CN101319872B

CN101319872B - 光学式距离位置感测装置

Info

Publication number: CN101319872B
Application number: CN2007101089099A
Authority: CN
Inventors: 林耀明
Original assignee: Chroma Electronics Shenzhen Co Ltd
Current assignee: Chroma Electronics Shenzhen Co Ltd
Priority date: 2007-06-04
Filing date: 2007-06-04
Publication date: 2010-06-09
Anticipated expiration: 2027-06-04
Also published as: CN101319872A

Abstract

本发明涉及一种光学式距离位置感测装置，用以感测一待测位置对象与该感测装置间的一绝对距离位置。该感测装置是将一多频混合的入射光束利用一分光组件予以分光成一量测光束与一参考光束，其中，量测光束与参考光束分别射向待测位置对象与一具备复数个反射表面的参考反射组件后，再分别反射回分光组件而分别行进一量测光程与复数个参考光程，并依据量测光程与复数个参考光程所分别相差的复数个光程差而射出至少一干涉光束。最后，利用一光学感应模块感应干涉光束的干涉波包位置，并依据干涉波包位置而计算出上述的绝对距离位置。

Description

光学式距离位置感测装置

技术领域

本发明是关于一种光学感测装置，特别是指一种利用将一多频混合的入射光束加以分光、干涉与感应，而感测一待测位置对象的与光学感测装置间的绝对距离位置的光学感测装置。

背景技术

随着时势的发展与演进，许多产品在加工尺寸精准度方面的要求，亦随之日趋严谨，特别是对于光电类或微机电类组件而言，其精准度往往必须达到纳米等级的要求。然而，在光电类或微机电类组件的整个加工过程中，往往不可避免地必须将待加工的工件输送至特定的加工位置来进行加工作业，甚至还可能会在工件尚处于运动状态时，就进行特定的加工作业。在此状况下，从微观的角度来看，即便这些运动非常微小，也势必会对加工品质造成重大的影响。

在此前提之下，往往必须借助于适当的定位装置来加以辅助定位，使加工位置不至于有太大的偏差，抑或是利用一高精准度与高灵敏度的位置感测装置来提供精密的位置量测功能，并在位置偏移量大于特定标准时，通过适当的补偿机制来加以控制，使工件的尺寸与加工位置能够满足既定的标准。

在众多的位置感测装置中，由于利用光学感应方式的来感测位置的位置感测装置具备较佳的感测精准度，故而广受所属技术领域的工作者所青睐而蔚为主流。在公知技术中，常用的光学位置感测系统有水平扫瞄纳米量测系统与扫瞄曝光系统等。其中，水平扫瞄纳米量测系统与扫瞄曝光系统是通过光学尺而对在运动轴向的位移进行补偿(compensation)与回馈(feedback)控制。对于垂直方向的微量位移，则需要通过一微位移传感器或位置传感器，实际感测俯仰偏移摆动的偏移量，在经由微纳米制动器加以补偿或回馈。

在公知技术中，微位移传感器通常有涡电流传感器、电容传感器与单频光干涉仪(如激光干涉仪)。其中，涡电流传感器与电容传感器是通过量测电流或电容而反推算位移的变异量。在实务运用层面上，往往容易受到环境温度、湿度、材质、表面氧化等变异因素的影响。若在开放空间中进行感测，则感测结果的量测不确定度往往会大过纳米等级的量测精准度要求。因此，涡电流传感器与电容传感器通常必须在一密闭空间中进行感测才能满足纳米等级的量测精准度要求。

关于单频光干涉仪(以激光干涉仪为例)的量测技术，以下将进一步结合图式，提出更详尽的说明。请参阅图1，其是显示一种公知基本型激光干涉仪的组件配置示意图与距离位置感测技术。如图所示，一激光干涉仪1用以量测一待测位置对象2的位置距离，亦即量测该待测位置对象2表面与激光干涉仪1间的距离。激光干涉仪1包含有一壳体11、一激光光源12、一聚焦透镜13、一平面分光镜14、一参考反射镜15与一光学感应模块16，其配置方式如图1所示。

在进行待测位置对象2的位置距离量测时，可使激光干涉仪1相对于待测位置对象2而沿一扫瞄方向I₀进行扫瞄移动(可移动激光干涉仪1或待测位置对象2)，在扫描过程中，在一垂直方向II₀会因机械性震动而使激光干涉仪1与待测位置对象2表面间的距离产生微小的变异量。当其扫瞄至一待测位置对象2表面上的一待测点P₀时，激光干涉仪1与待测点P₀间相距一垂直距离d₀。

