TWI452262B - 同時量測位移及傾角之干涉儀系統 - Google Patents

Description

同時量測位移及傾角之干涉儀系統

本發明係關於一種干涉儀系統，尤指一種可同時量測位移及傾角之干涉儀系統者。

按，在精密工業與光電產業中，發展高精度之檢測設備已成為研發的重點，在前述產業中最常被檢測的物理量系為長度及角度兩種，再則，一般工具機的加工精度也取決於這兩個基本物理量的定位精準度，其中在光電式精密位移量測儀器中，依照量測方法可分為雷射探頭與干涉式測距儀兩類；既有干涉式測距儀主要係藉由兩相平行之鏡面來進行檢測，然而，當移動其中一鏡面之距離過長時(較大的量測距離)，則容易使兩鏡面間因角度偏擺而產生傾斜不平行之情況時，此時所產生之干涉條紋的間距及對比度都會受到影響，進而使干涉條紋變模糊甚至無法產生干涉條紋，明顯會影響檢測結果之準確度，誠有加以改進之處。

本發明主要在於提供一種同時量測位移及傾角之干涉儀系統，其係透過精簡的結構配置方式，藉以構成一麥克森干涉儀系統及一自動視準儀系統，可同時對於移及傾角進行量測，藉以提供一同時量測位移及傾角之干涉儀系統之目的者。

基於上述目的，本發明之主要技術手段在於提供一種同時量測位移及傾角之干涉儀系統，其係包含有一光源組、一干涉儀組、一視準儀及一訊號處理模組，其中：該光源組係設有一發射器，該發射器係能發射出一非偏振的光束；該干涉儀組係用以接收該光源組的非偏振光束且設有一偏振分光鏡、一角隅稜鏡、一反射鏡板、兩波長延遲片、一偏振片一分光鏡及兩一維位置靈敏感測器，該偏振分光鏡係用以將該非偏振光束分為兩道光束且在異於光源組的一側面設有一反射鍍膜該角隅稜鏡設於該偏振分光鏡異於該發射器的一側且設有複數個反射鏡，該角隅稜鏡於光束射入的位置處設有一鍍膜，該反射鏡板係位於該偏振分光鏡異於該光源組及該角隅稜鏡的一側面；兩波長延遲片係分別為一設於該反射鏡板及該偏振光鏡間的第一波長延遲片及一位於該偏振分光鏡及該角隅稜鏡間的第二波長延遲片，該偏振片係位於該偏振分光鏡的一側，用以接收射出該偏振分光鏡的兩道光束，並使兩道光束在該偏振片的光軸方向產生干涉光束，該分光鏡係用以將該干涉光束分為兩道強度相同的光束，而兩一維位置靈敏感測器係分別接收由該分光鏡所分離出的兩道光束並分別產生一訊號；該視準儀係設於該干涉儀組中且設有一鍍膜片、一二維位置靈敏感測器及一聚焦透鏡，該鍍膜片係設於該偏振分光鏡及該角隅稜鏡之間，該鍍膜片在異於該偏振分光鏡的一側面係設有一鍍膜，該二維位置靈敏感測器係設於靠近該鍍膜片反射光束的一側，該聚焦透鏡係設於該二維位置靈敏感測器與該鍍膜片之間；以及該訊號處理模組係設置在該偏振片異於該偏振分光鏡的一側，用以接收兩一維位置靈敏感測器及該二維位置靈敏感測器的訊號，該訊號處理模組係設有訊號處理器，該訊號處理器係與兩一維位置靈敏感測器相電性連接並對於干涉訊號進行檢測，藉以求出位於該角隅稜鏡上待測物在光軸方向上的移動量。

進一步，該反射鏡板係可進行微小角度的調整，使該干涉光束的條紋方向及間距與兩一維位置靈敏感測器的感測方向及感測面垂直及等寬，使兩一維位置靈敏感測器產生一正交訊號。

再進一步，兩波長延遲片係分別為一四分之一的波長延遲片，藉以將該參考光束及該量測光束的偏振方向進行轉向。

較佳地，該角隅稜鏡在異於該偏振分光鏡的側面係設有一待測物。

較佳地，該光源組係設有用以接收該非偏振光束的光隔離器及擴束鏡。

較佳地，該發射器係為一氦氖雷射發射器。

較佳地，該二維位置靈敏感測器於該聚焦透鏡及該鍍膜片之間設有一偏振片，使第一次反射的光可通過該偏振片，而第二次的反射光不可通過該偏振片。

藉由上述之技術手段，本發明同時量測位移及傾角之干涉儀系統進行，主要係藉由兩個一維位置靈敏感測器作為感測器，並透過該角隅稜鏡而達到使條紋方向與兩感測器間相位固定的方式，可有效增加使用位置靈敏感測器的量程及對傾角的敏感度，並且同時利用二維位置靈敏感測器量測傾角，可有效達到同時量測位移及傾角的目的。

