小尺寸超精密电动位移台

产品名称：几何尺寸测量仪产品品牌：EVM-G系列产品简介：本系列是一款高精度影像测量仪，结合传统光学与影像技术并配备功能完备的2.5D测量软件。可将以往用肉眼在传统显微镜下观察到的影像传输到电脑中作各种量测，并将测量结果存入电脑中以便日后存档或发送电子邮件。其操作简单、性价比高、精确度高、测量方便、功能齐全、稳定可靠。适用于产品检测、工程开发、品质管理。在机械加工、精密电子、模具制造、塑料橡胶、五金零件等行业都有广泛使用。产品参数：u 变焦镜筒：采用光学变焦物镜，光学放大倍率0.7X~4.5X，视频总放大倍率40X~400X连续可调，物方视场：10.6-1.6mm，按客户要求选配不同倍率物镜。u 摄像机：配备低照度SONY机芯1/3′彩色CCD摄像机，图像表面纹理清晰，轮廓层次分明，保证拥有高品质的测量画面。可以升级选配1/2′CMOS130万像素摄像机。u 底座：仪器底座采用高精度天然花岗石，稳定性高，硬度高，不易变形。u 光栅尺：仪器平台带有高精度光栅尺（X,Y,Z三轴），解析度为0.001mm。Z轴通过二次聚焦可实现对沟槽、盲孔的深度进行测量。u 光源：采用长寿命LED环形冷光源（表面光及底光），使工件表面照明均匀，边缘清晰，亮度可调。u 导轨：双层工作平台设计，配备高精度滚动导轨，精度高，移动平稳轻松。u 丝杆：X,Y轴工作台均使用无牙光杆摩擦传动，避免了丝杆传动的间隙，灵敏度大大提高，亦可切换快速移动，提高工作效率。 工作台仪器型号EVM-1510GEVM-2010GEVM-2515GEVM-3020GEVM-4030G金属台尺寸(mm)354×228404×228450×280500×330606×466玻璃台尺寸(mm)210×160260×160306×196350×280450×350运动行程(mm)150×100200×100250×150300×200400×300仪器重量(kg)100110120140240外型尺寸L*W*H756×540×860670×660×950720×950×1020 影像测量仪是建立在CCD数位影像的基础上，依托于计算机屏幕测量技术和空间几何运算的强大软件能力而产生的。计算机在安装上专用控制与图形测量软件后，变成了具有软件灵魂的测量大脑，是整个设备的主体。它能快速读取光学尺的位移数值，通过建立在空间几何基础上的软件模块运算，瞬间得出所要的结果；并在屏幕上产生图形，供操作员进行图影对照，从而能够直观地分辨测量结果可能存在的偏差。影像测量仪是一种由高解析度CCD彩色镜头、连续变倍物镜、彩色显示器、视频十字线显示器、精密光栅尺、多功能数据处理器、数据测量软件与高精密工作台结构组成的高精度光学影像测量仪器。仪器特点采用彩色CCD摄像机；变焦距物镜与十字线发生器作为测量瞄准系统；由二维平面工作台、光栅尺与数据箱组成数字测量及数据处理系统；仪器具有多种数据处理、显示、输入、输出功能，特别是工件摆正功能非常实用；与电脑连接后，采用专门测量软件可对测量图形进行处理。仪器适用于以二维平面测量为目的的一切应用领域。这些领域有：机械、电子、模具、注塑、五金、橡胶、低压电器，磁性材料、精密五金、精密冲压、接插件、连接器、端子、手机、家电、计算机（电脑）、液晶电视(LCD)、印刷电路板（线路板、PCB）、汽车、医疗器械、钟表、螺丝、弹簧、仪器仪表、齿轮、凸轮、螺纹、半径样板、螺纹样板、电线电缆、刀具、轴承、筛网、试验筛、水泥筛、网板（钢网、SMT模板）等。ISO国际标准编辑影响影像测量仪精度的因素主要有精度指示、结构原理、测量方法、日常不注意维护等。 中国1994年实行了国际《坐标测量的验收检测和复检测量》的实施。