同时，激光光源12所发出的光线会经过聚焦透镜13的聚焦后而沿一水平方向III₀而射出一入射光束IL₀。入射光束IL₀会射向平面分光镜14的一分光点SP₀，并经过平面分光镜14的分光后，而反射出一量测光束RL₀与穿透射出一参考光束TL₀。在入射光束IL₀射入平面分光镜14时，分光点SP₀与待测点P₀相距一量测距离r₀，与参考反射镜15相距一参考距离t₀，并与壳体11的底面相距一光轴距离a₀。

其中，量测光束RL₀会沿一量测方向IV₀射向待测点P₀，再沿量测方向IV₀的相反方向反射回分光点SP₀的邻近位置而行进一测量光程Pr₀(等于2r₀)。穿透光束TL₀会沿一参考方向V₀而射向参考反射镜15，并沿参考方向V₀的相反方向反射回分光点SP₀的邻近位置而行进一参考光程Pt₀(等于2t₀)。

接着，行进测量光程Pr₀的量测光束RL₀会在分光点SP₀的邻近位置与行进参考光程Pt₀的参考光束TL₀产生干涉，并依据测量光程Pr₀与参考光程Pt₀所相差的一光程差DP₀(即D₀＝Pr₀-Pt₀)而发出一干涉光束IFL₀。最后，干涉光束IFL₀会沿一干涉输出方向VI₀而射向光学感应模块16，光学感应模块16可依据所感测到的干涉光束IFL₀的干涉条纹数量与干涉光束IFL₀的强度而计算出光程差DP₀，并通过D₀＝Pr₀-Pt₀而求得测量光程Pr₀与参考光程Pt₀间的相对关系。

在实务运用层面上，由于光轴距离a₀与参考距离t₀可通过激光干涉仪1在进行上述量测前的自我标准化校正而得知其值，加以上述的光程差DP₀可通过上述量测方式而得知。因此，利用上述关系可求得待测的垂直距离d₀等于(1/2DP₀+t₀-a₀)。

举凡在所属技术领域具有通常知识者皆能理解，激光干涉仪1亦可只用于量测待测位置对象2表面与分光点SP₀的距离即可，亦即以量测距离r₀为量测标的。故在进行上述量测前，只需执行参考距离t₀的自我标准化校正即可，而不必进行光轴距离a₀的设定或自我标准化校正。此时，所欲求得知量测距离r₀等于(1/2DP₀+t₀)。

同时，举凡在所属技术领域具有通常知识者皆能理解，在实际进行待测位置对象2表面与激光干涉仪1间的距离量测时，会以快速扫描的方式感测待测位置对象2表面上的多个点，亦即使激光干涉仪1沿扫瞄方向I₀快速移动，利用上述方式快速地对待测位置对象2表面上的多个待测点进行感测，然后再将多个待测点所感测的距离位置予以平均而得到一平均值与一最大变异值(或标准差)，并利用该平均值与该最大变异值(或标准差)来代表待测位置对象2的距离位置。

然而，为了提升扫瞄效率，通常会将扫瞄速率增加至特定的程度，但如此一来，则极有可能会因此而产生错误估算或漏算干涉条纹的事情，而导致量测结果失真。同时，若干涉条纹的非完全建设性干涉，甚至是为相消性干涉时，则干涉条纹会变得比较不明显而不易解析。此外，在量测过程中亦容易产生光斑，且部分的干涉条纹可能会落在感测范围之外，并因而对量测结果在认定上容易造成误判。再者，由于利用激光干涉仪1所量测的光程差光程差DP₀在微观的系统中，通常相对地显得很大，对于光波波长的影响也随之变得很大，因此必须借助适当的稳频装置来控制频率(同时也控制波长)，来将分辨率提升至纳米等级的要求。

发明内容

本发明所欲解决的技术问题与目的：

综观以上所述，在公知技术中，存在着每次进行量测前皆必须进行自我标准化校正的不便利性，量测结果容易失真，不易解析，容易造成误判，以及必须增加制作成本等问题。

因此，本发明的主要目的是提供一种光学式距离位置感测装置，其利用多频混合的光源所发出的光束来加以分光与干涉，以此使干涉光线产生明显而易于辨识的干涉波包，并依据干涉波包的位置而求得一待测位置对象的绝对距离位置。

本发明的次一目的是提供一种光学式距离位置感测装置，其是用以感测一待测位置对象与该感测装置间的一绝对距离位置。在该装置中，预先依据参考光程而在感测装置中对应建立一组对应的二维转换坐标。

本发明的另一目的是提供一种光学式距离位置感测装置，其是用以感测一待测位置对象与该感测装置间的一绝对距离位置。在该装置中，利用具备多个反射表面的参考反射组件取代公知技术中的参考反射镜，以此增加光学感测的量测范围。

