專利名稱:準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種位移測(cè)量系統(tǒng)，特別是涉及應(yīng)用外差干涉術(shù)用以測(cè)量位移，并且為準(zhǔn)共光程架構(gòu)的一種外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
對(duì)于應(yīng)用光柵的光學(xué)位移測(cè)量系統(tǒng)而言，其是利用高同調(diào)性的光源入射繞射光柵(diffraction grating)后產(chǎn)生至少兩束繞射光，將此兩束繞射光經(jīng)由光學(xué)組件而互相干涉，而此干涉信號(hào)具有周期性的變化趨勢(shì)，當(dāng)光柵移動(dòng)時(shí)，此干涉信號(hào)亦發(fā)生變化，相關(guān)技術(shù)如美國(guó)專利公告號(hào)第3891321號(hào)專利，由于當(dāng)時(shí)的光柵制造技術(shù)，僅可測(cè)量一維的位移量。
隨著技術(shù)的演進(jìn)，使得多維度的測(cè)量漸漸被發(fā)展，如美國(guó)專利公告號(hào)第5204524號(hào)專利、第5493397號(hào)專利、第36631005號(hào)專利與第6744520號(hào)專利，皆是利用測(cè)量繞射光強(qiáng)度為主，并為零差(homodyne)的測(cè)量裝置。
我們知道外差干涉術(shù)(heterodyne interferometry)是將兩個(gè)些微頻差的光波分別引入兩個(gè)干涉路徑中，使得干涉儀輸出的光強(qiáng)度產(chǎn)生周期性變化，振蕩頻率等于兩光波的頻率差，而待測(cè)干涉相位是載在此具有特定頻率的信號(hào)上，將測(cè)量信號(hào)與參考信號(hào)混頻，經(jīng)解調(diào)(demodulate)后，可得出干涉相位，由于振蕩頻率高又為已知值，所以能避開低頻噪聲干擾，并且相位靈敏度與分辨率都很高，是一種非常重要的微弱信號(hào)測(cè)量技術(shù)。
因?yàn)橥獠罡缮嫘g(shù)的測(cè)量特色，所以此技術(shù)又稱雙頻干涉術(shù)(twofrequency interferometry)或交流干涉術(shù)(AC interferometry)，可用作位移、表面輪廓、動(dòng)態(tài)參數(shù)等測(cè)量。
然而傳統(tǒng)外差干涉術(shù)其外在環(huán)境的兩個(gè)光束容易被影響，而彼此之間產(chǎn)生相位差，此相位差無法消除，如此會(huì)增加測(cè)量的不確定性。
另外，利用單一偏振光的位移測(cè)量系統(tǒng)必須將光強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為相位來解析，于信號(hào)處理的部份搭配著電子細(xì)分割手法，并且需抑制周圍環(huán)境光來進(jìn)行測(cè)量，雖測(cè)量精度可達(dá)次納米等級(jí)，但是如此在測(cè)量架構(gòu)上變得較繁復(fù)且增加測(cè)量的不便與不準(zhǔn)確性。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，解決現(xiàn)有技術(shù)相位差無法消除，測(cè)量具有不便與不準(zhǔn)確性的技術(shù)問題。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，包含一外差光源，分為一參考光與一信號(hào)光；一光柵，使該信號(hào)光入射該光柵而產(chǎn)生一繞射光；一偏極分光鏡，使該繞射光分為一第一繞射光與一第二繞射光；一個(gè)以上偏振板，使該參考光穿過該些偏振板而產(chǎn)生一參考干涉光，且該第一繞射光穿過該些偏振板而產(chǎn)生一第一干涉光，而該第二繞射光穿過該些偏振板而產(chǎn)生一第二干涉光；及一信號(hào)處理裝置，接受該參考干涉光、該第一干涉光與該第二干涉光，當(dāng)該光柵移動(dòng)時(shí)，該信號(hào)處理裝置量得該參考干涉光、該第一干涉光與該第二干涉光的相位差而可得該光柵的位移量。
上述的準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，還包含一分光鏡，置于該外差光源前，使該外差光源產(chǎn)生的光經(jīng)由該分光鏡而分為該信號(hào)光與該參考光。
