TWI396829B - 高速干涉儀、用於處理藉由干涉儀所產生之第一光訊號和第二光訊號之方法及用於測量第一光訊號和第二光訊號之間之干涉的設備 - Google Patents

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Description

高速干涉儀、用於處理藉由干涉儀所產生之第一光訊號和第二光訊號之方法及用於測量第一光訊號和第二光訊號之間之干涉的設備
本發明大致係關於光學測量裝置，且尤係關於高速光學干涉儀(interferometer)。
干涉測量法(interferometry)疊加(干涉)兩個或更多個(電磁)波，用以偵測該等波之間的差異，亦即它們的干涉特性。最常見的干涉儀為麥克森(Michelson)型的干涉儀。麥克森干涉儀的基本元件為光源、偵測器、兩面鏡子以及一個通常稱為分光鏡(beam splitter)的半透明鏡子。
簡單的干涉儀係計數“干涉條紋(fringe)”，該干涉條紋中，輸出波的強度(intensity)是以從最大值(該等波為建設性干涉)到最小值(完全抵消干涉)再回到最大值的一完整循環的方式往復。這些波強度為正弦波。由於這個單一輸出，簡單干涉儀能偵測出在波路徑中的差動距離(differential distance)的改變，但不能偵測出這個改變的方向。
當使用位相整合(phasing arrangement)(例如四分之一波長延遲器(quarter-wave retarder)來產生一對路徑時(通常是藉由讓兩條光束(各個偏光(polarization)各一條光束)通過相同的透鏡和鏡子組動作)，其中一個偏光路徑會被四分之一波長延遲器延遲，使得所產生之正弦波強度從未減速路徑延遲相差90度，從而提供干涉儀用的一對輸出。這些輸出係為正交(如標準正交編碼器(quadrature encoder)那樣)，能夠偵測出距離的改變以及改變的方向。
不幸的是，這種形式之干涉儀的解析度為路徑差之波長的四分之一；例如在使用氦氖(HeNe)雷射之典型干涉儀的情形中，其波長係由於氦與氖的物理特性而被固定在632.818奈米，並且不能改變。因此，由干涉儀之正交輸出所直接編碼之最小距離係632.818奈米波長的四分之一，或者是158.20奈米。這種四分之一波的距離有時稱為干涉儀的“原始解析度(native resolution)”。
該技術的目前技術水準係藉由強度內插(intensity interpolation)的方式提供進一步的解析度增益；也就是說，藉由光二極體測量未延遲與已延遲之路徑的相對功率(relative power)，該光二極體電流係予以放大並經由A/D轉換器而轉換成數位值，然後利用軟體將此對相對功率值映射(map)至單位圓上成為正弦和餘弦值。當反正弦或反餘弦值各在單位圓上產生兩個可能的角度時，這兩個值將在單位圓上產生共三個同時可能的角度，但只有一個值(重複值(duplicated value))是正確的。除以2π的此單位圓角度係為光束路徑已從干涉儀的零點改變之波長的少數(fraction)值，而且此分數在現代技術水準的干涉儀中通常是小至波長的百分之一，或是原始解析度的25倍。
習知方法的缺點係在於讀出資料(readout)的兩個部分為不同的類型：四分之一波長的數字是以即時正交編碼的方式讀出，而另一波長之少數值係已延遲某些時間量的軟體內插的結果。將這些值合併在一起會造成更多的延 遲，所以整體干涉儀系統不會在現在的位置報告，而是在過去某一點的位置，通常至少為過去50微秒(microsecond)處的位置。這相當於大約20 KHz的更新速率，並且根據漢明理論(Hamming theorem)，此種干涉儀並不能偵測到高於該速率之一半(10 KHz)的動作。
習知的干涉儀大幅受限於其速度，通常在大約20 KHz的範圍內，而且大多更低。許多市售的干涉儀具有低如10至20 KHz的更新速率。習知的干涉儀通常是固定的，並且被組構用於特別的操作情況。在大部分的情形中，是不可能即時改變干涉儀的操作。
因此，期望能提升干涉儀的速度至少一千倍或三位數級(103)的大小，從而進入百萬赫茲的範圍。事實上，期望能提升速度，使得干涉儀的速度主要係受限於光訊號的強度轉換成數位訊號時的速度。因此，只要轉換速度增加，使用本發明之干涉儀的速度也將會增加。也期望令干涉儀動態地適應其操作特性與環境。
