DIC量测技术结合四相位偏极片之三维形貌量测原理.pdf

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DIC量测技术结合四相位偏极片之三维形貌量测原理

DIC 量測技術結合四相位偏極片之三維形貌量測原理 張奕威 Abraham Mario Tapilouw 工業技術研究院 工業技術研究院 量測中心 量測中心 yiweichang@itri.org.tw mario@itri.org.tw 摘要 本研究提出結合差分干涉對比(Differential interference contrast, DIC)結合二維陣列四相位偏振光 柵元件發展即時形貌檢測的方法 。量測方式可以提供針對透明與非透明的待測物進行量測,具有高影 像對比 、量測快速與二維三維同時量測之效果。本研究開發一具有四相位的二維偏振陣列元件 ,藉由 四相位偏振陣列元件結合差分干涉對比顯微系統,其效果將可於一次取像過程中達成四步相移影像的 資料 ,而不需透過機構來移動或旋轉線性偏極片進行四個角度定位與取得四張不同相位的影像 。此方 法將可大幅縮短量測取像的時間 ,只需透過單張影像分割成四張不同相位的影像來進行形貌重建,取 像時間大幅縮短 ,提升四倍的量測速度與降低機構旋轉移動帶來的誤差 。 關鍵字:差分干涉對比術 、相移量測、微陣列光柵 壹、前言 由於光電產業技術發展快速,各式各樣的透明基板與透明圖案化薄膜(ITO 、GZO 等材料)在製程中被 使用。在大型顯示器與手機螢幕等光電產品中以氧化銦錫ITO 與氧化鋅鎵 GZO 薄膜製程技術生產的 導電玻璃或透明材質的各式元件在檢測上以一般量測方式不易獲得形貌資訊,會因為反射光訊號微弱 與影像對比不足而增加其困難度 ,而產業上使用透明材質的製程會逐步增加,其檢測需求也將會大幅 增加,因此可以檢測透明材質的形貌量測技術將越來越被重視 。差分干涉對比顯微術原本是應用於強 化影像的技術,用於強化透明物件與背景的差異,多應用於二維影像中。但在多項研究中顯示,其原 理可應用於透明物件的三維形貌量測[1,2,3,4,5] 。因此,本研究提出的量測系統乃是結合差分干涉對 比(DIC)結合二為微陣列四相位偏振光柵元件進行取像,能夠針對透明與非透明的物體進行取得四張 不同相位資訊的干涉條紋影像(0, π/2, π, 3π/2 的相位資訊變化) 。經由差分干涉對比技術獲得透明形 貌的干涉影像,搭配二維微陣列光柵元件來同步獲得四個相位變化資訊,最後由相位重建獲得形貌資 訊,建構出一組即時三維形貌量測系統。 貳、研究方法 本研究提出之即時差分干涉技術,主要是結合一片具有四相位的二維偏振陣列之光學元件,其系統架 構如圖 1 所示 ,系統可分為穿透式架構與反射式架構,其基本架構原理是以差分干涉技術為主 。在穿 透系統架構中,量測時以單波段光源進行量測 ,由 DIC 稜鏡(Wollaston 稜鏡)產生分光,為一對O- wave 與 E-wave 的入射光透過顯微物鏡穿透物體 ,在經由另外一組顯微物鏡與DIC 稜鏡來產生差分 干涉影像,干涉影像的相位資訊變化則是由光源端的偏極片與取像端的 1/4 波板與二維偏極陣列元件 來產生,因此 CCD 可以在同張影像中取得0, π/2, π, 3π/2 四種不同相位變化的影像資訊。而反射式 架構則是共用同一組 DIC 稜鏡與顯微物鏡,除此之外別為分別。差分干涉其干涉訊號的強度表示如方 程式(1)所示[1] 。 1 ̃ 2 ( ) [ ( ( ) )] x, y = 2 + [1 − cos { Γ + (, ) cos , − }] + (1) ̃ 其中: 維光進入 DIC 稜鏡前的光強; θ(x,y) 為相位梯度方向(gradient azimuth) ; σ 為剪切方向; 為無待測物時的背景光強。 1 論文全文請參考論文集光碟

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