TWI401410B - Micro - shift optical measurement system - Google Patents

Description

微移距光學測量系統

本發明是有關於一種光學測量系統，特別是指一種可應用於高精準度測量的微移距光學測量系統。

當進行距離或長度測量時，若測量工具的度量單位是公分時，則測量精準度即為公分，度量單位是公釐時，則量測可精準至公釐；也就是說，測量工具的度量單位愈小，測量微小距離或長度而得到的測量結果愈準確。

參閱圖1，現有的微移距光學測量系統包含一發光裝置11、一分光裝置12、一反射裝置13、一微移距裝置14，及一計數裝置15。

該發光裝置11發出預定波長λ的光91，在本例中，該發光裝置11為一雷射光發出裝置。

該分光裝置12將該發光裝置11發出之預定波長λ的光91分成一沿一第一光路X1行進的第一分光92，與一沿一第二光路X2行進的第二分光93，在本例中，該分光裝置12為一使入射光部分反射且部分穿透的分光鏡。

該反射裝置13設置在該第一光路X1上，反射該第一分光92沿該第一光路X1通過該分光裝置12後沿一第三光路X3行進，在本例中，該反射裝置13為一反射鏡。

該微移距裝置14設置在該第二光路X2上，反射該第二分光93沿該第二光路X2通過該分光裝置12後沿該第三光路X3行進並與該第一分光92形成一干涉光94，在本例中，該微移距裝置14為一反射鏡。

該計數裝置15設置在該第三光路X3上接收該干涉光94並計數該干涉光94的干涉次數，其中，干涉次數一次定義為該干涉光94所成的干涉條紋在亮度最亮與最暗之二狀態間變換一次，同時，形成該干涉光94的該第一、二分光92、93間的光程差變化λ/2，當該計數裝置15計數干涉次數為Δk時，該微移距裝置14對應移動Δk×λ/4。

詳細地說，移動該微移距裝置14使該第一分光92與該第二分光93間的光程差產生變化，而當光程差每變化λ/2，該干涉次數增加一次，並且，該微移距裝置14對應移動λ/4，也就是說，該微移距光學測量系統以λ/4為度量單位進行微小距離或長度的測量。

使用上述的微移距光學測量系統進行微小距離或長度的測量時，是相對該分光裝置12移動該微移距裝置14由一起始位置至一所欲測量的距離位置，若此時該計數裝置15計數該干涉光94的干涉次數為Δk，可得到該起始位置至該距離位置的距離(或長度)L=Δk×λ/4。

由上述說明可知，現有的微移距光學測量系統是以λ/4為度量單位進行距離測量，也就是說進行測量時會受限於所選用的光源波長λ，而無法進行更精密、更小尺寸的測量，尤其目前奈米科技正當蓬勃發展時，測量所需要的精準度同樣大幅增加，因此如何使測量的精準度大幅提升是勢在必行並且亟待突破的難題。

因此，本發明之目的，即在提供一種測量度量單位小而能更精準測量微小距離或長度的微移距光學測量系統。

於是，本發明微移距光學測量系統包含一發光裝置、一分光裝置、一反射裝置、一微移距裝置，及一計數裝置。

該發光裝置發出預定波長λ的光。

該分光裝置將該發光裝置發出的光分成一沿一第一光路行進的第一分光，與一沿一第二光路行進的第二分光。

該反射裝置設置在該第一光路上，反射該第一分光沿該第一光路通過該分光裝置後沿一第三光路行進。

該微移距裝置設置在該第二光路上並包括由多數光學元件組成的一第一光學單元，與一第二光學單元，其中，組成該第一光學單元的光學元件數為n，組成該第二光學單元的光學元件數為n-1，n為不小於2的自然數，組成該第一、二光學單元的光學元件彼此相對地成排設置並成排移動，使該第二分光沿第二光路行進依序交替地通過該第一、二光學單元的每一光學元件後沿一平行且等長於該第二光路的第四光路行進，而在通過該分光裝置後沿該第三光路行進並與該第一分光形成一干涉光。

該計數裝置設置在該第三光路上接收該干涉光並計數該干涉光的干涉次數，當該計數裝置計數干涉次數為Δk時，該第一、二光學單元的成排光學元件彼此對應移動Δk×λ/4n。

本發明之功效在於：藉由移動n、n-1個光學元件所組成的該第一、二光學單元，使該計數裝置所計數的干涉次數每增加一次，該第一、二光學單元彼此對應移動λ/4n，進而以λ/4n為度量單位進行測量，以大幅縮減進行測量時使用的度量單位而有效提升微距離測量的精準度。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖2，本發明微移距光學測量系統的一較佳實施例包含一發光裝置21、一分光裝置22、一反射裝置23、一微移距裝置24，及一計數裝置25。