干涉測量法成為實驗科學的概念要追溯到Albert Michelson，他在西元1907年獲得諾貝爾獎。R.C.Moore在美國專利案第4,583,856號中使用電腦計算在雷射干涉儀中的次條紋(sub-fringe)的解析度。測量距離的干涉儀在市面上可取得。來自4DTechnology的最佳雷射干涉儀是以30微秒的取樣時間進行操作並且在一個框時間(frame time)內更新，亦即，以20 KHz的最終更新速率操作。Canon的微雷射干涉儀將操作範圍限制在+/- 50微米，此微干涉 儀能以100 KHz更新。
本發明的一個目標係在於充分地提升干涉測量的速度達到MHz或更大的範圍。
本發明的另一目標係將干涉儀的複數輸出格式整合，使得讀取干涉儀測量的任何裝置能以任何想要的數值格式來讀取干涉儀的輸出，不論其為格雷碼(Gray code)、整數、正交編碼脈衝或任何可用之其他隨意格式。因此，或許在裝置操作時，或是響應該裝置之操作特性與操作環境，期望能使干涉儀動態地組構成任何期望的資料格式。
本發明提供一種會產生彼此干涉之第一光訊號和第二光訊號的干涉儀。
該等光訊號係轉換成數位訊號形式的位址。記憶體儲存對應於該第一和第二光訊號的資料值，其中，該等位址係被使用以直接讀取儲存於該等位址處的資料值。
儲存在該記憶體中的該等資料值在轉換該第一和第二光訊號並讀取該等資料值之期間能動態地適應。
干涉測量法(Interferometry)
本發明包括具有習知光學組構之麥克森型正交雷射干涉儀，其中追加有光二極體、放大器、A/D轉換器和記憶體。A/D轉換器係將干涉光訊號的改變強度變更成記憶體位址形式的數位訊號。
直接存取記憶體(Direct Access Memory)
藉由直接存取記憶體，將兩個正交編碼干涉儀光束訊號的振幅(amplitude)(強度)轉換成任何想要的正交編碼位置訊號。高速路徑(在A/D轉換器之後)並不包含任何具有長延遲的軟體或電子裝置。當然，從記憶體讀取之資料的下游處理能夠使用軟體，而軟體能用來組構系統或在操作期間更新記憶體的內容，但那些操作並不和高速測量路徑衝突。
本發明的一個實施形態係利用A/D轉換器的結果而直接且無歧義地定址(讀取)在ROM或RAM記憶體中的位置，該位置係預先載入(preload)有與二極體訊號之特定組強度的期望輸出狀態對應的資料。此輸出狀態可以是模擬以不同(且非常小的)波長之操作之干涉儀的正交編碼輸出、或波長之少數值、或任何其他期望的輸出格式(只要該格式重複最初正交雷射干涉儀波長之所有整數倍)。
本發明之干涉儀能計數干涉條紋，其中該條紋之光訊號強度係從最大值到最小值以一完整循環往復。本發明之干涉儀能夠偵測出光訊號路徑之差動距離的改變及方向。具體而言，本發明能提供干涉儀之差動距離的正交編碼，其中差動距離係屬於干涉儀之每一條紋循環的差動距離之複數循環。
編碼
記憶體之輸出狀態係不限於正交編碼值。舉例而言，對於正確工作之干涉儀“不可能”經驗的情況，能夠輸出反應該情況的輸出指示碼。例如，在正確操作之正交干涉 儀中，兩個光束的值絕不會都是零，絕不會都在最大值且絕不會都在中間常數(intermediate constant)。零資料值代表雷射故障，而最大資料值代表在第一分光鏡表面上的污染(contaminant)。在中間常數的兩個光束值代表參考光束或目標光束是沒有對準的。這些錯誤指示狀況與其他狀況皆可用本發明而即時偵測。該等狀況能以資料值中的一個或複數個預定位元來指示。
雙向計數器(Up-Down Counter)
本發明之另一實施形態是附加正交雙向計數器，該雙向計數器係藉由閾值化的(thresholded)干涉儀光束輸出而直接向上或向下計數。此雙向計數器之輸出係用作為在記憶體之定址中的追加位元，讓本發明有能力輸出所需之獨特輸出碼，該輸出碼係在由該雙向計數器所支援的全部範圍內。
動態適應干涉儀(Dynamically Adaptive Interferometer)
