TWI414757B - Measuring device and method for generating twist interference by grating modulation phase shift - Google Patents

Description

利用光柵調變相位移產生疊紋干涉的量測裝置及方法

本發明係一種應用於表面量測及應力量測方面的技術領域，尤指一種可作全場域且非接觸性的量測、單一光柵可量測之變形量增加、架設簡單、環境穩定要求低及量測快速精確之利用光柵調變相位移產生疊紋干涉的量測裝置者。

目前在機械工業上量測表面形貌及量測應力大小的方法，大多是以非接觸光學的方法來檢測物體表面及微小的位移，而其中常用的技術不外乎光學應變規、傳統光學干涉術、斑點干涉、疊紋等，從量測待測元件本身的位移量去推算應變量，再從應變量轉化成力的大小。陰影疊紋干涉術的優勢是它可以做全場域的量測、非接觸性、實驗架設簡單、對環境穩定性要求低且量測快速。因此疊紋技術在力學上的應用非常廣泛。

疊紋法最早由Weller和Shepard於1948年所提出，用於位移的量測。而在1960年Morse等人成功的將疊紋干涉法運用在應力的分析上。1964年Theocaris發明了陰影疊紋干涉術，量測了面外位移。在1970年代，相位偏移干涉法開始被運用在干涉儀做許多的量測。

陰影疊紋干涉儀是利用一光線通過一參考光柵在待測物上形成變形陰影光柵，再利用影像擷取系統擷取陰影光柵與參考光柵形成之疊紋。從面外位移公式看來，當光柵越密其靈敏度越高，但是實際上光柵間隔若是太小(200行/毫米)則將引起光場繞射，使得一階之陰影疊紋對比減弱，解析度降低。因此，相位移技術就被應用在疊紋干涉儀中。相位移技術是可決定干涉條紋中每個像素相位之相位估測方法之一，藉由相位移技術，物件表面位移場的連續分佈將可顯示出來，並且提高精度。

習知的相位移疊紋干涉儀，如台灣公告第I247881號專利所示，其主要係利用一液晶相位調變器用以調變該干涉儀中光束之光相位，然而其光源必須選定雷射，系統較為昂貴，而且必須製做試片光柵，步驟較為繁瑣。

另一習知的相位移疊紋干涉儀，如台灣公告第I263801號專利所示，其主要係為垂直式單光束陰影疊紋干涉儀，應用於BGA電子構裝撓曲量量測。然而由於其之樣品設置方式，對於軟性電子基板的量測會引入誤差量。

有鑒於此，本發明人係針對上述習知的相位移疊紋干涉儀於設計上未臻完善所導致之諸多缺失及不便，而深入構思，且積極研究改良試做而開發設計出本發明。

本發明之主要目的係在於提供一種可作全場域且非接觸性的量測、單一光柵可量測之變形量增加、架設簡單、環境穩定要求低及量測快速精確之利用光柵調變相位移產生疊紋干涉的量測裝置者。

本發明所述之利用光柵調變相位移產生疊紋干涉的量測裝置包括一光源產生模組、一分光器、一載座、一參考光柵、一相位移器、一第一反射鏡組、一第二反射鏡組、一影像擷取單元及一處理單元。其中，該光源產生模組係供產生一光束。該分光器係供將該光源產生模組的光束分成一第一光束及一第二光束。該載座係供承載及固定一待量測元件。該參考光柵位在該待量測元件一側。該相位移器係供帶動該參考光柵平移接近或遠離該待量測元件以產生數個平移相位。該第一反射鏡組係供反射該第一光束，並使該第一光束從一方向以一第一入射角照射在該參考光柵上，使於該待量測元件上產生一第一陰影光柵。該第二反射鏡組係供反射該第二光束，並使該第一光束從另一方向以一第二入射角照射在該參考光柵上，使於該待量測元件上產生一第二陰影光柵，該第二入射角與該第一入射角相同。該影像擷取單元係供擷取該參考光柵在數個平移相位時與該第一、二陰影光柵所形成的疊紋干涉影像。該處理單元係電連接該影像擷取單元用以處理該影像擷取單元所擷取的疊紋干涉影像，並以相位移演算法計算出該待量測元件之表面狀態。

本發明所述之利用光柵調變相位移產生疊紋干涉的量測 方法包括將一光束分為一第一光束及一第二光束；使該第一、二光束分別由兩方向以相同的入射角照射在一參考光柵上，使於一待量測元件上產生一第一陰影光柵及一第二陰影光柵；平移該參考光柵使接近或遠離該待量測元件以產生數個平移相位；再利用一影像擷取單元擷取該參考光柵在數個平移相位時與該第一、二陰影光柵所形成的疊紋干涉影像；最後利用一處理單元處理該影像擷取單元所擷取的疊紋干涉影像並以相位移演算法重建出該待量測元件的表面形貌。

