0.   引言

应用激光自动干涉比长仪对线纹尺、光栅尺、掩膜板、网格板、线性增量计数器等计量器具进行检测是几何量计量中一个重要的发展方向。现代工业高技术领域，集成电路光刻精度和精密机械加工精度越来越高，位置精度要求小于50 nm，面形精度要求小于λ/100（RMS），表面粗糙度要求小于0.1 nm。一方面，随着影像测量仪和坐标测量机光学测头应用的逐年增加，对线纹尺和光栅尺的检测需求也在增加；另一方面，一维检测研究领域不断拓展，各种基于干涉、衍射测量原理的线位移传感器的精度不断提高，各种具有高达几个纳米测量重复性的通用长度测量系统以及一些高精度标准器已经出现，如各种小型激光干涉仪，各种高精度光栅类位移编码器、传感器，以及在计量测试行业中校准坐标测量机的步距规、球杆仪等专用校准量具。目前针对这些一维长度线值测量系统和仪器的量值溯源的问题越来越突出，因此，国际上纳米精度量级的比长仪一直在不断的研究。近年来世界上一些发达国家的计量院为满足工业科技发展的现状，提出并研制或改进了新型纳米精度量级线值长度计量溯源标准系统。

在一维测长领域，德国联邦物理技术研究院（PTB）纳米比较仪代表了世界领先水平，该装置由PTB与德国海德汉（HEIDENHAIN）公司合作研制，其测量范围为0～610 mm，测量不确定度小于几纳米，可用来测量线纹尺、线性增量光栅编码器、测头、光学掩膜板，还可用来标定激光干涉仪。PTB纳米比较仪的一维长度测量不确定度如下，线纹尺（Line scale）：U_aim≤5 nm；光学掩膜板长度（Length on photo mask）：U_aim≤5 nm；线性光栅编码器（Linear encoder）：U_aim≤3 nm；激光干涉仪（Laser interferometer）：U_aim≤2 nm。近年来我国对线纹基准进行了水平提升和向二维扩展，同时也研制了新型多功能1米激光比长仪以满足地区先进制造领域的需求。

1.   国际上典型的一维线纹激光比长测量装置

目前，世界上一些发达国家计量院在线纹刻线测量领域的测量能力和范围见表1所示^[1]，其中，PTB正在力争实现5 nm测量能力。

表  1  线纹刻线测量能力和范围

Table  1.  Line measurement capability and range

机构名称	测量能力 /nm	测量范围 /mm
德国联邦物理技术研究院(PTB)	34	610
美国国家标准与技术研究院(NIST)	103	1000
日本国家计量研究院(NMIJ)	100	2000
韩国标准与科学研究院(KRISS)	230	2000

下载: 导出CSV 

| 显示表格

1.1   PTB纳米比较仪

PTB纳米比较仪能对光掩模、线纹刻度、增量线性编码器和激光干涉仪进行一维校准，单轴最大测长范围为610 mm^[2]。

1.1.1   纳米比较仪原理

纳米比较仪视图如图1所示，为了确保测量精度，通过使用金属波纹管，纳米比较仪的干涉仪完全置于真空中，校准对象则置于大气条件下。装置可以补偿花岗岩底座的膨胀和弯曲带来的误差，并使测量周期偏差、热变形、机械变形的影响最小化。干涉仪的设计可采用零差或外差干涉法，激光光源被布置在远离比较仪的位置，通过光纤导入，光源为双频碘稳定倍频激光器（Nd-YAG）。增量光栅读取头和光电显微镜等部件安装在滑架上方的实心桥上。遵循阿贝原则，将测量对象安装在可移动的滑架上，激光干涉仪在同一条线上测量滑架的位置。

图  1  纳米比较仪

Figure  1.  Nanometer comparator

下载: 全尺寸图片 幻灯片

纳米比较仪安装在70 cm厚的花岗岩底座上，该底座放在空气阻尼元件上。这些阻尼元件可在垂直和水平方向上与地板隔振。干涉仪的测量反射镜与测量对象一起安装在一个真空的外壳中，测量对象位于气垫式测量滑架上的可微调支架。在测量反射镜和物体支架之间有一个机械触点，带有螺纹网格的通用安装板可灵活使用不同的显微镜和读数头。

