基于激光干涉儀對(duì)天文底片掃描儀氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的性能測(cè)試

王亮亮 ,商正君, 鄭立新,楊美婷, 楊 靜, 趙建海, 于 涌,2

(1.中國(guó)科學(xué)院 上海天文臺(tái)，上海 200030； 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引言

天文學(xué)的發(fā)展很大程度上取決于原始觀測(cè)資料的數(shù)量和質(zhì)量。在電荷耦合器件發(fā)明之前，天文玻璃底片是天文望遠(yuǎn)鏡的主要觀測(cè)接收器件。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，1850-2000年間全世界天文望遠(yuǎn)鏡總計(jì)拍攝了近300萬(wàn)張?zhí)煳牟ＡУ灼?，它們記錄了不同時(shí)期天體的動(dòng)態(tài)信息，是當(dāng)時(shí)所在天區(qū)的唯一觀測(cè)記錄。然而，底片發(fā)霉甚至藥膜脫落正在不斷增加著科學(xué)信息損失的風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)際天文聯(lián)合會(huì)(IAU)分別于2000年和2018年發(fā)布決議，呼吁全球天文界加強(qiáng)合作，盡早開展天文底片數(shù)字化，將珍貴科學(xué)信息搶救出來[1-2]。

為響應(yīng)IAU號(hào)召，推進(jìn)國(guó)際天文底片數(shù)字化工作，2020年起，上海天文臺(tái)開展高精度天文底片專用掃描儀的自主研制。天文底片專用掃描儀主要由兩軸線性運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、科學(xué)級(jí)探測(cè)器、遠(yuǎn)心鏡頭和光源等部件構(gòu)成。其中，兩軸線性運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的作用是承載天文底片，使其在工作平面內(nèi)產(chǎn)生高精度的步進(jìn)式二維運(yùn)動(dòng)。在此過程中，科學(xué)級(jí)探測(cè)器進(jìn)行信號(hào)采集，完成整幅天文底片的面掃描，最后通過圖像拼接形成數(shù)字化圖像。根據(jù)天文底片實(shí)際情況和測(cè)量精度的需求，要求天文底片專用掃描儀的位置掃描精度優(yōu)于1 μm，這直接取決于兩軸線性運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的性能。

近年來，氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)技術(shù)發(fā)展迅速，該技術(shù)基于氣體動(dòng)靜壓效應(yīng)，使得載物臺(tái)在導(dǎo)軌上實(shí)現(xiàn)無摩擦和無振動(dòng)的平滑移動(dòng)，有利于高精度和快速度的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向和定位[3]。哈佛大學(xué)天文臺(tái)和比利時(shí)王家天文臺(tái)均采用氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)研制了高精度天文底片專用掃描儀。為了適應(yīng)未來大批量天文底片高精度的數(shù)字化需求，上海天文臺(tái)研制的天文底片掃描儀同樣采用氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，平臺(tái)委托無錫星微科技有限公司生產(chǎn)制造。受到搬運(yùn)條件限制，氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在佘山天文底片實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)完成組裝。平臺(tái)性能除了與制造工藝有關(guān)，還與實(shí)驗(yàn)室工作環(huán)境(溫度、濕度、震動(dòng)等)密切相關(guān)。作為高精度天文底片掃描儀研制過程中的重要環(huán)節(jié)，有必要在平臺(tái)組裝完畢后對(duì)其性能開展實(shí)地測(cè)試與評(píng)估。第1節(jié)介紹氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和激光干涉儀，第2節(jié)為針對(duì)各參數(shù)的測(cè)試方法和過程，第3節(jié)為實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析，最后為結(jié)束語(yǔ)。

1 氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和激光干涉儀

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)采用“H”型結(jié)構(gòu)，如圖1所示，主要由花崗巖基底、安裝在花崗巖上的Y平臺(tái)、安裝在Y平臺(tái)上的X平臺(tái)，以及安裝在X平臺(tái)上的載物臺(tái)組成。其中，Y平臺(tái)包括驅(qū)動(dòng)和支撐X平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的直線電機(jī)和直線導(dǎo)軌，X平臺(tái)包括驅(qū)動(dòng)和支撐載物臺(tái)運(yùn)動(dòng)的直線電機(jī)和直線導(dǎo)軌，使得載物臺(tái)具備X和Y兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)功能，行程為350 mm×350 mm。由于應(yīng)用氣浮導(dǎo)軌技術(shù)，載物臺(tái)可沿導(dǎo)軌做無摩擦和無振動(dòng)的平滑移動(dòng)，有利于實(shí)現(xiàn)精確的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定位以及連續(xù)掃描式運(yùn)動(dòng)。

