TWI403687B - Displacement measuring device and its measuring method - Google Patents

Description

位移量測裝置及其量測方法

本發明係有關於一種量測裝置及其量測方法，特別是指一種位移量測裝置及其量測方法。

現今全球至少超過30個國家在奈米領域投入國家型計畫。奈米技術匯集力學、電學、光學、材料、化工、製造、量測、生醫工程、微機電等技術。隨著工業技術的奈米化發展，對於產品製造、機件對位的高精確度、高解析度要求也不斷地提升，其中，精密的平面定位或是面內移動量測技術在半導體產業、光電業、機械加工業及生物科技產業，皆扮演著極重要的角色。

目前研究奈米微觀世界的尺度結構以及物理或化學的特性，需要一個有力的工具來達到觀測奈米結構的目的。最常用的工具是掃描探針顯微儀(Scanning Probe Microscope)。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用在這些平台上。奈米定位包含驅動、感測與回饋等等的技術，而精密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。

請參閱第一圖，其係為習知技術之位移量測裝置之示意圖，如圖所示；此位移量測裝置是由R.Dandliker與J.-F.Willemin在1981年發表(參考“Measuring microvibrations by heterodyne speckle interferometry”,Optics Letters,Volume 6,Issue 4,Apr.1,1981,Pages 165-167)。習知位移量測裝置包含一雷射光源11、一分光鏡13、複數個聲光調制器14、複數個反射鏡15、複數個透鏡16、一待測光柵17與一光偵測器18；雷射光源11發出一光束12A，光束12A經過分光鏡13將光束分成一光束12B與一光束12C，光束12B與光束12C分別入射至聲光調制器14後，再分別入射至反射鏡15，藉由反射鏡15決定光束的路徑，之後再藉由透鏡16以將光束聚焦在待測光柵17上，待測光柵17則會使光束12B與光束12C繞射分光，分別將兩光束所繞射出光束12D與光束12E重疊干涉，並經由透鏡16將光束12D與光束12E，傳撥至光偵測器18，藉由光偵測器18接收兩繞射光束干涉的光信號。因此當待測光柵17位移時，即可計算出待測光柵17的位移。然而，習知的位移量測裝置由於系統利用聲光調制器作為外差光源的產生器，其體積龐大使得系統無法微型化。

因此，本發明提供一種位移量測裝置，其體積小，可使移量測裝置微型化，並且可增加位移偵測時的振動幅度，如此可解決上述之問題。

本發明之主要目的，在於提供一種位移量測裝置及其量測方法，其係藉由一第一反射結構與一第二反射結構以使入射光線所分之一第一光束與一第二光束產生不同的光程差，如此可使位移量測裝置之結構簡化，藉由量第一光束與第二光束所匯集之一散射光之一干涉信號，以增加量測待測物之位移或是振動的幅度。

本發明之位移量測裝置包含一光源、一分光鏡、一待測物、一第一反射結構、一第二反射結構、一光偵測器與一運算單元；分光鏡接收光源所發出之一入射光線，分光鏡將入射光線分為一第一光束與一第二光束；第一反射結構反射第一光束至一待測物之表面；第二反射結構反射第二光束至待測物之表面，反射後之第一光束與反射後之第二光束具有一光程差，待測物散射第一光束與第二光束所匯集之一散射光，散射光具有一干涉信號；光偵測器接收散射光之干涉信號；運算單元接收並計算干涉信號以產生一位移量。

本發明之位移量測裝置首先，提供一光源，光源具有一入射光線；之後，分離入射光線為一第一光束與一第二光束；接著，反射第一光束至一待測物之表面；然後，反射第二光束至待測物之表面，待測物散射第一光束與第二光束所匯集之一散射光，散射光具有一干涉信號；接著，接收干涉信號，最後，接收並計算干涉信號之一位移量。

本發明藉由第一反射結構與第二反射結構以使入射光線所分之一第一光束與一第二光束產生不同的光程差，如此可 使位移量測裝置之結構簡化，並可有效量測待測物之位移或是振動的幅度。