本发明解决问题的技术手段：

本发明为解决公知技术的问题所采用的技术手段是提供一种光学式距离位置感测装置，该光学式距离位置感测装置用以感测一待测位置对象与该感测装置间的一绝对距离位置。该感测装置是将一多频混合光源(特别是多频混合白光光源)所发出的入射光束利用一分光组件分予以光成一量测光束与一参考光束，其中，量测光束与参考光束分别射向待测位置对象与一具备复数个反射表面的参考反射组件后，再分别反射回分光组件而分别行进一量测光程与复数个参考光程，并依据量测光程与上述复数个参考光程间的差距所分别形成的复数个不同的光程差射出一干涉光束。

在上述复数个不同的参考光程中，与量测光程间相等者定义为一临界参考光程，在行进该临界参考光程的参考光束与行进量测光程的量测光束产生干涉光束时，会产生一干涉波包。最后，利用一光学感应模块感应干涉光束的干涉波包位置，并依据干涉波包位置而计算出上述的绝对距离位置。

在本发明较佳实施例中，光学感应模块上是预先依据上述的参考光程而在感测装置中建立一组对应的二维转换坐标，在二维转换坐标上的每一位置对应于参考光程的数值，因此当干涉波包所在位置落于二维转换坐标的其中一位置时，表示量测光程等于该位置所对应的临界参考光程，故可通过干涉波包的所在位置而求得该量测光程，并据以计算出上述的绝对距离位置。此外，复数个反射表面可进一步以倾斜交错渐层并排的方式加以配置。

本发明对照先前技术的功效：

由以上所述可知，由于本发明是利用感测多频混合光源(特别是多频混合白光光源)所发出的光束在干涉时可产生明显而容易辨识的干涉波包的特性，进而利用干涉光束的干涉波包位置来计算出一待测位置对象的绝对距离位置，且干涉波包的位置远较公知技术中的每个单一干涉条纹更为明显而易于观察，也无须计算干涉条纹的数量，因此可同时解决上述的量测结果容易失真，不易解析，容易造成误判，以及必须增加制作成本等问题。

此外，由于本发明的二维转换坐标是依据上述的参考光程而建立，具备有极高精准度与稳定性，因此只需在初次使用时进行一次初始化校正，即可连续使用很多次而仍旧能保持合乎纳米等级要求的高精准度，而不必在每次进行量测之前都进行自我标准化校正，以此提升操作上的便利性。同时，由于上述的复数个反射表面可进一步以倾斜交错渐层并排的方式加以配置，因此可有效增加光学感测的量测范围。

附图说明

图1是显示公知基本型激光干涉仪的组件配置示意图与距离位置感测技术；

图2是显示本发明第一实施例的组件配置示意图与距离位置感测技术；

图3是显示本发明第一实施例中的参考反射组件配置关系示意图；

图4是显示本发明第一实施例中的参考反射组件的立体外观示意图；

图5是显示本发明第一实施例中的二维转换坐标的示意图；

图6是显示本发明第二实施例的组件配置示意图与距离位置感测技术；

图7是显示本发明第二实施例中的参考反射组件配置关系示意图；以及

图8是显示本发明第二实施例中的参考反射组件的立体外观示意图。

符号说明：

1激光干涉仪

11壳体

12激光光源

13聚焦透镜

14平面分光镜

15参考反射镜

16光学感应模块

2待测位置对象

3、4光学式距离位置感测装置

31、41壳体

32、42多频混合光源

33、43透镜组件

331第一聚焦透镜

332第二聚焦透镜

333第三聚焦透镜

334第四聚焦透镜

335第五聚焦透镜

431第六聚焦透镜

432第七聚焦透镜

433第八聚焦透镜

434第九聚焦透镜

435第十聚焦透镜

34、44光圈

341、441穿孔

35、45平面分光镜

36、46参考反射组件

361～364、461～464长条状反射镜

361a～364a、461a～464a反射表面

365～368、465～468支撑组件

37、47光学感应模块

371、471线电荷耦合器

372、472运算处理单元

373二维转换坐标

IL₀、IL₁、IL₂入射光束

RL₀、RL₁、TL₂量测光束

TL₀、TL₁、RL₂参考光束

IFL₀、IFL₁、IFL₂干涉光束

IFC干涉波包

P₀、P₁、P₂待测点

SP₀、SP₁、SP₂分光点

RS₁、RS₂基准面

I₀、I₁、I₂扫瞄方向

II₀、II₁、II₂、III₂垂直方向

III₀、III₁水平方向

IV₀、IV₁、V₂量测方向

V₀、V₁、IV₂参考方向

具体实施方式

本发明所采用的具体实施例，将通过以下的实施例及图式作进一步的说明。

由于本发明所提供的光学式距离位置感测装置可广泛运用于多种光学测距装置、设备与系统，其组合实施方式更是不胜枚举，故在此不再一一赘述，仅列举其中较佳的二实施例来加以具体说明。

