干涉儀系統的運作方式？

干涉量測法如何運作？

簡介

第一位贏得諾貝爾科學獎的美國人 Albert Abraham Michelson，於 1887 年發明的 Michelson 干涉儀，是干涉量測法最常見的工具。他利用鏡子和半透明鏡子（分光鏡）合併來自相同光源的不同光束。雷射干涉量測法是確立已久的距離量測方法，具有很高的精度。

基本原理

通常是以 Michelson 干涉儀將一致光源的單一入射光束分成兩組相同光束。每組光束都行經不同的路徑，並在抵達偵測器前重新組合。各光束行經距離的差異會形成彼此之間的相位差。這就是在一開始相同波形中形成干擾型態的相位差，與在偵測器上的完全相同。如果單一光束分成兩個路徑（量測及參考），則相位差可判斷在前述路徑改變相位的任何項目。這可能是路徑長度本身的實際變更，或光束行程中的折射率變更。

Michelson 干涉量測法

來自雷射光源的雷射光束 (1) 在干涉儀中分成兩組光束（參考 (2) 及量測 (3)）。這些光束由兩組反射鏡反射回來，先於干涉儀中重新結合，再抵達偵測器。

使用反射鏡確保來自參考與量測臂的光束，在干涉儀中相互重新結合時維持平行。重新結合的光束抵達偵測器，並在偵測器中有建設性或破壞性的相互干擾。在建設性干擾期間，兩組光束為同相且兩組光束的峰值會相互補強，產生明亮的條紋；而在破壞性干擾期間，光束為異相且其中一組光束的峰值會因第二組光束通過而取消，產生晦暗的條紋。

訊號處理

偵測器中的光學訊號處理，可觀察這兩組光束的干擾情形。量測光束位移會造成兩組光束的相對相位出現變化。破壞性與建設性干擾的循環，會導致重新結合光的強度出現週期性變化。每次量測光束／反射鏡 (3) 移動達半個雷射波長時，就會出現一次強度由亮轉暗再轉亮的週期變化。

系統精確度

線性定位量測的精確度端視已知雷射光束的波長精確度而定。雷射光束的運算波長視通過空氣中的折射率而定，而這會隨氣溫、氣壓與相對濕度改變。因此，光束的波長需改變（補償）才能容納這些參數的所有變化。

RLE 如何運作？

雷射光源	光纖連接	干涉儀光學鏡組	量測光學鏡組	偵測計畫	編碼器回饋訊號
頻率穩定 2 級 HeNe 雷射	一或兩組光纖雷射輸出將雷射光直接送達 RLD 檢測頭	雷射光干擾行經不同的光學路徑	高反射度硬質氧化物塗層電介質鏡	轉換干擾條紋為電子訊號	標準數位或類比正交位置回饋

HS20 系統

Renishaw HS20 雷射頭結合外部線性光學鏡組套件，構成非接觸式雷射干涉編碼器系統，用於長軸、高精度、線性位置回饋應用。

HS20 雷射頭可整合至任何運動控制系統的位置控制迴路，並可設定為接受數位或類比正交格式的編碼器訊號。雷射頭可安裝於 OEM 和升級改裝應用，直接更換線性編碼器系統。

補償系統

通常假設雷射干涉儀會自動提供最佳量測精確度。不過實際的情形更為複雜。利用雷射測量空氣中的線性位移時，環境補償系統的效能格外重要。雷射與干涉儀量測光學鏡組提供非常高的線性解析度和精準度，不過在「空中」應用中，則由主要負責系統量測精確度的環境補償裝置為主。

另一方面，由於溫度變化的緣故，編碼器的量測不會考慮工件的膨脹或機器結構。
若要補償以上的誤差來源，並確保為「空中」應用提供最高精確度，則必須利用補償系統。

影響精確度的環境因素

RCU10 如何運作？

下圖顯示 RCU10 的工作流程。

RCU10 補償裝置接受數位正交，以及由一系列感應器收集的環境資料，並計算修正軸位置所需的補償總數。所需補償透過正交比例套用，注入（增加或移除正交脈衝）至編碼器回饋訊號之中，在運動控制器延遲時間最短的情況下完成總程序。以數位或類比編碼器格式提供運動控制器修正的回饋訊號。