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研究生： 江明謙
Ming-chian Jiang
論文名稱： 用於平坦度量測之相位移光干涉系統
Flatness measurement with phase-shift interferometry
指導教授： 曾垂拱
Chwei Goong Tseng
口試委員: 陳朝榮
Chao jumg Chen
修芳仲
none
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年： 2005
畢業學年度： 93
語文別： 中文
論文頁數： 90
中文關鍵詞： 相位移
外文關鍵詞： phase-shift
相關次數： 點閱：645  下載：6 
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    • 本文以麥克森干涉系統為基礎再配合四分之一波片與檢波鏡的組合形成一檢測平坦度的光學非接觸式量測系統，並且將此系統組裝成為機構，所架設的機構俱有操作簡單與快速、價格便宜、體積小、攜帶性佳、量測範圍富有彈性等優點。
    本量測系統的相位移方式非常簡單，只需轉動一片光學元件即可達成。藉由轉動檢波鏡（Analyzer）至四個指定的角度便可以得到四組不同相位移的干涉條紋，使系統的解析度提昇到八分之一波長（0.067微米），更有利於對微米級待測物表面狀況的分析，最後再配合電腦影像處理系統將待測物平面重建。

    ABSTRACT
    This thesis modifies the Michelson interference system to develop an optical non-contact surface measurement system with resolution improved four times of the traditional method. The measurement system utilizes quarter-wave plates and polarizers to produce four types of phase shifting phenomena and obtains four sets of successive interference patterns in order to promote the resolution of the system to one-eighth of wavelength. Using it, the surface situation of object whose precision is around the micrometer grade can be easily measured; then, associating with the computer imaging processing system, the contour of the object can be reconstructed.
    The system uses abovementioned optical elements instead of piezoelectric material to produce phase shift. Besides avoiding the tedious calibration steps of using piezoelectric material, the system also make the operating process more easily and precisely. The measuring range of the system is flexible; by replacing a bigger lens one is able to measure bigger objects.

    目錄 頁次 中文摘要................................................Ⅰ 英文摘要................................................Ⅱ 致謝....................................................Ⅲ 目錄....................................................Ⅳ 圖表索引................................................Ⅶ 第一章 緒論 1-1前言................................................1 1-2文獻回顧............................................2 1-3實驗目的與內容......................................5 第二章 相關理論概述 2-1引言................................................6 2-2縱波與橫波..........................................6 2-3偏光與偏光鏡........................................7 2-4雷射光偏振方向檢測..................................9 2-5偏光鏡偏光軸方向檢測................................10 2-6波動方程式..........................................12 2-7折射現象............................................13 2-8雙折射現象與四分之一波片..........................14 2-9麥克森干涉系統....................................18 2-10四分之一波片與檢波鏡的相位組合...................20 2-11公式推導.........................................20 2-10.1基準相位.....................................22 2-10.2相位延遲90度................................24 2-10.3相位延遲180度...............................26 2-10.4相位延遲270度...............................27 第三章 數位影像處理與曲面重建 3-1引言............................................29 3-2影像的表示......................................29 3-3基本的濾波處理..................................31 3-4干涉條紋影像處理方法............................32 3-4.1二值化......................................33 3-4.2細線化處理..................................33 3-4.3定條紋序....................................33 3-4.4判斷凸面或凹面..............................35 3-4.5判斷相位移方向..............................37 3-4.6整合四組相位條紋序..........................38 3-4.7曲面重建....................................40 第四章 實驗過程與結果 4-1引言............................................42 4-2機構的形成......................................42 4-3實驗設備介紹....................................45 4-4實驗操作步驟....................................51 4-5實驗結果........................................61 4-6 檢驗系統的重複性................................69 4-7 量測系統誤差檢測................................70 第五章 結論與未來展望 5-1結論............................................72 5-2未來展望........................................73 參考文獻..............................................75 圖表索引 頁次 圖1-1 菲索干涉系統......................................2 圖1-2 麥克森干涉系統....................................4 圖2-1 橫波示意圖.......................................7 圖2-2 縱波示意圖.......................................7 圖2-３ 反射光產生偏振示意圖.............................8 圖2-４ 雷射光偏振方向檢測圖.............................10 圖2-5 偏光鏡偏光軸方向檢測圖............................11 圖2-6 光波示意圖.........................................12 圖2-7 光波通過介質與真空示意圖..........................13 圖2-8 折射現象示意圖.....................................14 圖2-9 雙折射現象示意圖...................................15 圖2-10 四分之一波片改變偏振光的偏振方向圖................16 圖2-11 麥克生干涉系統示意圖.............................18 圖2-12相位調製示意圖.....................................21 圖2-13基準相位擺設示意圖.................................22 圖2-14相位延遲90度擺設示意圖.............................24 圖2-15相位延遲180度擺設示意圖............................26 圖2-16 相位延遲270度擺設示意圖...........................27 圖3-1影像座標示意圖......................................30 圖3-2 定條紋序示意圖.....................................34 圖3-3 待測物為凹面時條紋的移動...........................36 圖3-4 待測物為凸面時條紋的移動...........................36 圖3-5 凸面條紋序整合示意圖..............................39 圖3-6 凹面條紋序整合示意圖..............................39 圖3-7 條紋灰階值與高度值關係圖..........................41 圖4-1 光學系統示意圖....................................43 圖4-2 機構設計完成圖....................................43 圖4-3 實際組裝情形.......................................44 圖4-4 濾波器示意圖......................................46 圖4-5 準直鏡與收斂鏡示意圖..............................47 圖4-6 分光鏡示意圖.......................................48 圖4-7 四分之一波片與參考鏡示意圖........................48 圖4-8 四分之ㄧ波片與偏光鏡的組合.........................49 圖4-9 步驟一擺設示意圖...................................51 圖4-10 步驟二擺設示意圖..................................52 圖4-11 步驟三擺設示意圖..................................53 圖4-12 步驟四擺設示意圖..................................54 圖4-13 步驟五擺設示意圖..................................55 圖4-14 步驟六擺設示意圖..................................56 圖4-15 步驟七擺設示意圖..................................57 圖4-16 步驟八擺設示意圖..................................58 圖4-17 步驟九擺設示意圖..................................59 圖4-18 步驟十擺設示意圖..................................60 圖4-19 待測物表面干涉原圖(四組不同相位)..................61 圖4-20 四組不同相位的原圖以四個象限比較圖................62 圖4-21 中值和高通濾波後的干涉圖..........................63 圖4-22 二值化後圖........................................64 圖4-23 細線化圖..........................................65 圖4-24 基準相位與相位延遲90度之干涉條紋細線化後比較圖....65 圖4-25 基準相位與相位延遲180度之干涉條紋細線化後比較圖...66 圖4-26 基準相位與相位延遲270度之干涉條紋細線化後比較圖...67 圖4-27 等高線圖.........................................67 圖4-28 待測物表面重建圖..................................68 圖4-28 檢驗系統的重覆性..................................69 圖4-29 光學平鏡的檢測....................................70 圖4-30 待測物之真平度....................................71 圖5-1 未來展望示意圖.....................................74

    參考文獻
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