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雷射及其量測 班級：四自控四甲 姓名:梁家豪 學號:49512059 指導教授:蕭瑞陽 教授 前言 光學儀器應用在精密量測上是相當多，光源 可包含一般光源和單色光源兩種。前者包括自動 視準儀、光學投影機、工具顯微鏡、光學尺、測 長儀、光學塊規比測儀、電子高度規和光學分度 頭等均用光學原理作為量測的基礎。後者包括光 學平板和氦氣燈、雷射塊規比測儀、雷射準直儀、 雷射掃描儀和雷射干涉儀等均利用單色光源的特 性，以提昇精密度。 何謂雷射 “雷射”一詞是“LASER”的意譯。LASER原 是Light amplification by stimulated emission of radiation各取字母之字首縮寫而 成的雷射。其中文意為經由輻射的誘發放射 而達到光放大。 1960年美國休斯公司實驗室，梅曼 （ Maiman ）工程師製造出全世界第一具 紅寶石脈衝雷射。 雷射的特性 高強度(Intensity) 高方向性(Directionality) 空間同調性(Spatial coherence) 窄帶寬(Narrow bandwidth) 單色性(Monochromaticity) 雷射在檢驗上的優點 由於雷射光具有高度方向性和高強度性，應用在 工業檢測及控制系統上有很多優點，諸如： 1.待測工件與量測儀器之間為非接觸性量測，所以 不易傷及待測工件之表面。 2.待測工件與量測儀器間之距離可不必很接近。 3.較不易受工作環境影響，如熱的影響、電磁干擾。 4.信號的反應時間僅受限於光電感測元件與電子元 件，所以反應時間很短，量測非常快速，且準確 性高。 5.利用現有的電子元件，如光電二極體等，光的信 號很容易轉換成電的信號，且容易在後級中作處 理與放大，並可藉由數位技術作數值分析統計等 工作。 6.可量測動態物體，如自動化機械的感測系統之車 削振動等。 雷射準直儀(Laser alignment) 利用高方向性和高亮度性，使雷射光束能傳送到 足夠遠的目標而幾乎不擴散的平行光，目前，雷 射準直儀可應用在建築工程作為準直之用，如屋 頂、牆壁、大樑，及在土木工程中作為鋪路、開 鑿溝槽、橋樑、開鑿隧道、鋪設管路等準直用； 在光學工程中可作為光學元件光軸的準直、光學 平面的調整；在機械工程中作為檢驗工具機或平 板之真平度、垂直度、角度、對準等用途圖9-4-1 為雷射準直儀示意圖，對於精密定位準直，則需 要用到四象限光電二極體(Quadrant Detector)， 通常將這光電二極體裝在待測目標物上進行準直。 雷射準直儀之應用： (a)為車床複式刀座之校準，其內容可包含平行度、真直度 等。 (d)為機器基座水平之檢驗。 雷射干涉儀(Laser interferometer) 雷射干涉儀起源與發展: 1.當兩束或多束光波在空間疊加時，疊加區域 內出現穩定的強度重新分布現象。 2.頻率相同、方向相同的振動分量、相位差恆 定、光強度不相差過大的光波稱為相干光波。 3.干涉儀就是利用相干光源，產生相干光波， 藉由觀察光強度重新分布的現象，推算出物體 移動的距離。 目前常用於量測長度的干涉儀，主要以麥克森干 涉儀為主；以穩態氦氖雷射為光源，構成一具有 干涉作用之量測系統。 現今所使用的雷射干涉儀可以分為兩大類，一是 雙頻雷射干涉儀（Heterodyne Interferometer）， 另一是單頻雷射干涉儀（Homodyne Interferometer），雖然同調長度或信號處理方式 不同，而其基本原理與功能大致相同。雷射干涉 儀可配合各種折射鏡、反射鏡來作線性位置、速 度、角度、真平度、真直度、平行度和垂直度等 量測工作，並可作為精密工具機或量測儀器的校 正工作。 