基于激光干涉儀對天文底片掃描儀氣浮式運動平臺的性能測試

王亮亮 ,商正君, 鄭立新,楊美婷, 楊 靜, 趙建海, 于 涌,2

(1.中國科學院 上海天文臺，上海 200030； 2.中國科學院大學，北京 100049)

0 引言

天文學的發展很大程度上取決于原始觀測資料的數量和質量。在電荷耦合器件發明之前，天文玻璃底片是天文望遠鏡的主要觀測接收器件。根據統計，1850-2000年間全世界天文望遠鏡總計拍攝了近300萬張天文玻璃底片，它們記錄了不同時期天體的動態信息，是當時所在天區的唯一觀測記錄。然而，底片發霉甚至藥膜脫落正在不斷增加著科學信息損失的風險。國際天文聯合會(IAU)分別于2000年和2018年發布決議，呼吁全球天文界加強合作，盡早開展天文底片數字化，將珍貴科學信息搶救出來[1-2]。

為響應IAU號召，推進國際天文底片數字化工作，2020年起，上海天文臺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動平臺、科學級探測器、遠心鏡頭和光源等部件構成。其中，兩軸線性運動平臺的作用是承載天文底片，使其在工作平面內產生高精度的步進式二維運動。在此過程中，科學級探測器進行信號采集，完成整幅天文底片的面掃描，最后通過圖像拼接形成數字化圖像。根據天文底片實際情況和測量精度的需求，要求天文底片專用掃描儀的位置掃描精度優于1 μm，這直接取決于兩軸線性運動平臺的性能。

近年來，氣浮式運動平臺技術發展迅速，該技術基于氣體動靜壓效應，使得載物臺在導軌上實現無摩擦和無振動的平滑移動，有利于高精度和快速度的運動導向和定位[3]。哈佛大學天文臺和比利時王家天文臺均采用氣浮式運動平臺研制了高精度天文底片專用掃描儀。為了適應未來大批量天文底片高精度的數字化需求，上海天文臺研制的天文底片掃描儀同樣采用氣浮式運動平臺，平臺委托無錫星微科技有限公司生產制造。受到搬運條件限制，氣浮式運動平臺在佘山天文底片實驗室現場完成組裝。平臺性能除了與制造工藝有關，還與實驗室工作環境(溫度、濕度、震動等)密切相關。作為高精度天文底片掃描儀研制過程中的重要環節，有必要在平臺組裝完畢后對其性能開展實地測試與評估。第1節介紹氣浮式運動平臺和激光干涉儀，第2節為針對各參數的測試方法和過程，第3節為實驗結果與分析，最后為結束語。

1 氣浮式運動平臺和激光干涉儀

運動平臺采用“H”型結構，如圖1所示，主要由花崗巖基底、安裝在花崗巖上的Y平臺、安裝在Y平臺上的X平臺，以及安裝在X平臺上的載物臺組成。其中，Y平臺包括驅動和支撐X平臺運動的直線電機和直線導軌，X平臺包括驅動和支撐載物臺運動的直線電機和直線導軌，使得載物臺具備X和Y兩個方向的運動功能，行程為350 mm×350 mm。由于應用氣浮導軌技術，載物臺可沿導軌做無摩擦和無振動的平滑移動，有利于實現精確的點對點定位以及連續掃描式運動。

圖1 氣浮式運動平臺結構

激光干涉儀基于光學干涉測量技術原理，具有高精度、非接觸和實時性高等優點，廣泛應用于線性運動位移平臺精度的測量[4-5]。RENISHAW公司XL80激光干涉儀基于單頻干涉技術原理，主要由激光頭、光學鏡組、環境補償組件和LaserXL校準軟件構成，其激光穩頻精度優于±0.05 ppm(0～40 ℃)，在1 m量程范圍內，定位測量的絕對誤差峰值小于±0.5 μm、直線度和平面度測量的絕對誤差峰值小于±0.5 μm、角度測量的絕對誤差峰值小于±0.1″[6]。按照使用要求，在測量前需要開機預熱10 min以上，以獲得穩定波長的激光輸出。

