本論文主要是應用偏振散射光量測技術來分析金屬表面粗糙度，取代傳統的接觸式量測，可提高粗糙度量測的速度及精確性。本論文所設計的系統為非接觸式量測，所以不會傷及工件表面且具有便利性佳及設備價格低廉等優點。量測系統使用高準直性之綠光雷射照射金屬表面，以CCD攝影機量測表面粗糙度散射光分佈，藉不同的量測角度位置之影像灰階值，經由計算後即可獲得散射光與表面粗糙度之間的關係。本論文使用6個標準金屬表面粗糙度試片進行實驗，其粗糙度為Ra = 0.05 μm、Ra = 0.1 μm、Ra = 0.2 μm、Ra = 0.4 μm、Ra = 0.8 μm、Ra = 1.6 μm。由不同偏振光源散射情況所獲得的光強分佈值並利用電腦程式進行分析，其結果顯示與金屬表面粗糙度Ra有良好的相關性，並將結果與金相顯微鏡量測的影像比較。此外，本文亦使用時域有限差分法來模擬金屬表面粗糙度的散射光場，藉以瞭解整個散射光場的情況。因此，本論文建構之非接觸式表面散射光量測儀，得以評估量測精密機械及光學元件的表面粗糙度。

The thesis is mainly the application of techniques of polarized light scattering measurement to analyze the metal surface roughness to replace the traditional contact measurement, which can improve the speed and accuracy of the roughness measurement. The system we design for the thesis is non-contact measurement; therefore, it will not hurt the surface. Furthermore, it has advantages of high convenience, low prices of equipment, and so on. The measurement system uses a high collimated green laser irradiation on the metal surface.  It measures the surface roughness scattering light distribution by the CCD camera. With calculations of the grayscale images measured by different angles, we will be able to learn about the relationship between scattered light and surface roughness. In this thesis, we conduct the experiment by using six standard specimens of metal surface roughness, the roughness (Ra) of which are respectively 0.05 μm, 0.1 μm, 0.2 μm, 0.4 μm, 0.8 μm, and 1.6 μm. We use a computer program to analyze the distribution of light intensity, which are calculated by different polarized light sources. The result shows great correlation with the metal surface roughness Ra, and then we compare the result with the images measured by metallurgical microscope. In addition, in order to understand the situation of the whole scattering light field, in this paper we also use FDTD method to simulate scattering light fields of metal surface roughness. As a result, the non-contact surveying instrument of surface scattering light that we construct for the thesis is able to measure and assess the roughness of surface of precision machinery and optical components.

目錄
中文摘要Ⅰ
英文摘要Ⅱ
目錄Ⅳ
圖目錄Ⅶ
表目錄Ⅹ
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究方法 5
1.4 研究動機 6
第二章 散射理論 7
2.1 應用理論 7
2.2 偏振 9
2.2.1 偏振現象 9
2.2.2 偏振理論 10
2.2.3 偏振狀態 12
2.3 散射 13
2.3.1 散射現象 13
2.3.2 散射理論 14
2.3.3 FDTD模擬散射電光場圖 16
2.3.4偏振係數 17
第三章 光學系統機構設計 18
3.1 光學系統架構 18
3.2 光學系統介紹 22
3.3 光學元件介紹 23
3.3.1 雷射光源 23
3.3.2 五相步進電動機 25
3.3.3 感光電荷藕合元件 27
3.3.4 相位緩速器 29
3.3.5 偏振鏡 30
3.3.6 光圈 31
3.3.7 可變光通濾波器 32
3.3.8 透鏡 33
3.3.9 針孔 33
3.3.10 空間濾波器 34
第四章 光學系統量測 36
4.1 實驗步驟與規劃 36
4.2 散射光量測儀設定 38
4.2.1 光源組件設定 38
4.2.2 收光組件設定 39
4.2.3 待測物運動機構之角度設定 40
4.3 系統介面控制 42
4.4 線偏振光影像量測 44
4.4.1 參數種類及設定 44
4.4.2 參數檢測 45
4.4.3 實際檢測 48
4.4.4 偏振影像 59
4.5 影像量測分析 64
4.5.1 影像量測 64
4.5.2 影像分析 67
第五章 結論與未來展望 70
參考文獻 71
 
