波長調制外差式光柵干涉儀之研究

以作者查詢圖書館館藏

、以作者查詢臺灣博碩士

、以作者查詢全國書目

、勘誤回報

、線上人數：25

、訪客IP：18.191.198.56

姓名

李貴宇(Kuei-yu Lee) 查詢紙本館藏

畢業系所

光機電工程研究所

論文名稱

波長調制外差式光柵干涉儀之研究
(Study of wavelength-modulated heterodyne grating interferometer)

相關論文

★ MOCVD晶圓表面溫度即時量測系統之開發	★ MOCVD晶圓關鍵參數即時量測系統開發
★ 應用螢光顯微技術強化RDL線路檢測系統	★ 基於人工智慧之PCB瑕疵檢測技術開發
★ 基於 YOLO 物件辨識技術之 PCB 多類型瑕疵檢測模型開發	★ 全場相位式表面電漿共振技術
★ 攝像模組之影像品質評價系統	★ 雷射修整之高速檢測-於修整TFT-LCD SHORTING BAR電路上之應用
★ 光強差動式表面電漿共振感測術之研究	★ 準共光程外差光柵干涉術之研究
★ 波長調制外差散斑干涉術之研究	★ 全場相位式表面電漿共振生醫感測器
★ 利用Pigtailed Laser Diode 光學讀寫頭在角度與位移量測之研究	★ 複合式長行程精密定位平台之研究
★ 紅外波段分光之全像集光器應用	★ 太陽光譜分光器之設計

檔案

[Endnote RIS 格式]

[Bibtex 格式]

[相關文章]

[文章引用]

[完整記錄]

[館藏目錄]

[檢視]

[下載]

本電子論文使用權限為同意立即開放。
已達開放權限電子全文僅授權使用者為學術研究之目的，進行個人非營利性質之檢索、閱讀、列印。
請遵守中華民國著作權法之相關規定，切勿任意重製、散佈、改作、轉貼、播送，以免觸法。

摘要(中)

本論文提出一種新穎的光學量測技術—波長調制外差式光柵干涉儀，一種利用波長調制外差光源結合光柵干涉技術測量面內精密位移的量測方法。所謂的面內位移是指待測物運動方向與量測光束方向為垂直關係。本研究以鋸齒波電流調變雷射二極體之波長配合設定的光程差產生外差光源，並且採用高密度的全像光柵進行面內精密位移量測，配合訊號解調技術，達到高精密度、高解析度與高靈敏度之量測能力，以滿足奈米定位技術的要求。
待測物以5 μm、1 μm、500 nm、100 nm、50 nm及10 nm不同大小的行程分別作出三角、正弦或方波形式的運動，根據量測結果製作盒鬚圖進行統計分析。本系統量測精密度優於5 nm，系統電子解析度優於1 pm，靈敏度為1.728 °/nm，最大可量測位移速度為2.6 μm/s。
最後針對可能影響系統的誤差因素進行討論，分類為內稟性、幾何誤差與環境誤差著眼探討。分別提出對實驗可能產生的誤差量與架設實驗、選擇材料的注意事項。其中內稟性誤差之一的週期性誤差，本論文提出如何以訊號處理的方法有效降低誤差量。

摘要(英)

A wavelength-modulated heterodyne grating interferometer is proposed to measure the displacement. A wavelength-modulated light is divided into s and p polarized parts, and these two polarized beams propagate with difference optical path. After combining these two polarized beams, we have the heterodyne light source. Then the heterodyne light is sent to the grating interferometer (GI). The optical phase variation which is induced by the grating movement will be measured by the heterodyne detection. By means of the measured optical phase variation and grating pitch, the displacement of the grating is determined.
The experimental results demonstrate that the proposed system has measurement range up to 5 μm with 5 nm precision. The theoretical predication shows that the sensitivity is 1.728 °/nm and the maximum velocity measuring ability is 2.6 μm/s. The measurement errors, such as the environmental error, the geometric error and nonlinearity error, are also discussed

關鍵字(中)

★ 位移量測
★ 光柵干涉儀
★ 外差干涉術
★ 波長調制
★ 光學量測

關鍵字(英)

★ heterodyne interferometry
★ grating interferometer
★ displacement measurement
★ wavelength-modulated
★ optical metrology

