TWI507663B

TWI507663B - 線性平台之量測裝置及其量測方法

Info

Publication number: TWI507663B
Application number: TW103139682A
Authority: TW
Inventors: Hsiu-An Tsai; Nai-Chun An
Original assignee: Metal Ind Res & Dev Ct
Priority date: 2014-11-14
Filing date: 2014-11-14
Publication date: 2015-11-11
Also published as: TW201617587A

Description

線性平台之量測裝置及其量測方法

本發明是關於一種量測裝置，特別是關於一種線性平台的量測裝置。

習知技術於線性平台之量測及定位常使用雷射干涉儀、光學尺、自動視準儀(autocollimator)或電子水平儀等量測儀器進行量測，但由於上述之量測元件的整體架構太重，並不適合安裝於精密定位機械上作線上量測。

其中，習知技術中雷射干涉儀的量測方式是利用光學干涉的方式進行離線校正，光學干涉是藉由將光束分光並經由不同路徑到反射鏡後反射至光學量測儀器中，再透過兩個分光光束之行程路徑的差異而產生之干涉條紋，最後再將干涉條紋換算成直度誤差，但由於此方式所需進行的計算較為繁複，因此僅能以離線的方式進行計算、校正，而無法達成線型平台即時量測的需求。

本發明的主要目的在於藉由將設置於移動平台之光源所提供之入射光照射至設置於導軌的二維光柵，且二維光柵的反射光形成光斑於四象限感測器上，而使四象限感測器產生感測訊號，由於光斑之強度及角度會隨著移動平台的移動而改變，進而改變四象限感測器之感測訊號的強度，因此，將四象限感測器所感測之感測訊號透過斜率訊號公式及位置訊號公式的計算後即可求得線性平台之一運動軸向及一徑向的位移量，進而求得線性平台之直度誤差。

本發明之一種線性平台之量測裝置，其用以量測一線性平台的位移量，該線性平台之量測裝置包含一光源、一二維光柵、一四象限感測器及一處理器，該光源提供一入射光，該二維光柵設置於該入射光的路徑上，該二維光柵反射一反射光，該四象限感測器設置於該反射光的路徑上，該四象限感測器接收該反射光，以產生複數個感測訊號，該處理器接收該些感測訊號，並將該些感測訊號透過該二維光柵之一斜率訊號公式計算一斜率訊號，且該處理器將該些感測訊號透過二維光柵之一位置訊號公式求得一初始位置訊號及一終止位置訊號，其中該處理器根據該斜率訊號、該初始位置訊號及該終止位置訊號求得該線性平台的位移量。

本發明藉由簡易的訊號分析得到該斜率訊號的位階數，並將該斜率訊號之位階數所對應之位階位移量及斜率位移量疊合後即可求得該線性平台的位移量，由於計算簡潔快速，因此可適用於線上量測該線性平台之位移及直度誤差，進而藉由資訊的回授而即時地控制該線性平台。

請參閱第1、2及3圖，其分別為本發明之一種線性平台之量測方法10及一種線性平台之量測裝置100，其用以量測一線性平台200的位移量。請參閱第1圖，於「提供線性平台之量測裝置11」中提供該線性平台之量測裝置100，請參閱第2圖，在本實施例中，該線性平台之量測裝置100包含一光源110、一準直透鏡120、一偏極分光元件130、一第一反射元件140、一二維光柵150、一第二反射元件160、一聚焦透鏡170及一四象限感測器(QPD)180。

請參閱第2圖，該光源110提供一入射光，較佳的，該光源110為一雷射光，該準直透鏡120設置於該入射光的路徑上，且該準直透鏡120位於於該光源110及該偏極分光元件130之間，該準直透鏡120用以該入射光轉為準直光束，以避免入射光於傳播路徑中發散。該偏極分光元件130設置於該入射光的路徑上，該偏極分光元件130具有一極化分光鏡131及一四分之一波片132，該極化分光鏡131用以將該入射光導引至該二維光柵150，在本實施例中，該入射光是穿透該極化分光鏡131而到達該四分之一波片132，該四分之一波片132用以偏振該入射光。