上述的準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，該繞射光包含一正一階繞射光，入射該偏極分光鏡一側(cè)；及一負(fù)一階繞射光，入射該偏極分光鏡另一側(cè)，以使該正一階繞射光與負(fù)一階繞射光入射該偏極分光鏡相互垂直的兩側(cè)并相互重合后，而再分為該第一繞射光與該第二繞射光。
上述的準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，該信號(hào)處理裝置還包含一參考光傳感器、一第一傳感器與一第二傳感器，該參考光傳感器接受該參考光而傳輸信號(hào)至該信號(hào)處理裝置，且該第一傳感器接受該第一干涉光并傳輸信號(hào)至該信號(hào)處理裝置，而該第二傳感器接該第二干涉光并傳輸信號(hào)至該信號(hào)處理裝置，以使該信號(hào)處理裝置以量得該參考光、該第一干涉光與該第二干涉光的相位差而可得該光柵的位移量。
上述的準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，該光柵為反射式光柵。
上述的準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，還包含一反射組件，使該些繞射光轉(zhuǎn)向而入射該偏極分光鏡。
為了更好的實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明又提供了一種準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，包含一外差光源，分為一參考光與一信號(hào)光；一二維光柵，使該信號(hào)光入射該二維光柵而沿二維方向產(chǎn)生一個(gè)以上的繞射光；一個(gè)以上偏極分光鏡，使該繞射光分為一第一繞射光、一第二繞射光、一第三繞射光與一第四繞射光；一個(gè)以上偏振板，使第一繞射光、一第二繞射光、一第三繞射光與一第四繞射光各穿過該些偏振板而產(chǎn)生一第一干涉光、一第二干涉光、一第三干涉光與一第四干涉光；及一信號(hào)處理裝置，接受該參考光、該第一干涉光與該第二干涉光、該第三干涉光與該第四干涉光，當(dāng)該光柵移動(dòng)時(shí)，該信號(hào)處理裝置量得該參考光、該第一干涉光與該第二干涉光、該第三干涉光與該第四干涉光的相位差而可得該光柵的二維位移量。
上述的準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，還包含一分光鏡，置于該外差光源前，使該外差光源產(chǎn)生的光經(jīng)由該分光鏡而分為該信號(hào)光與該參考光。
上述的準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，該些偏極分光鏡包含一第一偏極分光鏡；以及一第二偏極分光鏡；該些繞射光包含一第一正一階繞射光，入射該第一偏極分光鏡一側(cè)；一第一負(fù)一階繞射光，入射該第一偏極分光鏡另一側(cè)，以使該第一正一階繞射光與該第一負(fù)一階繞射光以相互垂直的角度而入射該第一偏極分光鏡的兩側(cè)，并相互重合后，而再分為該第一繞射光與該第二繞射光；一第二正一階繞射光，入射該第二偏極分光鏡一側(cè)；以及一第二負(fù)一階繞射光，入射該第二偏極分光鏡另一側(cè)，以使該第二正一階繞射光與該第二負(fù)一階繞射光以相互垂直的角度而入射該第二偏極分光鏡的兩側(cè)，并相互重合后，而再分為該第三繞射光與該第四繞射光。
上述的準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，該信號(hào)處理裝置還包含一參考光傳感器、一第一傳感器、一第二傳感器、一第三傳感器與一第四傳感器，該參考光傳感器接受該參考光而傳輸信號(hào)至該信號(hào)處理裝置，且該第一傳感器接受該第一干涉光并傳輸信號(hào)至該信號(hào)處理裝置，而該第二傳感器接該第二干涉光并傳輸信號(hào)至該信號(hào)處理裝置，且該第三傳感器接受該第三干涉光并傳輸信號(hào)至該信號(hào)處理裝置，而該第四傳感器接該第四干涉光并傳輸信號(hào)至該信號(hào)處理裝置，以使該信號(hào)處理裝置以量得該參考光、該第一干涉光與該第二干涉光的相位差而可得該光柵的一個(gè)維度的位移量，且該信號(hào)處理裝置利用以量得的該參考光再量得該第三干涉光與該第四干涉光的相位差而可得該光柵的另一個(gè)維度的位移量。
上述的準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，該二維光柵為反射式二維光柵。
