[發明專利]用于干涉式測量裝置的動態空氣湍流補償

無效

• 申請號: 200680043114.8
• 申請日: 2006-11-20
• 公開（公告）號: CN101310160A
• 公開（公告）日: 2008-11-19
• 發明（設計）人: 馬克·亞德里恩·文森特·查普曼;雷蒙德·約翰·查內;謝爾蓋·洛基亞諾瓦
• 申請（專利權）人: 瑞尼斯豪公司
• 主分類號: G01B9/02
• 分類號: G01B9/02
• 代理公司: 北京明和龍知識產權代理有限公司
• 代理人: 郁玉成;邵毓琴

技術領域

本發明涉及用于激光測量的方法和裝置。具體來說，本發明涉及包括激光干涉儀和聲學飛行時間測量系統的測量裝置。

背景技術

已知在空氣中進行的激光干涉儀位置測量通常受到空氣湍流感生噪聲的干擾。這種噪聲削弱了激光位置反饋的穩定性?？梢酝ㄟ^將激光束包圍在“靜止空氣”內來減少這種噪聲，但是由于空間制約，這樣做通常不切實際。還可以通過使用性能非常高的空調系統來統一/穩定大氣條件，但是這樣做代價高昂。在真空中進行激光測量可以消除全部噪聲，但是這樣做成本也很高或者不且實際。

隨著誤差縮小、特征尺寸收縮以及晶片/面板尺寸加大，從激光干涉儀測量值中消除或減少空氣湍流感生噪聲在電子和半導體制造中變得越發地重要。該領域的生產需求還要求用來減少這種噪聲的任何技術必須能在動態應用場合中工作，即要測量移動物體的位置。

激光干涉儀讀數中的空氣湍流感生噪聲的主要原因在于激光束所穿過的空氣的溫度微小波動。這種溫度變化改變空氣的折射率，因此改變激光束的光學路徑長度?？諝庹凵渎史矫娴目諝鉁囟扔绊懯且阎?，并且例如通過Edlen方程(Kaye&Laby?Tables?of?Physical?and?Chemical?Constant?16^th?EditionPage?130)來建模。在正常大氣條件下，空氣溫度每升高1攝氏度，空氣折射率將降低約0.96ppm。Edlen方程顯示，空氣折射率還受到其他因素影響，諸如空氣壓力、濕度和CO₂含量。但是，空氣溫度的短期局部波動是空氣湍流感生噪聲的主要原因。其他參數或者改變地非常緩慢(例如，大氣壓力)或者對折射率影響很小(例如，空氣濕度或CO₂含量)。Byan和Carter在Lawrence?Livermore的文章(“Straightness?Metrology?Applied?to?a?100?inchcreep?feed?grinder”5^th?International?Precision?Engineering?Seminar?MontereyCalifornia?1989)稱這種空氣湍流感生噪聲為“微小的熱噪聲”。它們的文章顯示，可以利用風扇和擴散網來使空氣均勻以使空氣時間上和空間上都一致，從而減少空氣湍流噪聲，參見美國專利No.5,141,318。但是，這種技術并不完全有效，且由于空間制約的原因，并不能總是采用。

如果空氣溫度改變0.1℃，則其折射率改變約0.096ppm，這將增加激光的波長并從而將激光讀數減小約0.096ppm。空氣湍流感生噪聲通常以激光位置讀數波動的形式出現，任何地方的幅值從±0.1ppm(在熱穩定環境中)高至±5ppm(在非熱穩定環境中)。通常這種波動表現為激光位置讀數的隨機“漫游”，其任何地方的頻譜范圍從0.01Hz到100Hz。除了時間方面的變化之外，空氣溫度波動在空間方面也是不同的。在一個位置，空氣可能是熱穩定的，但是一段短距離之外空氣就可能不是熱穩定的，即使這兩個地方的平均空氣溫度等同。

還已知如US3,520,613所述的那樣，利用空氣溫度傳感器(基于熱敏電阻、熱電耦或其他適當的感知元件)來提供空氣折射差異補償。但是，這種方案僅能補償環境中相對緩慢的變化，并且因為兩方面的原因而不適合用于消除空氣湍流噪聲。第一，這種性質的空氣溫度傳感器不能足夠快地進行響應來測量更快的引起空氣湍流感生噪聲的空氣溫度變化。第二，這種傳感器僅響應緊鄰其周圍的空氣溫度，不能適用于沿著實際測量激光束的空氣溫度變化。

如果激光干涉儀設置在對空氣開放的固定長度參考路徑上，則激光可以用來測量該參考路徑內的空氣折射率變化，因為它們將導致光學路徑長度變化。所謂“折射率測定儀”或波長跟蹤器在US4765741中說明，該設備能極其迅速地測量折射率變化，因此能跟蹤引起空氣湍流感生噪聲的空氣溫度快速變化。但是，跟蹤折射率測定儀價格昂貴，并且還是只能響應其內側的空氣折射率變化，不能沿著測量激光束匹配空氣溫度變化。

由于空氣折射率還取決于經過該空氣的光波長(由于散射效應)，所以可以設置兩個激光干涉儀，同時在相同的路徑上用不同的波長測量。然后可以處理這兩個激光讀數，從折射率變化感生的表象變化中分離處所測量的路徑長度上的真實變化。這在US6,327,039中有述。但是，散射效應很小，所以兩個激光波長之間的關系必須精確已知。這需要花費高昂代價來獲得。