雷射聚焦探頭的原理與應用

指導教授：朱志良指導教授：朱志良報告學生：吳建輝報告學生：吳建輝

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

前言前言雷射雷射 (Laser)(Laser) ，全文為「，全文為「 Light Amplification by the StimLight Amplification by the Stimulated Emission of Radiationulated Emission of Radiation 」，意即「藉由刺激激發」，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：若要產生雷射，必須具備三個要素：增益介質增益介質、、激發裝置激發裝置及及供振腔供振腔。。雷射本身具有其雷射本身具有其單色性單色性、、低擴散性低擴散性、、干涉性干涉性和和高亮度高亮度，這，這些特性是一般光源所無法比擬的。其中，本章所探討的雷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，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，如光學量測光學量測、、 CD/DVDCD/DVD 刻錄刻錄等等，下面將開始介紹雷射光等等，下面將開始介紹雷射光的聚焦原理及應用範圍。的聚焦原理及應用範圍。

內容內容 雷射聚焦的原理，首先打一雷射聚焦的原理，首先打一個雷射光源，經由光柵使雷個雷射光源，經由光柵使雷射分成三條光線，透過分光射分成三條光線，透過分光鏡使光折射和反射，再由反鏡使光折射和反射，再由反射鏡反射其光源，經由準直射鏡反射其光源，經由準直透鏡使光線成為平行光，最透鏡使光線成為平行光，最後經聚焦透鏡聚集於一平板後經聚焦透鏡聚集於一平板上。觀察其平板上的光點成上。觀察其平板上的光點成像，便能得知是否有聚焦到像，便能得知是否有聚焦到焦點上。右圖為簡單的原理焦點上。右圖為簡單的原理示意圖：示意圖： (( 圖摘錄於吳政育，圖摘錄於吳政育，以網路攝影機即時觀測之三以網路攝影機即時觀測之三次元量測探頭的研製次元量測探頭的研製 ))

判斷聚焦成像的感測方法大致分為判斷聚焦成像的感測方法大致分為刀緣法刀緣法、、光點光點法法及及像散法像散法，而本章所使用的聚焦原理為像散法，，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，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，為圓形狀態，經過四象限感測器訊號的轉換處理，即即 (A+C)-(B+D)(A+C)-(B+D) ，便能得知失焦訊號的，便能得知失焦訊號的 S-CurveS-Curve ，，下圖為像散法的原理及四象限感測器之聚焦狀況：下圖為像散法的原理及四象限感測器之聚焦狀況：

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

四象限感測器之聚焦狀況四象限感測器之聚焦狀況(( 摘錄於摘錄於 http://www.ic72.com/technology/info_121025.htmhttp://www.ic72.com/technology/info_121025.htm

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應用應用 雷射聚焦在一般日常生活中實為廣泛，如我們常用的雷射聚焦在一般日常生活中實為廣泛，如我們常用的 CD/CD/DVDDVD 燒錄器燒錄器的讀取頭就是利用雷射聚焦的原理來達成儲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存資料的一種方式，而在量測上則運用在光學尺光學尺上，其它上，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，詳細的說明， CD/DVDCD/DVD 燒錄是藉由雷射光打到光碟上，使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，而光碟中的染料層發生變化進而儲存資料，而 CDCD 與與 DVDDVD 的的波長並不相同，波長並不相同， CDCD 的波長為的波長為 784~796nm784~796nm ；； DVDDVD 的波長的波長則為則為 650~660nm650~660nm ，因此所使用的雷射光也會有所不同，，因此所使用的雷射光也會有所不同，CDCD 所使用的為不可見的雷射光；而所使用的為不可見的雷射光；而 DVDDVD 則是使用紅光的則是使用紅光的雷射。我們藉由改變不同的數值孔徑雷射。我們藉由改變不同的數值孔徑 (Numerical Apertur(Numerical Aperturee ，， NA)NA) ，便能產生出不同波長的雷射光，如此便能應用，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。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：下圖為不同的數值孔徑應用於光碟上的情形： (( 圖摘錄於圖摘錄於范光照教授，范光照教授， DVD Pickup HeadDVD Pickup Head 的原理與應用的原理與應用 ) )

結論結論 由上面對雷射的敘述來看，雷射已經是非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，以光焦位置，便能使它的應用更為廣泛，以光碟片來講，從碟片來講，從 CDCD 的的 650MB650MB 的儲存容量，的儲存容量，到到 DVDDVD 的的 4.70GB4.70GB ，到至今，到至今 BDBD 的數十的數十 GBGB ，，可說是科技產業的一大進步，而這其中也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，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。並使科技產業或量測應用更上一層樓。

參考文獻參考文獻 范光照教授，范光照教授， DVD Pickup HeadDVD Pickup Head 的原理與應用的原理與應用

李易龍，李易龍， DVDDVD 光學頭於幾何量測之應用研究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吳政育，以網路攝影機即時觀測之三次元量測探頭的研製

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http://www.phys.ncku.edu.tw/optics/book_3/b3_c24.PDFhttp://www.phys.ncku.edu.tw/optics/book_3/b3_c24.PDF 雷射雷射聚焦透鏡聚焦透鏡

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