上述的準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于，還包含一反射組件，使該些繞射光轉(zhuǎn)向而入射該偏極分光鏡。
本發(fā)明的技術(shù)效果在于本發(fā)明提供的準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，利用外差干涉相位測(cè)量的高靈敏度，且經(jīng)特殊設(shè)計(jì)使得光學(xué)架構(gòu)可達(dá)到不受外在環(huán)境擾動(dòng)的高穩(wěn)定性。直接測(cè)量因位移所造成的相位變化量的方式，可以使測(cè)量精度達(dá)到次納米等級(jí)。所以，是利用準(zhǔn)共光程(quasi common path)外差光學(xué)架構(gòu)的本發(fā)明，可以降低外界環(huán)境擾動(dòng)的影響，且提高位移測(cè)量靈敏度。若搭配越細(xì)線距的光柵，可測(cè)量至皮米(pico-meter)等級(jí)的微小位移量。
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施例。
圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)架構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明的另一實(shí)施例系統(tǒng)架構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明的位移與相位差關(guān)系的數(shù)值仿真圖；圖4是本發(fā)明的相位誤差量與相對(duì)位移誤差量的數(shù)值仿真 圖5是本發(fā)明的相位與位移量的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)圖；圖6與圖7是本發(fā)明的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)示意圖。
其中，附圖標(biāo)記說明如下100外差光源110參考光130信號(hào)光150繞射光151正一階繞射光152負(fù)一階繞射光153第一正一階繞射光154第一負(fù)一階繞射光155第二正一階繞射光156第二負(fù)一階繞射光160第一繞射光161第二繞射光163第三繞射光165第四繞射光170參考干涉光171第一干涉光173第二干涉光175第三干涉光177第四干涉光300分光鏡310第一偏振板311第二偏振板313第三偏振板315第四偏振板317參考光偏振板330、330a、330b、330c、330d、330e反射組件350偏極分光鏡
370第一偏極分光鏡390第二偏極分光鏡410光柵430二維光柵450移動(dòng)平臺(tái)700信號(hào)處理裝置710參考光傳感器730第一傳感器750第二傳感器770第三傳感器790第四傳感器具體實(shí)施方式
請(qǐng)參閱圖1，所示為本發(fā)明的系統(tǒng)架構(gòu)圖，本發(fā)明為一種準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，利用一外差光源100為測(cè)量光源，此外差光源(heterodyne light source)100可輸出包含兩個(gè)不同頻率的光波，而且此兩個(gè)光波為相互正交的線偏振光，所以此兩光波并不會(huì)產(chǎn)生干涉，當(dāng)此外差光源100入射一分光鏡(beam splitter)300后，便分為參考光110與信號(hào)光130，此參考光110直接入射方位角為45度的參考光偏振板(polarizer)317，使得外差光源100中的兩正交線偏振光互相干涉而產(chǎn)生參考干涉光170，并經(jīng)由信號(hào)處理裝置700的參考光傳感器710所接收，所以此參考干涉光170的數(shù)學(xué)形式可表示為IDR=12[1+COS(ωt)].]]>另外信號(hào)光130直接入射裝設(shè)有光柵410的移動(dòng)平臺(tái)450中，使信號(hào)光130入射光柵410后，便產(chǎn)生若干繞射光150，若此光柵410為一維光柵410時(shí)，便會(huì)沿一維方向繞射出許多的光，我們稱為繞射光150，除了中間零階的繞射光以外，沿此零階的繞射光兩邊所產(chǎn)生的繞射光我們稱為正一階繞射光151，另一側(cè)的繞射光150稱為負(fù)一階繞射光152，依序再產(chǎn)生正二階繞射光150與負(fù)二階繞射光150，依此類推，而本實(shí)施例取用正一階繞射光151與負(fù)一階繞射光152，此正一階繞射光151與負(fù)一階繞射光152在經(jīng)由反射組件330、330a的轉(zhuǎn)向而共同入射一偏極分光鏡350，使不同偏振態(tài)的光被偏極分光鏡350所分開，并且我們將此正交的偏振態(tài)稱為P偏振與S偏振，偏極分光鏡300可使P偏振的光通過，而S偏振的光系被反射。