CN104792268A - 光学测量系统及以此系统测量角度及转速的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学测量系统，及一种用于测量线性位移、俯仰角度、摇摆角度、滚动角度与马达转速的测量方法。本发明主要采用三种光学测量机制所构成，第一是激光自混频干涉技术，用于线性位移的测量；第二是光学自动视准仪原理，用于俯仰及摇摆角度的测量；第三则是偏极化光学原理，用于滚动角度与马达转速的测量。本发明的光学测量系统可直接由一般市面随手可得的DVD光驱中的光学读取头(OPU)构成，也可完全不必修改即可使用。

Description

光学测量系统及以此系统测量角度及转速的方法

技术领域

本发明涉及一种光学测量系统及光学测量方法，特别是一种用于测量线性位移、俯仰角度、摇摆角度、滚动角度与马达转速的光学测量系统及光学测量方法。

背景技术

随精密机械业的迅速发展，所有半导体工艺与测量技术皆已推广至微米甚至纳米等级，产业界常用的高阶测量仪器如：自动视准仪、激光干涉仪、电容式位移计、光学尺等等皆能提供精密的定性及定量需求。为达精密机械的机台多任务化运用与使用者操作便利性等需求，故精密机械设备大多是由单轴以上元件或平台所组合而成以达到多自由度运动，但该设备中各轴运动元件的特性与误差皆会有加成效果，并严重影响其加工质量与精细度。针对产业界的需求而言，不论是机台空载时的误差测量或调校、精密元件的组装或加工件的精密定位、控制与补偿等都需要至少六个自由度的测量信息。故对于多自由度的定性及定量检测，需具有更高规格的检测技术，例如能同时检测多个自由度并缩小测量仪器的体积、增加使用便利性及扩充性。

以激光干涉仪为例，即使其可利用同一激光头装置来测量多轴自由度，但大多数并非具有同时检测的功能，且因体积庞大而无法装设于精密机械的有限的空间中。同样的，虽然自动视准仪可同时得到两个旋转轴的角位移信息，然其缺乏线性位移测量信息。激光干涉仪与自动视准仪的价格高昂，且仅能作为机台空载时的误差测量或调校依据。使用上最为广泛的光学尺，其虽可做为误差检测或回授的实时测量仪器，但仅能提供平面位移信号，且在架设上仍有诸多限制。

发明内容

本发明主要目的在于提供一个具有四个自由度的光学测量系统，可同时测量得单一线性轴的线性位移，与三个角位移量俯仰度、摇摆度以及滚动度，以克服前述高阶仪器的使用极限与不便利处。本发明可由一市售光学读取头改装而得，故其能拥有较小的尺寸，有利于装设在所有精密机械系统中作为定位与误差测量及回授的装置。

因此，本发明提供一种光学测量系统，其包含：激光二极管、反射元件、准直透镜、分光元件、光检测元件与目标反射镜；其中，该激光二极管包含功率监测装置；第一光线自该激光二极管发出，循光路通过该分光元件、该准直透镜，经该反射元件反射后，通往该目标反射镜而被反射成为第二光线，该第二光线反序沿着该光路返回该分光元件而被导往该功率监测装置与光检测元件，以进行测量分析。

