CN1245605C

CN1245605C - 二维位移量的量测装置

Info

Publication number: CN1245605C
Application number: CN 03160230
Authority: CN
Inventors: 高清芬; 张中柱; 林庆芳
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2003-09-28
Filing date: 2003-09-28
Publication date: 2006-03-15
Anticipated expiration: 2023-09-28
Also published as: CN1601223A

Abstract

本发明是有关于一种二维位移量的量测装置，其是包括激光光源、平行化透镜、分光镜组、复数错位共轭光学镜组以及复数干涉光学解相模组，激光光源是提供一激光光源入射平行化透镜，以产生平行化的激光光源，继而入射分光镜组，以分成两道入射光，以供入射二维绕射单元，以产生复数道第一次绕射光以及第一二阶绕射光，该等错位共轭光学镜组用以反射第一次绕射光，以供该等第一次绕射光返回二维绕射单元，以产生复数第二次绕射光，并使得第二次绕射光与第一二阶绕射光错位，该等干涉光学解相模组则将第二次绕射光产生的弦波信号光解相，以供利用该等信号光求出二维移动量。

Description

二维位移量的量测装置

技术领域

本发明是关于一种位移量量测装置，尤指一种二维位移量的量测装置。

背景技术

传统的二维位移量量测模组是由两组正交的一维位移量测模组所组合而成，其中，常见的一维位移量测模组诸如：一维光学尺、磁性尺、电子测头(Linear Variable Differential Transformer，LVDT)、激光干射仪等装置。然而，前述的二维位移量量测模组仅适用于低精度系统，若应用在高精度系统中，则较难达成高精度系统的要求。例如：两轴间的正交精度、干涉仪的分光镜/反射镜和光路之间的垂直度等问题。由于采用正交架构的方式，因此为了符合高精度系统的要求，往往需要高技术能力的使用者来操作，使得增加了人员的教育训练成本和提高人才流动风险。

虽然目前有非常多种方法来改善二维位移量测装置，但在效能上仍有诸多缺失。例如：美国专利案号5,204,524是揭露一种二维位移量测装置，但其解析度及精度因受限于几何光学的限制，使得无法提升至高精度等级。美国专利案号5,424,833亦揭露一种二维位移量测装置，然而，在此装置中，光束经过三次绕射后，使得光源的使用效率不佳，且该系统对于元件的组装和制作品质的要求较高。美国专利案号5,530,543亦揭露一种二维位移量测装置，然而，该装置没有误差自我补偿功能，使得其应用上会有输出信号不易稳定的情形产生。

另，本发明的发明人所提出的共轭光路式二维位移量测方法(请参照中华人民共和国专利申请号CN02100115.4)是用来解决上述该等二维位移量装置的缺点，其是提供一种共轭光路式二维位移量测方法，特别是一种对于光学元件间的装配精度，以及光学元件与绕射光栅间的对位误差，具有高容许差的二维位移量测方法。然而，其二维绕射组件所产生的数道绕射光束中，第一次绕射的二阶绕射光(亦称之为(2，0)阶绕射光)是与第二次绕射光束相当接近，若使用同调长度较常的激光光源，将产生两组弦波干涉信号所组成的包波信号，如图1所示，使得难以单独取出第二次绕射光束干涉。

因此，如何提供一种可避免各阶绕射光的影响，以轻易取出相对于二维绕射组件位移的弦波干涉信号的二维位移量测装置，已成为亟需解决的课题。

发明内容

本发明的主要目的是在提供一种二维位移量的量测装置，以便能轻易得到相对于二维绕射组件位移的弦波干涉信号。

本发明的另一目的是在提供一种二维位移量的量测装置，以便能具有高度容许差、降低生产成本以及提高产品良率。

为达成上述目的，本发明一种二维位移量的量测装置，是用以量测一二维移动量，该量测装置包括：一个二维绕射单元；一激光光源，是用以提供一入射光源；一分光镜组，是用以将该入射光源分光，以产生至少二道入射光，以供该至少二道入射光入射该二维绕射单元，以产生复数道第一次绕射光以及复数道第一次二阶绕射光；复数错位共轭光学镜组，是分别反射该等第一次绕射光，使得该等第一次绕射光返回该二维绕射单元，以产生复数道第二次绕射光，且该等第二次绕射光是与该等第一次二阶绕射光错位；以及复数干涉光学解相模组，是分别接收该等第二次绕射光，以供将每一道第二次绕射光分光为至少二道信号光，以利用该等信号光求出该二维移动量。