XL80激光干涉儀的測量結果對環境非常敏感[7-8]。天文底片掃描儀實驗室配備了恒溫恒濕控制系統，室內溫度保持20 ℃±0.5 ℃，濕度保持50%±5%。氣浮式運動平臺整體放置在與佘山巖石固連的獨立基墩上，可以避免外界震動的影響。此外，對氣浮式運動平臺和激光干涉儀所在區域安裝了擋風棚，減少空氣流動對氣浮式運動平臺和測量光路的干擾。為了檢驗在當前環境下XL80激光干涉儀本身的測量穩定性，在氣浮式運動平臺350 mm行程范圍內，等間隔選取5個位置。分別布置相應的激光干涉光路(見第2節)，在每個固定位置重復采集定位、偏擺角和俯仰角等參數的測量數據。為了與實際測量時的耗時相當，每個參數的測量時長控制在3分鐘左右，采集測量數據200次。表1列出各參數測量數據的均方差。可見，在當前實驗室環境下，XL80激光干涉儀本身具有較高的測量穩定性，可以滿足微米級氣浮式運動平臺的測量需求。

表1 XL80激光干涉儀測量結果的穩定性

2 測試方法及過程

天文底片記錄了不同歷史時期天體的位置和活動信息，是當時所在天區不可再現的唯一觀測記錄，因此在天文底片數字化工作中，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信息，不引入額外的位置誤差。根據天文底片實際情況和測量精度的需求，要求天文底片掃描儀的位置掃描精度優于1 μm，這直接取決于兩軸線性運動平臺的性能。受到制造工藝和安裝的限制，氣浮式運動平臺的載物臺在運動過程中會產生多個自由度誤差，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、偏擺和滾動等姿態角誤差(如圖2右圖)，以及X和Y兩軸之間的不垂直度誤差[9-10]。針對自由度誤差的不同表現形式，使用RENISHAW XL80激光干涉儀，參考ISO230測量標準并結合實際測量條件，對定位重復精度、水平直線度、垂直直線度、俯仰姿態角誤差和偏擺姿態角誤差，分別搭建激光干涉光路開展測試。

圖2 平臺運動自由度誤差示意圖

2.1 定位重復精度

定位重復精度測試的光路設計如圖3所示，其測量原理為，干涉儀激光頭出射的激光束經分光鏡M1分為兩束，一束光反射至固定角錐反射鏡M2，經過反射再次經過分光鏡后反射至探測器形成參考光束。另一束經分光鏡M1透射至載物臺上的移動角錐反射鏡M3，經反射返回至探測器中形成測量光束。當移動角錐反射鏡M3沿測量軸由位置A移動至位置B時，參考光束與測量光束干涉形成的條紋將由于該光程差的引入而發生變化，條紋變化數目對應于移動角錐反射鏡M3的位移量[11-12]。

圖3 定位重復精度測量的光路示意圖

圖4 定位重復精度測量的實物照片

2.2 直線度和平面度

直線度測試的光路設計如圖5所示，其測量原理為，干涉儀激光頭出射的激光束經分光棱鏡M1被分為有一定夾角的兩束光，分別沿著水平測量軸線的上方和下方出射，隨后入射至長條直角雙面反射鏡M2，最后返回至分光棱鏡M1發生干涉[13]。當分光棱鏡M1沿水平測量軸由位置A移動到位置B時，由于載物臺在運動平面內存在直線度偏差，使得分光棱鏡M1在B處向上移動為Δh。此時，相對于A位置，在分光棱鏡外部，測量軸線上方光路與下方光路的光程差沒有發生變化，如圖5(a)所示；而在分光棱鏡內部，兩束光路的光程差會發生變化[14]，如圖5(b)，該光程差變化量體現在兩光束的干涉條紋數目的變化。平面度測試與直線度類似，需要將雙面反射鏡M2旋轉90°進行測量，以此反映載物臺在垂直于運動平面上的起伏[15-16]。

圖5 直線度測量的光路示意圖

圖6為測量直線度的實物照片，激光器和雙面反射鏡固定于運動平臺外部，分光棱鏡安置在可移動的載物臺上。測量過程為：按照圖5布置測量光路并準直；在整個行程范圍內，以20 mm為步長，控制載物臺沿測量軸從起點移動至終點，采集一系列行程Li和偏差Δhi；利用直線方程擬合Li和Δhi，根據擬合殘差的均方差，得到該測量方向的直線度(或平面度)。

圖6 直線度測量的實物照片

2.3 姿態角誤差

負載姿態角(俯仰和偏擺)誤差測試的光路設計如圖7所示，其測量原理為，干涉儀激光頭出射的光束經角度分光鏡M1分為反射和透射光束，反射光束向上經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增加δL=θ*L，其中L為儀器常數。光程差變化量δL體現在兩光束干涉后干涉條紋數目的變化。偏擺角誤差的測試與俯仰角誤差的測試方法類似，需將角度分光鏡和角偶反射棱鏡旋轉90°進行測量，以此反映載物臺在運動面內的偏擺[20]。