如此，藉由上述之量測裝置及方法，係可利用發展出一種數學運算模式，只要於一幅疊紋干涉影像中左右各出現一條對稱式疊紋便可以計算出軟性電子基板應力值，因此係具有快速、精確、簡單等優點。特別是可將光柵平移數個特定相位，取三幅以上的疊紋干涉影像，便可做待量測元件表面形貌重建，而且藉由變形前後的高度差值係計算出軟性電子基板應力值，使得本發明可以提高量測精確度。另外，本發明亦可將分光器移除以使其成為單光束光柵調變相位移之陰影疊紋干涉儀，進而可進一步減少運算時間提升量測效率。

請參閱第一圖所示，係顯示本發明所述之利用光柵調變相位移產生疊紋干涉的量測裝置包括一光源產生模組1、一分光器2、一載座3、一參考光柵4、一相位移器5、一第一 反射鏡組6、一第二反射鏡組7、一影像擷取單元8及一處理單元9。其中：

該光源產生模組1包含一光源產生器10、一空間濾波器(Spatial Filter)11、一光圈12及一傅立葉透鏡(Fourier lens)13。該光源產生器10可供產生一光源，該光源可為雷射光或鹵素光。該空間濾波器11設在該光源產生器10之一側可供調整兩者間的距離，用以供除去該光源因空氣中粒子的散射或是光學瑕疵影響所產生的空間雜訊(Spatial noise)。該光圈12設在該空間濾波器11之相反於該光源產生器10的一側可供光源通過，且可調整該光圈12與該空間濾波器11之間的距離。該傅立葉透鏡13設在該光圈12之相反於該空間濾波器11的一側，可供該光源通過以產生一光束，且可調整該傅立葉透鏡13與該光圈12之間的距離。該空間濾波器11係為於一共焦點凸透鏡組14的焦點位置設置一針孔15(直徑10~20μm)而成者。

該分光器2係用以供將該光源產生模組1的光束分成一第一光束A及一第二光束B。

該載座3係供承載及固定一待量測元件30，且可調整該待量測元件30昇降或移動。

該參考光柵4位在該待量測元件30的前側，其係為網版印刷在一光學玻璃上之穿透式光柵。

該相位移器5係供該參考光柵4組裝於其上，該相位移 器5可帶動該參考光柵4水平移動地接近或遠離該待量測元件30以產生數個平移相位。該相位移器5具有一步進馬達50供作為其帶動參考光柵4平移的驅動器。

該第一反射鏡組6包含一第一反射鏡片60、一第一旋轉座61及一第一光圈62。該第一光圈62位在該第一反射鏡片60與該參考光柵4之間。該第一反射鏡片60可供反射該第一光束A，使該第一光束A從一方向穿過該第一光圈62而以一第一入射角照射在該參考光柵4上，致使於該待量測元件30上產生一第一陰影光柵。該第一旋轉座61供該第一反射鏡片60組裝於其上且可供調整該第一反射鏡片60轉動至一角度，以達到調整該第一入射角之目的。

該第二反射鏡組7包含一第二反射鏡片70、一第二旋轉座71及一第二光圈72。該第二光圈72位在該第二反射鏡片70與該參考光柵4之間。該第二反射鏡片70可供反射該第二光束B，使該第一光束B從另一方向穿過該第二光圈72而以一第二入射角照射在該參考光柵4上，致使於該待量測元件30上產生一第二陰影光柵。該第二入射角的角度與該第一入射角相同。該第二旋轉座71供該第二反射鏡片70組裝於其上且可供調整該第二反射鏡片70轉動至一角度，以達到調整該第二入射角之目的。

該影像擷取單元8係可為自感光耦合元件型(Charge Coupled Device，CCD)影像擷取器，其係可供擷取該參考光 柵4在數個平移相位時與該第一、二陰影光柵所形成的疊紋干涉影像，如第二圖所示。

