雷射聚焦探頭的原理與應用

雷射聚焦探頭的原理與應用 指導教授：朱志良報告學生：吳建輝

摘要 • 隨著科技不斷的改變，在量測上的不斷突破，就有人想到要用雷射聚焦來運用在光學尺，以及CD/DVD燒錄器的讀取頭上，以下就讓我們一起來探討雷射聚焦探頭的原理及應用。

前言 • 雷射(Laser)，全文為「Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation」，意即「藉由刺激激發輻射而強化的光線」，經由這些文字的組合，我們可以瞭解到要構成雷射必需有一個激發的動力、一個受激發的物質和一個可以保持光被放大的機制。也就是說，任何介質若要產生雷射，必須具備三個要素：增益介質、激發裝置及供振腔。 • 雷射本身具有其單色性、低擴散性、干涉性和高亮度，這些特性是一般光源所無法比擬的。其中，本章所探討的雷射聚焦僅應用到雷射的其中一項特性，即低擴散性，由於有較低的擴散性，使得光線不易散開而能聚焦到一個點，運用此雷射光的特性便能有效的應用於許多的工作上，如光學量測、CD/DVD刻錄等等，下面將開始介紹雷射光的聚焦原理及應用範圍。

內容 • 雷射聚焦的原理，首先打一個雷射光源，經由光柵使雷射分成三條光線，透過分光鏡使光折射和反射，再由反射鏡反射其光源，經由準直透鏡使光線成為平行光，最後經聚焦透鏡聚集於一平板上。觀察其平板上的光點成像，便能得知是否有聚焦到焦點上。右圖為簡單的原理示意圖：(圖摘錄於吳政育，以網路攝影機即時觀測之三次元量測探頭的研製)

判斷聚焦成像的感測方法大致分為刀緣法、光點法及像散法，而本章所使用的聚焦原理為像散法，像散法即是利用成像時橫向與縱向的成像位置的不同，而造成的失真現象，利用此現象並配合四象限感測器，便能測量出光點聚焦的變化特性，當物體偏離聚焦透鏡位置時，光點會呈現橢圓形變化；而物體於透鏡的正交位置時，則光點成像為圓形狀態，經過四象限感測器訊號的轉換處理，即(A+C)-(B+D)，便能得知失焦訊號的S-Curve，下圖為像散法的原理及四象限感測器之聚焦狀況：判斷聚焦成像的感測方法大致分為刀緣法、光點法及像散法，而本章所使用的聚焦原理為像散法，像散法即是利用成像時橫向與縱向的成像位置的不同，而造成的失真現象，利用此現象並配合四象限感測器，便能測量出光點聚焦的變化特性，當物體偏離聚焦透鏡位置時，光點會呈現橢圓形變化；而物體於透鏡的正交位置時，則光點成像為圓形狀態，經過四象限感測器訊號的轉換處理，即(A+C)-(B+D)，便能得知失焦訊號的S-Curve，下圖為像散法的原理及四象限感測器之聚焦狀況：

像散法原理示意圖 (摘錄於范光照教授，DVD Pickup Head的原理與應用)

四象限感測器之聚焦狀況 (摘錄於http://www.ic72.com/technology/info_121025.html)

應用 • 雷射聚焦在一般日常生活中實為廣泛，如我們常用的CD/DVD燒錄器的讀取頭就是利用雷射聚焦的原理來達成儲存資料的一種方式，而在量測上則運用在光學尺上，其它也還有許多應用。在這裡我們將針對燒錄器的讀取頭做更詳細的說明，CD/DVD燒錄是藉由雷射光打到光碟上，使光碟中的染料層發生變化進而儲存資料，而CD與DVD的波長並不相同，CD的波長為784~796nm；DVD的波長則為650~660nm，因此所使用的雷射光也會有所不同，CD所使用的為不可見的雷射光；而DVD則是使用紅光的雷射。我們藉由改變不同的數值孔徑(Numerical Aperture，NA)，便能產生出不同波長的雷射光，如此便能應用於不同種類的光碟燒錄或讀取了。

下圖為不同的數值孔徑應用於光碟上的情形：(圖摘錄於范光照教授，DVD Pickup Head的原理與應用)

結論 • 由上面對雷射的敘述來看，雷射已經是非常普遍的一項技術了，經由改變不同的聚焦位置，便能使它的應用更為廣泛，以光碟片來講，從CD的650MB的儲存容量，到DVD的4.70GB，到至今BD的數十GB，可說是科技產業的一大進步，而這其中也必須歸功於雷射的聚焦技術，聚焦的焦點越小光碟片所能儲存的容量就越大，相信未來這項雷射聚焦技術還會持續被應用，並使科技產業或量測應用更上一層樓。

參考文獻 • 范光照教授，DVD Pickup Head的原理與應用 • 李易龍，DVD光學頭於幾何量測之應用研究 • 吳政育，以網路攝影機即時觀測之三次元量測探頭的研製 • http://www.ic72.com/technology/info_121025.html誤差自動校正實例 • http://iopscience.iop.org/0957-0233/14/1/307 Development of a high-precision straightness measuring system with DVD pick-up head 開發高精度直線度測量系統與 DVD攝像頭 • http://www.phys.ncku.edu.tw/optics/book_3/b3_c24.PDF雷射聚焦透鏡

The End 感謝各位的觀賞

雷射聚焦探頭 的原理與應用