同时，本发明也提供以此系统测量线性位移、转动角度、滚动角度与马达转速的方法。

附图说明

图1a为本发明的光学测量系统，及用以测量线性位移的测量方法的示意图；

图1b为本发明的光学测量系统用以测量微小待测物的线性位移的测量方法的示意图；

图1c为本发明的目标反射镜朝+X方向移动时，功率监测装置的信号；

图1d为本发明的目标反射镜朝-X方向移动时，功率监测装置的信号；

图2a为本发明的光学测量系统用以测量俯仰角度的测量方法的示意图；

图2b为本发明的俯仰角度的测量方法，其光点位置变化的示意图；

图3a为本发明的光学测量系统用以测量摇摆角度的测量方法的示意图；

图3b为本发明的摇摆角度的测量方法，其光点位置变化的示意图；

图4a为本发明的光学测量系统用以测量滚动角度的测量方法的示意图；

图4b、4c为本发明的滚动角度的测量方法，其光点能量强度变化的示意图。

具体实施方式

本发明主要是由三种光学测量机制所构成，第一是激光自混频干涉技术，用于线性位移的测量；第二是光学自动视准仪原理，用于俯仰及摇摆角度的测量；第三则是偏极化光学原理，用于滚动角度的测量。激光自混频干涉技术是通过激光激发的光线投射至目标物后，返回该激光的共振腔内，并使该激光产生光学调制干涉现象，此干涉信号可用于检测目标物在空间中的相对位移量。光学自动视准仪原理是利用准直透镜对于不同角度入射的平行光，均会在同一聚焦平面上但会产生带有反射目标物转动角度的光学特性。至于偏极化光学原理则是利用两偏极化元件间夹角改变，以产生不同的透光度，通过光能量强度变化推知实际的滚动角度。这三种技术皆是光学检测技术中最为高阶且最为精准的测量技术，故这些技术与取得容易的光学读取头结合将可具有高读可靠性、体积微小化、高经济效益、高准确度、系统简单以及操作便利等优势，故具有商品化的潜力，并可供产业界所使用以取代机台内部所安装的光学尺。因本系统除原先光学尺可检测的线性位移信号外，更将功能扩充至四个自由度，不管是线性位移信号回馈或是角度误差信号补偿，皆可由本发明的系统测得，且拥有较佳的解析能力(线性位移约1nm，角度则为1sec)。另一方面，该系统的高解析能力与高可靠度也可作为机台误差检测的验证与校正仪器，得以取代较为昂贵的激光干涉仪与自动视准仪、电子水平仪等。

本发明提供一个具有四个自由度(线性移动、俯仰、摇摆及滚动)的光学测量系统，其中该系统可容易地由使用者自行组装，或以使用DVD光驱的光学读取头进行测量。此外，本发明也可用以监测马达的转速信息。其具体实施方式如下。

请参考图1a，本发明的光学测量系统，其主要包含激光二极管2、反射元件3、准直透镜4、分光元件5与目标反射镜7；该激光二极管2可进一步包含功率监测装置21。其中第一光线L1自该激光二极管2发出，循光路通过该分光元件5、该准直透镜4，经该反射元件3反射后，通往该目标反射镜7而被反射成为第二光线L2，该第二光线L2反序沿着该光路返回该分光元件5而被导往该激光二极管2上的该功率监测装置21，以供检测与分析。

本发明的测量原理为：测量时，该激光二极管2发出的第一光线L1为发散的测量光源，通过该准直透镜4校准为准直光，再由反射元件3将光线导往待测量位移值的待测物上的目标反射镜7(或者以待测物本身作为目标反射镜7)；当待测物移动时，目标反射镜7也随之将此带有位移信息的信号光，沿原光路反射回激光二极管2的共振腔内，此时光线L2使该激光二极管2产生光学调制干涉现象，即自混频干涉现象，该现象在目标反射镜7每移动半波长的距离即发生极值信号，再通过激光二极管2的功率监测装置21来获得混频信号，而该信号可利用微电流放大电路以及细分割技术换算出位移信息。前述本发明的光学测量系统中主要由激光二极管、反射元件、准直透镜、分光元件、光检测元件等构成，与市售的光学读取头的构成相同，故可以以市售光学读取头来置换，例如：市售的光驱的光学读取头。

本发明所提供的线性位移的测量方法，其使用如前述的光学测量系统(如图1a所示)，而以下列步骤进行：(a)该第一光线L1及该第二光线L2在该激光二极管2内部产生自混频干涉信号，而该信号由该功率监测装置21所读取，其中该信号在该目标反射镜7沿X轴方向移动该第一光线L1及该第二光线L2的半波长距离的整数倍时，皆会产生一个极大值(其中该目标反射镜朝+X方向移动时，该信号的波形如图1c所示；该目标反射镜朝-X方向移动时，该信号的波形如图1d所示)，分析仪器为示波器或信号撷取卡(data acquisition cards)；(b)解析该信号的波形，反向推算该目标反射镜7的线性位移信息。

本系统也可针对微小待测物的线性位移进行测量，仅需如图1b所示，在该反射元件3及该目标反射镜7之间加装光学聚焦物镜8，使该第一光线L1得以聚焦于微小待测物或微小的目标反射镜7的表面。

