專利名稱：二維位移量的量測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種位移量量測裝置，尤指一種二維位移量的量測裝置。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的二維位移量量測模組是由兩組正交的一維位移量測模組所組合而成，其中，常見的一維位移量測模組諸如一維光學(xué)尺、磁性尺、電子測頭(Linear Variable Differential Transformer，LVDT)、激光干射儀等裝置。然而，前述的二維位移量量測模組僅適用于低精度系統(tǒng)，若應(yīng)用在高精度系統(tǒng)中，則較難達成高精度系統(tǒng)的要求。例如兩軸間的正交精度、干涉儀的分光鏡/反射鏡和光路之間的垂直度等問題。由于采用正交架構(gòu)的方式，因此為了符合高精度系統(tǒng)的要求，往往需要高技術(shù)能力的使用者來操作，使得增加了人員的教育訓(xùn)練成本和提高人才流動風(fēng)險。
雖然目前有非常多種方法來改善二維位移量測裝置，但在效能上仍有諸多缺失。例如美國專利案號5,204,524是揭露一種二維位移量測裝置，但其解析度及精度因受限于幾何光學(xué)的限制，使得無法提升至高精度等級。美國專利案號5,424,833亦揭露一種二維位移量測裝置，然而，在此裝置中，光束經(jīng)過三次繞射后，使得光源的使用效率不佳，且該系統(tǒng)對于元件的組裝和制作品質(zhì)的要求較高。美國專利案號5,530,543亦揭露一種二維位移量測裝置，然而，該裝置沒有誤差自我補償功能，使得其應(yīng)用上會有輸出信號不易穩(wěn)定的情形產(chǎn)生。
另，本發(fā)明的發(fā)明人所提出的共軛光路式二維位移量測方法(請參照中華人民共和國專利申請?zhí)朇N02100115.4)是用來解決上述該等二維位移量裝置的缺點，其是提供一種共軛光路式二維位移量測方法，特別是一種對于光學(xué)元件間的裝配精度，以及光學(xué)元件與繞射光柵間的對位誤差，具有高容許差的二維位移量測方法。然而，其二維繞射組件所產(chǎn)生的數(shù)道繞射光束中，第一次繞射的二階繞射光(亦稱之為(2，0)階繞射光)是與第二次繞射光束相當接近，若使用同調(diào)長度較常的激光光源，將產(chǎn)生兩組弦波干涉信號所組成的包波信號，如圖1所示，使得難以單獨取出第二次繞射光束干涉。
因此，如何提供一種可避免各階繞射光的影響，以輕易取出相對于二維繞射組件位移的弦波干涉信號的二維位移量測裝置，已成為亟需解決的課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是在提供一種二維位移量的量測裝置，以便能輕易得到相對于二維繞射組件位移的弦波干涉信號。
本發(fā)明的另一目的是在提供一種二維位移量的量測裝置，以便能具有高度容許差、降低生產(chǎn)成本以及提高產(chǎn)品良率。
為達成上述目的，本發(fā)明一種二維位移量的量測裝置，是用以量測一二維移動量，該量測裝置包括一個二維繞射單元；一激光光源，是用以提供一入射光源；一分光鏡組，是用以將該入射光源分光，以產(chǎn)生至少二道入射光，以供該至少二道入射光入射該二維繞射單元，以產(chǎn)生復(fù)數(shù)道第一次繞射光以及復(fù)數(shù)道第一次二階繞射光；復(fù)數(shù)錯位共軛光學(xué)鏡組，是分別反射該等第一次繞射光，使得該等第一次繞射光返回該二維繞射單元，以產(chǎn)生復(fù)數(shù)道第二次繞射光，且該等第二次繞射光是與該等第一次二階繞射光錯位；以及復(fù)數(shù)干涉光學(xué)解相模組，是分別接收該等第二次繞射光，以供將每一道第二次繞射光分光為至少二道信號光，以利用該等信號光求出該二維移動量。
