TW201305530A - 小角度及小位移之量測方法及其裝置 - Google Patents

Abstract

本發明為一種小角度及小位移之量測方法及其裝置，該裝置包括一光源、一分光鏡、一位移探測器、一光學鏡片、一稜鏡、一解偏板、一光偵測器、一放大器、一濾波器、一鎖相放大器，及一電腦；方法為將待測物置於光學鏡片上，利用外差光源射向分光鏡產生透射光能射經位移探測器，再射向待測物，該透射光經光學鏡片反射，經位移探測器、分光鏡、稜鏡、解偏板，光偵測器、放大器、濾波器、鎖相放大器，以取得待測物兩邊界光相位差之第一測試訊號，再光學鏡片轉動小角度，取得待測物兩邊界光相位差之第二測試訊號，將鎖相放大器偵測出其相位的變化量所測出之電訊號，經電腦能精確運算出待測物之旋轉角度、位移量、間隙及高度差。

Description

小角度及小位移之量測方法及其裝置

本發明係提供一種小角度及小位移之量測方法及其裝置，尤指一種結合共光程外差干涉及表面電漿共振以及介面全反射的光學裝置，其係利用外差光源射入單邊具至少一鍍層之稜鏡，產生至少一次界面全反射與至少一次衰退全反射，該透射光取得待測物兩邊界光相位差之第一、二測試訊號，經電腦能精確運算出待測物之旋轉角度、位移量、間隙及高度差；本發明可運用至精密製造、應力、應變、生化、生醫等方面之物件、檢體等之量測。

按，習知一種小角度及小位移之量測裝置及其方法：該一種小角度及小位移之量測裝置，其包括：一光源10，其能發出線性偏極的光源；一分光鏡11，能將光源產生反射光111與透射光112；一稜鏡12，其上置有待測物20，該稜鏡12供射透射光折112射進入直角稜鏡12，經過直角邊至斜邊上做一次衰退反射後射向另一直角邊；二解偏板13、14，第一解偏板13供稜鏡12之透射光112射入，第二解偏板14供分光鏡11之反射光111射入；二光偵測器15、16，第一、二光偵器15、16分別供第一、二解偏板13、14之透射光112、反射光111射入，並轉成第一參考電訊與第一測試電訊以及轉動稜鏡12後產生之第二參考電訊與第二測試電訊；一鎖相放大器17，能測出第一、二測試訊號之電訊差異；以及一電腦18，能計算出第一、二測試訊號之相位變化，得出旋轉角度與方向。

該一種小角度及小位移之量測方法為：

一、將待測物20置於稜鏡上，該待測物20與稜鏡12能同步旋轉；

二、將以光源10射向分光鏡11，形成產生反射光111與透射光112，透射光112能射向待測物20；

三、取得第一參考訊號，該反射光111先穿經通過第一解偏板13，再進入第一光偵測器15，以取得第一參考訊號；

四、取得第一測試訊號，該透射光112先垂直射入稜鏡12，經過一次衰退全反射後向稜鏡12另一直角邊，再反射至第二解偏板14，並進入第二光偵測器16，以取得待測物兩邊界光相位差之第一測試訊號；

五、對焦取得第二參考訊號與第二測試訊號，將稜鏡12轉動小角度，依第三第四步驟以取得第二參考訊號與待測物20兩邊界光相位差之第二測試訊號；

六、偵測相位差，將第一、第二光偵測器15、16將第一、二參考訊號與測試訊號轉換成電訊號，再交由鎖相放大器17偵測出其相位的變化量；

七、計算位移量與轉動角度，將鎖相放大器17偵測出其相位的變化量所測出之電訊號，經電腦運算，算出稜鏡12旋轉角度與方向，並得知待測物20之旋轉角度、位移量、間隙及高度差。

前述之稜鏡採一次衰退全反射，致待測物兩邊界光相位差之第一、二測試訊號不夠明顯，進而影嚮電訊號之解析度。

有鑑於上述無法計時的缺失，本發明人基於多年從事研究與諸多實務經驗，經多方研究設計與專題探討，遂於本發明中提出一種小角度及小位移之量測方法及其裝置，以作為前述期望一實現方式與依據。

