TW201530100A - 光學量測系統及以此系統量測線性位移、轉動角度、滾動角度之方法 - Google Patents

Abstract

本發明係關於一種光學量測系統，及一種用於量測線性位移、俯仰角度、搖擺角度、滾動角度與馬達轉速之量測方法。本發明主要採用三種光學量測機制所構成，第一是雷射自混頻干涉技術，用於線性位移的量測；第二是光學自動視準儀原理，用於俯仰及搖擺角度的量測；第三則是偏極化光學原理，用於滾動角度的量測。本發明之光學量測系統可直接由一般市面隨手可得的DVD光碟機中之光學讀取頭(OPU)構成，亦可完全不必修改即可使用。

Description

光學量測系統及以此系統量測線性位移、轉動角度、滾動角度之方法

本發明係關於一種光學量測系統及光學量測方法，特別是一種用於量測線性位移、俯仰角度、搖擺角度、滾動角度與馬達轉速之光學量測系統及光學量測方法。

隨精密機械業的迅速發展，所有半導體製程與量測技術皆已推廣至微米甚至奈米等級，產業界常用的高階量測儀器如：自動視準儀、雷射干涉儀、電容式位移計、光學尺等等皆能提供精密的定性及定量需求。為達精密機械之機台多工化運用與使用者操作便利性等需求，故精密機械設備大多是由單軸以上元件或平台所組合而成以達到多自由度運動，但該設備中各軸運動元件的特性與誤差皆會有加成效果，並嚴重影響其加工品質與精細度。針對產業界的需求而言，不論是機台空載時的誤差量測或調校、精密元件的組裝或加工件的精密定位、控制與補償等都需要至少六個自由度的量測資訊。故對於多自由度的定性及定量檢測，需具有更高規格的檢測技術，例如能同時檢測多個自由度並縮小量測儀器之體積、增加使用便利性及擴充性。

以雷射干涉儀為例，即使其可利用同一雷射頭裝置來量測多軸 自由度，但大多數並非具有同時檢測之功能，且因體積龐大而無法裝設於精密機械的有限的空間中。同樣的，雖然自動視準儀可同時得到兩個旋轉軸的角位移資訊，然其缺乏線性位移量測資訊。雷射干涉儀與自動視準儀的價格高昂，且僅能作為機台空載時的誤差量測或調校依據。使用上最為廣泛的光學尺，其雖可做為誤差檢測或回授的即時量測儀器，但僅能提供平面位移訊號，且於架設上仍有諸多限制。

本發明主要目的在於提供一個具有四個自由度之光學量測系統，可同時量測得單一線性軸的線性位移，與三個角位移量俯仰度、搖擺度以及滾動度，以克服前述高階儀器的之使用極限與不便利處。本發明可由一市售光學讀取頭改裝而得，故其能擁有較小之尺寸，有利於裝設在所有精密機械系統中作為定位與誤差量測及回授之裝置。

因此，本發明提供一種光學量測系統，其包含：一雷射二極體、一反射元件、一準直透鏡、一分光元件、一光檢測元件與一目標反射鏡；其中，該雷射二極體包含一功率監測裝置；一第一光線自該雷射二極體發出，循一光路通過該分光元件、該準直透鏡，經該反射元件反射後，通往該目標反射鏡而被反射成為一第二光線，該第二光線反序沿著該光路返回該分光元件而被導往該功率監測裝置，以進行量測分析。

同時，本發明也提供以此系統量測線性位移、轉動角度、滾動角度與馬達轉速之方法。

2‧‧‧雷射二極體

3‧‧‧反射元件

4‧‧‧準直透鏡

5‧‧‧分光元件

6‧‧‧光檢測元件

7‧‧‧目標反射鏡

8‧‧‧光學聚焦物鏡

21‧‧‧功率監測裝置

61‧‧‧光點位置

62‧‧‧光點位置

61'‧‧‧光點位置

62'‧‧‧光點位置

61"‧‧‧能量強度

62"‧‧‧能量強度

91‧‧‧偏極化元件

92‧‧‧偏極化元件

L1‧‧‧第一光線

L2‧‧‧第二光線

X‧‧‧X軸

Y‧‧‧Y軸

Z‧‧‧Z軸

圖1a為本發明之一光學量測系統，及一用以量測線性位移之量測方法之示意圖；圖1b為本發明之一光學量測系統用以量測微小待測物之線性位 移的量測方法之示意圖；圖1c為本發明之目標反射鏡朝+X方向移動時，功率監測裝置之訊號；圖1d為本發明之目標反射鏡朝-X方向移動時，功率監測裝置之訊號；圖2a為本發明之一光學量測系統用以量測俯仰角度之量測方法之示意圖；圖2b為本發明之俯仰角度之量測方法，其光點位置變化之示意圖；圖3a為本發明之一光學量測系統用以量測搖擺角度之量測方法之示意圖；圖3b為本發明之搖擺角度之量測方法，其光點位置變化之示意圖；圖4a為本發明之一光學量測系統用以量測滾動角度之量測方法之示意圖；圖4b、4c為本發明之滾動角度之量測方法，其光點能量強度變化之示意圖。