在本發明之另一實施形態中，係使干涉儀之操作動態地適應所獲得之測量特性或干涉儀操作之環境條件(例如溫度、壓力、溼度、所測量之裝置或所測量之系統的控制系統的狀態和命令)。根據記憶體係直接在高速測量路徑中的設計，而致能(enable)此種類型的操作。
舉例而言，能以精密工具機(precision machine tool)適應地使用本發明，其中工具機電腦數值控制(computer numerical control；CNC)控制器首先命令干涉儀進入“校正(calibrate)”模式，用以組構記憶體值而最佳化該工具 之動作的全範圍的準確性，同時旋轉工具軸以測量工具動作的全範圍，然後進入“測量(measure)”模式，其中在“校正”期間所計算之最佳數值組係以全MHz的速度來使用，從而協助控制該工具機。
在另一例中，工具機周圍之壓力、溫度和空氣溼度會以百萬分之一的程度影響光速。藉由動態且適應地重新載入本發明之記憶體，能夠消除大氣壓力、溫度和溼度的影響，並且能在不利的操作狀況下獲得精確的干涉距離測量。
干涉儀結構與操作概述
第1圖顯示本發明之基本結構元件和操作。置於環境5中之干涉儀10會產生第一和第二光訊號11、12。該等光訊號之強度係獨立地轉換20成位址25形式的第一和第二數位訊號21、22。
記憶體30儲存資料值31，該資料值31係對應於干涉儀10所能產生之可能(以及不可能)的光訊號。位址25係用以直接存取記憶體30而獲得輸出資料值32，該輸出資料值32係透過該記憶體30之位址輸入線24而存取。
記憶體30之位址輸入25能依光-數位轉換器20的操作速率提供時脈(同步)23。
通常，干涉儀之輸出資料值32係藉由例如數位訊號處理器(DSP)40和應用程式50而進一步處理。在本發明之一個實施形態中，DSP依據例如資料32或來自干涉儀10所操作之環境5的其他輸入訊號14，動態地重新載入45或以其他方法重新組構記憶體30。資料值也能藉由應用程式 予以適應。
干涉儀結構與操作詳述
第2圖顯示本發明之一個實施形態的細節。正交雷射干涉儀100將藉由雷射101所產生之一對同調(coherent)雷射光束110和130指向兩個反射器111和131，然後將返回的光束合成而產生用以分別對反射器111和131之相對位置位移進行編碼的一對正交調變(quadrature-modulated)輸出光束112和132。所有的光元件，諸如鏡子、分光鏡、減速器，係為習知的。
光束112和132係分別藉由光二極體113和133而轉換成光電流(photocurrent)。光電流係輸入至轉導放大器(transconductance amplifier)。轉導放大器包含分別具有回授電阻器115和135的運算放大器(op-amp)114和134。
輸出電壓係藉由運算放大器116和136予以放大，該等運算放大器116和136分別具有回授網路電阻器117、118和137、138。
代表光訊號112和132之強度的電壓係分別藉由類比-數位轉換器(analog-to-digital converter)119和139而轉換成數位訊號。
輸出數位化電壓匯流排120和140係各為N位元寬，並且係平行以形成2×N位元寬的位址匯流排150。2×N位元寬的位址匯流排150係用於記憶體160之位址輸入，該記憶體160具有2×N位元之輸入位址空間和J位元之輸出資 料字元寬度。應注意的是，習知正交編碼器典型地僅產生單一輸出位元。本發明之轉換器能產生複數個位元，例如16個或更多個，因而大大地提升了干涉儀的解析度。
記憶體係預先載入有範圍在0到2之2×N乘方的各個可能的位址之期望輸出資料值。
記憶體160將所期望的輸出資料值170輸出至可用於外部系統與應用程式作進一步的處理的任何緩衝器/放大器。
雙向計數器(Up-Down Counter)
第3圖顯示具有正交輸入雙向計數器245之本發明另一實施形態。
正交雷射干涉儀200將一對同調雷射光束210和230指向兩個反射器211和231，然後將返回的光束合成而產生一對正交調變輸出光束212和232，以分別對反射器211和231之相對位置位移進行編碼。
這些光束係分別藉由光二極體213和233而轉換成光電流。光電流係輸入至轉導放大器，該轉導放大器包括分別具有回授電阻器215和235的運算放大器214和234，而輸出電壓係藉由運算放大器216和236予以放大，該等運算放大器216和236分別具有回授網路電阻器217、218和237、238。
