【李家同】為台灣加油打氣專欄_(103)工業基礎技術計畫─光學尺

張貼者:2017年4月6日 下午10:57台灣精密工程學會   [ 已更新 2017年4月6日 下午10:57 ]

     我們先想一個問題,那就是電梯為什麼知道在該停的地方停下來,而且停得很準確,不會有差錯,有差錯是相當危險的事。可以想見的是,電梯裡有一個機制,使得電梯知道它到達了目的地沒有。

    我們現在講的是一部機器內也有一樣的問題,比方說在機器裡面有一根針,我們要將這根針移到某一個特定的位置就停下來,或者在這個位置做別的動作,因此在這個機械內必須有一種機制,可以測定這根針到達那個特定位置沒有。如圖一:

 

圖一

 

    我們可以用所謂的光學尺,這光學尺的原理是將針與光束連在一起,我們的方法是在設計一個光學尺,光束到達了任何一點,利用光學尺上的標誌就可以知道光束到了哪裡。因此一旦到達了X點,機器就可以採取特定的行動了。請看圖二:

 

圖二


    在圖二的光學尺上,有很多的光柵,凡是黑的就表示不透光,白的會透光,光學尺的下面有光感測器,我們現在假設光感測器一共有4個,這4個光感測器是會和光束完全同樣的動作的。在圖二,我們的光束照到了1個透光3個不能透光的光柵,所以感測器所感到的是(1000),請看圖三:

 

 圖三

 

    在圖三,光束已經向右邊移了一格,一格的寬度也就是一個光柵的寬度,這個時候最左邊的感測器感測不到光了最右邊的感測器感測到光了,所以光感測器的紀錄是(0001),請各位瞭解光感測器和光束的行動是完全一致的,我們可以想見光感測器和光束是互相連起來的,只是我沒有畫出而已。

    如果光再往右移一格,光感測器的輸出一定是(0010),以下是光感測器輸出的序列:

(1000)(0001)(0010)(0100)(1001)(0011)(0110)(1101)(1010) (0101)(1011)(0111)(1111)(1110)(1100)

     請看圖四:

 

A

 

B

 


 C

圖四

 

    圖四中,圖四A光感測器的輸出是(1101),下一個輸出應該就是(1010)圖四B。圖四C到了(1100)就完成了移動全部的尺的行程,所以若我們的光學尺有很多這種光柵的圖案搭配多個光感測器可延伸尺使用的長度,每一個光柵的寬度是10μm(10萬分之一公尺),光束每移動10μm,光感測器就會改變輸出。所以我們說這個光學尺的精密度就是10萬分之一公尺。

    如果只用一道光柵的光學尺,那麼每移動一格,光感測器才會有輸出,這是不夠精密的。要更精密的話,要用兩道式光學尺,其中第二道光柵的架構請看圖五: 

 

 

A

 

 

B

圖五

     光學尺第二道光柵搭配了一個副光學尺,如五A所示,副光學尺下面有光感測器,光學尺第二道光柵是不動的,但是副光柵和光感測器是移動的。圖五B上只討論第一格,一開始的時候光完全被擋住,可是一旦移動一點點就可以感測到光,當然我們可以想得到有一個時間感測到的光是最強的,然後又會再減弱。所以對第一個光感測器而言,它所感測到光的強度相對於時間,乃是一個正弦波,如圖六所示:  

 

圖六

 

    其他的光感測器所感測到的光也是正絃波,但是和第一個光感測器在相位上有所差別。

    如果只用第一道光柵如圖四A,那麼光束要移動一格,光感測器才會變動。加入第二道光柵如圖五B所示,如果光學尺相對於副光柵和光感測器移動一點點,光感測器就會有反應。可是限於技術上的困難,比方說雜訊問題等等,用了兩道光柵的光學尺以後,光學尺的精密度是可以改善到30奈米,這已經是相當精密了。

    但是我們還有一個要解決的問題,那就是光都是會發散的,如圖七:

 

圖七

 

    這對於光感測器而言,這是不行的,所以我們必須要有一個準直的透鏡,如圖八: 


圖八

 

    光學尺以及光感測器都是和半導體有關的,也就是說光學尺和光感測器都是利用半導體的技術做出來的。我們可以想像得出來,每一個光柵好像是畫一條線,半導體技術中也是要畫線的。我們的光學尺和光感測器都是在國內製造的。至於光源,LED光源就可以了,不需要什麼特別的光源。

     我們先看看要完成這個技術需要什麼樣的學問:

1.  必須有相當程度的物理知識,尤其是有關於光學的。

2.  必須懂得電子線路設計,而且是相當複雜而高難度的線路設計,因為我們的光感測器裡面有很多的線路,難就難在雜訊處理的問題。如果雜訊問題很嚴重,可想而知的是,我們不可能有精密的光感測器。

3.  必須懂得半導體製程,因為光學尺和光感測器都要靠半導體技術。

4.  機械設計的能力,因為光束是要移動的。

    這一個研發是由工業基礎技術計畫支持的,我們的國家一定要往精密工業的方向走,但是精密工業一定又包含了精密定位的問題。很多精密的機械裡面有一個機械手臂,機械手臂也許會將一個晶圓從某個地方移到一架電子顯微鏡的下面,如果停下來的位置不準,電子顯微鏡就在亂看一陣,所以定位是非常重要的。光學尺對於我們精密工業的重要性由此可見。

    虧得政府有這種遠見,使得我們很多學問很好的工程師可以得以發揮。我其實只粗略地介紹了這一個技術,很多細節我自己也搞不清楚,我相信也沒有辦法講清楚,去掉雜訊的技術就複雜得不得了。

    希望大家知道我們國家是在進步之中,也希望我們的政府永遠支持最基本的技術,因為非常精密的工業也是建築在這些基本技術之上。當然學術界更加應該瞭解這一點。

 

 

李家同

清華大學、靜宜大學、暨南大學榮譽教授 

博幼社會福利基金會董事長

 劃撥帳號:22482053

(300)新竹市光復路清華大學資訊工程系 

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