本發明主要是由三種光學量測機制所構成，第一是雷射自混頻干涉技術，用於線性位移的量測；第二是光學自動視準儀原理，用於俯仰及搖擺角度的量測；第三則是偏極化光學原理，用於滾動角度的量測。雷射自混頻干涉技術是藉由雷射激發之一光線投射至目標物後，返回該雷射之共振腔內，並與該雷射激發的另一光線產生干涉，此一干涉訊號可用於檢測目標物於空間中的相對位移量。光學自動視準儀原理是利用準直透鏡對於不同角度入射之平行光，均會於同一聚 焦平面上產生帶有反射目標物轉動角度之光學特性。至於偏極化光學原理則是利用兩偏極化元件間夾角改變，以產生不同的透光度，藉由光能量強度變化推知實際的滾動角度。該等三種技術皆是光學檢測技術中最為高階且最為精準的量測技術，故這些技術與取得容易的光學讀取頭結合將可具有高度可靠性、體積微小化、高經濟效益、高準確度、系統簡單以及操作便利等優勢，故具有商品化之潛力，並可為產業界所使用以取代機台內部所安裝之光學尺。因本系統除原先光學尺可檢測之線性位移訊號外，更將功能擴充至四個自由度，不管是線性位移訊號回饋或是角度誤差訊號補償，皆可由本發明之系統測得，且擁有較佳之解析能力(線性位移約1nm，角度則為1sec)。另一方面，該系統之高解析能力與高可靠度亦可作為機台誤差檢測之驗證與校正儀器，得以取代較為昂貴的雷射干涉儀與自動視準儀、電子水平儀等。

本發明提供一個具有四個自由度(線性移動、俯仰、搖擺及滾動)之光學量測系統，其中該系統可容易地由使用者自行組裝，或以一使用一DVD光碟機之光學讀取頭進行量測。此外，本發明亦可用以監測馬達之轉速資訊。其具體實施方式如下。

請參考圖1a，本發明之一光學量測系統，其主要包含一雷射二極體2、一反射元件3、一準直透鏡4、一分光元件5與一目標反射鏡7；該雷射二極體2可進一步包含一功率監測裝置21。其中一第一光線L1自該雷射二極體2發出，循一光路通過該分光元件5、該準直透鏡4，經該反射元件3反射後，通往該目標反射鏡7而被反射成為一第二光線L2，該第二光線L2反序沿著該光路返回該分光元件5而被導往該雷射二極體2上之該功率監測裝置21，以供檢測與分析。

本發明之量測原理為：量測時，該雷射二極體2發出之第一光線L1為一發散之量測光源，藉由該準直透鏡4校準為準直光，再由反射 元件3將光線導往一待量測位移值之待測物上之目標反射鏡7(或者以待測物本身作為目標反射鏡7)；當待測物移動時，目標反射鏡7也隨之將此帶有位移資訊的訊號光，沿原光路反射回雷射二極體2的共振腔內，此時二光線L1與L2產生自混頻干涉現象，該現象在目標反射鏡7每移動半波長之距離即發生一極值訊號，再藉由雷射二極體2的功率監測裝置21來獲得混頻訊號，而該訊號可利用微電流放大電路以及軟體細分割技術換算出位移資訊。前述本發明之光學量測系統中主要係由一雷射二極體、一反射元件、一準直透鏡、一分光元件、一光檢測元件等構成，與市售之光學讀取頭之構成相同，故可以市售光學讀取頭置換之，例如：市售之光碟機之光學讀取頭。

本發明所提供之一線性位移之量測方法，其係使用如前述之光學量測系統(如圖1a所示)，而以下列步驟進行：(a)該第一光線L1及該第二光線L2在該雷射二極體2內部產生一自混頻干涉訊號，而該訊號由該功率監測裝置21所讀取，其中該訊號於該目標反射鏡7沿X軸方向移動該第一光線L1及該第二光線L2之半波長距離的整數倍時，皆會產生一個極大值(其中該目標反射鏡朝+X方向移動時，該訊號之波形如圖1c所示；該目標反射鏡朝-X方向移動時，該訊號之波形如圖1d所示)，分析儀器為示波器或訊號擷取卡(data acquisition cards)；(b)解析該訊號之波形，反向推算該目標反射鏡7之線性位移資訊。

