李世光臺灣大學：應用力學研究所陳昭宇Chen, JAu-YuJAu-YuChen2007-11-292018-06-282007-11-292018-06-282005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/62385在奈米科技蓬勃發展的今日，科技產業無不大舉投入微小尺寸產品的研究，而高精密的檢測技術正是推動這些微小化產品的基礎科技，因此建構一套具顯微檢測能力的動態檢測設備實屬迫切需要。本研究以設計開發出一套具有奈米精度的光學振動量測系統為目標，藉由創新的光路設計與全球首創之演算法，成功地將光學動態檢測技術引入到光學顯微系統之中。 本研究中以高速CCD開發出一套具有暫態全域變形檢測的電子斑點干涉(ESPI)系統，藉由極短的曝光時間與精準的時序控制成功地得到一系列的暫態資訊。在電子斑點資訊處理上，藉由影像與信號技術的一系列創新開發，本研究完成了包含利用相關係數結合五一相移法計算出相位主幅角、以中位數濾波器進行濾波、並以路徑獨立之演算法完成相位重建工作，最後以曲面擬合之技術得到完整變形輪廓之成果。此外本研究還提出如何整合前人所提出的圓偏光組態干涉架構與正交訊號解相位技術，進而將雷射都卜勒干涉術成功的整合於系統中，因此乃能達到多功能檢測目標。在演算法方面，本文提出創新的時進相移技術，解決電子斑點干涉術在顯微系統之中因放大倍率較大而易失去相關性的問題，其中時進正交相移技術的提出，更可以省去系統中的相移裝置，徹底改善因調制相位不精準所造成的量測誤差。易言之，本研究包含以光電架構、信號處理、創新光機架構來完成建構出一套全球首創之奈米檢測系統。 在實驗成果方面，本研究在光學設計軟體的模擬輔助下，設計出最佳的光路架構，並建立完整的實驗流程控制系統和訊號/影像分析介面，最後進行了一連串的壓電振動量測實驗，成功驗證了本論文所建構完成之創新架構的性能與所提出之演算法的可行性與精確性。With the rapid advancement of nanotechnology, many industries have focused their research efforts to products of miniature size. It is to be noted that high-precision metrology is the driving force that propels miniature product forward. To further advance this line of research, there is an imminent need to develop a metrology system that can perform dynamic measurement through a microscopic system. In other words, the goal of this research is to develop an optical metrology system that can measure full-field and dynamic nanometer vibrations. By integrating an innovative optical configuration and a newly developed signal algorithm, the above-mentioned goals were completed successfully during the course of this research. In this dissertation, electronic speckle pattern interferometry (ESPI) with high speed CCD camera was adopted to achieve full-filed deformation measurement. By means of short exposure time and precise time control, a series of transient information could be obtained. Image processes including (5,1) phase shifting technology, direct correlation method, noise reduction median filter, and path-independent phase unwrapping method were all integrated to reconstruct surface profile of specimen. Moreover, based on circular polarization interferometer and quadrature signal phase decoded method, laser Doppler interferometry was combined with ESPI system successfully to pursue multi-functional optical metrology system. Besides, an innovative time-stepped phase shifting method has also been proposed. This newly developed process essentially circumvents the de-correlation problem faced by incorporating ESPI technology into microscopic system. The newly developed time-stepped quadrature phase shifting method can even remove the phase shifting device so as to thoroughly improve the accuracy. With regard to the experimental achievements, the optimal optical configuration has been constructed according to the optical simulation results. In addition, the complete experimental process control system and signal/image analysis interface have also been developed. In summary, the vibration measurement results obtained from a piezoelectric plate verifies the performance of the innovative optical metrology system disclosed and accuracy of the newly developed algorithm adopted.致謝 i 中文摘要 iii Abstract v 目錄 vii 圖目錄 x 表目錄 xvi 第 1 章 緒論 1 1-1 前言與研究動機 1 1-2 文獻回顧 3 1-3 論文架構 9 第 2 章 高速電子斑點干涉儀之理論與架構 11 2-1 光學干涉基本原理與應用 11 2-1-1 基本光學干涉 11 2-1-2 檢測物理量與相位的關係 14 2-1-3 光學干涉儀架構與應用 15 2-2 電子斑點基本原理 17 2-2-1 雷射斑點統計分析 17 2-2-2 雷射斑點特性 20 2-2-3 電子斑點干涉物理之限制 22 2-3 電子斑點干涉術基本原理及架構 24 2-3-1 量測架構及動態檢測原理 24 2-3-2 條紋的產生 26 2-4 系統性能與設計流程訂定 28 2-5 系統設備特性介紹 30 2-5-1 高速CCD感測器 30 2-5-2 壓電迴授控制系統 35 第 3 章 電子斑點干涉影像處理 37 3-1 相移干涉術 37 3-1-1 相移技術原理與架構 37 3-1-2 五步相移法 40 3-1-3 相關係數演算法結合五一相移法之應用 40 3-2 時進相移法 44 3-2-1 時進五一相移法 44 3-2-2 時進正交相移法 47 3-3 影像濾波處理與相位重建 50 3-3-1 中位數濾波法 51 3-3-2 以離散傅立葉轉換為基礎之未加權式非迭代演算法 55 3-3-3 以離散傅立葉轉換為基礎之加權式迭代演算法 58 3-3-4 曲面擬合 61 第 4 章 雷射都卜勒量測系統 63 4-1 都卜勒效應與檢測物理量之關係 63 4-2 雷射都卜勒干涉架構 66 4-2-1 傳統干涉儀架構與原理 66 4-2-2 創新干涉儀架構與原理 70 4-2-3 創新干涉儀相關技術之研究 78 4-3 光學鎖相干涉儀架構與實驗分析 82 4-3-1 系統架構與原理 82 4-3-2 實驗結果分析與討論 85 第 5 章 實驗系統架構與實驗結果分析 90 5-1 光路設計與分析 90 5-2 光學元件之選擇 98 5-2-1 光源 98 5-2-2 聚焦與空間濾波元件 98 5-2-3 光學鏡片與成像系統 102 5-3 系統架構 105 5-3-1 自動化控制系統 105 5-3-2 實驗流程與時序控制 108 5-4 實驗結果分析 113 5-4-1 材料表面特性分析 113 5-4-2 壓電振動量測結果 115 5-4-3 時進五一相移法之實驗驗證 162 5-4-4 時進正交相移法之實驗驗證 164 第 6 章 結論與未來展望 167 6-1 結論 167 6-2 未來展望 170 6-2-1 以時進正交相移法為基礎所設計之創新光路架構 171 6-2-2 電子構裝檢測 173 參考文獻 17510726768 bytesapplication/pdfen-US電子斑點干涉儀雷射都卜勒干涉術光學系統設計相移法ESPILaser Doppler InterferometryOptical System DesignPhase shifting Methodthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/62385/1/ntu-94-R92543032-1.pdf