TW200928301A - Apparatus for measuring displacement by using wavelength-modulated heterodyne grating interferometer - Google Patents

Description

200928301 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明是-齡移制裝置，_係·波長_外差式光源結 合光柵干涉技術之波長調制外差式光柵干涉儀。 【先前技術】 現今全球至少超過3G個國家在奈#領域投人國家型計晝。奈米 〇 技術匯集力學、電學、光學、材料、缸、製造、量測、生醫工程、 W電紐術。隨私術的奈米化發展，對於產品製造、機件對 位的高精確度、高解析度要求也稍地提升，其巾，精密的平面定位 或是面内移動量測技術在半導體產業、光電業、機械加4及生物科 技產業’皆扮演著極重要的角色。 目前研絲紐觀世界的尺度結_及物理献學_性，需要 -個有力駐具來達到觀測奈米結構的目的。最常用的工具是掃描探 〇 針顯微儀(Scanning Probe Micr_pe)。這類儀器設備需要有高精密 度、高解析度與長行程的掃描定位平台來支援，而位移的量測監控被 廣泛地應帛在這齡台上。奈紋位包含驅動、制與回饋等等的技 術而精雄的位移量測在感測技術中是不可或缺的一部分。因此，位 移量測技術可視為支援奈米科技研發的重要關鍵技術。 以下將介紹習知的位移量測技術。圖1係一習知位移量測裝置 之不意圖，由 Chien-ming Wu 在 2〇〇2 發表（參考："Periodic n〇nlinearity suiting from ghost reflections in heterodyne interferometry' Optics 6 200928301

Communications, Volume 215, Issues 1-3, 1 January 2003, Pages 17-23)。-雷射頭19發出一雙頻（/i、Λ)光線19A做為外差光， 經過-分光鏡11分出-束光線19B，再經過一檢偏片18做為參考光 A，另一束光線19C經由極化分光鏡12分出兩束光線觸與观， 光線19D先穿過-四分之一波片13後，再射向一不動式棱鏡i6，另 -束光線19E亦經過-四分之一波片14後，射入一移動式棱鏡15， 兩經過稜鏡的光線再傳遞回極化偏光鏡重合射出光線19F，經過一檢 〇 偏片17干涉後做祕測权，最後將參考光與待測光作分析。 可動式稜鏡16位移時所造成光程差變化，會將相位變化載入干 涉後的待測光19F ’利用參考光19A與待測光19F鎖相處理後，可得 到所載入的相位，經由計算後即可得到可動式稜鏡16的位移資訊。 上述之位移量測裝置，由於其系統架構不共光程，因此位移量測 容易受到環境擾動影響而產生誤差。另外，光源的波長需要校正。以 精密量測I置而言，這些峨的要求都必須被滿足才能摒除波長對位 Q 移的影響。 除了上述對光源做改變的技術外，也有對光路做設計的量測技 術，如專利公開號：_，提出的光柵干涉儀是利用細密反射式 光栅間距作為量測尺規，透過光柵的繞射原理和都卜勒原理作為基 礎，配合相位解調即可量測出光柵的位移◊上述光栅干涉式量測裝 置’在空間上要雜射光干涉，兩_光所受魏的干擾就會是影響 系統穩定的重要因素。 為了改善上述習知技術的缺失，本案發明人加以改良創新。利用 200928301 光源波長調變產生外差光源，配合光栅干涉的技術，研發出一種波長 調制外差光柵式位移量測裝置。 【發明内容】 本發明之主要目的在於提供一種結合波長調制外差光源與光柵干 涉技術之波長調制外差式光栅干涉儀。 Ο 為了實現上述之目的，本發明揭示一種利用雷射波長的可調性， 配合光柵干涉技術發展出來的位移量測裝置。該波長調制外差式光柵 干涉儀包含一波長可調之雷射光源、一將雷射光分光之極化分光鏡、 兩設置於極化分光鏡後的波片、兩設置於波片後的反射鏡，該極化分 光鏡可將經過波片與反射片反射的兩束光線重合產生一外差光源；另 外包含一載台上的光柵、四個光柵繞射光光路後端的反射鏡、一反射 鏡後的極化分光鏡、兩光偵測器、兩設置於偵測器前的檢偏片，該極 〇 圖2係本發明之波長調制外差式光栅干涉儀，該波長調制外差式 干涉儀包含了波長調制外差光模組2〇、光柵干涉儀模組3〇。 參閱圖3 ’波長調制外差光模組2〇由訊號產生器輸出鋸齒波來調 制雷射21產生-含有波長變化的一束雷射光21A，由極化分光鏡以 將之分成兩束偏振態互相垂直的線性偏振光21B、21c，兩束光分別 化分光鏡可將光柵繞射出的光線重疊，最後經過檢偏片產生干涉，再 由光偵測器接收訊號。 【實施方式】 200928301 經過波片23、反射鏡24和波片25、反射鏡26，最後光線於極化分光 鏡22重合產生-外差光源21D。由於2m、2lc兩束光的波長是以鑛 齒波型式變化，且因光程不同，使得重合後的光成為一束具有頻差的 外差光源。 由波長調制外差光模組20產生的外差光源21D導入光柵干涉儀 30，參閱圖4，光線21D射向貼附於物件上的光栅31繞射出+1階繞 射光31A與-1階繞射光31B。光線31A經由反射鏡32與反射鏡33 © 反射後射向極化分光鏡36,另一束光線31B由反射鏡34與反射鏡35 反射，亦導向極化分光鏡36，兩束光線於極化分光鏡重合，並分成兩 束光36A、36B，透過檢偏片37、38後產生干涉，最後由光偵測器 309、310擷取干涉光36A、36B的訊號，爾後將所有擷取的訊號於 PC處理即可得到物件的位移資訊。 物件的振動信息，透過光柵將此信息載入所繞射出來兩束光線 31A、31B的相位中，因此只要將此相位取出來，配合光栅的適期即 〇 可換算出光柵的位移量。 波長調制外差光模組中的兩束光21B、21C，光束21B經由上臂 光程A ’光束21C則走右臂光程L2 ’最後於極化分光鏡22重合後的 外差光21D之電場的Jone’s vector可寫為： V.w仉)、 ^em)h)j (1) 其中為波數’ 2(〇=；1〇+以.士為調變之波長，乂。為中心波 9 200928301 長’ ΔΑ為波長調制振幅，Γ為調制週期，ί為時間。另外，⑴為了方 便計算起見而忽略振幅項。此外差光21D射向光栅31而繞射出+1階 繞射光31Α與-1階繞射光31Β ’當光栅31位移時，+1階繞射光31Α 電場的Jone、vector可寫為： 1 .⑽乙丨+多)、 (2) (3)

