TWI645159B - 光學裝置 - Google Patents

Abstract

一種光學裝置配置以量測距離。光學裝置包含棱鏡、分束器、探測器與光源。棱鏡具有第一入光面與複數個第一出光面，第一入光面相對第一出光面而設，第一出光面彼此連接並交匯於頂角。分束器具有透光面，以及相連接的第二入光面與第二出光面，第二入光面至少部分面向第一出光面，透光面相對第二入光面而設，分束器更具有部分鏡面於其中，部分鏡面至少部分朝向透光面與第二出光面，透光面配置以朝向光柵。探測器對應第二出光面。光源配置以向第一入光面射出光線，光線之光軸穿越頂角與分束器。

Description

光學裝置

本發明是關於一種光學裝置，且特別是關於一種用以量測距離的光學裝置。

隨著高科技產業的快速發展，微奈米級的定位系統需求量日益增加，對於光學尺的精度要求也相對地不斷提高，而且，光學尺的應用也變得越來越普及。

因此，如何能夠在提高光學尺的精度之餘，又能把光學尺的製作成本有效降低，無疑是業界一個重要的課題。

本發明之一技術態樣在於提供一種光學裝置，其能有效降低整體成本。

根據本發明的一實施方式，一種光學裝置配置以量測距離。光學裝置包含棱鏡、分束器、探測器與光源。棱鏡具有第一入光面以及複數個第一出光面，第一入光面相對第一出光面而設，第一出光面彼此連接並交匯於頂角。分束器具有透光面，以及相連接的第二入光面以及第二出光面，第二入光面至少部分面向第一出光面，透光面相對第二入光面而設，分束器更具有部分鏡面於其中，部分鏡面至少部分朝向透光面與第二出光面，透光面配置以朝向光柵。探測器對應第二出光面。光源配置以向第一入光面射出光線，光線之光軸穿越頂角與分束器。

在本發明一或多個實施方式中，上述之頂角遠離光源。

在本發明一或多個實施方式中，上述之第一出光面實質上為平面。

在本發明一或多個實施方式中，上述之光源、頂角與分束器實質上成一直線排列。

在本發明一或多個實施方式中，上述之第一入光面包含複數個子入光面。子入光面彼此連接並交匯於凹陷角，凹陷角於棱鏡外少於180度。

在本發明一或多個實施方式中，上述之子入光面共同形成凹陷狀，第一出光面共同形成凸出狀，使得棱鏡呈V形。

在本發明一或多個實施方式中，上述之第一入光面包含複數個子入光面。子入光面彼此連接並交匯於凸出角，凸出角於棱鏡外大於180度。

在本發明一或多個實施方式中，上述之子入光面共同形成凸出狀，第一出光面處於相同面，使得棱鏡呈Δ形。

在本發明一或多個實施方式中，上述之第二出光面與透光面相連接。

在本發明一或多個實施方式中，上述之棱鏡包含透光材料。

在本發明一或多個實施方式中，上述之光源配置以射出相干光。

在本發明一或多個實施方式中，上述之第一出光面配置以折射光線，使得被第一出光面折射出來的複數個折射光線之間的角度，係相同於光線的波長相對光柵的間距的比率的整倍數。

本發明上述實施方式與已知先前技術相較，至少具有以下優點：

(1) 由於棱鏡的第一出光面實質上為平面，且第一入光面亦可包含複數個子入光面，其中子入光面彼此連接並交匯於凹陷角，凹陷角於棱鏡外少於180度，因此，相對於具有弧形入光面及弧形出光面的透鏡，棱鏡的結構簡單並易於製作，而且棱鏡的材質可包含透光材料，例如壓克力（acrylic），有助降低棱鏡的生產成本，藉此也能使光學裝置的整體成本有效降低。

(2) 由於棱鏡的結構簡單，棱鏡於光學裝置的安裝及調校亦變得簡單容易，因此能進一步有效降低光學裝置的整體成本。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。