请参考图2a，使用如前述的光学测量系统，该光学测量系统进一步包含光检测元件6，可进行俯仰(摇摆)角度的测量。当该目标反射镜7以Y轴为轴心旋转(俯仰)一角度时，其所反射的该第二光线L2在该光检测元件6所投射的位置，将从最初的光点位置61移动一距离至另一光点位置62(如图2b所示)。因该距离与该目标反射镜7以Y轴为轴心旋转的该角度有关，通过所选用的光检测元件6对于目标反射镜7俯仰角度与光点位置的已知对应关系图或对应的数值，搭配适当的电路设计与软件，可达到1sec的角度解析能力。

因此，使用本发明的光学测量系统进行俯仰角度测量系采用下列步骤：(a)侦测目标反射镜7处于第一角度时，其所反射的该第二光线L2在该光检测元件6所产生的第一光点的位置61；(b)侦测目标反射镜7处于第二角度时，其所反射的该第二光线L2在该光检测元件6所产生的第二光点的位置62；(c)通过解析该第一光点与第二光点的位置差以反推该目标反射镜7的沿Y轴俯仰角度信息。

前述是关于以本发明的光学测量系统进行Y轴俯仰角度测量，以下则以本发明的光学测量系统进行Z轴摇摆角度测量。请参考图3a，当该目标反射镜7以Z轴为轴心旋转(摇摆)一角度时，其所反射的该第二光线L2在该光检测元件6所投射的位置，将从最初的第一光点位置61'移动一距离至第二光点位置62'(如图3b所示)，且该距离与该目标反射镜7以Z轴为轴心旋转的该角度有关。因此本发明的摇摆角度测量的方法采用下列步骤：(a)侦测目标反射镜7处于第一角度时，其所反射的该第二光线L2在该光检测元件6所产生的第一光点的位置61'；(b)侦测目标反射镜7处于第二角度时，其所反射的该第二光线L2在该光检测元件6所产生的第二光点的位置62'；(c)通过解析该第一光点61'与第二光点62'的位置差反推该目标反射镜7的绕Z轴摇摆角度信息。本系统可直接利用光学读取头内部的PDIC作为光检测元件6，进行俯仰与摇摆角度的二维角度测量。

本发明的光学测量系统除可进行线性位移、俯仰角度及摇摆角度的测量外，也包含一种滚动角度的测量方法。然而，该滚动角度测量方法另需要固定于该目标反射镜7上的偏极化元件91，及位于该反射元件3及该目标反射镜7之间的偏极化元件92。请参考图4a，当该目标反射镜7以X轴为轴心旋转(滚动)一角度时，造成该偏极化元件91与该偏极化元件92之间的夹角改变，进而使该目标反射镜7所反射的该第二光线L2投射在该光检测元件6的光点，自最初的能量强度61″变化至另一能量强度62″(如图4b所示)；此能量强度变化量与该目标反射镜7以X轴为轴心旋转的该角度有关。因此，该目标反射镜7的绕X轴旋转的滚动角度的测量，可采用下列步骤：(a)侦测目标反射镜7处于第一角度时，其所反射的该第二光线L2在该光检测元件6所产生的第一光点的第一能量强度61″；(b)侦测目标反射镜7处于第二角度时，其所反射的该第二光线L2在该光检测元件6所产生的第二光点的第二能量强度62″；(c)通过解析该光点能量强度的变化反推该目标反射镜7的绕X轴滚动角度信息。

此外，由于该目标反射镜7的滚动由马达(未标在附图中)所带动，本发明也提供使用如前述的光学测量系统(以图4a为例)，以进行马达转速测量的方法；目标反射镜7由马达的转子或转轴所带动，该测量方法包含下列步骤：(a)侦测目标反射镜7在马达的转子或转轴的各旋转角度时，其所反射的该第二光线L2在该光检测元件6所产生的光点能量强度；(b)通过解析该光点能量强度的变化周期反推该马达的转速信息。

上述实施例仅例示本发明较佳的实施方式，并非用以限制本发明。本领域的普通技术人员可参考上述实施例而轻易推及其它实施方式。本案的申请专利范围应以权利要求书所载为准。

Claims (13)

1.一种光学测量系统，其包含：

激光二极管、反射元件、准直透镜、分光元件、目标反射镜；

其中，所述激光二极管包含功率监测装置；

第一光线自所述激光二极管发出，循光路通过所述分光元件、所述准直透镜，经所述反射元件反射后，通往所述目标反射镜而被反射成为第二光线，所述第二光线反序沿着所述光路返回所述分光元件而被导往所述功率监测装置，以进行测量分析。

