激光干涉儀轉角準直調節

任耀華，王曉奎

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原030024)

半導體工藝設備的精度越來越高，精密設備對定位平臺的精度要求也越來越高。多軸運動系統的定位精度的提高，依賴各獨立軸的定位精度。必要時，還要對各運動軸的定位精度進行補償。

激光干涉儀因其精度高、應用范圍廣、環境適應力強、實時動態測速高等優點，被用作精度檢測、驗收的首選設備。定位精度測量是激光干涉儀最常見的一種測量。激光干涉儀系統會比較軸位置上的目標位置數據與測量的實際數據，從而測量運動軸的定位精度和重復定位精度。

我們使用的是RENISHAW（雷尼紹）公司最新產品XL-80 校準激光干涉儀，在日常的檢測工作中，根據測試內容，再選擇相應的光學鏡組，才能完成相應的測試。圖1是測量線性位置的典型系統設定。

執行定位精度測量時，為了減小系統的阿貝誤差和余弦誤差，即測量軸和運動軸的平行，必須首先對測量系統進行準直調節。XL-80 校準激光干涉儀幫助系統中，對準直操作的敘述不是很詳細，特別是對運動軸與激光器垂直的測量方式，僅介紹了可以這樣檢測，而沒有介紹如何進行準直操作。在我們的實際工作中，由于受到設備空間的限制，經常用到運動軸與激光器垂直的測量方式，結合運動軸與激光器平行的準直過程，并根據多年的使用經驗，和大家共享準直過程的收獲。

圖1 線性測量的系統設定

1 線性測量

線性測量是激光干涉儀測量運動軸實際位置與目標位置的差值，從而測量線性定位精度和重復定位精度。

1.1 線性測量所用光學鏡組

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

1.2 準直測量原理

分光鏡和一個帶固定桿的線性反射鏡組合后，便成為一個線性干涉儀(見圖3)。

圖2 線性測量鏡組

圖3 準直測量原理

激光頭的光束進入線性干涉儀，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）則穿過分光鏡到達第二個反射鏡。然后，兩束光都被反射回分光鏡，在此它們重新組合并被導回到激光頭，激光頭內的探測器監測兩束光之間的干涉。在線性測量過程中，一個光學組件保持靜止不動，另一個光學組件沿線性軸移動。通過監測測量光束和參考光束之間光路差異的變化，產生定位精度測量值。此測量值可以與被測設備定位系統上的讀數比較，獲得機器的精度誤差。

通常，將反射鏡設定為移動光學部件，將干涉鏡設定為靜止部件，如圖1、圖3所示。二者也可以反過來。

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

2 準直過程的討論

進行精度測量時，為了減小測量誤差，并確保被測量軸整個運動行程都有足夠的信號強度，首先要完成測量系統的準直調節。準直就是調整激光器和鏡組的位置和姿態，使測量激光束與所測量運動軸的移動軸平行，在被測軸全程范圍內激光頭都能獲得可以用來測試的信號強度。

系統的準直調節分為：線性反射鏡定位→粗略準直→低精度準直→光路高精度準直→線性干涉鏡定位和準直。

2.1 線性反射鏡定位

（1）反射鏡固定在移動的工作臺上（一般選擇反射鏡移動，這樣的準直過程比較簡單）；反射鏡固定采用XL-80 校準激光干涉儀測量系統中磁座加固定桿，對于一些微小運動平臺和運動平臺上沒有磁性材料的，設計時在運動塊上合適位置加工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，則余下的準直工作僅僅是調整激光頭。

2.2 粗略準直

光路準直是實現測量激光束與運動軸的平行，精確準直是在粗略準直的基礎上完成的，雖然精確準直的方法有許多，但是都是建立在目測準直基礎之上。

粗略準直分為水平調節和位置調節。

2.2.1 水平調節

運動系統進行精度校準時，工作平面一般是經過水平校準的，所以為了保證測量激光束和平臺移動軸在水平或垂直面上共面，就需要對激光器進行水平校準。

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

2.2.2 位置調節

圖4 位置調節原理

運動軸與激光器垂直的測量方式與運動軸與激光器平行的測量方式相比較，前者的準直操作比較難，因為前者的干涉鏡位置及角度影響反射鏡反射光路，而后者在調試激光器與運動軸平行時，不受干涉鏡是否存在的影響。

首先調節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，消除這兩個鏡組之間的夾角誤差（圖4）。再調節這兩個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朝上（圖5）；XL-80 激光頭的光閘旋轉到準直調整位置（圖6B），使激光輸出光束直徑減小，便于精確調準直；轉動高度調節曲柄，調節激光頭的高度，并平移激光頭，直到激光束射到光靶上的白點中心。此時激光頭的高度基本確定，高度鎖定環鎖緊。

圖5 光靶的安裝

圖6 XL-80 激光頭的標準光閘

調整云臺后方的扭擺微調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整中產生因為行程到頭而無法調整的情況。通過移動三腳架，目測調整激光器的水平方向，使激光束在水平方向上與被測運動軸的移動方向平行，此時就完成了大致準直。

2.3 光路準直粗調

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

（2）將測量反射鏡移動到運動平臺的另一個極限，此時若光束仍在光靶的白點中心上，則說明已經基本準直。如果光束偏離白點中心，則說明激光束與工作臺移動方向不平行。可調整云臺后方的扭擺微調控制旋鈕（圖7）使激光器水平旋轉，如果光束和白點存在高度偏離，可調整激光器后方的俯仰旋鈕，通過這兩個旋鈕使光束移動到以光靶白點為中心的對稱位置，然后整體平移（高低左右）激光器（圖8），使光束對準白點中心（圖5）。

圖7 角度扭擺(yaw) 控制旋鈕

圖8 水平平移調整

圖9 俯仰(pitch)調節旋鈕

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

2.4 光路高精度準直

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

（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中心上。調整測量反射鏡上或激光頭上下左右平動，使激光束對準激光器光閘的靶子中心。

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

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

2.5 線性干涉鏡定位和準直

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

（1）在設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，而且定位成白點朝上（圖5）。調整線性干涉鏡高低左右移動，使激光束擊中光靶上白點的中心。

（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中心上。調整線性干涉鏡的俯仰(pitch)和扭擺(yaw)（圖9），使激光束對準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 個光束就完全重合且對準白點中心。

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

3 結 論

該準直過程不僅應用于線性定位測量，而且可以應用于其它線性測量等。

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

通常是將反射鏡設定為移動光學部件，將干涉鏡設定為靜止部件；如果反過來，將干涉鏡設定為移動光學部件，將反射鏡設定為靜止部件；也可以參照上面十小步完成準直。

XL-80 激光頭的預熱時間大約為6 min，雖然預熱時激光的穩定性還不能滿足檢測要求，但是不影響準直校準。所以XL-80 激光頭通電后就可以直接進行準直校準。

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