具体内容如下：第1部分：测量线性尺寸的坐标测量机 第2部分：配置转台轴线为第四轴的坐标测量机 第3部分：扫描测量型坐标测量机 第4部分：多探针探测系统的坐标测量机 第5部分：计算高斯辅助要素的误差评定。 在测量空间的任意7种不同的方位，测量一组5种尺寸的量块，每种量块长度分别测量3次所有测量结果必须在规定的MPEE值范围内。允许探测误差(MPEP)：25点测量精密标准球，探测点分布均匀。允许探测误差MPEP值为所有测量半径的值。ISO 10360-3 (2000) “配置转台轴线为第四轴的坐标测量机” ：对于配备了转台的测量机来说，测量机的测量误差在这部分进行了定义。主要包含三个指标：径向四轴误差(FR)、切向四轴误差(FT)、轴向四轴误差(FA)。ISO 10360-4 (2003) “扫描测量型坐标测量机” ：这个部分适用于具有连续扫描功能的坐标测量机。它描述了在扫描模式下的测量误差。大多数测量机制造商定义了"在THP情况下的空间扫描探测误差"。在THP之外，标准还定义了在THN、TLP和TLN情况下的扫描探测误差。 沿标准球上4条确定的路径进行扫描。允许扫描探测误差MPETHP值为所有扫描半径的差值。THP说明了沿已知路径在密度的点上的扫描特性。注：THP的说明必须包括总的测量时间，例如：THP = 1.5um (扫描时间是72 秒)。ISO 10360-4 进一步说明了以下各项定义：TLP: 沿已知路径，以低密度点的方式扫描。THN: 沿未知路径，以高密度点的方式扫描。TLN: 沿未知路径，以低密度点的方式扫描。几何尺寸测量仪工作原理影像测量仪是基于机器视觉的自动边缘提取、自动理匹、自动对焦、测量合成、影像合成等人工智能技术，具有点哪走哪自动测量、CNC走位自动测量、自动学习批量测量的功能，影像地图目标指引，全视场鹰眼放大等优异的功能。同时，基于机器视觉与微米精确控制下的自动对焦过程，可以满足清晰影像下辅助测量需要，亦可加入触点测头完成坐标测量。支持空间坐标旋转的优异软件性能，可在工件随意放置或使用夹具的情况下进行批量测量与SPC结果分类。全自动影像测量仪编辑全自动影像测量仪，是在数字化影像测量仪(又名CNC影像仪)基础上发展起来的人工智能型现代光学非接触测量仪器。其承续了数字化仪器优异的运动精度与运动操控性能，融合机器视觉软件的设计灵性，属于当今最前沿的光学尺寸检测设备。全自动影像测量仪能够便捷而快速进行三维坐标扫描测量与SPC结果分类，满足现代制造业对尺寸检测日益突出的要求：更高速、更便捷、更的测量需要，解决制造业发展中又一个瓶颈技术。全自动影像测量仪是影像测量技术的高级阶段，具有高度智能化与自动化特点。其优异的软硬件性能让坐标尺寸测量变得便捷而惬意，拥有基于机器视觉与过程控制的自动学习功能，依托数字化仪器高速而的微米级走位，可将测量过程的路径，对焦、选点、功能切换、人工修正、灯光匹配等操作过程自学并记忆。全自动影像测量仪可以轻松学会操作员的所有实操过程，结合其自动对焦和区域搜寻、目标锁定、边缘提取、理匹选点的模糊运算实现人工智能，可自动修正由工件差异和走位差别导致的偏移实现精确选点，具有高精度重复性。从而使操作人员从疲劳的精确目视对位，频繁选点、重复走位、功能切换等单调操作和日益繁重的待测任务中解脱出来，成百倍地提高工件批测效率,满足工业抽检与大批量检测需要。全自动影像测量仪具有人工测量、CNC扫描测量、自动学习测量三种方式，并可将三种方式的模块叠加进行复合测量。可扫描生成鸟瞰影像地图，实现点哪走哪的全屏目标牵引，测量结果生成图形与影像地图图影同步，可点击图形自动回位、全屏鹰眼放大。可对任意被测尺寸通过标件实测修正造影成像误差，并对其进行标定，从而提高关键数据的批测精度。全自动影像测量仪有着友好的人机界面，支持多重选择和学习修正。