超精密平台的控制

为计量科研服务

201220096超精密运动台激光测量模型及误差补偿算法

摘要:分析激光测量中阿贝误差与余弦误差产生的原因,分两种情况讨论阿贝误差与余弦误差对测量光程的影响:一是忽略激光干涉仪加工误差与安装误差的理想模型;二是考虑干涉仪加工误差与安装误差的非理想模型。计算两种情况下测量光束的光程长度,建立x、y方向直线测量位置不受运动台倾斜或旋转影响的测量模型,进而推导出运动台五自由度激光测量算法。实例证明该算法能有效地进行阿贝误差与余弦误差补偿,满足超精密运动的要求。该算法已成功应用于半导体加工设备中。

关键词:激光测量;阿贝误差;余弦误差;误差补偿

)中图分类号:TP391暋暋暋文章编号:1004—132X(200912—1492—06

AnAlorithmonLaserMeasurementModelofg

Ultra-precisionMotionStaeandErrorComensationgpTenei暋ZhouYunfeiMuHaihuaYanianliangWgLgg

,NationalNumericalControlSstemEnineerinechnoloesearchCenterygg&TgyR

,,HuazhonniversitfScienceandTechnoloWuhan430074gUyogy

:AbstractThereasonsofAbbeerrorandcosineerrorwereanalzedinlasermeasurement.Theny

:theeffectofAbbeerrorandcosineerroronmeasurementoticalathwasdiscussedastwoinstancespp

anidealmodelofinterferometerwithoutrotation&tiltandanon-idealmodelofinterferometerwith

,them.Theoticalathwascalculatedsearatel.Nextamodelwhosex-ranslationvaluewillnotpppyyt

beaffectedbhetilt&rotationofmotionstaeanda5-DOFlasermeasurementalorithmwereytgg

,concluded.Finallexerimentalresultsdemonstratetheeffectivenessandreliabilitftheproosedypyop

alorithm.Thepresentedalorithmhasbeenaliedinsemiconductormanufacturinuimentsuc灢ggppgeqpcessfull.y

:;;;KeordslasermeasurementAbbeerrorcosineerrorerrorcomensationpyw

华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心,武汉,430074

滕暋伟

周云飞穆海华杨亮亮

0暋引言

超精密运动平台已广泛应用于各种高精度加

产生的阿贝误差与余弦误差会引起x、y方向不应有的测量位置波动从而影响定位精度,难以满足超精密运动的控制要求,因此必须在测量模型算法中对该类误差予以补偿。本文建立一个运动台五自由度激光测量模型,对产生阿贝误差与余弦误差的各种因素进行分析。

工系统中。高精度的位置测量系统是实现精密运动控制的关键。双频激光干涉仪因其具有测量精]度高、行程长等优点而被广泛采用。文献[开发1]文献[研究的六自由度激光测量平台120mm,2

具有5nm的控制精度。它将由多普勒频移效应所产生的频率不同的两束

]3

。测量过程中的各种误差会光转换为测量位置[

的激光测量运动台平动精度可达2行程为5nm,

1暋激光测量原理及模型参数定义

双频激光干涉仪是一种增量式的测长仪器,

1.1暋激光测量原理

如图1所示,运动台采用六轴双频激光干涉的偏振方向相互垂直的双频激光,经分光镜分成两束,一束参与目标位移测量,另一束经光电转换后为测量提供基准信号。参与目标位移测量的频

仪作为测量系统,激光头发出一束频差为3MHz

影响最终的测量精度,主要包括激光干涉仪固有

]4

、的系统误差[安装与运动过程中的阿贝误差与]56]、余弦误差[测量环境变化所致的环境误差[及

[]7

电气传输、离散数据处理所产生的延迟误差等。

其中,系统误差、环境误差与延迟误差等主要受硬件与环境条件影响,这里不详述。干涉仪固有的机械加工误差与安装误差,以及运动台在工作过程中的倾斜或旋转运动导致测量光程发生变化而

收稿日期:2008—09—05

)基金项目:国家自然科学基金资助项目(50775088

/率分别为fA和fB的双频激光在干涉仪内被14

波片分开,fB频率的激光作为参考信号,fA频率的激光作为测量信号,并经过测量对象折回。当测此信号在干涉仪内与参考信号fB相干殼fA暲f,

涉得到频率为fB-(fA暲殼f)的干涉测量信号,该信号和基准信号被输入到激光计数卡进行计算得到运动台的位移。

量对象运动时,由于多普勒效应,fA变成

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