范光照臺灣大學：機械工程學研究所葉易霖Yeh, Yi-LinYi-LinYeh2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282004http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61358有鑑於目前光學干涉三維輪廓量測技術急需發展長景深、大範圍之精密量測能力，本研究深入分析韓國SNU Precision Company干涉儀系統 (3D Surface Profiling System -- SIS-1000) 之運作原理與元件規格。 研究之核心為發展白光干涉儀長景深、大範圍之垂直掃描能力，以SIS-1000作為實驗之基台，用垂直掃描法(Vertical Scanning method)配合SIOS雷射精密定位及Geomagic Studio軟體之三維影像疊合技術，量測大範圍三維表面輪廓資料與形貌重建。由實驗結果得知，所提出之加強型深度掃描法，能有效提供具大範圍或長景深之微細元件所需之三維形貌重建能力。This study aims to establish the 3D profile measurement techniques of white-light interferometry with large vertical and horizontal measuring ranges. The purpose includes a complete investigation of the SIS-1000 (SNU Precision Company) surface profilometer for its operation principles and component specifications. The core of the research is to develop an effective methodology for large-range and long-depth 3D profile measurement with nano-scale resolution and accuracy. The measuring method includes vertical scanning and image merging method (Geomagic Studio) by using SIOS laser interferometer for the purpose of precision positioning. The proposed “enhanced vertical scanning method” combines traditional vertical scanning with image merging method. Along with the outcome of experiments, this achieves the perfect ability for 3D reconstruction techniques.摘要 I Abstract II 目錄 III 圖表目錄 VI 第一章 緒論 1 1-1 動機與目的 1 1-2 光學輪廓干涉儀的優勢 4 1-3 干涉量測原理概說 4 1-4 白光干涉儀之優勢 7 1-5 本章結論 10 第二章 白光干涉儀及垂直掃描技術 12 2-1 白光干涉儀光路類型分析 12 2-1-1 Newton干涉儀 12 2-1-2 Michelson干涉儀 13 2-1-3 Mirau干涉儀 15 2-1-4 Linnik干涉儀 17 2-2 垂直掃描基本原理 21 2-3 垂直掃描量測技術與精度誤差 23 2-4 垂直掃描之學理簡介 30 第三章 大範圍量測及影像疊合技術 31 3-1 擴展深度量測方法 31 3-1-1 多波長法 31 3-1-2 可變傾斜因子法(Measurement with obliquity effect) 33 3-1-3 白光干涉法 35 3-1-4 特定曲面數值方法 38 3-1-5 加強型深度掃描(本研究所提出方法) 39 3-1-5 本節結論 40 3-2 三維影像疊合技術 41 3-2-1 疊合的程序及方法 41 3-2-2 疊合軟體Geomagic Studio簡介 44 3-2-3 三維疊合實例驗證 47 第四章 系統架構與規格解析 49 4-1 系統規格 49 4-1-1 光源 50 4-1-2 濾光片(Filter) 51 4-1-3 光圈(Aperture) 51 4-1-4 壓電驅動器(PZT) 52 4-1-5 Couple Charge Device 52 4-1-6 物鏡(Objective magnification)模組 55 4-1-7 微動平台 56 4-2 相位移與垂直掃描 57 4-3 相關產品 58 第五章 實驗方法與結果分析 60 5-1 系統架構 60 5-2 實驗項目 62 5-2-1 系統工件表面量測之極限分析 62 5-2-2 垂直掃描三維外貌之量測與重建 63 5-2-3 垂直掃描法之重覆性 64 5-2-4 加強型深度掃描法 65 5-3 實驗結果 66 5-3-1 三維輪廓之表面傾斜量測極限分析 66 5-3-2 垂直掃描法之三維形貌重建 67 5-3-3 垂直掃描法之重覆性精度評估 76 5-3-4 加強型深度掃描法之精度分析 77 5-4 誤差來源 88 第六章 結論與討論 89 6-1 結論 89 6-2 討論：未來發展方向 91 參考文獻 93 附錄A 垂直掃描之學理介紹 98 圖1-1 干涉條紋分析機台示意圖 