其中，每一错位共轭光学镜组是具有一聚焦透镜与一平面反射镜，以供一第一次绕射光入射该聚焦透镜，继而由该平面反射镜反射回该聚焦透镜，以返回该二维绕射单元。

其中，该等第二次绕射光是载有弦波信号，以供透过该等干涉光学解相模组对该等第二次绕射光的弦波信号进行解相，以利用该等信号光求出该二维移动量。

其中，该等错位共轭光学镜组是为具有反射层的渐变折射率镜片。

其中，该等错位共轭光学镜组是为角隅棱镜。

其还包括一平行化透镜单元，该平行化透镜单元是位于该激光光源与该分光镜组之间，以将入射光源整型成平行化的激光光。

其中，该平行化透镜单元是为单一透镜、多透镜组或渐变折射率镜。

其中，每一干涉光学解相模组是具有一第一分光单元以及复数第一偏极片，该等第一偏极片是分别设置于该第一分光单元的分光光路上。

其中，每一干涉光学解相模组是具有复数第二分光单元以及复数第二偏极片，该等第二偏极片是分别设置于该第二分光单元的分光光路上。

其中，该等信号光是用以产生正弦信号与余弦信号。

其中，该入射光源是为线偏振光或圆偏振光。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是现有两组弦波干涉信号的示意图。

图2是本发明一较佳实施例的架构示意图。

图3是本发明一较佳实施例的入射光入射共轭光学镜组的示意图。

图4是本发明一较佳实施例的共轭光学镜组设置波片的示意图。

图5是本发明一较佳实施例的干涉光学解相模组的第一实施示意图。

图6是本发明一较佳实施例的干涉光学解相模组的第二实施示意图。

具体实施方式

有关本发明的实施例，敬请参照图2显示的示意图，其主要由激光光源200、平行化透镜210、分光镜组220、复数个错位共轭光学镜组301，302，303，304、干涉光学解相模组721，722以及二维绕射单元100等主要构件所组成。于本实施例中，该等错位共轭光学镜组301，302，303，304的数量较佳为四个。

上述的激光光源200是用以提供一同调长度的光源，且该光源的强度并能足够地用来干涉，于本实施例中，激光光源200所提供的光源较佳为线偏振光或圆偏振光。平行化透镜210是用以将激光光源200所产生的激光光整型为平行化的激光光401，于本实施例中，平行化透镜210可为单一透镜、多透镜组或渐变折射率镜(GRIN Lens)。分光镜组220则用来接收平行化的激光光401，以产生两道入射光4011，4012，使得两道入射光4011，4012几乎垂直地入射于二维绕射单元100。有关于本实施例侦测二维位移量的说明，将于下述详加解说。

入射光4011在入射二维绕射单元100的后，将产生两道第一次绕射光411，412(其是为一阶绕射光)，入射光4012则在入射二维绕射单元100的后，产生两道第一次一阶绕射光413，414。当激光光源200和二维绕射单元100之间产生二维相对运动时，由于都卜勒效应，因此该等第一次绕射光411，412，413，414将分别载有二维运动位移量的相关相位偏移信号。

因此，透过两个错位共轭光学镜组301，302来分别取出第一次绕射光411，412，亦即，第一次绕射光411入射错位共轭光学镜组301，第一次绕射光412入射共轭光学镜组302。于本实施例中，该等错位共轭光学镜组301，302，303，304较佳为背面镀有反射层的渐变折射率透镜或角隅棱镜，最佳为聚焦透镜与平面反射镜所组成的镜组，下述将对此镜组加以说明。

