[发明专利]用于干涉式测量装置的动态空气湍流补偿

说明书

技术领域

本发明涉及用于激光测量的方法和装置。具体来说，本发明涉及包括激光干涉仪和声学飞行时间测量系统的测量装置。

背景技术

已知在空气中进行的激光干涉仪位置测量通常受到空气湍流感生噪声的干扰。这种噪声削弱了激光位置反馈的稳定性。可以通过将激光束包围在“静止空气”内来减少这种噪声，但是由于空间制约，这样做通常不切实际。还可以通过使用性能非常高的空调系统来统一/稳定大气条件，但是这样做代价高昂。在真空中进行激光测量可以消除全部噪声，但是这样做成本也很高或者不且实际。

随着误差缩小、特征尺寸收缩以及晶片/面板尺寸加大，从激光干涉仪测量值中消除或减少空气湍流感生噪声在电子和半导体制造中变得越发地重要。该领域的生产需求还要求用来减少这种噪声的任何技术必须能在动态应用场合中工作，即要测量移动物体的位置。

激光干涉仪读数中的空气湍流感生噪声的主要原因在于激光束所穿过的空气的温度微小波动。这种温度变化改变空气的折射率，因此改变激光束的光学路径长度。空气折射率方面的空气温度影响是已知的，并且例如通过Edlen方程(Kaye&Laby Tables of Physical and Chemical Constant 16^th EditionPage 130)来建模。在正常大气条件下，空气温度每升高1摄氏度，空气折射率将降低约0.96ppm。Edlen方程显示，空气折射率还受到其他因素影响，诸如空气压力、湿度和CO₂含量。但是，空气温度的短期局部波动是空气湍流感生噪声的主要原因。其他参数或者改变地非常缓慢(例如，大气压力)或者对折射率影响很小(例如，空气湿度或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)称这种空气湍流感生噪声为“微小的热噪声”。它们的文章显示，可以利用风扇和扩散网来使空气均匀以使空气时间上和空间上都一致，从而减少空气湍流噪声，参见美国专利No.5,141,318。但是，这种技术并不完全有效，且由于空间制约的原因，并不能总是采用。

如果空气温度改变0.1℃，则其折射率改变约0.096ppm，这将增加激光的波长并从而将激光读数减小约0.096ppm。空气湍流感生噪声通常以激光位置读数波动的形式出现，任何地方的幅值从±0.1ppm(在热稳定环境中)高至±5ppm(在非热稳定环境中)。通常这种波动表现为激光位置读数的随机“漫游”，其任何地方的频谱范围从0.01Hz到100Hz。除了时间方面的变化之外，空气温度波动在空间方面也是不同的。在一个位置，空气可能是热稳定的，但是一段短距离之外空气就可能不是热稳定的，即使这两个地方的平均空气温度等同。

还已知如US3,520,613所述的那样，利用空气温度传感器(基于热敏电阻、热电耦或其他适当的感知元件)来提供空气折射差异补偿。但是，这种方案仅能补偿环境中相对缓慢的变化，并且因为两方面的原因而不适合用于消除空气湍流噪声。第一，这种性质的空气温度传感器不能足够快地进行响应来测量更快的引起空气湍流感生噪声的空气温度变化。第二，这种传感器仅响应紧邻其周围的空气温度，不能适用于沿着实际测量激光束的空气温度变化。

如果激光干涉仪设置在对空气开放的固定长度参考路径上，则激光可以用来测量该参考路径内的空气折射率变化，因为它们将导致光学路径长度变化。所谓“折射率测定仪”或波长跟踪器在US4765741中说明，该设备能极其迅速地测量折射率变化，因此能跟踪引起空气湍流感生噪声的空气温度快速变化。但是，跟踪折射率测定仪价格昂贵，并且还是只能响应其内侧的空气折射率变化，不能沿着测量激光束匹配空气温度变化。

由于空气折射率还取决于经过该空气的光波长(由于散射效应)，所以可以设置两个激光干涉仪，同时在相同的路径上用不同的波长测量。然后可以处理这两个激光读数，从折射率变化感生的表象变化中分离处所测量的路径长度上的真实变化。这在US6,327,039中有述。但是，散射效应很小，所以两个激光波长之间的关系必须精确已知。这需要花费高昂代价来获得。