圖1 氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

激光干涉儀基于光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù)原理，具有高精度、非接觸和實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于線性運(yùn)動(dòng)位移平臺(tái)精度的測(cè)量[4-5]。RENISHAW公司XL80激光干涉儀基于單頻干涉技術(shù)原理，主要由激光頭、光學(xué)鏡組、環(huán)境補(bǔ)償組件和LaserXL校準(zhǔn)軟件構(gòu)成，其激光穩(wěn)頻精度優(yōu)于±0.05 ppm(0～40 ℃)，在1 m量程范圍內(nèi)，定位測(cè)量的絕對(duì)誤差峰值小于±0.5 μm、直線度和平面度測(cè)量的絕對(duì)誤差峰值小于±0.5 μm、角度測(cè)量的絕對(duì)誤差峰值小于±0.1″[6]。按照使用要求，在測(cè)量前需要開機(jī)預(yù)熱10 min以上，以獲得穩(wěn)定波長(zhǎng)的激光輸出。

XL80激光干涉儀的測(cè)量結(jié)果對(duì)環(huán)境非常敏感[7-8]。天文底片掃描儀實(shí)驗(yàn)室配備了恒溫恒濕控制系統(tǒng)，室內(nèi)溫度保持20 ℃±0.5 ℃，濕度保持50%±5%。氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)整體放置在與佘山巖石固連的獨(dú)立基墩上，可以避免外界震動(dòng)的影響。此外，對(duì)氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和激光干涉儀所在區(qū)域安裝了擋風(fēng)棚，減少空氣流動(dòng)對(duì)氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和測(cè)量光路的干擾。為了檢驗(yàn)在當(dāng)前環(huán)境下XL80激光干涉儀本身的測(cè)量穩(wěn)定性，在氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)350 mm行程范圍內(nèi)，等間隔選取5個(gè)位置。分別布置相應(yīng)的激光干涉光路(見第2節(jié))，在每個(gè)固定位置重復(fù)采集定位、偏擺角和俯仰角等參數(shù)的測(cè)量數(shù)據(jù)。為了與實(shí)際測(cè)量時(shí)的耗時(shí)相當(dāng)，每個(gè)參數(shù)的測(cè)量時(shí)長(zhǎng)控制在3分鐘左右，采集測(cè)量數(shù)據(jù)200次。表1列出各參數(shù)測(cè)量數(shù)據(jù)的均方差?？梢?，在當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下，XL80激光干涉儀本身具有較高的測(cè)量穩(wěn)定性，可以滿足微米級(jí)氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的測(cè)量需求。

表1 XL80激光干涉儀測(cè)量結(jié)果的穩(wěn)定性

2 測(cè)試方法及過程

天文底片記錄了不同歷史時(shí)期天體的位置和活動(dòng)信息，是當(dāng)時(shí)所在天區(qū)不可再現(xiàn)的唯一觀測(cè)記錄，因此在天文底片數(shù)字化工作中，使用高精度掃描儀的基本原則是完整保留天文底片的原始科學(xué)信息，不引入額外的位置誤差。根據(jù)天文底片實(shí)際情況和測(cè)量精度的需求，要求天文底片掃描儀的位置掃描精度優(yōu)于1 μm，這直接取決于兩軸線性運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的性能。受到制造工藝和安裝的限制，氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的載物臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生多個(gè)自由度誤差，包括線性位移定位、水平直線度和垂直直線度等誤差(如圖2左圖)，俯仰、偏擺和滾動(dòng)等姿態(tài)角誤差(如圖2右圖)，以及X和Y兩軸之間的不垂直度誤差[9-10]。針對(duì)自由度誤差的不同表現(xiàn)形式，使用RENISHAW XL80激光干涉儀，參考ISO230測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實(shí)際測(cè)量條件，對(duì)定位重復(fù)精度、水平直線度、垂直直線度、俯仰姿態(tài)角誤差和偏擺姿態(tài)角誤差，分別搭建激光干涉光路開展測(cè)試。

圖2 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)自由度誤差示意圖

2.1 定位重復(fù)精度

定位重復(fù)精度測(cè)試的光路設(shè)計(jì)如圖3所示，其測(cè)量原理為，干涉儀激光頭出射的激光束經(jīng)分光鏡M1分為兩束，一束光反射至固定角錐反射鏡M2，經(jīng)過反射再次經(jīng)過分光鏡后反射至探測(cè)器形成參考光束。另一束經(jīng)分光鏡M1透射至載物臺(tái)上的移動(dòng)角錐反射鏡M3，經(jīng)反射返回至探測(cè)器中形成測(cè)量光束。當(dāng)移動(dòng)角錐反射鏡M3沿測(cè)量軸由位置A移動(dòng)至位置B時(shí)，參考光束與測(cè)量光束干涉形成的條紋將由于該光程差的引入而發(fā)生變化，條紋變化數(shù)目對(duì)應(yīng)于移動(dòng)角錐反射鏡M3的位移量[11-12]。