图3显示入射光4011入射共轭光学镜组301的示意图，有关其说明，敬请一并参照图2显示的示意图，每一共轭光学镜组301是由一聚焦透镜3011(例如：双胶合透镜)与一平面反射镜3012所组成。入射光4011在入射二维绕射单元100后，将会产生第一次绕射光411，412，在此是以第一次绕射光411来加以说明，入射光4011在入射二维绕射单元100后，除了会产生第一次一阶绕射光411的外，尚会产生第一次二阶绕射光((2，0)阶绕射光)501。

因此，调整共轭光学镜组301的位置，使得入射光4011所产生的第一次绕射光411不由共轭光学镜组301的光轴3013入射，而是偏位由其光轴3013上方入射聚焦透镜301，继而经由平面反射镜3012反射而再次进入聚焦透镜3011，以由光轴3013的下方出射一返回光束4101，以供再次入射二维绕射单元100，以产生第二次绕射光421。由于此时入射二维绕射单元100的入射光点1001与第一次入射光点1002产生错位(位置不同)，因此第一次二阶绕射光501与第二次绕射光421产生错位，而不会产生干涉的情形，以轻易得到相对于二维绕射单元100位移的弦波干涉信号。

接下来，请再参照图2，于本实施例中，共轭光学镜组301，302是用来取出X方向光信号，共轭光学镜组303，304是用来取出Y方向光信号。承上所述，平行化的激光光401入射分光镜组220后将产生入射光4011，4012，入射光4011，4012则入射二维绕射单元100，以供入射光4011产生第一次绕射光411，412，入射光4012产生第一次绕射光413，414。第一次绕射光411，412分别入射共轭光学镜组301，302，以由入射共轭光学镜组301，302分别产生返回光束4101，4102，继而返回光束4101，4102入射二维绕射单元100，以产生第二次绕射光421，其中，该第二次绕射光421是由返回光束4101，4102入射二维绕射单元100后所反射的光束合成，以供由该第二次绕射光421来侦测X方向的位移。

第一次绕射光413，414则分别入射共轭光学镜组303，304，以使得该等共轭光学镜组303，304分别产生返回光束4103，4104，继而返回光束4103，4104入射二维绕射单元100，以产生用来侦测Y方向位移的第二次绕射光422。

上述的第二次绕射光421，422则分别入射干涉光学解相模组721，722，以供该等干涉光学解相模组721，722分别在X方向与Y方向产生正弦及余弦信号，以产生干涉条纹，以计算出二维移动量。

当然，在该等共轭光学镜组301，302，303，304亦可设置各种波片，以配合激光光源200所产生的激光光的偏振型态。图4显示共轭光学镜组301，302配合激光光源200而设置波片的示意图，若激光光源200所产生的激光光为左旋圆偏极，则在X方向或Y方向的该等共轭光学镜组301，302的中任一镜组(例如：共轭光学镜组301)增设四分的一波片701，以供第一次绕射光411经过共轭光学镜组30时，亦经过四分的一波片701二次，以改变光的偏振，使得其由左旋圆偏极转为右旋圆偏极。

对于第一次绕射光412而言，由于共轭光学镜组302未增设波片，因此其仍然保持为左旋圆偏极。故，返回光束4101，4102入射二维绕射单元100后，所产生的第二次绕射光421将包含左旋圆偏极光及右旋圆偏极光。

图5显示上述的干涉光学解相模组721的第一实施示意图，有关其说明，敬请一并参照图2。由于二维绕射单元100反射的第二次绕射光421是具有X方向的位移的资讯，干涉光学解相模组721则用来对该第二次绕射光421进行解相处理，以获得与X方向位移资讯的该等弦波信号，以供透过该等弦波信号来求出二维移动量。干涉光学解相模组721是包含分光镜7211以及偏极片731，732，其中，偏极片731，732是分别设置于分光镜7211所分光的光径上，且该等偏极片731，732的光轴夹角为45度，以供第二次绕射光421进入干涉光学解相模组721后，是经由分光镜7211分成两道信号光4211，4212，且该等信号光4211，4212并分别穿透偏极片731，732，以产生X方向的正弦与余弦的信号。上述的干涉光学解相模组722的构造亦与干涉光学解相模组721相同，其是将第二次绕射光422分光，以产生Y方向的正弦与余弦的信号。

