臺灣博碩士論文加值系統

全球當前量測技術於介尺度三維量測上遭遇到瓶頸。過去十年，全球各主要國家的研究組織進行多項與探頭感測器相關的研究工作，但並沒有太大的突破，例如燃油噴嘴孔徑的三維形貌量測，沒有適當儀器可得知元件之加工精密度，主要原因在於提出的方法及設計，無法應用在高深寬比的結構上。
本研究提出一種高靈敏度的光纖探針式探頭光學感測技術，可應用於介尺度之特徵結構，基於布拉格光纖光柵原理，搭配光學相位感測及解相位技術，利用雷射干涉儀（HP5529A）提供位移量測標準，以壓電柱提供增量位移，預期可大幅提昇探針式探頭感測技術的位移解析度，降低量測的不確定性。
預行程是探針式探頭感測器主要的誤差來源，本系統量測過程僅需判斷探針式頭觸發之訊號，側向預行程可達10奈米，突破了澳洲學者Ji無法解析探頭側向加載過程之情形，並可提升量測的準確度並節省量測時間。該技術具有建構容易、成本低及解析度高等優勢。

The worldwide metrology in meso-scale three-dimensional topography encounters a bottleneck. Over past a decade, the major countries over the world, cooperated with world-renowned research organizations to carry out a number of research work related to the probing sensors, but there is no great breakthrough. As an example for three-dimensional topology of the fuel nozzle aperture measurements, there is no appropriate instruments which can be learn of the manufacturing accuracies of components. The main reason relies on the fact that known methods and designs fail in measuring microstructures with high aspect ratio.
In this study, an optical sensing technique of fiber probing head is proposed. It has high sensitivity and can be applied in the characterization of the meso-scale structures. The operation principle is based on fiber Bragg grating principle, and optical interferometry (HP5529A) provide displacement measurement standards, and provide incremental displacement piezoelectric column, which is expected to significantly enhance the resolution of the probe sensing displacement to reduce the measurement uncertainty.
The pre-travel is the major error source for micro coordinate measuring systems. Our probing sensing technique is touch-triggered. Experimental results demonstrate that our probing sensor has an in-plane pre-travel of 10 nm. The specification outperforms the one of Ji’s method. Accordingly, our probing sensor can effectively improve the measurement accuracy. It has many merits: easy build-up, low cost and high-resolution.

中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 i
表目錄 iv
圖目錄 v
符號說明 viii
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究目的 3
1.3 文獻回顧 5
1.3.1 光纖光柵感測技術 5
1.3.2 探頭感測器分類 7
1.4 論文架構和創新點 11
第二章 光纖及光纖光柵之基本原理 12
2.1 光纖的源起 12
2.1.1 光纖結構 12
2.1.2 光纖分類 12
2.2 基本光纖光學 14
2.2.1 數值孔徑 15
2.2.2 光傳播模態 16
2.3 高斯光束（Gaussian Beam） 17
2.4 光纖光柵基本原理 20
2.5 光纖光柵之分類 21
2.5.1 短週期光纖光柵 22
2.5.2 長週期光纖光柵 22
2.6 布拉格光纖光柵感測原理 22
2.7 光彈效應感測運作原理 24
2.7.1 菲涅爾方程式（Fresnel Equation） 24
2.7.2 光彈效應 24
第三章 光纖探針式探頭光學感測系統 25
3.1 光纖加工方法 25
3.2 光纖光柵製作 26
3.3 光纖探頭製作 27
3.4 光學相位式感測技術 30
3.5 相位展開 32
3.6 實驗儀器設備與元件 35
3.7 實驗架構 40
第四章 模擬分析與系統調校程序 43
4.1 前言 43
4.2 LightToolsTM分析耦合效率 43
4.2.1 參數設定 44
4.3 光學元件的調校程序 46
4.3.1 光源的調校 48
4.3.2 非偏振分光鏡的調校 48
4.3.3 反射鏡的調校 49
4.4 單模光纖的調校 49
4.4.1 光纖端面處理 49
4.4.2 光源與光纖耦合 51
4.5 干涉條紋調校 52
4.5.1 光路光束平行度與重疊度調校 53
4.5.2 干涉光路的調校 54
第五章 探頭性能量測 59
5.1 面內預行程實驗 59
5.2 塊規形貌量測實驗 66
第六章 結論與未來研究展望 67
6.1 結論 67
6.2 未來研究展望 67
參考文獻 69

表目錄 表目錄
表 1 象限的判別 ................................ ................................ ................................ .. 33
表 2 實驗儀器與元件規格 ................................ ................................ .................. 35
表 3 實驗使用單模光纖規格 ................................ ................................ .............. 43
表 4 LightTools詳細參數設定 ................................ ................................ ........... 46
表 5 布拉格 光纖柵規格................................ ................................ .................. 58
表 6 面內預行程重複性測試 ................................ ................................ .............. 64

圖目錄
圖 1 全球三維量測技術瓶頸範圍：圖 ?區塊乃當前全球量測技術瓶頸 .......... 1
圖 2 NPL之探頭系統................................ ................................ ........................... 8
圖 3 TUE 之探頭系統 ................................ ................................ ........................... 8
圖 4 雷射捕捉探頭感測技術 ................................ ................................ ................ 9
圖 5 Meli等人提出撓性結構式：（ a）（ b）（ c）示意圖（ d）實體圖 ... 10
圖 6 Ji 提出的光纖探頭感測技術 ................................ ................................ ...... 10
圖 7 光纖構造圖 ................................ ................................ ................................ .. 12
圖 8 多模光纖及單示意圖 ................................ ................................ ...... 13
圖 9 司乃耳定律的示意圖 ................................ ................................ .................. 15
圖 10 光纖內部傳播示意圖 ................................ ................................ .................. 16
圖 11 近軸光束傳遞示意圖 ................................ ................................ .................. 20
圖 12 光柵原理示意圖 ................................ ................................ .......................... 21
圖 13 短週期式光纖柵工作原理示意圖 ................................ .......................... 22
圖 14 長週期式光纖柵工作原理示意圖 ................................ .......................... 22
圖 15 市售 P-2000 熔拉機外觀 ................................ ................................ ............ 25
圖 16 內部構造示意圖 ................................ ................................ .......................... 26
圖 17 KrF 準分子雷射 ................................ ................................ .......................... 27
圖 18 PS750 光敏纖 ................................ ................................ .......................... 27
圖 19 製作光纖柵之曝架構 ................................ ................................ .......... 27
圖 20 以 CO 2雷射熔融光纖頂部成為一個半球型透鏡 ................................ ..... 29
圖 21 光纖末端透鏡的四種基本分類 ................................ ................................ .. 29
圖 22 可旋轉熔接機示意圖 ................................ ................................ .................. 30

圖 23 探針式探頭搭配光學相位式感測技術之光路示意圖.............................. 31
圖 24 呂薩加圓相位示意圖.................................................................................. 32
圖 25 原始1 tan

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