TWI414747B - A five - degree - of - freedom optical system - Google Patents

Description

一種五自由度光學尺系統

本發明係關於一種五自由度光學尺系統，特別是指一種五自由度光學尺系統。

隨著目前高科技產業的蓬勃發展，不管是量測技術或是半導體製程等，皆已達到微米甚至奈米等級，例如：電子相關產業的IC封裝與測試等製程技術，以及各廠房所使用到的定位儀器、誤差檢測與即時補償設備等，甚至是實驗室中所常見到的精密位移量測儀器，例如：干涉儀、光學尺等等，都能顯示出精密量測技術與精密定位系統開發的重要性。就目前精密製程產業中，超精密加工和光電元件的加工等製程上，皆需要極高的精密度以及極細膩的解析度以檢測位置的檢測裝置，所以精密定位系統的開發也就格外的講究；另外就各廠房或是實驗室用於檢測物體的各個移動方向皆需使用到多種儀器同時進行量測，因此無法達到一次檢測以及一機多用的多工設計。更由於近年來的光柵干涉原理以及電子細分割技術和二維平面光學尺等的技術發展，目前已有光學尺產品可提供二維定位且解析度已可達奈米級，故光學尺被用於奈米精密定位的機器與設備，將會越來越廣泛。由於工作平台的多自由度方位變動將連帶產生誤差，這些設備大多是經由線性元件、旋轉平台以及其它元件經設計組裝而成，故具有多個自由度運動，而機具中之各種運動平台的特性皆會影響整台機具的精度與加工品質，所以被加工工件的定位、精密零件的安裝及目標物體在空間運動位置和角度都需要至六個自由度的量測與調整或控制。因此對多自由度的檢測需提出更高規格的要求，希望能同時量測工件、零件或目標物體在空間的多個自由度。

以光學尺的發展，其不僅可作為定位控制的量測，亦可做為誤差檢測和誤差回授的量測儀器。雖然光學尺解析度已大大提升，但其仍以作為定位訊號回饋之量測儀器為主，因此僅能提供平面位移訊號，大大限制其發展。

由此可見，上述習用物品仍有諸多缺失，實非一良善之設計者，而亟待加以改良。

本案發明人鑑於上述習用所衍生的各項缺點，乃亟思加以改良創新，並經苦心孤詣潛心研究後，終於成功研發完成本件一種五自由度光學尺系統。

本發明之目的在於提供以單一量測讀頭進行五自由度的同時量測，包括兩個線性位移量Δx與Δz(左右直度)以及三個角位移量，俯仰度(pitch)、搖擺度(yaw)、滾動度(roll)等，可提供業界利用現有量測設備擴大功能至多自由度量測系統，並可避免架設多讀頭系統以縮短架設時所浪費的空間以及時間、不需再購買整套新量測系統，只需再加裝本量測讀頭，即可完成多自由度的即時測量，因此可大大降低其成本。

本發明之次一目的係在於提供一種具單軸或雙軸位移訊號之回饋，更可同時檢測平台運動時直度、角度之變化訊號之五自由度光學尺系統。

本發明之另一目的係在於提供一種五自由度光學尺系統，將可進一步做為平台運動六自由度誤差檢測系統，並利用電子細分割技術將可達到奈米級檢測精度。

可達成上述發明目的之一種五自由度光學尺系統，包括有：光學量測單元，為提供一雷射二極體作為光源以一光束入射於一反射式光柵，使該反射式光柵產生正負一階繞射光，該正負一階繞射光並由位置感測器接收以量測四個自由度的移動訊號；反射量測單元，以第一分光鏡與第二分光鏡接收正負一階繞射光，再以反射定律分別將正負一階反射光導入第三分光鏡，以產生正負一階反射光與正負一階穿透光，該正一階反射光與負一階穿透光形成第一合成光，該負一階反射光與正一階穿透光形成第二合成光，該第一合成光與第二合成光又分別經檢偏器後則入射兩個光檢測器以接收干涉光訊號。

請參閱圖一與圖二，本發明所提供之一種五自由度光學尺系統，主要包括有：光學量測單元，為提供一雷射二極體作為光源1以一光束入射於一反射式光柵8，使該反射式光柵8產生正負一階繞射光L11、L12，該正負一階繞射光L11、L12並由位置感測器12、13接收以量測四個自由度的移動訊號，請參閱附件一與附件二；反射量測單元，係以第一分光鏡9與第二分光鏡10接收正負一階繞射光L11、L12，再以反射定律分別將正負一階反射光L31、L32導入第三分光鏡11，以產生正負一階反射光L31‘、L32‘與正負一階穿透光L21、L22，該正一階反射光L31‘與負一階穿透光L22形成第一合成光L41，該負一階反射光L32‘與正一階穿透光L21形成第二合成光L42，該第一合成光L41與第二合成光L42又分別經檢偏器16、17後則入射兩個光檢測器18、19以接收干涉光訊號。