論文目次

摘要 I
ABSTRACT II
致謝 III
目錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VII
符號表 IX
第1章緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 文獻回顧 2
1.2.1 波長調制外差干涉術之文獻回顧 2
1.2.2 光柵干涉術之文獻回顧 4
1.3 研究目的 6
1.4 章節介紹 6
第2章基礎理論 7
2.1 外差干涉術 7
2.2 波長調制外差干涉術 8
2.2.1 雷射二極體 8
2.2.2 波長調制外差干涉術 11
2.3 光柵繞射引入相位 14
2.3.1 多狹縫繞射 14
2.3.2 光柵繞射引入相位原理 17
2.3.3 全像光柵 18
2.4 相位解調 19
2.4.1 相位解調 20
2.4.2 解纏繞現象 23
2.5 小結 25
第3章實驗架構 26
3.1 元件規格 26
3.2 光學干涉儀架構 27
3.2.1 波長調制外差系統 29
3.2.2 光柵干涉系統 29
3.3 相位解調架構 31
3.4 小結 37
第4章實驗結果與討論 38
4.1 實驗數據 38
4.1.1 大行程運動：5 μm之正弦與三角形式運動 39
4.1.2 大行程運動：1 μm之正弦與三角形式運動 41
4.1.3 大行程運動：500 nm之正弦與三角形式運動 43
4.1.4 小行程運動：100 nm之方波形式運動 45
4.1.5 小行程運動：50 nm之方波形式運動 46
4.1.6 小行程運動：10 nm之方波形式運動 47
4.2 實驗討論 48
4.2.1 重複性 48
4.2.2 解析度 49
4.2.3 靈敏度 49
4.2.4 速度最大極限 49
4.3 小結 52
第5章誤差分析 53
5.1 內稟性誤差 53
5.1.1 光柵週期 53
5.1.2 週期性誤差 53
5.2 幾何誤差 58
5.2.1 餘弦誤差 58
5.2.2 多餘光程 59
5.3 環境誤差 60
5.3.1 材料熱物性 61
5.3.2 振動 62
5.4 小結 64
第6章結論與未來展望 65
6.1 結論 65
6.2 未來展望 65
參考文獻 67
附錄一 LABVIEW相位解調程式 70
附錄二 MATLAB相位解調程式 71