1.1.2   激光干涉仪

激光干涉仪的光源为Nd-YAG，波长532 nm，光功率约100 mW。将激光干涉仪集成到纳米比较仪上是该装置的关键技术，该装置采用经典的迈克尔逊干涉仪，测量支架上有一个移动反射镜和一个固定参考镜，如图2（a）所示。这种设置对花岗岩底座的热膨胀非常敏感，为了补偿这种影响，参考镜通常固定在显微镜上，如图2（b）所示。为了解决测量光束和参考光束不共轴的问题，添加了第二个干涉仪来测量光束的倾斜，如图2（c）所示。如果两个干涉仪中光束之间的距离相同，则只需将两个干涉仪的结果相减即可实现倾斜补偿。该设计可以最大限度地减少测量链中机械部件的尺寸，从而提高热稳定性并最大限度地减少振动的影响。此外，测量光束中的光学元件数量非常少，再加上20 mm的开放孔径，干涉仪中的衍射效应非常小。

图  2  激光干涉仪的集成

Figure  2.  Integration of laser interferometers

下载: 全尺寸图片 幻灯片

为了消除与偏振混合相关的经典外差干涉仪的非线性，入射光束在空间上是分开的。光束之间的频率偏移是通过两个光束中的声光调制器实现的。为了重新组合空间分离的光束，使用了参考光束路径中的镜子。为了补偿由光电探测器和光纤路径差异引起的测量光束和参考光束之间可能的相位变化，需要具有相同光学布局的参考干涉仪，该干涉仪必须由与测量干涉仪相同的输入光束馈送。根据后文图5的设计，该参考干涉仪可作为第二个干涉仪用于倾斜补偿。图3显示了纳米比较仪中外差干涉仪的设计。

图  3  外差干涉仪的设计

Figure  3.  Design of heterodyne interferometer

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.1.3   光电显微镜

图4为定位单元的结构，它包含一个内窥镜、两个显微镜和两个激光距离传感器。测量过程中，图像通过可调尺寸的固定狭缝投射到光电倍增器上。光电显微镜只能进行动态测量，在测量滑架的运动过程中，显微镜信号和干涉仪信号使用硬件触发器同时采集。CCD显微镜具有类似的设计，但它使用CCD相机作为结构图像的主要检测系统。

图  4  定位单元的结构

Figure  4.  Structure localisation unit

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.1.4   自动对焦原理

使用具有大光学孔径的显微镜，此处应用NA=0.9的物镜，这通常小于测量对象的偏差。如果显微镜未与测量对象垂直对齐，则测量对象表面的高度变化会引入额外的测量误差，这个问题可以通过自动对焦机制解决。

通过空气轴承内的压电转换器来移动测量托架，滑架的运动由偏摆角和俯仰角的角度干涉仪以及基于象限二极管的直线度测量系统测量。所有这些测量系统都集成在长度干涉仪的真空系统中，如图5所示。另外，滚动角是通过偏振法测量的。

图  5  在真空波纹管中集成测量系统

Figure  5.  Integration of measurement systems in the vacuum bellow

下载: 全尺寸图片 幻灯片

为了获得显微镜的高质量光学图像，必须对每个测量位置进行不同高度的测量，根据图像内结构边缘的最大斜率来实现自动对焦。为了在没有最高精度的情况下进行快速测量，先使用激光距离传感器测量标尺的轮廓，然后根据这些结果在z方向移动托架。为了使用狭缝显微镜进行更高精度的测量，将在不同高度重复这种测量。对于CCD显微镜，测量托架将相对于结构定位，并在不同高度进行测量。总的来说，只有在表面轮廓和线纹边缘质量较高的条件下，才能实现高精度长度校准。

1.2   NIST线纹比长干涉仪

1.2.1   线纹比长干涉仪原理

线纹比长干涉仪的线纹尺移动平台由2米导轨配合丝杠进行驱动，固定位置光电显微镜具有伺服系统，用于瞄准显微镜视场中的刻度。使用激光光源的干涉仪作为测量线纹尺的长度标准装置，该装置作为在环境条件下计算激光波长温度、气压和空气水分含量的测量装置，可用于数据记录和处理，计算机、控制器等辅助设备可实现该装置的自动化操作。利用该装置实时控制外壳温度，可提供一个稳定的测量环境^[3]。

如图6所示，在主托架的顶部可集成线纹尺安装平台、用于聚焦和校准线纹刻度的机械控制系统以及用于显微镜视野范围内刻度瞄准的伺服执行机构等部件。

图  6  线纹比长干涉仪

Figure  6.  Linear length interferometer

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.2.2   激光干涉仪

采用HP 5526A型He-Ne激光干涉仪，其原理如图7所示，可以很容易地集成到一个自动化的计算机控制系统。当托架移动时，伺服系统使光学平面保持相互平行，从而失去了补偿迈克尔逊干涉仪所提供的波纹度和直线度偏差的能力。将托架节距和偏摆引入的正弦和余弦误差降至最低，HP干涉仪的光轴总是与刻度轴对准。