除非另有定義，本文所使用的所有詞彙（包括技術和科學術語）具有其通常的意涵，其意涵係能夠被熟悉此領域者所理解。更進一步的說，上述之詞彙在普遍常用之字典中之定義，在本說明書的內容中應被解讀為與本發明相關領域一致的意涵。除非有特別明確定義，這些詞彙將不被解釋為理想化的或過於正式的意涵。

請參照第1圖，其繪示依照本發明一實施方式之光學裝置100的示意圖。在本實施方式中，如第1圖所示，一種光學裝置100配置以量測距離。光學裝置100包含棱鏡110、分束器120、探測器130與光源140。棱鏡110具有第一入光面111以及複數個第一出光面112，第一入光面111相對第一出光面112而設，第一出光面112彼此連接並交匯於頂角V。在本實施方式中，頂角V於棱鏡110內為鈍角。分束器120具有透光面121，以及相連接的第二入光面122以及第二出光面123，第二入光面122至少部分面向第一出光面112，透光面121相對第二入光面122而設，分束器120更具有部分鏡面124於其中，部分鏡面124至少部分朝向透光面121與第二出光面123，透光面121配置以朝向光柵200。探測器130對應第二出光面123。光源140配置以向第一入光面111射出光線L，而光線L之光軸C穿越棱鏡110的頂角V與分束器120。在實務的應用中，光源140、棱鏡110的頂角V與分束器120實質上成一直線排列。

具體而言，當光源140向棱鏡110的第一入光面111射出光線L後，光線L會進入棱鏡110。由於棱鏡110的第一出光面112彼此連接並交匯於頂角V，而如上所述，頂角V於棱鏡110內為鈍角，換句話說，第一出光面112在棱鏡110內共同形成角度σ，因此，光線L從光源140射出的路徑並非相同於每一個第一出光面112相應的法線，如此一來，光線L會被第一出光面112折射，而分開成為如第1圖所示兩束獨立的光線Lr。再者，每一束光線Lr與光軸C形成角度θ。實際上，角度θ取決於光線L的波長。

更具體而言，當棱鏡110的位置被設定而使角度σ的分角線AB重疊於光線L的光軸C時，被分開而形成的兩束光線Lr，將具有相同的寬度W。再者，當角度σ的分角線AB重疊於光線L的光軸C時，光軸C亦成為棱鏡110的對稱線。

其後，具有相同寬度W的光線Lr將穿越分束器120的第二入光面122，並進入分束器120。進入分束器120的光線Lr，更至少部分穿越位於分束器120中的部分鏡面124，然後再經由透光面121離開分束器120，繼而抵達光柵200。藉由調整棱鏡110的頂角V與光柵200之間的距離d，兩束光線Lr抵達光柵200的位置可調校至互相重疊。

從技術上來說，藉由設計角度σ的大小，亦即設計如第1圖所示角度α的大小(角度σ和角度α的總和為180度)，從棱鏡110折射出來的光線Lr將會以角度θ抵達光柵200。

在本實施方式中，在針對光柵200表面的微結構(舉例而言，以奈米為單位)的情況下，棱鏡110的角度α的設定，係要使光線Lr因被光柵200所衍射(diffracted)而產生的第n級(the n-th order)被衍射光線Ln(第1圖未示)，能夠實質上沿垂直於光柵200表面的方向朝分束器120的透光面121投射。從數學上而言，角度θ可由以下方程式計算：θ=m△/2d

其中m=除零以外的整數；△=光線Lr的波長；以及d=光柵200的間距(pitch)。

舉例而言，以第-1級(the negatively first order)被衍射光線L-1作為說明(亦即n=-1)，如第1圖所示，當棱鏡110的角度α經過計算，而能使被棱鏡110所折 射出的光線Lr如上所述穿越分束器120並抵達光柵200後，光線Lr將受到光柵200的衍射，而其第-1級被衍射光線L-1能夠實質上沿垂直於光柵200表面的方向朝分束器120的透光面121投射且相互干擾。也就是說，被棱鏡110分開而形成的兩束光線Lr，其分別被光柵200所衍射而產生的兩束第-1級被衍射光線L-1，能夠相互干擾，且沿實質上垂直於光柵200表面的方向朝分束器120的透光面121重疊地投射。