11‧‧‧雷射光源

12A‧‧‧光束

12B‧‧‧光束

12C‧‧‧光束

12D‧‧‧光束

12E‧‧‧光束

13‧‧‧分光鏡

14‧‧‧聲光調制器

15‧‧‧反射鏡

16‧‧‧透鏡

17‧‧‧待測光柵

18‧‧‧光偵測器

20‧‧‧光源

22‧‧‧入射光線

24‧‧‧散射光

222‧‧‧第一光束

224‧‧‧第二光束

30‧‧‧分光鏡

40‧‧‧待測物

50‧‧‧第一反射結構

52‧‧‧第一反射鏡

60‧‧‧第二反射結構

62‧‧‧第二反射鏡

64‧‧‧第三反射鏡

70‧‧‧光偵測器

80‧‧‧運算單元

90‧‧‧透鏡

第一圖為習知技術之位移量測裝置之示意圖；第二圖為本發明較佳實施例之移量測裝置之結構示意圖；第三圖為本發明較佳實施例之光偵測器於單位間內偵測的光強度示意圖；第四圖為本發明較佳實施例之位移量測裝置之量測方法之流程圖；第五圖為本發明較佳實施例之運算單元接收並計算干涉信號之位移量之流程圖；以及第六圖為本發明與商用電容式位移計於單位時間內位移量的量測曲線圖。

茲為使 貴審查委員對本發明之結構特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：

請參閱第二圖，其係為本發明較佳實施例之移量測裝置之結構示意圖；如圖所示，本發明之位移量測裝置包含一光源20、一分光鏡30、一第一反射結構50、一第二反射結構60、一光偵測器70與一運算單元80；分光鏡30接收光源20所發出之一入射光線22，分光鏡30將入射光線22分為一第一光束222與一第二光束224；第一反射結構50反射第一光束222至 、一待測物40之表面；第二反射結構60反射第二光束224至待測物40之表面，反射後之第一光束222與反射後之第二光束224具有一光程差；待測物40散射第一光束222與第二光束224所匯集之一散射光24；散射光24具有一干涉信號；光偵測器70接收散射光24之干涉信號；運算單元80接收並計算干涉信號以產生一位移量。藉由第一反射結構與第二反射結構以使入射光線所分之一第一光束與一第二光束產生不同的光程差，如此可使位移量測裝置之結構簡化，並可增加量測待測物之位移或是振動的幅度。藉由第一反射結構50與第二反射結構60以使入射光線22所分之一第一光束222與一第二光束224產生不同的光程差，如此可使位移量測裝置微型化，並可有效量測待測物40之位移或是振動的幅度。

本發明之光源20為波長可隨時間變化的光源，因此可利用函數波產生器產生鋸齒波，在藉此調制光源20所輸出的波長。分光鏡30接收光源20所發出之入射光線22，利用分光鏡30將產生的光分為第一光束222與第二光束224，之後再利用第一反射結構50與第二反射結構60，以使第一光束222與第二光束224產生不同光程。

第一反射結構50包含一第一反射鏡52，第一反射鏡52反射第一光束222至待測物40之表面，第二反射結構60包含一第二反射鏡62與一第三反射鏡64，第二反射鏡62反射第二光束224，第三反射鏡64接收第二反射鏡62所反射之第二光束224，並且反射至待測物40之表面。此實施例之第二反射結 構60與第一反射結構50相較之下，第二反射結構60比第一反射結構50多出一個反射鏡，因此改變了第一光束222與第二光束224之行走的距離。因此，藉由第一反射結構50與第二反射結構60可使第一光束222與第二光束224產生不同光程。

故，當待測物40散射第一光束222與第二光束224所匯集之散射光24後，使兩光入射待測物40之散射面時產生光程差，是故所產生之散射光24即為一具有外差信號散射光24。

而本發明更包含一透鏡90，透鏡90匯聚散射光24線至光偵測器70，利用透鏡90收集散射面所反射的外差散射光24，利用光偵測器70收集散射光24的干涉信號，最後利用運算單元80取出連續的信號變化，並將截取到的信號分辨出正弦函數值與餘弦函數值進行運算，進而求得相位，再轉換為移動距離的資訊。

