涉鏡設(shè)定為靜止部件；如果反過來，將干涉鏡設(shè)定為移動(dòng)光學(xué)部件，將反射鏡設(shè)定為靜止部件；也可以參照上面十小步完成準(zhǔn)直。

XL-80 激光頭的預(yù)熱時(shí)間大約為6 min，雖然預(yù)熱時(shí)激光的穩(wěn)定性還不能滿足檢測要求，但是不影響準(zhǔn)直校準(zhǔn)。所以XL-80 激光頭通電后就可以直接進(jìn)行準(zhǔn)直校準(zhǔn)。

[1]曹利波.利用激光干涉儀對機(jī)床定位精度的快速檢測[J].紅外與激光工程.2008，37(4)：200-202.