淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
進階搜尋


下載電子全文限經由淡江IP使用) 
系統識別號 U0002-0809201017430300
中文論文名稱 光機電整合:電子斑點干涉儀及其在微機電元件的應用
英文論文名稱 Optomechatronics: Electronic Speckle Pattern Interferometer and Its Applications in MEMS Devices
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 98
學期 2
出版年 99
研究生中文姓名 彭浩瑋
研究生英文姓名 Hao-Wei Peng
學號 697371903
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2010-07-19
論文頁數 66頁
口試委員 指導教授-吳乾埼
委員-戴慶良
委員-李其源
中文關鍵字 電子斑點干涉儀  五一相移法  相位重建  曲面擬合 
英文關鍵字 Electronic speckle pattern interferometry  5-1 phase-shift technique  phase unwrapping  surface fitting 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 微機電元件的量測乃其量產之關鍵技術。電子斑點干涉儀(ESPI)具有非接觸光學全域檢測能力,為微機電元件量測重要工具。ESPI系統中,電荷耦合元件(CCD)影響電子斑點干涉儀量測的精確度,本文採用五一相移法,並以低價位之CCD取代昂貴的高速CCD,建構出一套低成本、高準確度的電子斑點干涉儀系統。
本文針對微機電元件進行實驗量測,驗證所建構系統的有效性。實驗初步顯示該系統在物體變形輪廓的量測上是確實達到次微米程度的精確度。
英文摘要 MEMS metrology is the key technology for the mass production of the MEMS devices. The electric speckle pattern interferometry is an important measurement tool as it is with the capabilities of the optical, non-contact and full filed measurements. For the ESPI system, CCD may influence the measurement accuracy. In this study, we adopt 5-1 phase shift technique, and use cheap CCD system rather than expensive one of high speed, to construct a novel ESPI system of low cost and high accuracy.
We choose the MEMS device as the main application target for our ESPI system and verify its validity. The basic experimental results show the system can be applied to the measurement of the surface profile of objects with the resolution in the micron scale.
論文目次 致 謝 i
中文摘要 ii
英文摘要 iii
目 錄 iv
表目錄 vii
圖目錄 viii
第一章 緒 論 1
1.1 前 言 1
1.2 電子斑點干涉術 2
1.3 文獻回顧 5
1.4 研究動機 8
1.5 研究目的 9
第二章 電子斑點干涉術(ESPI)之理論與架構 10
2.1 光學干涉基本原理 10
2.1.1 基本光學干涉 10
2.1.2 物體變形對於相位的探討 12
2.1.3 光學干涉儀的應用 13
2.2 電子斑點基本原理 14
2.2.1 斑點的成因 14
2.2.2 斑點的產生形式 15
2.3 電子斑點干涉術基本原理及架構 17
2.3.1 量測架構與動態檢測原理 17
2.3.2 干涉條紋的產生 18
第三章 相移干涉術與影像處理 21
3.1 相移干涉術原理 21
3.1.1 三步相移法 23
3.1.2 四步相移法 23
3.1.3 五步相移法[31] 24
3.1.4 五一相移法[32] 24
3.2 程式與影像處理 27
3.2.1 影像濾波 28
3.2.2 相位重建[34] 28
第四章 實驗量測 30
4.1 系統設備特性介紹 30
4.1.1 光源 30
4.1.2 空間濾波元件 30
4.1.3 光學鏡片 32
4.1.4 成像系統與CCD感測器 32
4.1.5 壓電回授控制系統 33
4.2 電子訊號系統[38] 34
4.3 實驗流程 38
第五章 實驗結果分析 41
5.1 待測物共振頻檢測 41
5.2 斑點相關性檢測 42
5.3 三維表面檢測 44
5.3.1 有限元素分析模擬 44
5.3.2 光學量測 47
5.3.3 微機電元件之量測 50
第六章 結論與未來展望 59
6.1 結論 59
6.2 未來展望 59
參考文獻 60
附錄A 電子斑點干涉干涉術光學調校程序 64
A-1 光源與參考面調校 64
A-2 電子斑點干涉儀調校程序 65

表目錄
表 1 物鏡與微孔洞尺寸選擇參考 31
表 2 實驗裝置與元件 36
表 3 暫態時間與最大位移量之關係表(模擬值) 46
表 4 暫態時間與最大位移量之關係表(實際值) 48
表 5 微懸臂樑暫態時間與最大位移量之關係表 52

