TW201321719A - 長度量測裝置 - Google Patents

Abstract

一種長度量測裝置，係採用雙波長合成的Fabry-Perot干涉儀結合兩個線陣列檢測器的架構，以量測待測物的長度，可提升Fabry-Perot干涉儀的精密量測能力，並採用溫度控制器確保雷射波長的穩定性，利用準直器將雷射光束擴束，成為良好的平行光後再進行量測的作業，結合大/小兩種波長的測量結果，可得到大距離且高精度的量測。

Description

長度量測裝置

本發明係有關長度量測裝置，尤其是利用Fabry-Perot(法布立-培若)干涉儀原理結合線陣列檢測器的長度量測裝置。

1897年由C. Fabry及A. Perot兩人發明了多光束干涉儀，也就是現今的Fabry-Perot干涉儀。由於Fabry-Perot干涉儀產生的干涉條紋非常細銳且能量集中，條紋對比度高，可精密的測量出確切位置，是當時最精準的干涉儀，直到今日仍是不可或缺的有效量測工具。

Fabry-Perot干涉儀的量測精度與抗環境干擾能力優異，然而Fabry-Perot干涉儀的干涉條紋具有細銳度高，不連續的特色，因此無法用傳統干涉信號處理的方法解決問題，這也是量程受限的一個主因。一般的干涉儀的穩定性差，且信號呈正弦形態變化，位置的不確定性高，而傳統的訊號處理方法大都奠基在弦波的時變信號上，因此如何消除直流直準位，確保信號的正交性及如何維持振幅的恒定成為影響精度的三大難題。

台灣公開專利第201030309 號揭示一種具有高精密度之位移感測干涉儀，是一種結合位置靈敏感測器的Fabry-Perot干涉儀，可執行高精密度位移測量。但上述台灣公開專利有關位移量測的計算十分複雜，也無法解決量測較大距離同時具有高精度的問題。

如圖1所示，傳統的Fabry-Perot干涉儀是由兩片特定反射率的平板形的固定鏡11、移動鏡12所組成。固定鏡11及移動鏡12的表面必須非常平坦，且其中一面有高反射率的鍍膜。由於固定鏡11及移動鏡12相隔一個距離d，並接近互相平行。當一光束E入射於兩反射面間，光束在共振腔13內進行來回多次的反射，部分光束E1、E3、E5、E7會經由移動鏡12透射出去，部分光束E2、E4、E6會由固定鏡11透射出去。由於透射光之間有存在著光程差，若將這些透射光束 E1、E3、E5、E7疊加，則會產生干涉條紋；為了產生在空間分佈的干涉條紋，往往要將固定鏡11及移動鏡12兩者中之一者相對傾斜一個微小的角度。

根據幾何關係可推導出每相鄰兩束反射光或透射光之間的光程差(ΔL)及相位差(δ)：

；

相鄰透射光束之間的相位差為：

；

其中：α為入射角，d為固定鏡11及移動鏡12之間的距離，λ為入射光束E的波長，n為固定鏡11及移動鏡12之間的介質折射率。而透射光束的總振幅與透射光束的光強度為：

；

；

。

Fabry-Perot干涉條紋兩個峰值的間距(L)對應於λ/2的長度，當固定鏡11及移動鏡12之間的距離d改變時，干涉條紋的相對位置也會隨著改變，因此使移動鏡12移動一段距離後觀察干涉條紋位置的變化ΔL，即可計算位移量Δx。

以波長為657.2 nm(奈米)的雷射光束，進行Fabry-Perot干涉條紋實驗時記錄起始的干涉條紋的位置，如圖2所示；移動鏡位移後再記錄干涉條紋的位置，如圖3所示，比較前後峰值位置差異，再利用干涉條紋兩個峰值的間距對應於λ/2的長度的關係計算位移量。

。

絕對距離量測法大致可分為線性調頻法和小數重合法，線性調頻是針對時間進行調制，軟硬體的信號處理部份較複雜。小數重合法是利用干涉條紋非整數變化的小數部分ε來求解待測的長度，主要歸納為：