请参阅图2至图5，图2是显示本发明第一实施例的组件配置示意图与距离位置感测技术，图3是显示本发明第一实施例中的参考反射组件配置关系示意图，图4是显示本发明第一实施例中的参考反射组件的立体外观示意图，图5是显示本发明第一实施例中的二维转换坐标的示意图。如图所示，一光学式距离位置感测装置(以下简称感测装置)3亦用以量测上述待测位置对象2的绝对位置距离，亦即量测该待测位置对象2表面与感测装置3间的距离。

感测装置3包含有一壳体31、一多频混合光源32(在本实施中特别指一多频混合白光光源)、一透镜组件33、一光圈34、一分光组件(在本实施例中是一平面分光镜35)、一参考反射组件36与一光学感应模块37。透镜组件33包含有一第一聚焦透镜331、一第二聚焦透镜332、一第三聚焦透镜333、一第四聚焦透镜334与一第五聚焦透镜335。光圈34具备有一穿孔341。

参考反射组件36具备一基准面RS₁与第一数量(M)个长条状反射镜，各长条状反射镜分别具备有一反射表面，故共有M个反射表面，同时，M个长条状反射镜是以M个支撑组件。在本实施例中，M等于4，亦即参考反射组件36包含四个倾斜交错渐层并排的长条状反射镜361、362、363与364，且四个长条状反射镜361、362、363与364分别对应地具有四个倾斜交错渐层并排的反射表面361a、362a、363a与364a。同时，四个长条状反射镜361、362、363与364是以四个支撑组件365、366、367与368予以支撑固定。光学感应模块37包含一线电荷耦合器(Charge Coupled Device，CCD)371与一运算处理单元372。

在进行待测位置对象2所处的一绝对位置距离的量测时，可使感测装置3相对于该待测位置对象2而沿一扫瞄方向I₁进行扫瞄移动(可移动感测装置3或待测位置对象2)，在扫描过程中，在一垂直方向II₁会因机械性震动而使感测装置3与待测位置对象2表面间的距离产生微小的变异量。当其扫瞄至一待测位置对象2表面上的一待测点P₁时，感测装置3与待测点P₁间相距一垂直距离d₁。

同时，多频混合光源32所发出的光线会经过第一聚焦透镜331的聚焦成平行光束，并经过第二聚焦透镜332的聚焦而穿透光圈34的穿孔341，最后再经过第三聚焦透镜333而聚焦成沿一水平方向III₁射出一入射光束IL₁。入射光束IL₁会射向平面分光镜35的一分光点SP₁，并经过平面分光镜35的分光后，反射出一量测光束RL₁与穿透射出一参考光束TL₁。在入射光束IL₁射入平面分光镜35时，分光点SP₁与待测点P₁相距一量测距离r₁，与参考反射组件36的基准面RS₁相距一最大参考距离t₁₀，并与壳体31的底面相距一光轴距离a₁。

量测光束RL₁会沿一量测方向IV₁射向待测点P₁，再沿量测方向IV₁的相反方向反射回分光点SP₁的邻近位置而行进一测量光程Pr₁(等于2r₁)。参考光束TL₁会沿一参考方向V₁而射向参考反射组件36中的四个反射表面361a、362a、363a与364a，并沿参考方向V₁的相反方向反射回分光点SP₁的邻近位置而行进复数个不同的参考光程，并且与测量光程Pr₁之间分别差距复数个不同的光程差。

在复数个不同的参考光程中，与测量光程Pr₁相等者，定义为一临界(critical)参考光程Pt₁。同时，在上述复数个不同的光程差中，临界参考光程Pt₁与测量光程Pr₁间的差距为零者，可定义为一零光程差。在参考光束TL₁行进临界参考光程Pt₁时，分光点SP₁与参考光束TL₁射入参考反射组件36处相距一临界参考距离t₁，亦即临界参考距离t₁等于1/2倍的临界参考光程Pt₁。

在本实施例中，上述的基准面RS₁与该参考方向V₁相互垂直，参考反射组件36中第一个长条状反射镜361的一端是以支撑组件365予以支撑固定，第一个反射表面361a与基准面RS₁间的距离，是自其一端与基准面RS₁相切齐，而逐渐递增至另一端与基准面RS₁相距一单位偏移距离Δ。

在上述四个长条状反射镜361中，第二数量(N，在本实施例中N介于2与4之间，且包含2与4)个长条状反射镜的两端是分别以第N-1个与第N个支撑组件予以支撑固定，使第N个反射表面与基准面RS1间的距离，是自其一端与基准面RS₁相距N-1倍单位偏移距离Δ，而逐渐递增至另一端与基准面RS₁相距N倍单位偏移距离Δ。

譬如，第四(即N等于4)个长条状反射镜364的两端是分别以第三个支撑组件367与第四个支撑组件368予以支撑固定，使第四个反射表面364a与基准面RS₁间的距离，是自其一端与基准面RS₁相距三倍单位偏移距离Δ(即3Δ)，而逐渐递增至另一端与基准面RS₁相距四倍单位偏移距离Δ(即4Δ)。

