TWI465687B - 可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置 - Google Patents

Description

可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置

本發明係關於一種多重干涉位移量測裝置，尤指一種方便架設、可抗環境干擾及鏡面傾角且可提高量測範圍的可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置。

隨著精密機械及微奈米製程的發展，各種量測儀器的開發也成為一項重要的研究項目，其中關於精度的需求也逐漸往次微米及奈米的等級精進，精密量測系統的發展在這樣的環境下，不斷開發出各種不同的量測方法及技術，而在目前的量測技術中，干涉儀係一種非接觸的量測儀器，其係可達到高解析度的量測需求，因此，現有干涉儀已逐漸廣為應用於各種精密量測的工作中。

自1960年代雷射問世後，科學家們取得了同調長度較長的光源，使得干涉儀有大幅的成長與發展，其中依光路架構可大略區分為共光程與非共光程兩種光路，目前業界所使用的位移量測干涉儀大多屬於非共光程的光路架構，其缺點為干涉訊號容易受到各種如溫度、濕度、壓力、振動、氣流…等的環境影響，若無法控制前述的環境因子，將導致干涉儀雖具有奈米等級的量測解析度，卻僅能達到微米等級的量測精度；而1897年另發展出一種多光束之共光程的Fabry-Perot干涉儀，其係可減少環 境擾動所造成的影響，因此，比起現有非共光程干涉儀具有較優的抗擾能力，然而，現有Fabry-Perot干涉儀對光機架構的要求十分嚴苛，一般僅能在短行程內確保其光機架構的穩定性，故其量測範圍大多僅止於微米的等級，因此，如何改善現有Fabry-Perot干涉儀架構複雜、成本高且量測範圍依舊無法達到產業需求之問題，係目前業界所需解決之問題。

因此，本發明有鑑於現有Fabry-Perot干涉儀架構複雜、成本高且量測範圍依舊無法達到產業需求的缺失及不足，特經過不斷的試驗與研究，終於發展出一種能改進現有缺失之本發明，本發明可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置，係透過精簡的結構配置方式，提供一方便架設、可抗環境干擾及鏡面傾角且可提高量測範圍的可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置之目的者。

基於上述目的，本發明所運用的技術手段係在於提供一可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置，其係包含有一光源模組、一感測頭模組、一待測模組、一訊號處理模組及一顯示模組，其中：該光源模組設有一發射器，該發射器係發射一光束；該感測頭模組係接收該光源模組的光束且設有一分光鏡、一偏振分光鏡、一鍍膜玻璃平板、一相位延遲片、兩光強度檢測器及一前級放大器，該分光鏡將該發射器的光束分成兩道分光束，該偏振分光鏡位於該分光鏡一側且接收其中一道分光束，並將該道分光束再分成兩道次光束，該鍍膜玻璃平板位於該分 光鏡及該偏振分光鏡一側且接收該分光鏡的另一道分光束，該相位延遲片設置在該鍍膜玻璃平板異於該分光鏡的一側，接收經該鍍膜玻璃平板的分光束，兩光強度檢測器分別設於該偏振分光鏡的兩側且分別接收經該偏振分光鏡分光的兩道次光束，該前級放大器設於兩光強度檢測器異於該偏振分光鏡的一側，接收兩光強度檢測器的訊號；該待測模組反射該感測頭模組的光束且設有一量測鏡；該訊號處理模組係與該感測頭模組連接且設有一後級放大器及一訊號處理器，該後級放大器與該前級放大器相連接，而該訊號處理器係與該後級放大器相連接，藉以將該待測模組所量測到的訊號進行處理；以及該顯示模組係與該訊號處理模組相連接，用以將該訊號處理模組處理後的訊號進行顯示。

進一步，該量測鏡係為一鍍膜片。

再進一步，該量測鏡係為一角隅稜鏡。

較佳地，該光源模組設有一光隔離器及一前光纖耦合器，該光隔離器係位於該發射器射出光束的路徑上，用以接收該光束並防止該光束因逆回而影響該發射器，而該前光纖耦合器係用以接收經該光隔離器的光束。

較佳地，該感測頭模組設有一後光纖耦合器及兩擋板，該後光纖耦合器係位於該前光纖耦合器及該分光鏡之間，且用以接收經該前光纖耦合器的光束，而兩擋板係分別設於該鍍膜玻璃平板的兩側，其中兩擋板分別為一第一擋板及一第二擋板，該第一擋板係位於該分光鏡、該偏振分光鏡及該鍍膜玻璃平板之 間且設有一開孔，讓經該分光鏡分光的其中一道分光束可射入至該鍍膜玻璃平板，而該第二擋板係設於該鍍膜玻璃平板異於該第一擋板的一側且設有兩穿孔，其中一穿孔係用以供經該相位延遲片穿射的分光束通過，而另一穿孔係供該角隅稜鏡將該道分光束反射回該鍍膜玻璃平板。