請參閱第2圖，該第一反射元件140設置於該偏極分光元件130及該二維光柵150之間，該第一反射元件140將該入射光由該偏極分光元件130導引至該二維光柵150，在本實施例中，該第一反射元件140為一反射鏡。該二維光柵150設置於該入射光的路徑上，且該二維光柵150反射一反射光，請參閱第4圖，較佳的，該二維光柵150為一反射式二維弦波光柵，其中，該反射性式二維弦波光柵之輪廓方程式為：。為該反射性式二維弦波光柵之輪廓方程式，分別為該反射性式二維弦波光柵之一x 軸方向及一z 軸方向的弦波振幅，分別為該反射性式二維弦波光柵之該x 軸方向及該z 軸方向的弦波波長，x 及y 分別為該二維光柵150之該x 軸方向及該z 軸方向的位置。在本實施利中，。分別對該二維光柵150之x 及z 進行偏微分可求得該二維光柵150的該x 軸方向及該z 軸方向的斜率方程：由上式可知，該二維光柵150之該x 軸方向及該z 軸方向的斜率訊號公式僅與該x 軸方向及該z 軸方向的數據有關，因此，可分別獨立計算該二維光柵150之x 軸方向及z軸方向的斜率訊號。

請參閱第2圖，由於該二維光柵150所反射之反射光是沿原路徑反射，因此，位於該入射光路徑上的該第一反射元件140及該偏極分光元件130亦位於該反射光的路徑上，因此，該第一反射元件140將該反射光由該二維光柵150導引至該偏極分光元件130。該四分之一波片132偏振該反射光，而該極化分光鏡131將該反射光導引至該四象限感測器180，在本實施例中，該反射光是經由該極化分光鏡131的反射而改變方向。

請參閱第2圖，該第二反射元件160設置於該偏極分光元件130及該聚焦透鏡170之間，該第二反射元件160將該反射光由該偏極分光元件130導引至該聚焦透鏡170，在本實施例中，該第二反射元件160為一反射鏡，該聚焦透鏡170位於該二維光柵150及該四象限感測器180之間以將該反射光聚焦為一光斑LS於該四象限感測器180上。

請參閱第2及5圖，該四象限感測器180設置於該反射光的路徑上，且該四象限感測器180接收聚焦之該反射光，以產生複數個感測訊號、、、，請參閱第5圖，為光斑LS照射至該四象限感測器180的示意圖，該四象限感測器180具有一第一象限感測單元181、一第二象限感測單元182、一第三象限感測單元183及一第四象限感測單元184且定義有一i 軸及一j 軸，在本實施例中，當該光斑LS照射至該第一象限感測單元181、該第二象限感測單元182、該第三象限感測單元183及該第四象限感測單元184時，該些感測單元會分別產生一電流訊號，或在其他實施例中，該些感測單元是分別產生一電壓訊號。該些電流訊號即為該些感測訊號、、、，其中該些感測訊號、、、正比於該光斑LS照射於該第一象限感測單元181、該第二象限感測單元182、該第三象限感測單元183及該第四象限感測單元184的面積大小，因此，該光斑LS於該四象限感測器180的一i 軸位置可表示為：該光斑LS於該四象限感測器180的一j 軸位置可表示為：其中為該第一象限感測單元181所感測之感測訊號，為該第二象限感測單元182所感測之感測訊號，為該第三象限感測單元183所感測之感測訊號，為該第四象限感測單元184所感測之感測訊號。

其中，聚焦於該四象限感測器180的該光斑LS之該i 軸方向及該j 軸方向的直徑分別為：為該光斑LS之該i 軸方向的直徑，為該光斑LS之該j 軸方向的直徑，為該聚焦透鏡170的焦距，為該入射光的波長，為該入射光之一X軸直徑(該X軸相對於該四象限感測器180之該i 軸)，為該入射光之一Z軸直徑(Z軸相對於該四象限感測器180之該j 軸)，由且於該些感測訊號、、、正比於該光斑LS照射於該第一象限感測單元181、該第二象限感測單元182、該第三象限感測單元183及該第四象限感測單元184的面積大小，因此，該四象限感測器180的該i 軸位置及該j 軸位置亦可表示為：因此，經由換算後，該二維光柵150之一斜率訊號公式為：為該二維光柵150之該x 軸斜率訊號，為該入射光之波長，為該光斑LS的該j 軸位置，為該反射光之該Z 軸方向直徑，為該二維光柵150之該z 軸斜率訊號，為該光斑LS的一i 軸位置，為該反射光之該X 軸方向直徑。將該二維光柵150之該x 軸斜率訊號及該z 軸斜率訊號代回該二維光柵150的該x 軸及z 軸的斜率方程並求解x 及y 後可求得該二維光柵150之一位置訊號公式：為二維光柵150之一x 軸位置訊號，為該二維光柵150軸位置訊號。由上式可知，該二維光柵150之該x 軸方向及該z 軸方向的位置訊號公式僅與該x 軸方向及該z 軸方向的數據有關，因此，可分別獨立計算該二維光柵150之x 軸方向及z軸方向的位置訊號。