由以上参考反射组件36中的四个反射表面361a、362a、363a与364a间的相对位置可知，临界参考距离t₁可介于(t₁₀-4Δ)与t₁₀之间，亦即临界参考光程Pt₁可介于(2t₁₀-8Δ)与2t₁₀之间。

其中，当临界参考光程Pt₁介于(2t₁₀-2Δ)与2t₁₀之间时，表示参考光束TL₁是沿参考方向V₁而射向参考反射组件36中的第一个反射表面361a。当临界参考光程Pt₁介于(2t₁₀-4Δ)与(2t₁₀-2Δ)之间时，表示参考光束TL₁是沿参考方向V₁而射向参考反射组件36中的第二个反射表面362a。当临界参考光程Pt₁介于(2t₁₀-6Δ)与(2t₁₀-4Δ)之间时，表示参考光束TL₁是沿参考方向V₁而射向参考反射组件36中的第三个反射表面363a。当临界参考光程Pt₁介于(2t₁₀-8Δ)与(2t₁₀-6Δ)之间时，表示参考光束TL₁是沿参考方向V₁而射向参考反射组件36中的第四个反射表面364a。

接着，自待测位置对象2所反射的量测光束RL₁与自参考反射组件36所反射的参考光束TL₁是在平面分光镜35的分光点SP₁的邻近位置处开始产生干涉，并依据量测光程Pr₁与上述复数个参考光程间的差距所分别形成的复数个不同的光程差，而沿一干涉输出方向VI₁射出至少一干涉光束IFL₁。

干涉光束IFL₁会经过第四聚焦透镜334与第五聚焦透镜335的聚焦后，被线CCD 371所感测。其中，在行进临界参考光程Pt₁的参考光束TL₁与行进量测光程Pr₁的量测光束RL₁产生该干涉光束IFL₁时，会产生一干涉波包IFC(标示于图5)，运算处理单元372可依据线CCD 371所侦测感应干涉波包IFC的所在位置而计算该待测位置对象2所处的绝对距离位置。

以下，进一步揭露本发明如何依据线CCD 371所侦测感应该干涉波包IFC的所在位置而计算该绝对距离位置。如图5所示，光学感应模块37是依据与上述复数个不同的参考光程而建置有一组二维转换坐标373，二维转换坐标373是由一X方向仿真横坐标X_m与一Z方向仿真纵坐标Z_m。X方向仿真横坐标X_m上的一单位长度ux₀对应于上述四个反射表面361a、362a、363a与364a中，任意一者的宽度。Z方向仿真纵坐标Z_m上的一单位长度uz₀表示上述四个反射表面361a、362a、363a与364a在图3至图4中Z方向的单位解析等分。

在本实施例中，有四个反射表面361a、362a、363a与364a，故分别对应地以四个仿真区间m₀～m₃来表示。同时在Z方向的解析等分为五，故以分别对应地以四个解析区间n₀～n₄表示。因此二维转换坐标373被仿真区间m₀～m₃以及解析区间n₀～n₄分割为二十个分割区间，且每个分割区间分别代表不同的参考光程的实际解析值。

在仿真区间m₀中，表示参考光程是自纵坐标为零处的(2t₁₀-2Δ)，逐渐线性递增至2t₁₀。在仿真区间m₁中，表示参考光程是自纵坐标为零处的(2t₁₀-2Δ)，逐渐线性递减至(2t₁₀-4Δ)。在仿真区间m₂中，表示参考光程是自纵坐标为零处的(2t₁₀-6Δ)，逐渐线性递增至(2t₁₀-4Δ)。在仿真区间m3中，表示参考光程是自纵坐标为零处的(2t₁₀-6Δ)，逐渐线性递减至(2t₁₀-8Δ)，其中，最大参考距离t₁₀与单位偏移距离Δ皆在建构感测装置3时已预先知其数值，故皆为已知的定值。

在图5中，干涉波包IFC出现在仿真区间m₂与解析区间n₃所对应的分割区间。表示临界参考光程Pt₁介于2t₁₀-6Δ+(3/5)(2Δ)与2t₁₀-6Δ+(4/5)(2Δ)之间，也就是Pt₁介于(2t₁₀-4.8Δ)与(2t₁₀-4.4Δ)之间。在实务运用时，可取中间值作为代表值，故在本实施例中，临界参考光程Pt₁即等于(2t₁₀-4.6Δ)。换以言之，测量光程Pr₁也就是等于(2t₁₀-4.6Δ)，亦即量测距离r₁等于(t₁₀-2.3Δ)。

在实务运用层面上，由于光轴距离a₁可通过在组装感测装置3时预先设定，或在进行上述量测前的利用自我标准化校而得知其值，故可利用量测距离r₁减去光轴距离a₁而得知垂直距离d₁，以此确认待测位置对象2的绝对距离位置。同时，上述的二维转换坐标373通常是建置在371线CCD 371中，以此直接感测出干涉波包IFC所在的对应位置。