然後，電壓係分別藉由類比-數位轉換器219和239而轉換成數位訊號。輸出數位化電壓匯流排220和240係各為N位元寬，並且使之平行以形成2×N位元寬的匯流排。
此外，各轉換器219和239之個別的高階位元(high order bit)221和241係施加至正交輸入雙向計數器245。 計數器之輸出係K位元寬。
2×N位元寬的匯流排係結合於K位元寬的雙向計數器輸出246而形成2×N+K位元寬的位址匯流排250。
此位址匯流排250係直接用於記憶體260之位址輸入，該記憶體260具有2×N+K位元寬之輸入位址空間和J位元之輸出資料字元寬度，該記憶體260係預先載入有範圍在0到2之2×N+K乘方的各個可能的位址之期望的輸出狀態。記憶體260輸出期望的輸出儲存資料值270至可用於外部系統與應用程式之最終緩衝器/放大器。
本發明之功效
本發明之實施形態提供一種記憶體為基礎之高速干涉儀。干涉光訊號之強度係轉換成記憶體輸入位址。輸出資料值係在輸入位址處直接從記憶體讀取。因此，干涉儀操作之速度係主要受限於記憶體之操作速率。因為干涉儀係記憶體為基礎，所以儲存之資料值能適應操作環境。
雖然已藉由較佳實施形態例敘述本發明，但應了解到，在本發明之精神與範疇內可作出各種其他適應與修飾。因此，所附之申請專利範圍的目的係在於涵蓋在本發明之真實精神與範疇內的所有此等變化與修飾。
5‧‧‧環境
10‧‧‧干涉儀
11‧‧‧第一光訊號
12‧‧‧第二光訊號
14‧‧‧其它輸入訊號
20‧‧‧光-數位轉換器
21‧‧‧第一數位訊號
22‧‧‧第二數位訊號
23‧‧‧時脈
24‧‧‧位址輸入線
25‧‧‧位址、位址輸入
30‧‧‧記憶體
31‧‧‧資料值
32‧‧‧輸出資料值、資料
40‧‧‧數位訊號處理器
45‧‧‧重新載入
50‧‧‧應用程式
100、200‧‧‧正交雷射干涉儀
101‧‧‧雷射
110、130、210、230‧‧‧同調雷射光束
111、131、211、231‧‧‧反射器
112、132‧‧‧輸出光束、光束、光訊號
113、133、213、233‧‧‧光二極體
114、116、134、136、214、216、234、236‧‧‧運算放大器
115、135、215、235‧‧‧回授電阻器
117、118、137、138、217、218、237、238‧‧‧回授網路電阻器
119、139、219、239‧‧‧類比-數位轉換器
120、140、220、240‧‧‧輸出數位化電壓匯流排
150、250‧‧‧位址匯流排
160、260‧‧‧記憶體
170‧‧‧輸出資料值
212、232‧‧‧輸出光束
221、241‧‧‧高階位元
245‧‧‧正交輸入雙向計數器
246‧‧‧雙向計數器輸出
270‧‧‧輸出儲存資料值
第1圖係根據本發明實施形態的干涉儀及對應之方法的方塊圖； 第2圖係根據本發明之實施形態的干涉儀的詳細方塊圖；以及第3圖係根據本發明另一實施形態的干涉儀的詳細方塊圖。
5‧‧‧環境
10‧‧‧干涉儀
11‧‧‧第一光訊號
12‧‧‧第二光訊號
14‧‧‧其它輸入訊號
20‧‧‧光-數位轉換器
21‧‧‧第一數位訊號
22‧‧‧第二數位訊號
23‧‧‧時脈
24‧‧‧位址輸入線
25‧‧‧位址、位址輸入
30‧‧‧記憶體
31‧‧‧資料值
32‧‧‧輸出資料值、資料
40‧‧‧數位訊號處理器
45‧‧‧重新載入
50‧‧‧應用程式

Claims (24)

  1. 一種高速干涉儀，其係用於干涉測量法之設備，包含會產生彼此干涉之第一光訊號和第二光訊號的光系統，其中，該第一光訊號和該第二光訊號係經正交編碼且彼此獨立，包括：光-數位轉換器，其係組構成將第一光訊號之強度轉換為第一數位訊號以及將第二光訊號之強度轉換為對應之第二數位訊號，其中，該第一光訊號與該第二光訊號彼此干涉，並且，該等第一數位訊號與對應之第二數位訊號結合形成位址訊號；以及記憶體，具有被載入至範圍在0到2的該位址訊號之寬度乘方的記憶體位址之資料值，其中該記憶體係直接輸入該等位址訊號，並且，其中位址訊號直接讀取該等資料值。
  2. 如申請專利範圍第1項之高速干涉儀，復包括：時脈，其係同步該光-數位轉換器和該記憶體之操作。