請參閱第2及3圖，該線性平台200包含一導軌210及一移動平台220，其中該導軌210固定不動，而該移動平台220則透過一驅動裝置(圖未繪出)沿著該導軌210線性移動，在本實施例中，該二維光柵150設置於該導軌210，該光源110、該準直透鏡120、該偏極分光元件130、該第一反射元件140、該第二反射元件160、該聚焦透鏡170及該四象限感測器180設置於於該移動平台220上並隨著該移動平台220移動。當該移動平台220由一第一位置移動至一第二位置時，該光源110所提供之該入射光亦隨著該移動平台220移動，因此，該入射光照射於該二維光柵150的位置產生變化，使該二維光柵150所反射之該反射光射入該四象限感測器180的角度及強度產生變化，該四象限感測器180接收該反射光後，再藉由上述之該斜率訊號公式及該位置訊號公式即可求得該入射光照射於該二維光柵150的位置及斜率變化。

請參閱第1圖，於「計算斜率訊號12」中，一處理器(圖未繪出)接收該四象限感測器180的該些感測訊號、、、，該處理器將該些感測訊號、、、代入該二維光柵150之該斜率訊號公式分別計算該二維光柵150的該x 軸方向及該y 軸方向的一斜率訊號，該斜率訊號為隨著該移動平台220之位置變化而改變大小的弦波訊號。該處理器將該些感測訊號、、、代入二維光柵150之該位置訊號公式分別求得該二維光柵150的該x 軸方向及該z 軸方向的一初始位置訊號及一終止位置訊號，其中該初始位置訊號是該移動平台220位於該第一位置時，將該些感測訊號、、、代入該位置訊號公式求得，而該終止位置訊號是該移動平台220位於該第二位置時，將該些感測訊號代入該位置訊號公式求得。

請參閱第1及6圖，求得該二維光柵150的該x 軸及該z 軸的該斜率訊號、該初始位置訊號及該終止位置訊號後，進行「求得線性平台位移量13」，該處理器根據該斜率訊號、該初始位置訊號及該終止位置訊號求得該線性平台200的位移量，請參閱第6圖，「求得線性平台位移量13」的步驟中包含「判斷斜率訊號的訊號類型13a」、「計算斜率訊號的總位階數13b」、「計算斜率訊號的總位階位移量13c」、「求得斜率位移量13d」及「將總位階位移量及斜率位移量相加13e」。

請參閱第6圖，於「判斷斜率訊號的訊號類型13a」中該處理器根據該斜率訊號之一零點個數、一正峰值個數及一負峰值個數判斷該斜率訊號的一訊號類型，其中當該零點個數等於該正峰值個數與該負峰值個數相加時，判斷該斜率訊號為第一類型；當該零點個數大於該正峰值個數與該負峰值個數相加時，判斷該斜率訊號為第二類型；當該零點個數小於該正峰值個數與該負峰值個數相加時，判斷該斜率訊號為第三類型。請參閱第7圖，以該斜率訊號之波形為例，該斜率訊號之零點個數為5，該正峰值個數為3，該負峰值個數為2，由於5=3+2，因此判定此斜率訊號為第一類型。請參閱第8圖，以該斜率訊號之波形為例，該斜率訊號之零點個數為4，該正峰值個數為1，該負峰值個數為2，由於4＞1+2，因此判定此斜率訊號為第二類型。

