位移量測在工程領域一直有大量需求，尤其在光電科技日益發展與進步後，利用光學方式量測物件位移即大量應用於機械與光學等領域。其中以雷射源為主的量測方法不僅具有高精度、長工作距離，並可以非接觸式量測，避免接觸與刮傷精密待測物。本中心所開發之非接觸式位移測頭 (non-contact displacement sensor, NCDS) 即為具備上述特點之量測儀器。

本中心於 2012 年發展「自動對焦裝置與方法」專利 (證書號：I369508)，利用像散法 (astigmatic method)(圖一) 計算出待測物偏離焦點位置後，搭配位移平台將待測物或對焦裝置與取像鏡頭補正至鏡頭焦點，即時取得待測物表面清晰的影像，本非接觸式位移測頭即以此原理延伸發展而來。像散法架構與原理為，透過一物鏡與像散透鏡組合，當待測物前後離開物鏡焦點時，像平面光斑會呈現垂直與水平橢圓輪廓變形；而其橢圓輪廓變化量與待測物離焦距離間有一方程式曲線關係，當此方程式曲線經過比對校正後，即可由像平面感測器取得橢圓輪廓變形來反推待測物離焦量，亦即此測頭所要量測的位移量。

目前市面上雷測光學位移量測裝置大都需搭配一個雷射測頭與後端控制器，設計上或許因體積或許需連結電腦而較不易攜帶，中心所開發的非接觸式位移測頭考量了使用便利性、移動性，甚至作為其他量測儀器核心使用，因此開發為模組化測頭 (probe) 與控制器 (control box)，在體積與操作上可作為一可攜式位移量測工具。非接觸式位移測頭架構如圖二所示，由一個測頭模組與控制器模組所組成，兩者以商用的 D-sub 線材連接，測頭模組由雷測光源 (laser source)、物鏡(objective lens)、分光鏡 (beamsplitter)、像散透鏡 (astigmatic lens) 與四象限感測器(Four-quadrant sensor)所組成，提供了檢測光源並取得待測物位移產生的成像光班變化。其中關鍵光學元件像散透鏡是由中心超精密車削技術所製作，掌握了成像品質之優劣。橢圓光班在四象限感測器上分為四個量測訊號，經處理後傳送至後端控制器計算出位移量。為了讓操作使用便利，此非接觸式位移測頭採用637 nm可見光源，讓使用者較容易與待測物對位，與物鏡搭配後之工作距離為7.5 mm，量測精度誤差可控制在 ± 1 μm。控制器部分為了讓使用者可直接讀取待測物位移量而無須再接電腦使用，採用了 LCD 顯示面板，以控制器內部處理器依照校正後方程式曲線計算出位移量後直接顯示，讓此非接觸式位移量具可讓現場人員直接使用，亦可經由控制器以 USB 連接線連接電腦，將位移量紀錄或進一步判讀。儀科中心結合了光機電整合技術能量，開發了非接觸式位移測頭實體與應用軟體如圖三所示，已於今年光電展與半導體展展出，相關廠商亦表達了興趣與詢問相關規格與應用。

自行開發精密量具與工具一直是精密光學與機械產業要突破與同業競爭不可或缺的能力，本中心本著 40 年精密光學技術底蘊，近來加入了電腦數值控制拋光製程與精密量測設備建置，整合前端光學設計與光機元件製作及後端系統組裝測試，已可提供整合式服務平台。為了持續朝精密光學鏡頭發展，開發了結合鏡頭偏心檢測之智慧車削定心系統 (alignment turning system)。藉由此車削定心製程，將光學鏡頭偏心誤差修正至規格需求內，可放寬光學鏡片與鏡頭組裝之容差，但最終仍能滿足整體光學系統之精度要求。其中關鍵的鏡頭偏心檢測模組，即是使用此非接觸式位移測頭，搭配亦是由中心所發展之自準直儀所建構。

非接觸式位移測頭作為精密位移量測工具，可應用於非接觸式量錶、旋轉軸偏擺，以及用兩個以上測頭量測光學平板厚度、於生產線檢測工件尺寸一致性等應用，亦可如上述案例，利用位移量轉換為其他物理量，開發為相關精密光學檢測系統。儀科中心將持續以精密光機工程及光機電整合技術，與國內外廠商合作開發更多學術與產業應用之儀器技術。

非接觸式位移測頭規格
- Working distance：7.5 mm
- Working range：± 30 μm
- Accuracy：± 1 μm
- Laser wavelength：637 nm
- Probe dimension：157 mm x 56 mm x 38 mm
- Control box dimension：150 mm x 88 mm x 32 mm

大口徑光學小組　余宗儒