其中，每一錯位共軛光學(xué)鏡組是具有一聚焦透鏡與一平面反射鏡，以供一第一次繞射光入射該聚焦透鏡，繼而由該平面反射鏡反射回該聚焦透鏡，以返回該二維繞射單元。
其中，該等第二次繞射光是載有弦波信號，以供透過該等干涉光學(xué)解相模組對該等第二次繞射光的弦波信號進行解相，以利用該等信號光求出該二維移動量。
其中，該等錯位共軛光學(xué)鏡組是為具有反射層的漸變折射率鏡片。
其中，該等錯位共軛光學(xué)鏡組是為角偶棱鏡。
其還包括一平行化透鏡單元，該平行化透鏡單元是位于該激光光源與該分光鏡組之間，以將入射光源整型成平行化的激光光。
其中，該平行化透鏡單元是為單一透鏡、多透鏡組或漸變折射率鏡。
其中，每一干涉光學(xué)解相模組是具有一第一分光單元以及復(fù)數(shù)第一偏極片，該等第一偏極片是分別設(shè)置于該第一分光單元的分光光路上。
其中，每一干涉光學(xué)解相模組是具有復(fù)數(shù)第二分光單元以及復(fù)數(shù)第二偏極片，該等第二偏極片是分別設(shè)置于該第二分光單元的分光光路上。
其中，該等信號光是用以產(chǎn)生正弦信號與余弦信號。
其中，該入射光源是為線偏振光或圓偏振光。


為進一步說明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實施例及附圖詳細說明如后，其中圖1是現(xiàn)有兩組弦波干涉信號的示意圖。
圖2是本發(fā)明一較佳實施例的架構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明一較佳實施例的入射光入射共軛光學(xué)鏡組的示意圖。
圖4是本發(fā)明一較佳實施例的共軛光學(xué)鏡組設(shè)置波片的示意圖。
圖5是本發(fā)明一較佳實施例的干涉光學(xué)解相模組的第一實施示意圖。
圖6是本發(fā)明一較佳實施例的干涉光學(xué)解相模組的第二實施示意圖。
具體實施例方式
有關(guān)本發(fā)明的實施例，敬請參照圖2顯示的示意圖，其主要由激光光源200、平行化透鏡210、分光鏡組220、復(fù)數(shù)個錯位共軛光學(xué)鏡組301，302，303，304、干涉光學(xué)解相模組721，722以及二維繞射單元100等主要構(gòu)件所組成。于本實施例中，該等錯位共軛光學(xué)鏡組301，302，303，304的數(shù)量較佳為四個。
上述的激光光源200是用以提供一同調(diào)長度的光源，且該光源的強度并能足夠地用來干涉，于本實施例中，激光光源200所提供的光源較佳為線偏振光或圓偏振光。平行化透鏡210是用以將激光光源200所產(chǎn)生的激光光整型為平行化的激光光401，于本實施例中，平行化透鏡210可為單一透鏡、多透鏡組或漸變折射率鏡(GRIN Lens)。分光鏡組220則用來接收平行化的激光光401，以產(chǎn)生兩道入射光4011，4012，使得兩道入射光4011，4012幾乎垂直地入射于二維繞射單元100。有關(guān)于本實施例偵測二維位移量的說明，將于下述詳加解說。
入射光4011在入射二維繞射單元100的后，將產(chǎn)生兩道第一次繞射光411，412(其是為一階繞射光)，入射光4012則在入射二維繞射單元100的后，產(chǎn)生兩道第一次一階繞射光413，414。當激光光源200和二維繞射單元100之間產(chǎn)生二維相對運動時，由于都卜勒效應(yīng)，因此該等第一次繞射光411，412，413，414將分別載有二維運動位移量的相關(guān)相位偏移信號。
