本文介紹一款新型四維偏光散射量測儀，可量測晶圓表面粗糙度與螺紋的表面規格。為了達到精確及快速測量，該機被設計成有四個旋轉的機構，可用在二維及三維量測。光學機構必須具備結構穩定性，以保持光學元件間的相對位置，以維持系統的整體性能品質。本文以有限元素進行整體結構分析，檢測結構的性能。應用拓樸結構最佳化方法，解得重量輕及滿足剛度需求的轉動平板結構改良型態。為考慮最佳拓樸型態之可加工性，分別使用拓樸最佳化及參數最佳化的循環計算，再進行尺寸最佳化，增進結構性能。
    本文敘述全程最佳化設計方法，去除偏光散射儀原有含滾輪之轉動平板裝置，成功改良為懸臂樑型式，可有0.0814mm的靜位移量。並於懸臂樑提出新的三角支撐滑軌之懸臂樑結構設計，可有0.0722mm的靜位移量，皆優於原來兩端支持結構的0.12mm。

A new four-axis polarized scattering instrument is presented and the critical structure of  influencing  the  whole system is improved  by optimium  design  methodology.  This new type instrument can  be conveniently and rapidly operated to achieve satisfying results including the function of  three and two axis measuring requirement.
   For further  enhance the performance of the current instrument ,  a systematic structural analysis is applied to determine the critical member. So that it can be modified  to be  a better performance .  The common rotating  plate where the detector is sliding on that plate  is found to be the  most critical member.  The design task is to remove  the existing supporting roller that is replaced by a cantilever moving arm, however the primary sizes and required performance must be maintained.
   This work apply  topological structural  optimization to obtain the initial layout of such a common moving arm. Three models are presented to improve the original  slide way,  long  cantilever  arm and  static displacement. The first kind is directly modified from original slideway. The second kind is a simplified modification to the first kind  structure. The third kind is a triangle slide way structure. All of them went through topological  optimization ,  man-made shape design  and  parameter optimization.  The result  of  first kind design can achieve static  the displacement  of  0.0814mm  that is less than required 0.12mm . The   third kind design can reach  to 0.0722mm .

目錄	V
圖目錄		VII
表目錄		XII
符號說明		XIV
第一章	緒論	1
1.1	研究動機與目的	1
1.2	文獻回顧	2
1.3	本文架構	6
第二章	新型四維偏光散射儀	7
2.1	規格與性能	7
2.2	機構與結構	11
2.3	偏光散射量測理論	19
2.4	運轉與性能測試	25
第三章	偏光散射儀結構有限元分析	29
3.1	目的與方法	29
3.2	轉動平台靜態分析	37
3.3	待測物平台靜態分析	40
3.4	探測器平台靜態分析	41
3.5	討論與改良策略	42
第四章	轉動平板導軌的結構最佳化設計	45
4.1	滑軌及導軌設計	45
4.2	設計規劃	47
4.3	轉動平板原始導軌之拓樸結構最佳化設計	51
4.4	轉動平板改良導軌之拓樸結構最佳化設計	63
4.5	轉動平板三角形和平面組合導軌之拓樸結構最佳化設計	75
第五章	結論與展望	88
5.1	結論	88
5.2	未來展望	89
參考文獻	90