本發明之主要目的在於提供一種光路之全新一種小角度及小位移之量測方法及其裝置。該裝置包括一光源、一分光鏡、一位移探測器、一光學鏡片、一稜鏡、一解偏板、一光偵測器、一放大器、一濾波器、一鎖相放大器，及一電腦；方法為將待測物置於光學鏡片上，利用外差光源射向分光鏡產生透射光能射經位移探測器，再射向待測物，該透射光經光學鏡片反射，經位移探測器、分光鏡、稜鏡、解偏板，光偵測器、放大器、濾波器、鎖相放大器，以取得待測物兩邊界光相位差之第一測試訊號，再光學鏡片轉動小角度，取得待測物兩邊界光相位差之第二測試訊號，將鎖相放大器偵測出其相位的變化量所測出之電訊號，經電腦能精確運算出待測物之旋轉角度、位移量、間隙及高度差。

本發明之一次要目的在於提供一種能讓待測物兩邊界光相位差明顯產出之一種小角度及小位移之量測方法及其裝置。其係使稜鏡另一直角邊具至少一鍍層，能進行至少一次全反射及至少一次表面電漿共振或衰退全反射，讓反射光與透射光之光波分野加大，相位差之訊號加深。

本發明運用到的理論基礎包括有三：

一、全反射TIR：全反射是一種光學現象，當光線經過兩個不同折射率的介質時，部分的光線會於介質的介面被折射，其餘的則被反射，但是，當入射角比臨界角大時，光線會停止進入另一介面，反之會全部向內面反射。

二、表面電漿共振SPR：表面電漿共振感測器kretschmann configuration，當入射角α等同於共振角αsp，即在稜鏡之反射面上激發出表面電漿波。

三、位移探測：其組成包含有一焦距f的顯微鏡以及一個安置在焦點平面上的光學鏡片，外差光源射入顯微物鏡之後再射到光學鏡片後反射，又再回至顯微鏡，如果面鏡固定在焦點平面上則入射及反射的光會是平行，不然反射光與入射光就會有偏向角度。

本發明係一種小角度及小位移之量測方法及其裝置，請參閱第二圖，其係為本發明之裝置示意圖，圖中揭示，一種小角度及小位移之量測裝置，其包括：一光源3、一分光鏡4、一位移探測器41、一光學鏡片42、一稜鏡43、一解偏板44、一光偵測器45、一放大器46、一濾波器47、一鎖相放大器48，及一電腦49。其中，光源3能發出線性偏極的光源，尤指外差光源；分光鏡4能將光源3產生反射光31與透射光32；一位移探測器41供分光鏡4之透射光32經過；光學鏡片42上置有待測物5，供位移探測器41之透射光32回射至分光鏡4，為待測物20兩邊界光相位差之第一、二測試訊號產生處；稜鏡43供回射透射光32折射進入直角稜鏡43，經過直角邊上一次全反射後射向另一直角邊；解偏板44供稜鏡43之透射光32射入；光偵測器45供解偏板44之透射光32射入，並轉成電訊；放大器46將光偵測器45之電訊放大；濾波器47將放大器46之電訊修整；鎖相放大器48能測出測試訊號之電訊差異；電腦49能計算出第一、二測試訊號之相位變化，得出光學鏡片鏡42轉角度與方向，進而得知待測物20之旋轉角度、位移量、間隙及高度差。

前述之該稜鏡43屬共光電路，另一直角邊具至少一鍍層431[如鈦膜(或鉻膜…)2nm、金膜(或銀膜…)45.5nm等，其中金膜較易附著另一鈦膜或鉻膜]，能進行一次全反射及一次表面電漿共振，該稜鏡43可為具一斜面之長條形稜鏡(圖未示)，且該長條形稜鏡之至少一面具鍍層。又，該光學鏡片42之另一端為壓電傳導器6，得無段伸縮控制光學鏡片42之位置，使位移探測器41能與待測物所對焦。該位移探測器41得為一顯微鏡。

本發明所述一種小角度及小位移之量測方法：

一、將待測物5置於光學鏡片42上；

二、將以光源3射向分光鏡4，形成產生反射光31與透射光32，該透射光32能射經位移探測器41，再射向待測物5；

三、取得第一測試訊號，該透射光32經光學鏡片42反射，經位移探測器41、分光鏡4、稜鏡43、解偏板44，光偵測器45、放大器46、濾波器47、鎖相放大器48，以取得待測物5兩邊界光相位差之第一測試訊號；

四、對焦取得第二參考訊號與第二測試訊號，將光學鏡片42轉動小角度，並依第三步驟，以取得待測物5兩邊界光相位差之第二測試訊號；

五、計算位移量與轉動角度，將鎖相放大器48偵測出其相位的變化量所測出之電訊號，經電腦49運算，算出光學鏡片42旋轉角度與方向，進而得知待測物5之旋轉角度、位移量及高度差。