圖7 角度測量的光路示意圖

圖8為俯仰角誤差測試的實物照片，激光器和角度分光鏡固定于運動平臺外部，角偶反射棱鏡安置在平臺載物臺上。測量過程為：按照圖7布置測量光路并準直；在整個行程范圍內，以20 mm為步長，控制載物臺沿測量軸從起點移動至終點，采集一系列偏差；根據的均方差，得出該測量方向的俯仰角誤差。

圖8 角度測量實物照片

3 實驗結果與分析

高精度天文底片專用掃描儀采用的氣浮式運動平臺工作范圍為350 mm×350 mm，在該工作范圍內等間隔選取3個橫向和3個縱向，如圖9所示，在每個測量軸上，按照第2節所述測量方法和過程，使用RENISHAW XL80激光干涉儀搭建測量光路，分別對定位重復精度、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開展測試。

圖9 測量布局圖

氣浮式運動平臺的定位重復精度測試結果列于表2，對每個軸的3個測量方向分別進行兩次測量。X軸的X01、X02和X03方向的測量結果均值為0.021 μm，Y軸的Y01、Y02和Y03方向的測量結果均值為0.015 μm。

表2 氣浮式運動平臺定位重復精度測試結果

氣浮式運動平臺的水平直線度測試結果列于表3，對每個軸的3個測量方向分別進行兩次測量。X軸的X01、X02和X03方向的測量結果均值為0.205 μm，Y軸的Y01、Y02和Y03方向的測量結果均值為0.152 μm。

表3 氣浮式運動平臺水平直線度測試結果

氣浮式運動平臺的垂直直線度(平面度)的測試結果列于表4，對每個軸的3個測量方向分別進行兩次測量。X軸的X01、X02和X03方向的測量結果均值為0.216 μm，Y軸的Y01、Y02和Y03方向的測量結果均值為0.178 μm。

表4 氣浮式運動平臺平面度測試結果

氣浮式運動平臺俯仰角的測試結果列于表5，對每個軸的3個測量方向分別進行兩次測量。X軸的X01、X02和X03方向的測量結果均值為0.221″，Y軸的Y01、Y02和Y03方向的測量結果均值為0.245″。

表5 氣浮式運動平臺俯仰角誤差測試結果

氣浮式運動平臺偏擺角的測試結果列于表6，對每個軸的3個測量方向分別進行兩次測量。X軸的X01、X02和X03方向的測量結果均值為0.183″，Y軸的Y01、Y02和Y03方向的測量結果均值為0.233″。

表6 氣浮式運動平臺偏擺角誤差測試結果

對于“面掃描”方式，每個自由度誤差對天文底片數字化的影響不同。其中，定位誤差直接關系到底片步進運動的準確性，該氣浮式運動平臺的定位重復精度優于0.025 μm，這為后續通過系統補償提高絕對定位精度提供保障；偏擺角誤差表征底片姿態的變化，它影響圖像拼接的準確性，考慮偏擺角誤差優于0.3″，對于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焦準確性，掃描儀采用的遠心鏡頭景深超過0.1 mm，這兩項參數的誤差影響可以忽略。因此，該氣浮式運動平臺滿足高精度天文底片掃描儀的研制需求。

4 結束語

對歷史天文玻璃底片的數字化保存是全世界天文機構的共性緊迫需求，為切實響應IAU的號召，上海天文臺正在實施高精度天文底片專用掃描儀的研制工作。氣浮式運動平臺是掃描儀的核心部件，其性能直接影響天文底片數字化的精度。作為掃描儀研制過程中的重要環節，使用RENISHAW XL80激光干涉儀對氣浮式運動平臺開展測試。結果表明，在350 mm×350 mm工作范圍內，氣浮式運動平臺載物臺的定位重復精度優于0.025 μm，直線度和平面度優于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備的研制要求。

除上述參數性能外，氣浮式運動平臺的載物臺還會產生沿運動方向的滾動角誤差，以及X軸與Y軸的垂直度誤差。滾動角誤差與俯仰角誤差類似，主要影響拍照的對焦準確性，較大的鏡頭景深對其要求不高；垂直度誤差影響底片步進運動的準確性，前期利用大理石方尺測量結果為1.3″，該誤差在定位重復精度高的情況下，同樣可以通過系統補償進行修正。利用激光干涉儀測試這兩項參數，需要布置特殊的激光干涉光路和特殊的光學鏡組，將在后續工作中進一步開展。