為能詳細瞭解本發明的技術特徵及實用功效，並可依照說明書的內容來實施，玆進一步以如圖式所示的較佳實施例，詳細說明如后，請參閱如圖1及2所示，本發明同時量測位移及傾角之干涉儀系統，其包含有一光源組10、一干涉儀組20、一視準儀及一訊號處理模組30，其中：該光源組10係設有一發射器11、一光隔離器12及一擴束鏡13，該發射器11係能發射出一非偏振的光束，較佳地，該發射器11係為一氦氖雷射發射器(He-Ne Laser)，該氦氖雷射的真空波長係為632.9907奈米(nm)，該發射器11的非偏振光束係依序射入該光隔離器12及該擴束鏡13中，其中該光隔離器12係可防止逆回光干擾光源，而該擴束鏡13係可擴大光束的大小，使光點疊加範圍增大，以便進行檢測；該干涉儀組20係用以接收該光源組的非偏振光束且設有一偏振分光鏡21(Polarizing Beam Splitter，PBS)、一角隅稜鏡23(Corner Cube Prism)、一反射鏡板25、兩波長延遲片26，27、一偏振片28、一分光鏡31及兩一維位置靈敏感測器32(1-D Position Sensitive Detector；1-D PSD)，其中該偏振分光鏡21係用以接收經過該擴束鏡13的非偏振光束，透過反射與透射的方式將該非偏振光束分為兩道光束，其中一道光束為參考光束(s-type)，而另一道光束為量測光束(p-type)，且該偏振分光鏡21在異於光源組10的一側面係設有一反射鍍膜211；該角隅稜鏡23於該量測光束射入的位置處係設有一低反射率的鍍膜232，其中該鍍膜232的反射率可為10~20%，使部分的量測光束反射至該鍍膜片22上，而部分的量測光束係經該角隅稜鏡23各反射鏡231的反射後射出該角隅稜鏡23，另於該角隅稜鏡23異於該偏振分光鏡21的側面設有一待測物50，其中該角隅稜鏡23各反射鏡231設置的方式，係可使入射光與反射光互相平行，因此，當待測物50隨著該角隅稜鏡23進行移動時，即使產生傾角誤差而造成該偏振分光鏡21與該角隅稜鏡23間不再呈一平行之型態，也不會影響清晰干涉條紋的產生情況；該反射鏡板25係位於該偏振分光鏡21異於該光源組10及該鍍膜片22的一側面，用以接收經該偏振分光鏡21反射的參考光束，並將其反射至該偏振分光鏡21中；兩波長延遲片26，27係分別為一設於該反射鏡板25及該偏振光鏡21間的第一波長延遲片26及一位於該偏振分光鏡21及該角隅稜鏡23間的第二波長延遲片27，其中該參考光束係前、後經過該第一波長延遲片26兩次而變為與該量測光束相同的偏振方向(p-type)並穿射出該偏振分光鏡21，而該第二波長延遲片27係用以接收經該角隅稜鏡23各反射鏡231反射的量測光束，而穿射過該第二波長延遲片27的量測光束係朝該偏振分光鏡21的反射鍍膜211射去並反射回該第二波長延遲片27中變為一偏振方向與該參考光束相同的量測光束(s-type)；該偏振片28係位於該偏振分光鏡21的一側，用以接收射出該偏振分光鏡21的參考光束與量測光束，並使兩道光束在該偏振片28的光軸方向產生干涉光束；該分光鏡31係用以將該干涉光束分為兩道強度相同的光束，而兩一維位置靈敏感測32器係分別接收由該分光鏡31所分離出的兩道光束並分別產生一訊號，較佳地，可透過調整該反射鏡板25微小角度的方式，使該干涉光束的條紋方向及間距與兩一維位置靈敏感測器32的感測方向及感測面垂直及等寬，並如圖2所示調整兩一維位置靈敏感測器32與條紋的相對位置，即可使兩一維位置靈敏感測器32產生一正交訊號；該視準儀係設於該干涉儀組20中且設有一鍍膜片22、一二維位置靈敏感測器24(2-D Position Sensitive Detector；2-D PSD)及一聚焦透鏡29，其中該鍍膜片22係設於該偏振分光鏡21及該角隅稜鏡23之間，該鍍膜片22在異於該偏振分光鏡21的一側面係設有一低反射率的鍍膜221，其中該鍍膜221的反射率可為10~20%，使該量測光束穿射過該鍍膜片22，該角隅稜鏡23係設於該鍍膜片22異於該偏振分光鏡21的一側且設有複數個反射鏡231，用以接收穿射過該鍍膜片22的量測光束；該二維位置靈敏感測器24係設於靠近該鍍膜片22反射光束的一側，用以接收經該角隅稜鏡23及鍍膜片22反射的測量光束，且該聚焦透鏡29係設於該二維位置靈敏感測器24與該鍍膜片22之間，使該二維位置靈敏感測器24可藉由視準儀原理計算出該角隅稜鏡23的角度變化量(傾角)，較佳地，該二維位置靈敏感測器24於該聚焦透鏡29及該鍍膜片22之間設有一偏振片241，使第一次反射的光可通過該偏振片241，而第二次的反射光不可通過該偏振片241；該量測光束經該角隅稜鏡23及該鍍膜片22的鍍膜232，221後，射入該偏振分光鏡21中與該參考光束相重疊並射出該偏振分光鏡21，較佳地，兩波長延遲片26，27係分別為一四分之一的波長延遲片，藉以將該參考光束及該量測光束的偏振方向進行轉向，此時，該參考光束(p-type)與該量測光束(s-type)係為一互相垂直的偏振狀態；以及該訊號處理模組30係設置在該偏振片28異於該偏振分光鏡21的一側，用以接收兩一維位置靈敏感測器32及該二維位置靈敏感測器24的訊號，該訊號處理模組30係設有一訊號處理器33，其中該訊號處理器33係與兩一維位置靈敏感測器32相電性連接並對於干涉訊號進行檢測，藉以求出位於該角隅稜鏡23上待測物50在光軸方向上的移動量。

