031_093-128AP-TW

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031_093-128AP-TW

發佈日期 : 2009-04-29

發明專利說明書


※申請案號：094100413	※I P C 分類：G01D 21/00

一、	發明名稱：
	順序量測雙折射材料多項光學參數之裝置與方法(全文下載)

二、

中文發明摘要：

本發明係為一種順序量測雙折射材料多項光學參數與二維全場量測之裝置及方法，其裝置由包括一入射光源及一光學架構，其量測方法則係使上述入射光源依序經過光學架構之偏振片、電光調變器、以及第一λ/4波片、待測物、第二λ/4波片、檢偏片，並於光偵測器上接受其光訊號，另配合移除第一λ/4波片，最後再將前述光訊號分別經過帶通濾波器和鎖相放大器作訊號處理，經運算單元之運算以分別獲得主軸角度、相位延遲、階數、厚度和尋常光與非尋常光的折射率等光學參數；另藉由加入CCD及電控裝置，本發明亦為一種二維全場量測裝置及方法。

三、

英文發明摘要：

四、	指定代表圖：
	(一)本案指定代表圖為：第一圖
	(二)本代表圖之元件符號簡單說明：
	(1)‧‧‧入射光源
	(2)‧‧‧光學架構
	(21)‧‧‧偏振片
	(22)‧‧‧電光調變器
	(23)‧‧‧第一λ/4波片
	(24)‧‧‧第二λ/4波片
	(25)‧‧‧檢偏片
	(26)‧‧‧光偵測器
	(27)‧‧‧帶通濾波器
	(28)‧‧‧鎖相放大器
	(29)‧‧‧運算單元
	(A)‧‧‧待測物

五、	本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式：

六、	發明說明：
	【發明所屬之技術領域】
[0001]	本發明係一種順序量測雙折射材料多項光學參數與二維全場量測之裝置及方法，主要係提供一種利用共路徑外差干涉儀配合鎖相放大器之量測裝置，並藉該裝置順序量測光學材料之主軸角度、相位延遲、階數、厚度和尋常光與非尋常光的折射率等多項光學參數；另藉由加入CCD及電控裝置，本發明亦為一種二維全場量測裝置及方法。
	【先前技術】
[0002]	近年由於奈米科技的快速發展，使得具有雙折射特性相關的晶體或生化物質，其光學參數與外界的關係令人產生莫大的興趣，如具雙折射性的波片或液晶已經被大量使用在光電產業中，如此發展出一套可量測光學參數的量測架構是必然的。
[0003]	一般在光學量測中，共路徑外差干涉儀是一種相當穩定且精準的量測技術，在此架構下因為參考光和量測光為共光程，所以可必免因環境擾動造成的影響。為了測量待測物的雙折射現象或晶體的相位延遲現像，通常會使用調變器以調變控制系統之訊號，早在1974年，即有Serreze和Goldner等人揭露利用電光調變器(E-O modulator)作為系統調變源量測雙折射材料birefringence的方法；後來亦有Shindo和Hanabusa等人揭露利用光彈調變器 (Photoelastic modulator)作為系統調變源而量測雙折射(birefringence)材料的方法，這兩個量測系統得到的訊號都直接輸入至鎖相放大器中(Lock-in Amplifier)。
[0004]	在1997年，陽明大學以葡萄糖(glucose)為試件，提出一以同樣以外差干涉(heterodyne interference)為基本概念的量測方法，上述陽明大學所發展之圓偏振光的外差干涉儀(circular heterodyne interferometer)可用來量測葡萄糖主軸由於濃度變化形成的主軸旋轉變化量，Circular heterodyne interferometer是一種高靈敏度的相位變化量測系統，故可很精確地測量到因光學性質變化造成的相位差，而此量測方法是以塞曼雷射 (Zeeman Laser)作為入射光源，產生兩頻率大小不同的線性偏振光，作為系統調變源，利用偏振分光鏡(polarizer beam splitter，PBS)來改變感測光的偏振狀態，並同時進行合光干涉(coherence)，以得一外差干涉訊號，但這個方法需利用不同頻率大小的雷射作為入射光源，在量測上即造成許多的不便。
[0005]	另外Huang等人在1997提出一種Mach-Zehnder偏極干涉儀，其係一種利用兩個聲光調變器來調變訊號形成的的雙迴路系統的外差干涉術，可同時測量石英波片中尋常光和非尋常光的折射率，但此法需特殊設計一楔形試片且要精確知道斜角的角度，製造上不易光學架構上也相當複雜。
[0006]	在2001年Su等人利用類似橢圓偏光術的量測方式，接收從待測物表面反射出的圓偏振光信號，此信號將會埋入相位中，再利用相位儀(Phase-meter)將相位解析出來，由 Fresnel方程式的關係式可得此相位信號是折射率ne和no的函數，如此轉動待測物記錄兩個相位值，即可用兩個方程式來決定兩個未知數。
[0007]	在全場量測中，1987年Sasaki等人提出一套以弦波調變搭配四相積分(four integrating-bucket)方法來量測物件表面的輪廓。在2001年，Dubois等人也同樣利用此方式來量測，但Dubois等人亦討論到最佳的相位調變以及誤差所造的影響。
[0008]	以上方法中，其調變方式皆以介電材料致動器(PZT)來做機械式的調變機置，且需取得調變週期中的四張圖來做運算，此處理方式略顯複雜。
[0009]	在1998年，Chou等人也提出一套外差干涉的二維量測法，其理論是利用到介電材料致動器(PZT)來移動待測物，藉由單點量測來做掃描而擴展至二維量測的方式。
	【發明內容】
[0010]	上述習知裝置及方法無法一起量測出具雙折射特性材料的主軸改變量、相位延遲量、快軸與慢軸折射率等光學參數為其缺點，且其架構複雜。
[0011]	本發明係為一種順序量測雙折射材料多項光學參數之裝置，其裝置由包括一入射光源及一光學架構，其中該光學架構包括偏振片、電光調變器、第一λ/4波片、第二λ/4波片、檢偏片、光偵測器、帶通濾波器、鎖相放大器和運算單元等元件。
[0012]	本發明亦是一種順序量測雙折射材料多項光學參數之方法，其係使前述入射光源依序經過偏振片、該電光調變器、以及第一λ/4波片、待測物、第二λ/4波片、檢偏片，並於光偵測器上接受其光訊號，經運算單元之運算以獲得主軸角度；復移除第一λ/4波片，再於光偵測器上接受其光訊號，將光訊號分別經過帶通濾波器和鎖相放大器作訊號處理，經運算單元之運算以獲得相位延遲、階數、厚度和尋常光與非尋常光的折射率等光學參數。
[0013]	另本發明亦是一種二維全場量測裝置，該裝置包括一入射光源、偏振片、電光調變器、擴束器(Beam Expander)、第一λ/4波片、第二λ/4波片、檢偏片、CCD、信號產生器、高複雜度可程式控制器、相移器(Phase Shifter)和運算單元等元件；上述偏振片與光行進方向夾45∘角；電光調變器的快軸方向則與光行進方向夾90∘角；第一λ/4波片與第二λ/4波片的主軸方向個別與光行進方向夾45∘及-45∘角；檢偏片與光行進方向夾角為零度；前述CCD位於出射光之路徑上，其訊號係傳遞至運算單元，而高複雜度可程式控制器係輸出不同之頻率以觸發CCD及調整信號產生器之接受模式，該信號產生器並對電光調變器進行調變。
[0014]	本發明也是一種二維全場量測方法，其係使一入射光源依序經過偏振片、電光調變器、擴束器、第一λ/4波片、待測物、第二λ/4波片、檢偏片，並以CCD接受其光訊號，該 CCD與電光調變器係為同源，而CCD所接受之光訊號係傳送至一運算單元者。
[0015]	本發明之目的在提供一種架構簡單的量測裝置，其可順序量測具雙折射特性材料之主軸角度改變量、相位延遲量、階數、厚度和尋常光和非尋常光折射率等多項參數，並可使量測精度更加提高。
[0016]	本發明之目的亦是提供一種量測方法，以順序量測具雙折射特性材料之主軸改變量、相位延遲量、階數、厚度和尋常光和非尋常光折射率等多項參數，並可使量測精度更加提高。
[0017]	本發明之另一目的在提供一種二維全場量測之裝置及方法，藉以求得全場主軸角度和相位延遲量。
	【實施方式】
[0018]	首先，請參閱第一圖，本發明之裝置包括一入射光源(1)及一光學架構(2)，其中該光學架包括偏振片(21)、電光調變器(22)[EO Modulator]、第一λ/4波片(23)、第二λ/4波片(24)、檢偏片(25)、光偵測器(26)、帶通濾波器(27)、鎖相放大器(28)和運算單元(29)等元件。上述偏振片(21)與光行進方向夾45∘角；電光調變器(22)的快軸方向則與光行進方向夾90∘角。上述第一λ/4波片 (23)與上述第二λ/4波片(24)的主軸方向個別與光行進方向夾45∘及-45∘角。檢偏片(25)與光行進方向夾角零度。
[0019]	實施時，待測物(A)置於第一λ/4波片(23)與第二λ/4波片(24)之間，使上述入射光源(1)依序經過偏振片(21)、該電光調變器(22)、第一λ/4波片(23)、待測物(A)和第二λ/4波片(24)、檢偏片(25)，接著以光偵測器(26)接受其光訊號，再將光訊號分別經過帶通濾波器(27)和鎖相放大器(28)作訊號處理，最後經運算單元(29)之運算。
[0020]	前述入射光源為氦氖雷射(He-Ne Laser)，波長λ=632.8nm。
[0021]	前述待測物的瓊斯矩陣(Jones Matrix)。可以表示成如下：
[0022]	其中α=α₀+Δα為雙折射材料的主軸方向，α₀為未改變環境狀況下的主軸軸向，Δα為因外界環境改變而造成的主軸軸向改變量；β=β₀+Δβ為因雙折射(birefringence)特性造成的相位延遲量，β₀為未改變環境狀況下雙折射造成的初始延遲量，Δβ為雙折射(birefringence)量變化而造成的相位差。
[0023]	利用上述裝置來順序獲得待測物的各項光學參數的方法如下：
[0024]	請參照第一圖，其瓊斯矩陣(Jones Matrix)可表示成：
[0025]	光強可表示成(I₁E₁．)
[0026]	其中為輸出光強的直流項，R₁代表為I_dcsinβ，Φ₁代表
[0027]	經由鎖相放大器(28)量出相位項Φ₁，可解析出主軸角度：
[0028]	將第一圖中的第一λ/4波片(23)移除，使之如第二圖所示，則：
[0029]	光強可表示成(I₂E₂．)
[0030]	其中R₂代表為，Φ₂代表為：tan^-1(cos2αtanβ)
[0031]	由步驟一可知主軸角度，所以經由鎖相放大器(28)量出Φ₂，可解析出相位遲延角度β：
[0032]	將第二圖所示裝置中的待測物(A)主軸固定在y軸方向，並將它沿光前進方向轉動一角度，使之如第三圖所示。
[0033]	在第三圖中，待測物(A)為多階四分之波片(CVI, Model QWPM-633-10-4-R15)，其分別旋轉一角度θ₁與θ₂，此純粹為了改變光行走的光程，於公式(10)記錄其相位遲延角度β₁(θ₁)與(θ₂)，由於鎖相放大器(28)[Lock-in Amplifier]相位量測範圍僅在-180∘~180∘，所以真正多階波片的相位延遲量為：
[0034]	其中m為階數(為整數)，d為待測物的厚度，λ是入射光波長。且對應旋轉後的相位延遲量則為：
[0035]	其中為了減化公式的複雜度，所以以小角度下旋轉，可忽略光在待測物(A)中行走時的因折射的影響。
[0036]	另外將公式(11)整理為d為m的函數代入(式12)與(式13)中即可整理成
[0037]	因為待測物(A)的階數決定了待測物(A)製作時的厚度，所以在量完階數後，下一個參數所要量的是待測物(A)的厚度。在實驗過程中我們需要已知厚度的λ/2波片(4)以及λ/8波片(5)，其中，待測物 (A)的材質須與λ/2波片(4)以及λ/8波片(5)相同。如第四圖所示，係先移除第一λ/4波片(23)，再將該λ/2波片(4)置於待測物(A)與第二λ/4波片(24)之間，使上述入射光源(1)依序經過偏振片(21)、該電光調變器(22)、待測物(A)、λ/2波片(4)和第二λ/4波片 (24)、檢偏片(25)，接著以光偵測器(26)接受其光訊號，再將光訊號分別經過帶通濾波器(27)和鎖相放大器(28)作訊號處理，最後經運算單元 (29)之運算。然後移除λ/2波片(4)，如第五圖所示，將該λ/8波片(5)置於待測物(A)與第二λ/4波片(24)之間，使上述入射光源(1)依序經過偏振片(21)、該電光調變器(22)、待測物(A)、λ/2波片(4)和第二λ/4波片(24)、檢偏片(25)，接著以光偵測器(26)接受其光訊號，再將光訊號分別經過帶通濾波器(27)和鎖相放大器(28)作訊號處理，最後經運算單元(29)之運算。並記錄上述二次所測得之相位延遲角度帶入下列公式中
[0038]	將式15及式16相減得到
[0039]	再將(式17)帶回(式11)，則厚度可被推導如下式：
[0040]	則厚度可被量測出。
[0041]	在晶體光學的理論中得知，若光軸沿著光前進方向傾斜，則O光垂直光軸的折射率(尋常光折射率no)將不會改變，相反地E光平行光軸的折射率(非尋常光折射率ne)將會隨傾斜角度θ而變，且為θ的函數，在此又可稱為有效折射率(n_on_eff(θ)n_e)，其趨勢變化如第六圖所示。
[0042]	所以再一次將第二圖所示裝置中的待測物(A)主軸固定在x軸方向，並將它沿光前進方向轉動一角度，使之如第七圖所示。旋轉一角度θ除了改變光行走的光程外也改變了折射率的差值，由(式10)記錄其相位遲延角度β"，可表示成：
[0043]	因為有效折射率為n_e、n_o和θ的函數，(式20)為n_e、n_o、θ和d的函數，若在給一定厚度的情況下，由(式11)和(式20)兩個方程式就可解出兩個未知數，尋常光和非尋常光折射率(n_e&n_o)。
[0044]	由於CCD元件具有積分特性，本發明提供一種二維全場影像處理演算法，在前揭(式6)由單點擴展至二維的範圍，可表示成：
[0045]	將這個時變信號I₁連續積分三個四分之一的調變週期，如第八圖所示。其三次積分結果分別可表示成
[0046]	將(式22)與(式23)相減，(式23)又與(式24)相減分別可得
[0047]	最後將(式25)與(式26)相除取反正切函數(arctangent)即可得二維關係下的相位值
[0048]	所以應用CCD(31)搭配以上的影像處理演算求，可很成功求解相位，如同之前用鎖相放大器鎖住相位一樣，如此再代入(式7)或(式10)就能求得全場主軸角度和相位延遲量。
[0049]	電控裝置如第九圖所示，在電控裝置(3)中，因為一般標準型CCD(31)最高的觸發頻率為30 Frames/Sec，而調變頻率為1kHz，因此需藉由外在的電控架構部份來克服受限的取樣頻率。本發明加上高複雜度可程式控制器(32)[CPLD，內建2MHz的石英震盪器]同時在不同腳位輸出1kHz及10Hz的頻率，其中10Hz用來外部觸發CCD(31)，如此一來即可克服 CCD(31)最高30Frames/Sec的受限；而高複雜度可程式控制器(32)輸出1kHz到信號產生器(33)，並調整信號產生器(33)接受外部方波(external clock)模式，此時信號產生器(33)的方波(Clock)來自高複雜度可程式控制器(32)並且輸出1kHz的鋸齒波給電光調變器(22)進行調變機制後，再通過擴束器(35)，此步驟主要是確保觸發CCD(31)的信號與電光調變器(22)的信號能夠同源(同相位)。
[0050]	在影像處理演算法中，須將調變信號週期做積分，若調變頻率為，則CCD(31)的曝光時間需選擇，並且再將觸發CCD(31)的clock經過相移器(34)移相90∘及180∘分別做積分，如此即得到三張影像強度s₁、s₂、s₃，後續的影像處理演算法就以此三張強度來做計算。
[0051]	本發明使用CVI, Model QWPM-633-10-4-R15多階四分之波片為實驗之樣本，其折射率為ne=1.5518, no=1.5428在波長為627.8nm，厚度為0.5mm。我們依照上述之步驟逐次量測待測物之主軸角度、相位延遲、階數、厚度和尋常光與非尋常光的折射率。第十圖即為以10∘為量測間隔，其主軸角度由0∘至180∘的量測範圍下，所得的單點主軸角度和相位延遲的實驗結果圖。
[0052]	在第十圖中，我們可很明顯看出其實驗結果與模擬值是相當接近的，主軸和相位延遲的平均絕對誤差分別為0.2167∘和0.15%是落在一般的商業波片相位延遲5%的誤差範圍內。
[0053]	再者令待測物(A)分別轉動1∘與2∘下改變其光行走的光程，我們可測出相位延遲角度=90.42∘與=91.57∘，代入公式(14)後計算出來的結果為m=6.73673(實際上階數m需為整數)，此實驗值受實驗誤差和受限儀器的精度影響，所以此待測物真實的階數應為7階。
[0054]	同樣的轉動待測物使其同時改變光行走的光程與折射率的差值(n_eff(θ)-n_o)，我們可再次測出另一相位延遲角度β"=89.52∘在1∘的轉動下，經計算可得出n_e=1.55241621和n_o=1.54324102。
[0055]	第十一、十二圖分別為全場量測架構下所量測出來主軸角度及相位延遲的數據，我們擷取640x480像素(pixels)中的其中一點來與理論驗證，發現實驗數據與理論數據相當接近，主軸角度的絕對誤差為 0.41∘，相位延遲絕對誤差為0.637∘，相位延遲的誤差百分比為0.7%。
	【圖式簡單說明】
[0076]	第一圖係為本發明之量測裝置示意圖。
[0077]	第二圖係為第一圖所示之裝置移去第一λ/4波片後之裝置示意圖。
[0078]	第三圖係為本發明之裝置實施時，將待測物固定在Y軸方向，並沿光前進方向轉動一角度後之示意圖。
[0079]	第四圖係為本發明之裝置置入已知厚度λ/2波片之架構圖。
[0080]	第五圖係為本發明之裝置置入已知厚度λ/8波片之架構圖。
[0081]	第六圖係為有效折射率之趨勢變化圖。
[0082]	第七圖係為本發明之裝置實施時，將待測物固定在X軸方向，並沿光前進方向轉動一角度後之示意圖。
[0083]	第八圖係為時變信號連續積分之調變週期圖。
[0084]	第九圖係為本發明之二維全場量測裝置之示意圖。
[0085]	第十圖係為本發明使用CVI多階四分之波片所測得單點主軸角度和相位延遲之圖表。
[0086]	第十一圖係為本發明之二維全場量測裝置之主軸角度數據圖。
[0087]	第十二圖係為本發明之二維全場量測裝置之相位延遲數據圖。
	【主要元件符號說明】
[0056]	(1)‧‧‧入射光源
[0057]	(2)‧‧‧光學架構
[0058]	(21)‧‧‧偏振片
[0059]	(22)‧‧‧電光調變器
[0060]	(23)‧‧‧第一λ/4波片
[0061]	(24)‧‧‧第二λ/4波片
[0062]	(25)‧‧‧檢偏片
[0063]	(26)‧‧‧光偵測器
[0064]	(27)‧‧‧帶通濾波器
[0065]	(28)‧‧‧鎖相放大器
[0066]	(29)‧‧‧運算單元
[0067]	(3)‧‧‧電控裝置
[0068]	(31)‧‧‧CCD
[0069]	(32)‧‧‧高複雜度可程式控制器
[0070]	(33)‧‧‧信號產生器
[0071]	(34)‧‧‧相移器
[0072]	(35)‧‧‧擴束器
[0073]	(4)‧‧‧λ/2波片
[0074]	(5)‧‧‧λ/8波片
[0075]	(A)‧‧‧待測物

七、

申請專利範圍：

1. 一種順序量測雙折射材料多項光學參數之裝置，該裝置包括一入射光源、偏振片、電光調變器、第一λ/4波片、第二λ/4波片、檢偏片、光偵測器、帶通濾波器、鎖相放大器和運算單元等元件，其中偏振片與光行進方向夾45∘角；電光調變器的快軸方向則與光行進方向夾90∘角；第一λ/4波片與第二λ/4波片的主軸方向個別與光行進方向夾45∘及-45∘角；檢偏片與光行進方向夾角為零度。
2.一種順序量測雙折射材料多項光學參數之裝置，該裝置包括一入射光源、偏振片、電光調變器、擴束器、第一λ/4波片、第二λ/4波片、檢偏片、CCD、信號產生器、高複雜度可程式控制器、相移器和運算單元等元件；上述偏振片與光行進方向夾45∘角；電光調變器的快軸方向則與光行進方向夾 90∘角；第一λ/4波片與第二λ/4波片的主軸方向個別與光行進方向夾45∘及-45∘角；檢偏片與光行進方向夾角為零度；前述CCD位於出射光之路徑上，其訊號係傳遞至運算單元，而高複雜度可程式控制器係輸出不同之頻率以觸發CCD及調整信號產生器之接受模式，該信號產生器並對電光調變器進行調變。
3.一種順序量測雙折射材料多項光學參數之方法，其係使一入射光源依序經過偏振片、電光調變器、第一λ/4波片、待測物、第二λ/4波片、檢偏片，並於光偵測器上接受其光訊號，再將光訊號分別經過帶通濾波器和鎖相放大器作訊號處理，經運算單元之運算以獲得主軸角度；復移除第一λ/4波片，再於光偵測器上接受其光訊號，將光訊號分別經過帶通濾波器和鎖相放大器作訊號處理，經運算單元之運算以獲得相位延遲、階數、厚度和尋常光與非尋常光的折射率等光學參數。
4.如申請專利範圍第3項所述之順序量測雙折射材料多項光學參數之方法，其中厚度之測量，係先移除第一λ/4波片，再分別將一λ/2波片及λ/8 波片置於待測物與第二λ/4波片之間，然後分別使一入射光源依序經過偏振片、該電光調變器、待測物、λ/2波片和第二λ/4波片、檢偏片，接著以光偵測器接受其光訊號，再將光訊號分別經過帶通濾波器和鎖相放大器作訊號處理，最後經運算單元之運算，分別記錄上述二次所測得之相位，而得以求得厚度。
5.如申請專利範圍第4項所述之順序量測雙折射材料多項光學參數之方法，其中該λ/2波片及λ/8波片之厚度係為已知。
6.如申請專利範圍第4項所述之順序量測雙折射材料多項光學參數之方法，其中該待測物、λ/2波片及λ/8波片之材質係為相同。
7.一種順序量測雙折射材料多項光學參數之方法，其係使一入射光源依序經過偏振片、電光調變器、擴束器、第一λ/4波片、待測物、第二λ/4波片、檢偏片，並以CCD接受其光訊號，該CCD與電光調變器係為同源，而CCD所接受之光訊號係傳送至一運算單元者。

八、	圖式：
	第一圖第二圖第三圖第四圖第五圖第六圖第七圖第八圖第九圖第十圖第十一圖第十二圖

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