TWI427270B - 應用一維電耦合裝置之多光束位移量測干涉儀系統 - Google Patents
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Description
本發明係屬於一種量測裝置，尤其指一種應用一維電耦合裝置(Charge Coupled Device,CCD)之多光束位移量測干涉儀系統，其透過角隅稜鏡得到摺疊的共振腔，因此較傳統的多光束干涉儀提高了一倍的光學解析度，同時以CCD的特性使訊號處理的步驟更為簡化，藉此可更簡單的達到精密位移量測的目的。
在精密工業與光電產業中，發展高精度之檢測設備已成為研發的重點，其中在光電式精密位移量測儀器中，依照量測方法可分為雷射探頭與干涉式測距儀兩類，其中干涉式測距儀又可分為雙頻(Heterodyne)干涉儀及單頻(Homodyne)干涉儀兩種，然而，單頻干涉儀最常見的係為麥克森式的架構，由於其為非共光程的架構，所以條紋的可視度低且容易受到環境擾動、振動以及溫度的熱流效應等的影響；而共光程架構之多光束干涉儀係可改善上述之缺點，藉以提高干涉儀的穩定性，其中多光束干涉儀，如典型代表Fabry-Perot干涉儀，其產生的干涉條紋非常細銳且能量集中，且亮紋與亮紋之間沒有訊號，所以條紋的對比度很高，可精密地測定亮紋確切的位置，既有共光程結構之干涉儀主要係藉由兩相平行之鏡面來進行檢測，且最後由一感測裝置在光路的末端對光束的干涉條紋進行感測，以便量測出干涉條紋的位移程度。然而，目前傳統的的感測裝置對於干涉條紋的解析度不甚理想，當干涉條紋彼此間距小於一定尺寸，感測裝置將無法清楚辨識干涉條紋之位移，明顯會影響檢測結果之準確度，因此上述多光束干涉儀誠有加以改進之處。
本發明人有鑑於既有共光程結構干涉儀的感測裝置解析度不高而影響檢測準確度之缺點，改良其不足與缺失，進而發明出一種應用一維電耦合裝置之多光束位移量測干涉儀系統。
本發明主要目的係提供一種應用一維電耦合裝置之多光束位移量測干涉儀系統，其透過角隅稜鏡得到摺疊的共振腔，因此較傳統的多光束干涉儀提高了一倍的光學解析度，同時以CCD的特性使訊號處理的步驟更為簡化，藉此可更簡單的達到精密位移量測的目的。
為達上述目的，係令前述應用一維電耦合裝置之多光束位移量測干涉儀系統包含有：一光源模組，係可發出光束；一共振腔，接收來自光源模組的光束，反射光束並使光束產生干涉條紋；以及一感測元件，係一維電耦合裝置，其具有複數排列成一列的畫素感測器，接收來自共振腔的光束，並且以畫素感測器感測光束的干涉條紋，透過干涉條紋在不同的畫素感測器上移動，可得出干涉的位移方向與位移量，藉此計算待測物的位移方向與位移量。
藉由上述技術手段，透過上述技術手段，本發明可以得到光學解析度為四分之一波長的干涉儀架構，配合影像處理的原理達成更準確且快速的高精度位移量測系統，如以波長為632.8奈米(nm)的氦氖(He-Ne)雷射與3000畫素的一維CCD搭配則系統之解析度至少有0.06奈米以下，且此架構擁有抗環境干擾的能力，藉此，本發明相較傳統干涉儀可更簡單的達成高精密位移量測的目標。
前述干涉條紋間距小於一維電耦合裝置的感測面寬。
前述干涉條紋位移量的計算式：D=([位移後畫素-位移前畫素]/總畫素)×λ/4，其中D為位移量，λ為波長。
前述光源模組具有一光源以及一擴束鏡，該擴束鏡係位於光源之後，接收光源所發出的光束並擴張該光束。
前述共振腔具有一鍍膜玻璃平板及一角隅稜鏡，該鍍膜玻璃平板設置在擴束鏡之後並且能接收來自於擴束鏡的光束，該角隅稜鏡設置在鍍膜玻璃平板之後並且能反射來自鍍膜玻璃平板的光束，該角隅稜鏡上形成有複數反射鏡面以便能反射光束並且產生產生干涉條紋。
前述鍍膜玻璃平板可改變自身傾角，且傾角改變時同時改變干涉條紋間距。
前述鍍膜玻璃平板具有一玻璃板體以及一鍍膜，該玻璃板體具有兩相對平面，該鍍膜設置在玻璃板體的其中一平面上。
請參照第一圖，本發明應用一維電耦合裝置之多光束位移量測干涉儀系統包含一光源模組(A)、一共振腔(B)及一感測元件(50)。