圖3 定位重復(fù)精度測(cè)量的光路示意圖

圖4 定位重復(fù)精度測(cè)量的實(shí)物照片

2.2 直線度和平面度

直線度測(cè)試的光路設(shè)計(jì)如圖5所示，其測(cè)量原理為，干涉儀激光頭出射的激光束經(jīng)分光棱鏡M1被分為有一定夾角的兩束光，分別沿著水平測(cè)量軸線的上方和下方出射，隨后入射至長(zhǎng)條直角雙面反射鏡M2，最后返回至分光棱鏡M1發(fā)生干涉[13]。當(dāng)分光棱鏡M1沿水平測(cè)量軸由位置A移動(dòng)到位置B時(shí)，由于載物臺(tái)在運(yùn)動(dòng)平面內(nèi)存在直線度偏差，使得分光棱鏡M1在B處向上移動(dòng)為Δh。此時(shí)，相對(duì)于A位置，在分光棱鏡外部，測(cè)量軸線上方光路與下方光路的光程差沒有發(fā)生變化，如圖5(a)所示；而在分光棱鏡內(nèi)部，兩束光路的光程差會(huì)發(fā)生變化[14]，如圖5(b)，該光程差變化量體現(xiàn)在兩光束的干涉條紋數(shù)目的變化。平面度測(cè)試與直線度類似，需要將雙面反射鏡M2旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)行測(cè)量，以此反映載物臺(tái)在垂直于運(yùn)動(dòng)平面上的起伏[15-16]。

圖5 直線度測(cè)量的光路示意圖

圖6為測(cè)量直線度的實(shí)物照片，激光器和雙面反射鏡固定于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)外部，分光棱鏡安置在可移動(dòng)的載物臺(tái)上。測(cè)量過程為：按照?qǐng)D5布置測(cè)量光路并準(zhǔn)直；在整個(gè)行程范圍內(nèi)，以20 mm為步長(zhǎng)，控制載物臺(tái)沿測(cè)量軸從起點(diǎn)移動(dòng)至終點(diǎn)，采集一系列行程Li和偏差Δhi；利用直線方程擬合Li和Δhi，根據(jù)擬合殘差的均方差，得到該測(cè)量方向的直線度(或平面度)。

圖6 直線度測(cè)量的實(shí)物照片

2.3 姿態(tài)角誤差

負(fù)載姿態(tài)角(俯仰和偏擺)誤差測(cè)試的光路設(shè)計(jì)如圖7所示，其測(cè)量原理為，干涉儀激光頭出射的光束經(jīng)角度分光鏡M1分為反射和透射光束，反射光束向上經(jīng)再次反射后入射至角偶反射棱鏡M2上方，返回分光鏡；透射光束入射至角偶反射棱鏡下方，也返回分光鏡[17-19]。若位置B存在相對(duì)于位置A的俯仰角誤差θ，則由角偶棱鏡M2返回的兩束激光的光程差會(huì)增加δL=θ*L，其中L為儀器常數(shù)。光程差變化量δL體現(xiàn)在兩光束干涉后干涉條紋數(shù)目的變化。偏擺角誤差的測(cè)試與俯仰角誤差的測(cè)試方法類似，需將角度分光鏡和角偶反射棱鏡旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)行測(cè)量，以此反映載物臺(tái)在運(yùn)動(dòng)面內(nèi)的偏擺[20]。

圖7 角度測(cè)量的光路示意圖

圖8為俯仰角誤差測(cè)試的實(shí)物照片，激光器和角度分光鏡固定于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)外部，角偶反射棱鏡安置在平臺(tái)載物臺(tái)上。測(cè)量過程為：按照?qǐng)D7布置測(cè)量光路并準(zhǔn)直；在整個(gè)行程范圍內(nèi)，以20 mm為步長(zhǎng)，控制載物臺(tái)沿測(cè)量軸從起點(diǎn)移動(dòng)至終點(diǎn)，采集一系列偏差；根據(jù)的均方差，得出該測(cè)量方向的俯仰角誤差。

圖8 角度測(cè)量實(shí)物照片

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

高精度天文底片專用掃描儀采用的氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)工作范圍為350 mm×350 mm，在該工作范圍內(nèi)等間隔選取3個(gè)橫向和3個(gè)縱向，如圖9所示，在每個(gè)測(cè)量軸上，按照第2節(jié)所述測(cè)量方法和過程，使用RENISHAW XL80激光干涉儀搭建測(cè)量光路，分別對(duì)定位重復(fù)精度、水平直線度、垂直直線度(平面度)、俯仰角誤差和偏擺角誤差等參數(shù)開展測(cè)試。