參考文獻

[1].王潤璞，測量學，台中縣，台灣，1976。
[2].林宏麟，測量學，台南市，台灣，1995。
[3].R. Feynman, 費曼的主張，155-190頁，天下文化，台北市，台灣，2001。
[4].H. Taub and D. L. Schilling, ”Principles of communication systems”, McGraw-Hill, New York, USA, 1986.
[5].R. Crane, “Interference phase measurement”, Appl. Opt., Vol.8, No.3, pp.538-542, 1969.
[6].G. E. Sommargren, “Optical heterodyne profilometry”, Appl. Opt., 20, pp.610-618, 1981.
[7].D. Pantzer, J. Politch and L. Ek, “Heterodyne profiling instrument for the angstrom region”, Appl. Opt., 25, pp.4168-4172, 1986.
[8].D. C. Su, M. H. Chiu and C. D. Chen “A heterodyne interferometer using an electro-optic modulator for measuring small displacements”, J. Opt., 27, pp.19-23, 1996.
[9].J. Y. Lee et al., “Heterodyne interferometer for measurement of in-plane displacement with subnanometer resolution”, Proc. SPIE, Vol.6280, pp.62800J, 2006
[10].H, Kikuta et al., “Distance measurement by the wavelength shift of laser diode light”, Appl. Opt., 25, pp.2976-2980, 1986.
[11].E. Gelmini et al., “Tunable double-wavelength heterodyne detection interferometer for absolute distance measurements”, Opt. lett., 19, pp.213-215, 1994.
[12].M. H. Chiu and D. C. Su, “Angle measurement using total-internal-reflection heterodyne interferometry”, Opt. Eng., 36, pp.1750-1753, 1997.
[13].M. H. Chiu and D. C. Su, “Improved technique for measuring small angle”, Appl. Opt., 36, pp.7104-7106, 1997.
[14].J. Y. Lee and D. C. Su, “Improved common-path optical heterodyne interferometer for measuring small optical rotation angle of chiral medium”, Opt. Comm., Vol.256, pp.337-341, 2005.
[15].M. H. Chiu et al., “Refractive index measurement based on the effects of the total internal refraction and the uses of the heterodyne interferometry”, Appl. Opt., 36, pp.2936-2939, 1997.
[16].D. C. Su et al., “New type of liquid refractometer”, Opt. Eng., 37, pp.2795-2797, 1998.
[17].J. Y. Lee and D. C. Su, “A method for measuring Brewster’s angle by circularly polarized heterodyne interferometry”, J. Opt., 29, pp.349-353, 1998.
[18].Y. C. Huang et al., “Direct measurement of refractive indices of a linear birefringent retardation plate”, Opt. Comm., 133, pp.11-16, 1997.
[19].K. Creath, “Interferometric investigation of a diode laser source”, Appl. Opt., 24, pp.1291-1293, 1985.
[20].K. Tatsuno, and Y. Tsunoda, “Diode laser direct modulation heterodyne interferometer”, Appl. Opt., 26, pp.37-40, 1987.
[21].J. Chen, Y. Ishii and K. Murata, “Heterodyne interferometry with a frequency-modulated laser diode”, Appl. Opt., 27, pp.124-128, 1988.
[22].S. H. Lu, C. I. Chiueh, and C. C. Lee, “Measuring the thickness of opaque plane-parallel parts using an external cavity diode laser and a double-ended interferometer”, Opt. Comm., 226, pp.7-13, 2003.
[23].Y. Ishii et al., “Phase-shifting fizeau interference microscope with a wavelength-tunable laser diode”, Opt. Eng., Vol. 42, pp.60-67, 2003.
[24].R. Onodera and Y. Ishii, “Phase-shift-locked interferometer with a wavelength-modulated laser diode”, Appl. Opt., Vol.24, No.1, pp.91-96, 2003.
[25].N. K. Mohan et al., “Speckle photography with BaTiO3 crystal for the measurement of in-plane displacement field distribution of distant objects”, Optics and Lasers in Engineering, Vol.29, pp.211-216, 1998.
[26].N. K. Mohan, and P. Rastogi, “Phase-shifting whole-field speckle photography technique for the measurement of in-plane deformations in real time”, Opt. Lett., Vol.27, pp.565-567, 2002.
[27].T. E. Caelsson, J. Gustafsson, and N. H. Abramson, “Method for fringe enhancement in holographic interferometry for measurement of in-plane”, Proc. SPIE, Vol.37, pp.1845-1848, 1998.
[28].Y. Wang et al., “Photorefractive holographic interferometry for the measurement of object tilt and in-plane displacements”, Proc. SPIE, Vol.4292, pp.230-236, 2002.
[29].S. T. Lin, “Three-dimensional displacement measurement using a newly disigned morié interferometer”, Opt. Eng., Vol.40(5), pp.822-826, 2001.
[30].H. J. Wang et al., “Phase-shifting morié interferometry based on a liquid crystal phase modulator”, Opt. Eng., Vol.44(1), 015602, 2005.
[31].S. Ishii et al., “Optical type encoder including diffraction grating for producing interference fringes that are processed to measure displacement”, U.S. Patent, No.4912320, 1990.
[32].T. Nishimura et al., “Encoder incorporating a displaceable diffraction grating”, U.S. Patent, No.5038032, 1991.
[33].W. W. Chiang and C. K. Lee, “Wavefront reconstruction optics for use in disk drive position measurement system”, U.S. Patent, No.5442172, 1995.
[34].A. Kuroda, “Optical displacement measurement system for detecting the relative movement of a machine part”, U.S. Patent, No.6166817, 2000.
[35].吳乾埼，「繞射式雷射光學尺之研製」，國立台灣大學應用力學研究所博士論文，台北市，台灣，2001。
[36].潘政晟，「自校準繞涉式雷射光學尺之設計與實驗」，國立台灣大學應用力學研究所碩士論文，台北市，台灣，2002。
[37].李世光，知識創新，第36期，2003。
[38].李朱育，「外差干涉術在量測s-與p-偏光間相位差變化的應用」，國立交通大學光電工程研究所博士論文，新竹市，台灣，1998。
[39].工業技術研究院，取自http://www.ntrc.itri.org.tw/dict/content.jsp?newsid=498。
[40].K. D. Moller, Optics, Mill Valley, California, U.S.A., 1988.
[41].Stanford Research System, Model SR850 DSP Lock-In Amplifier, 1992.
[42].陳怡光，「表面電漿共振移相干涉儀之影像處理系統」，國立中央大學機械工程研究所碩士論文，桃園縣，台灣，2003。
[43].G. Keller and B. Warrack, Statistics for management and economics, abbr. 4th ed, 陳相如等譯，統計學，上冊，東華書局，台北市，台灣，1999。
[44].H. Nyquist, “Certain topics in telegraph transmission theory”, 1928.
[45].范光照，張郭益，精密量測，高立圖書有限公司，台北縣，台灣，2002。
[46].G. Palmer, ”Diffraction grating handbook 5th edition” , 2002.
[47].吳見明，「干涉儀測長之誤差分析」，科儀新知，第21卷第2期，34-44頁，1999。
[48].C. M. Klimcak and J. C. Camparo, ”Photothermal wavelength modulation of a diode laser”, J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 5, No.2, 1988.
[49].X. F. Wang and X. Z. Wang, ”Photothermal modulation of laser diode wavelength: application to sinusoidal phase-modulation interferometer for displacement measurements” , Optics & Laser Technology, pp.559-564, 1999.

指導教授

李朱育(Ju-yi Lee)

審核日期

2007-7-12

推文