全自动影像测量仪性能使其在各种精密电子、晶圆科技、刀具、塑胶、弹簧、冲压件、接插件、模具、军工、二维抄数、绘图、工程开发、五金塑胶、PCB板、导电橡胶、粉末冶金、螺丝、钟表零件、手机、医药工业、光纤器件、汽车工程、航天航空、高等院校、科研院所等领域具有广泛运用空间。选购方法编辑有许多客户都在为如何挑选影像测量仪的型号品牌所困扰，其实最担心就是影像测量仪的质量和售后。国内影像测量仪的生产商大部分都集中在广东地区，研发的软件功能大部分相似，客户可以不用担心，挑选一款能够满足需要测量的产品行程就行了。根据需要来选择要不要自动或者手动，手动的就比较便宜，全自动的大概要比手动贵一倍左右。挑选影像测量仪最重要看显像是不是清晰，以及精度是否达标(一般精度选择标准为公差带全距的1/3~1/8)。将所能捕捉到的图象通过数据线传输到电脑的数据采集卡中，之后由软件在电脑显示器上成像，由操作人员用鼠标在电脑上进行快速的测量。有的生产商为了节约成本可能会采用国产的，造价比较低，效果就稍微差点。常见故障及原因编辑故障1)蓝屏；2)主机和光栅尺、数据转换盒接触不良造成无数据显示；3)透射、表面光源不亮；4)二次元打不开；5)全自动影像测量仪开机找不到原点或无法运动。原因由于返厂维修周期长，价格昂贵，最重要的是耽误了客户的正常的工作。造成问题出现的原因很多，但无外乎以下原因：1)操作软件文件丢失或CCD视频线接触不良；2)光栅尺或数据转换盒损坏；3)电源板损坏；4)加密狗损坏或影像测量仪软件操作系统崩溃。以上问题可能是只出现一个，也有可能几个问题一起出现。软件种类编辑二次元测量仪软件在国内市场中种类比较多，从功能上划分主要有以下两种：　　二次元测量仪测量软件与基本影像仪测量软件类似，其功能特点主要以十字线感应取点，功能比较简单，对一般简单的产品二维尺寸测量都可以满足，无需进行像素校正即可直接进行检测，但对使用人员的操作上要求比较高，认为判断误差影响比较大，在早期二次元测量软件中使用广泛。　　2.5D影像测量仪在影像测量领域我们经常可以听到二次元、2.5次元、三次元等各种不同的概念，所谓的二次元即为二维尺寸检测仪器，2.5次元在影像测量领域中是在二维与三维之间的一种测量解决方案，定义是在二次元影像测量仪的基础上多加光学影像和接触探针测量功能，在测量二维平面长宽角度等尺寸外如果需要进行光学辅助测高的话提供了一个比较好的解决方案。仪器优点编辑1、装配2个可调的光源系统，不仅观测到工件轮廓，而且对于不透明的工件的表面形状也可以测量。2、使用冷光源系统，可以避免容易变形的工件在测量是因为热而变形所产生的误差。3、工件可以随意放置。4、仪器操作容易掌握。5、测量方便，只需要用鼠标操作。6、Z轴方向加探针传感器后可以做2.5D的测量。测量功能编辑1、多点测量点、线、圆、孤、椭圆、矩形，提高测量精度；2、组合测量、中心点构造、交点构造，线构造、圆构造、角度构造；3、坐标平移和坐标摆正，提高测量效率；4、聚集指令，同一种工件批量测量更加方便快捷，提高测量效率；5、测量数据直接输入到AutoCAD中，成为完整的工程图；6、测量数据可输入到Excel或Word中，进行统计分析，可割出简单的Xbar-S管制图，求出Ca等各种参数；7、多种语言界面切换；8、记录用户程序、编辑指令、教导执行；9、大地图导航功能、刀模具专用立体旋转灯、3D扫描系统、快速自动对焦、自动变倍镜头；10、可选购接触式探针测量,软件可以自由实现探针/影像相互转换，用于接触式测量不规则的产品,如椭圆、弧度 、平面度等尺寸；也可以直接用探针打点然后导入到逆向工程软件做进一步处理！11、影像测量仪还可以检测圆形物体的圆度、直线度、以及弧度；12、平面度检测：通过激光测头来检测工件平面度；13、针对齿轮的专业测量功能14、针对全国各大计量院所用试验筛的专项测量功能15、图纸与实测数据的比对功能维护保养编辑1、仪器应放在清洁干燥的室内（室温20℃±5℃，湿度低于60%），避免光学零件表面污损、金属零件生锈、尘埃杂物落入运动导轨，影响仪器性能。