先前提到外差光源100由兩個(gè)正交的線偏振光所組成，所以此正一階繞射光151與負(fù)一階繞射光152亦包含此兩正交的線偏振光，即P偏振與S偏振，當(dāng)正一階繞射光151與負(fù)一階繞射光152由偏極分光鏡350相互垂直的兩側(cè)入射時(shí)，便會(huì)使正一階繞射光151的P偏振通過，而負(fù)一階繞射光152的S偏振被反射而相互重合于一起而成為第一繞射光160，此第一繞射光160經(jīng)過45度角的第一偏振板310而產(chǎn)生第一干涉光171，而由信號(hào)處理裝置700的第一傳感器730所接收，此時(shí)的第一干涉光171的數(shù)學(xué)表示為ID1=18[rP(+1)2+rS(-1)2+2rP(+1)rS(-1)cos(ωt+2φ+φd1-φd2)],]]>其中φd1與φd2為正一階繞射光151與負(fù)一階繞射光152所走的路徑差(path difference)而產(chǎn)生的相位差，而φ為光柵410移動(dòng)Δx時(shí)所產(chǎn)生的相位差。其中，φ=m2πΔxd,]]>式中m代表繞射階數(shù)，d代表光柵410的線距寬度。
另外，正一階繞射光151的S偏振被偏極分光鏡350所反射，而負(fù)一階繞射光152的P偏振直接穿過偏極分光鏡350而相互重合于一起而成為第二繞射光161，此第二繞射光161經(jīng)過45度角的第二偏振板311而產(chǎn)生第二干涉光173，而由信號(hào)處理裝置700的第二傳感器750所接收，此時(shí)的第二干涉光173的數(shù)學(xué)表示為ID2=18[rP(-1)2+rS(+1)2+2rP(-1)rS(+1)cos(ωt-2φ+φd1-φd2)].]]>因此，當(dāng)信號(hào)處理裝置700通過參考光傳感器710、第一傳感器730與第二傳感器750而接收參考干涉光170、第一干涉光171與第二干涉光173可量得光柵410移動(dòng)Δx時(shí)所產(chǎn)生的相位差4φ，再利用已知的條件，如繞射階數(shù)m與光柵410的線距寬度d即可求出光柵410的位移Δx，并且根據(jù)上式，我們可知雖然正一階繞射光151與負(fù)一階繞射光152并不為相同光程相同路徑，但是最后干涉信號(hào)的相位差并不受此影響，所以，其正一階繞射光151與負(fù)一階繞射光152雖未同路徑傳遞，但是并不會(huì)影響，所以正一階繞射光151與負(fù)一階繞射光152可謂準(zhǔn)共光程，因此，本發(fā)明的光學(xué)架構(gòu)便可承受較高的環(huán)境變異的容忍度。
本實(shí)施例選用正一階繞射光151與負(fù)一階繞射光152，但是可根據(jù)不同的測(cè)量范圍大小而選擇不同階的繞射光150，如二階或三階等。
上述的反射組件330、330a可為反射鏡、直角棱鏡等組件，以使正一階繞射光151與負(fù)一階繞射光152轉(zhuǎn)向而朝向偏極分光鏡350入射。
并且光柵410為反射式光柵(reflection grating)或是亦有人稱閃耀光柵(blazed grating)，此光柵410可用金屬薄膜或介電質(zhì)薄膜所制成，將此薄膜鍍于玻璃基板或硅基板，以形成具有周期性的線距，而目前半導(dǎo)體制程技術(shù)其最小寬度約90納米，所以當(dāng)光柵410的線距寬度越小時(shí)，其測(cè)量度精度越高。
請(qǐng)參閱圖2，所示為本發(fā)明的另一實(shí)施例系統(tǒng)架構(gòu)圖，沿用上一實(shí)施例的光學(xué)架構(gòu)，此光柵410為二維光柵(two-dimension grating)或稱為交叉光柵(cross grating)，二維光柵430可使入射光入射后產(chǎn)生二維繞射光150，所以當(dāng)外差光源100產(chǎn)生的光入射分光鏡300后，成為信號(hào)光130與參考光110，此參考光110系直接入射方位角為45度的偏振板310，使得外差光源100中的兩正交線偏振光互相干涉而產(chǎn)生參考干涉光170，并經(jīng)由信號(hào)處理裝置700的參考光傳感器710所接收。
