淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
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系統識別號 U0002-0508201114123100
中文論文名稱 共路徑雷射光學尺及其在奈米長行程量測之研究
英文論文名稱 Common-path Laser Encoder and Its Application in Nanometrology with Long Travel Range
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 99
學期 2
出版年 100
研究生中文姓名 程俊堯
研究生英文姓名 Chun-Yao Cheng
學號 698371654
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2011-07-19
論文頁數 84頁
口試委員 指導教授-吳乾埼
委員-李朱育
委員-楊龍杰
中文關鍵字 光學尺  共路徑  相位  奈米量測  長行程 
英文關鍵字 laser encoder  common-path  phase  nanometrology  long travel range 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 繞射式雷射光學尺可提供奈米等級的位移解析度,於奈米量測應用極具潛力。一般的雷射光學尺光路架構多是非共路徑式,量測光束與參考光束行進的路徑不同,環境擾動對量測訊號的影響難以消除,讓雷射光學尺的準確性大幅下降。本文提出一種共路徑架構的雷射光學尺,它可以有效的排除環境擾動的干擾,在奈米應用上極具潛力。以都卜勒移頻效應與光柵干涉術的理論基礎,設計出位移量測裝置,是利用光柵產生位移將會引入相位變化至繞射光,使0階與+1階數繞射光重疊產生干涉,透過程式開發Labview軟體的應用程式,作訊號處理將相位差轉換為位移量累加。本文中也針對量測誤差進行討論,其中包含系統誤差及隨機誤差兩大類,提供未來對於此項研究可以進一步改善。實驗結果顯示,本文所提出之共路徑繞射式雷射光學尺具有奈米等級解析度,在微米與微米等級長行程的量測結果亦與商用干涉儀系統之結果吻合。90 nm以下位移量測與長行程奈米解析度經由實驗驗證,證明本系統具有奈米等級的量測能力。
英文摘要 Laser encoders can provide nano-scale displacement resolution, and have great potential for nanometrology applications. The conventional laser encoders are non-common-path type with different paths between the measurement and reference beams. Environmental disturbances can directly enter the measured signals and cannot be essentially slashed, thus the accuracy of the conventional laser encoders becomes dramatically worse. In this study, a novel common-path laser encoder is proposed, that can dramatically reduce the environmental disturbance. It has prom-ising potential for nanotechnology applications. The experimental results demon-strate the proposed encoder has the capability of nanometer resolution. The mea-surement results for long distances of micron to millimeter range also match well with ones of HP5529A. The measurement performance of sub-90 nm has also been im-plemented. The results show the proposed laser encoder is with capability of nano-meter resolution and large range.
論文目次 目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
表目錄 V
圖目錄 VII
符號表 XI
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究背景與動機 13
1.4 研究目的 14
第二章 原理與方法 15
2.1 前言 15
2.2 系統架構 15
2.3 干涉光路 17
2.4 都卜勒效應(Doppler effect) 19
2.5 正交訊號 21
2.6 相位重建 23
第三章 實驗架構 28
3.1 實驗架構 28
3.2 量測訊號的處理與Labview程式 32
第四章 實驗結果 34
4.1 長行程量測 34
4.1.1 30 um量測 34
4.1.2 60 um量測 37
4.1.3 90 um量測 40
4.1.4 180 um量測 43
4.1.5 360 um 量測 46
4.1.6 900 um 量測 49
4.1.7 1.8 mm 量測 52
4.1.8 3.6 mm量測 55
4.1.9 5.4 mm量測 58
4.1.10 7.2 mm量測 61
4.1.11 9 mm量測 64
4.1.12 10.8 mm量測 67
4.2 短行程運動量測 70
4.2.1 90 nm 量測 70
4.3 V型運動量測 73
4.3.1 V型運動:1 m 74
4.3.2 V型運動:60 m 74
第五章 系統穩定度量測 76
5.1 系統穩定度測試 76
5.2 系統誤差分析 77
5.2.1 系統誤差 77
5.2.2 隨機誤差 78
第六章 結論與未來展望 80
6.1 結論 80
6.2 未來展望 80
參考文獻 82

表目錄
表 1 角度轉換關係表 25
表 2 實驗元件與儀器 29
表 3 實驗環境與參數設定 34
表 4 量測結果數據 35
表 5 實驗環境與參數設定 37
表 6 量測結果數據 38
表 7 實驗環境與參數設定 40
表 8 量測結果數據 41
表 9 實驗環境與參數設定 43
表 10 量測結果數據 44
表 11 實驗環境與參數設定 46
表 12 量測結果數據 47
表 13 實驗環境與參數設定 49
表 14 量測結果數據 50
表 15 實驗環境與參數設定 52
表 16 量測結果數據 53
表 17 實驗環境與參數設定 55
表 18 量測結果數據 56
表 19 實驗環境與參數設定 58
表 20 量測結果數據 59
表 21 實驗環境與參數設定 61
表 22 量測結果數據 62
表 23 實驗環境與參數設定 64
表 24 量測結果數據 65
表 25 實驗環境與參數設定 67
表 26 量測結果數據 68
表 27 實驗環境與參數設定 71
表 28 量測結果數據 71