請一併參閱第三圖，為本發明較佳實施例之運算單元接收並計算干涉信號之位移量之流程圖；如圖所示，首先，進行步驟S1，提供一光源20，光源20具有入射光線22；之後，進行步驟S2，使用分光鏡30將入射光線22分離為第一光束222與第二光束224；接著，進行步驟S3，使用第一反射結構50反射第一光束222至待測物40之表面；之後，進行步驟S4，使用第二反射結構60反射第二光束224至待測物40之表面，待測物40散射第一光束222與第二光束224所匯集之散射光24，散射光24具有一干涉信號；然後，進行步驟S5，使用光偵測器接70收干涉信號；最後，進行步驟S6，使用運算單元 80接收並計算干涉信號之一位移量。

請一併參閱第四圖與第五圖，其係為本發明較佳實施例之光偵測器於單位間內偵測的光強度示意圖與運算單元接收並計算干涉信號之位移量之流程圖；本發明於使用運算單元80計算待測物40之位移量時，首先，進行步驟S60，開始；之後，進行步驟S61，擷取一散射光24之一兩倍週期的干涉訊號，擷取兩倍週期或是大於兩倍週期的的干涉訊號，其用意是為了確定所擷取的干涉訊號內有一個完整的訊號波，以便於後續的分析動作，接著，進行步驟S62，判斷干涉訊號的有效範圍。根據阿貝理論(Abbe theory)，散射面可視為一多種不同空間頻率的弦波光柵所構成。各種不同空間頻率的弦波光柵各對應出一組階繞射光，因此待測物40之散射面所散射出來第一光束222可視作各種不同間距之光柵繞射出的階繞射光，因此光偵測器70接收到待測物40的散射光24，可視做一間距為弦波光柵繞射出的+1階繞射光；而另一方向以同樣入射角的第二光束224，經由散射面散射後，偵測面收到的則是相同間距之弦波光柵所繞射出的-1階繞射光。

若光柵發生面內位移的情況時，+1階繞射光與-1階繞射光分別會載入大小相同但方向相反的相位變化，如式(1)與式(2)： 與 因此偵測面上接收到的光干涉訊號可以表示成：

如式(3)所示，光強的干涉項中，依然包含有光柵(待測物40之散射面)位移的資訊。因此可證明散射面的面內位移現象，可藉由兩束不同方向但入射角相同之入射光疊合干涉後，將位移量載入光強相位之中。因此，進行步驟S63，擷取干涉訊號之一位置數值；並且，進行步驟S64，計算位置數值之一相位數值；根據以上理論的推導，利用相位擷取技術取出干涉訊號的相位變化量： 經由換算後，即可由相位變化推得位移變化量與位移關係式為： 因此，進行步驟S65，計算相位數值之一位移數值。再將光偵測器70所擷取到的信號經由運算單元80運算後再儲存，最後則進行步驟S66，判斷系統是否暫停；若是則進行進行步驟S67，停止之步驟，若否則進行步驟S1。而將所得到的連續資料依光源20調變的調變頻率分段，在每一段資料上尋找任意兩相鄰相對高點定為相位差2 π，因正弦函數與餘弦函數在數學上為兩相差π/2的資料點，有鑑於此當找到兩相鄰的相對高點之相對位置點P1 31A與P2 31B，則定義Q1為 P1點之信號，並設為正弦函數點，Q2為位於P1+(P2-P1)/4位置點之信號，並設為餘弦函數，利用計算出相位θ，進而利用式(5)推算出位移量。

請一併參閱第六圖，其係為本發明與商用電容式位移計於單位時間內位移量的量測曲線圖；如圖所示，曲線32A為本發明於單位時間內位移量的量測曲線，而32B為商用電容式位移計於單位時間內位移量的量測曲線，由圖五可知，電容式位移計所量測到的結果與本發明所量測到的結果是相近的，但本系統的購置成本卻遠小於電容式位移計的購置成本。

綜上所述，本發明之位移量測裝置包含一光源；光源之一入射光線分為一第一光束與一第二光束；一第一反射結構與一第二反射結構分別反射第一光束與第二光束至一待測物之表面，且反射後之第一光束與第二光束具有一光程差，待測物散射第一光束與第二光束所匯集之一散射光，散射光具有一干涉信號；一光偵測器接收散射光之干涉信號；一運算單元接收並計算干涉信號以產生一位移量。藉由第一反射結構與第二反射結構以使入射光線所分之一第一光束與一第二光束產生不同的光程差，如此使位移量測裝置結構簡化，並可增加量測待測物之位移或是振動的幅度。藉由第一反射結構與第二反射結構以使入射光線所分之一第一光束與一第二光束產生不同的光程差，如此可使位移量測裝置微型化，並可增加量測待測物之位移或是振動的幅度。

