臺灣博碩士論文加值系統

本研究運用數位微鏡組裝置(DMD)之數位條紋投影技術，發展全域式即時共焦顯微三維輪廓量測系統。利用數位微鏡組裝置具備有高亮度與高空間解析度之特性，達成全域式光學三維輪廓量測。有鑑於目前共焦量測系統均利用垂直掃描的方式來獲得三維輪廓資料，在量測上將造成量測效率不彰以及易受到線上量測環境振動問題之干擾。因此，本研究利用量測光學系統架構之創新設計，藉由分光架構與控制不同厚度之玻璃板，使CCD取得四張不同聚焦位置之影像，並使用曲線擬合之技術，偵測出聚焦反應曲線峰值位置。針對階高式待測物可精確且快速地完成全域式三維輪廓量測。以實際使用之細微元件驗證系統精度與性能，實驗系統之空間解析可達0.15µm，且量測之平均誤差在量測全範圍高度之3%以內，驗證此量測系統可有效地達成即時共焦三維輪廓量測。

A simultaneous confocal full field 3-D surface profilometer using digital structured fringe projection is presented in the article. Using digital micromirror device (DMD) moiré projection, a digital fringe pattern is developed for lateral scanning with high spatial resolution and measurement efficiency. Four conjugate image sensing modules are configured at four different designated focusing positions, which are controlled by glass plate of different thickness. A depth-focus response curve can be established by achieving simultaneous vertical scanning of full-field surface profilometry. A standard step height has been measured to attest the measurement accuracy and feasibility of the developed approach. The depth measurement resolution can reach up to 0.15µm and the maximum measurement error was verified to be within 3% of the overall measuring height size. The measurement efficiency can be significantly improved for on-line automatic optical inspection (AOI).

中文摘要 i
英文摘要 ii
誌謝 iii
目錄 iv
表目錄 vii
圖目錄 viii
第1章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 研究之創新性 3
1.4 論文架構 4
第2章 文獻回顧 5
2.1 共焦量測術原理 5
2.2 共焦量測系統之文獻 6
2.3 文獻回顧之結論 18
第3章 系統架構與設計原理 22
3.1 量測系統之介紹 22
3.1.1 系統架構 22
3.1.2 分光系統光路 25
3.2 系統設計之原理 28
3.3 分光強度之分析 33
3.4 分光架構之修正 36
3.5 數位結構光介紹 42
3.6 數位微鏡組裝置 43
3.7 主動式光強調控 44
3.7.1 偏振光原理 45
第4章 三維量測原理與技術 47
4.1 聚焦形貌量測原理 47
4.2 聚焦函數 50
4.2.1 拉普拉斯法 51
4.2.2 標準差法 52
4.2.3 Vollath’s F4法 53
4.3 聚焦函數之比較 53
4.4 聚焦深度反應曲線探討 55
4.4.1 曲線擬合法 55
4.4.2 聚焦深度反應曲線之分析 58
4.5 數據濾波之技術 59
第5章 量測實例 65
5.1 量測系統之性能評析 65
5.1.1 量測之空間解析度 65
5.1.2 聚焦訊號與非聚焦訊號之比較 66
5.1.3 棋盤式結構光之分析 68
5.1.4 重覆性量測 72
5.2 三維量測實例 73
5.2.1 塊規階高量測 73
5.2.2 微凸塊量測 75
5.2.3 間隔柱量測 77
5.2.4 微金凸塊量測 78
5.3 討論 80
第6章 結論與未來展望 82
6.1 結論 82
6.2 未來展望 83
參考文獻 85


表目錄
表 2 1 各種量測系統之優缺點 18
表 3 1 分光鏡之規格表 27
表 3 2 直角反射鏡之規格表 28
表 3 3 Zemax模擬之資料表 32
表 3 4 偏極分光鏡之規格表 40
表 3 5 各個位置之光強度量測值 41
表 5 1 校正片TGG01之尺寸規格表 65
表 5 2 不同倍率物鏡之空間解析度與視場 66
表 5 3 聚焦位置與非聚焦位置之標準差值之比較 67
表 5 4 不同之濾波閥值所求得量測之結果 68
表 5 5 不同大小之棋盤格影像對比之比較表 71
表 5 6 重覆性量測之數據 73
表 5 7 塊規階高之量測數據 74