图  7  HP激光干涉仪原理

Figure  7.  Principle of HP laser interferometer

下载: 全尺寸图片 幻灯片

HP干涉仪激光波长的短期分段稳定性为1×10⁻⁸，工作在1/4波长计数模式与内插计数模式之间。空气温度、气压、相对湿度和CO₂含量的测量值用于计算空气在干涉仪路径的折射率，然后由NIST校准的真空波长和折射率推导出环境波长，进行线纹长度计算。

1.2.3   光电显微镜

光电显微镜原理如图8所示，刻线通过光学系统在狭缝面上形成放大实像，扫描镜以正弦模式旋转，使刻线实像经过光电倍增器。信号处理系统通过探测刻线边缘，定位刻线的中心位置信息，在刻线像与狭缝重合时，控制刻线运动的伺服电机处于静止状态，系统进入测量状态。

图  8  光电显微镜静态瞄准技术的原理

Figure  8.  Principle of static aiming technology of photoelectric microscope

下载: 全尺寸图片 幻灯片

一对正、负峰值探测器组成光信号处理器，光信号处理器和线中心偏差检测电路将信号转换成一种对线方法，正、负峰值电压差表示线中心与扫描中心的偏差。峰值电压的幅值信号在示波器上显示的波形如图9所示，峰值电压与线路信号相交的两点，线定心偏差检测器产生一个双极直流电压，该电压对应于中心到线边缘的方向，并与距离成正比。此电压被用作校正信号，运行比例+积分伺服驱动器，然后通过电液方式移动规模支撑结构(带反射器)使线路中心化。该伺服系统回路将连续动态地锁定一个线中心到显微镜场的扫描中心上，可以使用阈值与线信号的一个边缘或另一个边缘的交集来实现线边缘的定心。

图  9  显微镜线信号模型

Figure  9.  Microscope line signal pattern

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.3   Mitutoyo高精度线纹刻度标定系统

Mitutoyo高精度线纹刻度标定系统如图10所示^[4]，遵循阿贝原则，采用可移动平台结构、Mitutoyo研磨导轨和自行设计的动态测量边缘传感器，利用真空激光束光路稳定波长，降低测量不确定度。系统的总体结构和安装环境使测量精度尽可能少的受温度变化、振动等干扰的影响。系统实现了两轴的同步控制，即工作台的行程和波纹管的行程同步控制，该系统还能实现大量数据的导入。

图  10  高精度线纹刻度标定系统

Figure  10.  High precision line calibration system

下载: 全尺寸图片 幻灯片

系统测量能力U=40 nm/m(k=2)，能实现超精密线纹刻度、编码器和线纹尺的评估和校准。该系统具有1600 mm的长测量范围和0.8 nm的高分辨率。系统采用高速连续测量，最大运行速度：20 mm/s；最大测量点：2×10⁶点/一次测量(1600 mm/0.8 um间距)，测量1600毫米线纹尺（1微米间距）一次的时间大约为3分钟。

1.4   KRISS线性测量系统

KRISS线性测量系统是一种用于校准各种线纹标准和端面标准的一维系统，测量范围为2000 mm，高精度工作台及其组成部分如图11所示^[5]。主工作台由齿轮减速直流电机驱动，通过真空预加载空气轴承来移动系统。在主工作台的顶部安装了一个由压电传感器（PZT）驱动的精密定位柔性工作台，高精度工作台包括一个PZT驱动级，用于控制俯仰运动，z轴由直流电机驱动，用于控制垂直接触位置。另一个用于偏摆控制的PZT驱动级附在z轴上，这些俯仰和偏摆控制是用来减小阿贝误差的。三轴干涉仪的运动镜和光学显微镜的探头都安装在角度控制台上，整个线性测量系统安装在温控室中。

图  11  线性测量系统

Figure  11.  Linear measurement system

下载: 全尺寸图片 幻灯片

此系统采用三轴干涉仪，通过将三轴干涉仪的测量点与探测点重合，以减小上述阿贝误差，如图12所示。移动工作台上装有CCD摄像机的光学显微镜可以捕捉到线纹刻度的图像，中心线由自制软件计算。

图  12  三轴干涉仪和探测点

Figure  12.  Triaxial interferometers and probe points

下载: 全尺寸图片 幻灯片

2.   我国一维线纹激光比长测量装置

1969年，我国首台激光比长仪研制成功，实现了复现米定义的激光波长直接向线纹尺的量值传递，在0～1 m范围内，其测量准确度达到了0.2 μm，进入了国际先进水平国家行列^[6]。随后国家1米线纹工作基准建立^[7-8]，相继在不同的领域建立了一维线纹激光比长测量装置^[9]。2000年以后，中国计量科学研究院昌平基地开始2 米线纹激光比长仪的研究工作，于2012年建立了相关工作基准装置^[10]，提升了我国一维线纹计量基准能力。