因此，透過兩個錯位共軛光學(xué)鏡組301，302來分別取出第一次繞射光411，412，亦即，第一次繞射光411入射錯位共軛光學(xué)鏡組301，第一次繞射光412入射共軛光學(xué)鏡組302。于本實施例中，該等錯位共軛光學(xué)鏡組301，302，303，304較佳為背面鍍有反射層的漸變折射率透鏡或角偶棱鏡，最佳為聚焦透鏡與平面反射鏡所組成的鏡組，下述將對此鏡組加以說明。
圖3顯示入射光4011入射共軛光學(xué)鏡組301的示意圖，有關(guān)其說明，敬請一并參照圖2顯示的示意圖，每一共軛光學(xué)鏡組301是由一聚焦透鏡3011(例如雙膠合透鏡)與一平面反射鏡3012所組成。入射光4011在入射二維繞射單元100后，將會產(chǎn)生第一次繞射光411，412，在此是以第一次繞射光411來加以說明，入射光4011在入射二維繞射單元100后，除了會產(chǎn)生第一次一階繞射光411的外，尚會產(chǎn)生第一次二階繞射光((2，0)階繞射光)501。
因此，調(diào)整共軛光學(xué)鏡組301的位置，使得入射光4011所產(chǎn)生的第一次繞射光411不由共軛光學(xué)鏡組301的光軸3013入射，而是偏位由其光軸3013上方入射聚焦透鏡301，繼而經(jīng)由平面反射鏡3012反射而再次進入聚焦透鏡3011，以由光軸3013的下方出射一返回光束4101，以供再次入射二維繞射單元100，以產(chǎn)生第二次繞射光421。由于此時入射二維繞射單元100的入射光點1001與第一次入射光點1002產(chǎn)生錯位(位置不同)，因此第一次二階繞射光501與第二次繞射光421產(chǎn)生錯位，而不會產(chǎn)生干涉的情形，以輕易得到相對于二維繞射單元100位移的弦波干涉信號。
接下來，請再參照圖2，于本實施例中，共軛光學(xué)鏡組301，302是用來取出X方向光信號，共軛光學(xué)鏡組303，304是用來取出Y方向光信號。承上所述，平行化的激光光401入射分光鏡組220后將產(chǎn)生入射光4011，4012，入射光4011，4012則入射二維繞射單元100，以供入射光4011產(chǎn)生第一次繞射光411，412，入射光4012產(chǎn)生第一次繞射光413，414。第一次繞射光411，412分別入射共軛光學(xué)鏡組301，302，以由入射共軛光學(xué)鏡組301，302分別產(chǎn)生返回光束4101，4102，繼而返回光束4101，4102入射二維繞射單元100，以產(chǎn)生第二次繞射光421，其中，該第二次繞射光421是由返回光束4101，4102入射二維繞射單元100后所反射的光束合成，以供由該第二次繞射光421來偵測X方向的位移。
第一次繞射光413，414則分別入射共軛光學(xué)鏡組303，304，以使得該等共軛光學(xué)鏡組303，304分別產(chǎn)生返回光束4103，4104，繼而返回光束4103，4104入射二維繞射單元100，以產(chǎn)生用來偵測Y方向位移的第二次繞射光422。
上述的第二次繞射光421，422則分別入射干涉光學(xué)解相模組721，722，以供該等干涉光學(xué)解相模組721，722分別在X方向與Y方向產(chǎn)生正弦及余弦信號，以產(chǎn)生干涉條紋，以計算出二維移動量。
