量測系統架構

本實驗室先前已發展一套雙狹縫彩色差動共焦系統，其是將光源經由光纖一 分為二，並在光纖前方放置大小不同的線型狹縫，讓光感測器裝置各自感測一組 強度反應曲線，其中一組光感測器會得到較窄的全寬半高值(FWHM)；而另一組光 感測器會得到較寬的 FWHM，其系統架構如圖 3.16 所示[2]。

圖 3.16 舊型彩色差動共焦系統光路示意圖

但在舊有彩色差動共焦系統架構下，光源經一分二光纖之後在到達感測器之 前經過四次分光鏡，大大降低光源使用效率，增長曝光時間降低量測速度。另外 從架構示意圖可看出在感測器前方並無狹縫等共焦架構所需之空間濾波裝置，影 響量測系統之精確性。因此，本研究所發展之新型雙狹縫彩色差動共焦量測系統 如圖 3.17 所示，光源經光纖導入光路系統中，經自行設計之軸向色散物鏡聚焦於 量測物表面後反射，最後經分光鏡(BS)分成兩組訊號經過大小不同之狹縫後藉由兩 光感測器進行訊號之接收。在對於相同寬度之狹縫(20 μm)下達到相同近飽和之曝 光值，舊架構曝光時間約為 4 ms，新架構為 0.5 ms，大幅縮短了曝光時間。

圖 3.17 本研究開發之新型雙狹縫彩色差動共焦系統光路圖

而為了測試有無後端狹縫進行空間濾波對量測系統精確度之影響，在量測探 頭設計加工前，已先架設了 Free Space 光路進行驗證，如圖 3.18 所示。而由圖 3.19 可看出，加入後狹縫後有較佳之濾非聚焦光之效果。並為了量化濾波效果之差異，

藉由量測同一點(pixel)同高度下的光強跳動值進行驗證(一次實驗之光強擷取總共 取 30 次，各次間隔時間為 10 秒。)實驗結果如表 3.3 所示，使用之 CCD 動態範圍 為 1024 灰階，在無後端狹縫的情況下(同舊有架構)，光強值因非焦點光的影響使 得光強跳動約為 4 個灰度值，藉由光強差動運算所得之 Ratio 值與深度關係，可得 出造成約 4 μm 誤差；而現有架構加入後端狹縫後有效濾除非焦點光，光強跳動約 為 1~2 個灰度值 ，造成約 1.5 μm 誤差。

圖 3.18 Free Space 架設圖

圖 3.19 反射光進入狹縫前後之差異

表 3.3 光強跳動實驗結果

有後端狹縫 無後端狹縫

狹縫寬度 50 μm 250 μm X

光強跳動標準差(灰度值) 0.32 0.66 1.13 光強跳動 Peak to Valley

(灰度值)

1.2 2.3 4.1

另外在光強跳動實驗中也發現，曝光時間縮小也能降低光強之跳動，所以有 效提高光源使用效率也能提升量測之精度。設計運用兩相同之半柱狀透鏡連結線 光纖出口與前端入光狹縫，進行聚光增強光源使用效率。ZEMAX 光路模擬如圖 3.20 所示，圖 3.21 為 SolidWorks 機構設計圖及實體照。

圖 3.20 半柱狀透鏡聚光模擬

圖 3.21 聚光鏡組 SolidWorks 機構設計圖及實體照

總結來說，本研究發展之新型雙狹縫彩色差動共焦量測系統優點為：

1. 高光源效率：相較舊架構光路中經過四次分光鏡，新架構只經過三次分 光鏡，提高光源使用效率，有效縮短曝光時間提高量測速度。

2. 共軛焦濾波功能：新的架構藉由兩 CCD 前之大小狹縫得到兩不同 FWHM 之訊號進行差動運算，達成共軛焦系統空間濾波之效果，降低量測誤差。

3. 系統調校簡易：舊架構須確定兩道光訊號打在同一量測點上，調校不易。

新架構兩道訊號在兩 CCD 接收前才分出，共光路較長且並無量測不同點 之問題，大幅縮短調教時間。另外配合設計之無窮補正色散物鏡，在未

來不同量測需求下更換物鏡時架構不受影響，增加系統可行與實際性。

本研究在以 Free Space 光路驗證之後，開始進行完整的雙狹縫彩色差動共焦量 測探頭之設計。系統以 SolidWorks 來設計光學量測探頭機構，如圖 3.22 所示， 圖 3.23 為加工出的探頭系統實體照。各光學元件固定機構依據不同的需求設計，可 留有數個軸向自由度以符合光學架構微調之要求。