2.1   研究现状

中国计量科学研究院（2010年）对刻线瞄准和激光干涉测长等测量精度进行了深入研究^[11]。通过在2 米比长仪上对高等别线纹尺进行测量实验，其刻线瞄准精度可小于10 nm^[12]，对于高质量的线纹尺，测量结果的扩展不确定度U=（20+40L）nm（k=2，L为高等别线纹尺长度，单位为m）。

中国计量科学研究院（2017年）对高等别线纹尺校准装置及校准方法进行了研究^[13]，研发了新的激光干涉比长仪装置，通过校准和实验室测试，该装置校准线纹尺达到了基准级的测量精度。

中国计量科学研究院联合无锡、常州两市计量所（2017年）研制了新型多功能1米激光比长仪，该装置总重达到了8.4 t，可用于开展高等别（玻璃、金属）线纹尺的检定、位移传感器和激光干涉仪（线性测长）的动态测量。该装置设计符合阿贝原则，采用高精度的大理石气浮导轨，在0～1 m范围内导轨直线度优于1 μm/m；传动系统结合了气浮的导轨与同步带；激光干涉测长系统具备高精度环境测量和波长修正的功能，测长优于0.1 ppm；采用光电瞄准显微镜对线纹尺进行动态瞄准^[13]，瞄准重复性小于100 nm；基于边缘触发原理设计了一种动态同步触发电路（触发误差小于1 nm），采用内部触发脉冲或输入外触发脉冲采样，可设置任意步长的采样。采用该装置测量玻璃线纹尺，二等的测量结果扩展不确定度U=（0.2+1.5L）μm（k=3，L为二等玻璃线纹尺长度，单位为m），一等的测量结果扩展不确定度U=（0.1+0.5L）μm（k=3，L为一等玻璃线纹尺长度，单位为m)，达到国内先进水平。

2.2   关键技术

2.2.1   装置的主体机械结构

国内一维线纹激光比长仪的主体机械结构都是比较典型的（中国计量科学研究院的2 米比长仪除外^[12])，新型多功能1米激光比长仪的机械结构如图13所示。

图  13  新型多功能1米激光比长仪

Figure  13.  A new type of multifunctional 1 m linear laser instrument

下载: 全尺寸图片 幻灯片

新型多功能激光比长仪是用花岗石为基本材料制造床身滑台等基础机械结构，通过伺服电机驱动气浮导轨滑台沿直线运动，对多种类型的线位移传感器、激光干涉仪进行自动同步动态校准的标准装置。主体机械结构包括大理石基座、工作台，工作台上安装校准位移传感器的夹具、气浮导轨、同步带；大理石基座两端设有托架，一端托架安装激光干涉仪干涉镜和反射镜，另一端托架上安装位移传感器固定调整台。新型多功能1米激光比长仪符合阿贝原则，光路与线位移传感器运动轴线在同一直线上。

2.2.2   干涉仪的激光光源

上述装置激光光源为中国计量科学研究院研制的532 nm激光，由于采用了调制转移的稳频技术，激光器具有高稳定的优点^[10]，当t_取样时间为l s时，其稳定度为3×10⁻¹⁴，输出功率约8 mW。其它比长仪的原激光光源为波长633 nm，波长稳定度为10⁻⁸，输出功率约1 mW。所述激光光源均可溯源到“米”定义的光源。

2.2.3   干涉仪的激光空气波长

干涉仪工作在空气环境中，“米”定义给出的激光波长是真空波长，因此必需计算出实际使用环境中的空气波长，空气参数(如温度、相对湿度、压力、二氧化碳浓度等)发生变化以及空气中含有其它杂质时，空气折射率会发生变化，这将导致激光波长发生变化，在精密测量领域，如何减小空气折射率对测量精度的影响一直是一个值得不断深入研究的重要课题。国内外相关学者开展了一系列的研究工作，按其实现方法，可分为直接测量法和间接测量法。直接测量法中常见的如将折射率的变化转换为激光干涉条纹的变化，该方法测量精度较高（10⁻⁹数量级），但是其系统复杂，根据实际测量环境条件难以灵活调整。间接测量法中较为经典的方法就是PTF（P：压力；T：温度；F：相对湿度）方法，即采用公式法通过测量环境参量来间接计算出折射率的方法。PTF方法的原理简单，易于根据测量环境作灵活调整，与直接测量法中的激光干涉条纹计数方法相比，虽然PTF方法精度相对较低（10⁻⁸数量级），但是该精度足以满足绝大部分激光干涉测长的需求，因而PTF方法的应用更为普遍。目前比长仪采用环境参量测量法对激光波长进行修正。2 米比长仪采用了修正的Edlen公式，采用了高精度的PTF传感器（P：±80 Pa；T：±10 mK；F：±1%），测量不确定度达到1.5×10⁻⁸，从而提升了空气波长测量精度^[14]。

