系統性能與設計流程訂定

光電系統之設計是一門整合性與實用性極高之應用科學，特別是當所要求之 性能，具多功與高精準度時，整體之系統設計就必須特別注重在各子系統間之介 面整合性。換言之，所設計出之光路必須倚賴後段的電子訊號處理系統與調校機 構，才能得到最佳之系統性能。另外，對於待測物之物理特性，也是影響系統性 能是否實現之關鍵因素。

如前所述，本計劃之最終目標在於設計一套具有高速動態與全域變形之多功 光學檢測設備，並將其應用在顯微系統之中。因此系統性能便訂定在必須同時擁 有時間域與空間域之多功檢測功能，並且達到奈米等級之量測精度。經由分析當 今可行之技術與可應用之元件後，本研究以電子斑點干涉(ESPI)系統與雷射都卜 勒(LDV)系統之相關技術為基礎，在整合顯微系統之前提下，設計出創新之光路 與選擇最合適之元件設備，完成分析介面之設計與控制系統之製作。其中這些重 要技術包含了以圓偏光組態與正交訊號解析之都卜勒干涉技術，以及利用超高速 CCD 感測器與相關影像處理之電子斑點干涉技術。而光學系統的開發除了上述 之性能評估，還必須建立在完整的流程規劃，圖 4-74 為本計劃之系統設計流程 圖，分別歸納出以下幾項重點部分：

1. 系統設計：達到所訂定之系統性能目標，即開發電子斑點干涉儀與整合 雷射都卜勒技術，完成同步奈米動態量測系統。

2. 光路設計：以光之偏極態特性設計光路，以達到同時量測目標。

3. 物理分析：瞭解光學與動態量測之原理與探討各子系統之物理意義。

4. 模擬分析：利用光學軟體如 LightTool 5.1 或 CODE V 9.5 等分析所設計 之光路，考量其可行性，以節省系統之研發成本。

5. 光路架設：選擇合適之光機調校元件，以實現所設計之光路。

6. 元件選擇：選擇與分析最合適之各項元件，包含光源系統、各項光學鏡 片、光電元件、以及光感測器。

7. 訊號處理：完成自動化控制系統與訊號分析介面。

8. 控制系統：設計系統量測之時脈觸發架構，包含驅動待測物、CCD 感測 器、訊號擷取卡、PZT 相移致動器….等。

9. 訊號擷取：包含 CCD 影像擷取與光二極體訊號擷取。

10. 硬體架設：選擇合適待測物和架設系統，並進行光路調校。

11. 軟體編寫：將相關理論撰寫為軟體，以進行相關分析。

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圖4-74 系統開發之流程訂定 4.3.5 系統設備特性介紹

本研究中採用以光干涉為基礎的相關技術進行振動檢測，因此實驗過程中需 使用多項光學元件及設備。其中在電子斑點系統之全域檢測上，為求能夠量測物 體動態的資訊，且能整合雷射都卜勒系統於其中同步得到時間域之資訊，故使用 一般功率之連續光源搭配超高速CCD 感測器系統進行量測。另外，考量到傳統 電子斑點干涉術造成量測誤差的關鍵因素，最主要是不精準的相移(phase shift) 裝置會造成不正確的相移干涉圖，本研究將採用精密的壓電迴授控制系統，來增 加系統之精密度與穩定性。本節將就這些所運用到的重要設備作一特性說明。

4.3.6 高速 CCD 感測器

首先介紹本研究所使用的高速 CCD 感測器，其必須具有幾項特點，已符合 高速動態之電子斑點拍攝。

1. 曝光時間(exposure time)需要足夠的短，因為許多微機電或壓 電 振 動 元 件其振動頻率都高達kHz 等級，因此至少需要 sµ 等級之曝光時間才能得到物體 之暫態(transient)特性。

2. 線性(linearity)特性要足夠好，因為相移干涉術誤差的主要來源，也包含 感測器之非線性(non-linearity)效應。

3. 讀出速度(readout rate)要夠快，以便可以在訊號處理時間內完 成下一張影像的讀取。

4. 像素尺寸(pixel size)也需要合適大小，因為散射光所造成的相

位是一種隨機且急遽變化的值，這些資訊將會因為CCD 的像素尺寸不合適 而被平均掉，而無法真實紀錄物體之變形。

環視目前全世界商用的超高速 CCD 感測器，如 Cordin 公司 Model 510，其 使用了八個CCD 感測模組和一個旋轉之面鏡(rotating mirror)，可以 25M 的畫面 取樣速度(fps, frame per second)分別紀錄 16、32、48、64 和 128 張的影像。而