圖2.1  四維量測偏光散射系統CAD圖	7
圖2.2  待測物量測平台CAD圖	8
圖2.3  探測器結構組CAD圖	9
圖2.4  光源裝置CAD圖	10
圖2.5  偏光散射儀機構運動示意圖	12
圖2.6  待測物平台元件分解CAD圖	13
圖2.7  轉動平台運動示意圖	15
圖2.8  平板與滑塊尺寸	15
圖2.9  螺絲量測平台CAD圖	16
圖2.10	晶圓量測平台CAD圖	17
圖2.11	探測器平台CAD圖	18
圖2.12	平台尺寸圖	18
圖2.13	散射光角度座標示意圖	20
圖2.14	BRDF角度座標系統	21
圖2.15	雷射波長大於表面粗糙分析結果	22
圖2.16	雷射波長小於表面粗糙分析結果	23
圖2.17	偏光散射儀系統量測示意圖	24
圖2.18	螺絲量測外形圖	26
圖2.19	偏振影像(a) 12.5μm (b) 1.6μm (c) 0.4μm	27
圖2.20	計算表面粗糙度	27
圖2.21	轉動平板懸空狀態	28
圖3.1  平板全程分析示意圖	31
圖3.2  滑塊受力面積示意圖	31
圖3.3  轉動平板邊界條件	32
圖3.4  SGSP-40YWA分力	33
圖3.5  SGSP-60YWA分力	34
圖3.6  SGSP-160YWA平均壓力與邊界條件設定	35
圖3.7	探測器平台邊界條件設定	36
圖3.8	轉動平台位移分析結果	39
圖3.9	轉動平板位移量變化曲線圖	39
圖3.10  測物平台位移分析結果	40
圖3.11  探測物平台位移分析結果	41
圖3.12  轉動平台懸臂樑位移分析結果	44
圖4.1	導軌截面形狀	46
圖4.2  導軌組合形式	46
圖4.3  (a)模型1組合方式 (b)材料保留與設計區域	48
圖4.4  (a)模型2組合形式 (b)材料保留與設計區域	49
圖4.5  (a)模型3組合方式 (b)材料保留與設計區域	50
圖4.6  轉動平板的拓樸設計模型1及邊界設定	52
圖4.7   數值解目標函數迭代圖	53
圖4.8  (a)模型1之雙迴圈最佳化拓樸型態(b) 的拓樸結構圖	54
圖4.9  模型1之雙迴圈最佳化-1拓樸型態分析結果	54
圖4.10	 數值解目標函數迭代圖	56
圖4.11	 (a)模型1之雙迴圈最佳化拓樸型態(b) 的拓樸結構圖	57
圖4.12	模型1之雙迴圈最佳化-2拓樸型態分析結果	57
圖4.13	(a)修整後模型 (b)Vb1的結構圖	58
圖4.14	修整後模型詳細尺寸圖	59
圖4.15	修整後模型位移分析結果	59
圖4.16	模型1設計變數	60
圖4.17	MFDM目標函數迭代圖	61
圖4.18	模型1尺寸最佳化位移分析結果	62
圖4.19	模型1尺寸最佳化應力分析結果	63
圖4.20	轉動平板的拓樸設計模型2及邊界設定	64
圖4.21	 數值解目標函數迭代圖	65
圖4.22	(a)模型2之雙迴圈最佳化拓樸型態(b) 的拓樸結構圖	66
圖4.23	模型2之雙迴圈最佳化拓樸型態分析結果	66
圖4.24	 數值解目標函數迭代圖	68
圖4.25	(a)模型2之雙迴圈最佳化拓樸型態(b) 的拓樸結構圖	69
圖4.26	模型2之雙迴圈最佳化拓樸型態分析結果	69
圖4.27	(a)修整後模型(b) Vc1部分結構圖	70
圖4.28	修整模型詳細尺寸圖	71
圖4.29	修整後模型位移分析結果	71
圖4.30	模型2設計變數	72
圖4.31	SLP目標函數跌代圖	73
圖4.32	模型2尺寸最佳化位移分析結果	74
圖4.33	模型2尺寸最佳化應力分析結果	75
圖4.34	轉動平板的拓樸設計模型3及邊界設定	76
圖4.35	 數值解目標函數迭代圖	77
圖4.36	(a)模型3之雙迴圈最佳化拓樸型態(b) 的拓樸結構圖78
圖4.37	模型3之雙迴圈最佳化拓樸型態分析結果	78
圖4.38	 數值解目標函數迭代圖	80
圖4.39	(a)模型3之雙迴圈最佳化拓樸型態(b) Vu部分下方結構
(c) 的拓樸結構圖	81
圖4.40	模型3之雙迴圈最佳化拓樸型態分析結果	81
圖4.41	(a)修整後模型(b) Vu部分下方結構(c) Vd1部分結構圖	82
圖4.42	修整模型詳細尺寸圖	83
圖4.43	修整後模型位移分析結果	83
圖4.44	模型3設計變數定義	84
圖4.45	MFDM目標函數跌代圖	86
圖4.46	模型3尺寸最佳化位移分析結果	87
圖4.47	模型3尺寸最佳化應力分析結果	87

