微小化共路徑雷射光學尺之設計-淡江大學機械與機電工程學系

1、淡江大學機械與機電工程學系畢業(yè)專題微小化共路徑雷射光學尺之設計miniaturized design of common-path laser encoder 陳彥佐yan-zou chen 指導教授：吳 乾 埼博士chyan-chyi wu, ph.d 中華民國1 0 1年1月i 目錄目錄. i摘要. 1一、諸論 . 21.1 研究動機 . 21.2 研究目的 . 2二、原理與方法 . 22.1 系統(tǒng)架構(gòu) . 22.2 干涉光路 1 . 3三、實驗結(jié)果 . 63.1 工程圖 . 63.2 元件規(guī)格 . 63.3 lighttools 分析模型 . 7四、結(jié)論 . 8五、參考文獻 . 91 摘

2、要現(xiàn)今科技的進步，物件尺寸不斷縮小，使得量測精度的要求必須愈來愈高。市面上，有許多量測儀器，其中，雷射光學尺可提供奈米級的位移量測。習用的雷射光學尺光學頭之設計其架構(gòu)主要以麥克森干涉儀型式，但架構(gòu)較複雜，需要使用較多的光學元件來組裝，造成光學頭外型尺寸有一定的限制。因此，本專題將提出基於共路徑雷射光學尺架構(gòu)，利用lighttools 光學軟體設計出尺寸大小為3cm 3cm 3cm 的光學頭系統(tǒng)。共路徑雷射光學尺本身架構(gòu)簡單，且相較於其他雷射光學尺架構(gòu)，具有有效排除環(huán)境擾動的影響，進而提高量測的穩(wěn)定性與準確性的特性 。由於本專題所提出的光學尺系統(tǒng)受限於尺寸大小的限制，因此雷射光源沒有使用常見的氦

3、氖雷射，而是使用雷射二極體作為發(fā)光源。本系統(tǒng)架構(gòu)主要包含雷射二極體光源、擴束系統(tǒng)以及共路徑光路系統(tǒng)所形成的光學頭結(jié)構(gòu)。此外，為了可以有效地利用空間，光學元件間的擺設是採用立體方式而非平面擺設。2 一、諸論1.1研究動機目前市面上光學尺的光學頭是利用各公司自行研發(fā)的光學架構(gòu)所設計出的，光學頭的尺寸也相差不多。為了可以將光學頭的尺寸有進一步的突破，本專題將研發(fā)尺寸大小只有3cm 3cm 3cm 的光學頭之設計，除了達到微小化與輕量化的目標外，希望可以為將來微小化光學頭設計有進一步的發(fā)展。1.2研究目的本專題提出基於共路徑雷射光學尺，利用lighttools光學軟體設計出尺寸大小為3cm 3cm 3

4、cm左右的光學頭內(nèi)部光學架構(gòu)。二、原理與方法2.1 系統(tǒng)架構(gòu)圖 1為微小化共路徑光學尺光學頭的架構(gòu)圖，雷射先經(jīng)過直角稜鏡(rap1)將光束轉(zhuǎn)折至由兩個平凹透鏡(l1、l2)和一個平凸透鏡 (l3)所組成的擴束系統(tǒng)進行擴束，再經(jīng)過直角稜鏡(rap2)轉(zhuǎn)折至平凸透鏡 (l4)聚焦於反射光柵 (grating)，藉由光柵繞射特性使得雷射的0 階繞射與 +1 階繞射重疊，產(chǎn)生干涉條紋，再經(jīng)過另一個平凸透鏡 (l5)使得干涉光束平行 ，然後經(jīng)由直角稜鏡 (rap3)轉(zhuǎn)折至分光鏡(pb)後會分成兩道光路，利用光偵測器(d1、d2)接收量測訊號。3 lds：laser diode source g：grat

5、ing rap1：right angle prisms 1 rap2：right angle prisms 2 rap3：right angle prisms 3 l1：plano-concave spherical lens 1 l2：plano-concave spherical lens 2 l3：plano-convex spherical lens 3 l4：plano-convex spherical lens 4 l5：plano-convex spherical lens 5 pd1：photo detectors 1 pd2：photo detectors 2 圖 1 微小化

