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 利用光學相位調制(phase modulation)技術和干涉原理，將干涉之光強訊號轉換為 相位訊號的一種技術。其基本方法為利用物光及參考光所得之干涉條紋，藉由外 加的相位加以調變於原始干涉圖中，使原本的干涉圖產生對應的改變，再經由相 移運算法便能將干涉圖像中各點的光強資訊轉換為相位資訊。

應用在干涉技術中的相移法有數種方式，方法大致分為空間(spatial)相移與 時間⁵(temporal)相移兩大類，架構則包含利用機械調制、聲光調制、電光調制及 光學偏極元件調制等。利用機械調制的方法是以一些產生微小位移的裝置(奈米 等 級) ，例如 圖 4-82(a) 為 使 用 如 PZT 一 類 之 陶 瓷 壓 電 轉 換 器 (piezoelectric transducer)在光路上產生光程差來使得相位得以調制；另外，圖 4-82(b)利用一片 傾斜的光學鏡片，產生物光和參考光的相對平移也是此屬於類似方法。聲光調制 (AOM, Acoustic Optical Modulation)的方法，如圖 4-82(c)所示，是利用超聲波通 過光學介質，光學介質的折射率相對應發生週期性改變，折射率高低交替的結構 會如同移動光柵一樣繞射光波，藉此來調變光強、頻率或相位。電光調制(EOM,

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Electric Optical Modulation)則是利用晶體的光學性質在電場作用下所改變的情 形，即以所謂的怕克爾(Pockels)電光效應作為調制方法，使得電光晶體的折射率 隨著電場信號的規律變化而產生相應變化，當雷射通過晶體時，即獲得按信號變 化的相位，達到相位或頻率調制。圖3-1(d)則是利用偏光元件將物光和參考光之 偏極態調制成彼此垂直的方向，經由一個四分之一波板(quarter waveplate)變成左 右旋光，再經由旋轉偏極板(polarizer)產生與旋轉角度兩倍的相位延遲，這就是 所謂的 Pancharatnam⁶相位調制技術。本文在實驗中將採用壓電致動器搭配迴授 控制器產生微小的線性位移，藉此來改變物光與參考光間的光程差，做為調制相 位之方法。

相移干涉術的演算法可以將光學干涉條紋強度值轉換為相位差資訊。首先可 將CCD 所擷取到的干涉光強函數寫成以下的方程式：

I x y( , )=I x y0( , ) 1

{

+ν( , )x y cos[∆φ( , )x y ]

}

(4.157) 其中的I x y 是原光束的光強度、₀( , ) ν 是干涉條紋的可視度、∆φ( , )x y 是干涉的兩 道光的相位差。在(3-1)式中存在I x y 、 ( , )₀( , ) ν x y 和∆φ( , )x y 三個未知數，因此 至少需要三個獨立的量測結果才能決定其中的相位資訊∆φ( , )x y 。調制相位的技 術藉由上述提到各種方式使相位延遲或超前，其引入一獨立參數α 來改變參考光 和物光之間的相位差，藉由量測若干組不同獨立參數的光強資訊圖，即可滿足數 學上求解的條件。

圖4-82 一般常用之相移技術

相移干涉術⁷十分容易受系統本身與周遭環境的因素而產生誤差，其中環境 因素如振動與空氣擾動(air disturbance)，而系統本身因素則包含雷射光源的頻率 穩 定 性 、 相 移 機 構 的 誤 差 、 光 偵 測 器 的 非 線 性 、 偵 測 訊 號 的 量 子 化 效 應 (quantization)、與螢光幕周圍訊號或其他光線閃動的震盪現象(TV line jitter)....

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等。因此有許多不同的演算法^8,9設計出來補償這些誤差因素，如三步相移法 (three-step technique)、四步相移法(four-step technique)以及五步相移法(five-step technique)等，並且這些技術也成功被應用在 ESPI 求解相位之過程¹⁰。而相移技 術一般的原則是當相移步數越多時，所能求得的相位就會越準確，本研究考慮所 欲求的未知數與演算時間，將以五步相移法為基礎來發展相關演算法求得相位，

等。因此有許多不同的演算法^8,9設計出來補償這些誤差因素，如三步相移法 (three-step technique)、四步相移法(four-step technique)以及五步相移法(five-step technique)等，並且這些技術也成功被應用在 ESPI 求解相位之過程¹⁰。而相移技 術一般的原則是當相移步數越多時，所能求得的相位就會越準確，本研究考慮所 欲求的未知數與演算時間，將以五步相移法為基礎來發展相關演算法求得相位，

在文檔中 微機電與奈米系統多功光學顯微量測儀之研製(3/3) (頁 90-0)