2.如权利要求第1项所述的光学测量系统，其进一步包含光检测元件。

3.如权利要求第2项所述的光学测量系统，其中更进一步包含光学聚焦物镜，且所述聚焦物镜位于所述反射元件及所述目标反射镜之间。

4.如权利要求第2项所述的光学测量系统，其所含的所述激光二极管、所述反射元件、所述准直透镜、所述分光元件、所述光检测元件、所述激光二极管所包含的功率监测装置及所形成的光路，可直接以光学读取头置换。

5.如权利要求第4项所述的光学测量系统，所述光学读取头使用DVD光驱的光学读取头。

6.如权利要求第1项或第2项所述的光学测量系统，其中更进一步包含两个偏极化元件，一者固定于所述目标反射镜上，而另一者位于所述反射元件及所述目标反射镜之间。

7.一种用以测量对象线性位移的方法，其使用如权利要求第1至5项任一项所述的光学测量系统，其中包含下列步骤：

(a)所述第一光线及第二光线在所述激光二极管产生自混频干涉信号，而所述信号由所述功率监测装置所读取；

(b)通过解析所述信号的波形得到所述目标反射镜的线性位移信息。

8.一种用以测量对象俯仰角度的方法，其使用如权利要求第2至5项任一项所述的光学测量系统，其中包含下列步骤：

(a)侦测目标反射镜处于第一角度时，其所反射的所述第二光线在所述光检测元件所产生的第一光点的位置；

(b)侦测目标反射镜处于第二角度时，其所反射的所述第二光线在所述光检测元件所产生的一第二光点的位置；

(c)通过解析所述第一光点与所述第二光点的位置差以得到所述目标反射镜的俯仰角度信息。

9.一种用以测量摇摆角度的方法，其使用如权利要求第2至5项任一项所述的光学测量系统，其中包含下列步骤：

(a)侦测目标反射镜处于第一角度时，其所反射的所述第二光线在所述光检测元件所产生的第一光点的位置；

(b)侦测目标反射镜处于第二角度时，其所反射的所述第二光线在所述光检测元件所产生的第二光点的位置；

(c)通过解析所述第一光点与所述第二光点的位置变化得到所述目标反射镜的摇摆角度信息。

10.一种用以测量滚动角度的方法，其使用如权利要求第2至5项任一项所述的光学测量系统，其中包含下列步骤：

(a)侦测目标反射镜处于第一角度时，其所反射的所述第二光线在所述光检测元件所产生的第一光点的第一能量强度；

(b)侦测目标反射镜处于第二角度时，其所反射的所述第二光线在所述光检测元件所产生的第二光点的第二能量强度；

(c)通过解析所述第一光点与第二光点的能量强度的变化得到所述目标反射镜的滚动角度信息。

11.一种用以测量滚动角度的方法，其使用如权利要求第6项所述的光学测量系统，其中包含下列步骤：

(a)侦测目标反射镜处于第一角度时，其所反射的所述第二光线在所述光检测元件所产生的第一光点的第一能量强度；

(b)侦测目标反射镜处于第二角度时，其所反射的所述第二光线在所述光检测元件所产生的第二光点的第二能量强度；

(c)通过解析所述第一光点与第二光点的能量强度的变化得到所述目标反射镜的滚动角度信息。

12.一种用以测量马达转速的方法，其使用如权利要求第2至5项任一项所述的光学测量系统，其中所述目标反射镜的滚动由马达的转子或转轴所带动；所述测量方法包含下列步骤：

(a)侦测目标反射镜在马达的转子或转轴的各旋转角度时，其所反射的所述第二光线在所述光检测元件所产生的光点能量强度；

(b)通过解析所述光点能量强度的变化周期得到所述马达的转速信息。

13.一种用以测量马达转速的方法，其使用如权利要求第6项所述的光学测量系统，其中所述目标反射镜的滚动由马达的转子或转轴所带动；所述测量方法包含下列步骤：

(a)侦测目标反射镜在马达的转子或转轴的各旋转角度时，其所反射的所述第二光线在所述光检测元件所产生的光点能量强度；

(b)通过解析所述光点能量强度的变化周期得到所述马达的转速信息。