該光源1是以一雷射二極體(Laser Diode)作為光源1，其光波具有高度的指向性以及同調性，但是卻具有較小的體積與更大的發光效率。

如圖三與圖四所示，本發明更包含兩個四分之一波片(Quarter Wave plate)6、7，首先該四分之一波片6與偏極分光鏡2構成一簡易的光隔離器，以防止光源受到反射光等的干擾；而另一四分之一波片7係設置於反射式光柵8所產生之負一階繞射光L12至第二分光鏡10的光路上，以將負一階繞射光L12相位改變；該四分之一波片6、7為將入射光由線偏振光變成圓偏振光，或是將圓偏振光變成線偏振光，而本創作主要是利用四分之一波片6、7對於穿透之的光相位所具有的特性，用以將光的相位延遲或是超前。

該分光鏡(Beam Splitter)為將入射之光束依特定比例分光成為穿透光以及反射光。

該位置感測器12、13為二維的四象限位置感測器(即QD，Quadrant Detector)、光接收電晶體、光接收二極體之中的二維光檢測器、一維光檢測器、或是一維光位置檢測器5(即PSD，Position Sensor Detector)等，利用入射到感測器上光點的位置不同來判別各自由度的動作變化，且以順向及反向運動學，配合牛頓法求出各個方向動作的誤差量。

該檢偏器16、17(Polarizer)其作用類似偏極分光鏡2，不過其為片狀結構，可自行調整其偏振角度，只能讓符合此偏振角度的偏振光才能通過此檢偏器16、17，反之，其他偏振方向的光束將被遮斷。

該光檢測器18、19(即PD，Photodiode)為光強度檢測器，係一PIN結構之光電半導體，主要是藉由其光電效應，以接收干涉訊號的光強度變化。

本發明一種五自由度光學尺系統如圖五與圖六所示，該光源1為使用一般雷射二極體發射出光束經偏極分光鏡2產生穿透與反射光，穿透光將會再經過穿透式光柵3產生正一階繞射光L11經過聚焦透鏡4聚焦後，再以一維光位置檢測器5做接收，搭配繞射原理便可即時監控波長的漂移情況；反射光將經過一四分之一波片6與偏極分光鏡2構成一簡易的光隔離器，隨之光束接導入反射式光柵8產生兩道繞射光，分別為正一階繞射光L11與負一階繞射光L12。其中兩個位置感測器12、13，將直接接收正一階繞射光L11與負一階繞射光L12經第一分光鏡9與第二分光鏡10分光後所產生的正負一階穿透光L21、L22，此部分是利用當工具平台帶動反射式光柵8，可藉由光點位置的改變近一步推算出四個自由度的移動訊息，即反射式光柵8移動時，光點位於位置感測器12、13的位置也會改變，即直度以及三個角位移量，俯仰度、搖擺度、滾動度的判斷以及量測。而正一階繞射光L11與負一階繞射光L12經第一分光鏡9與第二分光鏡10分光後所產生的正負一階反射光L31、L32將依據反射定律，將光束導入第三分光鏡11，其中負一階繞射光L12會多經過一個四分之一波片7，以產生和正一階繞射光L11相差90度的相位差，經由第三分光鏡11分光後將會產生四道光線，分別為第一分光鏡9導入第三分光鏡11所產生的穿透光和反射光與第二分光鏡10導入第三分光鏡11所產生的穿透光與和反射光，此時經由第三分光鏡11分光出的四道穿透與反射光將會兩兩會合成為干涉光束14、15，此兩干涉光束14、15再分別通過檢偏器16、17，最後再由兩個光檢測器18、19接收因干涉光束14、15疊加所產生的干涉訊號，故當工具平台帶動反射式光柵8產生線性位移時，兩個光檢測器18、19所接收到的兩個干涉訊號將隨此線性位移而產生強弱變化，藉由判斷此兩干涉訊號的變化，將可以得到實際的線性位移量。

該偏極分光鏡2(PBS)為將入射之偏振光分光為水平偏振光以及垂直偏振光。

該光柵為一維繞射光柵(Diffraction Grating)，包含兩種光柵，分別為穿透式光柵3與反射式光柵8，入射後的光束將依照光柵繞射定律，分光出零階繞射光、正負一階繞射光L11、L12、正負二階繞射光、正負三階繞射光等階數繞射光，本創作將使用其中的一階繞射光進行波長漂移的檢測以及平台運動的量測。

