系統架構設計與組裝

4.2.4.1 光機部分

本論文的目標是在建構一全新的雙軸量測系統，相較於市面上已存在的雙軸切 換式量測系統，本論文提出的系統利用了偏極態互相垂直的觀念，將兩軸的量測光 路彼此獨立而不互相干擾，詳細詳細架構於後討論。

4.2.4.2 面內部分光路

圖 4.50 是面內部分的量測光路，其基本架構為一個 heterodyne 都卜勒干涉 儀。雷射光經過了偏極分光鏡PBS1 後分為 P 光與 S 光，我們將 P 光用來作面內部 分的量測，而S 光則用來作面外部分的量測。經偏極分光後的 P 光再經過一個 NPBS1 分為等量的兩道光，在其中一道光使用了聲光調變器將其作移頻的動作，另一道光 則不坐任何處理，然後將兩道光透過一個聚焦鏡(Focusing Lens)聚焦到待測物的表 面上。但為了使兩道光的光程差最小，在不作移頻處理的那道光的光路中加上一個 鏡子(Dummy glass, DG)，使這道光看到與通過聲光調變器的另一道光相同的路徑 差。在面內光路的最後放置聚焦鏡有三個用處，一是讓絕大多數的光強落在欲量測 的微小區域上，達到單點量測(非全域)的目的；二是根據都卜勒效應，In-plane 部分 的運動資訊會隨著兩道量測光之間的夾角而有不同的敏感度，因此為了光機上的調 校方便我們直接使用聚焦鏡使平行入射的兩道光產生α 度的夾角；三是因為聚焦鏡 的存在，雷射光從物體表面散射開來後，遇到聚焦鏡部分的散射光又會轉換回平行 光，因此就可以在光路中放置反射鏡或其他的光學元件將這部分的散射光引入雪崩 式光電偵測器，大大的增加散射光的收光效率。在這裡，考慮到在不影響量測光的 行進路徑下，我們在光路中加入了一個Aperture Mirror，用來將從運動物體表面散 射開來的光轉折到感測器的方向，最後再利用另一個聚焦鏡將散射光聚焦到雪崩式 光電放大器上。

圖 4-50 In-plane 部分量測光路

最後，散射光通常會帶有許多空間上的雜訊，因此為了提高訊號的雜訊比，我 們在光進入感測器之前放置了一個pin hole 來濾除空間中的雜訊。

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4.2.4.3 面外部分量測光路

圖4-51 是面外部分的量測光路，其基本架構為一個 Quadrature 都卜勒干涉儀，

是將台灣大學微奈米機電實驗室已經發展出來的創新雷射都卜勒振動/干涉儀 (Advance Vibrometer/Interferometer Device, AVID)作光路上的修正。經 PBS1 分開後 的S 光先經由一個四分之一波板(QW1)將其轉變為圓偏光，然後再以一個 NPBS 將 此一圓偏光分為光強相等的參考光及物光。參考光經由一個corner cube 後沿原路反 射，而物光則再經過一個四分之一波板(QW2)又轉換回線偏光(S 光)，同樣的為了使 因待測物表面的粗糙造成的散射效應所散射開的光絕大多數能再變回平行光沿原光 路回來，並減小光點大小(spot size)，我們依舊使用了聚焦鏡將雷射光聚焦到物體表 面上。反射後的物光因為 PBS2 的存在會沿著同樣的路徑回來，即從待測物回來的 物光又會再度經過四分之一波板(QW2)轉換成圓偏光，但是因為反射會造成 180 度 的偏極態轉換，也就是說當物光與參考光在 NPBS2 交會時，一個為左旋偏振光、

另一個則為右旋偏振光，合成之後仍然成為一個會因物體表面運動而改變偏極方向 與水平方向夾角之線偏振光。最後再將此線偏振光引導入後段實驗室已經發展出來 的Four Photo-Detectors Quadrature Detection 光路，利用電場正交的特性取得 P/Q 訊 號以便進行訊號解析。

圖 4-51 面外部分量測光路

4.2.4.4 雙軸光路

將上述兩個方向的量測光路結合後就形成圖 4-52 的創新雙軸都卜勒干涉儀的 架構。其中在光路的最前端，我們將雷射架在一個旋轉夾座(rotating mount)上，使 得兩個方向的量測光強弱可由旋轉雷射來調變，因此當系統主要用來量測某一個方 向的運動時，就可以將另一個方向的量測光光強調到最弱，以增加欲量測方向光路 部分的解析度。另外在光路的最末端為了使兩個方向的光路完全獨立開而不互相影 響，我們在量測光進入物體前放置了一個偏極分光鏡 PBS2，讓量測面外的 P 光打 到物體後散射光依舊穿透此一偏極分光鏡；相反的，量測面內的S 光經由物體反射