举凡在所属技术领域具有通常知识者皆能理解，感测装置3亦可只用于量测待测位置对象2表面与分光点SP₁的距离即可，亦即以量测距离r₁定义上述的待测位置对象2所在的绝对距离位置。此时，可直接以量测距离r₁等于(t₁₀-2.3Δ)来表示待测位置对象2所在的绝对距离位置而不必进行光轴距离a₁的设定或自我标准化校正。

举凡在所属技术领域具有通常知识者亦可轻易理解，在实际进行待测位置对象2表面与感测装置3间的距离量测时，会以快速扫描的方式感测待测位置对象2表面上的多个点，亦即使感测装置3沿扫瞄方向I₁快速移动，利用上述方式快速地对待测位置对象2表面上的多个待测点进行感测，然后再将多个待测点所感测的距离位置予以平均而得到一平均值与一最大变异值(或标准差)，并利用该平均值与该最大变异值(或标准差)来代表行待测位置对象2的绝对距离位置。

在阅读以上叙述之后，举凡在所属技术领域具有通常知识者更能轻易理解，若将每一个反射表面皆分割为2048个解析区间(亦即2048个扫描解析像素)，两端分别删除24个受到外界干扰较大的解析区间，在实际上，每一个反射表面则可分割为2000个解析区间。一般而言，每个解析区间可解析至80nm的纳米等级分辨率，通过线CCD所取得的影像进行波包演算，可将零光程差位置精确至次像素，使分辨率达到纳米等级，则每一个反射表面所能量测的光程范围可达到160μm(即2Δ等于160μm)，亦即上述量测距离的实际量测范围达80μm。

当然，反射表面的数量亦可从本实施例中所使用的四个而大幅提升至一百个，甚至是一千个，并且依照上述倾斜交错渐层并排的方式加以配置，以此将量测范围可分别大幅增加至0.8mm与8mm。如此一来，感测装置3能以纳米等级高分辨率与0.8mm(甚至是8mm)的大量测范围来量测上述的绝对距离位置。

此外，上述的待测位置对象2应具备较佳的反射性，才能获得较佳的反射效果。因此，建议上述的待测位置对象2是以采用具备光滑表面的一光学平板为宜。

请参阅图6至图8，图6是显示本发明第二实施例的组件配置示意图与距离位置感测技术，图7是显示本发明第二实施例中的参考反射组件配置关系示意图，图8是显示本发明第二实施例中的参考反射组件的立体外观示意图。如图所示，一光学式距离位置感测装置(以下简称感测装置)4亦用以量测上述待测位置对象2的绝对位置距离，亦即量测该待测位置对象2表面与感测装置4间的距离。

感测装置4包含有一壳体41、一多频混合光源42(在本实施中特别指一多频混合白光光源)、一透镜组件43、一光圈44、一分光组件(在本实施例中是一平面分光镜45)、一参考反射组件46与一光学感应模块47。透镜组件43包含有一第六聚焦透镜431、一第七聚焦透镜432、一第八聚焦透镜433、一第九聚焦透镜434与一第十聚焦透镜435。光圈44具备有一穿孔441。

参考反射组件46具备一基准面RS2与第三数量(P)个长条状反射镜，各长条状反射镜分别具备有一反射表面，故共有P个反射表面，同时，P个长条状反射镜是以P个支撑组件予以支撑固定。在本实施例中，P等于4，亦即参考反射组件46包含四个倾斜交错渐层并排的长条状反射镜461、462、463与464，且四个长条状反射镜461、462、463与464分别对应地具有四个倾斜交错渐层并排的反射表面461a、462a、463a与464a。同时，四个长条状反射镜461、462、463与464是以四个支撑组件465、466、467与468予以支撑固定。光学感应模块47包含一线CCD 471与一运算处理单元472。

在进行待测位置对象2所处的一绝对位置距离的量测时，可使感测装置4相对于该待测位置对象2而沿一扫瞄方向I₂进行扫瞄移动(可移动感测装置4或待测位置对象2)，在扫描过程中，在一垂直方向II₂会因机械性震动而使感测装置4与待测位置对象2表面间的距离产生微小的变异量。当其扫瞄至一待测位置对象2表面上的一待测点P₂时，感测装置4与待测点P₂间相距一垂直距离d₂。

同时，多频混合光源42所发出的光线会经过第六聚焦透镜431的聚焦成平行光束，并经过第七聚焦透镜432的聚焦而穿透光圈44的穿孔441，最后再经过第八聚焦透镜433而聚焦成沿一垂直方向III₂射出一入射光束IL₂。入射光束IL₂会射向平面分光镜45的一分光点SP₂，并经过平面分光镜45的分光后，反射出一参考光束RL₂与穿透射出一量测光束TL₂。在入射光束IL₂射入平面分光45时，分光点SP₂与待测点P₂相距一量测距离t₂，与参考反射组件46的基准面RS₂相距一最大参考距离r₂₀，并与壳体41的底面相距一光轴距离a₂。

