為台灣加油打氣專欄 (150) 如何製造精密的光學尺

光學尺是用來測量距離的,我曾經在另外一篇文章中介紹了光學尺的原理,各位可以到以下的網站中去看第103篇工業基礎技術計畫-光學尺。

http://rctlee.cyberhood.net.tw/rctlee/Industry

請看圖一。

圖一

圖一是光學尺的示意圖,黑的部分表示不透光,白的部分表示透光。光學尺通常是玻璃上鍍鉻的,問題在於這些刻度必須非常精密,每一個刻度之間是10um(1um等於1百萬分之一公尺),公差50奈米(1奈米等於10億分之一公尺)。我現在要介紹一下我們的工程師是如何製造這種精密的光學尺。

說起來很簡單,光學尺的刻度是由雷射決定的,雷射本身可以不移動,移動的是一面鏡子。雷射光打到鏡子以後就會反射,如圖二。

圖二

也就是說,鏡子被一個馬達所驅動,這個馬達每隔10um會停下來讓雷射光打到鏡子上再反射。大家一定會問,馬達驅動不可能如此準確的,怎麼辦?請看圖三。

圖三

從圖三,我們可以看出鏡子是架在一個壓電材料上。鏡子停的位置由一個雷射干涉儀來決定,全世界都是這樣做的,因為雷射干涉儀是世界上最準確的位置測量儀器。所以大家可以想見雷射干涉儀會說馬達不夠準確,鏡子停的位置和最標準的位置還是差了一點。但是壓電材料是可以伸縮的,用電壓可以使壓電材料長長一點或者縮短一點。雷射干涉儀所報告的誤差就會自動地告訴壓電材料的控制器,使得壓電材料或伸長,或縮短。壓電材料所伸縮的距離可以精確到1奈米。

利用馬達、雷射干涉儀和壓電材料,光學尺的刻度就非常精準了。要製造這麼一把光學尺是要費很長時間的,在製造過程中,環境的控制是絕對重要的,溫度一有變化,大氣壓力有變化,或者環境中有灰塵,都會影響光學尺的精度。可是最困難的乃是在製造的過程中,不可以有任何的震動。

在台灣,製造的工廠先要挖一個3公尺深的洞,其中一半的深度鋪上很多防震的物質,然後在洞的中間放一大塊絕對平的水泥,而這個水泥又和地板沒有連結,如圖四。在這個水泥上,我們的工程師利用自動的設備來製作這種光學尺。1米長的光學尺需要超過24小時才能完成。

圖四

光學尺乃是精密工業中必須的零組件,到目前為止,德國仍然是在這方面做得最好的。我們國家已經能夠做出1.5米長的光學尺,這家公司有野心要做4米長的光學尺。

希望大家知道,我們國家仍然有一些熱衷於工業技術的工程師。他們不僅僅使得台灣的光學尺在國外有很好的銷路,也有野心要製造更高規格的光學尺。當然他們也都是有耐心的人,在光學尺上的研發已經有20年的功夫,有今天的成就完全是因為很多工程師在光學尺上默默工作了20年之久。