TWI583982B - 位移量測裝置及加工系統 - Google Patents

Description

位移量測裝置及加工系統

本發明係相關於一種位移量測裝置及加工系統，尤指一種可改善加工精度的位移量測裝置及加工系統。

隨著相關技術的進步，工件的加工品質及加工精度的要求越來越高。一般而言，工具機是利用導螺桿或其他精密傳動元件移動刀具或工件以對工件進行精密加工。但導螺桿的解析度是在微米等級，現有工具機只能藉由控制導螺桿的轉動來對工件進行微米等級的加工。當工具機需要對工件進行次微米等級或奈米等級的加工時，工具機需要配合更高解析度的位移量測裝置來進行加工。然而，現有高解析度的位移量測裝置通常具有較複雜的結構及較大的體積，而無法有效地和工具機整合。

本發明之目的在於提供一種可改善加工精度的位移量測裝置及加工系統，以解決先前技術的問題。

本發明位移量測裝置包含一第一光學模組，一第一分光模組，一光源，一影像感測器，以及一處理單元。該第一光學模組用以折射或反射光線。該第一分光模組包含一第一透明板體具有一第一表面及一第二表面，該第一表面位於該第二表面及一量測件之第一量測面之間；一第一偏振分光層形成於該第一表面上，用以允許具一第一偏振方向的光線通過且反射具一第二偏振方向的光線，以及一第一反射層局部形成於該第二表面上，用以反射光線。該光源用以產生具該第一偏振方向的一第一光束及具該第二偏振方向的一第二光束，其中當該第一光束依序通過該第一光學模組的第一側、該第一透明板體及該第一偏振分光層後，該第一光束被該量測件之第一量測面反射以進一步依序通過該第一偏振分光層、該第一透明板體及該第一光學模組的第二側，以及當該第二光束通過該第一光學模組的第一側後，該第二光束進入該第一透明板體內且依序被該第一偏振分光層、該第一反射層及該第一偏振分光層反射以進一步通過該第一光學模組的第二側。該影像感測器用以感測通過該第一光學模組的第二側後的該第一光束及該第二光束產生的一第一干涉圖案。該處理單元電連接於該影像感測器，用以根據該第一干涉圖案計算該量測件沿一第一預定方向的位移量。

本發明加工系統包含一基座，一加工刀具，一夾持平台，以及一位移量測裝置。該加工刀具設置於該基座上，用以加工一工件。該夾持平台用以夾持該工件，且可相對該基座移動。該位移量測裝置包含一第一光學模組，一第一分光模組，一光源，一影像感測器，以及一處理單元。該第一光學模組用以折射或反射光線。該第一分光模組包含一第一透明板體具有一第一表面及一第二表面，該第一表面位於該第二表面及該基座的第一量測面之間；一第一偏振分光層形成於該第一表面上，用以允許具一第一偏振方向的光線通過且反射具一第二偏振方向的光線；以及一第一反射層局部形成於該第二表面上，用以反射光線。該光源用以產生具該第一偏振方向的一第一光束及具該第二偏振方向的一第二光束，其中當該第一光束依序通過該第一光學模組的第一側、該第一透明板體及該第一偏振分光層後，該第一光束被該基座之第一量測面反射以進一步依序通過該第一偏振分光層、該第一透明板體及該第一光學模組的第二側，以及當該第二光束通過該第一光學模組的第一側後，該第二光束進入該第一透明板體內且依序被該第一偏振分光層、該第一反射層及該第一偏振分光層反射以進一步通過該第一光學模組的第二側。該影像感測器用以感測通過該第一光學模組的第二側後的該第一光束及該第二光束產生的一第一干涉圖案。該處理單元電連接於該影像感測器，用以根據該第一干涉圖案計算該夾持平台相對該基座沿一第一預定方向的位移量。

相較於先前技術，本發明位移量測裝置具有較簡單的結構及較小的體積，因此本發明位移量測裝置可以輕易地和加工裝置整合，以對工件進行次微米等級或奈米等級的加工。再者，本發明位移量測裝置的光束能量損耗較小，因此本發明位移量測裝置具有更高量測精確度。