2、仪器使用完毕，工作面应随时擦干净，再罩上防尘套。3、仪器的传动机构及运动导轨应定期上润滑油，使机构运动顺畅，保持良好的使用状态。4、工作台玻璃及油漆表面脏了，可以用中性清洁剂与清水擦干净。绝不能用有机溶剂擦拭油漆表面，否则，会使油漆表面失去光泽。5、仪器LED光源使用寿命很长，但当有灯泡烧坏时，请通知厂商，由专业人员为您更换。6、仪器精密部件，如影像系统、工作台、光学尺以及Z轴传动机构等均需精密调校，所有调节螺丝与紧固螺丝均已固定，客户请勿自行拆卸，如有问题请通知厂商解决。7、软件已对工作台与光学尺的误差进行了精确补偿，请勿自行更改。否则，会产生错误的测量结果。8、仪器所有电气接插件、一般不要拔下，如已拔掉，则必须按标记正确插回并拧紧螺丝。不正确的接插、轻则影响仪器功能，重则可能损坏系统。测量方式编辑1、物件被测面的垂直测量2、压线相切测量3、高精度大倍率测量4、轮廓影像柔和光测量5、圆及圆弧均匀取点测量精密影像测绘仪测量软件简介：绘图功能：可绘制点、线、圆、弧、样条曲线、垂直线、平行线等，并将图形输入到AutoCAD中，实现逆向工程得到1:1的工程图。自动测绘：可自动测绘如：圆、椭圆、直线、弧等图形。具有自动寻边、自动捕捉、自动成图、自动去毛边等功能，减少了人为误差。测量标注：可测量工件表面的任意几何尺寸，不同高度的角度、宽度、直径、半径、圆心距等尺寸，并可在实时影像中标注尺寸。SPC统计分析软件：提供了一系列的管制图及多种类型的图表表示方法,使品管工作更方便，大大提升了品质管理的效率。报表功能：用户可轻易地将测量结果输出至WORD、EXCEL中去，自动生成检测报告，超差数值自动改变颜色，特别适合批量检测。鸟瞰功能：可察看工件的整体图形及每个尺寸对应的编号，直观的反应出当前的绘图位置，并可任意移动、缩放工件图。实时对比：可把标准的DXF工程图调入测量软件中与工件对比，从而快速检测出工程图和实际工件的差距，适合检测比较复杂的工件。拍照功能：可将当前影像及所标注尺寸同时以JPEG或BMP格式拍照存档，并可调入到测量软件中与实际工件做对比。光学玻璃：光学玻璃为国家计量局检验通过之标准件，可检验X、Y轴向的垂直度，设定比例尺，使测量数据与实际相符合。客户坐标：测量时无需摆正工件或夹具定位，用户可根据自己的需要设置客户坐标（工件坐标），方便、省时提高了工作效率。精密影像测绘仪仪器特点：经济型影像式精密测绘仪VMS系列结合传统光学与数字科技，具有强大的软件功能，可将以往用肉眼在传统显微镜下所观察到的影像将其数字化，并将其储存入计算机中作各式量测、绘图再可将所得之资料储存于计算机中，以便日后存盘或电子邮件的发送。该仪器适用于以二座标测量为目的一切应用领域如：品质检测、工程开发、绘图等用途。在机械、模具、刀具、塑胶、电子、仪表等行业广泛使用。变焦镜筒：采用光学变焦物镜，光学放大倍率0.7X～4.5X，视频总放大倍率：40X～400X，可按客户要求选配不同倍率物镜。摄像机：配备低照度SONY机芯1/3”彩色CCD摄像机，图像表面纹理清晰，轮廓层次分明，保证拥有高品质的测量画面。底座：仪器底座采用高精度天然花岗石，稳定性高，硬度高，不易变形。光栅尺：仪器平台带有高精密光栅尺（X、Y、Z三轴）,解析度为0.001mm。Z轴通过二次聚焦可实现对沟槽、盲孔的深度进行测量。光源：采用长寿命LED环形冷光源（表面光及底光），使工件表面照明均匀，边缘清晰，亮度可调。导轨：双层工作平台设计，配备高精度滚动导轨，精度高、移动平稳轻松。丝杆：X、Y轴工作台均使用无牙光杆磨擦传动，避免了丝杆传动的背隙，灵敏度大大提高，亦可切换快速移动提高工作效率。