該聚焦透鏡4(Lens)用以將入射之平行光束聚焦成更小之光點，並且成像於其焦點上。

該一維光位置檢測器5(1D photodiode)，用以檢測入射光點的位置變化。

本發明的反射定律為光的進行為直線傳播，若在傳播中遇到邊界時，會依光的反射原理折回到原介質，反射定律為：

1.反射光線位於入射光線與邊界法線所決定的平面上，且入射光線與反射光線分別位於法線兩側。

2.反射角θ _r 等於入射角θ _i 如附件三所示。

本發明的光柵繞射原理如後所述，其光柵性質可由狹縫實驗加以推廣獲得，當入射光抵達一個狹縫時，狹縫處可視為一個新的波源，因此光波會散開，而不同波源抵達相同位置時如附件四所示，會因為光程差不同使得光波的相位不同，藉由重疊原理相加後結果產生干涉；光柵就猶如多個狹縫，入射光經過每個狹縫都會有繞射，可視為很多新的光源彼此相互干涉，透過光源的干涉達到分光的目的。

而繞射公式為：

d (sinθ _in +sinθ _re )=mλ m =1‧2‧3ΛΛ

d ：光柵條紋間距(光柵直線刻痕條數/mm)。

θ _in ：入射光入射角度。

θ _re ：繞射光繞射角度。

M：繞射級數(階數)。

λ：表示為入射光波的波長。

而本發明之四自由度量測原理：當工具平台移動時將會帶動反射式光柵8產生連帶的動作變化，反射式光柵8所反射出的正負一階繞射光L11、L12的位置與角度將也隨之產生變化，用於接收正負一階繞射光L11、L12的位置感測器12、13上的光點位置也隨著改變，藉此這兩個位置感測器12、13可推算出四個自由度的變動訊號包括左右直度、俯仰度以及搖擺度與滾動度。在這兩個位置感測器12、13所能量測到的位移為z方向的位移量又稱為左右直度，可表示為Δz，和繞x、y與z軸的角位移又可稱為滾動度、搖擺度與俯仰度，分別表示θx、θy與θz；在量測上位置感測器12與位置感測器13的位移量具有特定的比例關係，其中各自由度動作辨別皆是利用光柵繞射原理進行分析以及判斷如附件五所示，分述如下：

Δz：雷射光點於二位置感測器12、13上將會沿位置感測器的X軸相對移動。

θx：雷射光點於二位置感測器12、13上將會沿位置感測器的Y軸相對移動。

θy：雷射光點於二位置感測器12、13上將會沿位置感測器的X軸同方向移動。

θz：雷射光點於二位置感測器12、13上將會往位置感測器的一、三象限相對移動。

本發明的干涉主要是量測兩道光波前的光程差，而此光程差是由於物體位移所引起或因物體形狀導致的波前偏離所引起，其結果會是產生明暗交錯的干涉條紋。在位移量測時，明暗交錯的干涉條紋會移動，當物體移動了四分之一波長()，在反射式干涉儀中此現象代表光程差(即OPD，Optical Path Difference)為，此時之相位差為π，如此將造成光波之是破壞性干涉而形成暗紋。而當物體移動時，即光程差變為λ，相位差變為2π，此時將形成建設性干涉，而表現出亮紋。故只需藉由光電接收器將其干涉訊號轉換為電信號，計算干涉條紋經過零點之次數即可推算出物體的位移。所以當干涉條紋從亮(暗)紋變成暗(亮)時，代表物體移動的長度，因此若物體移動距離為D，其與相位角差Φ和光波長λ間之關係可表示為：

x軸線性位移量測原理(Jones Matrix)

本發明針對市面上光學尺系統對於量測時只能獲得單一方向的位移量測的不足進行改善，以單一量測讀頭進行五自由度的同時量測，包括兩個線性位移量Δx與Δz(左右直度)以及三個角位移量，俯仰度(pitch)、搖擺度(yaw)、滾動度(roll)，對於業界量測工具平台的運動上有實質的幫助，因僅需單一讀頭即可達到多個光學尺等量測系統的功能，且架構簡單，又因整體架構僅由光學零組件組合而成，因此可進行微小化，故架設便利。

本發明所提供之一種五自由度光學尺系統，與前述引證案及其他習用技術相互比較時，更具有下列之優點：

1.系統架構較為簡單。

2.整體之量測元件成本低廉。

3.可即時量測。

4.系統架構經空間上設計，故可微小化。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

綜上所述，本案不但在空間型態上確屬創新，並能較習用物品增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步性之法定發明專利要件，爰依法提出申請，懇請　貴局核准本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。