請參考第1圖，第1圖是本發明位移量測裝置的第一實施例的示意圖。如第1圖所示，本發明位移量測裝置100a包含一光學模組110、一分光模組120、一光源130、一反射元件140、一影像感測器150以及一處理單元160。光學模組110包含一透鏡112，用以折射光線。分光模組120包含一透明板體122、一偏振分光層124以及一反射層126。透明板體122具有一第一表面123a及一第二表面123b。第二表面123b是相對於第一表面123a，且第一表面123a是用以設置於第二表面123b及一量測件10之間。偏振分光層124是形成於第一表面123a上，用以允許具一第一偏振方向的光線通過且反射具一第二偏振方向的光線。反射層126是局部形成於第二表面123b上，用以反射光線。反射層126可以類似偏振分光層124用以允許具第一偏振方向的光線通過且反射具第二偏振方向的光線，或者反射層126可以反射所有可見光。光源130是用以產生具第一偏振方向的一第一光束L1及具第二偏振方向的一第二光束L2。光源130產生的第一光束L1及第二光束L2是相位及波長相同的光束。光源130可以是雷射光源、白光光源或其他可見光源。當光源130同時產生第一光束L1及第二光束L2時，第一光束L1是通過透鏡112的第一側後被折射以進入透明板體122。當第一光束L1到達偏振分光層124時，偏振分光層124允許具第一偏振方向的第一光束L1通過。之後第一光束L1被量測件10之一表面反射以進一步依序通過偏振分光層124、透明板體122及透鏡112的第二側。另一方面，第二光束L2是先通過透鏡112的第一側後被折射以進入透明板體122。當第二光束L2到達偏振分光層124時，偏振分光層124會反射具第二偏振方向的第二光束L2。之後第二光束L2於透明板體122內再依序被反射層126及偏振分光層124反射，以進一步通過透鏡112的第二側。

當第一光束L1及第二光束L2通過透鏡112的第二側後，反射元件140可以反射通過透鏡112的第二側後的第一光束L1及第二光束L2至影像感測器150。當影像感測器150接收到第一光束L1及第二光束L2後，影像感測器150可以感測第一光束L1及第二光束L2產生的干涉圖案。處理單元160是電連接於影像感測器150，用以根據影像感測器感150測到的干涉圖案計算量測件10的位移量。舉例來說，當第一光束L1及第二光束L2的行近距離相同時，第一光束L1及第二光束L2因相位相同而產生較亮的干涉圖案；而當第一光束L1及第二光束L2的行近距離相差半個波長時，第一光束L1及第二光束L2因相位相反而產生較暗的干涉圖案。因此處理單元160可以根據干涉圖案的明亮度判斷第一光束L1及第二光束L2的光程差。由於第二光束L2的行近距離是固定的，因此處理單元160可以再根據第一光束L1及第二光束L2的光程差及第二光束L2的行近距離計算出第一光束L1的行進距離。之後，處理單元160可以進一步根據第一光束L1的行進距離算出量測件10和第一表面123a之間的距離。換句話說，當量測件10相對分光模組120移動時，處理單元160可以根據干涉圖案的明暗度變化計算出量測件10的位移量。

依據上述配置，由於光的波長是數百奈米，因此本發明位移量測裝置100a的解析度可以達到次微米等級或奈米等級。另外，本發明位移量測裝置100a只需利用光學模組110及分光模組120即可以讓第一光束L1及第二光束L2產生干涉圖案，因此本發明位移量測裝置100a可以具有較簡單的結構及較小的體積。再者，在本發明位移量測裝置100a中，第一光束L1及第二光束L2需通過的光學元件較少，且分光模組120是根據偏振方向對第一光束L1及第二光束L2進行分光，因此本發明位移量測裝置100a可具有較小的光束能量損耗，以得到更精確的量測結果。

請參考第2圖，第2圖是本發明位移量測裝置的第二實施例的示意圖。相異於本發明位移量測裝置的第一實施例100a，本發明位移量測裝置的第二實施例100b省略反射元件。影像感測器150可以直接接收通過透鏡112的第二側後的第一光束L1及第二光束L2。如此本發明位移量測裝置100b的結構可以更簡化，且體積可以進一步減少。由於位移量測裝置100b的運作是相似於位移量測裝置100a的運作，因此不再加以說明。