6、共路徑雷射光學尺之光學頭設計示意圖2.2 干涉光路 1 圖 2 光路繞射圖形pd1 pd2 pb g rap1 rap3 l1 rap2 l2 l3 l4 l5 lds 4 共路徑繞射原理是讓擴束後雷射經(jīng)透鏡聚焦於光柵後，使0 階和+1階繞射光在完全相通的空間以及方向上產(chǎn)生干涉的效果(圖 2)，將入射的雷射光束看成一個圓錐光束，其最大的入射角和最小入射角為、，在繞射之後，其繞射方程式為d/nsinsinid, (1)為反射角 ， 為入射角，n為繞射階數(shù)，波長，d為光柵週期（grating period） ，假設的最小角度為帶入(1)式為d/nsinsinmd, (2)在(2)式中，取m0階繞射

7、，階數(shù) n=0md, (3)假設i的最大角度為m，反射 方程式為d/nsinsinmd, (4)取m的+1階繞射，也就是 n=1得)d/(sinsinm1d, (5)為了產(chǎn)生干涉效應m的0階繞射需要與m的+1階繞射重疊， 重疊的角度為兩者反射角度的差值可以表示為)d/(sinsinm1m, (6)當0時，表示m的0階繞射與m的+1階繞射有重疊 ，所以實驗必須滿足 (7)式0)d/(sinsinm1m, (7)亦即d/sinsinmm, (8)5 在滿足 (8)式的情況下mm，使得光路在共路徑的狀態(tài)下滿足干涉條件。圖 3 透鏡聚光與相關參數(shù)示意圖在 圖3 中 ， 討 論 聚 光 束 夾 角o與

8、入 射 角 的 關 係 ， 假 設0)d/(sinsinm1m，此時m的0階繞射與m的+1階繞射處於臨界繞射，利用公式推導出這個臨界繞射的範圍，將omm代入(8)式中的臨界方程式dsin)sin(mmo, (9)根據(jù)上式經(jīng)整理後得到聚光束夾角o與最小入射角m的關係式為mm1o)d(sinsin, (10) 圖 3所示是透鏡聚光與相關參數(shù)示意圖，入射光束經(jīng)透鏡會聚後，其會聚光束夾角為 ，則雷射光束直徑 d和透鏡焦距 f間的關係可表示為f 2d2tan, (11) 由上式可以知道，會聚光束夾角可以由實驗器材決定。6 三、實驗結(jié)果3.1 工程圖圖 4 微小化共路徑雷射光學尺之光學頭設計工程圖3.2

9、元件規(guī)格元件名稱型號規(guī)格反射式光柵光柵週期； 1.6 m 雷射二極體thorlabs hl6320g 波長：635 nm，功率：10 mw 直角稜鏡unice rap-06b 波長：633nm，平凸透鏡fuzhou hundreds lpc-001直徑：6mm，焦距： 12mm 平凹透鏡fuzhou hundreds 直徑：6mm，焦距： -12mm 7 lpv-001 分光鏡unice pb-05b633 波長：632.8nm，分光效率： 95% 光偵測器api sd 100-41-21-234 波長範圍： 250nm1100nm 表 1 光學元件規(guī)格表3.3 lighttools分析模型圖

10、 5 共路徑雷射光學尺光學頭之lighttools 分析模型8 四、結(jié)論本專題的設計困難點在於必須將共路徑雷射光學尺架構(gòu)放在一定的空間限制內(nèi)，因此需要將原先平面化的共路徑架構(gòu)修改成立體形式。立體化的好處在於除了可以有效地利用有限的空間外，還可以依照設計需求，去改變光學元件的方向。由於本架構(gòu)是使用雷射二極體作為光源，光束直徑大約只有2mm 左右，若不經(jīng)擴束直接聚焦在光柵上的話 ，反射出 0 階與 1 階的光並不會重疊而有干涉現(xiàn)象，因此吾人利用 lighttools 軟體去調(diào)整透鏡間的間距，設計出一套擴束系統(tǒng)，經(jīng)過幾次的調(diào)整測試後，大約將光束直徑擴束為5mm 左右時會有干涉的現(xiàn)象。此外，入射的角度也是影響是否干涉的重要因素，當入射角度過大時無法產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，角度太小會造成最小入射角的部分0 階反射光射回入射光路中。為了避免此現(xiàn)象發(fā)生，吾人調(diào)整入射光路系統(tǒng)的角度，最後在聚焦夾角之角平分線與法線夾角為 18時是