雷射精密量測及應用
2015-11-05 發佈 | 作者: 國立中山大學助理教授 林元堯/六星機械工業公司董事長特助 黃呈豐

    2015年「光之年」(Year of Light)更是雷射發明50周年,全球雷射光源產業之整體産值繼2014年突破92億美金,今年預期會逼近百億美金。(http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-51/issue-01/features/laser-marketplace-2015-lasers-surround-us-in-the-year-of-light.html),仍維持約6%的成長率。精密雷射加工一直是雷射最重要的應用之一,同時雷射也是進行精密量測的重要工具(見圖一)。雷射感測器及量測應用的產值,自2011年起每年約有5仟萬美元的成長。拜石油及天然氣産業在即時監控的需求,在2015年預期有7.5%成長率達到6億6仟2佰萬美元産值,超過了學術研究上的産值。而近年來雷射雷達(LIDAR)在自動車導航、流式細胞技術(flow cytometry)與超快頻量測都是雷射量測及感測器方面重要的應用。

    雷射量測及感測器是以光學量測為基礎的産業。光學量測具有快速性及多樣尺度性。可以從小規模顯微影像到大規模的空照攝影、衛星影像到天文觀測。同時光學量測具有的非侵入性的特性更受到生物及醫學界的重視。光學量測技術的基礎,在於精確的量測光的特性參數:強度、相位、波長、頻率、偏振等狀態。

    在工程上,量測是建立所有標準的基礎,量測的精準程度,取決於度量標準刻度的尺度以及量測方法。以尺為度量工具,可以在亳米等級上透過量測方式的改良,如游標尺,可以達到數微米等級的精確度。試想,若以光為度量工具時,其刻度為次微米等級(可見光),達到數奈米等級的量測精確度是可以預期的。然而具有穩定且可重覆性的刻度是優良量測的工具的必要條件,自然光源(非同調光源)就像一把刻著所有不同尺度的刻度的尺,沒有可重覆性,只能透過如底片或是感光材料的空間分布來決定量測結果,因此沒有辦法成為有效而精準的度量工具。

    而雷射是一種人造的光源,在愛因斯坦提出受激輻射概念後40年問世。有別於自然光,雷射是一種具有高度時間、空間同調性的光源,穩定且具有可重覆性,以雷射作為量測工具,就如同有著一固定波長為刻度的尺。我們可以利用讀取光的各種特性參數,例如:強度、相位、波長、頻率、偏振等狀態,達到高精度的測量。

    基於雷射在精密量測上的優異性質,雷射量測技術可大略分成幾項:

1光穿透強度量測:透過可調雷射光源,可以直接量測材料特徵光譜,透過定性分析可得知其組成。或者透過更精密的定量分析也可以測得濃度。由於此種監控方式的可靠性高,所以歐盟也有相關的計畫以雷射進行非破壞性氣體檢測來監控食物封裝過程(http://cordis.europa.eu/project/rcn/110837_en.html),及利用此種方式來監控半導體製程中化學分子的監控,此種監控對於目前的半導體製程有很重要的幫助,最後利用光頻量測也可以用在速度測量,對於未來車輛安全的提升,也是有所幫助。

2相干量測:雷射光干涉技術是直接以光波長作為度量尺度的技術。透過雷射光干涉,可以有效將微小的距離變化轉化成為光強度信號,常用於微結構或是表面平整度的量測。同時雷射干涉技也應用在工具機靜態幾何誤差量測及校正。(見圖二)

3Time of Flight (TOF)量測:TOF技術係利用已知光速為前提,量取發送及接收雷射光脈衝間的時間來估計待測距離,常用於遙測相關的應用。其精細度取決於光脈衝的時間尺度、光源的準直性。搭配雷射掃描(2D/3D)技術可以用來進行地理環境探測(礦場),大規模、精確區域地形、建物、環境模型建構等應用。

    台灣學術界不乏精於雷射相關量測的學術研究團隊。惟産業界並沒有在相關技術上跟上德、日等國的腳步。再次強調,量測是建立所有標準的基礎。沒有精確的量測技術不足以發展更細緻的工業技術。現今除了雷射技術相當普及外微處理器進步實現了複雜的即時監控的可能性,同時也提升了感測器及量測系統的需求。台灣著重在組裝、整合應用能力與相關產業完整的背景下,雷射相關的精密量測系統應該是將來很有潛力的發展方向,同時若能鼓勵更多廠商與優秀的台灣研究團隊進行合作,最終可達到良性循環並創造屬於台灣自己的雷射產業。


圖一、雷射應用之市場分布


圖二、利用光學方式精密量測軸外徑。(雷星光束股份有限公司提供)