雷射聚焦探頭的原理與應用

指導老師：朱志良 教授班級：車輛三甲學號： 49715004

姓名：吳柳炎

目錄 摘要－－－－－－－－－－－－－－－－４ 前言－－－－－－－－－－－－－－－－５ 結構與原理－－－－－－－－－－－－－６

1. 雷射二極體－－－－－－－－－－－７2. 光檢測 IC－－－－－－－－－－－－９

3. 繞射光柵－－－－－－－－－－－１０4. １／４波片－－－－－－－－－－１１5. 偏極分光鏡－－－－－－－－－－１３6. 聚焦透鏡－－－－－－－－－－－１４

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目錄7. 準直透鏡－－－－－－－－－－１５8. 圓柱透鏡－－－－－－－－－－１６

量測原理－－－－－－－－－－－－１７ 應用－－－－－－－－－－－－－－１９

1. 量測階梯狀之鏡面表面－－－－２０2. 分析量測件之表面平坦度－－－２１3. 量測３Ｄ工件－－－－－－－－２２

結論－－－－－－－－－－－－－－２３ 參考文獻－－－－－－－－－－－－２４

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摘要 近年來，工業加工精度不斷提高，量測技術也需要有新的突破，許多新式量測儀器接連推出，如：光電位置感測器、四象限感測器、雷射掃瞄儀、雷射準直儀、自動視準儀、雷射光學尺、雷射聚焦探頭等。本文針對雷射聚焦探頭作探討，並簡單介紹雷射聚焦探頭之結構、原理與應用，並規納出自己的結論，以供各位同學參考。

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前言 由於科技進步的速度飛快，量測技術也漸漸成長，現在已經有許多設備採用AOI(Automatic Optical Inspection)即自動光學檢測，這種方式可以減少人工檢測的失誤，增加數據的可靠性，也可以加速產品生產的速度，可惜的是，這些設備的價格相對較高，令許多低階廠商望之卻步，如何開發價格低廉的且易於運用的檢測設備，將是未來的一大課題。

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結構與原理： 目前市面上的雷射聚焦探頭，其內含之裝置包括：雷射二極體 (Laser Diode ， LD)、光檢測 IC(Photodector)、繞射光柵 (Grating)、偏極分光鏡(Polarization Beam Splitter ， PBS) 、 1/4波片 (1/4λPlane)、聚焦透鏡 (Focus Lens)、圓柱透鏡(Cylindrical Lens)、準直透鏡(Collimator Lens)、音圈馬達 (Music Coil Motor)等零件，其各部件的功用為：

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1. 雷射二極體： 雷射二極體由 PN半導體所構成，注入電流後，藉由電洞 (帶正電荷 )與電子 (帶負電荷 )的結合而產生光能。雷射二極體是透過激發的方式產生光線，故光線較以自然放射來產生光線的 LED集中。且只要將在共振器內來回放大的光線取出，即可得到大能量的光線輸出。

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1. 雷射二極體特長 功能 用途實例

① 照明用燈 (Pin Spot Light)可精確投射 照明

雷射顯微鏡、雷射手術、 Pointing Marker等

②可利用其微米級的光點聚焦，高速讀取細微的訊號

讀取 光碟 (CD、 DVD)的讀取與寫入等

③ 衰減量少，光線可傳達到遠方 測量 道路距離的測量、建築物

高度的測量等

④ 高速調變可傳送大量資料 通訊 PC、手機等的光學無線通

訊

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Interference fringe容易作成，即使是很小的變化也可以偵測到

感測 可應用於火警警報器、雷射滑鼠等的感測功能

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2. 光檢測 IC

光檢測 IC主要的目的是將所量測之雷射光的位置轉換成電壓訊號。在此，我們使用的光檢測 IC為四象限光電感測器(Quadrant Photo Position Detecter, QPD)。當雷射光的位置產生偏移的時候，光電感測器便會出現電壓變化，可藉此判斷雷射光的偏移情況。

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3. 繞射光柵 繞射光柵表面有許多平行線組成的規則性

圖形圖案，通常被平行線分散開來的距離和光的波長尺度大約相同。當光束通過此表面產生光線偏折，即是繞射的結果，這與光的波動性質有關。繞射光的角度與光的波長有關。在實際的情況下，多數的光柵表面可以看到紋路或線條。入射光通過光柵可以穿透或是反射。

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4. 1/4 波片 四分之一波片，即刻波片 (Quarter

Waveplate)，可以實現特定波長的線偏振光與橢圓偏振光的相互轉換。如果角度滿足 45度，橢圓變成正圓，而當線偏振方向與波片光軸方向角分別為正、負時，圓偏振光的手性可以被操縱為左、右。

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4. 1/4 波片

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5. 偏極分光鏡 偏極分光鏡 (Polarization Beam Splitter:

PBS)，是由兩個 45度角的等腰直角形棱鏡底邊粘合而成的棱鏡，當非線性偏極化光入射 PBS時， PBS 會反射入射光的s 偏光（垂直入射線平面），並且讓 p偏光（平行入射線平面）通過。

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6. 聚焦透鏡 又稱為梯度折射率透鏡，是指其內部的折射率分布沿徑向逐漸減小的柱狀透鏡。由於梯度折射率透鏡具有端面聚焦和成像特性，加上它圓柱狀小巧的外形特點，可以在多種不同的微型光學係統中使用更加方便。主要應用於要求聚焦和準直功能的各種場合。

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7. 準直透鏡 準直透鏡可以使發散光束變成平行光束。

該透鏡可對紫外線、可見光、近紅外線等譜段進行優化。

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8. 圓柱透鏡 可改變雷射光射出型態。

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量測原理 其雷射路徑為：由雷射二極體產生雷射，經過光柵之後產生繞射，分成三道光束，經過偏極分光稜鏡與四分之一波片後原來的線偏極光變為圓偏極光，同時也經過準直透鏡將雷射光束變成一準直光束，最後落到光檢測 IC上，形成一點，我們便可經由此點來判斷光的位置。

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量測原理

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應用 對於沒有達到鏡面表面的加工件，我們可以使用接觸式的量測工具，但鏡面便不同了，因接觸式量測儀量測時，會接觸到量測物表面，此舉可能會對量測物表面造成損傷，這時就需要非接觸式的量測工具：雷射聚焦探頭上場了。

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1. 量測階梯狀之鏡面表面

5.4mm 5.4mm5.0mm 5.0mm5.5mm 4.5mm

為了量測具有階梯狀的物體表面，我們必須先對其表面加工，使物體表面得以反射雷射光。此外，在量測前，需要先量測物體的表面粗糙度是否在容許範圍，若超過鏡面的容許範圍，誤差量較大。階梯狀之物件圖示如下：

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2. 分析量測件之表面平坦度 如上一個例子所述，此量測物之表面也必

須是鏡面，在量測前也需要先測定表面粗糙度，除此之外，掃瞄之前，需要先輸入X － Y方向之掃瞄範圍，並測定取樣點數，方可進行量測。

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3. 量測 3D 工件 3D 物件在輪廓上，比平面多了許多變化，大致上有凹凸、直線、圓弧三種，增加了量測的困難度，因此，雷射聚焦探頭僅能對平面階級狀的 3D 物件量測。除此之外，在量測設定上，若將點與點之間的間距縮小，可有效減少量測輪廓上的誤差。

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結論 用雷射聚焦探頭來量不平度，雖然尚有餘

裕，但是在量測 3D 物件時，便可以看出其無力之處，量測 3D 物件時，還是使用三次元量測儀或其他 3D測量儀器來量測比較實在。另外，國內對雷射聚焦探頭之研究似乎不是很熱衷，在做此研究的大多是南台科技大學的老師，其他人所寫的研究資料相當少，不曉得是還在發展中或是沒有市場，反倒是大陸有蠻多台灣找不到的資料，大陸真的是個可怕的對手。

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參考文獻 國立中山大學機械與機電工程系碩士論文 應用 DVD 讀取頭於即時影像聚焦技術 http://etd.lib.nsysu.edu.tw/ETD-db/ETD-search/getfile?URN=etd-

0716107-163152&filename=etd-0716107-163152.pdf 

國立中正大學機械工程研究所 DVD光學頭於幾何量測之應用研究 http://www2.kuas.edu.tw/prof/hsuqc/3/93measure-paper/E10010

82.pdf 羅姆半導體集團

http://www.rohm.com.tw/ 高瞻計劃資源平台

http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=1211 國家衛生研究院電子報

http://enews.nhri.org.tw/enews_list_new2.php?volume_indx=96&showx=showarticle&article_indx=2533&enews_dt=2005-04-28

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參考文獻 全波片、半波片與 1/4波片功能圖解

http://bbs.instrument.com.cn/shtml/20110517/3309940/  互動百科 偏極化分光鏡

http://www.hudong.com/wiki/%E5%81%8F%E6%9E%81%E5%8C%96%E5%88%86%E5%85%89%E9%95%9C

飛秒光電科技（西安）有限公司 http://femtotech.big5.made-in-china.com/product/

jMxnYDEPIghL/%E8%87%AA%E8%81%9A%E7%84%A6%E9%80%8F%E9%95%9C.html

岳華展光電 http://rocoes.com.tw/2008c/lens/rod2.htm

COL 準直透鏡 http://www.avantes.com.cn/Fibers/COL.html

國立台灣科技大學機械工程系碩士論文 精密反射式三角雷射探頭之設計與製作研究 http://140.118.33.1/ETD-db/ETD-search/getfile?URN=etd-

0712105-165010&filename=etd-0712105-165010.pdf

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