雷射干涉儀之應用： 雷射掃描儀(Laser Scanner) 雷射掃描儀是藉著掃描技術來量測工件之尺 寸及形狀等工作，如圖9-4-13所示。雷射掃 描儀必須採用一個穩定度及精度良好之旋轉 馬達，當光束打(射)到由馬達所帶動之多面 稜規反射而形成掃描光束。由於由於多面稜 規位於掃描透鏡的前焦面上，並均勻旋轉使 雷射光束對反射鏡而言，其入射角相對地連 續性改變，因而反射角也作連續性改變，經 由掃描透鏡的作用，形成一平行且連續由上 而下的掃描線。 由於馬達轉速穩定，則對應的掃描速度V為一常 數，則若一物體在掃描線上擋住光束，可經由下 列公式求得物體之尺寸： L = V․ΔT L:待測工作尺寸(長度) V:掃描之線速度 ΔT:光數被擋住時間 雷射掃描儀是一種十分準確、快速且可裝置於生 產線上，形成邊生產邊檢驗的儀器；用途很多， 如直徑、位置、邊緣和偏位等量測，圖為各種量 測實例，(a)為管子外徑之線上量測；(b)為兩滾柱 間之間隙量測；(c)為瓶內容量高度之量測；(d)為 板金邊緣之控制； (e)為管子之X、Y軸同時量測(f)為線之生產線上量 測(由掃描儀作左右移動)；(g)為外徑之自動檢驗； (h)為同時量測兩工件之直徑。 雷射探頭(Laser probe) 當某一平行單色光束照射工作表面上，某一部份 光束沿反射角反射，因工件表面粗糙度對光束影 響很大，可區分鏡射式反射和散射式反射。 鏡射式反射：主要應用於鏡面的表面上，其入射 光的方向等於反射光的方向，俗稱正規式反射。 散射式反射：發生在較粗糙的工作表面上，其入 射光射到工件表面斜率為ψ角時，其反射光會以 反射角的方向2ψ為中心軸向外擴散成一錐角光束， 如圖所示。 雷射探頭就是利用散射式原 理而設計，並採用雷射三角 法(Triangulation)原理如圖 所示，當二極體雷射射到待 測工件表面，由於表面粗糙 度對光產生散射式反射，經 聚焦透鏡後投影到光檢測器 上。若待測工件上下移動時， 則光點沿著雷射光束的路徑 方向移動。因此，也造成檢 測器上的光點在檢測器表面 上下移動，產生一個差動的 信號，經信號處理電路即可 計算出位移大小。 目前市面上常見的雷射探頭有雷射位移量錶，或 稱雷射三角感測器，配合X-Y移動台可裝置在三 次元量床作量測，以替代接觸式探頭，以減少量 測探頭受力而變形、探頭半徑補償等問題。但待 測工件本身的透明程度、表面粗糙度、曲率半徑 變化等問題均會影響量測精度。 雷射都卜勒位移器(Laser Doppler Displacement Meter,LDDM) 都卜勒效應：是波源和觀察者有相對運動時, 觀察者接受到波的頻率與波源發出的頻率並 不相同的現象。 它是由雷射頭、光電系統、反射器、接收器、 處理器與顯示器等部分組成，其量測原理是 利用飛行時間及外差干涉作用，在光束射到 行進間的反射鏡時會產生都卜勒效應，導致 反射光束頻率的改變。 在電路處理系統中使用解調器及鎖相器，可計算 出反射鏡的位移量達四分之一波長的解析度 (0.16μm)，若加上電子細分割技術時，可解析至 毫微米(奈米，nm)級程度。 LDDM與雷射干 涉儀精度相同， 為工業界常採用 的高精度之量測 儀器。圖為都卜 勒位移器應用於 三次元量床之精 度校正 參考資料 1.范光照、張郭益編著，精密量測，高立圖書 有限公司，民96.08 2.林宸生編著，光電精密量測，全欣資訊圖書 股份有限公司，民82 3.陳席卿編著，雷射原理與光電檢測，全華科 技圖書股份有限公司，民86.10 4.http://www.me.ntu.edu.tw/~measlab/course/ %E5%85%89%E5%AD%B8%E9%87%8F%E 6%B8%ACPart%201(2009)%20[%E7%9B%B8%E5%AE %B9%E6%A8%A1%E5%BC%8F].pdf The End 謝謝各位的聆聽