Μ)^φ)

J -1階繞射光31Β電場的Jonfs vector可寫成： 〜⑽)W)) Ο

Μ)ι^~φ)

\r J 其中$是光栅31位移時繞射光所引入的相位，其值為： 其中户為光柵的間距，d為光柵的位移。繞射光經由反射鏡反射後於 極化分光鏡36重疊，該極化分光鏡36將繞射光31A分光，使的繞射 光31A的水平偏振光反射，而垂直偏振光穿透；同理，繞射光31B 亦由極化分光鏡36分光，繞射光31B的水平偏振光反射，垂直偏振 光穿透，繞射光31A的水平偏振光與31B的垂直偏振光重疊後經由 檢偏片37產生干涉，其電場形式為： ^ - βΑ^{>)^+Φ\ + ρΑ^Ι^-φ] (5) 同理’繞射光MB的水平偏振光與垂直偏振光重叠後經由偏振片兆 產生干涉，其電場形式為： 2 e ⑹ 由於光強度正比於光電場的平方值，因此該光偵測器309及310之輸 200928301 出訊號如圖5所示’其中曲線61係該光摘測器3〇9之輪出/ 線62則為該光偵測器310之輸出/2，分別為： Λ 〇〇|尽|2 〇c V{l + c〇S[_(i广尽)+ 2多]} h ^ \E2\2 〇c /〇 · {1 + cos ~Ε2)~2φ}} 其中 1(0( A—A) λ0 + ΔΛ · t/T Μ 2π

