TWI426229B - Linear platform five degrees of freedom measurement system - Google Patents

Description

線性平台五自由度量測系統

本發明係關於一種線性平台五自由度量測系統，特別是指一種線性平台五自由度量測系統。

隨著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可達奈米級，固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、旋轉平台及其它元件經設計組裝而成，故具有多自由度運動，而機器中之各種運動平台的特性皆會影響整台機器的精度與加工品質，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。

本發明之目的即在於提供單一量測讀頭進行五自由度的同時量測，包括二個線性位移量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，以提供現有量測裝置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空間以及時間，且不需再購買整套新量測系統，只需再加裝本量測讀頭系統，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五自由度量測功能之光學尺，其不僅可做定位誤差的訊號回饋，更可進一步提供其餘四個自由度誤差訊號，發展成具定位量測與誤差檢測之量測儀器。

本發明之另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、角度之變化訊號的五自由度量測系統。

本發明之又一目的係在於提供一種線性平台五自由度量測系統，本發明所設計之新型光學尺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線性平台五自由度量測系統，包括有：光學量測系統，為提供一光源以一光束入射於一光柵，使該光柵產生正負一階繞射光與正負二階繞射光，該正負二階繞射光並由二位置感測器接收以量測四個自由度的移動訊號；反射量測系統，分別為以第一反射鏡與第二反射鏡接收正負一階繞射光，以再分別產生正負一階反射光，該正負一階反射光亦入射分光鏡，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，該合成光又經二檢偏元件後則入射二位置感測器以接收干涉光訊號。

請參閱圖一與圖二，本發明所提供之線性平台五自由度量測系統，主要包括有：一光學量測系統與一反射量測系統所構成。

該光學量測系統為提供一光源1以一光束入射於一光柵2，使該光柵2產生正負一階繞射光L11,L12與正負二階繞射光L21,L22，該正負二階繞射光L21,L22並由二位置感測器3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；該反射量測系統分別為以第一反射鏡41與第二反射鏡42接收正負一階繞射光L11,L12，以再分別產生正負一階反射光L31,L32，該正負一階反射光L31,L32亦入射分光鏡5，以產生正負一階反射光L41,L42與正負一階穿透光L51,L52，該正一階反射光L41與負一階穿透光L52形成第一合成光L61，該負一階反射光L42與正一階穿透光L51形成第二合成光L62，該第一合成光L61與第二合成光L62又經二檢偏元件61,62後則入射二位置感測器7以接收干涉光訊號。

該光源1是以一般雷射二極體(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。

該光柵2為一維反射式繞射光柵(Diffraction Grating)，其能將光源1所入射光束依照光柵繞射定律，反射並分光為零階繞射光、正負一階繞射光、正負二階繞射光、正負三階繞射光...，本創作將使用其中的正負一階繞射光L11,L12和正負二階繞射光L21,L22來進行量測。

該反射鏡8為將光源1入射的光束依照反射定律將光束反射出來。

該分光鏡5(Beam Splitter)為將入射之光束依特定比例分光成為反射光以及穿透光。

該檢偏元件61,62為一檢偏器(Polarizer)或偏極分光鏡，該檢偏器其作用類似偏極分光鏡，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合成光(偏振光)才能通過此檢偏元件61,62，反之，其他偏振方向的合成光將被遮斷。

如圖三與圖四所示，本發明更包含一四分之一波片9(Quarter Waveplate)，該四分之一波片9係設置於第二反射鏡42至分光鏡5的光路上，以將反射光相位改變；且該四分之一波片9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9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。

該位置感測器3,7為二維的四象限位置感測器(Quadrant Detector)、光接收電晶體、光接收二極體之中的二維光檢測器、一維光檢測器或一般光點位置檢測器(Position Sensor Detector,PSD)，利用入射到位置感測器3,7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。並可藉由此位置感測器3,7所感測得的能量總和(Sum)進行干涉訊號強弱的偵測。

本發明之五自由度光學尺量測讀頭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(L13)經反射鏡8將光束反射至一維反射式繞射光柵2產生四道繞射光，分別為正一階繞射光(L11)、負一階繞射光(L12)以及正二階繞射光(L21)、負二階繞射光(L22)，其中正二階繞射光(L21)與負二階繞射光(L22)將分別射入至二個位置感測器3，當工具平台帶動一維反射式繞射光柵2移動時，光點位於位置感測器3的位置也會改變，故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號，四個自由度即左右直度以及三個角位移量，俯仰度位移量、搖擺度位移量、滾動度位移量的判斷以及量測。

