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研究生:陳彥良
研究生(外文):Chen, Yen-Liang
論文名稱:全場顯微干涉術及其在折射率及表面形貌之量測應用
論文名稱(外文):Full-field microscopic interferometry and its applications on the measurements of refractive index and surface topography
指導教授:蘇德欽
指導教授(外文):Su, Der-Chin
學位類別:博士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:光電工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:99
語文別:中文
論文頁數:100
中文關鍵詞:外差干涉術電光晶體顯微術折射率表面形貌
外文關鍵詞:heterodyne interferometryelectro opticmicroscopyrefractive indexsurface topography
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本論文主要描述利用外差干涉術取代目前顯微干涉術中的傳統光干涉方法,進而改良成為全場外差干涉顯微技術。利用此技術可量測微米尺度下的二維相位延遲分佈、折射率分佈、表面形貌分佈等等。將單點量測擴展成為全場時,必須解決參考訊號的取得問題,在此提出兩種可決定全場絕對相位的新方法,利用較低振幅鋸齒波或非對稱三角波做為驅動電光晶體的電壓訊號,使得外差干涉訊號產生斷點而決定出參考相位,進而得到絕對相位。
在二維相位延遲的量測方法中,以共光程干涉儀的架構,使外差光束通過待測樣本與檢偏板,在任一像素位置上擷取到呈現弦波的干涉光訊號,其相位則為相位延遲量。這些取樣數據可經由IEEE 1241標準規範中提到的最小平方弦波擬合法,擬合成一連續弦波,待扣除參考訊號之相位後,則可求得該像素位置的相位延遲,而其他像素亦可藉此方法得到,即可完成全場相位延遲分佈的量測。
在折射率分佈的量測方法中,提出一種垂直入射的方法來進行。利用線性與旋光外差光束依序進入一改良式Twyman-Green干涉儀的光學架構中並得到干涉訊號之相位值,之後由Fresnel公式可推得相位與折射率之間的關係,而解出二維折射率分佈。在表面形貌分佈的量測方法中,將外差光束準直後進入一改良式Linnik顯微鏡的光學架構並得到干涉訊號之相位值,之後由兩臂光程差與相位差值的關係進而解得二維表面形貌分佈。另外為了改良顯微鏡系統之量測區域範圍與角度大小的限制,利用影像縫合技術,將不同位置或不同角度所測得多張影像的重疊區域,經由最佳化的旋轉平移矩陣運算而縫合成一完整影像,進而得到完整的樣本表面形貌。
本論文所提出的量測方法有光學操作簡單、高量測解析度以及高重現性等優點。

The heterodyne interferometry is introduced to the conventional interference microscopy to measure full-field phase retardation, refractive index distribution and surface topography. For determining full-field absolute phases, two different voltage signals, the saw-tooth wave with lower amplitude and the asymmetric triangle wave, are applied to drive the electro-optic modulator. Their break point positions are used to derive the reference phases.
A common path heterodyne interferometry is applied to measure the full-field phase retardation. A heterodyne light passes through the sample and an analyzer. The interference intensities recorded at any pixel of camera are the sampling points of a sinusoidal signal. The phase of that pixel can be derived with a least-square sine fitting algorithm on IEEE 1241 standard. Subtracting the reference phase, the phase retardation can be obtained. The retardations at other pixels can be obtained similarly.
The full-field phase distributions are measured with a modified Twyman-Green interferometer, in which linearly/circularly polarized heterodyne light beams are used in order. The measured data are substituted into the special equations derived from Fresnel equations, and the full-field refractive index distribution can be obtained. In addition, the height distribution can be calculated from the phase distribution measured by using a modified Linnik microscope with a heterodyne light source. Because the measurable region of a microscope is restricted, the overall topography of measuring larger samples cannot be obtained in a single measurement. It can be improved by measuring at different angles and positions. Then, these data are merged together to form the associated geometrical topography with the image stitching method. The above methods have several merits such as easy operation, high resolution and rapid measurement.
中文摘要 i
英文摘要 ii
誌 謝 iii
目 錄 iv
圖 目 錄 vii
第一章 緒論 1
參考文獻 4
第二章 全場外差干涉術 6
2.1 前言 6
2.2 外差光源與外差干涉術之原理 6
2.2.1 使用電光晶體調制的外差光源 6
2.2.2 外差干涉術的原理 8
2.3 全場外差干涉術的相位解析方法 9
2.3.1測試訊號與參考訊號 9
2.3.2 相位計算 10
2.4 全場外差干涉術的誤差分析 11
2.5 小結 12
參考文獻 13
第三章 全場相對相位與絕對相位之量測 16
3.1 前言 16
3.2 全場相對相位延遲之量測 18
3.2.1 參考訊號與測試訊號之相位計算 18
3.2.2 二維相位延遲量測之實驗結果 20
3.2.3 二維相位延遲量測之誤差分析 24
3.3 全場絕對相位量測原理之一 25
3.3.1 干涉訊號之波形 25
3.3.2 決定絕對相位之理論 29
3.4 全場絕對相位量測原理之二 32
3.4.1 干涉訊號之波形 32
3.4.2 決定絕對相位之理論 35
3.5 絕對相位量測方法之比較與量測誤差 39
3.5.1 量測四分之一波片的全場相位延遲 39
3.5.2 訊號處理之比較 42
3.5.3 理論誤差之比較 42
3.6 小結 43
參考文獻 44
第四章 垂直入射式折射率顯微術與其應用 47
4.1 前言 47
4.2 原理 48
4.3 實驗與結果 52
4.3.1 量測GRIN lens 52
4.3.2 量測ITO 54
4.4 討論 59
4.4.1 量測GRIN lens 60
4.4.2 量測ITO 60
4.5 小結 61
參考文獻 62
第五章 奈米級表面形貌與表面粗度之量測 64
5.1 前言 64
5.2 原理 65
5.3 實驗結果 68
5.4 討論 71
5.5 小結 72
參考文獻 73
第六章 利用影像縫合技術改良干涉顯微術 76
6.1 前言 76
6.2 原理 76
6.2.1 掃描白光干涉顯微鏡 76
6.2.2 微硬度計壓頭之量測準則 78
6.2.3 影像縫合 80
6.2.4 多張影像縫合步驟 83
6.3 實驗與結果 83
6.4 討論 90
6.5 小結 91
參考文獻 92
第七章 結論 94
簡 歷 96
著 作 97


1.Zhi-Cheng Jian, Yen-Liang Chen, Hung-Chih Hsieh, Po-Jen Hsieh, and Der-Chin Su, “Optimal condition for full-field heterodyne interferometry,” Optical Engineering, 46(11), pp.115604, Nov. 2007.

2.Yen-Liang Chen, Zhi-Cheng Jian, Hung-Chih Hsieh, Wang-Tsung Wu, and Der-Chin Su, “Nano-roughness measurements with a modified Linnik microscope and the uses of full-field heterodyne interferometry,” Optical Engineering, 47(12), pp.125601, Dec. 2008.

3.Yen-Liang Chen and Der-Chin Su, “A method for determining full-field absolute phases in the common-path heterodyne interferometer with an electro-optic modulator,” Applied Optics, 47(35), pp. 6518-6523, Dec. 2008.

4.Hung-Chih Hsieh, Yen-Liang Chen, Zhi-Cheng Jian, Wang-Tsung Wu, and Der-Chin Su, “Two-wavelength full-field heterodyne interferometry for measuring large step height,” Measurement Science and Technology, 20, pp.025307, Jan. 2009.

5.Yen-Liang Chen and Der-Chin Su, “Full-field measurement of the phase retardation for birefringent elements by using common path heterodyne interferometry,” Optics and Lasers in Engineering, 47, pp.484-487, Mar. 2009.

6.Yen-Liang Chen and Der-Chin Su, “A method for measuring the geometrical topography of a Rockwell diamond indenter,” Measurement Science and Technology 21, pp.015307, Jan. 2010.


7.Wang-Tsung Wu, Yen-Liang Chen, Hung-Chih Hsieh, Wei-Yao Chang, and Der-Chin Su, “Method for gauge block measurement with the heterodyne central fringe identification technique,” Applied Optics, 49(16), pp. 3182-3186, Jun. 2010.

8.Yen-Liang Chen and Der-Chin Su, “Improved technique for measuring full-field absolute phases in a common-path heterodyne interferometer,” Applied Optics, 49(25), pp. 4746-4750, Sep. 2010.

9.Yen-Liang Chen, Hung-Chih Hsieh, Wang-Tsung Wu, Bor-Jiunn Wen, Wei-Yao Chang, and Der-Chin Su, “An alternative bend-testing technique for a flexible indium tin oxide film,” Displays, was accepted and will be published.

10.Hung-Chih Hsieh, Yen-Liang Chen, Wang-Tsung Wu, Wei-Yao Chang, and Der-Chin Su, “Full-field refractive index distribution measurement of a gradient-index lens with heterodyne interferometry,” Measurement Science and Technology, 21, pp.105310, Sep. 2010.

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