精准测量是支撑高质量制造的基石。先临三维的高精度工业3D扫描技术作为一种光学测量工具，凭借其高精度、高效率、非接触等优势，为高端制造的精密三维尺寸检测提供保障。当下，这项技术已经渗透至到汽车工业、航天制造、电子电器、教育科研等行业，满足了不同用户对三维尺寸检测的需求。在工业领域，激光3D扫描仪得到了广泛应用。然而，传统的激光3D扫描仪需要在被测物体上粘贴标志点，以实现高精度三维数据的拼接与获取。在大型工件的三维尺寸检测中，这种方式动辄需要粘贴和去除成百上千个标志点，耗费大量时间。先临三维的跟踪式激光扫描系统以动态跟踪、不贴点的独特优势，以及激光扫描高精度、高效率、材质适应性佳的稳定表现，为大型工件精准的三维尺寸检测提供了破题思路。通过在扫描仪的工作过程中使用跟踪仪来获取扫描仪的三维空间信息，跟踪式激光扫描系统实现了大范围的无需标志点的拼接扫描，从而为大型工件的三维尺寸检测进一步提速。行业应用案例: 汽车工业白车身是指装焊完成但未涂装的车身结构，是整车零部件的载体。这种车身具有尺寸体积大、曲面复杂、部分零件表面反光等检测难点，因此需要精度高、无需贴点、材质适应性更强的激光3D扫描设备进行数据获取。使用先临天远的FreeScan Trak Pro2 跟踪式激光扫描系统，仅需约10分钟即可获取完整的白车身三维数据。此外，扫描精度最高可达0.023mm且重复性精度稳定，结果准确可靠满足工业测量需求。*FreeScan系列产品 ISO 17025 认证：基于JJF1951-2021和 VDI/VDE 2634 第 3 部分标准。基于可追踪球体直径测量数据对探测误差性能进行评估，在工作范围内基于可追踪长度标准件从多视角方向进行测量，来评估球体间距误差。可通过集成或内置摄影测量获取体积精度进一步优化的数据。轨道交通轨道车辆的车身主体是由一次次的焊接而成型，保证焊接的准确度，是后期顺利装配的基础。因此，确保扫描结果精准、扫描过程不贴点以保证效率，是车身进行三维检测的核心诉求。FreeScan Trak Pro跟踪式激光扫描系统表现出色，高效获取车身的完整三维数据后，将扫描获取数据与原始的CAD设计数据相对比，即可完成车身的焊接质量检测。模具铸造在模具铸造过程中，模型的形状和尺寸至关重要。面对结构复杂的大型铸件模型，不贴标志点的高效扫描成为三维检测中的关键环节。FreeScan Trak Pro流畅、高质的扫描提供了助力，不仅大幅缩短三维尺寸检测时间，还为铸件的浇筑生产节省大量时间。更多应用场景先临三维的跟踪式激光扫描系统，同样为航空制造、工程机械等行业的大尺寸精密测量提供高效解决方案。我国制造业正向高端迈进，大型化装备 和复杂结构制造的兴起，对测量方式提出了精度更高、适应性更强的要求。先临三维的高精度工业3D扫描业务线，品全而精，包含踪式激光三维扫描系统、手持式激光三维扫描仪、固定式蓝光三维扫描仪等多款产品，以精准测量保证精密制造。未来，先临三维将持续对产品、功能、应用进行深度打磨，让高精度工业3D扫描技术朝着设备无线化、软件智能化、检测自动化的方向不断精进，助力先进制造业的高质量发展。

超精密高速激光干涉位移测量技术与仪器 杨宏兴 1，2，付海金 1，2，胡鹏程 1，2*，杨睿韬 1，2，邢旭 1，2，于亮 1，2，常笛 1，2，谭久彬 1，2 1 哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所，黑龙江 哈尔滨 150080； 2 哈尔滨工业大学超精密仪器技术及智能化工业和信息化部重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150080 摘要 针对微电子光刻机等高端装备中提出的超精密、高速位移测量需求，哈尔滨工业大学深入探索了传统的共 光路外差激光干涉测量方法和新一代的非共光路外差激光干涉测量方法，并在高精度激光稳频、光学非线性误差 精准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等多项关键技术方面取得持续突破，研制了系列超精密高速激光干涉仪，激 光真空波长相对准确度最高达 9. 