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光学干涉度量法之创新：纳米定位QA的成功秘诀——物理学世界

18.05.22

This article was originally published on physicsworld.com on 17 May 2022.

纳米定位专家Queensgate和英国国家物理实验室 (NPL) 建立了卓有成效的合作，为Queensgate的内部测试和测量方案提供了良好的实践模型

贯穿产品设计、开发和制造的端到端质量保证（QA）所需的可追溯光学计量是英国高精度纳米定位产品制造商Queensgate与英国国家计量院国家物理实验室（NPL）的科学家们之间长久研发合作的出发点。目标是：以持续不断的优化和技术创新来支持Queensgate日益扩充的压电驱动纳米定位平台、压电作动器、电容传感器、控制电路和软件产品线——光学、显微镜和应用测量等领域中广泛应用的各种尖端科学仪器的核心构件。

这种合作伙伴关系的根基在于Queensgate使用NPL的创新专利和光学干涉测量经验技术作为其严格测试和测量方案的基础。其中一个典型的例子是该制造商部署了NPL的极低噪声调节电子设备和条纹计数技术，旨在将评估被测系统时的测量分辨率提高到20 pm或更高——例如数据存储行业中针对高精度计量应用的纳米定位平台的性能测试。

“在Queensgate，我们的产品QA就是对比NPL主要的“金标准”测量系统进行交叉检验并获得可追溯性，”该公司英国佩恩顿制造工厂的生产经理兼设施负责人Sam Frost解释说。“其任务就是确保我们纳米定位平台的整体性能、比例因子和线性化系数在NPL和Queensgate的检测结果完全相同，同时还要保证我们的内部测量流程始终符合NPL的指导。”

双赢关系

合作伙伴之间想法和创新的双向流动也很重要。领导NPL纳米计量项目的首席研究科学家、长度咨询委员会（监管国际计量标准SI单位的十个咨询委员会之一）纳米计量工作组主席Andrew Yacoot强调了这一点。“NPL的核心使命之一就是为英国工业提供积极的支持，因此我们很高兴看到这种合作为Queensgate创造了持久的价值和商业差异化，”他解释道。

NPL的研究设施使Yacoot及其团队能够从计量学的角度详细地研究Queensgate的下一代定位平台，并提供反馈，帮助完善产品路线图——例如针对操控、自动化和软件设置等。他补充道：“相对的，我们经常可以获得根据我们的特定实验要求定制的原型平台——这是我们与Queensgate开发团队密切合作的结果。”

更广泛地说，Yacoot及其同事支持Queensgate应用了强大且可追溯的测量基础设施，以用于其纳米定位产品线的光学测试和校准。作为国家计量院，NPL在光学干涉测量领域保持着最先进的实力，而Queensgate则透过该实验室在此领域的专业知识和综合能力发现了持久的优势。“我们能够更广泛地针对产品测试的最佳干涉仪配置、合适的测量设置以及测量策略提出建议，”Yacoot解释说。

同时，使用NPL光学干涉仪技术的优势在于这些解决方案所提供的可追溯性，即将Queensgate的干涉仪所使用的校准、稳定的激光光波长回溯到SI长度标准——米。Yacoot补充道：“我们还经常在自己的干涉仪系统上针对Queensgate对其专业纳米定位平台的校准进行交叉检验，进而有效地验证Queensgate所应用的测试和测量程序。”

这种围绕光学测试的开放获取关系催生了其他几个联合研发项目，大多由英国政府的商业、能源和工业战略部共同资助。在去年完成的一项由测量复苏（Measurement for Recovery，M4R）计划资助的概念验证研究中，NPL的研究人员在一系列实验中对Queensgate现有技术的组合（包括高速压电驱动纳米定位平台和专利的闭环速度控制算法）进行了实测，以评估它们在原子力显微镜（AFM）高速扫描应用中的潜在适用性。结果表明，其能够以纳米空间分辨率可靠地捕获大面积、高质量的AFM图像——所有这些都可在几分钟内完成，无需几小时或几天，光栅扫描速度范围为0.5 mm/s至4 mm/s。

关键在于细节

Queensgate正在寻求一种精细的方法来支持其内部干涉测量方案所需的环境控制。首先，其制造设施是专为光子和电子仪器的高端装配而打造的（环境温度可控制在±0.5℃以内）。“没有环境控制，纳米计量就无从谈起，”Frost表示。

“同样的，我们所有的干涉测试系统都是封闭的，旨在抵消任何由气流甚至是技术人员的声音等因素引起的压力差。考虑到我们在皮米级别上寻求的特定精度水平，对细节的关注是必须的.”

在部署方面，这些干涉仪测试系统均安装在光学隔离台上或者通过专门设计的橡胶绝缘绳悬挂——两种配置都旨在减弱来自建筑物地板或开关门所产生的任何振动。同样重要的是Queensgate平台测试装置的生产品质，默认选择的材料是高级不锈钢（而非铝或塑料），基板则由超因瓦合金（Super Invar，一种具有低热膨胀系数的合金）制成。

“我们的QA方案稳健而全面，并且得到了NPL在光学计量和某些比对测量方面的投入支持，”Frost 补充道。尽管一次性产品的主旨各有不同，但客户测试报告中涵盖的标准品质因数包括范围、线性度误差、滞后、噪声、阶跃响应以及串扰和旋转误差——全部逐项列出以根据实际测量来显示目标参数。“值得注意的是，这些测试程序基于大量的自动化技术，” Frost总结道，“定制的算法简化了我们的纳米定位平台验证过程并确保了其可重复性。”

由Prior Scientific旗下品牌Queensgate赞助，Sam Frost：“没有环境控制，纳米计量就无从谈起。”（所有权：Queensgate）