該處理單元9係電連接該影像擷取單元8，供用於處理該影像擷取單元8所擷取的疊紋干涉影像，並以相位移演算法計算出該待量測元件30之表面狀態。

請參閱第三圖所示，係顯示本發明所述之利用光柵調變相位移產生疊紋干涉的量測方法包括：(a)將一光束分為一第一光束及一第二光束；(b)使該第一、二光束分別由兩方向以相同的入射角照射在一參考光柵上，使於一待量測元件上產生一第一陰影光柵及一第二陰影光柵；(c)平移該參考光柵使接近或遠離該待量測元件使產生數個平移相位，該參考光柵的平移相位係由該第一、二光束的入射角及該參考光柵上的光柵條紋間距決定；(d)利用一影像擷取單元擷取該參考光柵在數個平移相位時與該第一、二陰影光柵所形成的疊紋干涉影像(如第二圖所示)；以及(e)利用一處理單元處理該影像擷取單元所擷取的疊紋干涉影像並以相位移演算法重建出該待量測元件的表面形貌。

在上述方法之中，該(a)步驟係可僅利用一光束直接照射在該參考光柵上，使於該待量測元件上產生一陰影光柵， 因此該(e)步驟中的處理單元便可以相位移演算法重建出該待量測元件的半邊表面形貌。藉此以進一步減少運算時間提升量測效率

請參閱第四圖所示，係指出本發明所述之利用光柵調變相位移產生疊紋干涉的量測方法係可應用在量側軟性電子基板上，其步驟係與上述大致相同，差別在於將該待量測元件改為一軟性電子基板。然後(d)步驟中係利用該擷取單元可擷取該軟低電子基板變形前、後之數個相對應相位的疊紋干涉影像；(e)步驟中係利用該處理單元處理該些疊紋干涉影像並以相位移演算法重建出該軟性電子基板的表面形貌；最後增加一(f)步驟利用該處理單元計算變形前、後該軟性電子基板之表面薄膜的相對高度及其差值以得出該軟性電子基板應力值。在本實施方式中，當該疊紋干涉影像為左右各出現一條對稱式疊紋時可以計算出應力。

由第五圖所示，係可得到該待量測元件30之面外位移值(out-of-plane)的表示公式如下：

其中：△W代表該待量測元件之面外位移值。

α 代表入射光束與參考光柵4法線之夾角。

P代表光柵條紋間距。

α 及P為已知參數。

由第六圖所示並配合上述公式，係可得到該待量測元件30之量測位置的曲率半徑。

根據畢氏定理可知：R ² =(R -w )² +δ ²

可得到：

其中：R代表量測元件30之量測位置的曲率半徑。

W=△W代表該待量測元件之面外位移值。

δ代表第一疊紋到中線的距離(為量測值)。

由第七圖所示，當基板彈性模數E _s 大於50GPa時，我們稱此基板為硬性基板，由於基板是硬的，係可得到硬性基板應力值的代表公式，Stoney公式，如下：

由第七圖所示，當基板彈性模數E _s 小於5GPa時，我們稱此基板為軟性基板，所以易受應力影響而產生彎曲，因此做Stoney公式的修正。我們假設當物體達到能量平衡狀態下，總內能不隨應變及曲率改變，係可得到軟性電子基板應力值修正公式，如下：

綜上所述，由於本發明具有上述優點及實用價值，而且在同類產品中均未見有相同或類似之產品或發表，故本發明已符合發明專利之新穎性及進步性要件，爰依法提出申請。

1‧‧‧光源產生模組

10‧‧‧光源產生器

11‧‧‧空間濾波器

12‧‧‧光圈

13‧‧‧傅立葉透鏡

14‧‧‧共焦點凸透鏡組

15‧‧‧針孔

2‧‧‧分光器

3‧‧‧載座

30‧‧‧待量測元件

4‧‧‧參考光柵

5‧‧‧相位移器

50‧‧‧步進馬達

6‧‧‧第一反射鏡組

60‧‧‧第一反射鏡片

61‧‧‧第一旋轉座

62‧‧‧第一光圈

7‧‧‧第二反射鏡組

70‧‧‧第二反射鏡片

71‧‧‧第二旋轉座

72‧‧‧第二光圈

8‧‧‧影像擷取單元

9‧‧‧處理單元

A‧‧‧第一光束

B‧‧‧第二光束

第一圖為本發明之裝置的平面架構示意圖。

第二圖為本發明之影像擷取單元所擷取的疊紋干涉影像。

第三圖為本發明之方法的流程圖。

第四圖為本發明之方法的另一種實施狀態的流程圖。

第五圖為本發明之參考光柵與陰影光柵示意圖。

第六圖為本發明之參考光柵與待量測元件的相對關係示意圖。

第七圖為本發明應用於量測軟性電子基板的示意圖。

1．．．光源產生模組

10．．．光源產生器

11．．．空間濾波器

12．．．光圈

13．．．傅立葉透鏡

14．．．共焦點凸透鏡組

15．．．針孔

2．．．分光器

3．．．載座

30．．．待量測元件

4．．．參考光柵

5．．．相位移器

50．．．步進馬達

6．．．第一反射鏡組

60．．．第一反射鏡片

61．．．第一旋轉座

62．．．第一光圈

7．．．第二反射鏡組

70．．．第二反射鏡片

71．．．第二旋轉座

72．．．第二光圈

8．．．影像擷取單元

9．．．處理單元

A．．．第一光束

B．．．第二光束

Claims (7)

