@科研人，你真的懂光学平台吗？一文教你如何选用光学平台

大多数光学实验和工业生产都对系统稳定性有着较高要求。但当受到外界振动影响时，部分实验和生产（如超精密光学、生物、成像及检测等）会受到严重干扰。因此，实验室中常采用光学隔振平台来隔除和减弱这些振动影响。

那么，该如何挑选适合科研实验使用的光学平台呢？

首先，我们需要了解光学平台隔振的基本工作原理。

光学平台隔振的基本工作原理

精密仪器设备的微振动直接影响其测量精度。由于无法彻底消除外界振动源的影响，因此，理想的解决方案是将所有元件刚性固定在一个理想的刚体上。在外界振动、静力矩和温度变化的情况下，理想刚体的任意两点间的相对位移都是不变的，即任何实体的尺寸和形状都是不变的。一旦所有元件都固定在一起形成理想刚体，不同元件之间将没有相对位移，系统便具有稳定的性能。

但是，理想的刚体是不存在的。为了实现近似理想刚体安装平台，光学平台隔振系统主要从工作台面（平台面板）和隔振支撑系统两方面来消除平台台面上位置敏感元件的相对运动，继而达到隔振目的。

从振动传递、隔除与衰减的角度来看，影响光学平台系统隔振性能的主要因素是系统的固有频率和阻尼比。其中固有频率起重要作用：类理想刚体光学平台面板属于高频元件，隔除低频，整体平动，动态形变小，应提高光学平台台面的固有频率；同时隔振支撑系统属于低频元件，隔除高频，低频等幅传递，应降低隔振系统的固有频率。而阻尼的主要作用则是消耗振动的能量，使振动更快地衰减。

光学平台面板和隔振支撑系统有机结合可以提供优良的系统隔振能力。

介绍到这里，可能有的同学会问，我们实验室购买的光学平台也是这种结构，为什么实际使用时达不到理想的隔振效果呢？

对于这个问题，我们还是从平台面板和隔振支撑系统两个角度来详细介绍。

（1）光学平台面板

光学面板的隔振性能直接影响到系统内部振动及台面上光学机械振动的隔除和衰减。

性能优异的光学面板通常采用上下薄钢板和内部钢质蜂窝芯的“三明治”结构，具有高刚度-重量比，能显著提高平台的基频模态振动固有频率，使模态振动形变在高频段响应。同时，蜂窝芯结构梯形芯板与隔板的直边纵向约束，形成纵向层状约束阻尼，侧板采用宽带阻尼材料，蜂窝芯与上下台面采用低温度应变胶恒温粘接工艺粘合而成，形成阻尼台面。优良的组合宽带阻尼可以显著降低振动响应峰值，这也是钢质蜂窝芯结构在大多数高端光学应用中受青睐的主要原因。

同时，蜂窝芯板、侧板和隔板的材料、结构及工艺直接影响着平台的实际性能。很多厂商为了降低成本会在材料选择上使用塑料材料、吸湿性颗粒板以及低成本黏着剂，其效果不言而喻。部分面板也会采用空心焊接支撑结构，具有加工成本低等优势，但是使用过程中平台易受到下陷形变量和应力释放的影响，一段时间过后再次验证的结果变化会很大，这也是许多进口优秀光学面包板产品普遍采用粘接技术的重要原因。

这种“三明治”面包板结构在纵向上只有两个直接粘接层（上板-蜂窝芯钢板、蜂窝芯钢板-下板），不仅大大提升了平台系统强度，还增加了核心单元导热性，减少了台面的热弛豫时间。部分仿制产品的三层粘接层结构（上板-塑料防尘层、塑料防尘层-蜂窝芯钢板、蜂窝芯钢板-下板）则会因强度不够而严重降低结构阻尼。在两个粘接层的基础上，科研人员会针对光学平台的洁净性能进一步进行专利结构设计。如美国Newport公司会在上面板压制一层带有与螺纹孔对应杯槽的垫层；KSI公司会在上面板和夹芯板之间压制一层带有沟槽的垫层。