該發光裝置21發出預定波長λ的光31，在本例中，該發光裝置21為一雷射光發出裝置。

該分光裝置22將該發光裝置21發出之預定波長λ的光31分成一沿一第一光路Y1行進的第一分光32，與一沿一第二光路Y2行進的第二分光33。

該反射裝置23設置在該第一光路Y1上，反射該第一分光32沿該第一光路Y1通過該分光裝置22後沿一第三光路Y3行進。

該微移距裝置24設置在該第二光路Y2上，並包括由多數光學元件243組成的一第一光學單元241，與一第二光學單元242，在本例中，該些光學元件243分別是等腰直角三稜鏡，組成該第一光學單元241的光學元件243數為2，組成該第二光學單元242的光學元件243數為1。

組成該第一、二光學單元241、242的光學元件243彼此相對地成排設置並可成排移動，使該第二分光33沿第二光路Y2行進依序交替地通過該第一、二光學單元241、242的每一光學元件243，其中，該第二分光33是自每一光學元件243的長面垂直入射後經二次全反射後再由該長面垂直射出，如圖2所示，之後，沿一平行且等長於該第二光路Y2的第四光路Y4行進，而在通過該分光裝置22後沿該第三光路Y3行進並與該第一分光32形成一干涉光34。

該計數裝置25設置在該第三光路Y3上接收該干涉光34並計數該干涉光34的干涉次數，其中，干涉次數一次定義為該干涉光34所成的干涉條紋在亮度最亮與最暗之二狀態間變換一次，同時，形成該干涉光34的該第一、二分光32、33間的光程差變化λ/2，當該計數裝置25計數干涉次數為△k時，該第一、二光學單元241、242的成排光學元件243彼此對應移動△k×λ/8。

詳細地說，當該微移距裝置24的第一、二光學單元241、242的成排光學元件243彼此相對移動時，使該第一分光32與該第二分光33的光程差產生變化，而由於第二分光33依序通過第一光學單元241的其中一光學元件243、第二光學單元242的光學元件243與第一光學單元241的另一光學元件243後沿第四光路Y4行進，並在通過該分光裝置22後沿第三光路Y3行進而與該第一分光32形成該干涉光34，所以，當移動該第一、二光學單元241、242的成排光學元件243彼此相對位移而使彼此間的間距每變化 λ/8，該第一、二分光32、33間的光程差相應變化λ/2，且該干涉次數會增加一次，也就是說，本發明微移距光學測量系統以λ/8為度量單位進行微小距離或長度的測量。

參閱圖3，以本發明微移距光學測量系統進行微小距離或長度的測量時，是固定該第二光學單元242，並移動該第一光學單元241由一起始位置至一所欲測量的距離位置，同時以該計數裝置25計數該干涉光34的干涉次數，當第一光學單元241的成排光學元件243位移該距離位置時，此時該計數裝置25計數干涉次數為△k，而得到所欲測量的距離(或長度)L=△k×λ/8。

本實施例藉由組成該第一光學單元241的二個光學元件243(等腰直角三稜鏡)與組成該第二光學單元242的一個光學元件243(等腰直角三稜鏡)，使依序通過的第二分光33與該第一分光32間的光程差每變化λ/2，該第一、二光學單元241、242的成排光學元件243彼此對應移動λ/8，與現有的微移距光學測量系統以λ/4為度量單位進行距離測量相比，能進行更加精準地測量而提升二倍測量的精準度。

由上述說明可知，當組成該第一光學單元241的光學元件243數為2，且組成該第二光學單元242的光學元件243數為1時，該第一、二分光32、33間的光程差每變化λ/2，即一次干涉次數，則該第二分光33在該第一、二光學單元241、242間行進4L，且該第一、二光學單元241、242的成排光學元件243彼此對應移動L，如圖3所示，可得到4L=λ/2而得到L=λ/8，故干涉次數每增加一次，該第一、二光學單元241、242的成排光學元件243彼此對應移動λ/8而以λ/8為度量單位進行測量；而當組成該第一光學單元241的光學元件243數為3，且組成該第二光學單元242的光學元件243數為2時，該第一、二分光32、33間的光程差每變化λ/2，則該第二分光33在該第一、二光學單元241、242間行進6L，可得到6L=λ/2而得到L=λ/12，因此，該第一、二光學單元241、242的成排光學元件243彼此對應移動λ/12，也就是說，是以λ/12為度量單位進行測量。

因此，經歸納後可得到以下結果：當組成該第一光學單元241的光學元件243數為n，組成該第二光學單元242的光學元件243數為n-1時，本發明微移距光學測量系統以λ/4n為度量單位進行測量，其中，n為不小於2的自然數。

就上述歸納的結果來看，n愈大，所提升的測量精準度愈高，但是n顯然無法趨近無限大，並且，當光學元件243數目一多，在光路設置的精準性、成排光學元件243的移動與系統的空間配置會有實施上的困難，此時，可藉由導入微機電技術，使該等光學元件243整合成微系統元件或晶片，不但大幅縮小所需的空間配置，還增加移動該第一、二光學單元241、242的成排光學元件243時的準確性，並可針對所需求之測量精準度製作所需要的該第一、二光學單元241、242。