系統設計

光學設計 訊號處理

模擬分析

物理分析 控制系統 訊號擷取

元件選擇

光路架設 硬體架設 軟體編寫

理論分析

實驗分析

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Kodak 公司 Model 4540 可以 4500 fps 的速度紀錄 2000 張 256×256 解析度之全畫 面(full frame)影像，或以 40500 fps 的速度紀錄 2000 張 64×64 解析度之影像。另 外，Cooke 公司一系列之高速 CCD，如 SensiCam 可以最短 100ns 曝光時間連續 曝光10 次在同一張畫面中，並且擁有多種曝光模式；而 Dicam-Pro 則是加入了 放大器(intensifier)使其最短之曝光時間可達到 20ns，並且若使用 4 channel 的系 統，其曝光時間更達到3ns。

在考量本研究所需之系統性能與整合介面後，決定採用 Cooke SensiCam SVGA 之高速 CCD 感測器³作為系統之影像紀錄裝置，其相關參數列於表2-1：

表 4-3 Cooke SensiCam 高速 CCD 之基本特性參數 Cooke SensiCam SVGA

Scanning system Interline transfer & Progressive Scan Sensor Format Monochrome/Color 2/3”

Picture elements 1280(H)×1024(V) Pixel size 6.7µm×6.7µm Scan Area 8.6mm×6.9mm Scan Rate 12.5MHz A/D converter 12Bits Readout frequency 8 fps

Exposure Time 100ns sec. ~ 1m sec. (stand mode) Non-linearity <1%

SemiCam CCD 是 一 個 交 線 傳 輸 與 漸 進 式 掃 瞄 (interline transfer &

progressive scan)系統，其解析度高達 1280(H)×1025(V)像素，而每個像素大小為 6.7µm×6.7µm，故非常適於記錄斑點資訊。以 interline 的傳輸模式，如圖 4-75 所 示，其結構是在光二極體感測元件旁置於垂直暫存器(vertical register)，故轉移 (shift)速度比所謂的畫面傳輸(frame-transfer)的方法快上許多，且此種電子快門方 式，也可以避開傳統機械式快門所造成之振動情形；此外，以progress 的掃瞄模 式，是將每個光二極體所積蓄的信號一次獨立地傳送至垂直暫存器。因此，畫面 (frame)僅需經過一次的掃瞄即可完成整張影像的傳送，相較於傳統交錯式 (interlace)方法是分別對奇數場(odd field)及偶數場(even field)做掃瞄，以 progress 的掃瞄模式在拍攝高速移動的物體時較不會造成影像錯位的現象。

圖 4-76 為其系統架構，影像經由收光之鏡頭成像在 CCD 上，並由雙共軸纜 線(double coaxial cable)將資料快速傳至影像擷取卡上，再以直接記憶體存取 (DMA, Direct Memory Access)方式到系統記憶體中。而影像擷取卡將由 CCD 所 得到12Bits 資料轉換為 16Bits 到記憶體中，多出的 4Bits 則設為零。然而螢幕只 能顯示 8Bits 的資料，故系統內部會將此 16Bits 轉換為 8Bits，另外也可以輸出 (export)高達 16Bits 的檔案資料以得到較好的解析度。

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圖4-75 interline CCD 的傳輸模式

(Ref: http://microscope.fsu.edu/)

圖4-76 SemiCam 高速 CCD 系統示意圖

在操作模式上，SemiCam 提供了三種不同的功能，包含所謂之標準模式 (standard mode)、快速循環模式(fast cycles mode)以及雙曝光模式(double mode)。

圖2-15 為標準模式之時序圖，其提供了內部觸發與外部正負緣觸發功能，10 組 曝光時間可以設定在同一張畫面之中。除了曝光時間可以控制在 100ns~1ms 之 間，包含延遲時間(delay time)也可以加以設定在 0~1ms 間；而 CCD 讀出時間 (readout time) 則 是 決 定 於 影 像 範 圍 (ROI, Range of Image) 和 CCD 箱 化 數 (binning)。另外，系統本身的固定時間包含引入(phase in)時間和內部(intrinsic)時 間，前者大約為0~40ns，後者決定於傳輸線之規格，在本系統使用的是 5m 雙軸 傳輸線，大約時間為 1.64 sµ 。這些時間的總和，即為一張影像的輸出時間，也