2.2.4   测量装置的激光干涉测长系统

激光干涉测长系统采用迈克尔逊激光干涉仪进行测量，将所得的位移值作为参考标准，测量原理如图14所示^[15]。从激光器发射出的激光准直光束①到达移相分光镜时，被分成两束光，反射光束②和透射光束③。②和③分别投射到对应的角锥反射镜中，反射至分光镜形成④和⑤，④和⑤经过移相分光镜得到干涉光束⑥和⑦，⑥和⑦分别由光电接收器1、2接收。若两束光的光程差没有发生变化，光电接收器将在某个位置观察到稳定的信号，该位置通常位于相长干涉和相消干涉的两端之间。若两束光的光程差有变化，在光路产生变化时，通过光电接收器都能观察到相应的信号变化。信号变化对应干涉条纹数目的变化，而干涉条纹的数目变化由计数器计录，用于计算两光程差的变化。具体计算方法为：测量的位移长度L等于条纹数N乘以激光波长λ的1/2，即L=N·λ/2。当滑台运动时，激光干涉仪测得的位移长度值为式（1）。

图  14  迈克尔逊激光干涉仪测量原理

Figure  14.  Measuring principle of Michelson laser interferometer

下载: 全尺寸图片 幻灯片

式中，L_PTF为标准激光干涉仪在实际环境条件下的位移读数，m；L为标准激光干涉仪在标准环境条件下的位移长度，m；F为湿度分压，Pa；P为气压，Pa；T为温度，℃。

2.2.5   光电显微镜瞄准系统

光电显微镜瞄准系统由光电显微镜、照明系统及信号处理系统组成^[13]。光电显微镜瞄准系统工作原理如图15所示，经光电显微镜的物镜分光后，照射在被测线纹尺上的光同时在光电倍增管的两个光学狭缝上成像。被测线纹尺在物镜平面内保持匀速通过，线纹尺刻线所成的像对光电倍增管接收的光强度进行调制，经光电倍增管进行光电转换和后续电路的放大作用后，形成两列钟形波脉冲，调整两个狭缝的相对位置，可以使两钟形波脉冲在0.7 h(h为脉冲峰值高度)的位置进行交汇，相交的位置即线纹刻线的中心位置，通过对电信号的处理，生成刻线采样脉冲可以锁存激光干涉仪测量所得的位移值。光电显微镜瞄准系统观察到的是经放大以后的像及光学狭缝，在调整被测线纹尺的过程中，能清晰地观察到线纹刻线的像与光学狭缝两者之间的位置关系。

图  15  光电显微镜瞄准系统

Figure  15.  Photoelectric microscope aiming system

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.   应用前景

线纹尺、光栅尺、掩膜板、网格板、线性增量计数器等计量器具，小型激光干涉仪，高精度光栅类位移编码器、传感器，以及计量测试行业中校准坐标测量机的步距规、球杆仪等专用计量器具的量值溯源问题越来越突出，传统光学仪器设备已难以满足上述量值溯源要求。应用一维线纹激光比长测量装置校准的标准线纹尺，可用于校准光学影像测量系统和配备光学影像测头的坐标测量机。在仪器自主化和发展半导体产业的战略下，基于几何量测量的相关的装备制造业产业计量需求，线纹尺、激光干涉仪和高精度位移传感器等标准计量器具的量值溯源需求，以及全国省市级计量技术机构对线纹激光比长测量装置的需求也会越来越大，一维线纹激光比长测量装置的应用前景也值得期待。

4.   结论

随着智能制造的不断推进，超高精密制造、半导体制造和生物医学工程等技术领域对几何量计量技术的应用提出了更高精度的要求。为了满足一维线纹纳米级准确度的校准需求，基于现阶段的测量能力和水平，有必要进一步研究一维线纹计量技术和标准装置，在精度、测量准确度和测量效率等方面有所攻克。在已掌握了一维线纹激光比长测量装置研究的关键技术的基础上，实现准确度高和测量速度快的二维线纹测量，进一步解决我国集成电路和液晶显示制造等领域的超精密掩膜板量值溯源难题。