圖目錄
圖 1 麥克森干涉光路 3
圖 2 基礎光柵干涉儀示意圖 4
圖 3 繞射式雷射光學尺光學架構示意圖 5
圖 4 共光程外差干涉儀 6
圖 5 外差光柵干涉儀架構圖 7
圖 6 微小化繞射式雷射光學尺架構示意圖 8
圖 7 繞射式雷射光學尺結合LITTROW裝置示意圖 9
圖 8 外差光柵干涉儀一維位移量測結構圖 10
圖 9 準共光程外差光柵干涉儀架構圖 11
圖 10 LITTROW角量測光柵與麥克森干涉儀光路示意圖 12
圖 11 共路徑雷射干涉儀簡圖 12
圖 12 準共光程位移量測系統 13
圖 13 共路徑光學尺架構圖。LASER SOURCE:雷射光源,L:透鏡,NPB:分光鏡,VG:光柵移動速度,D1、D2:光偵測器 16
圖 14 光路繞射圖形 17
圖 15 透鏡聚光與相關參數示意圖 18
圖 16 都卜勒頻率偏移 21
圖 17 呂薩加圓 23
圖 18 原始TAN-1 函數 24
圖 19 經過相位重建的TAN-1 函數 26
圖 20 未經相位重建的位移質 26
圖 21 相位重建後的位移值 27
圖 22 實驗光路架設 30
圖 23 實驗光柵 30
圖 24 PDA-36A光偵測器 31
圖 25 HP5529A雷射干涉儀 31
圖 26 NI PCI-6143 32
圖 27 實驗流程圖 33
圖 28 程式處理流程圖 33
圖 29 COMMON-PATH光路與HP5529A位移比較 35
圖 30 COMMON-PATH量測跟HP5529A比較誤差結果 36
圖 31 COMMON-PATH每次量測結果時間比較 36
圖 32 COMMON-PATH光路與HP5529A位移比較 38
圖 33 COMMON-PATH量測跟HP5529A比較誤差結果 39
圖 34 COMMON-PATH每次量測結果時間比較 39
圖 35 COMMON-PATH光路與HP5529A位移比較 41
圖 36 COMMON-PATH量測跟HP5529A比較誤差結果 42
圖 37 COMMON-PATH每次量測結果時間比較 42
圖 38 COMMON-PATH光路與HP5529A位移比較 44
圖 39 COMMON-PATH量測跟HP5529A比較誤差結果 45
圖 40 COMMON-PATH每次量測結果時間比較 45
圖 41 COMMON-PATH光路與HP5529A位移比較 47
圖 42 COMMON-PATH量測跟HP5529A比較誤差結果 48
圖 43 COMMON-PATH每次量測結果時間比較 48
圖 44 COMMON-PATH光路與HP5529A位移比較 50
圖 45 COMMON-PATH量測跟HP5529A比較誤差結果 51
圖 46 COMMON-PATH每次量測結果時間比較 51
圖 47 COMMON-PATH光路與HP5529A位移比較 53
圖 48 COMMON-PATH量測跟HP5529A比較誤差結果 54
圖 49 COMMON-PATH每次量測結果時間比較 54
圖 50 COMMON-PATH光路與HP5529A位移比較 56
圖 51 COMMON-PATH量測跟HP5529A比較誤差結果 57
圖 52 COMMON-PATH每次量測結果時間比較 57
圖 53 COMMON-PATH光路與HP5529A位移比較 59
圖 54 COMMON-PATH量測跟HP5529A比較誤差結果 60
圖 55 COMMON-PATH每次量測結果時間 60
圖 56 COMMON-PATH光路與HP5529A位移比較 62
圖 57 COMMON-PATH量測跟HP5529A比較誤差結果 63
圖 58 COMMON-PATH每次量測結果時間 63
圖 59 COMMON-PATH光路與HP5529A位移比較 65
圖 60 COMMON-PATH量測跟HP5529A比較誤差結果 66
圖 61 COMMON-PATH每次量測結果時間比較 66
圖 62 COMMON-PATH光路與HP5529A位移比較 68
圖 63 COMMON-PATH量測跟HP5529A比較誤差結果 69
圖 64 COMMON-PATH每次量測結果時間比較 69
圖 65 COMMON-PATH光路與HP5529A位移比 72
圖 66 COMMON-PATH量測跟HP5529A比較誤差結果 72
圖 67 COMMON-PATH每次量測結果時間比較 73
圖 68 1 M V 型運動量測 74
圖 69 60 M V型運動 75
圖 70 1小時穩定度測試 76
圖 71 光柵貼附於移動平台的不平行示意圖 78
圖 72 實驗室溫度變化 79
圖 73 共路徑繞射式雷射光學尺在壓電平台上之定位 81

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