XL-80 鐳射干涉儀為線紋尺量測系統提供精準可靠的位置補償

全自動線紋尺檢測設備

線紋尺（ Line scale ）一般是由玻璃基材製成並且在其表面準確地刻有等間距平行線，通常配置於比長儀、顯微鏡、測量儀器等長度測量設備上，作為測量距離和行程準確性的重要參考基準。測量線紋尺上的刻度距離意味著需要精度更高的儀器，測量解析度往往要求達到奈米級，微小的環境因素所造成的誤差都會影響測量結果的準確性。附屬於香港創新科技局的標準及校正實驗所（ SCL ）設計並建立了一台全新的線紋尺量測系統，採用 Renishaw XL-80 鐳射干涉儀，補償測量過程中因測量機台架設的位置偏移所導致的誤差。

線紋尺測量工作台

工作原理和結構

測量線紋尺上的刻度精度簡單來說就是測量被測線與輔助線
（一般是零位）之間的距離，結合影像分析和鐳射補償技術，系統可計算並調整讀取資料（條紋）的位置，從而減少阿貝誤差（Abbe error）。不過在實際操作中該系統往往需要把更多實際環境因素以及其他不確定性計算在內，因此在設計時必須有效地對各環境和人為因素所引起的誤差進行補償。 SCL 所開發的線紋尺測量系統主要由光學桌，移動平台，攝像頭，顯微鏡，圖元計算程式，光學元件（包括分光鏡，反射鏡），和 Renishaw 鐳射干涉儀所組成，提供線紋尺長度測量範圍從 0.01 mm 到
750 mm，而系統的最佳測量不確定度僅 0.15 - 0.41 nm。

測量系統組態了一台 Renishaw 鐳射干涉儀對系統中出現的阿貝誤差進行補償。系統中的移動平台採用以壓電電機驅動的空氣軸承平臺，全長 800 mm 行程的直線度為 0.9 um，重複精度達 20 nm，最大扭擺，俯仰和滾擺角誤差分別為 +/- 0.5 arcsec，由於 SCL 位於高層建築物的 35 樓內，測量精確度會受到由風和道路交通引起的振動影響，故必須把系統置放在防震光學平台上。在環境補償方面，系統則配置了空氣壓力，空氣溫度，材料溫度和濕度感測器。被測線紋尺被置放在以光學平台為基礎的固定獨立的測量平台上，而攝像頭和顯微鏡則架設在可移動龍門式平台上，目的是協助系統準確定位條紋的位置，因為每條條紋有一定的寬度，以條紋的中心線作為其位置可提升整體測量結果的精度。換句話說，透過影像技術，系統可找出條紋的中心線並定義為條紋最終位置。測量進行時移動平台根據系統發出的訊號移動並停留在被測條紋的默認位置，停頓後鐳射干涉儀讀取位置資料，同時攝像頭掫取目標條紋的影像進行分析，得出當前位置（以圖元值顯示與零位元的距離）後與實際計算距離進行比對後，系統根據相差值指示移動平台進行位置微調，干涉儀再次讀取位置資料，整個程式需要多次重複直到相差值在一個圖元範圍內，從而得出最終的線紋位置。

鐳射干涉儀在系統中應用

阿貝誤差簡單來說就是測量軸與被測工件運動軸之間的偏移所產生的誤差，我們日常用的游標卡尺是典型例子之一，在測量時，夾住被測物的兩個端點與測量軸一定出現偏移的情況從而導致誤差。千分錶由於測量軸和被測工件軸在同一線上，阿貝誤差則可當作零。

Renishaw XL-80 鐳射干涉儀在系統中所扮演的角色是補償測量系統中的誤差，無論是移動平台的直線度，線紋尺的置放位置，以及反射鏡位置等在架設時難免都會出現多少角度偏擺，導致在測量時出現所謂的阿貝誤差。系統在設計上將鐳射干涉儀以對稱形式在移動平台兩邊軸進行測量，任何因角度的偏移所導致的阿貝誤差值改變都會被另一邊軸的鐳射所補償。而干涉儀在架設方面採用了典型的線性測量配置，如下圖雷射光束透過分光鏡 S 分成兩路，一路形成參考光束經轉向鏡 T 及反射鏡 R 回到鐳射源探測器，另一路則透過 T1，T2，T3 轉向鏡及 R 反射鏡形成變化長度測量光束。另外 XL-80 干涉儀在測量中也補償了因環境所造成的潛在誤差，包括內置的壓力和濕度感測器，精度分別達， 1 mbar 和 6% RH，外置的材料和空氣感測器，精度分別達 0.1 和 0.2 度。資料顯示在干涉儀的使用下，系統整體減少約 95% 的阿貝誤差。