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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. 雷射聚焦探頭的原理與應用. 目錄. 摘要－－－－－－－－－－－－－－－－４ 前言－－－－－－－－－－－－－－－－５ 結構與原理－－－－－－－－－－－－－６ 雷射二極體 －－－－－－－－－－－７ 光檢測 IC －－－－－－－－－－－－９ 繞射光柵 －－－－－－－－－－－１０ １／４ 波片 －－－－－－－－－－１１ 偏極分光鏡 －－－－－－－－－－１３ 聚焦透鏡 －－－－－－－－－－－１４. 目錄. 準直透鏡 －－－－－－－－－－１５ 圓柱透鏡 －－－－－－－－－－１６

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雷射聚焦探頭的原理與應用

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Presentation Transcript

  1. 指導老師：朱志良 教授 班級：車輛三甲 學號：49715004 姓名：吳柳炎 雷射聚焦探頭的原理與應用

  2. 目錄 • 摘要－－－－－－－－－－－－－－－－４ • 前言－－－－－－－－－－－－－－－－５ • 結構與原理－－－－－－－－－－－－－６ • 雷射二極體－－－－－－－－－－－７ • 光檢測IC－－－－－－－－－－－－９ • 繞射光柵－－－－－－－－－－－１０ • １／４波片－－－－－－－－－－１１ • 偏極分光鏡－－－－－－－－－－１３ • 聚焦透鏡－－－－－－－－－－－１４

  3. 目錄 • 準直透鏡－－－－－－－－－－１５ • 圓柱透鏡－－－－－－－－－－１６ • 量測原理－－－－－－－－－－－－１７ • 應用－－－－－－－－－－－－－－１９ • 量測階梯狀之鏡面表面－－－－２０ • 分析量測件之表面平坦度－－－２１ • 量測３Ｄ工件－－－－－－－－２２ • 結論－－－－－－－－－－－－－－２３ • 參考文獻－－－－－－－－－－－－２４

  4. 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。

  5. 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。

  6. 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：

  7. 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。

  8. 雷射二極體

  9. 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。

  10. 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。

  11. 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。

  12. 1/4波片

  13. 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。

  14. 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。

  15. 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。

  16. 圓柱透鏡 • 可改變雷射光射出型態。

  17. 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。

  18. 量測原理

  19. 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。

  20. 量測階梯狀之鏡面表面 • 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： 5.4mm 5.4mm 5.0mm 5.5mm 5.0mm 4.5mm

  21. 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。

  22. 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。

  23. 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。

  24. 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/E1001082.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

  25. 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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