較佳地，該訊號處理模組於該後級放大器及該訊號處理器之間係設有一自動增益及直流漂移修正模組，該自動增益及直流漂移修正模組具有一自動增益及直流漂移的電路，且設有一2通道類比數位轉換及一4通道數位類比轉換，其中該2通道類比數位轉換係與該後級放大器及該訊號處理器相連接，該4通道數位類比轉換係與該訊號處理器相連接。

較佳地，該相位延遲片為一八分之一波長的相位延遲片。

藉由上述的技術手段，本發明的可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置，在使用上該共光程的量測方式，不僅可達到皮米(picometer)等級的量測精度，且透過光源路徑的設計，將平面鏡式的鍍膜片與角隅稜鏡式的角隅稜鏡兩種光路架構，整合於同一機構中，可同時兼顧量測範圍與精度，讓該感測頭模組可搭配不同的量測鏡進行量測，藉以因應使用者不同的量測需求，再者，本發明可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置係採用查表法與所分析的光強方程式相結合，進而建立一適合多光束干涉儀的訊號處理模組，可大幅減低現有雙光束干涉儀因內插模組所產生的誤差，並且透過於該後級放大器及該訊號處理器之間設置該自動增益及直流漂移修正模組的方式，可讓該鍍膜片及該角隅稜鏡進行量測鏡時皆可維持穩定的訊號品質，藉以提供一方便架設 、可抗環境干擾及鏡面傾角且可提高量測範圍的可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置。

10‧‧‧光源模組

11‧‧‧發射器

12‧‧‧光隔離器

13‧‧‧前光纖耦合器

20‧‧‧感測頭模組

201‧‧‧底板

202‧‧‧外殼

21‧‧‧後光纖耦合器

22‧‧‧分光鏡

23‧‧‧偏振分光鏡

24‧‧‧鍍膜玻璃平板

241‧‧‧玻璃基材

242‧‧‧鍍膜

25‧‧‧相位延遲片

26‧‧‧光強度檢測器

27‧‧‧前級放大器

28‧‧‧第一擋板

281‧‧‧開孔

29‧‧‧第二擋板

291‧‧‧穿孔

30‧‧‧待測模組

31‧‧‧量測鏡

32‧‧‧鍍膜片

33‧‧‧角隅稜鏡

331‧‧‧反射鏡

40‧‧‧訊號處理模組

41‧‧‧後級放大器

42‧‧‧訊號處理器

43‧‧‧自動增益及直流漂移修正模組

44‧‧‧2通道類比數位轉換

45‧‧‧4通道數位類比轉換

50‧‧‧顯示模組

60‧‧‧待測物

圖1係本發明可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置之系統架構示意圖。

圖2係本發明可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置之係筒細部架構示意圖。

圖3係本發明可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置第一較佳實施例之方塊示意圖。

圖4係本發明可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置第二較佳實施例之方塊示意圖。

圖5係本發明可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置的李沙育圖形示意圖。

圖6係本發明可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置的內插誤差量分析示意圖。

圖7係本發明可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置的自動增益及直流漂移修正模組方塊示意圖。

圖8係本發明可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置的自動增益及直流漂移修正模組之操作流程方塊圖。

圖9係本發明可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置於不同處所量測到的電壓與相位角之關係圖。