故本發明係實為一具有新穎性、進步性及可供產業利用者，應符合我國專利法所規定之專利申請要件無疑，爰依法提出發明專利申請，祈 鈞局早日賜准專利，至感為禱。

惟以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

20‧‧‧光源

22‧‧‧入射光線

24‧‧‧散射光

222‧‧‧第一光束

224‧‧‧第二光束

30‧‧‧分光鏡

40‧‧‧待測物

50‧‧‧第一反射結構

52‧‧‧第一反射鏡

60‧‧‧第二反射結構

62‧‧‧第二反射鏡

64‧‧‧第三反射鏡

70‧‧‧光偵測器

80‧‧‧運算單元

90‧‧‧透鏡

Claims (14)

1. 一種位移量測裝置，包含：一光源；一分光鏡，接收該光源所發出之一入射光線，該分光鏡將該入射光線分為一第一光束與一第二光束；一第一反射結構，反射該第一光束至一待測物之表面；一第二反射結構，反射該第二光束至該待測物之表面，反射後之該第一光束與反射後之該第二光束具有一光程差，該待測物散射該第一光束與該第二光束所匯集之一散射光，該散射光具有一干涉信號；一光偵測器，接收該散射光之該干涉信號；以及一運算單元，接收並計算該干涉信號以產生一位移量。
2. 如申請專利範圍第1項所述之位移量測裝置，其中該第一反射結構包含一第一反射鏡，該第一反射鏡反射該第一光束至該待測物之表面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之位移量測裝置，其中該第二反射結構包含：一第二反射鏡，反射該第二光束；以及一第三反射鏡，接收該第二反射鏡所反射之該第二光束，並且反射至該待測物之表面。
4. 如申請專利範圍第1項所述之位移量測裝置，其中更包含一透鏡，該透鏡匯聚該散射光線至該光偵測器。
5. 如申請專利範圍第1項所述之位移量測裝置，其中該光源為波長可隨時間變化的光源。
6. 如申請專利範圍第1項所述之位移量測裝置，其中該運算單元擷取該干涉訊號之一位置數值，並計算該位置數值之一相位數值，且依據該相位數值得知該位移量。
7. 如申請專利範圍第1項所述之位移量測裝置，其中該光偵測器擷取該散射光之一兩倍週期的該干涉訊號，並傳送給該運算單元。
8. 如申請專利範圍第7項所述之位移量測裝置，其中該運算單元判斷該干涉訊號的有效範圍。
9. 一種位移量測裝置之量測方法，該方法包含：提供一光源，該光源具有一入射光線；分離該入射光線為一第一光束與一第二光束；反射該第一光束至一待測物之表面；反射該第二光束至該待測物之表面，該待測物散射該第一光束與該第二光束所匯集之一散射光，該散射光具有一干涉信號；接收該干涉信號；以及接收並計算該干涉信號之一位移量。
10. 如申請專利範圍第9項所述之位移量測裝置之量測方法，其中於接收並計算該干涉信號之一位移量之步驟中，包含下列步驟：擷取該干涉訊號之一位置數值；計算該位置數值之一相位數值；以及 依據該相位數值得知該位移量。
11. 如申請專利範圍第10項所述之位移量測裝置之量測方法，其中於擷取該干涉訊號之一位置數值之步驟前，更包含一步驟，其係擷取該散射光之一兩倍週期的該干涉訊號。
12. 如申請專利範圍第10項所述之位移量測裝置之量測方法，其中於擷取該散射光之一兩倍週期的該干涉訊號之步驟後，更該包含一步驟，其係判斷該干涉訊號的有效範圍。
13. 如申請專利範圍第10項所述之位移量測裝置之量測方法，其中於依據該相位數值得知該位移量之步驟後包含一步驟，其係判斷是否暫停擷取該散射光。
14. 如申請專利範圍第13項所述之位移量測裝置之量測方法，其中於判斷系統是否暫停之步驟中，若是則進行停止之一步驟，若否則進行擷取該散射光之一兩倍週期的該干涉訊號之步驟。