請參考第3圖，第3圖是本發明位移量測裝置的第三實施例的示意圖。如第3圖所示，在本發明位移量測裝置的第三實施例100c中，光學模組110’包含一第一透鏡114及一第二透鏡116。第一透鏡114是位於光學模組110’的第一側，第二透鏡116是位於光學模組110’的第二側。當光源130同時產生第一光束L1及第二光束L2時，第一光束L1是通過第一透鏡114後被折射以進入透明板體122。當第一光束L1到達偏振分光層124時，偏振分光層124允許具第一偏振方向的第一光束L1通過。之後第一光束L1被量測件10之一表面反射以進一步依序通過偏振分光層124、透明板體122及第二透鏡116。另一方面，第二光束L2是先通過第一透鏡114後被折射以進入透明板體122。當第二光束L2到達偏振分光層124時，偏振分光層124會反射具第二偏振方向的第二光束L2。之後第二光束L2於透明板體122內再依序被反射層126及偏振分光層124反射，以進一步通過第二透鏡116。由於位移量測裝置100c計算量測件位移量的方式是相似於位移量測裝置100a，因此不再加以說明。

在本發明位移量測裝置的第三實施例100c中，光學模組110’是以較小的第一透鏡114及第二透鏡116取代較大的透鏡112，因此本發明位移量測裝置100c可以更進一步縮小體積。另一方面，光學模組110’亦可以包含兩個稜鏡或兩個反射鏡以取代第一透鏡114及第二透鏡116。

請參考第4圖，第4圖是本發明位移量測裝置的第四實施例的示意圖。相異於本發明位移量測裝置的第三實施例100c，本發明位移量測裝置的第四實施例100d省略反射元件。影像感測器150可以直接接收通過第二透鏡116後的第一光束L1及第二光束L2。如此本發明位移量測裝置100d的結構可以更簡化，且體積可以進一步減少。由於位移量測裝置100d的運作是相似於位移量測裝置100c的運作，因此不再加以說明。

由於本發明位移量測裝置100a、100b、100c、100d可以具有較簡單的結構及較小的體積，因此本發明位移量測裝置100a、100b、100c、100d可以輕易地和加工裝置整合。請參考第5圖，第5圖是本發明加工系統的第一實施例的示意圖。如第5圖所示，本發明加工系統200包含一基座202，一加工刀具210，一夾持平台220，以及一位移量測裝置100。加工刀具210是設置於基座202上，用以加工工件30。夾持平台220是用以夾持工件30，且可相對基座202移動。位移量測裝置100可以是第1圖至第4圖中的位移量測裝置100a、100b、100c、100d，且位移量測裝置100是設置於夾持平台200上。夾持平台220可電連接於位移量測裝置100的處理單元160。當加工刀具210對工件30進行加工時，夾持平台220可根據處理單元160得到夾持平台相對基座的位移量以進行移動，如此夾持平台220的移動解析度可以控制在次微米等級或奈米等級。換句話說，本發明加工系統200可以對工件30進行次微米等級或奈米等級的加工。

另外，第5圖中本發明加工系統200的配置只是舉例，本發明不以此為限。本發明加工系統200可以依據設計需求改變加工刀具210，夾持平台220，以及工件位移量測裝置100之間的相對位置。

請參考第6圖，第6圖是本發明位移量測裝置的第五實施例的示意圖。如第5圖所示，本發明位移量測裝置100e可另包含光學模組170、分光模組180以及分光鏡190。光學模組170包含一透鏡172，用以折射光線。分光模組180包含一透明板體182、一偏振分光層184以及一反射層186。分光鏡190用以對第一光束L1及第二光束L2進行分光以產生具第一偏振方向的一第三光束L3及具第二偏振方向的一第四光束L4。第三光束L3是通過透鏡172的第一側後被折射以進入透明板體182。當第三光束L3到達偏振分光層184時，偏振分光層184允許具第一偏振方向的第三光束L3通過。之後第三光束L3被量測件20之一表面反射以進一步依序通過偏振分光層184、透明板體182及透鏡172的第二側。另一方面，第四光束L4是先通過透鏡172的第一側後被折射以進入透明板體182。當第四光束L4到達偏振分光層184時，偏振分光層184會反射具第二偏振方向的第四光束L4。之後第四光束L4於透明板體182內再依序被反射層186及偏振分光層184反射，以進一步通過透鏡172的第二側。當影像感測器150接收到第三光束L3及第四光束L4後，影像感測器150可以感測第三光束L3及第四光束L4產生的干涉圖案。

