精密定位中的激光干涉测量误差分析

　　根据精密测量原理,作为精密计量工具的激光干涉仪,其综合误差应为被测对象高精度定位平台所要求精度值的1/3~1/2,在纳米级精度,可取为1/2左右。这样才能实现既保证测量精度,又充分发挥激光干涉仪的作用[2]。本文对激光干涉仪的各项误差进行分析,并通过计算求出其综合误差。

　　1　测量装置与被测工作台

　　本研究以日本东京精密公司生产的DISTAXL LM 20B激光干涉仪构建精密定位测量系统如图1所示。这种干涉仪的特点是通过光纤连接激光光源、激光干涉头、计数器,方便干涉系统的布局,也大大减小了激光干涉仪对测量环境的影响。这种干涉仪带有测量空气温度、气压、湿度的信息以及被测物体的温度信息传感器,并能根据所测结果进行自动校正。

　　激光干涉测量装置在精密测量过程中由于本身性能、调整不当、环境变化等原因产生的误差包括:

　　1)由干涉仪工作性能而引起的波长漂移误差;

　　2)由空气折射率变化引起的误差;

　　3)由被测物体(工作台)热膨胀引起的误差;

　　4)由光轴与运动轴不平行引起的误差(余弦误差)。

　　针对这些误差可以采取相应的校正措施,以保证干涉测量满足精密定位测量与检定的要求。

　　高精度定位工作台由2层组成[3],下层为宏动工作台,上层为微动工作台。宏运动采用带增量码盘的交流伺服电机通过高精度滚珠丝杠副驱动工作台,采用光栅实现位置反馈,全行程200 mm。

　　微运动采用电致伸缩微位移器(PZT)实现位置进给,有很好的效果和精度,用高精度电感传感器实现位置反馈,行程75μm。

　　当控制系统检测到宏动工作台运动到与目标位置在设定距离之内时(通常为几μm),停止宏动台运动,切换到微动工作台,直至微动台达到目标位置,从而实现大行程纳米级精密定位。定位工作台的运动通过激光干涉仪进行测量。精密定位工作台的定位精度与行程有关,要求行程50 mm时的定位误差<30 nm,行程100 mm时的定位误差<50 nm。激光干涉仪作为其测量装置,测量误差必须与定位工作台匹配。

　　2　误差分析

　　2.1　激光波长漂移误差

　　激光波长漂移误差是激光器本身所固有的误差,如谐振腔由于温度变化而发生微小变化、放电电流波动等,这些都是造成激光波长发生漂移的原因。这项误差值通常由制造商经测定后在技术参数中给出,如DISTAX L LM 20B的激光波长漂移误差为[4]

　　2.2　空气折射率变化引起的误差

　　空气折射率直接影响激光波长,从而影响测量的精度。空气中激光波长λ与真空中波长λ0的关系为