6×10-10，位移分辨力为 0. 077 nm，光学非线性误差最低为 13 pm，最大测量速度 为 5. 37 m/s。目前该系列仪器已成功应用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测 试领域，为我国光刻机等高端装备发展提供了关键技术支撑和重要测量手段。 关键词 光学设计与制造；激光干涉；超精密高速位移测量引 言 激光干涉位移测量（DMLI）技术是一种以激光 波长为标尺，通过干涉光斑的频率、相位变化来感知位移信息的测量技术。因具有非接触、高精度、高动 态、测量结果可直接溯源等特点，DMLI 技术和仪器被广泛应用于材料几何特性表征、精密传感器标定、 精密运动测试与高端装备集成等场合。特别是在微电子光刻机等高端装备中嵌入的超精密高速激光干涉仪，已成为支撑装备达成极限工作精度和工作效率的前提条件和重要保障。以目前的主流光刻机为例，其内部通常集成有 6 轴至 22 轴以上的超精密高速激光干涉仪，来实时测量高速运动的掩模工件台、 硅片工件台的 6 自由度位置和姿态信息。根据光刻机套刻精度、产率等不同特性要求，目前对激光干涉的位移测量精度需求从数十纳米至数纳米，并将进一步突破至原子尺度即亚纳米量级；而位移测量速度需求，则从数百毫米每秒到数米每秒。 对 DMLI 技术和仪器而言，影响其测量精度和测量速度提升的主要瓶颈包括激光干涉测量的方法原理、干涉光源/干涉镜组/干涉信号处理卡等仪器关键单元特性以及实际测量环境的稳定性。围绕光刻机等高端装备提出的超精密高速测量需求，以美国 Keysight 公司（原 Agilent 公司）和 Zygo 公司为代表的国际激光干涉仪企业和研发机构，长期在高精度激光稳频、高精度多轴干涉镜组、高速高分辨力干涉信号处理等方面持续攻关并取得不断突破， 已可满足当前主流光刻机的位移测量需求。然而， 一方面，上述超精密高速激光干涉测量技术和仪器 已被列入有关国家的出口管制清单，不能广泛地支撑我国当前的光刻机研发生产需求；另一方面，上述技术和仪器并不能完全满足国内外下一代光刻机研 发所提出的更精准、更高速的位移测量需求。 针对我国光刻机等高端装备研发的迫切需求， 哈尔滨工业大学先后探索了传统的共光路双频激光干涉测量方法和新一代的非共光路双频激光干涉测量方法，并在高精度激光稳频、光学非线性误差精 准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等关键技术方 面取得持续突破，研制了系列超精密高速激光干涉 仪，可在数米每秒的高测速下实现亚纳米级的高分辨力高精度位移测量，已成功应用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测试领域。该技术和仪器不仅直接为我国当前微电子光刻机研发生产提供了关键技术支撑和核心 测量手段，而且还可为我国 7 nm 及以下节点光刻机研发提供重要的共性技术储备。高精度干涉镜组设计与研制 高精度干涉镜组的 3 个核心指标包括光学非线性、热稳定性和光轴平行性，本课题组围绕这 3 个核心指标（特别是光学非线性）设计并研制了前后两代镜组。 共光路多轴干涉镜组共光路多轴干涉镜组由双频激光共轴输入，具备抗环境干扰能力强的优点，是空间约束前提下用于被测目标位置/姿态同步精准测量不可或缺的技术途径，并且是光刻机定位系统精度的保证。该类干涉镜组设计难点在于，通过复杂光路中测量臂和参考臂的光路平衡设计保证干涉镜组的热稳定性，并通过无偏分光技术和自主设计的光束平行性测量系统，保证偏振正交的双频激光在入射分光及多次反射/折射后的高度平行性［19- 20］。