請參閱第6圖，判斷該斜率訊號的訊號類型後進行「計算斜率訊號的位階數13b」，該處理器根據該斜率訊號之該正峰值個數、該負峰值個數及該訊號類型計算該斜率訊號之一位階數，其中當該斜率訊號為第一類型時，；當該斜率訊號為第二類型時，；當該斜率訊號為第三類型時，。以第7圖之斜率訊號為例，該斜率訊號的位階數，以第8圖之斜率訊號為例，該斜率訊號的位階數。其中，該位階數為該斜率訊號中有完整形成四分之一週期之訊號的數量。

請參閱第6圖，於「計算斜率訊號的總位階位移量13c」中該處理器根據該斜率訊號之該位階數計算該斜率訊號的一總位階位移量，其中計算該斜率訊號之該總位階位移量的公式為： Tmd為該總位階位移量，Tm為一位階位移量，該位階位移量，為該二維光柵150之弦波波長，Order為該斜率訊號之該位階數。

請參閱第6圖，於「求得斜率位移量13d」中，該處理器根據該斜率訊號的該訊號類型疊合該初始位置訊號及該終止位置訊號求得一斜率位移量，其中當該斜率訊號為第一類型，且該斜率訊號之第一個峰值位置在第一個零點位置之前時，；當該斜率訊號為第二類型，且該斜率訊號之第一個峰值位置在第一個零點位置之後時，；當該斜率訊號為第二類型時， )；當該斜率訊號為第三類型時，。

請參閱第6圖，最後，於「將總位階位移量及斜率位移量相加13e」中將該總位階位移量及該斜率位移量相加以求得該線性平台200的位移量，請參閱第2及3圖，其中將該x 軸方向的該總位階位移量及該斜率位移量相加即為該線性平台200之一運動軸向的位移量，而將該z 軸方向的該總位階位移量及該斜率位移量相加即為該線性平台200之一徑向的位移量，在本實施利中，該徑向的位移量為垂直方向的位移量，或在其他實施利中，藉由該二維光柵150及該入射光之間位置設置關係可量測得其他方向的位移量。求得該線性平台200之徑向的位移量後，經由分析即可求得該線性平台200的直度誤差。

本發明藉由簡易的訊號分析得到該斜率訊號的位階數，並將該斜率訊號之位階數所對應之位階位移量及斜率位移量疊合後即可求得該線性平台200的位移量，由於計算簡潔快速，因此可適用於線上量測該線性平台200之位移及直度誤差，進而藉由資訊的回授而即時地控制該線性平台200。

10‧‧‧線性平台之量測方法
11‧‧‧提供線性平台之量測裝置
12‧‧‧計算斜率訊號
13‧‧‧求得線性平台位移量
13a‧‧‧判斷斜率訊號的訊號類型
13b‧‧‧計算斜率訊號的位階數
13c‧‧‧計算斜率訊號的總位階位移量
13d‧‧‧求得斜率位移量
13e‧‧‧將總位階位移量及斜率位移量相加
100‧‧‧線性平台之量測裝置
110‧‧‧光源
120‧‧‧準直透鏡
130‧‧‧偏極分光元件
131‧‧‧極化分光鏡
132‧‧‧四分之一波片
140‧‧‧第一反射元件
150‧‧‧二維光柵
160‧‧‧第二反射元件
170‧‧‧聚焦透鏡
180‧‧‧四象限感測器
181‧‧‧第一象限感測單元
182‧‧‧第二象限感測單元
183‧‧‧第三象限感測單元
184‧‧‧第四象限感測單元
200‧‧‧線性平台
210‧‧‧導軌
220‧‧‧移動平台
LS‧‧‧光斑
I ₁‧‧‧感測訊號
I ₂‧‧‧感測訊號
I ₃‧‧‧感測訊號
I ₄‧‧‧感測訊號

第1圖：依據本發明之一實施例，一種線性平台之量測方法的流程圖。第2圖：依據本發明之一實施例，一種線性平台之量測裝置的方塊圖。第3圖：依據本發明之一實施例，該線性平台之量測裝置設置於一線性平台上的示意圖。第4圖：依據本發明之一實施例，一二維光柵的示意圖。第5圖：依據本發明之一實施例，一光斑照射於一四象限感測器的示意圖。第6圖：依據本發明之一實施例，一求得線性平台位移量之步驟的流程圖。第7圖：依據本發明之一實施例，一第一類型之斜率訊號的訊號圖。第8圖：依據本發明之一實施例，一第二類型之斜率訊號的訊號圖。