  3. 如申請專利範圍第1項之高速干涉儀，復包括：用於在轉換該第一光訊號和該第二光訊號並讀取該等資料值之期間使儲存在該記憶體中之該等資料值動態地適應的機構。
  4. 如申請專利範圍第1項之高速干涉儀，其中，該等資料值係干涉儀之差動距離的正交編碼。
  5. 如申請專利範圍第4項之高速干涉儀，其中，該等資料 值係根據該干涉儀之每一干涉條紋循環的該差動距離之該等正交編碼之複數循環。
  6. 如申請專利範圍第4項之高速干涉儀，其中，該等資料值係該差動距離的數值表示。
  7. 如申請專利範圍第1項之高速干涉儀，其中，該等資料值係該差動距離的格雷碼表示。
  8. 如申請專利範圍第1項之高速干涉儀，其中，該等資料值包含錯誤指示碼。
  9. 如申請專利範圍第8項之高速干涉儀，其中，該等錯誤指示係以該等資料值中的一個或複數個預定位元來提供。
  10. 如申請專利範圍第3項之高速干涉儀，其中，儲存在該記憶體中之該等資料值係動態地適應操作環境。
  11. 如申請專利範圍第3項之高速干涉儀，其中，儲存在該記憶體中之該等資料值係動態地適應從該記憶體讀取之該等資料值。
  12. 如申請專利範圍第3項之高速干涉儀，其中，儲存在該記憶體中之該等資料值係藉由使用從該記憶體讀取之該等資料值的應用程式而動態地適應。
  13. 如申請專利範圍第1項之高速干涉儀，其中，該光-數位轉換器復包括：複數個光二極體，係分別連接至該第一光訊號和該第二光訊號；複數個放大器，係分別連接至該等光二極體；以及 複數個類比-數位轉換器，係分別連接至該等放大器。
  14. 如申請專利範圍第1項之高速干涉儀，其中，該干涉儀之解析度係對應於該等位址訊號中之位元數。
  15. 如申請專利範圍第1項之高速干涉儀，其中，該等資料值的速率係超過一百萬赫茲。
  16. 如申請專利範圍第15項之高速干涉儀，其中，係以該記憶體之存取速率來讀取該等資料值。
  17. 一種用於處理藉由干涉儀所產生之第一光訊號和第二光訊號之方法，其中，該第一光訊號和該第二光訊號係經正交編碼且彼此獨立，該方法包括：將第一光訊號之強度轉換成第一數位訊號以及將第二光訊號之強度轉換成對應之第二數位訊號，其中，該第一光訊號與該第二光訊號彼此干涉，並且，該等第一數位訊號與對應之第二數位訊號結合形成位址訊號；以及對具有被載入至範圍在0到2的該位址訊號之寬度乘方的記憶體位址之資料值之記憶體進行存取，並且，該等位址訊號直接讀取該等資料值。
  18. 如申請專利範圍第17項之方法，復包括使該光-數位轉換器和該記憶體之操作同步。
  19. 如申請專利範圍第17項之方法，復包括：在轉換該第一光訊號和該第二光訊號並讀取該等資料值之期間，動態地適應儲存在該記憶體中之該等資 料值。
  20. 如申請專利範圍第17項之方法，其中，該等資料值係干涉儀之差動距離的正交編碼。
  21. 如申請專利範圍第17項之方法，其中，該等資料值包含錯誤指示碼。
  22. 如申請專利範圍第19項之方法，其中，儲存在該記憶體中之該等資料值係動態地適應操作環境。
  23. 如申請專利範圍第20項之方法，其中，該干涉儀之解析度對應於該等位址訊號中之一些位元。
  24. 一種用於測量第一光訊號和第二光訊號之間之干涉的設備，其中，該第一光訊號和該第二光訊號係經正交編碼且彼此獨立，該設備包括：用於將該第一光訊號轉換成第一數位訊號之機構；用於將該第二光訊號轉換成對應之第二數位訊號之機構；用於結合該等第一數位訊號和該等對應之第二數位訊號以形成位址訊號之機構；以及記憶體，具有被載入至範圍在0到2的該位址訊號之寬度乘方的記憶體位址之資料值，其中該記憶體係直接輸入該等位址訊號，並組構成將對應於該第一光訊號和該第二光訊號之間之干涉的資料值儲存，並且，該位址訊號係直接讀取該等資料值。
TW097138364A 2007-10-25 2008-10-06 高速干涉儀、用於處理藉由干涉儀所產生之第一光訊號和第二光訊號之方法及用於測量第一光訊號和第二光訊號之間之干涉的設備 TWI396829B (zh)

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