雷尼紹XL-80激光幹涉（shè）儀為線紋尺測量係（xì）統提供精準可靠的位置補償解決方案
2019-6-20 來源： 雷尼紹 作者：-
全自動線紋尺檢測設備
線紋尺（chǐ） (Line scale) 一般由玻（bō）璃製成，表麵上準確地刻有等間距平行（háng）線，通常配（pèi）置在比（bǐ）長儀、顯微鏡、測（cè）量儀器等長度測量設備上（shàng），作為測量距（jù）離和行程精（jīng）度（dù）的重要參考基準。測量線紋（wén）尺（chǐ）上的刻度距離需要高精度儀器，測量分辨率往往要（yào）求達到納米級，任何微小的環境因素所造成的誤差都會（huì）影響測量（liàng）結果的準確性。附屬於香港特別行政區政府創新科技署的標準及校正實驗（yàn）所 (SCL) 設計並製（zhì）造了一台全新線紋尺測量係統，其采用雷尼（ní）紹XL-80激光幹涉儀補償測量過程中因測量機台架設位置偏移所導致的誤差。
案例分析： 雷尼紹XL-80 係列激光幹涉儀
香港特別行政區政府創新科（kē）技署轄下的標準及校正實驗所負責製定和維護香港地區的物理測量參考標準，並為本地的（de）測量（liàng）標準及測量儀器使用者提（tí）供（gòng）校正服務，以確保其準確執行測（cè）量工作，且能正確溯源至相關標準。除此之外，標準及校正實驗（yàn）所還為檢測及認證行業實驗室提供（gòng）能力驗證服務，以證明他們具備相（xiàng）應的技術（shù）能力。
線紋尺（chǐ）測（cè）量係統的工作（zuò）原理和結構
測量線紋尺上的刻度精度簡單來說就是測量被測線與參考線（一般是零位）之間（jiān）的距離，結合影像分析和激光補償技術，係統可計算並調整數據（線紋）讀取（qǔ）位置，從而減少阿貝誤差 (Abbe error)。不過在實際操作中，該係（xì）統往往（wǎng）需要將更多實際環境因素以及其他不確定（dìng）性計算在內，因（yīn）此在設計（jì）時必須有效地（dì）對各種環（huán）境和人為因素所引起的誤差進行補償。SCL所（suǒ）研發（fā）的線（xiàn）紋（wén）尺測量係統主要由光學防震平台、移動平台、攝像頭（tóu）、顯微（wēi）鏡、像素計算程序、光學鏡組（包括分光鏡、反射鏡）及雷尼紹激光幹涉儀組成。線紋尺的長度測量（liàng）範圍為0.01 mm到750 mm，而係統的測量不確定度僅為0.15 - 0.41 nm。
案例分（fèn）析： 條紋尺測量平台
線（xiàn）紋尺測量係統配置了（le）一台雷尼紹XL-80激光幹涉儀，用於對係統中出現的阿貝誤差進行補償。係統中的（de）移動平台（tái）采用以壓電電機驅動的空（kōng）氣軸承平台，全長800 mm行（háng）程的（de）直（zhí）線（xiàn）度（dù）為0.9 um，重複精度（dù）達20 nm；最大扭擺、俯仰和滾擺角誤差分別為（wéi）+/-0.5角秒（miǎo）。由於SCL位於大廈的35層，風和道路交通（tōng）引起（qǐ）的振動會影響測量精確度，因此必須（xū）將係統放置在光學防震平台上。在環境補（bǔ）償方麵，係統配置了空氣壓力、空（kōng）氣溫度、材料溫度和（hé）濕度傳（chuán）感器。被測線紋尺放置在以光學平台為（wéi）基體的固定式獨立測量平台（tái）上（shàng），而攝像頭和顯（xiǎn）微（wēi）鏡則架設在可移動龍門式平台上，目（mù）的是協助係統準確定位線紋（wén）的位（wèi）置。因為每條線紋都有一定的寬度（dù），以線紋的中心線作為其位置（zhì）可提升整體測量精度。換句話說，借助影像技術，係（xì）統可找出線紋的中心（xīn）線並定義為線紋最終位置。