本系統亦可針對微小待測物之線性位移進行量測，僅需如圖1b所示，於該反射元件3及該目標反射鏡7之間加裝一光學聚焦物鏡8，使該第一光線L1得以聚焦於微小待測物或微小之目標反射鏡7之表面。

請參考圖2a，使用如前述之光學量測系統，該光學量測系統進一步包含一光檢測元件6，可進行俯仰(搖擺)角度之量測。當該目標反射鏡7以Y軸為軸心旋轉(俯仰)一角度時，其所反射之該第二光線L2在 該光檢測元件6所投射之位置，將從最初的光點位置61移動一距離至另一光點位置62(如圖2b所示)。因該距離與該目標反射鏡7以Y軸為軸心旋轉的該角度有關，藉由所選用之光檢測元件6對於目標反射鏡7俯仰角度與光點位置之已知對應關係圖或對應之數值，搭配適當之電路設計與軟體，可達到1sec的角度解析能力。

因此，使用本發明之光學量測系統進行俯仰角度量測係採用下列步驟：(a)偵測目標反射鏡7處於第一角度時，其所反射之該第二光線L2在該光檢測元件6所產生之第一光點之位置61；(b)偵測目標反射鏡7處於第二角度時，其所反射之該第二光線L2在該光檢測元件6所產生之第二光點之位置62；(c)藉由解析該第一光點與第二光點之位置差以反推該目標反射鏡7之沿Y軸俯仰角度資訊。

前述係關於以本發明之光學量測系統進行Y軸俯仰角度量測，以下則係以本發明之光學量測系統進行Z軸搖擺角度量測。請參考圖3a，當該目標反射鏡7以Z軸為軸心旋轉(搖擺)一角度時，其所反射之該第二光線L2在該光檢測元件6所投射之位置，將從最初的第一光點位置61'移動一距離至第二光點位置62'(如圖3b所示)，且該距離與該目標反射鏡7以Z軸為軸心旋轉的該角度有關。因此本發明之搖擺角度量測之方法係採用下列步驟：(a)偵測目標反射鏡7處於第一角度時，其所反射之該第二光線L2在該光檢測元件6所產生之第一光點之位置61'；(b)偵測目標反射鏡7處於第二角度時，其所反射之該第二光線L2在該光檢測元件6所產生之第二光點之位置62'；(c)藉由解析該第一光點61'與第二光點62'之位置差反推該目標反射鏡7之繞Z軸搖擺角度資訊。本系統可直接利用光學讀取頭內部之PDIC作為光檢測元件6，進行俯仰與搖擺角度之二維角度量測。

本發明之光學量測系統除可進行線性位移、俯仰角度及搖擺角度之量測外，也包含一種滾動角度之量測方法。然而，該滾動角度量 測方法另需要一固定於該目標反射鏡7上之偏極化元件91，及一位於該反射元件3及該目標反射鏡7之間的偏極化元件92。請參考圖4a，當該目標反射鏡7以X軸為軸心旋轉(滾動)一角度時，造成該偏極化元件91與該偏極化元件92之間的夾角改變，進而使該目標反射鏡7所反射之該第二光線L2投射在該光檢測元件6的光點，自最初的一能量強度61"變化至另一能量強度62"(如圖4b所示)；此一能量強度變化量與該目標反射鏡7以X軸為軸心旋轉的該角度有關。因此，該目標反射鏡7之繞X軸旋轉之滾動角度之量測，可採用下列步驟：(a)偵測目標反射鏡7處於第一角度時，其所反射之該第二光線L2在該光檢測元件6所產生之一第一光點之第一能量強度61"；(b)偵測目標反射鏡7處於第二角度時，其所反射之該第二光線L2在該光檢測元件6所產生之一第二光點之第二能量強度62"；(c)藉由解析該光點能量強度之變化反推該目標反射鏡7之繞X軸滾動角度資訊。

此外，由於該目標反射鏡7之滾動係由一馬達(未標於圖式)所帶動，本發明也提供一使用如前述之光學量測系統(以圖4a為例)，以進行馬達轉速量測之方法；目標反射鏡7由馬達之轉子或轉軸所帶動，該量測方法包含下列步驟：(a)偵測目標反射鏡7在馬達之轉子或轉軸之各旋轉角度時，其所反射之該第二光線L2在該光檢測元件6所產生之光點能量強度；(b)藉由解析該光點能量強度之變化週期反推該馬達之轉速資訊。