(1)利用多組單波長組合出不同長度的合成波長；

(2)利用不同的合成波長，逐次求解被測長度。

若用兩個波長分別測量被測的距離L可得到：

其中m₁和m₂分別為對應於波長λ₁與λ₂干涉條紋的整數倍，ε₁、ε₁則對應於干涉條紋的小數部份，聯立解上述兩式可得到：

；

可將上述式子簡化成：

；

；

其中： ；

；

；

Lc為初測值。故由λ₁、λ₂、ε₁、ε₁及Lc即可計算被測的距離L。此皆為習知之技術。

為了進一步改良已知Fabry-Perot干涉儀的量測裝置，而提出本發明。

本發明的主要目的，在提供一種長度的測量裝置，採用雙波長合成的Fabry-Perot干涉儀結合兩個線陣列檢測器的架構，以量測 待測物的長度，可提升Fabry-Perot干涉儀的精密量測能力。

本發明的另一目的，在提供一種長度的測裝置，利用Fabry-Perot干涉儀的量測架構，採用溫控的方法確保雷射波長的穩定性，利用準直器將雷射光束擴束，成為良好的平行光後再進行量測的作業，結合長/短兩種波長的測量結果，可得大距離且高精度的量測。

本發明的其他目的、功效，請參閱圖式及實施例，詳細說明如下。

本發明採用雙波長合成的Fabry-Perot干涉儀結合兩個線陣列檢測器的架構進行量測，採用溫控控裝置確保雷射波長的穩定性，利用準直器將雷射光束擴束，成為良好的平行光後再進行量測的作業，同時進行兩種波長的測量，結合兩種波長的測量結果，可得到大距離且高精度的量測。

如圖4所示，本發明長度量測裝置2，包括第一雷射單元21、第二雷射單元22、第一溫度控制器23、第二溫度控制器24、雷射驅控器25、第一偏極分光稜鏡26、光束隔離器27、光纖準直器28、擴束鏡29、分光稜鏡31、波長檢測單元32、固定鏡33、移動鏡34、移動單元35、第二偏極分光稜鏡36、第一線陣列檢測器37、第二線陣列檢測器38、第一信號處理單元39、第二信號處理單元41、處理器42、顯示及輸出單元43所組成。

第一雷射單元21、第二雷射單元22都是線偏極雷射單元；雷射驅控器25分別電氣連接第一雷射單元21、第二雷射單元22而控制第一雷射單元21、第二雷射單元22輸出雷射光束。第一溫度控制器23、第二溫度控制器24分別控制第一雷射單元21、第二雷射單元22的溫度，使第一雷射單元21、第二雷射單元22輸出穩定的波長。第一信號處理單元39電氣連接第一線陣列檢測器37；第二信號處理單元41電氣連接第二線陣列檢測器38。處理器42分別電氣連接雷射驅控器25、波長檢測單元32、第一信號處理單元39、第二信號處理單元41、顯示及輸出單元43。移動單元35結合移動鏡34，以帶動移動鏡34進而調整固定鏡33與移動鏡34之間的距離對應於所要量測的長度。第一線陣列檢測器37、第二線陣列檢測器38可分別為線性的CCD、CIS、LDA、CMOS等光檢測器。

本發明長度量測裝置2進行量測時，首先調整第一雷射單元21、第二雷射單元22的偏極方向，使彼此正交(垂直)；若第一雷射單元21的偏極方向為垂直偏極雷射光束，波長為λ₁，第二雷射單元22就調整成水平方向的偏極雷射光束，波長為λ₂，並與第一偏極分光稜鏡26配合，使第一雷射單元21的垂直偏極雷射光束完全穿透，而第二雷射單元22的水平偏極雷射光束完全反射，然後兩道正交的偏極雷射光束重合，並依序穿過光束隔離器27、光纖準直器28、擴束鏡29(本發明也可不需光束隔離器27及光纖準直器28，使雷射光束直接穿過擴束鏡29)後到一個分光菱鏡31，分成兩道雷射光束，每一道雷射光束都含有兩個正交的偏極雷射光束。

