螺紋元件為工業上的重要零件，螺紋結構即是在金屬圓柱或圓錐本體表面依螺旋線銑削出螺旋溝槽的外型，主要的功能為固定或結合機械元件，亦可作為傳動等用途。現今螺紋元件的製造以自動化生產為主，為了提高螺紋的加工精度、生產的效率與品質，一套線上快速檢測系統為必要的研究課題。本論文發展出一套三維偏振散射光量測技術之外螺紋測量系統，以光耦合元件搭配偏振鏡來量測外螺紋表面的偏振散射光並加以分析。本系統藉由控制偏振鏡的旋轉角度，分別截取水平與垂直偏振的外螺紋影像，然後由偏振係數方程式結合水平與垂直偏振影像成為偏振係數影像，得到清晰的三維外螺紋影像，藉由此偏振係數影像可以容易的算出螺峰、螺距、螺紋表面特徵等之外螺紋相關參數，並與光學顯微鏡的量測影像比較，以證明本量測系統的正確性。

Screws are arguably the most basic yet essential components used in industry. The helical screw structure seen on the exterior of the screw serves to fasten and hold together various mechanical parts. Today, the production of screws has became a highly automated process. However, in order to increase the precision of screw processing and enhance the productivity and quality of screw production, an online system for rapid testing and measurement is of vital necessity. This study has developed a Goniometric Optical Scattering System (GOSS) for three-dimensional light scattering measurement of the screw surface by using linearly polarized light. A charge couple device (CCD) camera parallel to the surface normal is positioned perpendicularly to the incidence plane. Two images are acquired by rotating the linear polarizer in front of the CCD. One image is acquired by rotating the linear polarizer parallel to the source polarization PP. Another image is acquired by rotating the linear polarizer perpendicular to the source PS. A 2D and 3D polarized image (POL) can be created based on the polarization ratio POL = (PP – PS) / (PP + PS). The POL displays the screw crest, roots and flanks and allows one to estimate screw pitches and grooves. We use the finite-difference time-domain method (FDTD) to simulate light scattering from jagged structures and measuret the optical microscope image in order to prove the correctness of the measurement system.

目錄

中文摘要	I
英文摘要	II
目錄	III
圖目錄	VI
表目錄	VII

第一章 緒論

1.1前言	1
1.2文獻回顧	2
1.3研究動機	3
1.4研究目標	4
1.5研究方法	5

第二章 散射理論

2.1前言	6
2.2偏振	6
    2.2.1.前言	6
    2.2.2.偏振理論    6
    2.2.3.偏振狀態    8
2.3散射理論	      8
    2.3.1前言	      8
    2.3.2單散射	      8
    2.3.3多重散射     9
    2.3.4散射波場模擬10
2.4偏振係數	12

第三章 散射光學量測系統架構

3.1前言	13
3.2光源設備	14
    3.2.1.雷射光源	14
    3.2.2.可變光通濾波器	15
    3.2.3.線偏振器	16
    3.2.4.相位緩速器	17
    3.2.5.透鏡	        18
    3.2.6.針孔	        19
    3.2.7.空間濾波器	19
    3.2.8.光圈	        20
3.3控制與感光元件系統	21
    3.3.1.前言	21
    3.3.2.感光電藕荷元件 21
    3.3.3 五相步進電機	23
3.4系統組態	        24

第四章 三維散射光量測儀量測

4.1量測規劃	27
4.2散射光量測儀機件設定	28
    4.2.1硬體系統設定與性能範圍	28
    4.2.2 光源組件設定	28
    4.2.3 收光組件設定	29
    4.2.4二維量測檢測角度範圍	29
    4.2.5三維樣本控制單元設定	31
4.3系統控制介面設定	32
    4.3.1五相步進電機控制	32
    4.3.2 CCD影像擷取控制	33
4.4系統參數檢測設定	34
   4.4.1系統參數種類	34
   4.4.2系統參數收集	35
4.5紅光雷射實驗組參數檢測	36
   4.5.1參數檢測流程	36
   4.5.2參數檢測數據	37
4.6紅光雷射檢驗參數分析	41
4.7綠光雷射實驗組檢測	43
   4.7.1參數檢測流程	43
   4.7.2參數檢測數據	44
4.8綠光雷射檢驗參數分析	47

第五章 偏振係數影像與分析

5.1實驗結果分析流程	49
5.2影像合成	50
   5.2.1 PP與PS偏振影像分析	50
   5.2.2偏振係數影像	51
5.3 2D螺紋偏振影像	52
5.4 3D螺紋偏振影像	53
5.5螺紋參數分析	55
   5.5.1 螺紋參數比較	56
5.6量測結果比對	57
   5.6.1 螺紋散射光電場模擬比對	57
   5.6.2 電子顯微鏡螺紋檢測	58