上述實施例僅例示本發明一較佳之實施態樣，並非用以限制本發明。本發明所屬領域具有通常知識者可參考上述實施例而輕易推及其他實施態樣。本案之申請專利範圍應以申請專利範圍所載為準。

2‧‧‧雷射二極體

3‧‧‧反射元件

4‧‧‧準直透鏡

5‧‧‧分光元件

7‧‧‧目標反射鏡

21‧‧‧功率監測裝置

L1‧‧‧第一光線

L2‧‧‧第二光線

X‧‧‧X軸

Y‧‧‧Y軸

Z‧‧‧Z軸

Claims (11)

1. 一種光學量測系統，其包含：一雷射二極體、一反射元件、一準直透鏡、一分光元件、一目標反射鏡；其中，該雷射二極體包含一功率監測裝置；一第一光線自該雷射二極體發出，循一光路通過該分光元件、該準直透鏡，經該反射元件反射後，通往該目標反射鏡而被反射成為一第二光線，該第二光線反序沿著該光路返回該分光元件而被導往該功率監測裝置，以進行量測分析。
2. 如請求項第1項所述之光學量測系統，其進一步包含一光檢測元件。
3. 如請求項第2項所述之光學量測系統，其中更進一步包含一光學聚焦物鏡，且該聚焦物鏡位於該反射元件及該目標反射鏡之間。
4. 如請求項第2項所述之光學量測系統，其所含之該雷射二極體、該反射元件、該準直透鏡、該分光元件、該光檢測元件、該雷射二極體所包含之功率監測裝置及所形成之光路，可直接以一光學讀取頭置換之。
5. 如請求項第4項所述之光學量測系統，該光學讀取頭係使用一DVD光碟機之光學讀取頭。
6. 如請求項第1項或第2項所述之光學量測系統，其中更進一步包含兩個偏極化元件，一者固定於該目標反射鏡上，而另一者位於該反射元件及該目標反射鏡之間。
7. 一種用以量測物件線性位移之方法，其使用如請求項第1至5項 任一項所述之光學量測系統，其中包含下列步驟：(a)該第一光線及第二光線在該雷射二極體產生一自混頻干涉訊號，而該訊號由該功率監測裝置所讀取；(b)藉由解析該訊號之波形得到該目標反射鏡之線性位移資訊。
8. 一種用以量測物件俯仰角度之方法，其使用如請求項第2至5項任一項所述之光學量測系統，其中包含下列步驟：(a)偵測目標反射鏡7處於一第一角度時，其所反射之該第二光線在該光檢測元件所產生之一第一光點之位置；(b)偵測目標反射鏡處於一第二角度時，其所反射之該第二光線在該光檢測元件所產生之一第二光點之位置；(c)藉由解析該第一光點與該第二光點之位置差以得到該目標反射鏡之俯仰角度資訊。
9. 一種用以量測搖擺角度之方法，其使用如請求項第2至5項任一項所述之光學量測系統，其中包含下列步驟：(a)偵測目標反射鏡處於一第一角度時，其所反射之該第二光線在該光檢測元件所產生之一第一光點之位置；(b)偵測目標反射鏡處於一第二角度時，其所反射之該第二光線在該光檢測元件所產生之一第二光點之位置；(c)藉由解析該第一光點與該第二光點之位置變化得到該目標反射鏡之搖擺角度資訊。
10. 一種用以量測滾動角度之方法，其使用如請求項第2至6項任一項所述之光學量測系統，其中包含下列步驟：(a)偵測目標反射鏡處於一第一角度時，其所反射之該第二光 線在該光檢測元件所產生之第一光點之一第一能量強度；(b)偵測目標反射鏡處於一第二角度時，其所反射之該第二光線在該光檢測元件所產生之第二光點之一第二能量強度；(c)藉由解析該第一光點與第二光點之能量強度之變化得到該目標反射鏡之滾動角度資訊。
11. 一種用以量測馬達轉速之方法，其使用如請求項第2至6項任一項所述之光學量測系統，其中該目標反射鏡之滾動係由一馬達之轉子或轉軸所帶動；該量測方法包含下列步驟：(a)偵測目標反射鏡在馬達之轉子或轉軸之各旋轉角度時，其所反射之該第二光線在該光檢測元件所產生之光點能量強度；(b)藉由解析該光點能量強度之變化週期得到該馬達之轉速資訊。