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雷射量测及应用产业继续高成长之事态

雷射量测

雷射量测及应用产业继续高成长之事态

2015年更雷射发明50周年,全球雷射量测光源产业之整体産值继2014年突破92亿美金,今年预期会逼近百亿美金仍维持约6%的成长率。

精密雷射加工一直是雷射最重要的应用之一,同时雷射量测的重要工具。雷射传感器及量测应用的产值,自2011年起每年约有5仟万美元的成长。拜石油及天然气産业在即时监控的需求,雷射量测在2015年预期有7.5%成长率达到6亿6仟2佰万美元産值,超过了学术研究上的産值。而近年来雷射雷达在自动车导航、流式细胞技术与超快频量测都是雷射量测及传感器方面重要的应用。

雷射量测及传感器是以光学量测为基础的産业。光学量测具有快速性及多样尺度性。可以从小规模显微影像到大规模的空照摄影、卫星影像到天文观测。同时光学量测具有的非侵入性的特性更受到生物及医学界的重视。光学量测技术的基础,在于精确的量测光的特性参数:强度、相位、波长、频率、偏振等状态。

在工程上量测是建立所有标准的基础,量测的精准程度,取决于度量标准刻度的尺度以及量测方法。以尺为度量工具,可以在亳米等级上透过量测方式的改良,如游标尺,可以达到数微米等级的精确度。试想若以光为度量工具时,其刻度为次微米等级,达到数奈米等级的量测精确度是可以预期的。然而具有稳定且可重覆性的刻度是优良量测的工具的必要条件,自然光源就像一把刻着所有不同尺度的刻度的尺,没有可重覆性,只能透过如底片或是感光材料的空间分布来决定量测结果,因此没有办法成为有效而精准的度量工具。

雷射是一种人造的光源,在爱因斯坦提出受激辐射概念后40年问世。有别于自然光,雷射是一种具有高度时间、空间同调性的光源,稳定且具有可重覆性,雷射量测就如同有着一固定波长为刻度的尺。我们可以利用读取光的各种特性参数,例如:强度、相位、波长、频率、偏振等状态,达到高精度的测量。

基于雷射量测优异性质,雷射量测技术可大略分成几项:

1、雷射量测光穿透强度量测:透过可调雷射光源,可以直接量测材料特征光谱,透过定性分析可得知其组成。或者透过更精密的定量分析也可以测得浓度。由于此种监控方式的可靠性高,所以欧盟也有相关的计划以雷射进行非破坏性气体检测来监控食物封装过程,及利用此种方式来监控半导体制程中化学分子的监控,此种监控对于目前的半导体制程有很重要的帮助,最后利用光频量测也可以用在速度测量,对于未来车辆安全的提升,也是有所帮助。

2、雷射量测相干量测:雷射光干涉技术是直接以光波长作为度量尺度的技术。透过雷射光干涉,可以有效将微小的距离变化转化成为光强度信号,常用于微结构或是表面平整度的量测。同时雷射干涉技也应用在工具机静态几何误差量测及校正。

3、Time of Flight 量测:TOF技术系利用已知光速为前提,量取发送及接收雷射光脉冲间的时间来估计待测距离,常用于遥测相关的应用。其精细度取决于光脉冲的时间尺度、光源的准直性。搭配雷射扫描(2D/3D)技术可以用来进行地理环境探测,大规模、精确区域地形、建物、环境模型建构等应用。

台湾学术界不乏精于雷射量测的学术研究团队。惟産业界并没有在相关技术上跟上德、日等国的脚步。再次强调雷射量测是建立所有标准的基础。没有精确的量测技术不足以发展更细致的工业技术。现今除了雷射技术相当普及外微处理器进步实现了复杂的实时监控的可能性,同时也提升了传感器及雷射量测系统的需求。

台湾着重在组装、整合应用能力与相关产业完整的背景下,雷射量测相关的精密量测系统应该是将来很有潜力的发展方向,同时若能鼓励更多厂商与优秀的台湾研究团队进行合作,最终可达到良性循环并创造属于台湾自己的雷射量测产业。