Attocube激光干涉多轴测量原理 基于IDS3010

激光干涉仪闭环纳米定位

我们所处的世界，对定位精度的要求正变得越来越小，从之前的毫米，到微米，然后是纳米和亚纳米。从半导体设备到先进光纤装配等多个行业，我们都能观察到这个趋势。实现纳米运动，最常用的方案是压电纳米定位台，但是纳米定位台所能达到的实际精度，会受到内部传感器的精度限制，并且测量轴要尽可能地靠近目标点以减小阿贝误差。attocube的IDS3010激光干涉仪非常适合这项任务，而且具备微型化和模块化，能直接集成到超精密定位系统中。
在光纤阵列装配和对准中，多轴运动的重复性和精度是关键性指标（图1）。通常光纤阵列会布置在XYZ三维定位台上，为了达到最高的传输效率，每根纤芯（直径不超过100微米）都需要用探针来扫描，来实现最大的传输信号强度。探针和纤芯之间相对运动的重复精度需要达到25nm以内，这样才能保证扫描产生的光强曲线具有足够高的分辨率。而且，为了能对光纤阵列里的所有纤芯进行扫描，整体运动行程必须达到数毫米。
本篇介绍一套由压电定位台ECSx3030和IDS3010激光干涉仪构成的闭环定位系统。IDS3010具有1pm分辨率，测量范围可达5米，重复精度仅为几纳米。而ECSx3030是一款为工业型应用设计的长行程纳米定位台，内置高稳定性线性导轨，行程达到20mm，最大速度为4.5mm/s，最大负载达到9kg。

编码器选择

Attocube的压电定位台可以选择多种编码器做闭环。精度比较低是电阻编码器，分辨率为200nm，重复精度1-2μm，但特别适合超低温环境工作（比如4K甚至接近0K）；光栅式编码器的分辨率为1nm，重复精度为50nm，是ECS系列定位台的常用编码器，可在常温和真空环境下工作。这两种编码器都可以安装在定位台内部，但是测量轴离目标点都存在一定的距离，从而带来一定的阿贝误差。如果使用IDS3010激光干涉仪作为外部传感器，就可以直接测量目标点，从而消除阿贝误差，大大提高实际定位精度。并且，对于XY二维应用，运动的正交性就不再受限于编码器的角度容差和运动台安装的正交性，侧向跳动和被杠杆放大的误差都可以被IDS干涉仪测出并得到补偿。不仅如此，装置的所有扰动（例如热漂移）也都可以得到补偿。只需要对传感头的正交性进行校准，就可以极大提高二维运动的重复性和精度。

装置结构

该装置的运动部分为ECSx3030纳米平移台，由AMC100运动控制器提供驱动和控制；闭环位置反馈采用IDS3010，通过D4/F17传感器头将测量光束聚焦在平台顶部的反射镜上实现测量。装置示意图见图2。整个装置处于室温环境，并在光学平台上运行。为了达到纳米级的精度和避免机械振荡，整个装置需要非常高的机械稳定性，并保持温度恒定。我们增加了一套独立的干涉仪系统做测量，并使用了50kHz的高带宽，以验证系统能达到的实际精度，测量结果如图3所示（采用625Hz均化）。

图1: 基于AMC100和IDS3010的干涉仪闭环XYZ三维纳米定位系统。光纤阵列及光学反射块安装在平台台面上，3个微型传感器头靠近被测目标（光纤阵列）安装，实现三维纳米精度位移测量。