前述之方法在於使用透射光32具有明顯待測物5兩邊界光相位差之第一與第二測試訊號，且稜鏡43一直角邊具鍍層431之，使光源在其內部結構中產生至少一次界面全反射及至少一次衰退全反射，讓反射光與透射光之光波分野加大，相位差之訊號加深。

以上所述為本發明較佳實施例之詳細說明與圖式，並非用來限制本發明。本發明之範疇應以下述之專利範圍為準，凡專利範圍之精神與其類似變化之實施例與近似結構，皆應包含於本發明之中。

[習知]

10．．．光源

11．．．分光鏡

111．．．反射光

112．．．透射光

12．．．稜鏡

13．．．第一解偏板

14．．．第二解偏板

15．．．第一光偵器

16．．．第二光偵器

17．．．鎖相放大器

18．．．電腦

20．．．待測物

[本發明]

3．．．光源

31．．．反射光

32．．．與透射光

4．．．分光鏡

41．．．位移探測器

42．．．光學鏡片

43．．．稜鏡

44．．．解偏板

45．．．光偵測器

46．．．放大器

47．．．濾波器

48．．．鎖相放大器

49．．．電腦

5．．．待測物

6．．．壓電傳導器

第一圖為習知小角度及小位移之量測裝置示意圖；

第二圖為本發明小角度及小位移之量測裝置示意圖。

3．．．光源

31．．．反射光

32．．．與透射光

4．．．分光鏡

41．．．位移探測器

42．．．光學鏡片

43．．．稜鏡

44．．．解偏板

45．．．光偵測器

46．．．放大器

47．．．濾波器

48．．．鎖相放大器

49．．．電腦

5．．．待測物

6．．．壓電傳導器

Claims (7)

1. 一種小角度及小位移之量測方法：一、將待測物置於光學鏡片上；二、將以光源射向分光鏡，形成產生反射光與透射光，該透射光能射經位移探測器，再射向待測物；三、取得第一測試訊號，該透射光經光學鏡片反射，經位移探測器、分光鏡、稜鏡、解偏板，光偵測器、放大器、濾波器、鎖相放大器，以取得待測物兩邊界光相位差之第一測試訊號；四、對焦取得第二參考訊號與第二測試訊號，將光學鏡片轉動小角度，並依第三步驟，以取得待測物兩邊界光相位差之第二測試訊號；五、計算位移量與轉動角度，將鎖相放大器偵測出其相位的變化量所測出之電訊號，經電腦運算，算出光學鏡片旋轉角度與方向，進而得知待測物之旋轉角度、位移量、間隙及高度差；上述之方法在於使用透射光具有明顯待測物兩邊界光相位差之第一與第二測試訊號，且稜鏡可使光可使光源在其內部結構中產生至少一次界面全反射及至少一次衰退全反射。
2. 一種小角度及小位移之量測裝置，其包括：一光源，其能發出線性偏極的光源；一分光鏡，能將光源產生反射光與透射光；一位移探測器，供分光鏡之透射光經過；一光學鏡片，其上置有待測物，供位移探測器之透射光回射至分光鏡，為待測物兩邊界光相位差之第一、二測試訊號產生處；一稜鏡，供回射透射光折射進入直角稜鏡，經過直角邊上一次全反射後射向另一直角邊；一解偏板，供稜鏡之透射光射入；一光偵測器，供解偏板之透射光射入，並轉成電訊；一放大器，將光偵測器之電訊放大；一濾波器，將放大器之電訊修整；一鎖相放大器，能測出測試訊號之電訊差異；以及一電腦，能計算出第一、二測試訊號之相位變化，得出旋轉角度與方向。
3. 如申請專利範圍第2項所述之小角度及小位移之量測裝置，其中該稜鏡另一直角邊具鍍層，能進行至少一次全反射及至少一次表面電漿共振。
4. 如申請專利範圍第2項所述之小角度及小位移之量測裝置，其中該光源為一外差光源。
5. 如申請專利範圍第2項所述之小角度及小位移之量測裝置，其中該光學鏡片之另一端為壓電傳導器。
6. 如申請專利範圍第2項所述之小角度及小位移之量測裝置，其中該位移探測器為一顯微鏡。
7. 如申請專利範圍第2項所述之小角度及小位移之量測裝置，其中該稜鏡為至少一面具鍍層。