當然，在該等共軛光學(xué)鏡組301，302，303，304亦可設(shè)置各種波片，以配合激光光源200所產(chǎn)生的激光光的偏振型態(tài)。圖4顯示共軛光學(xué)鏡組301，302配合激光光源200而設(shè)置波片的示意圖，若激光光源200所產(chǎn)生的激光光為左旋圓偏極，則在X方向或Y方向的該等共軛光學(xué)鏡組301，302的中任一鏡組(例如共軛光學(xué)鏡組301)增設(shè)四分的一波片701，以供第一次繞射光411經(jīng)過共軛光學(xué)鏡組30時，亦經(jīng)過四分的一波片701二次，以改變光的偏振，使得其由左旋圓偏極轉(zhuǎn)為右旋圓偏極。
對于第一次繞射光412而言，由于共軛光學(xué)鏡組302未增設(shè)波片，因此其仍然保持為左旋圓偏極。故，返回光束4101，4102入射二維繞射單元100后，所產(chǎn)生的第二次繞射光421將包含左旋圓偏極光及右旋圓偏極光。
圖5顯示上述的干涉光學(xué)解相模組721的第一實施示意圖，有關(guān)其說明，敬請一并參照圖2。由于二維繞射單元100反射的第二次繞射光421是具有X方向的位移的資訊，干涉光學(xué)解相模組721則用來對該第二次繞射光421進行解相處理，以獲得與X方向位移資訊的該等弦波信號，以供透過該等弦波信號來求出二維移動量。干涉光學(xué)解相模組721是包含分光鏡7211以及偏極片731，732，其中，偏極片731，732是分別設(shè)置于分光鏡7211所分光的光徑上，且該等偏極片731，732的光軸夾角為45度，以供第二次繞射光421進入干涉光學(xué)解相模組721后，是經(jīng)由分光鏡7211分成兩道信號光4211，4212，且該等信號光4211，4212并分別穿透偏極片731，732，以產(chǎn)生X方向的正弦與余弦的信號。上述的干涉光學(xué)解相模組722的構(gòu)造亦與干涉光學(xué)解相模組721相同，其是將第二次繞射光422分光，以產(chǎn)生Y方向的正弦與余弦的信號。
圖6顯示干涉光學(xué)解相模組721的第二實施示意圖，有關(guān)其說明，敬請一并參照圖2。其是由分光鏡7212，7223，7224以及偏極片733，734，735，736等構(gòu)件所組成，其中，該等偏極片733，734，735，736的光軸夾角分別為45度。第二次繞射光421進入干涉光學(xué)解相模組721后，是經(jīng)由分光鏡7222先分成兩道信號光4213，4214，繼而再透過分光鏡7223將信號光4213再分成兩道信號光4215，4216，并透過分光鏡7224將信號光4214分成兩道信號4217，4218，因此第二次繞射光421進入干涉光學(xué)解相模組721后將分成四道信號光4215，4216，4217，4218，且其并將分別穿透該等偏極片733，734，735，736。
由以上的說明可知，本發(fā)明是利用共軛光學(xué)鏡組將第一次二階繞射光與第二次繞射光分開而不產(chǎn)生干涉，并在兩個共軛光學(xué)鏡組的其中一共軛光學(xué)鏡組設(shè)置波片，以使得第二次繞射光含有兩種偏振資訊，并利用干涉光學(xué)解相模組將第二次繞射光分成至少二道正弦及余弦信號光，以輕易得到相對于二維繞射組件位移的弦波干涉信號，且具有高度容許差、降低生產(chǎn)成本以及提高產(chǎn)品良率。
上述實施例僅是為了方便說明而舉例而已，本發(fā)明所主張的權(quán)利范圍自應(yīng)以申請專利范圍所述為準，而非僅限于上述實施例。
權(quán)利要求