圖目錄
圖 1 不同電子斑點干涉儀的影像處理法比較[2] 4
圖 2 電子斑點干涉術面內外量測架構 4
圖 3 雙脈衝雷射的電子斑點干涉術[17] 6
圖 4 雙脈衝雷射電子斑點干涉術之實驗光場[20] 6
圖 5 正交式電子斑點干涉儀架構[23] 7
圖 6 熱變形量測系統[24] 7
圖 7 電子斑點干涉術系統[26] 8
圖 8 透明板材與位移之關係圖[26] 8
圖 9 雷射干涉條紋圖 10
圖 10 干涉條紋可見度之示意圖 12
圖 11 物體變形導致光程差的改變 13
圖 12 物體變形導致光程差的改變 13
圖 13 斑點示意圖 14
圖 14 雷射斑點 15
圖 15 電子斑點干涉術面外量測之基本架構圖 16
圖 16 電子斑點干涉術面內量測之基本架構圖 16
圖 17 客觀性斑點 16
圖 18 主觀性斑點 17
圖 19 電子斑點干涉量測架構 17
圖 20 實際電子斑點干涉術量測架構 18
圖 21 電子斑點干涉術量測架構由CCD所擷取之影像 18
圖 22 示意圖 19
圖 23 運用相減法得到之斑點干涉條紋圖 20
圖 24 機械調制 21
圖 25 電光調制 22
圖 26 聲光調制 22
圖 27 光學調制 22
圖 28 高頻雜訊分佈情形 31
圖 29 空間濾波器之濾波過程(來源:http://www.newport.com) 31
圖 30 成像系統基本參數示意圖 32
圖 31 成像系統F/#值與DOF之關係 33
圖 32 壓電遲滯效應 34
圖 33 壓電回授控制系統示意圖 34
圖 34 美商國家儀器PCI-M6221資料擷取卡 35
圖 35 美商國家儀器BNC-2110 connector 35
圖 36 其Connector接線分佈 36
圖 37 美商國家儀器IMAQ PCI-1405影像擷取卡 36
圖 38 本實驗ESPI量測系統 38
圖 39 電子斑點干涉術之觸發控制 39
圖 40 實驗操作程序 39
圖 41 相關性處理程序 40
圖 42 條紋相關性測試人機介面 40
圖 43 影像處理分析人機介面 40
圖 44 壓電蜂鳴片 41
圖 45 利用夾具固定壓電蜂鳴片 42
圖 46 阻抗分析儀量測結果 42
圖 47 利用反光貼紙所產生的散射光情形 43
圖 48 五步相移取像後相剪所產生的相關性干涉條紋 44
圖 49 壓電片位移暫態情形(第一週期部分) 46
圖 50 模擬之位移量與時間關係圖 47
圖 51 三維變形圖(第一週期部分) 48
圖 52 模擬值與實際值之位移與時間的關係圖 49
圖 53 微懸臂樑 50
圖 54 架構裝置示意圖 51
圖 55 微懸臂樑三維表面結果 52
圖 56 微懸臂樑位移與時間的關係圖 53
圖 57 模擬3D圖與量測3D圖重合比較 56
圖 58 模擬與量測的3D誤差位移量 58
圖 59 實際參考面轉移工具 64
圖 60 雷射光源與參考面調校示意圖 64
圖 61 入射空間濾波器前 65
圖 62 入射空間濾波器後 65
圖 63 平行剪影板 66
圖 64 剪影板原理示意圖 66
圖 65 電子斑點干涉術實驗架構 66