3 圖1-2 多種儀器的量測範圍與解析度 3 圖1-3 干涉儀基本光路圖 6 圖1-4 白光干涉條紋 ..8 圖1-5 (a)雷射干涉 (b)白光干涉訊號對於光程差(OPD)或時間差 之比較 9 圖1-6 單波長光源的階高量測極限 10 圖1-7 白光與紅光量測階高的比較 10 圖2-1 Newton干涉儀光路示意圖 13 圖2-2 Michelson干涉儀光路示意圖 14 圖2-3 Michelson Interferometer 15 圖2-4 Mirau干涉儀光路示意圖 16 圖2-5 Mirau Interferometer 16 圖2-6 Linnik干涉儀光路示意圖 18 圖2-7 Linnik Interferometer 18 表2-1 物鏡倍率選擇表 20 圖2-8 干涉顯微鏡架構圖 23 圖2-9 單點干涉信號的變化 24 圖2-10 垂直掃描量測原理流程圖 26 圖2-11 利用LVDT閉迴路系統來控制PZT 27 表2-2 NIST-traceable step-height standards之階高和不確定度 28 圖2-12 NIST-traceable step-height standards之開迴路量測 29 圖2-13 NIST-traceable step-height standards之閉迴路量測 29 圖3-1 干涉條紋掃描法示意 36 圖3-2 m(φ)cosφ和m(φ+π/2)sinφ與相位的關係圖 37 圖3-3 頻譜展開法示意圖 37 圖3-4 干涉條紋變化示意圖 40 圖3-5 不同量測位置的待測物(a)局部資料 (b)疊合 42 圖3-6 Geomagic Studio 軟體介面 44 表3-1 Geomagic Studio 軟體弁?45 圖3-7 Geomagic Studio 疊合視窗 46 圖3-8 Geomagic Studio 擬合結 46 圖3-9 Geomagic Studio 疊合結果 47 圖3-10 球體工件 (a)分次垂直掃描 (b)三維疊合重建之結果 48 圖4-1 3D Surface Profiling System SIS-1000系統 50 表4-1 系統光源規格 50 圖4-2 系統光源 51 圖4-3 Nikon濾光片 51 圖4-4 系統光圈(Nikon) 52 圖4-5 PZT驅動器 52 表4-2 PZT驅動器規格 53 圖4-6 P-721.00尺寸圖 54 表4-3 CCD規格及特徵 55 表4-4 物鏡規格 56 表4-5 微動平台規格特徵 57 圖4-7 10X物鏡模組 57 圖4-8 移動平台 57 表4-6 Phase Shifting vs. Vertical Scanning 58 表4-7 干涉儀產品總覽 59 圖5-1 量測實驗系統示意圖 61 圖5-2 擴展範圍實驗系統圖 62 圖5-3 垂直掃描三維輪廓計算之流程介紹 64 圖5-4 塊規階高示意圖 65 圖5-5 (a)正弦桿量測示意圖 (b)實際量測圖 66 表5-1 不同倍率物鏡可量角度比較 67 圖5-6 單點干涉信號的變化(取像間距180nm) 68 圖5-7 單點干涉信號的變化(取像間距45nm) 68 圖5-8 5μm階高示意圖 (a)一般軟體 (b)改良軟體 70 表5-2 掃描時間與深度之關 70 圖5-9 不同階高量測重建示意圖 71 表5-3 量測工件整理 72 圖5-10 Micro Channel重建示意 72 圖5-11 Micro Channel剖面 73 圖5-12 MEMS蝕刻重建示意圖(I) 73 圖5-13 MEMS蝕刻剖面圖(I) 74 圖5-14 MEMS蝕刻重建示意圖(II) 74 圖5-15 MEMS蝕刻剖面圖(II) 75 圖5-16 疏狀結構重建示意圖 (a)較小倍率 (b)較大倍 75 圖5-17 疏狀結構剖面圖 76 表5-4 10μm 階高重覆性量測 76 表5-5 MEMS階高重覆性量測 77 圖5-18 系統疊合示意 78 表5-3 PZT 定位回饋誤差值 79 圖5-19 塊規表面量測疊合示意圖(一次疊合) 79 圖5-20 塊規表面量測疊合示意圖(九次疊合) 79 圖5-21 Micro Channel分次重建結果 80 圖5-22 Micro Channel重建疊合結果 81 圖5-23 NTU.ME分次重建結果 81 圖5-24 NTU.ME重建疊合結果 82 圖5-25 Fiber Holder (I)分次重建結果 82 圖5-26 Fiber Holder (I)重建疊合結果 (a)三維 (b)剖面 83 圖5-27 Fiber Holder (II)分次重建結 83 圖5-28 Fiber Holder (II)重建疊合結果 (a)三維 (b)剖面 84 圖5-29 鋁製Fiber Holder (I) 分次重建結果 84 圖5-30 鋁製Fiber Holder (I)重建疊合結果 (a)三維 (b)剖面 85 圖5-31 鋁製Fiber Holder (II) 分次重建結果 85 圖5-32 鋁製Fiber Holder (II)重建疊合結果 (a)三維 (b)剖面 86 圖5-33 長景深之階高量 87 圖6-1 自行架設之白光干涉儀系統 921565041 bytesapplication/pdfen-US垂直掃描三維影像疊合Vertical Scanning methodimage merging methodthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/61358/1/ntu-93-R91522710-1.pdf