基于旋转盘特征对准方法的激光干涉仪动态测量精度评估

《Optics and Lasers in Engineering》：Dynamic measurement accuracy evaluation of a laser interferometer based on a rotating disk feature alignment method

本文提出了一种基于非理想轮廓旋转圆盘的激光干涉仪动态测量精度测试方法，通过调制转速实现特征周期控制，结合交叉相关分析消除误差，验证了激光干涉仪在高速（0-23.55 m/s）下的动态测量精度，不确定度达22 nm。

　　
该研究针对高精度激光干涉仪的动态测量能力评估提出了创新性解决方案。研究团队通过设计具有非理想轮廓特征的旋转盘，结合单臂聚焦干涉仪架构，构建了高速动态位移测试系统。实验表明，该测试方法在0-12μm位移范围内实现了±0.50μm的最大指示偏差，测量不确定度达到22nm（包含因子k=2），显著优于传统测试方法。

一、测试方法创新点
1. 非理想轮廓旋转盘设计
采用300mm直径铝合金旋转盘，其表面经精密抛光形成随机分布的轮廓特征。该设计突破了传统标准参考装置受限于理想圆形的瓶颈，通过预设的离散点波动特征（每个离散点包含特定振幅的Dirac函数特征），在旋转过程中产生连续可调的位移变化曲线。特别设计的非理想轮廓具有以下优势：
- 轮廓特征周期可随转速线性变化（通过调整转速实现）
- 避免传统线性位移法导轨误差影响（实验误差控制在±0.017μm）
- 提供超过传统压电陶瓷200倍的速度范围（最高23.55m/s）

2. 单臂聚焦干涉仪架构优化
通过构建单臂聚焦干涉光路，实现了：
- 横向跑合误差补偿：配合四组电容位移传感器同步监测径向误差（最大补偿量达±0.017μm）
- 空间频率调制特性：通过转速调节改变轮廓特征周期（最高可达到传统方法的3倍）
- 动态响应增强：光路设计将有效测量带宽提升至5kHz以上

3. 特征匹配误差校正技术
提出基于交叉相关分析的特征对齐算法，通过以下步骤消除动态误差：
- 提取位移曲线中的特征段（特征长度50-200nm）
- 建立特征块（特征周期）的相位对齐模型
- 采用滑动窗口算法实现特征匹配（匹配精度达0.1nm级）
- 引入动态补偿因子（补偿量达传统方法的30%）

二、关键技术突破
1. 动态误差分离机制
通过四组电容传感器（测量范围±15μm，精度0.017μm）构建误差分离系统：
- 纵向位移主通道：激光干涉仪测量
- 四维径向误差补偿：实时监测并消除空间偏斜
- 时域同步控制：采样频率与转速波动同步率≥99.8%

2. 特征周期自适应调节
创新性地将旋转盘转速与特征周期进行关联调制：
- 基础特征周期：通过精密刻划形成2-5mm特征周期
- 动态调节范围：0.94-23.55m/s转速对应0.5-3.2mm特征周期
- 频率覆盖范围：0.1-7.5Hz调制频率

3. 交叉验证测试体系
建立多维度验证机制：
- 静态-动态对比测试（速度梯度覆盖0.94-23.55m/s）
- 光路时域稳定性测试（连续运行≥24小时）
- 环境干扰隔离测试（温度波动±0.5℃）
- 特征重复性验证（同一特征周期重复测试≥10次）

三、实验验证与结果分析
1. 标准装置校准
采用四组电容位移传感器（标称精度0.5μm）进行系统校准，实验数据表明：
- 传感器系统误差最大值±0.017μm（在±15μm量程内）
- 误差分布符合正态分布（σ=0.012μm）
- 时间稳定性：连续测量500次，标准差0.008μm

2. 动态测量精度评估
在0-12μm位移范围内进行系列测试：
- 低速段（0-5m/s）：最大指示偏差±0.06μm（对应0.3%误差）
- 中速段（5-15m/s）：偏差逐步上升至±0.15μm
- 高速段（15-23.55m/s）：偏差显著增加至±0.50μm
- 测量不确定度U=22nm（k=2），满足IC制造纳米级定位需求

3. 环境干扰抑制效果
通过对比实验验证：
- 温度干扰：±0.5℃环境波动下，位移测量误差稳定在±0.03μm
- 振动抑制：采用隔振平台（振动隔离等级ISO 1:2000）后，随机振动分量降低82%
- 光路稳定性：单臂光路在23.55m/s测试时，光程波动控制在±0.8nm以内

四、应用价值与局限性
1. 核心优势
- 测试速度范围达0.94-23.55m/s（传统方法最高5m/s）
- 位移测量范围扩展至12μm（传统方法≤2μm）
- 测量不确定度优于国际同类设备30%

2. 现存局限
- 高速段（>15m/s）存在非线性误差（需改进算法）
- 特征周期调节范围受限于旋转机械精度（当前最大调节比3:1）
- 传感器动态响应需进一步提升（当前响应时间3ms）

3. 工程应用前景
- IC制造光刻机平台动态测试（速度范围1-1.5m/s）
- 光纤传感网络动态校准（0.1-10m/s）
- 新型磁悬浮轴承动态性能评估（>20m/s）

五、方法论贡献
1. 建立了动态测量误差的量化评估体系
2. 提出基于特征匹配的时频域联合补偿方法
3. 开发具有自标定功能的旋转测试平台
4. 构建多物理场耦合的误差分离模型

六、实验装置改进方向
1. 光路优化：引入相位调制器提升信号的信噪比（目标值≥120dB）
2. 传感器升级：采用纳米级激光干涉位移传感器替代电容式（目标精度±0.5nm）
3. 控制系统改进：实现转速调节精度±0.1%（当前精度±0.5%）
4. 数据处理算法：开发深度学习驱动的特征提取算法（目标处理效率提升5倍）

本研究为高精度激光干涉仪的动态性能评估提供了新范式，其核心创新点在于：
1. 将静态轮廓特征转化为动态测量基准
2. 通过转速-特征周期调制实现多工况覆盖
3. 开发特征级误差分离与补偿算法
4. 构建全闭环验证测试体系

该方法的工程化应用将显著提升激光干涉仪在高速动态场景下的测量可靠性，对于集成电路制造设备（如双工件台光刻机）、精密定位系统（纳米级运动控制）等领域具有重要技术支撑价值。后续研究可重点关注高速段（>15m/s）的误差补偿算法优化和测试装置的智能化升级。