性能測試架構

表面輪廓量測系統整體架構如圖 5. 4 所示，結合像散式藍光讀取頭與壓電 片掃描平台，使用 Z 軸位移平台調整讀取頭與待測樣品之間的聚焦距離，使雷 射光束精準對焦於待測樣品的表面，並透過雷射光點的聚焦誤差訊號𝑈_𝐹𝐸𝑆推算待 測樣品的高低起伏。樣品的固定方式如圖 5. 5，樣品載台材料為導磁不鏽鋼，於 樣品底部黏貼直徑2 mm，厚度1 mm，重量24 mg的磁石以磁力固定住樣品，以 避免掃描致動產生滑動現象。

圖 5. 4 表面輪廓量測系統整體架構圖 像散式藍光讀取頭

壓電片掃描平台

XY 軸位移平台 比對用三軸致動平台 (P-611.3)

Z 軸位移平台

底座

讀取頭固定座

讀取頭固定支架

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圖 5. 5 表面輪廓量測系統之細部放大圖

實驗架構又分為開迴路架構與閉迴路架構兩種。開迴路模式如圖 5. 6 所示，

所有蜂鳴片皆用於致動，透過 LabVIEW 程式平台將快軸與慢軸的致動訊號藉由 訊號擷取卡 NI-myRIO 分別輸出，來驅動掃描平台，慢軸的驅動電壓還要經過功 率放大器放大，再透過反向電路提供逆向致動蜂鳴片的驅動單元。像散式藍光讀 取頭則量測待測樣品，量測得訊號透過聚焦誤差訊號𝑈_𝐹𝐸𝑆回傳給訊號擷取卡，再 經由 LabVIEW 程式完成處理、展示和儲存。

像散式藍光讀取頭

快軸框架

慢軸框架

樣品載台 樣品

磁石

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圖 5. 6 開迴路實驗架構圖

閉迴路模式如圖 5. 7 所示，雙軸的蜂鳴片均分為致動與感測兩組，訊號擷 取卡輸出的驅動訊號與開迴路模式相同，但是感測蜂鳴片則回饋致動位移訊號。

快軸回饋訊號𝑈_𝑓𝑥和慢軸回饋訊號𝑈_𝑓𝑦與像散式讀取頭之聚焦誤差訊號𝑈_𝐹𝐸𝑆透過 給訊號擷取卡擷取後，由 LabVIEW 進行訊號處理、展示和儲存。

電腦控制端

LabVIEW 訊號擷取卡

NI-myRIO

驅動訊號 聚焦誤差訊號

反向電路

前級放大器

表面輪廓量測系統

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圖 5. 7 閉迴路實驗架構圖

前級放大器作用為計算聚焦誤差訊號，並提供穩壓與放大訊號的功能；訊號 放大器則用來對感測蜂鳴片的位移回饋訊號進行濾波與放大。

表面輪廓量測結果除了受到讀取頭的影響外，亦取決於掃描平台快軸的驅動 頻率以及取樣點數。掃描成果繪圖方式分為只使用致動平台快軸往或反之單向掃 描與往返皆使用的雙向掃描。掃描方式如圖 5. 8 所示，快軸以正弦波形驅動，

慢軸則以階梯函數驅動，圖中箭頭所示路徑即為掃描路徑，藍色實線部分為快軸 前進軌跡，橘色虛線部分為快軸返回軌跡。雖然單向掃描掃一張圖的時間為雙向 掃描的兩倍，但是因為共振式快軸驅動下，其動態性能會有偏差，因此使用單向 掃描輪廓圖個別以往或返的快軸掃描成果圖進行表面輪廓之分析，探討提升掃描 精度之策略。

電腦控制端

LabVIEW 訊號擷取卡

NI-myRIO

反向電路

前級放大器

表面輪廓量測系統 驅動訊號

聚焦誤差訊號 位移回饋訊號

訊號 放大器 快軸回饋訊號

慢軸回饋訊號

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掃描面

快軸

慢軸

t y

x t

圖 5. 8 雙向掃描路徑軌跡

快軸以共振頻率驅動，其掃描速度由搭載樣品後快軸結構動態特性決定，慢 軸的掃描速度則隨著快軸掃描速度與取樣點數的不同而改變。本實驗所採用的取 樣點數為256 × 256 pixel，且使用單向快軸掃描，因此慢軸的掃描速度將是快軸 的 ¹

512倍。此掃描方式雖受限於快軸必須驅動在正弦波波形，不過採等位置間距 取聚焦誤差訊號𝑈_𝐹𝐸𝑆方式繪圖，而非一般的等時間間格取樣，以消除正弦波形所 帶來的繪圖困難。

共振式掃描平台快軸驅動在共振頻率上，因此驅動訊號與實際位移會有相位 差，而此相位差的大小可以藉由圖 4. 3(b)得知。驅動在共振頻率時驅動訊號與 實際位移有 90 度相位差，如圖 5. 9 所示。

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圖 5. 9 驅動訊號與實際位移關係圖

驅動訊號如圖藍色線條所示，而線條上的點即為實際取點位置，而將其對應 到時間軸上則凸顯出在正弦波不同斜率下量測點時間間隔的差異。在相同時間點 擷取訊號下，綠色線條的實際位移曲線所擷取的位置則如線條上紅色點所示，位 置分布的差異將會更被凸顯，點集中的部分將會被在繪圖時將圖拉大造成失真，

反之亦然。因此必須將此相位差異彌補以消除取點不均勻的問題。

圖 5. 10 呈現相位補償前後之差異，未補償時的繪圖結果有嚴重失真現象，

而補償後繪圖結果僅在左右邊緣部分有些許失真現象，因此進行相位修正為共振 式掃描平台的掃描必要程序，而相位也會隨著共振系統有所變化。

O t

驅動訊號

實際位移

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(a)無相位補償 (b)相位補償後 圖 5. 10 相位補償效果