9光学仪器在精密量测上之应用

精密量測第九章光學儀器在精密量測上之應用,主講人覺文郁教授,簡介,光學儀器應用於精密量測上相當多，光源包含一般光源和單色光源兩種。一般光源：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。單色光源：光學平板、氦氖燈、雷射塊規比測儀、雷測準直儀、雷射掃瞄儀和干涉儀均利用單色光源的特性，以提昇精密度。,光學投影機(Profileprojector),光學投影儀是應用放大作用，可做長度、角度、形狀、表面等檢驗工作。屬非接觸式、二次元量測，由器適合彈性、脆性材料之量測。除可利用照相、二次元座標處理機、數字顯示器、光眼讀取數據或自動尋邊器、印表機等週邊設備，並可用RS-232與電腦連線以達到迅速、確實及統計分析等優點。為對透明或半透明物體量測效果稍差。,光學投影機(Profileprojector),光學投影機又稱為輪廓投影儀或投影機。係利用光學原理將工件之輪廓經各種透鏡及反射鏡投影，並放大成各種倍數後，先投影至半透明的投影幕上，再配合各種標準圖片，作非接觸式的量測。,光學投影機(Profileprojector),光學投影機型式,光學投影機(Profileprojector),光學投影機的構造，可由三個不同量測系統而有不同的構造。以垂直型投影機為例，投影透鏡可由5X至100X的放大。量測工件則可用輪廓照明或表面反射照明。附件包括迴轉式裝物檯、分厘頭、顯示器、V型塊、中心頂架、各種倍率之透鏡、投影幕、標準圖片、玻璃尺和照相設備等。,光學系統,工具顯微鏡(Toolmakersmicroscopes),工具顯微鏡又稱製造用顯微鏡。利用光學原理將工件成像經物鏡投射至目鏡，藉由光線放大成虛像，以作為尺寸、角度、和形狀之量測。可檢驗分金屬光澤之工件表面。此種儀器在立柱上裝有一顯微鏡，放大倍率從10倍至100倍間等數種倍率。,工具顯微鏡(Toolmakersmicroscopes),工具顯微鏡之量測系統如右圖所示。光源通電後，光線依次經過兩個透鏡濾熱鏡、鏡徑薄膜、透鏡、反射鏡、裝物台、物鏡、反射鏡、目鏡等。工件與物鏡間的距離，隨著放大倍率和工件厚薄，可利用對焦旋鈕調至理想位置。,光學平板(Opticalflats),光學平板又稱光學平鏡，它是應用光學干涉原理，以檢驗工件之真平度、平行度和尺寸大小。光學平板應用及精確的單色光及迅速且易操作等特性，以從事精密量測工作。將光投射在平板及待測工件表面等不同位置上，若待測表面不平時，不同途徑的反射光波將產生干涉，藉著對干涉條紋之判讀達到量測之目的。,干涉原理,光源必定是直線前進且波長不變，這是光的基本特性。如右上圖所示，兩光波出發時相位相同，其光波會重疊，振幅加大且亮度加強。右下圖所示，兩光波出發時相位相差2或180，則兩光波相交後振幅會相抵。假使兩光波振幅相同，即產生完全干涉現象，形成暗帶。,干涉原理,光學平板置於待測物體上方，光線照射至光學平板上，以不同間隙到達工作表面。因受光密到光疏介質反射現象會產生180之相位差。光線在光學平板上的反射，與透過光學平板的光線在工件表面反射之間隙為1/4波長倍數時，則兩反射光線會成為亮帶，如果間隙為1/2波長倍數時，兩反射光線會成為暗帶。,單色光源,市售單色光源多為氦氣燈，依量測大小可分L、C、U等三型L型為實驗室專用C型為一般用U行為反觀工件表面,工件真平度之量測-1,工件真平度之量測-2,工件平行度之量測-1,標準塊規與待測塊規在長度方向平行,工件平行度之量測-2,工件高度之量測-1,雷射(Laser)及其量測,高強度高度方向性空間同調性窄帶寬單色性,雷射準直儀,利用高方向性和高亮度性。雷射傳送到足夠遠目標又幾乎不擴散的平行光。,雷射準直儀的應用,雷射準直儀的應用,雷射干涉儀,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。,雷射干涉測長技術,雷射光在經過一段距離之後仍會維持細小的光束，不像一般光源會散開，同時具有極高的亮度，以及穩定性與精確性良好的波長，再加上干涉現象容易觀測，這些特性使得雷射光成為工業上對準與量測的主要工具。優點：量程長、高解析度、高穩定性、反應快速、簡便,雷射干涉儀起源與發展,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。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。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。,麥克森干涉原理,雷射干涉儀,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（HeterodyneInterferometer），另一是單頻雷射干涉儀（HomodyneInterferometer）。目前商用雷射干涉儀大多數使用雙頻雷射光源，因為是利用量測干涉訊號之頻率，以求得物體之位移量，位移訊號是載於AC訊號之上，所以較不受低頻雜訊干擾，可量測距離較長，因此適合發展成通用型雷射干涉儀。,雙頻雷射干涉儀(Heterodyne),單頻雷射干涉儀(Homodyne),雷射干涉儀之運用-1,雷射干涉儀之運用-2,雷射干涉儀之運用-3,雷射干涉儀之運用-4,雷射干涉儀之運用-4,雷射掃描儀,藉由掃描技術來量測工件尺寸及形狀。L=VTL:待測工作尺寸(長度)V:掃描之線速度T:光數被擋住時間,雷射掃描儀之運用-1,雷射探頭,當某一平行單色光束照射工作表面上，某一部份光