藉由上述的技術手段，本發明同時量測位移及傾角之干涉儀系統，主要係為一共光程的結構配置方式，其中關於待側物50的位移量測，其光學解析度為四分之一的波長(λ)，其中以氦氖雷射為例時，該光學解析度約為0.15微米，其光強(I)變化的公式係如下的方程式(1)所示：

其中I₀ 為入射光強，δ為參考光束與量測光束的光程差，將兩一維位置靈敏感測器32所偵測到的訊號經由簡單的放大電路轉變為電壓訊號後，可藉由一般的計數卡運算後得到週期數(N)，再將週期數乘上光學解析度即可得到如方程式(2)所示之待測物50的位移量(D)：

再則，關於待測物50的角度量測(傾角)主要係透過視準儀原理進行操作與運算，其中當角隅稜鏡23與光軸或偏振分光鏡21間有傾角(θ)產生時，該角隅稜鏡23的反射光束反射回該二維位置靈敏感測器24的光束會產生δ的偏移量，此偏移量(δ)的公式推導係如方程式3所示：

其中f為聚焦透鏡29的焦距，即可由二維位置靈敏感測器24的訊號換算得角隅稜鏡的角度變化量(θ)，而角度量測的解析度(Δθ)取決於二維位置靈敏感測器24的解析度(δ)與焦距(f)長度，例如焦距為40公厘(mm)，而二維位置靈敏感測器24的解析度為1微米(μm)時，其角度量測解析度約為3角秒。

藉由上述之技術手段，本發明同時量測位移及傾角之干涉儀系統進行，主要係藉由兩個一維位置靈敏感測器32作為感測器，並透過該角隅稜鏡23而達到使條紋方向與兩感測器32間相位固定的方式，可有效增加使用位置靈敏感測器32的量程及對傾角的敏感度，並且同時利用二維位置靈敏感測器24量測傾角，可有效達到同時量測位移及傾角的目的。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何形式上的限制，任何所屬技術領域中具有通常知識者，若在不脫離本發明所提技術方案的範圍內，利用本發明所揭示技術內容所作出局部更動或修飾的等效實施例，並且未脫離本發明的技術方案內容，均仍屬於本發明技術方案的範圍內。