依據上述配置，處理單元160可用以根據第一光束L1及第二光束L2產生的干涉圖案計算量測件20和位移量測裝置100e之間沿一第一預定方向D1的相對位移量，以及根據第三光束L3及第四光束L4產生的干涉圖案計算量測件20和位移量測裝置100e之間沿一第二預定方向D2的相對位移量。

另外，本發明位移量測裝置100e可視需求包含更多的光學模組、分 光模組以及分光鏡，以得到量測件和位移量測裝置100e之間沿其他方向的相對位移量。再者，位移量測裝置100e的光學模組110、170亦可以包含兩個透鏡、兩個稜鏡或兩個反射鏡以取代透鏡112、172。

請參考第7圖，第7圖是本發明加工系統的第二實施例的示意圖。如第7圖所示，本發明加工系統300包含一基座302，一加工刀具310，一夾持平台320，以及一位移量測裝置100e。加工刀具310是用以加工工件30。夾持平台320是用以夾持工件30，且可相對基座302移動。位移量測裝置100e是設置於夾持平台320上。位移量測裝置100e可用以同時量測夾持平台320相對基座302沿第一預定方向D1(例如Y軸)及第二預定方向D2(例如X軸)的位移量。夾持平台320可電連接於位移量測裝置100e的處理單元160。當加工刀具310對工件30進行加工時，夾持平台320可根據處理單元160得到夾持平台320相對基座302的位移量以進行移動。另外，本發明加工系統300的位移量測裝置100e可視需求包含更多的光學模組、分光模組以及分光鏡，以得到夾持平台320相對基座302沿其他方向(例如Z軸)的位移量。

相較於先前技術，本發明位移量測裝置具有較簡單的結構及較小的體積，因此本發明位移量測裝置可以輕易地和加工裝置整合，以對工件進行次微米等級或奈米等級的加工。再者，本發明位移量測裝置的光束能量損耗較小，因此本發明位移量測裝置具有更高量測精確度。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

10、20‧‧‧量測件

30‧‧‧工件

100、100a、100b‧‧‧位移量測裝置

100c、100d、100e‧‧‧位移量測裝置

110、110’、170‧‧‧光學模組

112、172‧‧‧透鏡

114‧‧‧第一透鏡

116‧‧‧第二透鏡

120、180‧‧‧分光模組

122、182‧‧‧透明板體

123a‧‧‧第一表面

123b‧‧‧第二表面

124、184‧‧‧偏振分光層

126、186‧‧‧反射層

130‧‧‧光源

140‧‧‧反射元件

150‧‧‧影像感測器

160‧‧‧處理單元

190‧‧‧分光鏡

200、300‧‧‧加工系統

210、310‧‧‧加工刀具

220、320‧‧‧夾持平台

L1‧‧‧第一光束

L2‧‧‧第二光束

第1圖是本發明位移量測裝置的第一實施例的示意圖。 第2圖是本發明位移量測裝置的第二實施例的示意圖。 第3圖是本發明位移量測裝置的第三實施例的示意圖。 第4圖是本發明位移量測裝置的第四實施例的示意圖。 第5圖是本發明加工系統的第一實施例的示意圖。 第6圖是本發明位移量測裝置的第五實施例的示意圖。 第7圖是本發明加工系統的第二實施例的示意圖。

10‧‧‧量測件

100a‧‧‧位移量測裝置

110‧‧‧光學模組

112‧‧‧透鏡

120‧‧‧分光模組

122‧‧‧透明板體

123a‧‧‧第一表面

123b‧‧‧第二表面

124‧‧‧偏振分光層

126‧‧‧反射層

130‧‧‧光源

140‧‧‧反射元件

150‧‧‧影像感測器

160‧‧‧處理單元

L1‧‧‧第一光束

L2‧‧‧第二光束

Claims (17)