上海意桐光电科技有限公司（以下简称“意桐光电”）提供的易清洁蜂窝光学面包板（图1），在不增加平台重量的基础上，进一步优化了洁净性能。使用U型清洁舱结构专利可以方便地利用吸尘器对由螺纹孔进入内部空间中的加工残留物、实验中或闲置时的灰尘、污染颗粒以及其他易腐蚀的杂质进行快速、有效的清洁，避免影响光学平台的工作性能，以及残留有机物扩散挥发影响平台器件的洁净度。

图1 意桐光电“三明治”结构蜂窝面包板结构示意图

（2）隔振支撑系统

隔振支撑系统的主要作用是对地面及外部环境振动进行隔离，主要分为主动隔振支撑和被动隔振支撑。其中，被动隔振支撑又分为刚性阻尼隔振支撑和空气弹簧隔振支撑（即通常说的“气浮隔振”）。

主动隔振系统可以通过主动监测结构的振动，并根据振动信号产生具有适当相位和振幅的力来衰减该振动。

主动隔振系统的核心优势是振动隔离的范围更大，可有效解决嘈杂环境中敏感仪器的隔振需求；被动隔振系统难以避免的共振点，其可以通过电控电机来消除。因此，其被广泛应用于半导体领域的精密微光刻、计量和检测等设备。图2为Newport的SmartTable系列主动隔振平台系统。

图2 Newport的SmartTable系列主动隔振平台

被动隔振支撑系统的隔振性能主要是由其固有频率和阻尼特性决定的。被动隔振支撑腿的本质类似一个针对机械振动的“低通滤波器”，高频振动可以被很好的衰减和隔除，而对于其固有频率以下的低频振动而言，隔振系统是刚性的，振动可以直接通过支撑腿传递到平台。所以，提升被动隔振系统性能的主要方法就是降低其固有频率。而阻尼于被动隔离的意义可以理解为：在低频振动传递时用于抑制低频振动的放大，增加系统的稳定性。遗憾的是固有频率和阻尼参数会相互影响，难以兼得。市面上的被动隔振支撑系统主要包括刚性阻尼隔振支撑和气浮隔振支撑。

刚性阻尼隔振一般使用阻尼橡胶隔振，符合国际振动标准的产品其固有频率可达10 Hz；而气浮隔振系统则是采用空气弹簧（用气动系统替代机械弹簧）和阻尼气室来增加系统稳定性和隔振效果，其固有频率一般在2 Hz以下。

下面主要介绍气浮隔振支撑的结构，其原理如图3所示。支撑腿中包含两个气室——气室和阻尼气室。气室用柔性膜片密封，形成活塞结构，并通过压缩空气来支撑光学平台。

图3 气浮隔振支撑系统内部结构示意图

当振动传递时，活塞会被推入气室，气室内气体的压力就会增加，并提供一个恢复力——空气弹簧。其振动隔离性能主要与气室的体积有关。此时，气室内空气会受到挤压并通过限流器（通常是细管或者小孔）进入阻尼气室，达到对系统的阻尼效果。优化气浮隔振性能的本质也是基于固有频率和阻尼参数的权衡考虑，继而对两个气室和限流器设计进行优化。

意桐光电提供的科研级空气弹簧/气浮隔振支撑系统不仅具有较高的支撑能力，还具有较低的刚度，垂直固有频率为1.2～2.0 Hz；水平方向采用单摆结构，水平固有频率为1.5～2.0 Hz。每个光学平台系统根据平台负载和平台自重选用支撑，并配备高压气源（空气压缩机或氮气瓶）和气路控制系统（高度控制阀和管路）来实现光学平台的自动平衡。

在空气弹簧支撑腿内采用大膜片气囊、双气室、空气阻尼孔来提高隔振阻尼比，显著降低了环境振动的影响，提升了光学平台隔振系统的整体隔振性能。

其他参数性能

除了最核心的隔振性能外，光学平台平面度、平台表面粗糙度、安装孔阵精度等参数都是在挑选光学平台时需要考虑的地方。光学平台平面度直观地描述了光学平台台面的平整程度，一般要求小于0.05 mm/m2。该指标越小，表示台面越平整，相对越容易调整光路。同时，在考虑光学平台平面度时，台面工艺也是不容忽视的要素，这主要是因为部分焊接平台台面易受应力释放影响产生形变，继而影响使用。

