TWI472715B - 同步式動態輪廓量測干涉儀 - Google Patents
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Description
本發明係涉及一種二維表面週期變化之輪廓量測光學干涉儀架構，係藉由光學干涉與相位調變與解調概念，達到量測待測元件表面的瞬間輪廓二維分佈之同步式動態輪廓量測干涉儀。
隨著精密製造技術的進步與發展，例如微透鏡、超大型積體電路等，對表面輪廓、粗糙度，應力分布或是型態分佈的認知需求愈發強烈，這些數據可以提供製程改良指引，以及加工物件之品質判斷。但在某些應用場合，表面輪廓分佈並非固定不變，而是隨著外界訊號做週期性的變化，例如對於藍布波(Lamb wave)在板塊材質上傳遞，導致表面輪廓的週期變化，這種動態輪廓變化經由監測分析，可以瞭解橋樑、建築等的應力分佈狀態，尤其是對片狀工程結構的機械疲勞、銹蝕、表面或內層缺陷的偵測，可以獲知該工程結構的表層或內層缺陷。目前這類板材式工程結構的表面動態輪廓檢測，是藉由單點量測，將細微的表面傳導波形之週期振動，轉換為電子訊號，進而整合多個單點量測感測器的輸出訊號，判讀電子訊號以分析蘭布波在表面的振動狀態分佈，配合振動模式的數值解析，以診斷工程結構的表面或內層缺陷。
表面輪廓的動態變化分析，亦可應用於表面聲波(SAW)元件
的設計與驗證測試，由於SAW元件擁有極佳的IF到RF頻率範圍之訊號濾波功能，成為手機、區域無線網路、衛星定位等多項通訊產品的重要零組件之一；當外加訊號施加於表面聲波(SAW)元件壓電晶體基板上的金屬指叉狀轉換器(IDT)時，壓電晶體基板表面產生同步的上下耦合振動，而激發出SAW，該波動沿著基板表面傳遞，這種波動稱為雷利波(Rayleigh Wave)；由於金屬指叉狀轉換器(IDT)可做機械振動能量與電訊號能量之間的轉換，偵測SAW在基板上的動態分佈，可以判斷SAW元件的IDT設計良窳。由於SAW元件尺寸約在mm等級，目前唯有採用光學掃瞄方式，方能獲得SAW在基板表面的動態分佈。
本發明的目地是提供一種同步式動態輪廓量測干涉儀，藉由訊號光波攜帶由動態傳導波產生之相位變化，使得干涉之光波訊號產生基頻、載波、及多階旁波瓣等頻譜分量，再經由解調技術取出一階旁波帶訊號且轉換為直流項，該直流項攜帶表面輪廓的瞬時分佈訊號，由二維光電轉換裝置讀取後，達到量測待測件表面的瞬間輪廓二維分佈。
為達到前述目的，本發明包括：一第一半波長相位延遲片用以將一入射光波的線偏振態方向調整為與水平軸向夾一角度(θ)；一第一光學偏振分光裝置用以將穿透第一半波長相位延遲片之入射光，分為水平線偏振分量的訊號光波，和垂直線偏振分量的參考光波；一第二光學偏振分光裝置用以允許訊號光波穿透；一第一1/4波長相位延遲片用以將前述訊號光波的線偏振態調整為圓偏振態，該訊號光波穿透至一待測元件並沿原路
徑反射，同時該第一1/4波長相位延遲片將光波的圓偏振態調整為線偏振態，當反射到該第二光學偏振分光裝置後，該訊號光波被90度反射；一第三光學偏振分光裝置用以將參考光波反射至一週期性振動的平面反射鏡，並允許由平面反射鏡反射回來的參考光波，穿透該光學偏振分光裝置；一第二1/4波長相位延遲片用以將前述參考光波的線偏振態調整為圓偏振態，該參考光波穿透至該平面反射鏡並原路徑反射到該第三光學偏振分光裝置，同時將參考光波的圓偏振態調整為線偏振態；一第二半波長相位延遲片用以接受該第三光學偏振分光裝置穿透的參考光波，並將參考光波的水平線偏振調整回垂直線偏振；及一偏振無關分光鏡用以將前述參考光波及訊號光波互相疊合，並以同軸方式將參考光波及訊號光波由該偏振無關分光鏡傳導至一二維光電轉換裝置。其中該平面反射鏡與該待測元件互換位置，不影響量測順序與結果。
其中，該平面反射鏡黏貼於一機械振動元件得以做週期性振動，振動方向與入射平面反射鏡之參考光波行進方向平行。
其中，該參考光波與該訊號光波疊合後經過一透鏡傳導該二維光電轉換裝置。