其中被反射的雷射光束進入波長檢測單元32，以監測雷射光束的波長，另一道雷射光束則進入固定鏡33及移動鏡34構成的共振腔330中形成多重干涉的雷射光束，然後再進入另一端的第二偏極分光稜鏡36；第二偏極分光稜鏡36將雷射光束中的垂直偏極雷射光束與水平偏極雷射光束分離，其中垂直偏極雷射光束穿透第二偏極分光稜鏡36，被第一線陣列檢測器37接收，並由第一信號處理單元39進行前置處理的工作；而水平偏極雷射光束則被第二偏極分光稜鏡36反射，由第二線陣列檢測器38接收，並由第二信號處理單元41進行前置處理的工作；處理器42處理第一信號處理單元39、第二信號處理單元41傳輸的信號，然後控制顯示及輸出單元43輸出量測影像及量測結果。

圖5與圖6分別為本發明以雙波長λ₁及λ₂分別為657.2nm與658.1nm的半導體雷射(第一雷射單元21、第二雷射單元22)進行實驗，每次使移動鏡34單向位移100nm(奈米)，共位移16次的結果。圖5、6中的橫軸為移動鏡34的位置(位移距離)，縱軸為量測得到的距離，單位為nm。由於實驗時以精密的馬達平台(移動單元35)控制移動鏡34的位置，每次以步階移動100nm的特定距離。在馬達的移動軸上裝有解析度4nm的光學尺，因此記錄移動前後的讀值，即可確定移動鏡34移動的距離。圖7則為本發明以波長λ₁及λ₂分別為657.2nm與658.1nm組成的雙波長進行絕對距離測量的結果，圖7中橫軸為移動鏡34的位置(位移距離)，縱軸為量測得到的距離，單位為μm(微米)。實驗時以步階進行移動，每次移動21微米，共移動20步總計420微米。由上述實驗結果顯示，單波長距離測量與雙波長絕對距離測量分別與實際位移距離成等比關係，因此往後可由量測距離獲得所要測量的長度，即雙波長的絕對距離測量值加其中一單波長的距離測量值等於所要測量的長度值，例如雙波長的絕對距離測量值為70μm，任取一單波長的距離測量值為200nm，則所要測量的長度值為70μm加200nm等於70.2μm。

由於半導體雷射對溫度十分敏感，一般而言約有0.2 的靈敏度，因此如何降低波長的變化是長度量測正確與否的關鍵。因此本發明採用PID的溫控方式，使溫度控制在某一溫度，而溫度的變化量在0.01℃以內，使波長能維持恆定。

由於任何一個光學元件都有表面反射的現象，若是反射光回到雷射的內部會使雷射不穩定，除了造成輸出功率的變動外，也會使波長發生飄移，因此必須隔離反射的雜散光束，因此在本發明的光束隔離器27即是用來阻絕反射的雜散光；如果沒有光束隔離器27，本發明長度量測裝置也能工作，只是精度降低一點。

此外，不同的雷射功率有不同的雷射波長，當雷射功率過高時會使線性的CCD、CIS、LDA、CMOS等光檢測器飽和，而功率不足則使線性的CCD、CIS、LDA、CMOS等光檢測器的訊噪比降低，兩者都會降低量測精度。若要解決此一問題必須確保雷射功率不會太高，通常採用衰減片的方式降低雷射的功率，當改變波長時，可能會降低雷射的輸出功率，此時只要電控線性的CCD、CIS、LDA、CMOS等光檢測器的快門時間(即積分時間)即可提高訊號強度來解決此一問題。