10．．．光源組

11．．．發射器

12．．．光隔離器

13．．．擴束鏡

20．．．干涉儀組

21．．．偏振分光鏡

211．．．反射鍍膜

22．．．鍍膜片

221．．．鍍膜

23．．．角隅稜鏡

231．．．反射鏡

232．．．鍍膜

24．．．二維位置靈敏感測器

241．．．偏振片

25．．．反射鏡板

26．．．第一波長延遲片

27．．．第二波長延遲片

28．．．偏振片

29．．．聚焦透鏡

30．．．訊號處理模組

31．．．分光鏡

32．．．一維位置靈敏感測器

33．．．訊號處理器

50‧‧‧待測物

圖1係本發明同時量測位移及傾角之干涉儀系統之操作流程圖。

圖2係本發明干涉儀系統之訊號處理模組操作示意圖。

10．．．光源組

11．．．發射器

12．．．光隔離器

13．．．擴束鏡

20．．．干涉儀組

21．．．偏振分光鏡

211．．．反射鍍膜

22．．．鍍膜片

221．．．鍍膜

23．．．角隅稜鏡

231．．．反射鏡

232．．．鍍膜

24．．．二維位置靈敏感測器

241．．．偏振片

25．．．反射鏡板

26．．．第一波長延遲片

27．．．第二波長延遲片

28．．．偏振片

29．．．聚焦透鏡

30．．．訊號處理模組

31．．．分光鏡

32．．．一維位置靈敏感測器

33．．．訊號處理器

50．．．待測物

Claims (9)

1. 一種同時量測位移及傾角之干涉儀系統，其係包含有一光源組、一干涉儀組、一視準儀及一訊號處理模組，其中：該光源組係設有一發射器，該發射器係能發射出一非偏振的光束；該干涉儀組係用以接收該光源組的非偏振光束且設有一偏振分光鏡、一角隅稜鏡、一反射鏡板、兩波長延遲片、一偏振片一分光鏡及兩一維位置靈敏感測器，該偏振分光鏡係用以將該非偏振光束分為兩道光束且在異於光源組的一側面設有一反射鍍膜，該角隅稜鏡設於該偏振分光鏡異於該發射器的一側且設有複數個反射鏡，該角隅稜鏡於光束射入的位置處設有一鍍膜，該反射鏡板係位於該偏振分光鏡異於該光源組及該角隅稜鏡的一側面；兩波長延遲片係分別為一設於該反射鏡板及該偏振光鏡間的第一波長延遲片及一位於該偏振分光鏡及該角隅稜鏡間的第二波長延遲片，該偏振片係位於該偏振分光鏡的一側，用以接收射出該偏振分光鏡的兩道光束，並使兩道光束在該偏振片的光軸方向產生干涉光束，該分光鏡係用以將該干涉光束分為兩道強度相同的光束，而兩一維位置靈敏感測器係分別接收由該分光鏡所分離出的兩道光束並分別產生一訊號，其中該反射鏡板經微小角度的調整後，使該干涉光束的條紋方向及間距與兩一維位置靈敏感測器的感測方向及感測面垂直及等寬，讓兩一維位置靈敏感測器產生一正交訊號； 該視準儀係設於該干涉儀組中且設有一鍍膜片、一二維位置靈敏感測器及一聚焦透鏡，該鍍膜片係設於該偏振分光鏡及該角隅稜鏡之間，該鍍膜片在異於該偏振分光鏡的一側面係設有一鍍膜，該二維位置靈敏感測器係設於靠近該鍍膜片反射光束的一側，該聚焦透鏡係設於該二維位置靈敏感測器與該鍍膜片之間；以及該訊號處理模組係設置在該偏振片異於該偏振分光鏡的一側，用以接收兩一維位置靈敏感測器及該二維位置靈敏感測器的訊號，該訊號處理模組係設有訊號處理器，該訊號處理器係與兩一維位置靈敏感測器相電性連接並對於干涉訊號進行檢測，藉以求出位於該角隅稜鏡上待測物在光軸方向上的移動量。
2. 如請求項1所述之同時量測位移及傾角之干涉儀系統，其中兩波長延遲片係分別為一四分之一的波長延遲片，藉以將該參考光束及該量測光束的偏振方向進行轉向。
3. 如請求項2所述之同時量測位移及傾角之干涉儀系統，其中該角隅稜鏡在異於該偏振分光鏡的側面係設有一待測物。
4. 如請求項3所述之同時量測位移及傾角之干涉儀系統，其中該光源組係設有用以接收該非偏振光束的光隔離器及擴束鏡。
5. 如請求項4所述之同時量測位移及傾角之干涉儀系統，其中該發射器係為一氦氖雷射發射器。
6. 如請求項5所述之同時量測位移及傾角之干涉儀系統，其中該二維位置靈敏感測器於該聚焦透鏡及該鍍膜片 之間設有一偏振片，使第一次反射的光可通過該偏振片，而第二次的反射光不可通過該偏振片。
7. 如請求項1所述之同時量測位移及傾角之干涉儀系統，其中該角隅稜鏡在異於該偏振分光鏡的側面係設有一待測物。
8. 如請求項1所述之同時量測位移及傾角之干涉儀系統，其中該光源組係設有用以接收該非偏振光束的光隔離器及擴束鏡。
9. 如請求項1所述之同時量測位移及傾角之干涉儀系統，其中該發射器係為一氦氖雷射發射器。