光学平台表面粗糙度表征的是加工表面具有的较小间距和微小峰谷的不平度，表面粗糙度越小，则表面越光滑。

那么，表面粗糙度是越小越好吗？

答案是否定的。

对于光学平台粗糙度参数的要求，一方面需要平台表面光滑，以利于实验仪器的保护；另一方面要确保工作面的无反射，避免部分光学实验由于平台反射可能带来的危险。光学平台产品表面粗糙度一般要求 Ra≤0.8 μm，并且需要进行表面密迪纹理处理。

在光学平台制造过程中，意桐光电会在恒温胶接加压成型后再进行精密研磨处理，使其整个面板表面上的平面度可以达到±0.01 mm/600×600 mm2；上、下面板均为6 mm的强导磁性不锈钢板，刚度高，表面消杂光光整处理，达到无反射、亚光效果。标识安装孔阵列在平台表面上，方便快速定位安装，这些孔可以被加盖以防止污染物进入螺纹孔内，并有阵列25 mm×25 mm 标准M6 螺孔和1 in×1 in 英制1/4 in 螺孔可供选择。

螺纹孔采用易清洁设计，每个U形通道清洁舱与上板的两个螺纹孔形成吸尘气流通道，可以方便利用吸尘器通过清洁舱对各类污染物进行吸尘清洁，亦能防尘、防水、防止小物品坠落到蜂窝芯内部。内部蜂窝芯板采用的是0.3 mm厚镀锌钢板，弯折成梯形并且中间夹有隔板形成的像蜂巢形状的结构，抗腐蚀、耐用，极大提高了刚性，确保芯体与上板的粘着面更为坚固。

产品挑选与安装

目前市场上研制出来的光学平台款型繁多，质量也参差不齐。在挑选光学平台前，首先要对企业做一定的了解；其次是光学平台的材料、加工精度、隔振效果、产品整体的合理性、平台表面是否精细、表面处理的工艺性等；最后是确认产品的出厂参数指标检测是否符合厂家宣传标准，有条件的还可以进行现场性能测试。

而在光学平台安装使用过程中，同样需要考虑诸多问题。首先需要考虑光学平台能否运送到实验室指定位置，这会涉及接收、卸货、搬运、电梯及门窗开口尺寸、地面承重等问题，甚至有些可能存在的问题需要在设计实验室时就得加以考虑。笔者就曾“有幸”经历过为了安装大型光学平台出动起重机以及拆墙面等壮景。

其次是光学平台的使用问题：根据实验使用需求提前配置仪器电源插口数量；光学平台安放位置处的照明系统、通风系统（主要避免在空气过滤系统附近不必要的空气扰动）；配套的干燥气源或空气压缩机（定期换油）等设备使用。

最后，光学平台的隔振性能终有上限，在追求完美的同时，我们仍需要综合考虑实验所处环境、楼层振动因素，正确挑选、安装并使用光学平台产品，合理搭配实验所用仪器、光机械件，避免非必要振动的引入，努力为实验提供一个最优的振动解决方案。

关于意桐光电的光学平台隔振系统

意桐光电提供的科研级精密光学平台隔振系统，是基于中国科学院上海光学精密机械研究所联合实验室长期探索现代光学重大基础及应用基础前沿研究，针对大型激光工程技术及精密仪器使用环境需求研制的。

该系列产品广泛应用于国内外大型激光系统装置及各种精密测量仪器，可为客户提供国际一流的精密系统振动控制解决方案。图4、图5分别为用于zygo 24″TF干涉仪和国家激光装置“神光II”的光学平台隔振系统。

图4 用于zygo 24″TF干涉仪的精密光学平台隔振系统

图5 用于国家激光装置“神光II”的光学平台隔振系统

此外，意桐光电可以为实验室人员提供多种尺寸的标准面包板、蜂窝面包板、刚性阻尼光学隔振平台、气浮隔振平台、桌面式隔振系统、异形拼接平台、平台仪器架、光学暗室、光学罩壳等科研级隔振产品。图6为意桐光电科研级气浮隔振平台展示图。

图6 意桐光电科研级气浮隔振平台

为了保证客户的实验用途和产品体验，意桐光电提供的光学隔振平台产品执行严格的出厂质检制度，采用高精度的检测手段和检测仪器进行产品品质控制。每一台光学平台出厂都会经历严格的检测流程，并提供质检报告，以提供优质的产品服务。

部分内容参考：

Newport《Optical Table System Design》