圖 3.22 探頭 SolidWorks 設計圖

圖 3.23 雙狹縫彩色差動共焦系統實體圖

硬體架構中，光源部分如圖 3.24(a)所示，以 100W 氙燈作為其寬頻光源，波長 分佈範圍從 400 至 700 nm 左右，氙燈於可見光波段具備較佳的飽和程度，對於量 測系統以波長及光強進行檢測較為穩定；並且以線性光導管，圖 3.24(b)，有效將 光源導引至系統中； 圖 3.24(c)為鉻玻璃光罩製作之狹縫，以達成線掃描共焦空間 濾波效果以及差動演算法架構所需之不同 FWHM 偵測光強。

(a) (b) (c)

圖 3.24 (a)氙燈光源、(b)線性光纖導管、(c)鉻玻璃光罩

光路中以非偏極分光鏡(non-polarizing beam splitter, NPBS)進行分光達成同軸 之彩色差動共焦顯微架構，如圖 3.25 所示；而彩色共焦的寬頻光軸向色散部分主 要是靠自行設計之 2X 軸向色散物鏡，圖 3.26，使不同波長聚焦至不同深度位置，

配合差動演算可得一即時深度量測曲線，量測時不須深度掃描；而即時深度量測 校正曲線就需事前搭配一標準平面反射鏡進行縱向垂直掃描建立之，平面反射鏡 之基板表面上通常會用鋁、銀或是其他材質鍍上一層覆膜成為全反射鏡，圖 3.27 所示，將聚焦光反射回光路系統中。

圖 3.25 非偏極分光鏡 NPBS

圖 3.26 2X 軸向色散物鏡

圖 3.27 標準平面反射鏡

最後，待測物反射光訊號通過後端不同寬度狹縫所產生一組大小 FWHM 偵測 光強由兩彩色線 CCD 接收，如圖 3.28，透過差動演算法來進行即時光強比值對深 度轉換。並搭配電控位移平台，圖 3.29，Z 軸進行掃描前的即時深度量測校正曲 線建立、XY 軸配合掃描可完成待測物大範圍三維形貌之量測。

圖 3.28 彩色線 CCD 裝置

圖 3.29 三軸電控位移平台

表 3.4 為雙狹縫彩色差動共焦量測系統各元件詳細規格表，而表 3.5 為系統 中部分零件之光譜響應圖[22]。

表 3.4 量測系統各元件規格表

編號 名稱 型號 規格

1

氙燈 (Xenon lamp,

L8253)

Hamamatsu Photonics, LC8-03

波長範圍：400-700 nm 燈泡壽命：2000 hr

2 光纖導管 TFO

LG-L50-6-H-1000-F1

大小：35×35×35 mm³ 波長範圍：430-670 nm

材質：BK7 穿透率：45±5%

5 非偏極分光鏡 Edmund #49-004

大小：50×50×50 mm³ 波長範圍：430-670 nm

1/10λ@632.8 nm 直徑：50.8 mm 厚度：12.7 mm

8 半柱狀透鏡 Edmund #46-020

曲率半徑：12.96 mm 寬度：25 mm 長度：50 mm 後焦長(BFL)：17.74 mm

材質：N-BK7

9 消色散雙合透鏡 Edmund #32-917

直徑：25 mm 中心厚度：12.5 mm 後焦長(BFL)：194.14 mm

材質：N-BK7/N-SF5

10 三軸向位移裝置 SIGMA TECH FS-1050X

最大速度：10 mm/sec (Xenon lamp,

L8253)

波長範圍：

400-700 nm

非偏極分光鏡 波長範圍：

430-670 nm

平面反射鏡

波長範圍：

400-700 nm (反射率>95%)

彩色 CCD 波長範圍：

400-700 nm