本發明測量長度使用的共振腔330是平面共振腔，由兩面高反射率的平面鏡(固定鏡33、移動鏡34)組成，因此有很好的細銳度與精細度，條紋能量非常集中，位置明確十分容易辨別。只要在使用前調整共振腔330兩端固定鏡33鏡面及移動鏡34鏡面的相對角度，調出少數的幾條干涉條紋後，再用信號處裡的方式判別條紋的大概位置，然後再進一步的用窗口法限定處理的範圍，之後以平方質心法即可判定出條紋的精確位置。當每次擷取影像後，即進行條紋位置的判斷並分析與上一個位置的差距，由於條紋的間距恆定，並對應於半波長的長度，因此可由位置的變化推算出移動的距離而得到奈米級的解析度，當分別得到兩個波長的位置變動量後，根據波長合成的方式即可得到大距離(絕對距離)的變化資訊，不受到λ₁與λ₂的半波長的限制。結合長/短兩種波長的測量結果，可得大距離且高精度的結果。

本發明若能結合鍍膜技術製造多色分光稜鏡後，即可結合更多波長的雷射並合成更多的合成波長，使干涉儀有更大的使用範圍。

本發明利用Fabry-Perot干涉儀的量測架構，採用溫度控制器確保雷射波長的穩定性，利用準直器將雷射光束擴束，成為良好的平行光後再進行量測的作業，結合長/短兩種波長λ₁與λ₂的測量結果，可得大距離且高精度的量測。

本發明的架構也可同時接收並檢測三個或四個波長所形成的干涉圖案，因此一次可同時測量到至少兩種波長的干涉結果，除了提升測量的速度外，並降低了差模誤差的影響，提高檢測的精度。

以上所記載者，僅為利用本發明技術內容之實施例，任何熟悉本項技藝者運用本發明所為之修飾、變化，皆屬本創作所主張之專利範圍。

11．．．固定鏡

12．．．移動鏡

2．．．長度量測裝置

21．．．第一雷射單元

22．．．第二雷射單元

23．．．第一溫度控制器

24．．．第二溫度控制器

25．．．雷射驅控器

26．．．第一偏極分光稜鏡

27．．．光束隔離器

28．．．光纖準直器

29．．．擴束鏡

31．．．分光稜鏡

32．．．波長檢測單元

33．．．固定鏡

330．．．共振腔

34．．．移動鏡

35．．．移動單元

36．．．第二偏極分光稜鏡

37．．．第一線陣列檢測器

38．．．第二線陣列檢測器

39．．．第一信號處理單元

41．．．第二信號處理單元

42．．．處理器

43．．．顯示及輸出單元

圖1為已知Fabry-Perot干涉儀的架構示意圖。

圖2為Fabry-Perot干涉條紋實驗時記錄起始的干涉條紋的位置的示意圖。

圖3為Fabry-Perot干涉條紋實驗時記錄移動鏡位移後的干涉條紋的位置的示意圖。

圖4為本發明長度量測裝置的示意圖。

圖5為本發明以波長657.2nm的半導體雷射進行實驗獲得量測距離對應位移距離的示意圖。

圖6為本發明以波長658.1nm的半導體雷射進行實驗獲得量測距離對應位移距離的示意圖。

圖7為本發明以波長657.2nm與658.1nm組成的雙波長進行絕對距離測量獲得量測距離對應位移距離的示意圖。

2．．．長度量測裝置

21．．．第一雷射單元

22．．．第二雷射單元

23．．．第一溫度控制器

24．．．第二溫度控制器

25．．．雷射驅控器

26．．．第一偏極分光稜鏡

27．．．光束隔離器

28．．．光纖準直器

29．．．擴束鏡

31．．．分光稜鏡

32．．．波長檢測單元

33．．．固定鏡

330．．．共振腔

34．．．移動鏡

35．．．移動單元

36．．．第二偏極分光稜鏡

37．．．第一線陣列檢測器

38．．．第二線陣列檢測器

39．．．第一信號處理單元

41．．．第二信號處理單元

42．．．處理器

43．．．顯示及輸出單元

Claims (8)