目前本课题组研制的 5 轴干涉镜组（图 11） 可实现热稳定性小于 10 nm/K、光学非线性误差小于 1 nm 以及任意两束光的平行性小于 8″，与国 际主流商品安捷伦 Agilent、Zygo 两束光的平行性 5″~10″相当。 图 11. 自主研制的共光路多轴干涉镜组。（a）典型镜组的3D设计图；（b）实物图非共光路干涉镜组 非共光路干涉镜组在传统共光路镜组的基础上， 通过双频激光非共轴传输避免了双频激光的频率混叠，优化了纳米量级的光学非线性误差。2014 年，本课题组提出了一种非共光路干涉镜组结构［2，21］，具体结构如图 12 所示，测试可得该干涉镜组的光学非 线性误差为 33 pm。并进一步发现基于多阶多普勒 虚反射的光学非线性误差源，建立了基于虚反射光迹精准规划的干涉镜组光学非线性优化算法，改进并设计了光学非线性误差小于 13 pm 的非共光路干涉镜组［2-3］，并通过双层干涉光路结构对称设计保证热稳定性小于 2 nm/K［22- 25］。同时，本课题组也采用多光纤高精度平行分光，突破了共光路多轴干涉镜组棱镜组逐级多轴平行分光，致使光轴之间的平行度误差 逐级累加的固有问题，保证多光纤准直器输出光任意 两个光束之间的平行度均小于 5″。 图 12. 自主设计的非共光路多轴干涉镜组。（a）典型镜组的3D设计图；（b）实物图基于上述高精度激光稳频、光学非线性误差精准抑制、高速高分辨力干涉信号处理等多项关键技 术，本课题组研制了系列超精密高速激光干涉仪 （图 17），其激光真空波长准确度最高达 9. 6×10-10 （k=3），位移分辨力为 0. 077 nm，最低光学非线性误差为 13 pm，最大测量速度为 5. 37 m/s（表 2）。并成功应用于上海微电子装备（集团）股份有限公司 （SMEE）、中国计量科学研究院（NIM）、德国联邦物理技术研究院（PTB）等十余家单位 ，在国产光刻机、国家级计量基准装置等高端装备的研制中发挥了关键作用。 图 17. 自主研制的系列超精密高速激光干涉仪实物图。（a）20轴以上超精密高速激光干涉仪；（b）单轴亚纳米级激光干涉仪；（c）三轴亚纳米级激光干涉仪超精密激光干涉仪在精密工程中的实际测量， 不仅考验仪器的研制水平，更考验仪器的应用水 平，如复杂系统中的多轴同步测量，亚纳米乃至皮 米量级新误差源的发现与处理，高水平的温控与隔 振环境等。下面主要介绍超精密激光干涉仪的几 个典型应用。 国产光刻机研制：多轴高速超精密激光干涉仪 在国产光刻机研制方面，多轴高速超精密激光 干涉仪是嵌入光刻机并决定其光刻精度的核心单元之一。但是，一方面欧美国家在瓦森纳协定中明确规定了该类干涉仪产品对我国严格禁运；另一方面该类仪器技术复杂、难度极大，我国一直未能完整掌握，这严重制约了国产光刻机的研制和生产。 为此，本课题组研制了系列超精密高速激光干涉测量系统，已成功应用于我国 350 nm 至 28 nm 多个工艺节点的光刻机样机集成研制和性能测试领域，典型应用如图 18 所示，其各项关键指标均满足国产先进光刻机研发需求，打破了国外相关产品对我国 的禁运封锁，在国产光刻机研制中发挥了重要作用。在所应用的光刻机中，干涉仪的测量轴数可达 22 轴以上，最大测量速度可达 5. 37 m/s，激光真空 波 长/频 率 准 确 度 最 高 可 达 9. 6×10−10（k=3），位 移 分 辨 力 可 达 0. 077 nm，光 学 非 线 性 误 差 最 低 为 13 pm。 配 合 超 稳 定 的 恒 温 气 浴（3~5 mK@ 10 min）和隔振环境，可以对光刻机中双工件台的多维运动进行线位移、角位移同步测量与解耦，以满足掩模工件台、硅片工件台和投影物镜之间日益复杂的相对位置/姿态测量需求，进而保证光刻机整体套刻精度。