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就是決定了畫面擷取速度(frame rate)。圖 4-77 為快速循環模式，其提供了五組的 循環曝光參數設定，除了曝光與延遲時間，多了循環次數這項參數，而每個曝光 都需要外部觸發啟動。圖 2-17 則為雙曝光模式，其發揮了 interline 快速傳輸的 優點，兩張之間的間隔可短至200ns，而第一張的曝光時間決定在外部的訊號時 間，亦即外部觸發訊號頻率，而第二張的曝光時間則由第一張的輸出時間(readout time)決定。

圖4-77 標準模式時序示意圖

圖4-78 快速循環模式時序示意圖

Depending of cable (1.64µs at 5m double coaxial)

Depending of CCD (Binning, ROI) External trigger

Time Phase in Intrinsic ..D1E1 D1E1 ….. D2E2. D2E2 …. CCD readout 0 ~ 40ns Cycle1 …. Cycle2 ….

Phase in Intrinsic Delay1 Exposure1 D2 E2 …. CCD 0 ~ 40ns 0 ~ 1ms 100ns~1ms …. …. ….

Depending of cable (1.64µs at 5m double coaxial)

Depending of CCD (Binning, ROI) Internal/External

trigger Exposure1 Exp.2

Time

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圖4-79 雙曝光模式時序示意圖 4.3.7 壓電迴授控制系統

在系統中將使用壓電陶瓷驅動器(piezoceramic actuator)作為光學相移機 構，在小電壓的操作下，其位移可以精準至奈米等級。然而，如圖 4-80 所示，

因為壓電材料本身具有非線性的遲滯效應(hysteresis)，且有許多外在的參數影 響，故在開迴路的放大電路系統中，其誤差會高達可應用位移範圍的10% ~15%，

這對於需要十分精準的光程相移之ESPI 系統而言，將會導致錯誤結果。因此在 迴授系統中利用感測器將真實的位移與電壓所欲產生的參考位移做比較，當有不 同時便立即補償到正確位移值，藉此提高精準度。

圖4-80 壓電遲滯效應

(Ref: http://www.piezomechanik.com)

本系統採用了德國Piezomachanik 公司的 PosiCon 150 作為迴授控制系統，

其使用了應變規(strain gage)直接固定(mount)在壓電柱上(stack)作為感測器。系統 有極佳之線性度(linearity)與可重複性(reproducible)，且改善了壓電材料潛變的 (creep)情形。此外，對於額外的負載外力與熱膨脹效應(thermal expansion)，此系 統亦有自動補償功能。圖 4-81 為其系統示意圖，包含壓電致動器、感測器、感 測放大電路、壓電放大電路以及迴授控制電路。另外對於此系統的精度與線性 度，本研究亦進行了相關驗證實驗，將於4-3 節中加以描述。

Depending of cable (1.64µs at 5m double coaxial) External trigger

Time

Depending of CCD (Binning, ROI) Phase in Intrinsic ..Exposure image1 Dead . ..Exposure image2

0 ~ 40ns 200ns Readout image1 .Readout

Depending of CCD (Binning, ROI)

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圖4-81 PosiCon 壓電迴授控制系統示意圖 4.3.8 電子斑點干涉影像處理

在第二章中，說明了本研究中高速電子斑點干涉儀之理論與架構，對於如何 從所得到的干涉條紋中取出相位資訊，並將其轉換為連續的變形資訊，將是本章 所討論的重點。這些技術包含了相移法、相位重建法以及相關影像處理法。除此 之外，對於ESPI 系統開發以來，應用在顯微系統所碰到最大的瓶頸—斑點易失 去相關性，本研究提出了創新的時進相移法，藉由拍攝一系列的影像進行演算，

在任何時間點皆可取得變形資訊，可成功保留斑點相關性，其原理將於本章中作 詳細說明。

4.3.9 相移技術原理與架構

光學干涉所帶有的資訊，是記錄光感測器所量測到的光強值，因此如何從中 獲得兩道光的相位差值，便是相移法的使用目的⁴。相移干涉術簡單來說，就是

光學干涉所帶有的資訊，是記錄光感測器所量測到的光強值，因此如何從中 獲得兩道光的相位差值，便是相移法的使用目的⁴。相移干涉術簡單來說，就是