圖10係本發明可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置的感測頭模組之外觀示意圖。

表一為本發明可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置解析度 為0.1奈米時的計數表。

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(如圖1及2所示)的較佳實施例，詳細說明如后：本發明所提供的可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置，其係包含有一光源模組10、一感測頭模組20、一待測模組30、一訊號處理模組40及一顯示模組50，其中：該光源模組10係設有一發射器11、一光隔離器12及一前光纖耦合器13，其中該發射器11係可發射一光束，較佳地，該發射器11係為一氦氖穩頻雷射發射器(He-Ne Laser)，該光隔離器12係位於該發射器11射出光束的路徑上，用以接收該光束並防止該光束因逆回而影響該發射器11，該前光纖耦合器13係用以接收經該光隔離器12的光束，其中該前光纖耦合器13係為連接光纖前後的元件，其目的可將光源導入光纖，並使光纖送出的光線準直；該感測頭模組20係用以接收該光源模組10的光源且設有一後光纖耦合器21、一分光鏡(Beam Splitter；BS)22、一偏振分光鏡(Polarizing Beam Splitter；PBS)23、一鍍膜玻璃平板24、一相位延遲片25、兩光強度檢測器(Power Detector；PD)26、一前級放大器27及兩擋板28，29，其中該後光纖耦合器21係位於該前光纖耦合器13的一側且用以接收經該前光纖耦合器13的光束，該分光鏡22係位於該後光纖耦合器21異於該前光纖耦合器13的一側，其係將經該後光纖耦合器21的光束分成兩道分光束，該偏振分光鏡23係位於該分光鏡22的一側且用以接收其 中一道分光束，並將該道分光束再分成兩道次光束，該鍍膜玻璃平板24位於該分光鏡22及該偏振分光鏡23的一側且接收該分光鏡22的另一道分光束，較佳地，該鍍膜玻璃平板24主要係在一玻璃基材241異於該分光鏡22及該偏振分光鏡23的側面鍍上一反射率為R%的鍍膜242(其中該R係為一參數)；該相位延遲片25係設置在該鍍膜玻璃平板24異於該分光鏡22的一側，用以接收經該鍍膜玻璃平板24的分光束，較佳地，該相位延遲片25係為一八分之一波長(λ/8)的相位延遲片25，而兩光強度檢測器26係分別設於該偏振分光鏡23的兩側且分別用以接收經該偏振分光鏡23分光的兩道次光束，該前級放大器27係可將訊號進行第一次的放大，由於要將訊號由感測頭模組20傳導至該訊號處理模組40，需經過較遠的傳輸距哩，因此，進行第一次放大可提升訊雜比(S/N比)，該前級放大器27係設於兩光強度檢測器26異於該偏振分光鏡23的一側，用以接收兩光強度檢測器26的訊號，而兩擋板28，29係分別設於該鍍膜玻璃平板24的兩側，其中兩擋板28，29係分別為一第一擋板28及一第二擋板29，該第一擋板28係位於該分光鏡22、該偏振分光鏡23及該鍍膜玻璃平板24之間且設有一開孔281，讓經該分光鏡22分光的其中一道分光束可射入至該鍍膜玻璃平板24，而該第二擋板29係設於該鍍膜玻璃平板24異於該第一擋板28的一側且設有兩穿孔291，其中一穿孔291係用以供經該相位延遲片25穿射的分光束通過；進一步，請配合參看如圖10所示，該感測頭模組20係將該後光纖耦合器21、該分光鏡22、該偏振分光鏡23、該鍍膜玻璃平板24、該相位延遲片25、兩光強度檢測器26、該前 級放大器27及兩擋板28，29設置於一底板201上，並且於該底板201上蓋設有一外殼202，進而將前述構件組裝於該感測頭模組20內，其中該外殼202的尺寸小於100立方公厘(mm³ )，可方便地於現有精密機械機台上進行組裝及應用；該待測模組30係用以反射該感測頭模組20的光束，其中請配合如圖3或4所示，該待測模組30係用以與一待測物60相結合且設有一量測鏡31，當本發明可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置係用於較短距離及平台較為穩定的量測使用時，該量測鏡31係為一鍍膜片32，進而具有較佳的穩定度及精度，其中該鍍膜片32的反射率與穿透率分別為R與T，而當本發明可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置係用於較長距離及對於平台傾角需求較低的量側使用時，則該量測鏡31係為一角隅稜鏡33，進而具有較佳的機構適應性及光學解析度，其中該角隅稜鏡33設有複數個反射鏡331，其係透過該第二擋板29的兩穿孔291而接收經該鍍膜玻璃平板24透射的分光束並將其反射回該鍍膜玻璃平板24，使該角隅稜鏡33與該鍍膜玻璃平板24之間形成一共振腔，進一步，本發明可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置於使用時，係如圖3或4所示該待測物60係設於該鍍膜片32或該角隅稜鏡33異於該第二擋板29的一側，藉以對於該待測物60的移動量進行量測；該訊號處理模組40係與該感測頭模組20連接，藉以對於該待測模組30所量測到的訊號進行處理，其中該訊號處理模組40係設有一後級放大器41及一訊號處理器42，該後級放大器41係與該前級放大器27相連接，而該訊號處理器42係與該後級放大器41相連接，藉以將該待測模組30所量測到的訊號 進行處理，進一步，如圖2所示，該訊號處理模組40於該後級放大器41及該訊號處理器42之間係設有一自動增益及直流漂移修正模組43，如圖7所示該自動增益及直流漂移修正模組43具有一自動增益及直流漂移的電路，且設有一2通道類比數位轉換(Analog Digital Converter；ADC)44及一4通道數位類比轉換(Digital Analog Converter；DAC)45，其中該2通道類比數位轉換44係與該後級放大器41及該訊號處理器42相連接，該4通道數位類比轉換45係與該訊號處理器42相連接；以及該顯示模組50係與該訊號處理模組40相連接，用以將該訊號處理模組40處理後的訊號進行顯示，較佳地，顯示模組50係可為一電腦。