另外信號(hào)光130直接入射裝設(shè)有二維光柵430的移動(dòng)平臺(tái)450中，使信號(hào)光130入射光柵410后，便沿著二維方向，即X-Y方向產(chǎn)生多個(gè)繞射光150，其中中間的繞射光為零階繞射光，沿此零階的繞射光沿X方向兩邊所產(chǎn)生的繞射光我們稱為X方向的第一正一階繞射光153，另一側(cè)的繞射光稱為X方向的第一負(fù)一階繞射光154，而另一維度(即Y軸)的繞射光150系為Y方向的第二正一階繞射光155，另一側(cè)的繞射光150為Y方向的第二負(fù)一階繞射光156，當(dāng)然其它方向亦會(huì)有其它更高階的繞射光150，但因本實(shí)施取用X方向與Y方向的正一階繞射光與負(fù)一階繞射光，所以以此為討論，為說明簡(jiǎn)潔，對(duì)于X方向的第一正一階繞射光153、X方向的第一負(fù)一階繞射光154、Y方向的第二正一階繞射光155與Y方向的第二負(fù)一階繞射光156，直接稱為第一正一階繞射光153、第一負(fù)一階繞射光154、第二正一階繞射光155與第二負(fù)一階繞射光156。
而第一正一階繞射光153與第一負(fù)一階繞射光154在經(jīng)由反射組件330b、330c的轉(zhuǎn)向而共同入射一第一偏極分光鏡370，使不同偏振態(tài)的光被偏極分光鏡350所分開，因外差光源100由兩個(gè)正交的線偏振光所組成，所以此第一正一階繞射光153與第一負(fù)一階繞射光154亦包含此兩正交的線偏振光，即P偏振與S偏振，當(dāng)?shù)谝徽浑A繞射光153與第一負(fù)一階繞射光154由第一偏極分光鏡370相互垂直的兩側(cè)入射時(shí)，便會(huì)使正一階繞射光151的P偏振通過，而負(fù)一階繞射光152的S偏振被反射而重合于一起而成為第一繞射光160，此第一繞射光160經(jīng)過45度角的第一偏振板310而產(chǎn)生X方向的第一干涉光171，而由信號(hào)處理裝置700的第一傳感器730所接收。
另外，第一正一階繞射光153的S偏振被第一偏極分光鏡370所反射，而第一負(fù)一階繞射光154的P偏振直接穿過偏極分光鏡350而相互重合于一起而成為第二繞射光161，此第二繞射光161經(jīng)過45度角的第二偏振板311而產(chǎn)生X方向的第二干涉光173，而由信號(hào)處理裝置700的第二傳感器750所接收。
對(duì)于第二正一階繞射光155與第二負(fù)一階繞射光156亦經(jīng)由反射組件330d、330e而共同入射第二偏極分光鏡390，并且為第二偏極分光鏡390相互垂直的兩側(cè)入射，如此便使第二正一階繞射光155的P偏振通過，而第二負(fù)一階繞射光156的S偏振被反射而重合于一起而成為第三繞射光163，此第三繞射光163經(jīng)過45度角的第三偏振板313而產(chǎn)生Y方向的第三干涉光175，而由信號(hào)處理裝置700之第三傳感器770所接收。
而對(duì)于第二正一階繞射光155的S偏振被第二偏極分光鏡390所反射，而第二負(fù)一階繞射光156的P偏振直接穿過第二偏極分光鏡390而相互重合于一起而成為第四繞射光165，此第四繞射光165經(jīng)過45度角的第四偏振板315而產(chǎn)生Y方向的第四干涉光177，而由信號(hào)處理裝置700之第四傳感器790所接收。
因此，當(dāng)信號(hào)處理裝置700透過參考光傳感器710、第一傳感器730、第二傳感器750、第三傳感器770與第四傳感器790而接收參考干涉光170、X方向的第一干涉光171、X方向的第二干涉光173、Y方向的第三干涉光175與Y方向的第四干涉光177可量得二維光柵430二維移動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的相位差，便可經(jīng)由此相位差而得出二維光柵430的二維移動(dòng)。
其中二維光柵430為反射式二維光柵或是亦有人稱閃耀二維光柵，此光柵410可用金屬薄膜或介電質(zhì)薄膜所制成，將此薄膜鍍于玻璃基板或硅基板，以形成具有周期性的線距，而目前半導(dǎo)體制程技術(shù)其最小寬度約90納米，所以當(dāng)光柵410的線距寬度越小時(shí)，其測(cè)量度精度越高。
同樣地，本實(shí)施例選用二維的X方向第一正一階繞射光153、X方向第一負(fù)一階繞射光154、Y方向第一正一階繞射光155與Y方向第一負(fù)一階繞射光156，但是可根據(jù)不同的測(cè)量范圍大小而選擇二維的不同階的繞射光，如二階或三階等。
而上述的反射組件330b、330c可為反射鏡或直角棱鏡等組件，以使第一正一階繞射光153與第一負(fù)一階繞射光154轉(zhuǎn)向而朝向第一偏極分光鏡370相互垂直的兩側(cè)入射。另外反射組件330d、330e亦使第二正一階繞射光155與第二負(fù)一階繞射光156轉(zhuǎn)向而朝向第二偏極分光鏡390相互垂直的兩側(cè)入射。