AL ’而曲(7)(8) 乂。 γΑλ·/·ί = φ〇 Ο ❹ 其中AL=(lrJL2)為波長調制外差光源模組2〇中的光程 /=1/71為調 2ττ 制頻率，為波長調制外差光源模組2〇中的初始相位1為外 差頻率，因此光福測器309之輸出可表示成： /, ochl2 〇c/0.{l + cos[糾一么+2 沴 D 同理光偵測器310可表示為： （9) /2 〇c|£2|2 〇c/〇 -{l + cos^i-^ -2^]} 其中/。為該光福測器309及310之輸出訊號的底限電壓。我們將訊^ 鎖頻與相位解調可以得到： Φ = (~φ0 + 2φ) - (~φ〇 _ 2φ) = 4φ 經過換算得到位移d與相位差的關係為： (11) 簡言之’本發明係糊波長可時變的光源，配合可製造光程差的 襞置產生3有差頻的外差光21D。將此光束射向光栅31，之後利用 光栅31位移於繞射光31Α、31Β引入相位，將兩繞射光干涉，最後利 Η解調的；將^干涉訊號作運算即可得到該光柵3丨之位移 11 200928301 或振動量。 圖6為本發明實施例的實驗結果。本實施例是將光柵置於位移平 台上，並給予500mV的弦波電壓訊號推動位移平台，位移量約為$ 微米。為了區別本系統與電容式位移計量測圖形，我們將本系統圖形 延遲〇. 1秒。實驗結果顯示，本發明可將運動瞬間的微小位移變化量 測出來’因此可作為一個报好的位移監控感測裝置。 综合以上所述，本發明符合發明專利之要件，爰依法提出專利申 喷。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，本發明之範圍不以上 述實施例為限，舉凡熟習本案技藝之人士援依本發明專利之精神所作 之等效修飾或替換，皆應涵蓋於以下申請專利範圍内。 【圖式簡單說明】 圖1係習知外差干涉位移量測裝置之示意圖； 圖2係本發明實施例之波長調制外差式光柵干涉儀； 圖3係本發明之波長調制外差光模組； 圖4係本發明之光柵干涉儀模組； 圖5係本發明波長調制外差式光柵干涉儀之量測結果 圖6係本發明波長調制外差式光栅干涉儀與電容式位移計 • 量測結果之比較 11 分光鏡 【主要元件符號說明】 10 位移量測裝置 12 200928301

12 極化分光鏡 13 四分之一波片 14 四分之一波片 15 不動式三角稜鏡 16 可動式三角棱鏡 17 檢偏片 18 檢偏片 19 雷射頭 19A 光束 19B 光束 19C 光束 19D 光束 19E 光束 19F 光束 20 波長調制外差光源模組 21 波長可調雷射 21A 光束 21B 光束 21C 光束 21D 光束 22 極化分光鏡 23 波片 24 反射鏡 25 波片 26 反射鏡 30 光柵干涉儀 31 光栅 31A 繞射光束 31B 繞射光束 32 反射鏡 33 反射鏡 34 反射鏡 35 反射鏡 36 極化分光鏡 36A 子光束 36B 子光束 37 檢偏片 38 檢偉片 309 光偵測器 310 光偵測器 13

Claims (1)

1. 200928301 十、申請專利範園： !_ 一種波長調制外差式光柵干涉儀，包括·· -波長調制外差光源模組及—光柵干涉儀。 2.如申請專麵第〗項所述之波長調制外差式光柵干涉儀，其中所述 波長調制外差光源模組包括—波長可隨時間變化（調制）的光源及一 組可產生兩束具有光程差光線的裝置。 〇 3.如中請專利顧第1項所述之波長_外差式光柵干涉儀，其中所述 光栅干涉儀包括： -光栅，可使如帽補細第2销述之外差仏射此光拇繞射 出不同階數的繞射光（稱為第一及第二繞射光）； -組反射鏡，可將第-及第二繞射光導向極化偏光鏡，雜化偏光 鏡’設置於繞射光之重合處，可將第一繞射光之水平偏振光與第二繞 射光之垂直偏振光重合成第一制光；而第二繞射光之水平偏振光與 〇 第一繞射光之重直偏振光可在此極化分光鏡重合成第二待測光； 一第一檢偏片，設置於第一待測光之光路上，用以將第一 待測光產生第一干涉光； 一第二檢偏片’設置於第一待測光之光路上，用以將第— 待測光產生第二干涉光； 一第一光偵測器，用以偵測該第一干涉光之強度； 一第二光偵測器’用以偵測該第二干涉光之強度。 4·如申請專利範圍第4項所述之光栅干涉儀，其另包含—訊號處理器， 200928301 光柵之位移或振 可根據該光柵干涉儀中該兩光偵測器之輪出計算該 動量 5.如申請專利個第丨項所述之波長調料差式光柵干涉儀，其中波長 調制外差光源模組及光柵干涉儀，由前而後依序排列，物件的振動由 光柵載入脑城’配合波長_外差辆讀產生科差光源， 最後由光偵測器擷取光訊號，演算出物件的振動訊息。 '