1.一種二維位移量的量測裝置，是用以量測一二維移動量，其特征在于，該量測裝置包括一個二維繞射單元；一激光光源，是用以提供一入射光源；一分光鏡組，是用以將該入射光源分光，以產(chǎn)生至少二道入射光，以供該至少二道入射光入射該二維繞射單元，以產(chǎn)生復(fù)數(shù)道第一次繞射光以及復(fù)數(shù)道第一次二階繞射光；復(fù)數(shù)錯位共軛光學(xué)鏡組，是分別反射該等第一次繞射光，使得該等第一次繞射光返回該二維繞射單元，以產(chǎn)生復(fù)數(shù)道第二次繞射光，且該等第二次繞射光是與該等第一次二階繞射光錯位；以及復(fù)數(shù)干涉光學(xué)解相模組，是分別接收該等第二次繞射光，以供將每一道第二次繞射光分光為至少二道信號光，以利用該等信號光求出該二維移動量。
2.如權(quán)利要求1所述的二維位移量的量測裝置，其特征在于，其中，每一錯位共軛光學(xué)鏡組是具有一聚焦透鏡與一平面反射鏡，以供一第一次繞射光入射該聚焦透鏡，繼而由該平面反射鏡反射回該聚焦透鏡，以返回該二維繞射單元。
3.如權(quán)利要求1所述的二維位移量的量測裝置，其特征在于，其中，該等第二次繞射光是載有弦波信號，以供透過該等干涉光學(xué)解相模組對該等第二次繞射光的弦波信號進行解相，以利用該等信號光求出該二維移動量。
4.如權(quán)利要求1所述的二維位移量的量測裝置，其特征在于，其中，該等錯位共軛光學(xué)鏡組是為具有反射層的漸變折射率鏡片。
5.如權(quán)利要求1所述的二維位移量的量測裝置，其特征在于，其中，該等錯位共軛光學(xué)鏡組是為角偶棱鏡。
6.如權(quán)利要求1所述的二維位移量的量測裝置，其特征在于，其還包括一平行化透鏡單元，該平行化透鏡單元是位于該激光光源與該分光鏡組之間，以將入射光源整型成平行化的激光光。
7.如權(quán)利要求5所述的二維位移量的量測裝置，其特征在于，其中，該平行化透鏡單元是為單一透鏡、多透鏡組或漸變折射率鏡。
8.如權(quán)利要求1所述的二維位移量的量測裝置，其特征在于，其中，每一干涉光學(xué)解相模組是具有一第一分光單元以及復(fù)數(shù)第一偏極片，該等第一偏極片是分別設(shè)置于該第一分光單元的分光光路上。
9.如權(quán)利要求1所述的二維位移量的量測裝置，其特征在于，其中，每一干涉光學(xué)解相模組是具有復(fù)數(shù)第二分光單元以及復(fù)數(shù)第二偏極片，該等第二偏極片是分別設(shè)置于該第二分光單元的分光光路上。
10.如權(quán)利要求1所述的二維位移量的量測裝置，其特征在于，其中，該等信號光是用以產(chǎn)生正弦信號與余弦信號。
11.如權(quán)利要求1所述的二維位移量的量測裝置，其特征在于，其中，該入射光源是為線偏振光或圓偏振光。
全文摘要
本發(fā)明是有關(guān)于一種二維位移量的量測裝置，其是包括激光光源、平行化透鏡、分光鏡組、復(fù)數(shù)錯位共軛光學(xué)鏡組以及復(fù)數(shù)干涉光學(xué)解相模組，激光光源是提供一激光光源入射平行化透鏡，以產(chǎn)生平行化的激光光源，繼而入射分光鏡組，以分成兩道入射光，以供入射二維繞射單元，以產(chǎn)生復(fù)數(shù)道第一次繞射光以及第一二階繞射光，該等錯位共軛光學(xué)鏡組用以反射第一次繞射光，以供該等第一次繞射光返回二維繞射單元，以產(chǎn)生復(fù)數(shù)第二次繞射光，并使得第二次繞射光與第一二階繞射光錯位，該等干涉光學(xué)解相模組則將第二次繞射光產(chǎn)生的弦波信號光解相，以供利用該等信號光求出二維移動量。
文檔編號G01B9/02GK1601223SQ03160230
公開日2005年3月30日 申請日期2003年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月28日
發(fā)明者高清芬, 張中柱, 林慶芳 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院