100‧‧‧線性平台之量測裝置

110‧‧‧光源

120‧‧‧準直透鏡

130‧‧‧偏極分光元件

131‧‧‧極化分光鏡

132‧‧‧四分之一波片

140‧‧‧第一反射元件

150‧‧‧二維光柵

160‧‧‧第二反射元件

170‧‧‧聚焦透鏡

180‧‧‧四象限感測器

Claims

一種線性平台之量測裝置，其用以量測一線性平台的位移量，該線性平台之量測裝置包含：一光源，提供一入射光；一二維光柵，設置於該入射光的路徑上，該二維光柵反射一反射光；一四象限感測器(QPD)，設置於該反射光的路徑上，該四象限感測器接收該反射光，以產生複數個感測訊號；以及一處理器，接收該些感測訊號，並將該些感測訊號透過該二維光柵之一斜率訊號公式計算一斜率訊號，且該處理器將該些感測訊號透過二維光柵之一位置訊號公式求得一初始位置訊號及一終止位置訊號，其中該處理器根據該斜率訊號、該初始位置訊號及該終止位置訊號求得該線性平台的位移量。
如申請專利範圍第1項所述之線性平台之量測裝置，其另包含有一聚焦透鏡，該聚焦透鏡位於該二維光柵及該四象限感測器之間以將該反射光聚焦為一光斑於該四象限感測器上。
如申請專利範圍第1項所述之線性平台之量測裝置，其中該二維光柵為一反射式二維弦波光柵，該反射性式二維弦波光柵之輪廓方程式為：。為該反射性式二維弦波光柵之輪廓方程式，分別為該反射性式二維弦波光柵之一x 軸方向及一z 軸方向的弦波振幅，分別為該反射性式二維弦波光柵之該x 軸方向及該z 軸方向的弦波波長。
如申請專利範圍第2項所述之線性平台之量測裝置，其中該二維光柵之該斜率訊號公式為：為該二維光柵之一x 軸斜率訊號，為該入射光之波長，為該光斑的一j 軸位置，為該反射光之一Z 軸直徑，為該二維光柵之一z 軸斜率訊號，為該光斑的一i 軸位置，為該反射光之一X 軸直徑，該光斑的該i 軸位置為：為該四象限感測器之一第一象限感測單元所感測之感測訊號，為該四象限感測器之一第二象限感測單元所感測之感測訊號，為該四象限感測器之一第三象限感測單元所感測之感測訊號，為該四象限感測器之一第四象限感測單元所感測之感測訊號，其中該光斑的該j 軸位置為：其中該二維光柵之該位置訊號公式為：為二維光柵之一x 軸位置訊號，為該二維光柵之一z 軸位置訊號。
如申請專利範圍第1項所述之線性平台之量測裝置，其另包含一偏極分光元件、一準直透鏡及一聚焦透鏡，該偏極分光元件設置於該入射光及該反射光的路徑上，該偏極分光元件具有一極化分光鏡及一四分之一波片，該極化分光鏡用以將該入射光導引至該二維光柵並將該反射光導引至該四象限感測器，該四分之一波片用以偏振該入射光及該反射光，該準直透鏡設置於該入射光的路徑上，且該準直透鏡位於於該光源及該偏極分光元件之間，該聚焦透鏡位於該二維光柵及該四象限感測器之間以將該反射光聚焦為一光斑於該四象限感測器上。
如申請專利範圍第1項所述之線性平台之量測裝置，其中該線性平台包含一導軌及一移動平台，該二維光柵設置於該導軌，該光源及該四象限感測器設置於該移動平台上。
一種線性平台之量測方法，用以量測一線性平台的位移量，該線性平台具有一導軌及一移動平台，該線性平台之量測方法包含：提供一線性平台之量測裝置，該線性平台之量測裝置具有一光源、一二維光柵、一四象限感測器(QPD)及一處理器，該光源及該四象限感測器設置於該移動平台，該二維光柵設置於該導軌，該光源提供一入射光至該二維光柵，該二維光柵反射一反射光至該四象限感測器，該四象限感測器產生複數個感測訊號至該處理器；該處理器將該些感測訊號透過該二維光柵之一斜率訊號公式計算一斜率訊號，且該處理器將該些感測訊號透過該二維光柵之一位置訊號公式求得一初始位置訊號及一終止位置訊號；以及該處理器根據該斜率訊號、該初始位置訊號及該終止位置訊號求得該線性平台的位移量。
