激光干涉仪转角准直调节

任耀华，王晓奎

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原030024)

半导体工艺设备的精度越来越高，精密设备对定位平台的精度要求也越来越高。多轴运动系统的定位精度的提高，依赖各独立轴的定位精度。必要时，还要对各运动轴的定位精度进行补偿。

激光干涉仪因其精度高、应用范围广、环境适应力强、实时动态测速高等优点，被用作精度检测、验收的首选设备。定位精度测量是激光干涉仪最常见的一种测量。激光干涉仪系统会比较轴位置上的目标位置数据与测量的实际数据，从而测量运动轴的定位精度和重复定位精度。

我们使用的是RENISHAW（雷尼绍）公司最新产品XL-80 校准激光干涉仪，在日常的检测工作中，根据测试内容，再选择相应的光学镜组，才能完成相应的测试。图1是测量线性位置的典型系统设定。

执行定位精度测量时，为了减小系统的阿贝误差和余弦误差，即测量轴和运动轴的平行，必须首先对测量系统进行准直调节。XL-80 校准激光干涉仪帮助系统中，对准直操作的叙述不是很详细，特别是对运动轴与激光器垂直的测量方式，仅介绍了可以这样检测，而没有介绍如何进行准直操作。在我们的实际工作中，由于受到设备空间的限制，经常用到运动轴与激光器垂直的测量方式，结合运动轴与激光器平行的准直过程，并根据多年的使用经验，和大家共享准直过程的收获。

图1 线性测量的系统设定

1 线性测量

线性测量是激光干涉仪测量运动轴实际位置与目标位置的差值，从而测量线性定位精度和重复定位精度。

1.1 线性测量所用光学镜组

线性测量镜组用于测量线性定位精度、重复定位精度等。 线性测量镜组组件包括：光学镜、分光镜（1 个）；线性反射镜（2 个）、用于光学准直的光靶（2 个），如图2所示。

1.2 准直测量原理

分光镜和一个带固定杆的线性反射镜组合后，便成为一个线性干涉仪(见图3)。

图2 线性测量镜组

图3 准直测量原理

激光头的光束进入线性干涉仪，通过分光镜，光束被分成两束。一束光（称为参考光束）被引向装在分光镜上的反射镜，另一束光（测量光束）则穿过分光镜到达第二个反射镜。然后，两束光都被反射回分光镜，在此它们重新组合并被导回到激光头，激光头内的探测器监测两束光之间的干涉。在线性测量过程中，一个光学组件保持静止不动，另一个光学组件沿线性轴移动。通过监测测量光束和参考光束之间光路差异的变化，产生定位精度测量值。此测量值可以与被测设备定位系统上的读数比较，获得机器的精度误差。

通常，将反射镜设定为移动光学部件，将干涉镜设定为静止部件，如图1、图3所示。二者也可以反过来。

运动轴与激光器垂直测量方式的测量原理相似，不同的是，激光头的光束进入线性干涉仪，通过分光镜，。透射光穿过分光镜，到达反射镜，反射回分光镜，反射光（测量光束）则到达第二个反射镜。然后，两束光都被反射回分光镜，在此它们重新组合并被导回到激光头，激光头内的探测器监测两束光之间的干涉。

2 准直过程的讨论

进行精度测量时，为了减小测量误差，并确保被测量轴整个运动行程都有足够的信号强度，首先要完成测量系统的准直调节。准直就是调整激光器和镜组的位置和姿态，使测量激光束与所测量运动轴的移动轴平行，在被测轴全程范围内激光头都能获得可以用来测试的信号强度。

系统的准直调节分为：线性反射镜定位→粗略准直→低精度准直→光路高精度准直→线性干涉镜定位和准直。

2.1 线性反射镜定位

（1）反射镜固定在移动的工作台上（一般选择反射镜移动，这样的准直过程比较简单）；反射镜固定采用XL-80 校准激光干涉仪测量系统中磁座加固定杆，对于一些微小运动平台和运动平台上没有磁性材料的，设计时在运动块上合适位置加工M8 螺纹孔，方便反射镜固定镜固定。

（2）干涉镜固定到设备的固定部件上（通过磁性支架或其它方法），且干涉镜最好能够与线性干涉镜尽量靠近反射镜，如果二者靠近，则余下的准直工作仅仅是调整激光头。

2.2 粗略准直

光路准直是实现测量激光束与运动轴的平行，精确准直是在粗略准直的基础上完成的，虽然精确准直的方法有许多，但是都是建立在目测准直基础之上。

粗略准直分为水平调节和位置调节。

2.2.1 水平调节

运动系统进行精度校准时，工作平面一般是经过水平校准的，所以为了保证测量激光束和平台移动轴在水平或垂直面上共面，就需要对激光器进行水平校准。

气泡水平仪是三脚架云台组件的一个配件。水平仪可以装到云台顶部的圆形凹槽、三脚架云台适配器的上方，也可以放在XL 激光头的上方。气泡水平仪用于检验XL-80 激光头的设定是否水平。

2.2.2 位置调节

图4 位置调节原理

运动轴与激光器垂直的测量方式与运动轴与激光器平行的测量方式相比较，前者的准直操作比较难，因为前者的干涉镜位置及角度影响反射镜反射光路，而后者在调试激光器与运动轴平行时，不受干涉镜是否存在的影响。