量测光束TL₂会沿一量测方向V₂射向待测点P₂，再沿量测方向V₂的相反方向反射回分光点SP₂的邻近位置而行进一测量光程Pt₂(等于2t₂)。参考光束RL₂会沿一参考方向IV₂射向参考反射组件46中的四个反射表面461a、462a、463a与464a，并沿参考方向IV₂的相反方向反射回分光点SP₂的邻近位置而行进复数个不同的参考光程，并且与测量光程Pt₂之间分别差距复数个不同的光程差。

在复数个不同的参考光程中，与测量光程Pt₂相等者，定义为一临界(critical)参考光程Pr₂。同时，在上述复数个不同的光程差中，临界参考光程Pr₂与测量光程Pt₂间的差距为零者，可定义为一零光程差。在参考光束RL₂行进临界参考光程Pr₂时，分光点SP₂与参考光束RL₂射入参考反射组件46处相距一临界参考距离r₂，亦即临界参考距离r₂等于1/2倍的临界参考光程Pr₂。

在本实施例中，上述的基准面RS₂是与该参考方向IV₂相互垂直，参考反射组件46中第一个长条状反射镜461的一端是以支撑组件465予以支撑固定，第一个反射表面461a与基准面RS₂间的距离，是自其一端与基准面RS₂相切齐，而逐渐递增至另一端与基准面RS₂相距上述的单位偏移距离Δ。

在上述四个长条状反射镜461中，第四数量(Q，在本实施例中Q介于2与4之间，且包含2与4)个长条状反射镜的两端分别以第Q-1个与第Q个支撑组件予以支撑固定，使第Q个反射表面与基准面RS2间的距离，是自其一端与基准面RS₂相距Q-1倍单位偏移距离Δ，而逐渐递增至另一端与基准面RS₂相距Q倍单位偏移距离Δ。

譬如，第四(即Q等于4)个长条状反射镜464的两端是分别以第三个支撑组件467与第四个支撑组件468予以支撑固定，使第四个反射表面464a与基准面RS₂间的距离，是自其一端与基准面RS₂相距三倍单位偏移距离Δ(即3Δ)，而逐渐递增至另一端与基准面RS₂相距四倍单位偏移距离Δ(即4Δ)。

由以上参考反射组件46中的四个反射表面461a、462a、463a与464a间的相对位置可知，临界参考距离r₂可介于(r₂₀-4Δ)与r₂₀之间，亦即临界参考光程Pr₂可介于(2r₂₀-8Δ)与2r₂₀之间。

其中，当临界参考光程Pr₂介于(2r₂₀-2Δ)与2r₂₀之间时，表示参考光束RL₂是沿参考方向IV₂而射向参考反射组件46中的第一个反射表面461a。当临界参考光程Pr₂介于(2r₂₀-4Δ)与(2r₂₀-2Δ)之间时，表示参考光束RL₂是沿参考方向IV₂而射向参考反射组件36中的第二个反射表面362a。当临界参考光程Pr₂介于(2r₂₀-6Δ)与(2r₂₀-4Δ)之间时，表示参考光束RL₂是沿参考方向IV₂而射向参考反射组件46中的第三个反射表面463a。当临界参考光程Pr₂介于(2r₂₀-8Δ)与(2r₂₀-6Δ)之间时，表示参考光束RL₂是沿参考方向IV₂而射向参考反射组件46中的第四个反射表面464a。

接着，自待测位置对象2所反射的量测光束TL₂与自参考反射组件46所反射的参考光束RL₂是在平面分光镜45的分光点SP₂的邻近位置处开始产生干涉，并依据量测光程Pt₂与上述复数个参考光程间的差距所分别形成的复数个不同的光程差，而沿一干涉输出方向VI₂射出至少一干涉光束IFL₂。

干涉光束IFL₂会经过第九聚焦透镜434与第十聚焦透镜435的聚焦后，被线CCD 471所感测。其中，在行进临界参考光程Pr₂的反射光束RL₂与行进量测光程Pt₂的穿透光束TL₂产生干涉光束IFL₂时，会产生类似于图5所示的一干涉波包，该运算处理单元472可依据线CCD 471所侦测感应干涉波包的所在位置而计算该待测位置对象2所处的绝对距离位置。

同样地，在本实施例中，亦可进一步利用第一实施例中所揭露的二维转换坐标、仿真区间、解析区间与分割区间等解析技术手段来判定上述干涉波包所在的位置，据以计算出该绝对距离位置，在此不再予以赘述。同时，所欲量测的绝对距离位置亦可利用上述的垂直距离d₂或量测距离t₂来表示。此外，上述的待测位置对象2应具备较佳的反射性，才能获得较佳的反射效果。因此，建议上述的待测位置对象2亦以采用具备光滑表面的一光学平板为宜。