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後也因為此一偏極分光鏡而無法穿透，仍沿著原來的光路回去。

圖 4-52 創新雙軸都卜勒干涉儀架構

針對電荷耦合裝置 (charge coupled device, CCD)體積小，重量輕的特性，以電荷耦 合裝置製成一種為行光路校正與影像系統，可方便迅速準確的校正干涉儀光路。圖 4.3 中，面外回來的光經由一個 4%的分光鏡將光導入電荷耦合裝置鏡組中，由於干 涉儀在量測時是聚焦到物體表面，因此若電荷耦合裝置成像面也聚焦時，物體的影 像就可以成像在電荷耦合裝置上，形成一個顯微鏡系統，這是所謂的對準望遠自動 平行化(Alignment-telescope/ Auto-Collimator)的原理。所以加上這個電荷耦合裝置後 我們就可以很清楚的看到雷射光聚焦點的準確位置，也可以知道最後聚焦點的大 小，可加速系統的調校。

4.2.4.5 系統元件選擇

接下來介紹光機系統組裝時使用到的各項元件其規格即使用時的注意事項。

雷射光源選用部分，本論文中使用波長633 奈米的 He-Ne 雷射作為光源，在選擇時 須考慮到幾項因素，

1. 同調長度要夠長，最好要超過 30 公分。

2. 為了調校方便，最好使用可見光光源。

3. 雷射光頻率穩定。

4. 雷射功率不能太小，才能同時作雙軸的量測。

鏡組選用部分，干涉儀是使用光干涉法來量測的工具，干涉光的品質直接影響量測

準度與精度，要產生良好的干涉光除了偏極態相同外光波前也必須保持。所以如果 鏡組品質不好，光波前就會被破壞，干涉出來的訊號也就不會乾淨，容易造成訊號 解析的誤差，因此在制定鏡組規格時尚須標示特定波長的鍍膜與反反射鍍膜。在鏡 組的尺寸選用部分，為了將系統儘量的縮小以因應不同的量測需求，並作組裝方便 的考量下，除了面內光路中用來將兩道量測光轉折到待測物方向的直角鏡(R/A Mirror2)，因聲光調變器的尺寸限制需選擇使用一吋的大小外，光路中使用的四分之 一波版、偏極分光鏡、非偏極分光鏡、直角鏡與聚焦鏡等鏡組皆為二分之一吋大小 的尺寸。

聲光調變器選擇方面，聲光調變器通常是 Heterodyne 干涉儀系統中最佔空間的元 件，為了讓系統的整體尺寸盡量縮小，就必須盡量選擇較為輕薄的聲光調變器。另

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外，聲光調變器在作移頻時並非能將所有的入射光全部集中在某一階光上，所以能 量的損失是在所難免，但是若是損失的能量過大就必須選擇較為高能的雷射或放棄 量測解析度，因此必須選擇折射效率較好的聲光調變器，圖4-53 是本計劃中選用的 聲光調變器其尺寸及規格圖，其一階光的折射效率可高達90.6%^17,18,19。

圖 4-53 聲光調變器尺寸及規格圖

光偵測器選擇部分，是一種以光導體製程 p-n junction 製成的光電元件，可以感測 光電流而用來量光強度，也就是說光偵測器是將光訊號轉換成電訊號的裝置。干涉 儀產生干涉之後到達偵測器前是屬於光學信號的範圍，最後輸出電子訊號的好壞已 經被光路決定了一半，而另外一半就受光偵測器的品質所影響。光偵測器的選用主 要考慮有光譜特性、頻率特性與光電特性等，以滿足光路上的使用需求。在面外光 路部分，一般而言，干涉後的訊號最後回到光偵測器時光強不是太弱，因此我們選 用體積小與價格較為便宜的光二極體接收器。而 In-plane 光路部分，因為最後回到 偵測器的散射光光強相當微弱，用一般的光二極體接收器無法提高其雜訊比，也使 得其適用範圍相對變小，所以在這裡我們選用雪崩式光偵測器作為面內部分光路的 光偵測器。需注意的是因為雪崩式光偵測器是在高壓驅動下動作，其相當容易受環 境溫度變化的影響，因此在選用雪崩式光偵測器除了上述幾點的光偵測器選用注意 事項外，還需考慮其是否有包含恆溫控制或溫度補償的功能。圖4.54 是本計劃中選 擇的雪崩式光偵測器其內部功能(function)示意圖。

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圖. 4-54 雪崩式光電感測器方塊圖

圖4.55 是雪崩式光電感測器的頻率響應特性圖。從圖中可以看出此一雪崩式光偵測 器適用的頻率範圍在10MHz~100MHz 之間，正好符合本論文中選用的 40MHz 調變

載頻之聲光調變器。

圖 4.55 雪崩式光電感測器頻率響應圖

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4.2.5 訊號處理部分