本發明可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置於使用時，請配合參看如圖3及4所示，該發射器11的雷射光係經光隔離器12及兩光纖耦合器13，21後，射入該感測頭模組20的分光鏡22中而分兩道分光束，其中一道分光束係經兩擋板28，29而射入位於該鍍膜玻璃平板24、該相位延遲片25及該待測模組30間的共振腔中，其中當該量測鏡31為該鍍膜片32時，其光源路徑係為一單程光路(single pass)，光學解析度為二分之一波長(λ/2)，若該量測鏡31為該角隅稜鏡33時，其光源路徑係為一雙程光路(double pass)，光學解析度為四分之一波長(λ/4)，該光學理論分析係如下方程式(1)及(2)所示：

其中上述方程式(1)及(2)中的A_s1 為第一道反射光的 振幅，A_sN 為經由該共振腔後反射光的振幅，R與T為該鍍膜片32之反射率與穿透率，A₀ 為入射光的振幅，T1則為該共振腔整體的穿透率。

而光束的電場分佈(包含垂直方向的s-type及水平方向的p-type)係可如方程式(3)及(4)所示：

其中E_sN 為第N道s-type的光束的電場分佈，E_pN 為第N道p-type的光束的電場分佈，其中若該量測鏡31為該鍍膜片32時，其δ為4πd/λ，若該量測鏡31為該角隅稜鏡33時，該δ為8πd/λ，其中d為該量測鏡31的位置。

而經該分光鏡22的分光後的另一道分光束係經該偏振分光鏡23，使該s-type(s-polarization)與p-type(p-polarization)光束由該偏振分光鏡23分割開，並分別兩光強度檢測器26接收，其中該s-type與p-type光束的光強分布係如方程式式(5)與(6)所示：

其中將兩訊號(PD₁ 及PD₂ )以δ由0至2π進行模擬可得到如圖5所示之一二維封閉曲線的李沙育圖形(Lissajous Figures)，其中該封閉曲線非為一圓形或一橢圓形。

因此，本發明可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置在訊號處理時，其訊號模式係與現有雙光束干涉儀的弦波訊號 有所不同(其弦波訊號Lissajou圖型為圓形或橢圓形)，所以，若以現有雙光束干涉儀的訊號模組進行訊號處理，會產生較大的內插誤差，請配合參看如圖6所示，在一個週期中不同八分之一相位延遲片所得的內插誤差量，因此，本發明在訊號處理時係採用查表法(LUT) ，其中係以方程式(5)及(6)的光強公式為基準，將參數設定與現實狀況相符合，進行模擬後可得該Lissajou圖形，將該圖形的振幅中心設為零點，即可得到各相位角所對應的位移量，將該位移量依照需要的解析度建表，即可得到LUT的訊號處理模組，其中表一係解析度為0.1奈米(nanometer)的計數表，亦可以更高的精度計算而取得皮米(picometer)等級的解析度。

另外，請配合參看如圖7及8所示，本發明所使用的自動增益及直流漂移修正模組43，係以一型號為VCR7N的壓控電阻做為自動增益的壓敏電阻，其中兩光強度檢測器26的訊號經該後級放大器41，放大後輸入至2通道類比數位轉換44由該訊號處理器42讀取，藉以判斷訊號的振幅與直流準位後，將 一增益及直流的修正參數以電壓的形式經過該4通道數位類比轉換45傳送至自動增益及直流漂移修正模組43，透過此模組的執行方式，其干涉訊號可較不受同調長度及該量測鏡傾角所造成的訊號衰退，可大幅增長量測的範圍及穩定性，其中圖9為量測鏡31在原點及500公厘(mm)處所擷取的訊號，除訊雜比(S/N)比略有不同外，訊號振幅及直流準位係一致。

藉由上述的技術手段，本發明的可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置，在使用上該共光程的量測方式，不僅可達到皮米(picometer)等級的量測精度，且透過光源路徑的設計，將平面鏡式的鍍膜片32與角隅稜鏡式的角隅稜鏡33兩種光路架構，整合於同一機構中，可同時兼顧量測範圍與精度，讓該感測頭模組20可搭配不同的量測鏡31進行量測，藉以因應使用者不同的量測需求，再者，本發明可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置係採用查表法與所分析的光強方程式相結合，進而建立一適合多光束干涉儀的訊號處理模組，可大幅減低現有雙光束干涉儀因內插模組所產生的誤差，並且透過於該後級放大器41及該訊號處理器42之間設置該自動增益及直流漂移修正模組43的方式，可讓該鍍膜片32及該角隅稜鏡33進行量測鏡時皆可維持穩定的訊號品質，藉以提供一方便架設、可抗環境干擾及鏡面傾角且可提高量測範圍的可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置。