表2.1  探測器規格表	9
表2.2  電控馬達規格	14
表2.3  XZ軸直動平台規格	17
表3.1	材料性質	32
表3.2	轉動平台位移量變化	38
表3. 3	分析結果	44
表4.1	模型1之雙迴圈最佳化-1求解結果	53
表4.2	模型1之最佳化-2雙迴圈求解結果	56
表4.3	模型1尺寸最佳化求解結果	61
表4.4	MFDM尺寸最佳化結果	62
表4.5	模型2之雙迴圈最佳化-1求解結果	65
表4.6	模型2之雙迴圈最佳化-2求解結果	68
表4.7	模型2之尺寸最佳化結果	73
表4.8	SLP 最佳化結果	74
表4.9	模型3之雙迴圈最佳化-1求解結果	77
表4.10	模型3之最佳化-2雙迴圈求解結果	80
表4.11	模型3之尺寸最佳化結果	85
表4.12	MFDM 最佳化結果	86

[1]J.Stover,"Optical Scattering: Measurement and Analysis,"SPIE-The International Society for Optical Engineering, Bellingham,WA,pp.3-5,1995.
[2]J.C. Le Bosse, G. Hansali , J. Lopez, J.C. Dumas, "Characterisation of surface 
roughness by laser light scattering: diffusely scattered intensity measurement,"
Wear, 224,pp. 236–244, 1999.
[3]Saulius Nevas, Farshid Manoocheri, and Erkki Ikonen, "Gonioreflectometer for 
measuring spectral diffuse reflectance,"Applied  Optics , Vol. 43, No. 35, 
pp.6391-6399, 10 December,2004.
[4]Thomas A. Germer, "Angular dependence and polarization of out-of-plane optical scattering from particulate contamination, subsurface defects, and surface 
 microroughness,"Applied Optics, Vol. 36, No. 33, pp.8798-8805,20 November,
1997.
[5]Thomas A. Germer ,Clara C. Asmail, "Polarization  of  light scattered by 
microrough surfaces and subsurface defects,"Journal of  the Optical Society of Americal,A,Vol.16,No.6, pp. 1326–1332,1999.
[6]	Ulf Persson, "Surface roughness measurement on machined surfaces using angular speckle correlation," Journal of Materials Processing Technology,180,  pp.233–238, 2006.
[7]	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 ,Vol. 37, No. 16 , pp.3450–3454, 1998.
[8]B. T. McGuckin, D. A. Haner, R. T. Menzies, C. Esproles, and A. M. Brother," 
Directional reflectance characterization facility and measurement methodology,"
Applied Optics , Vol. 35, No. 24, pp.4827-4834,20 August,1996.
[9]James E. Proctor,P. Yvonne Barnes, "NIST High Accuracy Reference 
 Reflectometer - Spectrophotometer," Journal of Research of the National 
 Institute of  Standards and Technology, Vol .101, No . 5, pp.619-627 
September–October, 1996.
[10]W.Erb,"Computer-controlled gonioreflectometer for the measurement of spectral reflection characteristics," Applied  Optics, Vol. 19,No. 22, 15  November  , pp. 3789-3794, 1980. 
[11]Xiaofan Feng, John R. Schott, and Timothy Gallagher, "Comparison of methods 
 for generation of absolute reflectance-factor values for bidirectional reflectance-
 distribution function studies," Applied Optics, Vol. 32, No. 7, pp.1234-1242,
1 March, 1993.
[12]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, Vol. 37, No. 16, pp.3450-3454,1 June 1998.
[13]Thomas A. Germera,Clara C. Asmail,"Goniometric optical scatter instrument for out - of - plane ellipsometry measurements,"Review of  Scientific Instruments , Vol. 70, No. 9 , pp. 3688-3695,Seotember ,1999.
[14]H.Li,S.C.Foo,K.E.Torrance,S.H.Westin,"Automated three-
axisgonioreflectometer for computer graphics applications, "Optical. 
Egineering. Vol.45 , 043605-1-043605-11,2006.
[15]Frederic B. Leloup, Stefaan Forment, Philip Dutre, Michael R. Pointer, Peter Hanselaer, "Design of an instrument for measuring the spectral bidirectional scatter distribution function," Applied Optics, Vol. 47, No. 29, pp.5454-5467,
10 October,2008.