第六章 結論與未來展望	59

參考文獻	60

圖目錄

圖1.1 英美加統一ISO公制螺紋 	3
圖1.2研究方法流程圖	5
圖2.1電磁場之震盪合成波延著z方向作振動傳遞	7
圖2.2偏振狀態之(a)線(b)圓 (c)橢圓偏振示意圖	8
圖2.3散射光示意圖	10
圖2.4雷射波長小於螺紋結構之散射光電場圖	11
圖2.5雷射波長大於螺紋結構之散射光電場圖	11
圖2.6色素痣皮膚成像之(a)正常光源照射與(b)偏振係數影像	12
圖3.1三維散射光量測系統之光源組與攝影機直線排列方式	13
圖3.2綠光雷射光源Cobolt Fandango	14
圖3.3光波濾波器光強與角度相對關係圖	15
圖3.4 線偏振器	16
圖3.5相位緩速器	17
圖3.6透鏡成像原理 	18
圖3.7空間濾波器濾波示意圖	19
圖3.8空間濾波器 	19
圖3.9八片式光圈(a)光圈縮小(b)光圈放大示意圖 	20
圖3.10 電藕荷晶片感電傳輸示意圖 	21
圖3.11 JVI CV-M4+cl CCD 	22
圖3.12 Motorized Stage五相步進電機 	23
圖3.13光學量測系統組態示意圖 	24
圖3.14光源組件示意圖	25
圖3.15散射光收光系統單元 	25
圖3.16第一軸電動轉盤搭配長板滾輪滑槽 	26
圖3.17四軸樣本控制單元 	26
圖4.1 系統參數調整流程示意圖	27
圖4.2光源組件設定之綠光雷射實驗組 	28
圖4.3CCD攝影機組件示意圖 	29
圖4.4 入射光入射待測物最大極限角	30
圖4.5第一軸與第二軸之最大檢測角度 	30
圖4.6 3D樣本角度控制單元動作示意圖 	31
圖4.7 五相步進電機之四軸控制介面 	32
圖4.8 DALSA CamExpert 攝影機影像擷取介面 	33
圖4.9 CCD影像軟體設定 	33
圖4.10紅光雷射實驗參數檢測流程 	36
圖4.11 512*512 Pixel檢測示意圖 	37
圖4.12 600*600 Pixel 檢測圖 	38
圖4.13 攝影機滑槽距離檢測圖 	39
圖4.14以45度入射角檢測螺紋示意圖 	40
圖4.15紅光雷射螺紋偏振影像	41
圖4.16綠光雷射 	43
圖4.17紅光與綠光雷射螺紋檢測圖 	44
圖4.18水平與垂直偏振檢影像測圖 	45
圖4.19空間濾波器之偏振影像檢測圖 	46
圖4.20 綠光雷射螺紋偏振影像 	47
圖5.1實驗項目與結果分析流程圖 	49
圖5.2偏振影像之(a)PP-PS與(b)PP+PS	50
圖5.3以入射角(a)10度 (b)45度(c)70度之螺紋POL圖 	51
圖5.4 二維平面角度螺紋檢驗圖	52
圖5.5螺紋散射光角度座標系統	53
圖5.6三維散射光角度系統示意圖	53
圖5.7三維螺紋偏振影像	54
圖5.8螺紋POL圖之像素分析	55
圖5.9 M6螺紋POL圖像素分佈圖	56
圖5.10 M6螺紋散射光電場模擬圖 	57
圖5.11 (a)M6與(b)M3 規格螺紋POL圖	57
圖5.12 金像顯微鏡檢測螺紋成像 	58

表目錄

表3.1 Cobolt samba雷射規格表 	14
表3.2 JAI CV-M4+cl CCD規格表 	22
表3.3五相步進電機規格表 	23
表4.1 512*256 Pixel參數檢測表	37
表4.2濾波器角度參數檢測表 	37
表4.3 600*600 Pixel參數檢射表	38
表4.4濾波器角度參數檢射表	38
表4.5攝影機滑槽距離參數檢測測表 	39
表4.6入射光角度參數檢測表	40
表4.7紅光雷射實驗組檢驗參數	44
表4.8綠光雷射實驗組檢測參數	44
表4.9 水平與垂直偏振檢測參數	45
表4.10 空間濾波器檢測參數表 	46
表5.1 PP+PS與PP-PS系統參數設定表 	50
表5.2 M6螺紋偏振影像之系統設定表 	51
表5.3 二維螺紋偏振影像系統設定表	52
表5.4三維散射光檢測系統設定 	54
表5.5螺紋實際參數與POL圖像素數據	56

[1]Manbir.s.Sodhi, and Khalil Tiliouine, “Surface Roughness Monitoring Using Computer Vision.” Int J. Tool Manufact Vol.36, no 7,pp, 817-828, 1996.
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