而正一階繞射光L11經由第一反射鏡41產生正一階反射光並導入四分之一波片9再經由分光鏡5分光產生正一階穿透光與正一階反射光，而負一階繞射光L21將由第二反射鏡42產生負一階反射光直接導入分光鏡5分光產生負一階穿透光與負一階反射光，此時經由分光鏡5分光出的四道穿透與反射光將會兩兩會合成為第一合成光L61與第二合成光L62，此第一合成光L61與第二合成光L62再分別通過二檢偏元件61,62，最後再由二個位置感測器7接收因光束疊加所產生的干涉訊號，故當工具平台帶動一維反射式繞射光柵2產生線性位移時，二個位置感測器7所接收到的二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。

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，其反射定律為：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。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2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2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1彼此相互干涉，透過光源1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

其中：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。

而本發明四自由度量測原理：當工具平台移動時將會帶動光柵2產生連帶的動作變化，光柵2所反射出的正負二階繞射光L21,L22的位置與角度將也隨之產生變化，用於接收正負二階繞射光L21,L22的位置感測器3上的光點位置也隨著改變，藉此二位置感測器3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；在這二個位置感測器3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3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3上將會沿位置感測器3的X軸相對移動；θx：雷射光點於二位置感測器3上將會沿位置感測器3的Y軸相對移動；θy：雷射光點於二位置感測器3上將會沿位置感測器3的X軸同方向移動；θz：雷射光點於二位置感測器3上將會往位置感測器3的一、三象限相對移動。

本發明的干涉原理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(Optical Path Difference,OPD)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。故只需藉由位置感測器7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(紋)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)

故只要經由訊號處理解出相位ΔΦ 即可得到x軸的線性位移量。

本發明所提供之線性平台五自由度量測系統，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：本發明係利用一維反射式繞射光柵(Diffraction Grating)作為位移訊號或誤差傳導媒介，以及利用光柵繞射原理搭配光學干涉技術，並結合位置感測器(Quadrant Detector)以獲取光柵繞射光所包含的位移訊息作為開發的基礎，所建立的五自由度光學尺量測讀頭系統。

本發明將針對市面上所常見的光學尺對於工作平台的量測時僅能獲得單一方向位移資訊的不足進行改善，以單一量測讀頭進行五自由度的同時量測，除了可進行一般光學尺所能測量的線性位移量，更增加了左右直度以及三個角位移量，俯仰度(pitch)、搖擺度(yaw)、滾動度(roll)。

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．．．光柵

3．．．位置感測器

41．．．第一反射鏡

42．．．第二反射鏡

5．．．分光鏡

61,62．．．檢偏元件

7．．．位置感測器

8．．．反射鏡

9．．．四分之一波片

L11,L12．．．正負一階繞射光

L21,L22．．．正負二階繞射光

L31,L32．．．正負一階反射光

L41,L42．．．正負一階反射光

L51,L52．．．正負一階穿透光

L61．．．第一合成光

L62．．．第二合成光

圖一為本發明線性平台五自由度量測系統之配置示意圖；

圖二為該線性平台五自由度量測系統之光路示意圖；

圖三為本發明的光路增加四分之一波片應用於五自由度量測系統之配置示意圖；

圖四為本發明的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量測系統之配置示意圖；

圖六為圖四的光路再增加反射鏡應用於五自由度量測系統之光路示意圖；

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‧‧‧光柵

3‧‧‧位置感測器

41‧‧‧第一反射鏡

42‧‧‧第二反射鏡

5‧‧‧分光鏡

61,62‧‧‧檢偏元件

7‧‧‧位置感測器

L11,L12‧‧‧正負一階繞射光

L21,L22‧‧‧正負二階繞射光

L31,L32‧‧‧正負一階反射光

L41,L42‧‧‧正負一階反射光

L51,L52‧‧‧正負一階穿透光

Claims (3)

1. 一種線性平台五自由度量測系統，包括：光學量測系統，為提供一光源以一光束入射於一一維反射式繞射光柵，使該一維反射式繞射光柵產生正負一階繞射光與正負繞射二階光，該正負繞射二階光並由二光學量測系統之位置感測器接收以量測四個自由度的移動訊號；反射量測系統，分別為以第一反射鏡與第二反射鏡接收正負一階繞射光入射於分光鏡，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，該合成光又經二檢偏元件後則入射二反射量測系統之位置感測器以接收干涉光訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述之線性平台五自由度量測系統，更包含一四分之一波片，該四分之一波片係設置於該第二反射鏡至該分光鏡的光路上，以將反射光相位改變。
3. 如申請專利範圍第1項所述之線性平台五自由度量測系統，其中該光柵進而設置於工具平台上，當工具平台帶動光柵移動時，光點位於位置感測器的位置也會改變，故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號，四個自由度即左右直度位移量、俯仰度位移量、 搖擺度位移量、滾動度位移量。