執行測量時，移動平台根據係（xì）統發（fā）出的信號移（yí）動並停留在被測線紋的默認位置。停頓後，激光幹涉儀讀取位置數據，同時攝（shè）像頭拍攝目標線紋的影像（xiàng）進行分析，得出當前位置（以像素值顯示與零位的距離）並與（yǔ）實（shí）際計算（suàn）距離進行比對，係統根據差值指示移動平台進行位置微（wēi）調。幹涉儀再次讀取位置數據。整個程序需要重複多（duō）次直到差值在特定像素值範圍內，從而得出最終的線紋位置。
XL-80在係統中的應用
阿貝誤差簡單來說就是測（cè）量軸與被測工件運動軸之間的偏移所產生的誤差，我們（men）日常所用（yòng）的遊標卡尺是典型例子之一（yī）。在使用遊標卡尺進行測量時，夾住被測物的兩個端點與測量軸之間一定會出現偏移情況（kuàng），從而產生誤差（chà）。對於千分表來說，由於測量軸和被（bèi）測工件（jiàn）的軸在（zài）同一（yī）條線上，因此阿貝誤（wù）差為零。
案例（lì）分析： 條紋尺測量係統
雷尼紹XL-80激光幹涉儀在係統中所扮演的角色是補償測量係統中的（de）誤差，無論（lùn）是移動平台的（de）直線度、線紋尺的放置位置，還是反（fǎn）射鏡的位置等，在架（jià）設時都難（nán）免會（huì）存在角度偏擺，導致在測量時出現所謂的阿貝誤差。係統（tǒng）在設計上使用激光幹涉（shè）儀，以對稱形式在移動平台兩邊的軸上進行測量（liàng），任何因角（jiǎo）度偏移所導致的阿貝誤差值改（gǎi）變都會被另一邊軸的激（jī）光（guāng）所補償。而幹（gàn）涉儀的架設采用了典型的線（xiàn）性測量配置，激光束通過分光鏡S分（fèn）成兩路，一路形成參考光（guāng）束經轉向鏡T及反射鏡R回到激光源探測器，另一路則通過轉（zhuǎn）向鏡T1、T2、T3及反射鏡R形（xíng）成長度變化的測量光束。另外，XL-80幹涉儀在測量過程中也補償了因環境造成的潛在誤差，其內置的壓力和濕度傳感器精度分別達1 mbar和6% RH，外置的材料和空氣傳感器精（jīng）度分別達0.1和0.2度。數據顯示，在幹涉儀的幫助下，係統整體減（jiǎn）少約95%的阿貝誤差。
案例分析（xī）： 條紋尺運動平台
選擇合適的激光幹涉儀（yí）
就（jiù）激光幹涉儀（yí）而言，線性（xìng）測量的精度不僅與激光頻率的（de）穩定性有（yǒu）關，同時也取決於激光波長的已知精度。而在實際（jì）應用環境（jìng）中，激光束通（tōng）過空氣時，空氣折射（shè）率往往會對激光（guāng）波長產（chǎn）生影響，由於（yú）折射率隨著空氣（非真空環（huán）境）的溫度（dù）、氣壓和（hé）濕度而（ér）變化（huà），因此必須對激（jī）光波長進行補（bǔ）償以降低最終的測量誤差。補償器（qì）通過傳感器測量工作環境的各個參（cān）數，自動（dòng）計算（suàn）這些（xiē）參數對空氣折射（shè）率的影響，並調整激光（guāng）讀數以補償激光波長的變化，無需用戶幹預和經常對補償進（jìn）行更新（xīn）。
雷尼紹XL-80激光幹涉儀是（shì）目前市場上（shàng）真正快速、精（jīng）確、便（biàn）攜的校準（zhǔn）係統。精確（què）穩定的激光源和準確的XC-80環境補償（cháng）器，保證了±0.5 ppm（在空氣環境中）的線性測量精度。係（xì）統以高達50 kHz的頻率讀取數據，最（zuì）高線性測量速度可達（dá）4 m/s，即使在最高速度下線性分辨率仍可達（dá）1 nm。所有測量選項（不僅是線性（xìng））均采用幹涉法測量（liàng），確保所記錄數據的精度。XL-80配備（bèi）先（xiān）進、易用的人性化操作軟件，為用戶提（tí）供最全麵的（de）機器（qì）校準方案。
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