首先调节测量反射镜和线性干涉镜的位置，线性干涉镜的出光口平面与测量反射镜入射口平面完全重合，消除这两个镜组之间的夹角误差（图4）。再调节这两个镜组的光轴大致重合（通过使镜组的外表面重合来保证光轴大致重合）。

光靶安装在线性干涉镜上，并把光靶定位成白点朝上（图5）；XL-80 激光头的光闸旋转到准直调整位置（图6B），使激光输出光束直径减小，便于精确调准直；转动高度调节曲柄，调节激光头的高度，并平移激光头，直到激光束射到光靶上的白点中心。此时激光头的高度基本确定，高度锁定环锁紧。

图5 光靶的安装

图6 XL-80 激光头的标准光闸

调整云台后方的扭摆微调控制和快速平移手柄，使其处于行程的中间位置，目的是避免激光器在调整中产生因为行程到头而无法调整的情况。通过移动三脚架，目测调整激光器的水平方向，使激光束在水平方向上与被测运动轴的移动方向平行，此时就完成了大致准直。

2.3 光路准直粗调

（1）通过移动平台，将测量反射镜移动离开干涉镜组，将光靶安装到测量反射镜上，而且定位成白点朝上，（图5），调整激光头的高低和左右位置，使激光束击中光靶上的白点中心。

（2）将测量反射镜移动到运动平台的另一个极限，此时若光束仍在光靶的白点中心上，则说明已经基本准直。如果光束偏离白点中心，则说明激光束与工作台移动方向不平行。可调整云台后方的扭摆微调控制旋钮（图7）使激光器水平旋转，如果光束和白点存在高度偏离，可调整激光器后方的俯仰旋钮，通过这两个旋钮使光束移动到以光靶白点为中心的对称位置，然后整体平移（高低左右）激光器（图8），使光束对准白点中心（图5）。

图7 角度扭摆(yaw) 控制旋钮

图8 水平平移调整

图9 俯仰(pitch)调节旋钮

（3）将测量反射镜移动到干涉镜最近处，此时若光束仍偏离靶心，则可重复步骤（1)～（2)，这样来回二三次，直到在全行程内，光束均保持在靶心，说明激光器光束的准直已基本调好。

2.4 光路高精度准直

任何光束准直偏差都会在激光头处以2 倍的偏差呈现，因此通过激光头光闸上的白色光靶更容易检测到准直误差。所以在完成低精度准直后，去掉光学镜组上的光靶，再进行高精度准直。

（1）去掉测量反射镜上的光靶，观察从测量反射镜返回到光闸上的激光束是否在白点中心上。调整测量反射镜上或激光头上下左右平动，使激光束对准激光器光闸的靶子中心。

（2）将测量反射镜移动到激光器最远处，此时若光束仍在激光器光闸的白点中心上，则说明已经完全准直。如果光束偏离白点中心，则说明激光束与工作台移动方向还存在准直误差。可调整云台后方的扭摆微调控制旋钮（图7）使激光器水平旋转，如果光束和白点存在高度偏离，可调整激光器后方的俯仰旋钮，通过这两个旋钮使光束移动到以光靶白点为中心的对称位置，然后整体平移（高低左右）激光器（图8），使光束对准白点中心（图5）。

（3）将测量反射镜移动到激光器最近处，此时若光束仍偏离靶心，则可重复步骤（4)-（5)，这样来回二三次，直到在全行程内，光束均保持在激光器光闸靶心，说明激光器光束的准直已完成。此时如果旋转光闸到测量位置，则激光头光束强度指示灯全亮。

2.5 线性干涉镜定位和准直

完成激光束从干涉镜返回到激光头光闸的白点，与从运动反射镜反射回来的激光束形成干涉光束。

（1）在设备的固定位置上而且是激光器与反射镜之间放入线性干涉镜，光靶安装在线性干涉镜上，而且定位成白点朝上（图5）。调整线性干涉镜高低左右移动，使激光束击中光靶上白点的中心。

（2）去掉线性干涉镜上的光靶，把它安装到测量反射镜上，观察从线性干涉镜返回到光闸上的激光束是否在白点中心上。调整线性干涉镜的俯仰(pitch)和扭摆(yaw)（图9），使激光束对准激光器光闸的靶子中心。

（3）去掉测量反射镜的光靶，一般情况下，激光头光闸上2 个光束就完全重合且对准白点中心。

（4）在被测轴的全行程范围内移动测量反射镜，如果全程范围内激光头都能获得可以用来测试的信号强度，即可进行测量。

3 结 论

该准直过程不仅应用于线性定位测量，而且可以应用于其它线性测量等。

该准直方法分为五步，其中前两大步是准直过程所必须的步骤，后面的三步（十小步）是作者的操作经验分享。

通常是将反射镜设定为移动光学部件，将干涉镜设定为静止部件；如果反过来，将干涉镜设定为移动光学部件，将反射镜设定为静止部件；也可以参照上面十小步完成准直。

XL-80 激光头的预热时间大约为6 min，虽然预热时激光的稳定性还不能满足检测要求，但是不影响准直校准。所以XL-80 激光头通电后就可以直接进行准直校准。

[1]曹利波.利用激光干涉仪对机床定位精度的快速检测[J].红外与激光工程.2008，37(4)：200-202.