另外還要補充說明的是，以本發明微移距光學測量系統進行微小距離或長度的測量時，亦可固定該第一光學單元241，並移動該第二光學單元242，或是同時移動該第一、二光學單元241、242，而使該第一、二光學單元241、242彼此對應位移L。

參閱圖4，此外，經過上述的說明，本發明第一、二光學單元241’、242’的每一光學元件244，還可以用二反射鏡配置取代，而使該第二分光33沿第二光路Y2行進依序交替地通過該第一、二光學單元241’、242’的每一光學元件244(二反射鏡)時，是入射其中一反射鏡後反射至另一反射鏡後反射而向下一光學元件244(二反射鏡)射出，如此，也可以讓第一、二分光32、33的光程差每變化λ/2，該第一、二光學單元241’、242’的成排光學元件244彼此對應移動λ/4n，而以λ/4n為度量單位進行距離測量，達到提升測量精準度的目的。

綜上所述，本發明微移距光學測量系統藉著分別由n、n-1個光學元件243彼此相對地成排設置組成的該第一、二光學單元241、242，使該干涉光34的干涉次數每增加一次，該第一、二光學單元241、242的成排光學元件243彼此對應移動λ/4n，進而以λ/4n為度量單位進行測量而可大幅縮減進行測量時使用的度量單位，有效提升微距離測量的精準度，再配合微機電技術的導入，可大幅微縮該第一、二光學單元241、242所需的空間配置而使本發明微移距光學測量系統可輕易實施，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

Y1．．．第一光路

Y2．．．第二光路

Y3．．．第三光路

Y4．．．第四光路

21．．．發光裝置

22．．．分光裝置

23．．．反射裝置

24．．．微移距裝置

24’．．．微移距裝置

241．．．第一光學單元

241’．．．第一光學單元

242．．．第二光學單元

242’．．．第二光學單元

243．．．光學元件

244．．．光學元件

25．．．計數裝置

31．．．預定波長λ的光

32．．．第一分光

33．．．第二分光

34．．．干涉光

圖1是一示意圖，說明現有的微移距光學測量系統；

圖2是一示意圖，說明本發明微移距光學測量系統的一較佳實施例；

圖3是一示意圖，輔助說明圖2的該較佳實施例；及

圖4是一示意圖，輔助說明圖2的該較佳實施例。

Y1．．．第一光路

Y2．．．第二光路

Y3．．．第三光路

Y4．．．第四光路

21．．．發光裝置

22．．．分光裝置

23．．．反射裝置

24．．．微移距裝置

241．．．第一光學單元

242．．．第二光學單元

243．．．光學元件

25．．．計數裝置

31．．．預定波長λ的光

32．．．第一分光

33．．．第二分光

34．．．干涉光

Claims (3)

1. 一種微移距光學測量系統，包含：一發光裝置，發出預定波長λ的光；一分光裝置，將該發光裝置發出的光分成一沿一第一光路行進的第一分光，與一沿一第二光路行進的第二分光；一反射裝置，設置在該第一光路上，反射該第一分光沿該第一光路通過該分光裝置後沿一第三光路行進；一微移距裝置，設置在該第二光路上並包括由多數光學元件組成的一第一光學單元，與一第二光學單元，其中，組成該第一光學單元的光學元件數為n，組成該第二光學單元的光學元件數為n-1，n為不小於2的自然數，組成該第一、二光學單元的光學元件彼此相對地成排設置並成排移動，使該第二分光沿第二光路行進依序交替地通過該第一、二光學單元的每一光學元件後沿一平行且等長於該第二光路的第四光路行進，而在通過該分光裝置後沿該第三光路行進並與該第一分光形成一干涉光；及一計數裝置，設置在該第三光路上接收該干涉光並計數該干涉光的干涉次數，當該計數裝置計數干涉次數為Δk時，該第一、二光學單元的成排光學元件彼此對應移動Δk×λ/4n。
2. 根據申請專利範圍第1項所述的微移距光學測量系統，其中，每一光學元件是等腰直角三稜鏡，並且，組成該第一、二光學單元的等腰直角三稜鏡以長面彼此相對地成排設置，而使該第二分光沿第二光路行進依序交替地通過該第一、二光學單元的每一等腰直角三稜鏡時，是自該等腰直角三稜鏡的長面垂直入射後經二次全反射後再由該長面垂直射出。
3. 根據申請專利範圍第1項所述的微移距光學測量系統，其中，每一光學元件是由二反射鏡組成，而使該第二分光沿第二光路行進依序交替地通過該第一、二光學單元的每一光學元件時，是入射其中一反射鏡後反射至另一反射鏡後反射而自該光學元件射出。