1. 一種位移量測裝置，包含：一第一光學模組，用以折射或反射光線；一第一分光模組，包含：一第一透明板體，具有一第一表面及一第二表面，該第一表面用以設置於該第二表面及一量測件之第一量測面之間；一第一偏振分光層，形成於該第一表面上，用以允許具一第一偏振方向的光線通過且反射具一第二偏振方向的光線；以及一第一反射層，局部形成於該第二表面上，用以反射光線；一光源，用以產生具該第一偏振方向的一第一光束及具該第二偏振方向的一第二光束，其中當該第一光束依序通過該第一光學模組的第一側、該第一透明板體及該第一偏振分光層後，該第一光束被該量測件之第一量測面反射以進一步依序通過該第一偏振分光層、該第一透明板體及該第一光學模組的第二側，以及當該第二光束通過該第一光學模組的第一側後，該第二光束進入該第一透明板體內且依序被該第一偏振分光層、該第一反射層及該第一偏振分光層反射以進一步通過該第一光學模組的第二側；一影像感測器，用以感測通過該第一光學模組的第二側後的該第一光束及該第二光束產生的一第一干涉圖案；以及一處理單元，電連接於該影像感測器，用以根據該第一干涉圖案計算該量測件沿一第一預定方向的位移量。
2. 如請求項1所述的位移量測裝置，其中該第一光學模組包含一透鏡，該光學模組的第一側是該透鏡的第一側，該光學模組的第二側是該透鏡的第二 側。
3. 如請求項1所述的位移量測裝置，其中該第一光學模組包含一第一透鏡及一第二透鏡，該第一透鏡是位於該第一光學模組的第一側，該第二透鏡是位於該第一光學模組的第二側。
4. 如請求項1所述的位移量測裝置，其中該第一光學模組包含一第一稜鏡及一第二稜鏡，該第一稜鏡是位於該第一光學模組的第一側，該第二稜鏡是位於該第一光學模組的第二側。
5. 如請求項1所述的位移量測裝置，其中該第一光學模組包含一第一反射鏡及一第二反射鏡，該第一反射鏡是位於該第一光學模組的第一側，該第二反射鏡是位於該第一光學模組的第二側。
6. 如請求項1所述的位移量測裝置，另包含：一反射元件，用以反射通過該第一光學模組的第二側後的該第一光束及該第二光束至該影像感測器。
7. 如請求項1所述的位移量測裝置，其中該光源產生的該第一光束及該第二光束是相位及波長相同的光束。
8. 如請求項1所述的位移量測裝置，另包含：一第二光學模組，用以折射或反射光線；一第二分光模組，包含： 一第二透明板體，具有一第一表面及一第二表面，該第一表面用以設置於該第二表面及該量測件之第二量測面之間；一第二偏振分光層，形成於該第一表面上，用以允許具一第一偏振方向的光線通過且反射具一第二偏振方向的光線；以及一第二反射層，局部形成於該第二表面上，用以反射光線；以及一半穿透半反射鏡，用以對該第一光束及該第二光束進行分光以產生具該第一偏振方向的一第三光束及具該第二偏振方向的一第四光束，其中當該第三光束依序通過該第二光學模組的第一側、該第二透明板體及該第二偏振分光層後，該第三光束被該量測件之第二量測面反射以進一步依序通過該第二偏振分光層、該第二透明板體及該第二光學模組的第二側，以及當該第四光束通過該第二光學模組的第一側後，該第四光束進入該第二透明板體內且依序被該第二偏振分光層、該第二反射層及該第二偏振分光層反射以進一步通過該第二光學模組的第二側；其中該影像感測器進一步用以感測通過該第二光學模組的第二側後的該第三光束及該第四光束產生的一第二干涉圖案，該處理單元進一步用以根據該第二干涉圖案計算該量測件沿一第二預定方向的位移量，該第二預定方向相異於該第一預定方向。