參考文獻 [1] 胡錦標,精密光電技術,台北市,高立出版社,2000。
[2] 陳見華,應用振幅變動電子光斑影像干涉術探討含裂縫複材平板修補後之動態特性,國立清華大學動力機械研究所碩士論文,1998。
[3] 林浩妃,液晶顯示面板振動形為之探討,國立清華大學動力機械研究所碩士論文,2004。
[4] 倪君耀,覆晶鍵合超音波工具頭設計與量測之研究,國立清華大學動力機械研究所碩士論文,2006。
[5] 王偉書,電子斑點干涉術量測鑽石打線機槌頭在高溫下的變形情形,國立中正大學機械研究所,2002。
[6] 葉宏仁,電子斑點干涉術應用於含襯套/扣件三明治蜂巢板之三維位移場研究,國立中正大學機械研究所,2005。
[7] 張振暉,電子斑點干涉術應用於映像管三維位移量測之分析與研究,國立中興大學機械研究所,2000。
[8] 劉昭成,電子斑點干涉技術及誤差之分析,國立中興大學機械研究所,2001。
[9] 楊傅仁,電子斑點干涉術相關相位檢出技術之探討研究及材料表面微裂痕之偵測應用,國立中興大學機械工程所,2003。
[10] 洪雍淳,電子斑點干涉術應用於振動模態之分析與研究,國立中興大學機械工程所,2004。
[11] 高至誠,以相位重建技術研製三維電子斑點干涉儀,國立台灣大學應用力學研究所碩士論文,1999。
[12] D. Gabor, “Microscopy by reconstructed wavefronts,” Proceedings of the Royal Society of London, Ser. A, No. 197, pp.454-487, 1947.
[13] Butters JN and Leendertz JA, “ Speckle pattern and holograpnic techniques in engineering metrology,” Opt. Laser Techno., Vol. 3, No. 1, pp. 26-30, 1971.
[14] C. Wykes, “De-correlation effect in speckle pattern interferometry,” Opt. Acta., Vol. 24, pp. 517-532, 1977.
[15] T.J. Cookson, J.N. Butters, H.C. Pollard, “Pulsed lasers in electronic speckle pattern interferometry,” Opt Laser Technol., Vol.10, pp. 119–24, 1978.
[16] K. Creath, “ Phase-shifting speckle interferometry,” Appl. Opt., Vol. 24, pp. 3053-3058, 1985.
[17] G. Pedrini, B. Pfister, and H. J. Tiziani, “Double pulse-electronic speckle in-terferometry,” Journal of modern Optics, Vol. 40, pp. 89-96, 1993.
[18] G. Pedrini, and H. J. Tiziani, “Double pulse-electronic speckle interferometry for vibration analysis,” Appl. Opt., Vol. 33, pp. 7857-7863, 1994.
[19] G. Pedrini, H.J. Tiziani, and Y. Zou, “Digital Double Pulse-TV-Holography,” Optics and Laser Engineering, Vol. 26, pp. 199-219, 1997.
[20] 陳怡君,全域波傳量測系統之理論與實驗:以穩頻雙共振腔脈衝雷射為電子斑點干涉及全像記錄/重建光源之架構開發,國立台灣大學應用力學研究所碩士論文,2000。
[21] 李宜璉,全域三維暫態應變量測系統之設計與建構,國立台灣大學應用力學研究所碩士論文,2003。
[22] 陳昭宇,高速電子斑點干涉儀之研製:整合雷射都卜勒干涉術與時進相移法之創新設計,國立台灣大學應用力學研究所碩士論文,2005。
[23] 劉兼維,高速電子斑點干涉儀之研製:時進正交相移法的實證,國立臺灣大學工程科學及海洋工程學研究所碩士論文,2006。
[24] 王瀚威,以正交相移法提升斑點干涉顯微術的量測範圍,國立台灣大學應用力學研究所碩士論文,2006。
[25] 呂秉倫,鑽孔法結合相移電子光斑干涉術之殘留應力分析,國立中正大學機械工程研究所碩士論文,2008。
[26] Xiangjun Dai, Hai Yun and Qi Pu, “Measuring thickness change of transparent plate by electronic speckle pattern interferometry and digital image correlation,” Opt. Commun., Vol. , No. , pp. , 2010.
[27] J.M. Huntley, H. Saldner, “Temporal phase-unwrapping algorithm for auto-mated interferogram analysis,” Applied Optics, Vol. 32, No. 17, 1993.
[28] C.W. Chen, H.Y. Chang, and C.K. Lee, “An innovative phase shifting system for non-destructive testing,” Journal of Chinese Society of Applied Mechanics, Vol. 14, No. 1, pp. 31-39, 1998.
[29] P. Hariharan, B. F. Orbel, and T. Eiju, “Digital phase-shifting interferometry: a simple error-compensating phase calculation,” Appl. Opt., Vol. 26, pp. 2504-2507, 1987.
[30] Y.Y. Cheng, J.C. Wyant, “Phase-shifter calibration in phase-shifting interfe-rometry,” App. Opt., Vol. 24, pp. 3049-3052, 1985.
[31] K. Creath, “Phase-shifting speckle interferometry,” Appl. Opt., Vol. 24, No. 18, pp. 3053-3058, 1985.
[32] C. C. Kao, G.B. Yeh, S. S. Lee, C. K. Lee, C. S. Yang, K. C. Wu, “Phase-shifting algorithms for electronic speckle pattern interferometry,” Appl. Opt., Vol. 41,No. 1, pp. 46-54, 2002.
[33] D. R. Schmitt, and R. w. Hunt, “Optimization of fringe pattern calculation with direct correlations in speckle interferometry,” Appl. Opt., Vol. 36, No. 34, pp. 8848-8857, 1997.
[34] D. Malacara, M. Servin, and Z. Malacara, “Interferogram Analysis for Optical Testing,” Marcel Dekker, Inc., New York, USA , 1998.
[35] A. Capanni, L. Pezzati, D. Bertani, M. Cetica, and F. Francini, “Phase-shifting speckle interferometry: a noise reduction filter for phase un-wrapping,” Opt. Eng., Vol. 36, No. 9, pp. 2466-2472, 1997.
[36] H. Takajo and T. Takahashi, “Least-squares phase estimation from the phase difference,” J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 5, No. 3, pp. 416-425, 1988.
[37] D.C. Ghiglia and L.A. Romero, “Robust two-dimensional weighted and un-weighted phase unwrapping that uses fast transforms and iterative methods,” J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 11, No. 1, pp. 107-117, 1994.
[38] http://www.ni.com.tw
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2010-09-14公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2010-09-14起公開。


  • 若您有任何疑問,請與我們聯絡!
    圖書館: 請來電 (02)2621-5656 轉 2281 或 來信