如申請專利範圍第7項所述之線性平台之量測方法，其中線性平台之量測裝置另具有一聚焦透鏡，該聚焦透鏡位於該二維光柵及該四象限感測器之間以將該反射光聚焦為一光斑於該四象限感測器上。
如申請專利範圍第7項所述之線性平台之量測方法，其中該二維光柵為一反射式二維弦波光柵，該反射性式二維弦波光柵之輪廓方程式為：。為該反射性式二維弦波光柵之輪廓方程式，分別為該反射性式二維弦波光柵之一x 軸方向及一z 軸方向的弦波振幅，分別為該反射性式二維弦波光柵之該x 軸方向及該z 軸方向弦波波長。
如申請專利範圍第8項所述之線性平台之量測方法，其中該斜率訊號公式為：為該二維光柵之一x 軸斜率訊號，為該入射光之波長，為該光斑的一j 軸位置，為該反射光之一Z 軸直徑，為該反射光之一z 軸斜率訊號，為該光斑的一i 軸位置，為該反射光之一X 軸直徑，其中該光斑的該i 軸位置為：為該四象限感測器之一第一象限感測單元所感測之感測訊號，為該四象限感測器之一第二象限感測單元所感測之感測訊號，為該四象限感測器之一第三象限感測單元所感測之感測訊號，為該四象限感測器之一第四象限感測單元所感測之感測訊號，該光斑的該i 軸位置為：其中該二維光柵之該位置訊號公式為：為二維光柵之一x 軸位置訊號，為該二維光柵之一z 軸位置訊號。
如申請專利範圍第7項所述之線性平台之量測方法，其中於該處理器根據該斜率訊號、該初始位置訊號及該終止位置訊號求得該線性平台的位移量中包含：根據該斜率訊號之一零點個數、一正峰值個數及一負峰值個數判斷該斜率訊號的一訊號類型；根據該斜率訊號之該正峰值個數、該負峰值個數及該訊號類型計算該斜率訊號之一位階數；根據該斜率訊號之該位階數計算該斜率訊號的一總位階位移量；根據該斜率訊號的該訊號類型疊合該初始位置訊號及該終止位置訊號求得一斜率位移量；及將該總位階位移量及該斜率位移量相加以求得該線性平台的位移量。
如申請專利範圍第11項所述之線性平台之量測方法，其中於判斷該斜率訊號的該訊號類型中，當該零點個數等於該正峰值個數與該負峰值個數相加時，判斷該斜率訊號為第一類型；當該零點個數大於該正峰值個數與該負峰值個數相加時，判斷該斜率訊號為第二類型；當該零點個數小於該正峰值個數與該負峰值個數相加時，判斷該斜率訊號為第三類型。
如申請專利範圍第12項所述之線性平台之量測方法，其中於計算該斜率訊號之該位階數中，當該斜率訊號為第一類型時，；當該斜率訊號為第二類型時，；當該斜率訊號為第三類型時，。
如申請專利範圍第13項所述之線性平台之量測方法，其中計算該斜率訊號之該總位階位移量的公式為： Tmd為該總位階位移量，Tm為一位階位移量，該位階位移量= ，分別為該二維光柵之一x 軸方向及一z 軸方向弦波波長，Order為該斜率訊號之該位階數。
如申請專利範圍第14項所述之線性平台之量測方法，其中於求得該斜率位移量中，當該斜率訊號為第一類型，且該斜率訊號之第一個峰值位置在第一個零點位置之前時，；當該斜率訊號為第二類型，且該斜率訊號之第一個峰值位置在第一個零點位置之後時，；當該斜率訊號為第二類型時， )；當該斜率訊號為第三類型時，。