該光源模組(A)可發出光束，且具有一光源(10)以及一擴束鏡(Beam Expander)(20)。
該光源(10)可為一雷射光源或是其他可發出具適當波長光束的光源，該光源(10)可發射出一光束，例如雷射光束。
該擴束鏡(20)係位於光源(10)之後，接收光源(10)所發出的光束並擴張該光束。於本發明較佳實施例之中，該擴束鏡(20)可將光束直徑擴大為6mm。
該共振腔(B)接收來自光源模組(A)的光束，反射光束並使光束產生干涉條紋(S)，且具有一鍍膜玻璃平板(30)及一角隅稜鏡(40)。
請進一步參照第二圖，該鍍膜玻璃平板(30)設置在擴束鏡(20)之後並且能接收來自於擴束鏡(20)的光束。該鍍膜玻璃平板(30)具有一玻璃板體(31)以及一鍍膜(32)。該玻璃板體(31)具有兩相對平面。該鍍膜(32)設置在玻璃板體(31)的其中一平面上，可為半透明或是透明。此外，鍍膜玻璃平板(30)可改變自身的傾角，藉此影響光束的所產生的干涉條紋(S)之間的間距(C)大小(干涉條紋(S)將於下文詳述之)。
該角隅稜鏡(40)設置在鍍膜玻璃平板(30)之後並且能反射來自鍍膜玻璃平板(30)的光束，該角隅稜鏡(40)上形成有複數反射鏡面(41)以便能反射光束並且產生多光束的干涉效應，即是產生干涉條紋(S)。
該感測元件(50)接收被角隅稜鏡(40)所反射並且穿過鍍膜玻璃平板(30)的光束，可為一維電耦合裝置(Charge Coupled Device,CCD)，且其上具有複數個排列成一列的畫素感測器(P)(可簡稱畫素)，前述「一維」的定義即是畫素感測器(P)僅排列成一列，而非以陣列的二維形式排列。一般而言，畫素感測器(P)可為一光敏電阻，且一個畫素感測器(P)可產生一畫素訊號。當感測元件(50)運作時，光敏電阻(P)感應光束後所產生的畫素訊號透過一類比/數位轉換器(A/D Converter)進行訊號轉換並且傳送到一電腦(PC)或是數位訊號處理器(Digital Signal Processor)以進一步進行訊號分析。
以下將詳述本發明的工作原理、公式推導、光強公式以及訊號處理方式。
1.工作原理：
請進一步參照第二圖，上述光源(10)發射雷射光束，經過擴束鏡(20)後擴大成光束直徑約6 mm的光束，此處光束擴束的大小須依一維CCD的感測面寬(L)設定，擴束後的光束通過由鍍膜玻璃平板(30)與角隅稜鏡(40)組成的共振腔(B)，使光束以近乎垂直的角度入射鍍膜玻璃平板(30)，此時可在共振腔(B)中形成多光束的干涉效應，藉由調整鍍膜玻璃平板(30)的微小傾角可以改變干涉條紋(S)的間距(C)，將干涉條紋(S)間距(C)調整為較CCD感測面寬(L)度略小，如第二圖所示，此時透過一維CCD的訊號即可用以判別角隅稜鏡(40)在光軸上移動的方向與位移量。
請進一步參照第三A三B圖，前述方向與位移的辦別方式為：系統的電腦啟動時即記錄一維CCD光強最大的畫素感測器(P)，當角隅稜鏡(40)移動時干涉條紋(S)會產生移動，此時光強最大的畫素會轉移，即可以光強最大的畫素的轉移方向與轉移量判斷待測物之位移量，以第三A以及三B圖為例，如條紋在一維CCD上移動的範圍為3000個畫素感測器(P)(畫素)，則第三A以及三B圖中所代表的位移量即為：
D=([位移後畫素-位移前畫素]/總畫素)×λ/4...式一
(D：位移量；λ：波長)
因此，D=((6-1)/3000)xλ/4=λ/2400
2.公式推導
符號說明：
R：反射率
T：穿透率(理想狀態下為1-R)
A：振幅
ωt：光波隨時間變化的初始相位角
kx：初始空間距離所造成的光波相位角
δ：位移所造成光波相位角
λ：波長
E：光波電場強度
I：光強度
3.光強公式：
An
=A0
×T×Rn-1
…振幅通式
δ=4π/λ;En
=Ah
×T×Rn-1
×cos(ωt+kx1
+(2n-1)‧δ)…
電場通式
I=E‧E*
I=I×T2
/(1+R2
-2×R×cos(8πd/λ))…垂直方向光強
4.訊號處理方式：