因?yàn)楸緦?shí)施例沿用上一實(shí)施例光學(xué)架構(gòu)，因?yàn)樯弦粚?shí)施例針對(duì)一維的測(cè)量而設(shè)計(jì)，而本實(shí)施例表示出此光學(xué)架構(gòu)尚可擴(kuò)展為二維的測(cè)量，所以其基本原理與優(yōu)點(diǎn)不再贅述。
以下就以一維測(cè)量光學(xué)架構(gòu)而列出其測(cè)量數(shù)據(jù)，以資證明本發(fā)明的效能與可行性。
請(qǐng)參閱圖3，所示為本發(fā)明的位移與相位差關(guān)系的數(shù)值仿真圖，我們?cè)倩叵胂惹八岬降南辔徊罟?amp;phi;=m2πΔxd,]]>其中影響相位差的變量為繞射階數(shù)m、光柵410的線距寬度d與光柵410移動(dòng)Δx，若于使用相同的繞射階數(shù)m與相同的光柵410移動(dòng)Δx條件下，光柵410的線距寬度d可直接影響測(cè)量相位差的靈敏度，若光柵410的線距寬度d越小的話，代表對(duì)位移越靈敏，所以由圖3中可看到，若光柵410的線距寬度d為13000納米(nm)時(shí)，其測(cè)量靈敏度約為0.222°/nm，而光柵410的線距寬度d為1000納米時(shí)，其測(cè)量靈敏度約為2.88°/nm，若光柵410的線距寬度d為600納米時(shí)，其測(cè)量靈敏度約為4.8°/nm。反之，若以可解析的最小相位量為0.01°為評(píng)比標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，光柵410的線距寬度d為13000納米時(shí)，可量得的最小位移量為4.5×10-2納米，光柵410的線距寬度d為600納米時(shí)，可量得的最小位移量為2.1×10-3納米。因此，光柵410的線距寬度d影響測(cè)量精度甚巨，若欲量得較高精度的測(cè)量值時(shí)，便采用小線距寬度的光柵410。
請(qǐng)參閱圖4，所示為本發(fā)明的相位誤差量與相對(duì)位移誤差量的數(shù)值仿真圖，當(dāng)光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生相位測(cè)量誤差時(shí)，如偏振混合誤差、二次諧波誤差或相位計(jì)算誤差等，對(duì)位移的測(cè)量亦有一定程度的影響，由圖4中可看出，當(dāng)相位誤差量由0°變化至0.1°時(shí)，光柵410的線距寬度為600納米時(shí)其位移誤差量為0.021納米，而光柵410的線距寬度為1000納米時(shí)其位移誤差量為0.035，而納米光柵410的線距寬度為13000納米時(shí)其位移誤差量為0.451納米，所以在光柵410的線距寬度為1000納米以下且相位誤差在0.1°時(shí)，可確保系統(tǒng)的最小測(cè)量誤差，即可測(cè)量系統(tǒng)具有次納米等級(jí)的位移分辨率。
請(qǐng)參閱圖5，所示為本發(fā)明的相位與位移量的數(shù)值仿真圖，此圖表示在未使用相位延展技術(shù)(phase unwrapping)下可量得的最大測(cè)量距離，由圖5中可見得光柵410的線距寬度為13000納米時(shí)，可量得的最大位移量為3250納米，而光柵410的線距寬度為1000納米與600納米時(shí)，可量得的最大位移量分別為250納米與150納米，由此可知，本系統(tǒng)的一個(gè)測(cè)量周期約四分之一光柵410的線距寬度。
請(qǐng)參閱圖6與圖7，所示為本發(fā)明的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)圖，此測(cè)量值使用光柵410的線距寬度為40000納米的光柵410，而圖6測(cè)量位移量結(jié)果，系統(tǒng)測(cè)量的初始值由111.98納米開始測(cè)量，最終的測(cè)量值為587.678納米，所以實(shí)際量得的位移值為475.698納米，為確保實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性，我們利用業(yè)界使用已久的位移測(cè)量?jī)x器惠普(HP)公司所生產(chǎn)的HP5528A干涉儀，以下簡(jiǎn)稱為HP5528A，我們亦利用HP5528A來同步測(cè)量，所量得之值為495納米，測(cè)量結(jié)果接近，另外在圖中5個(gè)圓圈處的最小位移量值依坐標(biāo)軸相位量的增加方向分別為0.4納米、3納米、4納米、10納米及4納米，相較于HP5528A僅能測(cè)出大于10納米的變化量，所以我們的測(cè)量精度比HP5528A再高一個(gè)等級(jí)(order)。