图 18. 超精密高速激光干涉测量系统在光刻机中的应用原理及现场照片国家级计量基准装置研制：亚纳米精度激光干涉仪 在国家级计量基准装置研制方面，如何利用基本物理常数对质量单位千克进行重新定义，被国际知名学术期刊《Nature》评为近年来世界六大科学难题之一。在中国计量科学研究院张钟华院士提出的“能量天平”方案中，关键点之一便是利用超精密激光干涉仪实现高准确度的长度测量，其要求绝对测量精度达到 1 nm 以内。为此，本课题组研制了国内首套亚纳米激光干涉仪，并成功应用于我国首套量子化质量基准装置（图 19），在量子化质量基准中 国方案的实施中起到了关键作用，并推动我国成为首批成功参加千克复现国际比对的六个国家之一［30- 32］。为达到亚纳米级测量精度，除了精密的隔振与温控环境以外，该激光干涉仪必须在真空环境 下进行测量以排除空气折射率对激光波长的影响， 其测量不确定度可达 0. 54 nm @100 mm。此外，为了实现对被测对象的姿态监测，该干涉仪的测量轴 数达到了 9 轴。图 19. 国家量子化质量基准及其中集成的亚纳米激光干涉仪 结论 近年来，随着高端装备制造、精密计量和大科学装置等精密工程领域技术的迅猛发展，光刻机等高端制造装备、能量天平等量子化计量基准装置、 空间引力波探测等重大科学工程对激光干涉测量技术提出了从纳米到亚纳米甚至皮米量级精度的 重大挑战。对此，本课题组在超精密激光干涉测量方法、关键技术和仪器工程方面取得了系列突破性进展，下一步的研究重点主要包括以下 3 个方面： 1）围绕下一代极紫外光刻机的超精密高速激光干涉仪的研制与应用。在下一代极紫外光刻机中，其移动工件台运动范围、运动精度和运动速度将进一步提升，将要求在大量程、6 自由度复杂耦合、高速运动条件下实现 0. 1 nm 及以下的位移测量精度，对激光干涉仪的研发提出严峻挑战；极紫外光刻机采用真空工作环境，可减小空气气流波动和空气折射率引入的测量误差，同时也使整个测量系统结构针对空气- 真空适应性设计的复杂性大幅度增加。2）皮米激光干涉仪的研制与国际比对。2021年， 国家自然科学基金委员会（NSFC）联合德国科学基 金会（DFG）共同批准了中德合作项目“皮米级多轴 超精密激光测量方法、关键技术与比对测试”（2021 至 2023 年）。该项目由本课题组与德国联邦物理技术研究院（PTB）合作完成，预计将分别研制下一代皮米级精度激光干涉仪，并进行国际范围内的直接 比对。3）空间引力波探测。继 2017 年美国 LIGO 地面引力波探测获诺贝尔物理学奖后，各国纷纷开展了空间引力波探测计划，这些引力波探测器实质上就是巨型的超精密激光干涉仪。其中，中国的空间引力波探测计划，将借助激光干涉仪在数百万公里距离尺度上，实现皮米精度的超精密测量，本课题组在引力波国家重点研发技术项目的支持下，将陆 续开展卫星- 卫星之间和卫星- 平台质量块之间皮米级激光干涉仪的设计和研究，特别是皮米级非线性实现和皮米干涉仪测试比对的工作，预期可对空间引力波探测起到积极的支撑作用。本课题组在超精密激光干涉测量技术与仪器领域有超过 20 年的研究基础，建成了一支能够完全自主开发全部激光干涉仪核心部件、拥有完整自主知识产权的研究团队，并且在研究过程中得到了 12 项国家自然科学基金、2 项国家科技重大专项、2 项 国家重点研发计划等项目的支持，建成了超精密激光测量仪器技术研发平台和产业化平台，开发了系列超精密激光干涉测量仪，在国产先进光刻机研发、我国量子化质量基准装置等场合成功应用，推动了我国微电子光刻机等高端装备领域的发展，并将通过进一步研发，为我国下一代极紫外光刻机研 发、空间引力波探测、皮米激光干涉仪国际比对提供支撑。全文详见：超精密高速激光干涉位移测量技术与仪器.pdf