圖9 測(cè)量布局圖

氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位重復(fù)精度測(cè)試結(jié)果列于表2，對(duì)每個(gè)軸的3個(gè)測(cè)量方向分別進(jìn)行兩次測(cè)量。X軸的X01、X02和X03方向的測(cè)量結(jié)果均值為0.021 μm，Y軸的Y01、Y02和Y03方向的測(cè)量結(jié)果均值為0.015 μm。

表2 氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)定位重復(fù)精度測(cè)試結(jié)果

氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的水平直線度測(cè)試結(jié)果列于表3，對(duì)每個(gè)軸的3個(gè)測(cè)量方向分別進(jìn)行兩次測(cè)量。X軸的X01、X02和X03方向的測(cè)量結(jié)果均值為0.205 μm，Y軸的Y01、Y02和Y03方向的測(cè)量結(jié)果均值為0.152 μm。

表3 氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)水平直線度測(cè)試結(jié)果

氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的垂直直線度(平面度)的測(cè)試結(jié)果列于表4，對(duì)每個(gè)軸的3個(gè)測(cè)量方向分別進(jìn)行兩次測(cè)量。X軸的X01、X02和X03方向的測(cè)量結(jié)果均值為0.216 μm，Y軸的Y01、Y02和Y03方向的測(cè)量結(jié)果均值為0.178 μm。

表4 氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)平面度測(cè)試結(jié)果

氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)俯仰角的測(cè)試結(jié)果列于表5，對(duì)每個(gè)軸的3個(gè)測(cè)量方向分別進(jìn)行兩次測(cè)量。X軸的X01、X02和X03方向的測(cè)量結(jié)果均值為0.221″，Y軸的Y01、Y02和Y03方向的測(cè)量結(jié)果均值為0.245″。

表5 氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)俯仰角誤差測(cè)試結(jié)果

氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)偏擺角的測(cè)試結(jié)果列于表6，對(duì)每個(gè)軸的3個(gè)測(cè)量方向分別進(jìn)行兩次測(cè)量。X軸的X01、X02和X03方向的測(cè)量結(jié)果均值為0.183″，Y軸的Y01、Y02和Y03方向的測(cè)量結(jié)果均值為0.233″。

表6 氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)偏擺角誤差測(cè)試結(jié)果

對(duì)于“面掃描”方式，每個(gè)自由度誤差對(duì)天文底片數(shù)字化的影響不同。其中，定位誤差直接關(guān)系到底片步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，該氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位重復(fù)精度優(yōu)于0.025 μm，這為后續(xù)通過系統(tǒng)補(bǔ)償提高絕對(duì)定位精度提供保障；偏擺角誤差表征底片姿態(tài)的變化，它影響圖像拼接的準(zhǔn)確性，考慮偏擺角誤差優(yōu)于0.3″，對(duì)于300 mm見方的底片邊緣影響將小于0.4 μm；平面度和俯仰角誤差主要影響拍照的對(duì)焦準(zhǔn)確性，掃描儀采用的遠(yuǎn)心鏡頭景深超過0.1 mm，這兩項(xiàng)參數(shù)的誤差影響可以忽略。因此，該氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)滿足高精度天文底片掃描儀的研制需求。

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)歷史天文玻璃底片的數(shù)字化保存是全世界天文機(jī)構(gòu)的共性緊迫需求，為切實(shí)響應(yīng)IAU的號(hào)召，上海天文臺(tái)正在實(shí)施高精度天文底片專用掃描儀的研制工作。氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是掃描儀的核心部件，其性能直接影響天文底片數(shù)字化的精度。作為掃描儀研制過程中的重要環(huán)節(jié)，使用RENISHAW XL80激光干涉儀對(duì)氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)開展測(cè)試。結(jié)果表明，在350 mm×350 mm工作范圍內(nèi)，氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)載物臺(tái)的定位重復(fù)精度優(yōu)于0.025 μm，直線度和平面度優(yōu)于0.3 μm，俯仰角誤差和偏擺角誤差小于0.3″，滿足高精度天文底片掃描儀設(shè)備的研制要求。

除上述參數(shù)性能外，氣浮式運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的載物臺(tái)還會(huì)產(chǎn)生沿運(yùn)動(dòng)方向的滾動(dòng)角誤差，以及X軸與Y軸的垂直度誤差。滾動(dòng)角誤差與俯仰角誤差類似，主要影響拍照的對(duì)焦準(zhǔn)確性，較大的鏡頭景深對(duì)其要求不高；垂直度誤差影響底片步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，前期利用大理石方尺測(cè)量結(jié)果為1.3″，該誤差在定位重復(fù)精度高的情況下，同樣可以通過系統(tǒng)補(bǔ)償進(jìn)行修正。利用激光干涉儀測(cè)試這兩項(xiàng)參數(shù)，需要布置特殊的激光干涉光路和特殊的光學(xué)鏡組，將在后續(xù)工作中進(jìn)一步開展。