9. 一種加工系統，包含：一基座；一加工刀具，設置於該基座上，用以加工一工件；一夾持平台，用以夾持該工件，且可相對該基座移動；以及一位移量測裝置，設置於該夾持平台上，該位移量測裝置包含： 一第一光學模組，用以折射或反射光線；一第一分光模組，包含：一第一透明板體，具有一第一表面及一第二表面，該第一表面用以設置於該第二表面及該基座的一第一量測面之間；一第一偏振分光層，形成於該第一表面上，用以允許具一第一偏振方向的光線通過且反射具一第二偏振方向的光線；以及一第一反射層，局部形成於該第二表面上，用以反射光線；一光源，用以產生具該第一偏振方向的一第一光束及具該第二偏振方向的一第二光束，其中當該第一光束依序通過該第一光學模組的第一側、該第一透明板體及該第一偏振分光層後，該第一光束被該基座之第一量測面反射以進一步依序通過該第一偏振分光層、該第一透明板體及該第一光學模組的第二側，以及當該第二光束通過該第一光學模組的第一側後，該第二光束進入該第一透明板體內且依序被該第一偏振分光層、該第一反射層及該第一偏振分光層反射以進一步通過該第一光學模組的第二側；一影像感測器，用以感測通過該第一光學模組的第二側後的該第一光束及該第二光束產生的一第一干涉圖案；以及一處理單元，電連接於該影像感測器，用以根據該第一干涉圖案計算該夾持平台相對該基座沿一第一預定方向的位移量。
10. 如請求項9所述的加工系統，其中該第一光學模組包含一透鏡，該第一光學模組的第一側是該透鏡的第一側，該第一光學模組的第二側是該透鏡的第二側。
11. 如請求項9所述的加工系統，其中該第一光學模組包含一第一透鏡及一第二透鏡，該第一透鏡是位於該第一光學模組的第一側，該第二透鏡是位於該第一光學模組的第二側。
12. 如請求項9所述的加工系統，其中該第一光學模組包含一第一稜鏡及一第二稜鏡，該第一稜鏡是位於該第一光學模組的第一側，該第二稜鏡是位於該第一光學模組的第二側。
13. 如請求項9所述的加工系統，其中該第一光學模組包含一第一反射鏡及一第二反射鏡，該第一反射鏡是位於該第一光學模組的第一側，該第二反射鏡是位於該第一光學模組的第二側。
14. 如請求項9所述的加工系統，其中該位移量測裝置另包含：一反射元件，用以反射通過該第一光學模組的第二側後的該第一光束及該第二光束至該影像感測器。
15. 如請求項9所述的加工系統，其中該光源產生的該第一光束及該第二光束是相位及波長相同的光束。
16. 如請求項9所述的加工系統，其中該夾持平台另用以根據該處理單元計算的該位移量相對該基座移動。
17. 如請求項9所述的加工系統，其中該位移量測裝置另包含：一第二光學模組，用以折射或反射光線； 一第二分光模組，包含：一第二透明板體，具有一第一表面及一第二表面，該第一表面用以設置於該第二表面及該基座的一第二量測面之間；一第二偏振分光層，形成於該第一表面上，用以允許具一第一偏振方向的光線通過且反射具一第二偏振方向的光線；以及一第二反射層，局部形成於該第二表面上，用以反射光線；以及一分光鏡，用以對該第一光束及該第二光束進行分光以產生具該第一偏振方向的一第三光束及具該第二偏振方向的一第四光束，其中當該第三光束依序通過該第二光學模組的第一側、該第二透明板體及該第二偏振分光層後，該第三光束被該量測件之第二量測面反射以進一步依序通過該第二偏振分光層、該第二透明板體及該第二光學模組的第二側，以及當該第四光束通過該第二光學模組的第一側後，該第四光束進入該第二透明板體內且依序被該第二偏振分光層、該第二反射層及該第二偏振分光層反射以進一步通過該第二光學模組的第二側；其中該影像感測器進一步用以感測通過該第二光學模組的第二側後的該第三光束及該第四光束產生的一第二干涉圖案，該處理單元進一步用以根據該第二干涉圖案計算該夾持平台相對該基座沿一第二預定方向的位移量，該第二預定方向相異於該第一預定方向。