將一維CCD的訊號送入PC或DSP中可得到干涉條紋(S)在一維CCD上的位置，依式一的計算方法可得干涉條紋(S)的移動量並推得代測物的移動量，如欲求得更高之解析度亦可將一維CCD的訊號進行內插處理，則可得到更高之電子解析度。
請進一步參照第四圖，其中各畫素感測器(P)中上方的數值表示第n個畫素感測器(P)下方括號內的數值表示該畫素感測器(P)檢測出的光強度，如一次取三個畫素感測器(P)進行內插處理為例，圖中第0003至第0005三個畫素感測器(P)的光強度為較大的區塊，其中又以第0004的畫素感測器(P)為最大，所以條紋的中心位置在第第0004畫素感測器(P)的附近偏第0003畫素感測器(P)的位置，即可以第0003及第0005畫素感測器(P)的光強度關係進行內插的處理得到更確切的條紋位置，可依照干涉條紋寬度(W)的大小判斷內插計算時所取的畫素感測器(P)的個數，但條紋寬度越窄時判斷的準確度越高，且越寬的條紋需取較多的畫素感測器(P)的才能有較準確的條紋中心判斷。
透過上述技術手段，本發明可以得到光學解析度為四分之一波長的干涉儀架構，配合影像處理的原理達成更準確且快速的高精度位移量測系統，如以波長為632.8奈米(nm)的氦氖(He-Ne)雷射與3000畫素的一維CCD搭配則系統之解析度至少達到0.06 nm以下的水準，且此架構擁有抗環境干擾的能力，因此，本發明相較傳統干涉儀可更簡單的達成高精密位移量測的目標。
(10)．．．光源
(20)．．．擴束鏡
(30)．．．鍍膜玻璃平板
(31)．．．玻璃板體
(32)．．．鍍膜
(40)．．．角隅稜鏡
(41)．．．反射鏡面
(50)．．．感測元件
(A)．．．光源模組
(B)．．．共振腔
(C)．．．間距
(L)．．．感測面寬
(P)．．．畫素感測器
(S)．．．干涉條紋
(W)．．．寬度
第一圖係本發明架構示意圖。
第二圖係本發明干涉條紋間距與一維CCD感測面寬示意圖。
第三A圖係本發明一維CCD上的干涉條紋移動示意圖。
第三B圖係本發明接續第三A圖的放大示意圖。
第四圖係本發明一維CCD判斷干涉條紋位置的示意圖。
(50)．．．感測元件
(P)．．．畫素感測器
(W)．．．寬度
Claims (6)
- 一種應用一維電耦合裝置之多光束位移量測干涉儀系統，其包含有：一光源模組，係可發出光束；一共振腔，接收來自光源模組的光束，反射光束並使光束產生干涉條紋；以及一感測元件，係一維電耦合裝置，其具有複數排列成一列的畫素感測器，接收來自共振腔的光束，並且以畫素感測器感測光束的干涉條紋，透過干涉條紋在不同的畫素感測器上移動，可得出干涉的位移方向與位移量，藉此計算待測物的位移方向與位移量；其中，該干涉條紋間距小於一維電耦合裝置的感測面寬。
- 如申請專利範圍第1項所述應用一維電耦合裝置之多光束位移量測干涉儀系統，其中該干涉條紋位移量的計算式：D=([位移後畫素-位移前畫素]/總畫素)×λ/4，其中D為位移量，λ為波長。
- 如申請專利範圍第1項所述應用一維電耦合裝置之多光束位移量測干涉儀系統，其中該光源模組具有一光源以及一擴束鏡，該擴束鏡係位於光源之後，接收光源所發出的光束並擴張該光束。
- 如申請專利範圍第1到3項中任一項所述應用一維電耦合裝置之多光束位移量測干涉儀系統，其中該共振腔具有一鍍膜玻璃平板及一角隅稜鏡，該鍍膜玻璃平板設置在擴束鏡之後並且能接收來自於擴束鏡的光束，該角隅稜鏡設 置在鍍膜玻璃平板之後並且能反射來自鍍膜玻璃平板的光束，該角隅稜鏡上形成有複數反射鏡面以便能反射光束並且產生產生干涉條紋。
- 如申請專利範圍第1到3項中任一項所述應用一維電耦合裝置之多光束位移量測干涉儀系統，其中該鍍膜玻璃平板可改變自身傾角，且傾角改變時同時改變干涉條紋間距。
- 如申請專利範圍第1到3項中任一項所述應用一維電耦合裝置之多光束位移量測干涉儀系統，其中該鍍膜玻璃平板具有一玻璃板體以及一鍍膜，該玻璃板體具有兩相對平面，該鍍膜設置在玻璃板體的其中一平面上。
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