其中，該二維光電轉換裝置將訊號光波與參考光波之間的干涉訊號，轉換為二維分佈的電子訊號，並將此電子訊號傳遞給一訊號處理單元進行表面輪廓分佈的解析。
其中，該偏振無關分光鏡可由一第四光學偏振分光裝置取代，且不需要第二半波長相位延遲片，而是由光軸角度與訊號光波及參考光波的線偏振方位角，各夾45度之一線偏振片將前述參考光波及訊號光波
疊合，並以同軸方式傳導至該二維光電轉換裝置。
實施上，機械振動元件可更換為一電光式相位調變器，放置
在參考光波的路徑上，用以將參考光波做週期性相位調變後，再由該平面反射鏡反射。
本案主要技術特徵在於藉由光學干涉與相位調變與解調概
念，量測高精度週期變化表面輪廓的二維分佈，優點在於：(一)利用第一半波長相位延遲片的旋轉調整，可以控制訊號光波的能量大小，得以補償待測元件表面可能的低反射率。(二)當參考光波之相位調變頻率，與待測元件表面週期性波動的頻率相同時，待測元件表面因波動產生之高度分佈，將以光波相位分佈的形式，編碼於干涉訊號的直流項，得以由一般的光電感測元件轉換為電子訊號。(三)由於機械振動元件的特性，表面波動的頻率範圍，約在100KHz以下，但若將機械振動元件換為電光式相位調變器，放置在參考光波的路徑上，則本發明系統可以量測數百MHz的表面波分佈，例如SAW元件的雷利波。
100‧‧‧入射光波
111‧‧‧第一半波長相位延遲片
112‧‧‧第一光學偏振分光裝置
120‧‧‧訊號光波
121‧‧‧第二光學偏振分光裝置
122‧‧‧第一1/4波長相位延遲片
123‧‧‧待測元件
130‧‧‧參考光波
131‧‧‧第三光學偏振分光裝置
132‧‧‧第二1/4波長相位延遲片
133‧‧‧平面反射鏡
134‧‧‧機械振動元件
135‧‧‧第二半波長相位延遲片
136‧‧‧偏振無關分光鏡
141‧‧‧聚焦透鏡
142‧‧‧二維光電轉換裝置
143‧‧‧訊號處理單元
151‧‧‧第四光學偏振分光裝置
152‧‧‧線偏振片
160‧‧‧電光相位調變器
圖1為本案之光學架構示意圖一。
圖2為本案之光學架構示意圖二。
圖3為本案之光學架構示意圖三。
圖4為本案之光學架構示意圖四。
茲有關本發明之詳細內容及技術說明，現以實施例作進一步
說明，但應瞭解的是，該等實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。
請參閱圖1，本發明乃以光學相位偵測為基礎之二維表面輪
廓量測外差干涉儀架構，其包括：一第一半波長相位延遲片111用以將一入射光波100的線偏振態調整為與水平軸向夾一角度(θ
)；一第一光學偏振分光裝置112用以將穿透該第一半波長相位延遲片111之入射光100分為水平線偏振分量的訊號光波120，和垂直線偏振分量的參考光波130；一第二光學偏振分光裝置121用以允許訊號光波120穿透後，經過一第一1/4波長相位延遲片122，該第一1/4波長相位延遲片122用以將前述訊號光波120的線偏振態調整為圓偏振態，該訊號光波120穿透至一待測元件123並沿原光波路徑反射，同時該第一1/4波長相位延遲片122將光波的圓偏振態調整為線偏振態，當反射到該第二光學偏振分光裝置121後，該訊號光波被90度反射，由該第二光學偏振分光裝置121反射到一偏振無關分光鏡136。
該參考光波130由該第一光學偏振分光裝置112反射到一第
三光學偏振分光裝置131，該參考光波130在該第三光學偏振分光裝置131反射，並穿透一第二1/4波長相位延遲片132至週期性振動的一平面反射鏡133，並允許由平面反射鏡133沿著入射路徑垂直反射；該第二1/4波長相位延遲片132用以將前述反射之參考光波130的線偏振態調整為線振態。其中，該平面反射鏡133黏貼於一機械振動元件134表面，該機械振動元件134受到外加電壓驅動，得以做週期性振動，該振動頻率及振幅可受控調整，振動方向與入射平面反射鏡133的參考光波130方向平行，而平面反射鏡133的振動頻率、振幅與方向，皆與該機械振動元件134相同。
一第二半波長相位延遲片135用以接受由該第三光學偏振分
光裝置131穿透的參考光波130，且將參考光波130的水平線偏振調整為垂直線偏振，並將參考光波131送至該偏振無關分光鏡136。因此訊號光波120與參考光波130在該偏振無關分光鏡136互相疊合，並以同軸行進方式傳導至一聚焦透鏡141，該聚焦透鏡將同軸行進的訊號光波與參考光波，聚焦於一二維光電轉換裝置142。該二維光電轉換裝置142將訊號光波120與參考光波130之間的干涉訊號，轉換為二維分佈的電子訊號，並將此電子訊號傳遞給一訊號處理單元143，進行表面輪廓分佈的解析。在本系統中，參考光波的相位調變頻率，與驅動該待測元件123的電子訊號頻率相同。
值得一提的是，該參考用的平面反射鏡133與待測元件123
互換位置，不影響量測順序與結果；該第一半波長相位延遲片111的角度調整順序，不影響量測順序與結果。
請再參閱圖2，該偏振無關分光鏡136可由一第四光學偏振分
光裝置151取代，且不需要該第二半波長相位延遲片135，而是由光軸角度與訊號光波120及參考光波130之線偏振方位角各夾45度的一線偏振片152，取出前述參考光波130及訊號光波120相同偏振態分量，再經由聚焦透鏡141傳導至該二維光電轉換裝置142。
請再參閱圖3，實施上，該第三光學偏振分光裝置131、第二
1/4波長相位延遲片132及機械振動元件134可由一電光相位調變器160取代，由該電光相位調變器160用以將參考光波130做週期性相位調變後，由該平面反射鏡133反射至該第二半波長相位延遲片135進行前述的傳導及量測步驟。
相同的，圖3的該偏振無關分光鏡136可由該第四光學偏振分
光裝置151取代，且不需要該第二半波長相位延遲片135，而是由光軸角度與訊號光波120及參考光波130之線偏振方位角各夾45度的線偏振片152，取出前述參考光波130及訊號光波120相同偏振態分量，再經由聚焦透鏡141傳導至該二維光電轉換裝置142(如圖4所示)。
上述兩種機械式與電光式相位調變方法，不論採何種調變方
法，其中相位調變頻率，與驅動待測元件123之電子訊號頻率，必須相同。
現以圖1架構說明本發明的原理。一般機械式表面傳遞波可表示為：Ψ(x,z,t)=u(z)exp[i(Ωt-ka
x)] (1)u(z)為待測元件的表面波動振幅，Ω為傳遞波頻率，該頻率由驅動待測元件的電子訊號決定，ka=2π/λa
，λa
為傳遞波的波長，x為傳遞波沿待測元件123表面的前進方向，z表垂直於待測元件123表面方向；因此根據圖1的光學架構，訊號光波120到達二維光電轉換裝置142時的電場為E1(x,y)=a(x,y)exp[i(ωt+φ 1
+φ S
sin(Ωt))] (2)a(x,y)表示光波電場振幅，由於該待測元件123表面的反射率未必均勻，故該振幅為該待測元件123表面座標的函數，ω為光波角頻率，φ
1為待測元件沒有表面波動情形下，訊號光波120由雷射光源到達該二維光電轉換裝置142的累積光程之常數相位，φ S
為待測元件表面傳導波振幅u(z)的振幅轉換相位。其中φ S
=4πu(z)/λ，λ為光波波長。
而參考光波經過機械振動元件134或是電光相位調製器150做相位調變後，到達二維光電轉換裝置142的光波電場為
E2
(x,y)=bexp[i(ωt+φ 2
+φ M
sin(υt))] (3)φ 2
為參考光波的靜態光程累積相位，φ M
為相位調變振幅，υ為相位調變頻率。當E1
與E2
產生干涉後，理論上二維光電轉換裝置142輸出的二維分佈訊號為I(μ,ξ)=G{a2
+b2
+2abJ0
(φ M
)J0
(φ S
)cos(△φ
)+4absin(△φ
)[J0
(φ M
)J1
(φ S
)sin(Ωt)+J0
(φ M
)J0
(φ S
)cos(Ωt)]-2 J1
(φ M
)J0
(φ S
)sin(υt)+4abcos(△φ
)J1
(φ M
)J1
(φ S
)[cos((υ-Ω)t)-cos((υ+Ω)t)]-4abcos(△φ
)J1
(φ M
)J0
(φ S
)[sin((υ-Ω)t)-sin((υ+Ω)t)]}+.... (4)μ,ξ表示二維光電轉換裝置142任一感測點的位置；其中△φ
=φ 2
-φ 1
為訊號光波與參考光波之間的靜態光程差引入的相位；Jn
為第一類貝索函數第n階，G為二維光電轉換裝置142的增益；上式中的第一行為干涉訊號的直流，且由於φ S
<<1，J0
(φ S
)1，J1
(φ S
) φ S
/2，而對n>1的貝索函數，Jn
(φ S
)0；(4)式的第二行表干涉訊號的基頻(Ω)，高階基頻項近似於零而忽略不計；(4)式的第三行為干涉訊號的載波(υ)；(4)式的第四、五行表干涉訊號的一階及高階旁波帶，高階旁波帶亦因近似於零而忽略不計。
由於二維光電轉換裝142的響應遠較訊號頻率慢，故該裝置只能記錄直流項，但若當υ=Ω，此時該裝置除了記錄直流項外，還包含一階旁波帶所攜帶的訊息I(μ,ξ)=G{a2
+b2
+2ab[J0
(φM
)cos(△φ
)+φS
cos(△φ
)J1
(φM
)]} (5)其中J0
(φ M
)與J1
(φ M
)並未做近似簡化，這是因為後續的調校，將得到J0
(φ M
)與J1
(φ M
)的值。感測記錄之前，△φ
及φ M
需做適當的調校，以便計算對應
於二維光電轉換裝置142各點(μ,ξ)，因波動產生的高度分佈uμξ
(z)，其值與波動相位的關係為
調校過程如下：(1)當待測元件123沒有驅動訊號，沒有相位調變訊號，此時二維光電轉換裝置142記錄的訊息為I=a2
+b2
+2abcos(△φ
) (7)其中增益G吸收到上式等號右邊各項次，不影響量測結果，並取消(μ,ξ)，使得符號I(μ,ξ)=I。當微調平面反射鏡133的位置，使得cos(△φ
)分別等於+1與-1，這個結果可以由分析二維光電轉換裝置142輸出訊號的長條圖(Histogram)完成，因此得到Imax
=a2
+b2
+2ab，cos(△φ
)=1 (8)
Imin
=a2
+b2
-2ab，cos(△φ
)=-1 (9)根據上兩式，得到a2
+b2
=[Imax
+Imin
]/2 (10)
ab=[Imax
-Imin
]/4 (11)另由(10)(11)兩式得知，訊號光波振幅a與參考光波振幅b的關係為ab。
(2)機械振動元件134或電光式相位調變器150施加相位調變，但待測元件123沒有驅動訊號，此時二維光電轉換裝置142輸出的干涉訊號為I=a2
+b2
+2abJ0
(φM
)cos(△φ
) (12)調整相位調變指數φM
，使得
I=a2
+b2
=(Imax
+Imin
)/2 (13)亦即是J0
(φM
)=0，得到φM
=2.405，使得J1
(φM
)=0.519。這部分的調校，亦需透過分析二維影像的長條圖完成。
當上述校正影像完成後，在cos(△φ
)=1、J0
(φM
)=0、J1
(φM
)=0.519條件下，設定相位調變頻率等於待測元件驅動訊號頻率，亦即是υ=Ω，則二維光電轉換裝置142記錄之影像為I(μ,ξ)=a2
+b2
+2abJ1
(φM
)φS
(14)
根據上式以及調校的結果，得到
由於以上的計算，皆以二維光電轉換裝置142每個像點的影像訊號為基礎，故可以得到表面聲波的二維振幅分佈。
以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
100‧‧‧入射光波
111‧‧‧第一半波長相位延遲片
112‧‧‧第一光學偏振分光裝置
120‧‧‧訊號光波
121‧‧‧第二光學偏振分光裝置
122‧‧‧第一1/4波長相位延遲片
123‧‧‧待測元件
130‧‧‧參考光波
131‧‧‧第三光學偏振分光裝置
132‧‧‧第二1/4波長相位延遲片
133‧‧‧平面反射鏡
134‧‧‧機械振動元件
135‧‧‧第二半波長相位延遲片
136‧‧‧偏振無關分光鏡
141‧‧‧聚焦透鏡
142‧‧‧二維光電轉換裝置
143‧‧‧訊號處理單元
Claims (11)
- 一種同步式動態輪廓量測干涉儀，其包括：一第一半波長相位延遲片，用以將一入射光波的線偏振態方向調整為與水平軸向夾一角度(θ )；一第一光學偏振分光裝置，用以將穿透該第一半波長相位延遲片入射光分為水平線偏振分量的訊號光波，和垂直線偏振分量的參考光波；一第二光學偏振分光裝置，用以允許訊號光波穿透；一第一1/4波長相位延遲片，用以將前述訊號光波的線偏振態調整為圓偏振態，該訊號光波穿透至一待測元件並沿原路徑反射，同時該第一1/4波長相位延遲片將光波的圓偏振態調整為線偏振態，當反射到該第二光學偏振分光裝置後，該訊號光波被90度反射；一第三光學偏振分光裝置，用以將參考光波反射至做週期性振動的一平面反射鏡，並允許由平面反射鏡反射回來的參考光波，穿透該光學偏振分光裝置；一第二1/4波長相位延遲片，用以將前述參考光波的線偏振態調整為圓偏振態，該參考光波穿透至該平面反射鏡並原路徑反射到該第三光學偏振分光裝置，同時將參考光波的圓偏振態調整為線偏振態；一第二半波長相位延遲片，用以接受該第三光學偏振分光裝置穿透的參考光波，並將參考光波的水平線偏振調整回垂直線偏振；及一偏振無關分光鏡，用以將前述參考光波及訊號光波互相疊合，並以同軸行進方式，將參考光波及訊號光波由該偏振無關分光鏡聚焦至一二維光電轉換裝置。
- 如申請專利範圍第1項之同步式動態輪廓量測干涉儀，其中，該平面反射鏡黏貼於一機械振動元件得以做週期性振動，振動方向與入射平面反射鏡的參考光波方向平行。
- 如申請專利範圍第1項之同步式動態輪廓量測干涉儀，其中，該參考光波與該訊號光波疊合後，經過一透鏡聚焦於該二維光電轉換裝置。
- 如申請專利範圍第1項之同步式動態輪廓量測干涉儀，其中，該二維光電轉換裝置將訊號光波與參考光波之間的干涉訊號，轉換為二維分佈的電子訊號，並將此電子訊號傳遞給一訊號處理單元進行表面輪廓分佈的解析。
- 如申請專利範圍第1項之同步式動態輪廓量測干涉儀，其中，該平面反射鏡與該待測元件互換位置，不影響量測順序與結果。
- 如申請專利範圍第1項之同步式動態輪廓量測干涉儀，其中，該偏振無關分光鏡可由一第四光學偏振分光裝置取代，且不需要第二半波長相位延遲片，而是由光軸角度與訊號光波及參考光波支線偏振方位角各夾45度的一線偏振片將前述參考光波及訊號光波疊合，並以同軸方式傳導至該二維光電轉換裝置。
- 一種同步式動態輪廓量測干涉儀，其包括：一第一半波長相位延遲片，用以將一入射光波的線偏振態方向調整為與水平軸向夾一角度(θ )；一第一光學偏振分光裝置，用以將穿透該第一半波長相位延遲片入射光分為水平線偏振分量的訊號光波，和垂直線偏振分量的參考光波；一第二光學偏振分光裝置，用以允許訊號光波穿透；一第一1/4波長相位延遲片，以將前述訊號光波的線偏振態調整為圓偏振態，該訊號光波穿透至一待測元件並沿原路徑反射，同時該第一1/4波長相位延遲片將光波的圓偏振態調整為線偏振態，當反射到該第二光學偏振分光裝置後，該訊號光波被90度反射；一電光相位調變器，用以將參考光波做週期性振動後至一平面反射鏡；一第二半波長相位延遲片，用以接受該平面反射鏡反射的參考光波，並將參考光波的水平線偏振調整回垂直線偏振；及一偏振無關分光鏡，用以將前述參考光波及訊號光波互相疊合，並以同軸方式將參考光波及訊號光波，由該偏振無關分光鏡傳導至一二維光電轉換裝置。
- 如申請專利範圍第7項之同步式動態輪廓量測干涉儀，其中，該參考光波與該訊號光波疊合後，經過一透鏡聚焦於該二維光電轉換裝置。
- 如申請專利範圍第7項之同步式動態輪廓量測干涉儀，其中，該二維光電轉換裝置將訊號光波與參考光波之間的干涉訊號，轉換為二維分佈的電子訊號，並將此電子訊號傳遞給一訊號處理單元進行表面輪廓分佈的解析。
- 如申請專利範圍第7項之同步式動態輪廓量測干涉儀，其中，該平面反射鏡與該待測元件互換位置，不影響量測順序與結果。
- 如申請專利範圍第7項之同步式動態輪廓量測干涉儀，其中，該偏振無關分光鏡可由一第四光學偏振分光裝置取代，且不需要第二半波長相位延遲片，而是由光軸角度與訊號光波及參考光波支線偏振方位角各夾45度的一線偏振片將前述參考光波及訊號光波疊合，並以同軸方式傳導至該二維光電轉換裝置。
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|---|---|---|---|
| TW102125741A TWI472715B (zh) | 2013-07-18 | 2013-07-18 | 同步式動態輪廓量測干涉儀 |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| TW102125741A TWI472715B (zh) | 2013-07-18 | 2013-07-18 | 同步式動態輪廓量測干涉儀 |
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|---|---|
| TW201504596A TW201504596A (zh) | 2015-02-01 |
| TWI472715B true TWI472715B (zh) | 2015-02-11 |
Family
ID=53018595
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW102125741A TWI472715B (zh) | 2013-07-18 | 2013-07-18 | 同步式動態輪廓量測干涉儀 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| TW (1) | TWI472715B (zh) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7019840B2 (en) * | 2003-06-17 | 2006-03-28 | Seagate Technology Llc | Dual-beam interferometer for ultra-smooth surface topographical measurements |
| TW200918850A (en) * | 2007-10-26 | 2009-05-01 | Hon Hai Prec Ind Co Ltd | Device and method for measuring surface profile |
| CN101893429A (zh) * | 2010-07-16 | 2010-11-24 | 华中科技大学 | 一种基于偏振相移显微干涉术的超精表面测量系统 |
-
2013
- 2013-07-18 TW TW102125741A patent/TWI472715B/zh not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7019840B2 (en) * | 2003-06-17 | 2006-03-28 | Seagate Technology Llc | Dual-beam interferometer for ultra-smooth surface topographical measurements |
| TW200918850A (en) * | 2007-10-26 | 2009-05-01 | Hon Hai Prec Ind Co Ltd | Device and method for measuring surface profile |
| CN101893429A (zh) * | 2010-07-16 | 2010-11-24 | 华中科技大学 | 一种基于偏振相移显微干涉术的超精表面测量系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW201504596A (zh) | 2015-02-01 |
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|---|---|---|---|
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