1. 一種長度量測裝置，包括：
   一第一雷射單元，是線偏極雷射單元；
   一第二雷射單元，是線偏極雷射單元；
   一雷射驅控器，分別電氣連接該第一雷射單元及該第二雷射單元以控制該第一雷射單元及該第二雷射單元輸出雷射光束；
   一第一偏極分光稜鏡；
   一擴束鏡；
   一固定鏡；
   一移動鏡，接近平行該固定鏡；該移動鏡與該固定鏡之間形成一共振腔；
   一第二偏極分光稜鏡；
   一第一線陣列檢測器；
   一第二線陣列檢測器；
   一第一信號處理單元，電氣連接該第一線陣列檢測器；
   一第二信號處理單元，電氣連接該第二線陣列檢測器；
   一顯示及輸出單元；
   一處理器，分別電氣連接該雷射驅控器、該第一信號處理單元、該第二信號處理單元及該顯示及輸出單元；
   其中，該第一雷射單元及該第二雷射單元的偏極方向彼此正交；若該第一雷射單元的偏極方向為垂直偏極雷射光束，波長為λ₁，該第二雷射單元的偏極方向為水平方向的偏極雷射光束，波長為λ₂，並與該第一偏極分光稜鏡配合，使該第一雷射單元的垂直偏極雷射光束穿透該第一偏極分光稜鏡，而該第二雷射單元的水平偏極雷射光束被該第一偏極分光稜鏡反射，然後該兩道正交的偏極雷射光束重合，並穿過該擴束鏡後，進入該固定鏡及該移動鏡構成的該共振腔中形成多重干涉的雷射光束，然後再進入該第二偏極分光稜鏡；該第二偏極分光稜鏡將雷射光束中的垂直偏極雷射光束與水平偏極雷射光束分離，垂直偏極雷射光束穿透該第二偏極分光稜鏡，被該第一線陣列檢測器接收，並由該第一信號處理單元進行前置處理的工作，而水平偏極雷射光束則被該第二偏極分光稜鏡反射，由該第二線陣列檢測器接收，並由該第二信號處理單元進行前置處理的工作；該處理器處理該第一信號處理單元及該第二信號處理單元傳輸的信號，由該λ₁及λ₂雙波長的絕對距離測量值加該λ₁及λ₂雙波長中之一單波長的距離測量值，獲得所要測量的長度值，然後控制該顯示及輸出單元輸出量測結果。
2. 如申請專利範圍第1項所述之長度量測裝置，進一步包括一分光稜鏡及一波長檢測單元；該波長檢測單元電氣連接該處理器；雷射光束穿過該擴束鏡後，先進入該分光稜鏡，分成兩道雷射光束，每一道雷射光束都含有兩個正交的偏極雷射光束，其中被反射的雷射光束進入該波長檢測單元，以監測雷射光束的波長，另一道雷射光束進入該固定鏡。
3. 如申請專利範圍第2項所述之長度量測裝置，其中該第一線陣列檢測器及該第二線陣列檢測器分別為線性的CCD、CIS、LDA及CMOS光檢測器其中之一者。
4. 如申請專利範圍第2項所述之長度量測裝置，其中該分光稜鏡為多色分光稜鏡。
5. 如申請專利範圍第3項所述之長度量測裝置，其中該分光稜鏡為多色分光稜鏡。
6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項所述之長度量測裝置，進一步包括一第一溫度控制器及一第二溫度控制器；該第一溫度控制器及該第二溫度控制器分別控制該第一雷射單元及該第二雷射單元的溫度，使該第一雷射單元及該第二雷射單元輸出穩定的波長。
7. 如申請專利範圍第6項所述之長度量測裝置，進一步包括一光束隔離器；該兩道正交的偏極雷射光束重合，穿過該擴束鏡之前先穿過該光束隔離器以阻絕反射的雜散光。
8. 如申請專利範圍第7項所述之長度量測裝置，進一步包括一光纖準直器；穿過該光束隔離器之後的雷射光束先穿過該光纖準直器之後，再穿過該擴束鏡。