淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
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系統識別號 U0002-2708201313543300
中文論文名稱 微型三次元量測儀:自動光纖耦合
英文論文名稱 Micro Coordinate Measuring Machine: Automatic Fiber Coupling
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 101
學期 2
出版年 102
研究生中文姓名 游舒凱
研究生英文姓名 Shu-Kai You
學號 600371123
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2012-07-15
論文頁數 50頁
口試委員 指導教授-吳乾埼
委員-戴慶良
委員-許正治
中文關鍵字 光纖耦合  爬山式  耦合效率 
英文關鍵字 Fiber Coupling  Hill-climbing  Coupling efficiency 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 介尺度微型三次元量測乃當前全球量測技術瓶頸,關鍵在探針感測解析度無法突破。本研究團隊針對此一難題提出光纖探針式感測技術,該技術可大幅縮短探針感測之預行程,突破當前量測技術瓶頸。然而,該方法須將光源正確耦合進入光纖探針中方可進行量測,因此耦光實為光纖探針式微型三次元量測儀的關鍵技術。
本研究提出一種自動化光纖耦合技術,可應用於光纖探針式微型三次元量測儀之建構,自動化光纖耦合降低微型三次元量測儀研究中光源調校的時間以及提高光纖耦合耦光效率。
本自動化光纖耦合系統採用將633 nm雷射與單模光纖,光纖耦合使用預判式尋光對位方法進行自動耦合。實驗結果耦光效率達50 %(3 dB),耦合時間可縮短為2分鐘。
英文摘要 The meso-scale coordinate measurement technology is the bottleneck for worldwide measurement technologies. The key point relies on the fact that the resolution of the probing sensor cannot be broken. Our laboratory proposed a novel sensing technique with the optical fiber probe for overcoming the technology bottleneck. However, the laser source must be accurately coupled into the fiber probe in order for the measurement. Thus, the fiber coupling becomes a great limit to the micro coordinate measuring machine(micro-CMM)for its applications.
This study proposes an automatic fiber coupling technique. The technique can be applied to the construction of a micro-CMM. Such an automatic fiber coupling technique can reduce the coupling time and improve the coupling efficiency fiber coupling for a micro-CMM.
The automatic fiber system used a laser source with a wavelength of 633 nm, and a single-mode fiber. We used the method with pre-determined searching direction, which is based on the direction derivative and the hill-climbing searching. Experimental results demonstrated that the coupling efficiency of our automatic fiber coupling technique can attain 50 % (3 dB), and the coupling time can be shorter than 2 min.
論文目次 中文摘要 I
英文摘要 II
目 錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 VIII
符號說明 XI
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 文獻回顧 2
1.2.1 NanoTrak alignment algorithm 2
1.2.2 預判式尋光對位 3
1.2.3 光纖自動對準組裝技術研發 5
1.2.4 平面式梯度折射率微透鏡 6
1.3 研究動機 7
1.4 研究目的 7
第二章 光纖原理 8
2.1 簡 介 8
2.2 光纖光學 10
2.2.1 光纖全反射 11
2.2.2 數值孔徑 11
2.2.3 光傳播模態 13
2.3 光強度模型 14
2.3.1 光強度模型近似法 14
2.3.2 高斯光束模型 15
2.3.3 在三維空間中之方向導數 16
第三章 自動光纖耦合系統 19
3.1 實驗儀器設備與元件 19
3.2 實驗架構 23
3.3 自動光纖耦合 23
3.3.1 粗尋光 25
3.3.2 細尋光 26
第四章 實驗與結果 30
4.1 實驗架構調校 30
4.2 光纖端面處理 32
4.3 光源角度 36
4.4 實驗結果 37
第五章 誤差分析 41
5.1 前言 41
5.2系統誤差 41
5.2.1 位移平台步進量誤差估計 41
5.2.2 預判式尋光法誤差 44
5.2.3 光纖端面誤差 44
5.3 隨機誤差 44
5.3.1 材料熱變形 44
5.3.2 電子雜訊 45
5.3.3 振動 45
5.4小結 46
第六章 結論與研究建議 47
6.1 結論 47
6.2 研究建議 47
參考文獻 48

表目錄
表 1 光纖種類 9
表 2 光纖構成材料 9
表 3 實驗儀器與元件規格 19
表 4 介尺度規格與本實驗規格比較 37
表 5 耦合效率 40
表 6 平台5次X軸步進位移量測結果 42
表 7 平台5次Y軸步進位移量測結果 42
表 8 平台5次Z軸步進位移量測結果 42
表 9 耦光公差 44
表 10 實驗元件熱膨脹係數[31] 45

圖目錄
圖 1 軌跡掃描圖[11] 2
圖 2 垂直位移量與光強度大小[11] 3
圖 3 相位角圖[11] 3
圖 4 預判式尋光對位架構圖[11] 4
圖 5 系統座標定義[13] 6
圖 6 雷射二極體-光纖耦合模組 6
圖 7 光纖構造圖[4] 8
圖 8 多模光纖及單模光纖示意圖[15] 9
圖 9 司乃耳定律的示意圖[15] 11
圖 10 光纖內全反射[16] 11
圖 11 光纖內部傳播示意圖[15] 12
圖 12 光纖的座標系示意圖[15] 14
圖 13 二維高斯分布模型圖[19] 15
圖 14 一維高斯分布模型圖[19] 16
圖 15 曲面上之方向導數示意圖 17
圖 16 光強度計 20
圖 17 光功率計 20
圖 18 雷射電源供應器 21
圖 19 雷射 21
圖 20 電控系統控制器 22
圖 21 三軸移動平台 22
圖 22 光纖 23
圖 23 自動光纖耦合實驗硬體架構示意圖 23
圖 24 位能井的型式圖[11] 24
圖 25 盲尋光理論 25
圖 26 盲尋光計算 25
圖 27 粗尋光介面 26
圖 28 爬山演算法[19] 27
圖 29 以取樣點的方式找曲面的最陡方向之示意圖 27
圖 30 尋光流程圖 28
圖 31 細尋光介面 29
圖 32 固定鋁條 30
圖 33 固定鋁條 30
圖 34 架構腳架放置鋁條 31
圖 35 架構調校 31
圖 36 前置作業圖 32
圖 37 光纖切割器 34
圖 38 切斷光纖之鑽石刀 34
圖 39 光纖側視圖(20X) 34
圖 40 光纖上視圖(50X) 35
圖 41 光纖上視圖碰撞前(50X) 35
圖 42 光纖上視圖碰撞後(50X) 35
圖 43 較佳光纖上視圖(50X) 36
圖 44 顯微物鏡結構[30] 36
圖 45 自動光纖耦合SEARCH1 37
圖 46 自動光纖耦合SEARCH2 38
圖 47 自動光纖耦合SEARCH3 38
圖 48 自動光纖耦合SEARCH4 39
圖 49 自動光纖耦合SEARCH5 39
圖 50 雷射對光功率計進行耦光架構 43
圖 51 雷射對光功率計耦光理論數據圖 43
圖 52 雷射對光功率計耦光誤差圖 43

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