1．．．光源

2．．．偏極分光鏡

3．．．穿透式光柵

4．．．聚焦透鏡

5．．．一維光位置檢測器

6、7．．．四分之一波片

8．．．反射式光柵

L11、L12．．．正負一階繞射光

L21、L22．．．正負一階穿透光

L31、L32．．．正負一階反射光

L31‘、L32‘．．．正負一階反射光

L41．．．第一合成光

L42．．．第二合成光

9．．．第一分光鏡

10．．．第二分光鏡

11．．．第三分光鏡

12、13．．．位置感測器

14、15．．．干涉光束

16、17．．．檢偏器

18、19．．．光檢測器

圖一為本發明一種五自由度光學尺系統之配置示意圖；

圖二為該一種五自由度光學尺系統之光路示意圖；

圖三為該一種五自由度光學尺系統之光路增加四分之一波片應用於五自由度光學尺系統之配置示意圖；

圖四為該一種五自由度光學尺系統之光路增加四分之一波片應用於五自由度量測系統之光路示意圖；

圖五為圖三的光路再增加反射鏡應用於五自由度光學尺系統之配置示意圖；

圖六為圖四的光路再增加反射鏡應用於五自由度光學尺系統之光路示意圖；

附件一為基本六自由度運動方向之示意圖；

附件二為運動平台六自由度誤差之示意圖；

附件三為反射定律之示意圖；

附件四為狹縫繞射之示意圖；

附件五為四自由度(左右直度、俯仰度、搖擺度、滾動度)動作判別示意圖。

1‧‧‧光源

2‧‧‧偏極分光鏡

3‧‧‧穿透式光柵

4‧‧‧聚焦透鏡

5‧‧‧一維光位置檢測器

6、7‧‧‧四分之一波片

8‧‧‧反射式光柵

L11、L12‧‧‧正負一階繞射光

L21、L22‧‧‧正負一階穿透光

L31、L32‧‧‧正負一階反射光

L31‘、L32‘‧‧‧正負一階反射光

L41‧‧‧第一合成光

L42‧‧‧第二合成光

9‧‧‧第一分光鏡

10‧‧‧第二分光鏡

11‧‧‧第三分光鏡

12、13‧‧‧位置感測器

16、17‧‧‧檢偏器

18、19‧‧‧光檢測器

Claims (4)

1. 一種五自由度光學尺系統，包括：光學量測單元，為提供一雷射二極體作為光源以一光束入射於一反射式光柵，使該反射式光柵產生正負一階繞射光，該正負一階繞射光並由位置感測器接收以量測四個自由度的移動訊號；反射量測單元，以第一分光鏡與第二分光鏡接收正負一階繞射光，再以反射定律分別將正負一階反射光導入第三分光鏡，以產生正負一階反射光與正負一階穿透光，該正一階反射光與負一階穿透光形成第一合成光，該負一階反射光與正一階穿透光形成第二合成光，該第一合成光與第二合成光又分別經檢偏器後則入射到兩個光檢測器以接收干涉光束訊號；其中該光源以一光束發射經偏極分光鏡產生穿透與反射光，穿透光將會再經過穿透式光柵產生正一階繞射光經過聚焦透鏡聚焦後，再以一維光位置感測器做接收，搭配繞射原理便可即時監控波長的漂移距離。
2. 如申請專利範圍第1 項所述之一種五自由度光學尺系統，其中該反射式光柵為一維反射式繞射光柵，其能將光源所入射光束依照光柵原理產生分別為正負一階繞射光，並且經由第一分光鏡與第二分光鏡分光後，產生正負一階穿透光與正負一階反射光，其中該正負一階穿透光則由二位置感測器接收，其中負一階繞射光會多經過一個四分之一波片，以產生與正一階繞射光相差90度的相位差。
3. 如申請專利範圍第2 項所述之一種五自由度光學尺系統，其中該正負一階反射光將依據反射定律，將光束導入第三分光鏡，經由第三分光鏡分光後將會產生四道光線，分別為第一分光鏡導入第三分光鏡所產生的正一階穿透光和正一階反射光，與第二分光鏡導入第三分光鏡所產生的負一階穿透光與負一階和反射光，此時經由第三分光鏡分光出的四道穿透與反射光將會兩兩會合成為干涉光束，此兩干涉光束再分別通過檢偏器，最後再由兩個光檢測器接收因光束疊加所產生的干涉訊號。
4. 如申請專利範圍第1 項所述之一種五自由度光學尺系統，其中該光柵進而設置於工具平台上，當工具平台帶動反射式光柵時，可藉由光點位置的改變進一步計算出四個自由度的移動訊息，即反射式光柵移動時，光點位於位置感測器的位置也會改變，即直度以及三個角位移量，俯仰度、搖擺度、滾動度的判斷以及量測。