图6显示干涉光学解相模组721的第二实施示意图，有关其说明，敬请一并参照图2。其是由分光镜7212，7223，7224以及偏极片733，734，735，736等构件所组成，其中，该等偏极片733，734，735，736的光轴夹角分别为45度。第二次绕射光421进入干涉光学解相模组721后，是经由分光镜7222先分成两道信号光4213，4214，继而再透过分光镜7223将信号光4213再分成两道信号光4215，4216，并透过分光镜7224将信号光4214分成两道信号4217，4218，因此第二次绕射光421进入干涉光学解相模组721后将分成四道信号光4215，4216，4217，4218，且其并将分别穿透该等偏极片733，734，735，736。

由以上的说明可知，本发明是利用共轭光学镜组将第一次二阶绕射光与第二次绕射光分开而不产生干涉，并在两个共轭光学镜组的其中一共轭光学镜组设置波片，以使得第二次绕射光含有两种偏振资讯，并利用干涉光学解相模组将第二次绕射光分成至少二道正弦及余弦信号光，以轻易得到相对于二维绕射组件位移的弦波干涉信号，且具有高度容许差、降低生产成本以及提高产品良率。

上述实施例仅是为了方便说明而举例而已，本发明所主张的权利范围自应以申请专利范围所述为准，而非仅限于上述实施例。

Claims

1.一种二维位移量的量测装置，是用以量测一二维移动量，其特征在于，该量测装置包括：

一个二维绕射单元；

一激光光源，是用以提供一入射光源；

一分光镜组，是用以将该入射光源分光，以产生至少二道入射光，以供该至少二道入射光入射该二维绕射单元，以产生复数道第一次绕射光以及复数道第一次二阶绕射光；

复数错位共轭光学镜组，是分别反射该等第一次绕射光，使得该等第一次绕射光返回该二维绕射单元，以产生复数道第二次绕射光，且该等第二次绕射光是与该等第一次二阶绕射光错位；以及

复数干涉光学解相模组，是分别接收该等第二次绕射光，以供将每一道第二次绕射光分光为至少二道信号光，以利用该等信号光求出该二维移动量。

2.如权利要求1所述的二维位移量的量测装置，其特征在于，其中，每一错位共轭光学镜组是具有一聚焦透镜与一平面反射镜，以供一第一次绕射光入射该聚焦透镜，继而由该平面反射镜反射回该聚焦透镜，以返回该二维绕射单元。

3.如权利要求1所述的二维位移量的量测装置，其特征在于，其中，该等第二次绕射光是载有弦波信号，以供透过该等干涉光学解相模组对该等第二次绕射光的弦波信号进行解相，以利用该等信号光求出该二维移动量。

4.如权利要求1所述的二维位移量的量测装置，其特征在于，其中，该等错位共轭光学镜组是为具有反射层的渐变折射率镜片。

5.如权利要求1所述的二维位移量的量测装置，其特征在于，其中，该等错位共轭光学镜组是为角隅棱镜。

6.如权利要求1所述的二维位移量的量测装置，其特征在于，其还包括一平行化透镜单元，该平行化透镜单元是位于该激光光源与该分光镜组之间，以将入射光源整型成平行化的激光光。

7.如权利要求5所述的二维位移量的量测装置，其特征在于，其中，该平行化透镜单元是为单一透镜、多透镜组或渐变折射率镜。

8.如权利要求1所述的二维位移量的量测装置，其特征在于，其中，每一干涉光学解相模组是具有一第一分光单元以及复数第一偏极片，该等第一偏极片是分别设置于该第一分光单元的分光光路上。

9.如权利要求1所述的二维位移量的量测装置，其特征在于，其中，每一干涉光学解相模组是具有复数第二分光单元以及复数第二偏极片，该等第二偏极片是分别设置于该第二分光单元的分光光路上。

10.如权利要求1所述的二维位移量的量测装置，其特征在于，其中，该等信号光是用以产生正弦信号与余弦信号。

11.如权利要求1所述的二维位移量的量测装置，其特征在于，

其中，该入射光源是为线偏振光或圆偏振光。