微型阵列透镜表面形状之显微干涉光学检测技术.PDFVIP

微型陣列透鏡表面形狀之顯微干涉光學檢測技術 楊士緯 林宸生 傅書賢 葉茂勳 鄒慶福 逢甲大學 逢甲大學 逢甲大學 中山科學研究院 逢甲大學 電機工程學系 自動控制工程 自動控制工程 材料與光電 自動控制工程 m9901655@mail.fcu.edu.tw 學系 學系 研究所 學系 摘要 本研究主要在即時檢測微透鏡陣列的表面形狀、曲率半徑和口徑大小，其系統採取自動化光學干 涉儀的架構，透過攝影機連接電腦，並運用影像處理技術檢測球狀微透鏡陣列，將結果做分析。系統 光源使用雷射光，並利用 CCD 搭配顯微鏡組，形成光學顯微干涉儀之自動光學檢測系統，採用菲索 (Fizeau)干涉原理，以雷射光照射微透鏡陣列表面，經由參考平面和微透鏡陣列表面反射的雷射光， 形成兩道光干涉所需要的相位差，因而形成干涉條紋。 微透鏡陣列的量測上，根據實驗中所觀察到，當微透鏡的Sag 遠大於檢測光源的波長時，條紋分 佈的密度非常高，以致於在顯微影像中只有中央幾圈條紋是清晰的，造成難以斷定其條紋數。因此針 對此情況，本研究利用創新之運算法則，發展出一套AOI 系統求得微透鏡的Lens Sag ，此系統採用 非接觸式的量測，適合在製程中即時的估算出Lens Sag ，像是利用氣體熱膨脹成型原理的製程方法， 或者是液態透鏡在不同電壓下呈現不同的Lens Sag ，都很適合利用此AOI 系統，即時的計算出Lens Sag 。 本研究發展的AOI 系統，優點在於架構簡單，可即時量測，並且具有非接觸式檢測及適用於各種 不同大小之微透鏡陣列檢測優點。 關鍵字：微透鏡陣列 、光學顯微干涉儀 、干涉條紋 壹、 前言 一、研究動機 光學系統中常需要利用微透鏡聚焦或者改善光分佈，因此微透鏡陣列的應用，在光學系統 中 是不可或缺的一環。雖然目前微透鏡陣列的製程是使用標準的半導體製程技術[1-2] ，像是熱 膨脹成形的製程，利用光敏玻璃材料加熱後將使其體積膨脹，形成朝上下突出的微透鏡[3] 。 但是在生產過程中仍有因為模具製造及熱漲冷縮不均的問題產生，因此容易出現瑕疵。另外 根據實驗中所觀察到，當微透鏡的Sag 遠大於檢測光源的波長時，僅能看到中央幾圈條紋， 周圍的條紋分佈的密度非常高，以致於在顯微影像中模糊不清難以斷定條紋數。因此我們針 對微透鏡的製造過程中發展出一套 AOI 系統 ，採用非接觸式的量測，適合在製程中即時的 估算出Lens Sag ，像是利用氣體熱膨脹成型原理的製程方法[4] ，或者是液態透鏡在不同電 壓下呈現不同的Lens Sag ，都很適合利用此AOI 系統。 現今市面上可量測微透鏡表面形狀的儀器和方法有許多種 ，像是原子力顯微鏡(AFM) 、輪廓 測定儀(Stylus Profiler) 、掃描式電子顯微鏡(SEM)等，由於一方面這類儀器的售價過於昂 貴，另一方面其檢測速度過於緩慢及採用探針式的方式量測，會造成微型陣列透鏡表面的輕 微刮傷。藉此運用機械視覺的技術，包括濾波去除雜點、型態學等影像處理技術，硬體方面 透過光學顯微干涉儀原理的架設[5-6] ，並利用CCD 做為取像裝置，形成非接觸式的自動化 光學檢測平台。可量測每顆微透鏡的的Lens Sag ，並進行分析比較。 二、文獻回顧 中央大學梁逸平製作光阻熔融式微透鏡陣列，並且利用Twyman-Green Interferometer 光學 干涉儀架構，如圖 1 所示。將雷射光擴束成一道平行光，讓光分別打到參考面鏡以及微透 鏡陣列，兩者反射回來之後的雷射光，由於光程差的關係，使微透鏡陣列產生干涉條紋，再 由CCD 取像傳送至電腦，利用此干涉條紋分析微透鏡之光程差、像差、曲率半徑等光學特 性，並利用光程差原