综合以上所述，本发明所提供的光学式距离位置感测装置3与4，是利用感测多频混合光源32与42(特别是多频混合白光光源)所发出的光束在干涉时可产生明显而容易辨识的干涉波包IFC的特性，进而利用干涉波包IFC的位置来计算出待测位置对象2的绝对距离位置。由于干涉波包IFC的位置远较公知技术中的每个单一干涉条纹更为明显而易于观察，也无须计算干涉条纹的数量，因此可同时解决上述的量测结果容易失真，不易解析，容易造成误判，以及必须增加制作成本等问题。

此外，由于本发明的二维转换坐标373是依据上述的参考光程而建立，具备有极高精准度与稳定性，因此只需在初次使用时进行一次初始化校正，即可连续使用很多次而仍旧能保持合乎纳米等级要求的高精准度，而不必在每次进行量测之前都进行公知技术中对参考距离t₀的自我标准化校正，以此提升操作上的便利性。同时，由于上述的复数个反射表面可进一步利用上述的倾斜交错渐层并排的方式来加以配置，因此可有效增加光学感测的量测范围大幅提升至0.8mm，甚至是8mm，因此可大幅提升光学式距离位置感测装置3与4的应用领域。

通过上述的本发明实施例可知，本发明确具产业上的利用价值。以上说明仅为本发明的较佳实施例，凡所属技术领域中具有通常知识者可依据本发明的上述实施例说明而作其它种种的改进及变化。然而这些依据本发明实施例所作的种种改进及变化，当仍属于本发明的发明精神及界定的专利范围内。

Claims

1.一种光学式距离位置感测装置，用以感测一待测位置对象与该感测装置间的一绝对距离位置，其特征在于，该感测装置包括：

一多频混合光源，提供一由多个频段光波所混合组成的入射光束；

一分光组件，用以将该入射光束分光为一量测光束与一沿一参考方向行进的参考光束，且该量测光束沿一量测方向射向该待测位置对象，再由该待测位置对象反射回该分光组件而行进一量测光程；

一参考反射组件，位于该参考方向上，并且包含M个反射表面，以使该参考光束分别自M个反射表面的不同位置反射回该分光组件而行进复数个不同的参考光程，其中，该参考反射组件还包含有一与该参考方向垂直的基准面，上述的M个反射表面位于该基准面与该分光组件之间，且在上述M个反射表面中的第一个反射表面与该基准面间的距离，是自其一端与该基准面相切齐，而逐渐递增至另一端与该基准面相距一单位偏移距离，自该待测位置对象所反射的该量测光束与自该参考反射组件所反射的该参考光束是在该分光组件处开始产生干涉，并依据该量测光程与上述复数个参考光程间的差距所分别形成的复数个不同的光程差而射出至少一干涉光束；以及

一光学感应模块，用以感应该干涉光束，并依据该光程差而计算出该绝对距离位置。

2.如权利要求1所述的光学式距离位置感测装置，其特征在于：该多频混合光源是一多频混合白光光源。

3.如权利要求1所述的光学式距离位置感测装置，其特征在于：该分光组件是一平面分光镜。

4.如权利要求1所述的光学式距离位置感测装置，其特征在于：在上述M个反射表面中的第N个反射表面与该基准面间的距离，是自其一端与该基准面相距N-1倍的该单位偏移距离，而逐渐递增至另一端与该基准面相距N倍的该单位偏移距离。

5.如权利要求4所述的光学式距离位置感测装置，其特征在于：上述M个反射表面是利用M个支撑组件分别予以支撑固定，以此将各反射表面与该基准面间的距离调整成符合如以上所述第N个反射表面与该基准面间的距离。

6.如权利要求1所述的光学式距离位置感测装置，其特征在于：该待测位置对象是一光学平板。

7.如权利要求1所述的光学式距离位置感测装置，其特征在于：该光学感应模块包含有一线电荷耦合器，以此感应该干涉光束。

8.如权利要求7所述的光学式距离位置感测装置，其特征在于：该光学感应模块还包含有一运算处理单元，在上述复数个不同的参考光程中，与该量测光程间相等者定义为一临界参考光程，在行进该临界参考光程的该参考光束与行进该量测光程的量测光束产生该干涉光束时，会产生一干涉波包，该运算处理单元是依据该线电荷耦合器所侦测感应的该干涉波包所在位置而计算该绝对距离位置。

9.如权利要求8所述的光学式距离位置感测装置，其特征在于：该光学感应模块建置有一组二维转换坐标，以此定义该干涉波包的所在位置，进而计算该绝对距离位置。