而圖7表示利用光柵410的線距寬度為40000納米，且測(cè)量位移為18000納米的圖標(biāo)，共分三次測(cè)量，因?yàn)?8000納米已超過一個(gè)位移周期，因每一個(gè)位移周期所對(duì)應(yīng)的相位為360度，所以當(dāng)相位超過360度時(shí)，便會(huì)重新由0度開始，因此曲線有段差，而此圖擷取部分的測(cè)量結(jié)果，因測(cè)量三次，所以會(huì)有三個(gè)數(shù)據(jù)，其最后的測(cè)量結(jié)果如下表
因此，本發(fā)明的準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)經(jīng)由數(shù)值仿真與實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得知其測(cè)量精度與可容許誤差皆與光柵410的線距寬度有關(guān)，若能采用較小的線距寬度則可提高測(cè)量精度，而且本發(fā)明的光學(xué)架構(gòu)亦具有較高的環(huán)境變動(dòng)容忍性，因此測(cè)量誤差??；并且本發(fā)明測(cè)量相位，所以位移對(duì)相位產(chǎn)生非連續(xù)變化，但配合相位延展技術(shù)，則可以測(cè)量大位移距離的移動(dòng)。
所以本發(fā)明的準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)具有次納米至皮米級(jí)的測(cè)量靈敏度，微米至納米級(jí)的測(cè)量范圍，并且可快速測(cè)量，光學(xué)架構(gòu)簡(jiǎn)單與容易模塊化的設(shè)計(jì)，此外，又不易受外在環(huán)境擾動(dòng)的影響。
以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用來限定本發(fā)明的實(shí)施范圍；凡是依本發(fā)明所作的等效變化與修改，都被本發(fā)明的專利范圍所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包含一外差光源，分為一參考光與一信號(hào)光；一光柵，使該信號(hào)光入射該光柵而產(chǎn)生一繞射光；一偏極分光鏡，使該繞射光分為一第一繞射光與一第二繞射光；一個(gè)以上偏振板，使該參考光穿過該些偏振板而產(chǎn)生一參考干涉光，且該第一繞射光穿過該些偏振板而產(chǎn)生一第一干涉光，而該第二繞射光穿過該些偏振板而產(chǎn)生一第二干涉光；及一信號(hào)處理裝置，接受該參考干涉光、該第一干涉光與該第二干涉光，當(dāng)該光柵移動(dòng)時(shí)，該信號(hào)處理裝置量得該參考干涉光、該第一干涉光與該第二干涉光的相位差而可得該光柵的位移量。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，還包含一分光鏡，置于該外差光源前，使該外差光源產(chǎn)生的光經(jīng)由該分光鏡而分為該信號(hào)光與該參考光。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該繞射光包含一正一階繞射光，入射該偏極分光鏡一側(cè)；及一負(fù)一階繞射光，入射該偏極分光鏡另一側(cè)，以使該正一階繞射光與負(fù)一階繞射光入射該偏極分光鏡相互垂直的兩側(cè)并相互重合后，而再分為該第一繞射光與該第二繞射光。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該信號(hào)處理裝置還包含一參考光傳感器、一第一傳感器與一第二傳感器，該參考光傳感器接受該參考光而傳輸信號(hào)至該信號(hào)處理裝置，且該第一傳感器接受該第一干涉光并傳輸信號(hào)至該信號(hào)處理裝置，而該第二傳感器接該第二干涉光并傳輸信號(hào)至該信號(hào)處理裝置，以使該信號(hào)處理裝置以量得該參考光、該第一干涉光與該第二干涉光的相位差而可得該光柵的位移量。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該光柵為反射式光柵。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，還包含一反射組件，使該些繞射光轉(zhuǎn)向而入射該偏極分光鏡。