1. 一種利用光柵調變相位移產生紋干涉的量測裝置，包括：一光源產生模組，供產生一光束；一分光器，供將該光源產生模組的光束分成一第一光束及一第二光束；一載座，供承載及固定一待量測元件；一參考光柵，位在該待量測元件一側；一相位移器，供帶動該參考光柵平移接近或遠離該待量測元件，使產生數個平移相位；一第一反射鏡組，係包含一第一反射鏡片、一第一旋轉座及一第一光圈，該第一反射鏡片可供反射該第一光束，該第一旋轉座供該第一反射鏡片結合於其上且可供調整該第一反射鏡片轉動至一角度使該第一光束從一方向以一第一入射角照射在該參考光柵上，使於該待量測元件上產生一第一陰影光柵，該第一光圈位在該第一反射鏡片與該參考光柵之間；一第二反射鏡組，係包含一第二反射鏡片、一第二旋轉座及一第二光圈，該第二反射鏡片可供反射該第二光束，該第二旋轉座供該第二反射鏡片結合於其上且可供調整該第二反射鏡片轉動至一角度使該第二光束從另一方向以一第二入射角照射在該參考光柵上，使於該待量測元件上產生一第二 陰影光柵，該第二入射角與該第一入射角相同，該第二光圈位在該第二反射鏡片與該參考光柵之間；一影像擷取單元，供擷取該參考光柵在數個平移相位時與該第一、二陰影光柵所形成的疊紋干涉影像；以及一處理單元，係電連接該影像擷取單元用以處理該影像擷取單元所擷取的疊紋干涉影像，並以相位移演算法計算出該待量測元件之表面形貌。
2. 如申請專利範圍第1項所述之利用光柵調變相位移產生疊紋干涉的量測裝置，其中光源產生模組可供產生一光源，光束經分光鏡分光，分別通過第一反射鏡組與第二反射鏡組，其中第一光圈與第二光圈設置於反射鏡與光柵之間，可準直光束並阻擋二階反射光，提高量測準確度。
3. 如申請專利範圍第1項所述之利用光柵調變相位移產生疊紋干涉的量測裝置，其中該參考光柵係為不產生繞射現象之穿透式光柵，條紋間距大於0.03毫米。。
4. 一種利用光柵調變相位移產生疊紋干涉的量測方法，包括：(a)將一光束分為一第一光束及一第二光束；(b)使該第一、二光束分別由兩方向以相同的入射角照射在一參考光柵上，使於一待量測元件上產生第一陰影光柵及第二陰影光柵，重疊為一對稱式陰影疊紋干涉影像；(c)平移該參考光柵使接近或遠離該待量測元件使產生 數個平移相位；(d)利用一影像擷取單元擷取該參考光柵在數個平移相位時與該陰影光柵所形成的疊紋干涉影像；以及(e)利用一處理單元處理該影像擷取單元所擷取的疊紋干涉影像並以相位移演算法重建出該待量測元件的表面形貌。
5. 如申請專利範圍第4項所述之利用光柵調變相位移產生疊紋干涉的量測方法，其中該待量測元件可為一軟性電子基板，該擷取單元可擷取該軟低電子基板變形前、後之數個相對應相位的疊紋干涉影像，該處理單元處理該些疊紋干涉影像並以相位移演算法重建出該軟性電子基板的表面形貌，及計算變形前、後該軟性電子基板之表面薄膜的相對高度及其差值以得出該軟性電子基板應力值。
6. 如申請專利範圍第5項所述之利用光柵調變相位移產生疊紋干涉的量測方法，其中該(d)步驟的疊紋干涉影像為左右各出現一條對稱式疊紋時便可以計算出應力。
7. 如申請專利範圍第4或5項所述之利用光柵調變相位移產生疊紋干涉的量測方法，其中該(c)步驟之參考光柵的平移相位係由該第一光束的入射角及該參考光柵上的光柵條紋間距決定。