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‧‧‧光源模組

20‧‧‧感測頭模組

30‧‧‧待測模組

31‧‧‧量測鏡

40‧‧‧訊號處理模組

50‧‧‧顯示模組

60‧‧‧待測物

Claims (9)

1. 一種可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置，其係包含有一光源模組、一感測頭模組、一待測模組、一訊號處理模組及一顯示模組，其中：該光源模組設有一發射器，該發射器係發射一光束；該感測頭模組係接收該光源模組的光束且設有一分光鏡、一偏振分光鏡、一鍍膜玻璃平板、一相位延遲片、兩光強度檢測器及一前級放大器，該分光鏡將該發射器的光束分成兩道分光束，該偏振分光鏡位於該分光鏡一側且接收其中一道分光束，並將該道分光束再分成兩道次光束，該鍍膜玻璃平板位於該分光鏡及該偏振分光鏡一側且接收該分光鏡的另一道分光束，該相位延遲片設置在該鍍膜玻璃平板異於該分光鏡的一側，接收經該鍍膜玻璃平板的分光束，兩光強度檢測器分別設於該偏振分光鏡的兩側且分別接收經該偏振分光鏡分光的兩道次光束，該前級放大器設於兩光強度檢測器異於該偏振分光鏡的一側，接收兩光強度檢測器的訊號；該待測模組反射該感測頭模組的光束且設有一量測鏡；該訊號處理模組係與該感測頭模組連接且設有一後級放大器及一訊號處理器，該後級放大器與該前級放大器相連接，而該訊號處理器係與該後級放大器相連接，藉以將該待測模組所量測到的訊號進行處理；以及該顯示模組係與該訊號處理模組相連接，用以將該訊號處理模組處理後的訊號進行顯示。
2. 如請求項1所述之可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置，其中該量測鏡係為一鍍膜片。
3. 如請求項1所述之可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置，其中該量測鏡係為一角隅稜鏡。
4. 如請求項1或2或3所述之可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置，其中該光源模組設有一光隔離器及一前光纖耦合器，該光隔離器係位於該發射器射出光束的路徑上，用以接收該光束並防止該光束因逆回而影響該發射器，而該前光纖耦合器係用以接收經該光隔離器的光束。
5. 如請求項4所述之可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置，其中該感測頭模組設有一後光纖耦合器及兩擋板，該後光纖耦合器係位於該前光纖耦合器及該分光鏡之間，且用以接收經該前光纖耦合器的光束，而兩擋板係分別設於該鍍膜玻璃平板的兩側，其中兩擋板分別為一第一擋板及一第二擋板，該第一擋板係位於該分光鏡、該偏振分光鏡及該鍍膜玻璃平板之間且設有一開孔，讓經該分光鏡分光的其中一道分光束可射入至該鍍膜玻璃平板，而該第二擋板係設於該鍍膜玻璃平板異於該第一擋板的一側且設有兩穿孔，其中一穿孔係用以供經該相位延遲片穿射的分光束通過，而另一穿孔係供該角隅稜鏡將該道分光束反射回該鍍膜玻璃平板。
6. 如請求項5所述之可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置，其中該訊號處理模組於該後級放大器及該訊號處理器之間係設有一自動增益及直流漂移修正模組，該自動增益及直流漂移修正模組具有一自動增益及直流漂移的電 路，且設有一2通道類比數位轉換及一4通道數位類比轉換，其中該2通道類比數位轉換係與該後級放大器及該訊號處理器相連接，該4通道數位類比轉換係與該訊號處理器相連接。
7. 如請求項6所述之可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置，其中該相位延遲片為一八分之一波長的相位延遲片。
8. 如請求項1或2或3所述之可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置，其中該訊號處理模組於該後級放大器及該訊號處理器之間係設有一自動增益及直流漂移修正模組，該自動增益及直流漂移修正模組具有一自動增益及直流漂移的電路，且設有一2通道類比數位轉換及一4通道數位類比轉換，其中該2通道類比數位轉換係與該後級放大器及該訊號處理器相連接，該4通道數位類比轉換係與該訊號處理器相連接。
9. 2或3所述之可切換量測鏡之多重干涉位移量測裝置，其中該相位延遲片為一八分之一波長的相位延遲片。