7.一種準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，包含一外差光源，分為一參考光與一信號(hào)光；一二維光柵，使該信號(hào)光入射該二維光柵而沿二維方向產(chǎn)生一個(gè)以上的繞射光；一個(gè)以上偏極分光鏡，使該繞射光分為一第一繞射光、一第二繞射光、一第三繞射光與一第四繞射光；一個(gè)以上偏振板，使第一繞射光、一第二繞射光、一第三繞射光與一第四繞射光各穿過該些偏振板而產(chǎn)生一第一干涉光、一第二干涉光、一第三干涉光與一第四干涉光；及一信號(hào)處理裝置，接受該參考光、該第一干涉光與該第二干涉光、該第三干涉光與該第四干涉光，當(dāng)該光柵移動(dòng)時(shí)，該信號(hào)處理裝置量得該參考光、該第一干涉光與該第二干涉光、該第三干涉光與該第四干涉光的相位差而可得該光柵的二維位移量。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，還包含一分光鏡，置于該外差光源前，使該外差光源產(chǎn)生的光經(jīng)由該分光鏡而分為該信號(hào)光與該參考光。
9.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該些偏極分光鏡包含一第一偏極分光鏡；以及一第二偏極分光鏡；該些繞射光包含一第一正一階繞射光，入射該第一偏極分光鏡一側(cè)；一第一負(fù)一階繞射光，入射該第一偏極分光鏡另一側(cè)，以使該第一正一階繞射光與該第一負(fù)一階繞射光以相互垂直的角度而入射該第一偏極分光鏡的兩側(cè)，并相互重合后，而再分為該第一繞射光與該第二繞射光；一第二正一階繞射光，入射該第二偏極分光鏡一側(cè)；以及一第二負(fù)一階繞射光，入射該第二偏極分光鏡另一側(cè)，以使該第二正一階繞射光與該第二負(fù)一階繞射光以相互垂直的角度而入射該第二偏極分光鏡的兩側(cè)，并相互重合后，而再分為該第三繞射光與該第四繞射光。
10.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該信號(hào)處理裝置還包含一參考光傳感器、一第一傳感器、一第二傳感器、一第三傳感器與一第四傳感器，該參考光傳感器接受該參考光而傳輸信號(hào)至該信號(hào)處理裝置，且該第一傳感器接受該第一干涉光并傳輸信號(hào)至該信號(hào)處理裝置，而該第二傳感器接該第二干涉光并傳輸信號(hào)至該信號(hào)處理裝置，且該第三傳感器接受該第三干涉光并傳輸信號(hào)至該信號(hào)處理裝置，而該第四傳感器接該第四干涉光并傳輸信號(hào)至該信號(hào)處理裝置，以使該信號(hào)處理裝置以量得該參考光、該第一干涉光與該第二干涉光的相位差而可得該光柵的一個(gè)維度的位移量，且該信號(hào)處理裝置利用以量得的該參考光再量得該第三干涉光與該第四干涉光的相位差而可得該光柵的另一個(gè)維度的位移量。
11.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，該二維光柵為反射式二維光柵。
12.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于，還包含一反射組件，使該些繞射光轉(zhuǎn)向而入射該偏極分光鏡。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種準(zhǔn)共光程外差干涉位移測(cè)量系統(tǒng)，包含一外差光源，分為一參考光與一信號(hào)光；一光柵，使該信號(hào)光入射該光柵而產(chǎn)生一繞射光；一偏極分光鏡，使該繞射光分為一第一繞射光與一第二繞射光；一個(gè)以上偏振板，使該參考光穿過該些偏振板而產(chǎn)生一參考干涉光，且該第一繞射光穿過該些偏振板而產(chǎn)生一第一干涉光，而該第二繞射光穿過該些偏振板而產(chǎn)生一第二干涉光；一信號(hào)處理裝置，量得該參考干涉光、該第一干涉光與該第二干涉光的相位差而可得該光柵的位移量。本發(fā)明具有外差干涉相位測(cè)量的高靈敏度，且具有光學(xué)架構(gòu)不受外在環(huán)境擾動(dòng)的高穩(wěn)定性，以直接測(cè)量因位移所造成的相位變化量以達(dá)到高測(cè)量精度。
文檔編號(hào)G01B11/02GK1991297SQ200510132985
公開日2007年7月4日 申請(qǐng)日期2005年12月31日
發(fā)明者許正治, 吳乾埼, 陳朝榮, 王振宇, 溫博浚, 翁漢甫 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan