光學測量系統(tǒng)及以此系統(tǒng)測量角度及轉速的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光學測量系統(tǒng)及光學測量方法，特別是一種用于測量線性位移、俯仰角度、搖擺角度、滾動角度與馬達轉速的光學測量系統(tǒng)及光學測量方法。
【背景技術】
[0002]隨精密機械業(yè)的迅速發(fā)展，所有半導體工藝與測量技術皆已推廣至微米甚至納米等級，產(chǎn)業(yè)界常用的高階測量儀器如:自動視準儀、激光干涉儀、電容式位移計、光學尺等等皆能提供精密的定性及定量需求。為達精密機械的機臺多任務化運用與使用者操作便利性等需求，故精密機械設備大多是由單軸以上元件或平臺所組合而成以達到多自由度運動，但該設備中各軸運動元件的特性與誤差皆會有加成效果，并嚴重影響其加工質(zhì)量與精細度。針對產(chǎn)業(yè)界的需求而言，不論是機臺空載時的誤差測量或調(diào)校、精密元件的組裝或加工件的精密定位、控制與補償?shù)榷夹枰辽倭鶄€自由度的測量信息。故對于多自由度的定性及定量檢測，需具有更高規(guī)格的檢測技術，例如能同時檢測多個自由度并縮小測量儀器的體積、增加使用便利性及擴充性。
[0003]以激光干涉儀為例，即使其可利用同一激光頭裝置來測量多軸自由度，但大多數(shù)并非具有同時檢測的功能，且因體積龐大而無法裝設于精密機械的有限的空間中。同樣的，雖然自動視準儀可同時得到兩個旋轉軸的角位移信息，然其缺乏線性位移測量信息。激光干涉儀與自動視準儀的價格高昂，且僅能作為機臺空載時的誤差測量或調(diào)校依據(jù)。使用上最為廣泛的光學尺，其雖可做為誤差檢測或回授的實時測量儀器，但僅能提供平面位移信號，且在架設上仍有諸多限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明主要目的在于提供一個具有四個自由度的光學測量系統(tǒng)，可同時測量得單一線性軸的線性位移，與三個角位移量俯仰度、搖擺度以及滾動度，以克服前述高階儀器的使用極限與不便利處。本發(fā)明可由一市售光學讀取頭改裝而得，故其能擁有較小的尺寸，有利于裝設在所有精密機械系統(tǒng)中作為定位與誤差測量及回授的裝置。
[0005]因此，本發(fā)明提供一種光學測量系統(tǒng)，其包含:激光二極管、反射元件、準直透鏡、分光元件、光檢測元件與目標反射鏡；其中，該激光二極管包含功率監(jiān)測裝置；第一光線自該激光二極管發(fā)出，循光路通過該分光元件、該準直透鏡，經(jīng)該反射元件反射后，通往該目標反射鏡而被反射成為第二光線，該第二光線反序沿著該光路返回該分光元件而被導往該功率監(jiān)測裝置與光檢測元件，以進行測量分析。
[0006]同時，本發(fā)明也提供以此系統(tǒng)測量線性位移、轉動角度、滾動角度與馬達轉速的方法。
【附圖說明】
[0007]圖1a為本發(fā)明的光學測量系統(tǒng)，及用以測量線性位移的測量方法的示意圖；
[0008]圖1b為本發(fā)明的光學測量系統(tǒng)用以測量微小待測物的線性位移的測量方法的示意圖；
[0009]圖1c為本發(fā)明的目標反射鏡朝+X方向移動時，功率監(jiān)測裝置的信號；
[0010]圖1d為本發(fā)明的目標反射鏡朝-X方向移動時，功率監(jiān)測裝置的信號；
[0011]圖2a為本發(fā)明的光學測量系統(tǒng)用以測量俯仰角度的測量方法的示意圖；
[0012]圖2b為本發(fā)明的俯仰角度的測量方法，其光點位置變化的示意圖；
[0013]圖3a為本發(fā)明的光學測量系統(tǒng)用以測量搖擺角度的測量方法的示意圖；
[0014]圖3b為本發(fā)明的搖擺角度的測量方法，其光點位置變化的示意圖；
[0015]圖4a為本發(fā)明的光學測量系統(tǒng)用以測量滾動角度的測量方法的示意圖；
[0016]圖4b、4c為本發(fā)明的滾動角度的測量方法，其光點能量強度變化的示意圖。
【具體實施方式】
[0017]本發(fā)明主要是由三種光學測量機制所構成，第一是激光自混頻干涉技術，用于線性位移的測量；第二是光學自動視準儀原理，用于俯仰及搖擺角度的測量；第三則是偏極化光學原理，用于滾動角度的測量。激光自混頻干涉技術是通過激光激發(fā)的光線投射至目標物后，返回該激光的共振腔內(nèi)，并使該激光產(chǎn)生光學調(diào)制干涉現(xiàn)象，此干涉信號可用于檢測目標物在空間中的相對位移量。光學自動視準儀原理是利用準直透鏡對于不同角度入射的平行光，均會在同一聚焦平面上但會產(chǎn)生帶有反射目標物轉動角度的光學特性。至于偏極化光學原理則是利用兩偏極化元件間夾角改變，以產(chǎn)生不同的透光度，通過光能量強度變化推知實際的滾動角度。這三種技術皆是光學檢測技術中最為高階且最為精準的測量技術，故這些技術與取得容易的光學讀取頭結合將可具有高讀可靠性、體積微小化、高經(jīng)濟效益、高準確度、系統(tǒng)簡單以及操作便利等優(yōu)勢，故具有商品化的潛力，并可供產(chǎn)業(yè)界所使用以取代機臺內(nèi)部所安裝的光學尺。因本系統(tǒng)除原先光學尺可檢測的線性位移信號外，更將功能擴充至四個自由度，不管是線性位移信號回饋或是角度誤差信號補償，皆可由本發(fā)明的系統(tǒng)測得，且擁有較佳的解析能力(線性位移約lnm，角度則為Isec)。另一方面，該系統(tǒng)的高解析能力與高可靠度也可作為機臺誤差檢測的驗證與校正儀器，得以取代較為昂貴的激光干涉儀與自動視準儀、電子水平儀等。
[0018]本發(fā)明提供一個具有四個自由度(線性移動、俯仰、搖擺及滾動)的光學測量系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)可容易地由使用者自行組裝，或以使用DVD光驅的光學讀取頭進行測量。此夕卜，本發(fā)明也可用以監(jiān)測馬達的轉速信息。其【具體實施方式】如下。
[0019]請參考圖la，本發(fā)明的光學測量系統(tǒng)，其主要包含激光二極管2、反射元件3、準直透鏡4、分光元件5與目標反射鏡7 ;該激光二極管2可進一步包含功率監(jiān)測裝置21。其中第一光線LI自該激光二極管2發(fā)出，循光路通過該分光元件5、該準直透鏡4，經(jīng)該反射元件3反射后，通往該目標反射鏡7而被反射成為第二光線L2，該第二光線L2反序沿著該光路返回該分光元件5而被導往該激光二極管2上的該功率監(jiān)測裝置21，以供檢測與分析。
[0020]本發(fā)明的測量原理為:測量時，該激光二極管2發(fā)出的第一光線LI為發(fā)散的測量光源，通過該準直透鏡4校準為準直光，再由反射元件3將光線導往待測量位移值的待測物上的目標反射鏡7 (或者以待測物本身作為目標反射鏡7);當待測物移動時，目標反射鏡7也隨之將此帶有位移信息的信號光，沿原光路反射回激光二極管2的共振腔內(nèi)，此時光線L2使該激光二極管2產(chǎn)生光學調(diào)制干涉現(xiàn)象，即自混頻干涉現(xiàn)象，該現(xiàn)象在目標反射鏡7每移動半波長的距離即發(fā)生極值信號，再通過激光二極管2的功率監(jiān)測裝置21來獲得混頻信號，而該信號可利用微電流放大電路以及細分割技術換算出位移信息。前述本發(fā)明的光學測量系統(tǒng)中主要由激光二極管、反射元件、準直透鏡、分光元件、光檢測元件等構成，與市售的光學讀取頭的構成相同，故可以以市售光學讀取頭來置換，例如:市售的光驅的光學讀取頭。
[0021]本發(fā)明所提供的線性位移的測量方法，其使用如前述的光學測量系統(tǒng)(如圖1a所示)，而以下列步驟進行:(a)該第一光線LI及該第二光線L2在該激光二極管2內(nèi)部產(chǎn)生自混頻干涉信號，而該信號由該功率監(jiān)測裝置21所讀取，其中該信號在該目標反射鏡7沿X軸方向移動該第一光線LI及該第二光線L2的半波長距離的整數(shù)倍時，皆會產(chǎn)生一個極大值(其中該目標反射鏡朝+X方向移動時，該信號的波形如圖1c所示；該目標反射鏡朝-X方向移動時，該信號的波形如圖1d所示)，分析儀器為示波器或信號擷取卡(dataacquisit1n cards) ； (b)解析該信號的波形,反向推算該目標反射鏡7的線性位移信息。
[0022]本系統(tǒng)也可針對微小待測物的線性位移進行測量，僅需如圖1b所示，在該反射元件3及該目標反射鏡7之間加裝光學聚焦物鏡8，使該第一光線LI得以聚焦于微小待測物或微小的目標反射鏡7的表面。
[0023]請參考圖2a，使用如前述的光學測量系統(tǒng)，該光學測量系統(tǒng)進一步包含光檢測元件6，可進行俯仰(搖擺)角度的測量。當該目標反射鏡7以Y軸為軸心旋轉(俯仰)一角度時，其所反射的該第二光線L2在該光檢測元件6所投射的位置，將從最初的光點位置61移動一距離至另一光點位置62 (如圖2b所示)。因該距離與該目標反射鏡7以Y軸為軸心旋轉的該角度有關，通過所選用的光檢測元件6對于目標反射鏡7俯仰角度與光點位置的已知對應關系圖或對應的數(shù)值，搭配適當?shù)碾娐吩O計與軟件，可達到Isec的角度解析能力。
[0024]因此，使用本發(fā)明的光學測量系統(tǒng)進行俯仰角度測量系采用下列步驟:(a)偵測目標反射鏡7處于第一角度時，其所反射的