圖目錄
圖1-1 研究方法流程圖 5
圖2-1 雙向反射分佈函數 7
圖2-2 偏振 9
圖2-3 光的電場與磁場方向，k光為行進方向 11
圖2-4 偏振狀態之(a)線 (b)圓 (c)橢圓偏振示意圖 12
圖2-5 散射 15
圖2-6 散射光電場圖(a)45度入射金屬表面粗糙度為100nm，(b)45度入射金屬表面粗糙度為500nm之電場情形 16
圖2-7 色素痣皮膚成像(a)圖以正常光源照射(b)圖為偏振係數成像17
圖3-1 散射儀概念圖 18
圖3-2 光源組 20
圖3-3 散射光接收裝置 21
圖3-4 待測物運動機構 21
圖3-5 散射光量測系統 22
圖3-6 綠光雷射光源Cobolt Fandango 23
圖3-7 KST-160YAW STAGE 25
圖3-8 SGSP-160YAW STAGE 26
圖3-9 感光電荷藕合元件 27
圖3-10 相位緩速器 29
圖3-11 偏振片 30
圖3-12 八片式光圈(a)光圈縮小(b)光圈放大示意圖 31
圖3-13 光濾波器光強與角度相對關係圖 32
圖3-14 空間濾波器濾波示意圖 35
圖3-15 KT310/M空間濾波器 35
圖4-1 系統參數調整流程示意圖 36
圖4-2 光源組件示意圖 38
圖4-3 收光組件示意圖 39
圖4-4 CCD攝影機接收影像最大極限角示意圖 40
圖4-5 入射光入射待測物最大角度示意圖 41
圖4-6 五相步進電動機程式語言控制介面 42
圖4-7 DASLA CamExpert攝影機影像擷取軟體 43
圖4-8 以30度入射Ra= 1.6μm量測圖 46
圖4-9 以40度入射Ra= 1.6μm量測圖 46
圖4-10 以30度入射Ra= 1.6μm量測圖 47
圖4-11 以40度入射Ra= 1.6μm量測圖 47
圖4-12 以45度入射Ra= 1.6μm水平偏振量測圖 49
圖4-13 以45度入射Ra= 1.6μm垂直偏振量測圖 50
圖4-14 以45度入射Ra= 0.8μm水平偏振量測圖 51
圖4-15 以45度入射Ra= 0.8μm垂直偏振量測圖 52
圖4-16 以45度入射Ra= 0.4μm水平偏振量測圖 53
圖4-17 以45度入射Ra= 0.4μm垂直偏振量測圖 54
圖4-18 以45度入射Ra= 0.2μm水平偏振量測圖 55
圖4-19 以45度入射Ra= 0.2μm垂直偏振量測圖 56
圖4-20 以45度入射Ra= 0.1μm水平偏振量測圖 57
圖4-21 以45度入射Ra= 0.1μm垂直偏振量測圖 58
圖4-22 Pol image 59
圖4-23 Ra= 1.6μm偏振影像 60
圖4-24 Ra= 0.8μm偏振影像 60
圖4-25 Ra= 0.4μm偏振影像 61
圖4-26 Ra= 0.2μm偏振影像 61
圖4-27 Ra= 0.1μm偏振影像 62
圖4-28 Ra= 0.05μm偏振影像 62
圖4-29 標準試片表面粗糙圖(a) Ra= 0.05μm，(b) Ra= 0.1μm，(c) Ra = 0.2μm，(d) Ra= 0.4μm，(e) Ra= 0.8μm，(f) Ra= 1.6μm 63
圖4-30 影像量測分析程序圖 64
圖4-31 程式語言分析金相顯微鏡量測圖 65
圖4-32 程式語言分析散射儀量測圖 65
圖4-33 Ra值計算方式 66
圖4-34 量測Ra值結果分佈曲線圖 68

表目錄
表3-1 光學量測系統組件表 19
表3-2 Cobolt Fandango雷射規格表 24
表3-3五相步進電動機規格表 26
表3-4 JAI CV-M4+CL CCD規格表 28
表4-1 紅光雷射參數值設定 45
表4-2 Ra= 1.6 μm水平偏振軟體參數值設定 49
表4-3 Ra= 1.6 μm垂直偏振軟體參數值設定 50
表4-4 Ra= 0.8 μm水平偏振軟體參數值設定 51
表4-5 Ra= 0.8 μm垂直偏振軟體參數值設定 52
表4-6 Ra= 0.4 μm水平偏振軟體參數值設定 53
表4-7 Ra= 0.4 μm垂直偏振軟體參數值設定 54
表4-8 Ra= 0.2 μm水平偏振軟體參數值設定 55
表4-9 Ra= 0.2 μm垂直偏振軟體參數值設定 56
表4-10 Ra= 0.1 μm水平偏振軟體參數值設定 57
表4-11 Ra= 0.1 μm垂直偏振軟體參數值設定 58
表4-12 散射儀量測Ra關係值結果分析圖 69
表4-13 金相顯微鏡量測Ra關係值結果分析圖 69

[1]Experimental demonstration of a Rayleigh-scattered laser guide star at 351 nm Laird A. Thompson and Richard M. Castle Department of Astronomy, University of Illinois, 1002 West Green Street, Urbana, Illinois 61801 Received June 19, 1992.
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[15]D. Rod White, Peter Saunders, Stuart J. Bonsey, John van de Ven, and Hamish Edgar, “Reflectometer for measuring the bidirectional reflectance of rough   surfaces, ” APPLIED OPTICS, 1 June 1998, Vol. 37, No. 16.
[16]Thomas A. Germera,Clara C. Asmail, “Goniometric optical scatter instrument for  out-of-plane ellipsometry measurements, ”REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, SEPTEMBER 1999, VOLUME 70, NUMBER 9.
[17]H.Li,S.C.Foo,K.E.Torrance,S.H.Westin,“ Automatedthree-axisgonioreflectometer for computer graphics applications, ” Opt. Eng. 45(2006) 043605.
[18]Frederic B. Leloup, Stefaan Forment, Philip Dutre, Michael R. Pointer, and Peter Hanselaer, ,“Design of an instrument for measuring the spectral bidirectional scatter distribution function, ” APPLIED OPTICS, 10 October 2008, Vol. 47, No. 29.
[19]Cheng-Yang Liu , Wei-En Fu, “Polarized angular dependence of out-of-plane light-scattering measurements for nanoparticles on wafer, ”  Optics Communications 282 (2009) , 2097–2103.
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[22]李正中， 薄膜光學與鍍膜技術，第五版，藝軒圖書出版社，2006年出版。 
[23]林宸生、陳德請，近代光電工程導論，修訂版，全華圖書公司，2001-04-01出版。
[24]許阿娟 朱嘉雯 林佳芬 陳志隆，光學系統設計進階篇，2002年出版。