再者，兩束朝分束器120的透光面121重疊地投射的第-1級被衍射光線L-1，在穿越透光面121後，至少部分會被位於分束器120中的部分鏡面124反射，而形成光線L-1R並投射向第二出光面123，繼而兩束相互干擾及重疊的光線L-1R亦穿越第二出光面123而被探測器130所量測。在本實施方式中，第二出光面123與透光面121相連接，且實質上彼此垂直。再者，探測器130能夠量測出兩束相互干擾的光線L-1R的強度(intensity)。

由於探測器130能夠量測出兩束相互干擾的光線L-1R的強度，而且相互干擾的光線L-1R強度的變化，係由光柵200移動時其表面的微結構改變第-1級被衍射光線L-1的相位所引起的，因此，藉由量測出兩束相互干擾的光線L-1R強度的變化，便能準確地得出在距離d保持不變的情況下，光柵200在移動方向DM上相對光學裝置100移動的距離，亦即光學裝置100在移動方向DM上相對光柵200移動的距離。

更具體而言，棱鏡110的第一出光面112配置以折射光線L，並使之成為光線Lr，並使得被第一出光面112折射出來的複數個折射光線Lr之間的角度β，係相同於光線L的波長相對光柵200的間距的比率的整倍數。如此一來，在抵達光柵200後光線Lr被衍射的級別可相互干擾並形成一共同路徑。在本實施方式中，如第1圖所示，由於如上所述光軸C亦成為棱鏡110的對稱線，因此，角度β實際上相同於角度θ的兩倍。然而，本發明並不以此為限。舉例而言，在其他的實施方式中，棱鏡110可為不對稱結構，而角度β不再相同於角度θ的兩倍。

在本實施方式中，由於棱鏡110的第一出光面112實質上為平面，且第一入光面111亦可包含複數個子入光面111a，其中子入光面111a彼此連接並交匯於凹陷角R，凹陷角R於棱鏡110外少於180度，因此，相對於具有弧形入光面及弧形出光面的透鏡，棱鏡110的結構簡單並易於製作。再者，棱鏡110可包含透光材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯（poly(methyl methacrylate)；　PMMA），又稱為壓克力（acrylic），有助降低棱鏡110的生產成本，藉此也能使光學裝置100的整體成本有效降低。

更具體而言，第一出光面112彼此連接並交滙的頂角V在棱鏡110內形成鈍角，亦即大於90度，使得第一出光面112共同形成凸出狀，加上子入光面111a彼此連接並交匯的凹陷角R在棱鏡110外也形成鈍角，亦即子入光面111a共同形成凹陷狀，使得棱鏡110的形狀呈V形。並且，頂角V設置為遠離光源140。

而且，由於棱鏡110的結構簡單，棱鏡110於光學裝置100的安裝及調校亦變得簡單容易，因此能進一步有效降低光學裝置100的整體成本。

應了解到，為使探測器130能夠準確量測出兩束光線L-1R的強度，光源140配置以射出相干光（coherent light）或任何可以被分開並相互干擾的光線。相干光為單頻率且波同步的光。在本實施方式中，舉例而言，光源140射出的光線可以是雷射或發光二極管所發出之光線等，但本發明並不以此為限。

請參照第2圖，其繪示依照本發明另一實施方式之光學裝置100的示意圖。如第2圖所示，根據實際狀況，例如在光源140向第一入光面111射出的光線L具有足夠長的波長，或是光柵200表面上的微結構的間距足夠短小的情況下，棱鏡110的第一入光面111可設置為單一平面，以使棱鏡110的結構變得更為簡化。

第3圖，其繪示依照本發明再一實施方式之光學裝置100的示意圖。如第3圖所示，根據實際狀況，第一出光面112被設計成處於相同面，使得對比於其他的實施方式中的頂角V消失。再者，第一入光面111的子入光面111a彼此連接並交匯於凸出角P，以共同形成凸出狀，使得凸出角P於棱鏡110外大於180度。如此一來，棱鏡110呈Δ形。

綜上所述，本發明的技術方案與現有技術相比具有明顯的優點和有益效果。通過上述技術方案，可達到相當的技術進步，並具有產業上的廣泛利用價值，其至少具有以下優點：

(1) 由於棱鏡的第一出光面實質上為平面，且第一入光面亦可包含複數個子入光面，其中子入光面彼此連接並交匯於凹陷角，凹陷角於棱鏡外少於180度，因此，相對於具有弧形入光面及弧形出光面的透鏡，棱鏡的結構簡單並易於製作，而且棱鏡的材質可包含透光材料，例如壓克力，有助降低棱鏡的生產成本，藉此也能使光學裝置的整體成本有效降低。

(2) 由於棱鏡的結構簡單，棱鏡於光學裝置的安裝及調校亦變得簡單容易，因此能進一步有效降低光學裝置的整體成本。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧光學裝置

110‧‧‧棱鏡

111‧‧‧第一入光面

111a‧‧‧子入光面

112‧‧‧第一出光面

120‧‧‧分束器

121‧‧‧透光面

122‧‧‧第二入光面

123‧‧‧第二出光面

124‧‧‧部分鏡面

130‧‧‧探測器

140‧‧‧光源

200‧‧‧光柵

d‧‧‧距離

AB‧‧‧分角線

C‧‧‧光軸

DM‧‧‧移動方向

L、Lr、L-1、L-1R‧‧‧光線

P‧‧‧凸出角

V‧‧‧頂角

R‧‧‧凹陷角

W‧‧‧寬度

σ、α、θ、β‧‧‧角度

第1圖繪示依照本發明一實施方式之光學裝置的示意圖。 第2圖繪示依照本發明另一實施方式之光學裝置的示意圖。 第3圖繪示依照本發明再一實施方式之光學裝置的示意圖。

Claims (11)

1. 一種光學裝置配置以量測一距離，該光學裝置包含：一棱鏡，具有一第一入光面以及複數個第一出光面，該第一入光面相對該些第一出光面而設，該些第一出光面彼此連接並交匯於一頂角；一分束器，具有一透光面，以及相連接的一第二入光面以及一第二出光面，該第二入光面至少部分面向該些第一出光面，該透光面相對該第二入光面而設，該分束器更具有一部分鏡面於其中，該部分鏡面至少部分朝向該透光面與該第二出光面，該透光面與該第二出光面相連接，且實質上彼此垂直，該透光面配置以朝向一光柵；一探測器，對應該第二出光面；以及一光源，配置以向該第一入光面射出一光線，該光線之一光軸穿越該頂角與該分束器；其中，該些第一出光面於該頂角形成一夾角，以使該光線被該光柵所衍射而產生的一第n級被衍射光線，能夠實質上沿垂直於該光柵之表面的一方向朝該透光面投射。
2. 如請求項1所述之光學裝置，其中該頂角遠離該光源。
3. 如請求項1所述之光學裝置，其中每一該些第一出光面實質上為平面。
4. 如請求項1所述之光學裝置，其中該光源、該頂角與該分束器實質上成一直線排列。
5. 如請求項1所述之光學裝置，其中該第一入光面包含：複數個子入光面，該些子入光面彼此連接並交匯於一凹陷角，該凹陷角於該棱鏡外少於180度。
6. 如請求項5所述之光學裝置，其中該些子入光面共同形成凹陷狀，該些第一出光面共同形成凸出狀，使得該棱鏡呈V形。
7. 如請求項1所述之光學裝置，其中該第一入光面包含：複數個子入光面，該些子入光面彼此連接並交匯於一凸出角，該凸出角於該棱鏡外大於180度。
8. 如請求項7所述之光學裝置，其中該些子入光面共同形成凸出狀，該些第一出光面處於一相同面，使得該棱鏡呈△形。
9. 如請求項1所述之光學裝置，其中該棱鏡包含一透光材料。
10. 如請求項1所述之光學裝置，其中該光 源配置以射出相干光。
11. 如請求項1所述之光學裝置，其中該些第一出光面配置以折射該光線，使得被該些第一出光面折射出來的複數個折射光線之間的一角度，係相同於該光線的一波長相對該光柵的一間距的一比率的一整倍數。