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摘要
在精密光學量測領域中,雷射干涉儀技術是驗證奈米級定位精度的核心科技之一,其光程差的
絕對穩定性對量測結果具決定性影響。然而,工業環境的微振動與空氣擾動常導致光束飄移,傳統被
動減振難以抑制持續性擾動,進而引發相位失真與數據失效。為突破限制,本研究提出基於快速轉向
鏡 (Fast Steering Mirror, FSM) 的補償架構進行實驗驗證。該研究以LabVIEW 為軟體控制核心,透過
動態調速與微步距演算法,即時偵測光點偏移並驅動馬達進行精確的閉迴路速度控制,進而實現雷
射光點位置的穩定控制,為工業精密量測設備的穩定度優化與誤差防護提供高可靠度的解決方案。
Abstract
In the field of precision optical metrology, the laser interferometer serves as the core equipment for
verifying nanoscale positioning accuracy, and the absolute stability of its optical path difference decisively impacts
measurement outcomes. However, micro-vibrations and air turbulence in industrial environments frequently
induce laser beam drift. Conventional passive vibration isolation techniques struggle to suppress persistent
disturbances, subsequently leading to phase distortion and data invalidation. To overcome these limitations, this
study proposes and experimentally verifies a compensation architecture based on a Fast Steering Mirror (FSM).
Utilizing LabVIEW as the central software control platform, this research employs dynamic speed regulation and
micro-stepping algorithms to detect laser spot deviations in real time and drive motors for precise closed-loop
speed control. This enables the stable control of the laser spot position, thereby providing a highly reliable solution
for stability optimization and error mitigation in industrial precision measurement equipment.
前言
在當今的光學量測與精密加工領域中,雷射技術憑藉其卓越的指向性與精準度[1]-[4],扮演著無可替代的關鍵角色[5]-[7]。然而,不論是在工業現場域或是實驗室環境,雷射光束的傳遞極易受到外界干擾。諸如環境溫度的起伏、廠房機台的微小振動,甚至是氣壓變動與雷射管本身的熱效應,都會造成光點偏離預設的理想原點。這類干擾會在空間中引發包含平移與角度的複合性動態位移,使得光束無法準確投射至後端的光學接收元件,進而大幅削弱了整體系統的對位精確度與運作可靠性。正如過往觀測數據與相關文獻顯示,雷射光點在運作過程中,會隨時間推移呈現出難以預測的熱飄移及隨機震盪現象[8]-[12]。對於追求極致精度的現代光學設備而言,這無疑是一項極需克服的技術挑戰。
針對上述由環境及硬體本身引發的動態誤差,仰賴傳統的被動式避振技術往往成效有限,因此開發主動式的光束穩定機制已成為必然趨勢。目前常見的主動補償方案多半奠基於傳統的「位置控制」邏輯[13]-[16],但在處理極其微小的空間擾動時,該方法容易迫使驅動馬達產生頻繁且短暫的作動。這不僅會引發額外的機械頓挫與高頻震盪,更成為了進一步提升系統補償極限的絆腳石。為了解決這項技術痛點,本研究提出了一套基於快速轉向鏡(FSM)架構的主動式光點穩定系統。本系統特別配置了 2 個位置感測器來進行協同偵測,藉此精準拆解並擷取空間中雷射的平移與角度誤差訊號。在控制中樞的設計上,導入 LabVIEW 軟體作為核心運算平台,並捨棄了傳統的驅動方式,轉而針對 FSM 馬達實施高度精確且平滑的閉迴路「速度控制」策略。
架構原理
本研究所提出之主動式雷射光點補償系統,其核心硬體架構主要由雷射光源、雙軸快速轉向鏡(FSM)及其精密驅動馬達、分光鏡(Beam Splitter,BS)、聚焦透鏡(Lens)以及兩組位置感測器(Position Sensitive Detector,PSD)共同建構而成。在實際光路運作中,源自雷射本體且帶有隨機空間擾動的雷射光束,首先入射至第一組快速轉向鏡(FSM1)之鏡面,隨即入射至第二組快速轉向鏡(FSM2)。此兩組 FSM 的串聯配置,為系統提供了足夠的自由度,用以獨立補償隨時間產生的複雜空間變位。經由 FSM2 反射後的光束則正式進入誤差檢測與分光模組。
DOI:10.30256/JIM.202610_(523).0007
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2026年10月號
(單篇費用:參考材化所定價)