圖目錄
圖 1 1 各種三維形貌量儀之解析度範圍 1
圖 2 1 目前已知之即時共焦三維量測系統之技術魚骨圖 5
圖 2 2 傳統共焦系統示意圖 6
圖 2 3 以Nipkow disk為主的橫向掃描加速法 6
圖 2 4 聚焦形貌量測示意圖 7
圖 2 5 形貌量測與反射光接收之演算流程圖 8
圖 2 6 主動光源式之聚焦形貌量測系統示意圖 9
圖 2 7 考慮不同聚焦程度影像斜率之示意圖 10
圖 2 8 以DMD為基礎之共焦量測系統示意圖 11
圖 2 9 非移動式多波長三維量測共焦顯微鏡系統架構 12
圖 2 10 非掃描式多光束高速量測共焦顯微鏡之架構 13
圖 2 11 彩色共焦量測顯微架構 14
圖 2 12 正歸化後的RGB三顏色反應曲線 14
圖 2 13 變焦長微透鏡結構圖 15
圖 2 14 可變焦長微透鏡陣列共焦量測系統架構 15
圖 2 15 峰值偏差量與曲線擬合、訊噪比之關係曲線 16
圖 2 16 混和式共焦量測系統架構圖 17
圖 2 17 利用微陣列透鏡與微針孔所組成之共焦量測系統架構 18
圖 3 1 即時共焦量測系統示意圖 23
圖 3 2 即時共焦量測系統實體圖 24
圖 3 3 量測系統所使用之元件實體圖 25
圖 3 4 分光光路系統示意圖 26
圖 3 5 自製之顯微鏡CCD連結套筒實體圖 27
圖 3 6 分光鏡與反射鏡之分光鏡組實體圖 27
圖 3 7 物體成像之示意圖 29
圖 3 8 聚焦位置與平板玻璃之關係圖 30
圖 3 9 利用平板玻璃厚度之影響產生偏移之示意圖 31
圖 3 10 Zemax之3D模擬圖 32
圖 3 11 因分光架構影響使得各光強之強度不同 33
圖 3 12 入射波之穿透與反射關係圖 34
圖 3 13 光源經過第一組分光架構後之各束之振幅示意圖 35
圖 3 14 光源經過第二組分光架構後之各束之振幅示意圖 35
圖 3 15 修正後之分光架構示意圖 37
圖 3 16 修正之分光架構光強測試實體圖 39
圖 3 17 (a)為第一組分光架構，(b)為第二組分光架構 40
圖 3 18 光功率計實體圖 40
圖 3 19 光強度量測位置示意圖 41
圖 3 20 不同的數位結構光圖案(棋盤格結構光與正弦結構光) 42
圖 3 21 SVGA解析度之DMD 43
圖 3 22 DLP™單晶片架構 43
圖 3 23 DMD裝置之架構與投影原理示意圖 44
圖 3 24 減光片與線性偏光鏡之實體圖 45
圖 3 25 偏振光示意圖 46
圖 4 1 物體成像示意圖 47
圖 4 2 聚焦形貌量測示意圖 49
圖 4 3 表面粗糙度與感測器的解析度 49
圖 4 4 棋盤式結構光之示意圖 50
圖 4 5 聚焦情形的光強度與分佈範圍 51
圖 4 6 離焦情形的光強度與分佈範圍 51
圖 4 7 取得之結構光影像 53
圖 4 8 使用拉普拉斯法所計算之結構光影像聚焦函數值剖線圖 54
圖 4 9 使用標準差法所計算之結構光影像聚焦函數值剖線圖 54
圖 4 10 使用Vollath’s F4法所計算之結構光影像聚焦函數值剖線圖 54
圖 4 11 聚焦深度反應曲線圖 55
圖 4 12 棋盤式結構光在不同聚焦平面之影像 57
圖 4 13 由三張影像經曲線擬合所得之反應曲線 58
圖 4 14 不同聚焦位置之所擬合反應曲線圖 59
圖 4 15 以3x3遮罩進行空間濾波之褶積運算示意圖 60
圖 4 16 低通濾波器常見之空間遮罩 61
圖 4 17 Laplacian高通濾波器之遮罩形式 61
圖 4 18 Sobel高通濾波器之X方向與Y方向濾波器之遮罩形式 62
圖 4 19 3×3之原始影像區域 62
圖 4 20 排序後之原始影像區域灰階值 62
圖 4 21 中值濾波後之平滑影像區域 63
圖 4 22 未經過中值濾波器與低通濾波器進行雜訊點濾除之三維形貌 63
圖 4 23 經過中值濾波器與低通濾波器進行雜訊點濾除之三維形貌 64
圖 5 1 校正片TGG01之形貌示意圖 65
圖 5 2 聚焦位置之所擬合反應曲線圖 66
圖 5 3 非聚焦位置之所擬合反應曲線圖 67
圖 5 4 不同之結構光大小所得到之影像灰階變化比較 71
圖 5 5 不同大小之結構光與對比之關係圖 72
圖 5 6 階高5.15 之上平面與下平面之影像圖 72
圖 5 7 重覆性量測之結果 73
圖 5 8 塊規階高上平面與下平面之影像圖 74
圖 5 9 塊規階高之量測結果 75
圖 5 10 Micro Bump上平面與下平面之影像圖 76
圖 5 11 微凸塊之量測結果 77
圖 5 12 間隔柱之量測結果 78
圖 5 13 不同深度之實際影像圖 79
圖 5 14 微金凸塊之量測結果 80

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