彩色共焦位移感测光学设计与验证-AOIEA.PDFVIP

彩色共焦位移感測:光學設計與驗證 董書屏 張樂融 量測中心 量測中心 Danieldong@itri.org.tw lehrong@itri.org.tw 摘要 本篇文章主要介紹設計具有長工作範圍的彩色共焦位移感測探頭。我們實現以常用的光學材質 ，基於 高數值孔徑條件，波長範圍在475nm-750nm 進行設計。 設計物鏡驗證數值孔徑為 N.A.=0.43 ，工 作距離 22.8mm 工作範圍可達 1.7mm 。首先以像差分析色散來源，找出最具影響之參數，並在不同 規格下，以Zemax 商用軟體設計彩色共焦鏡組。最後，獲得六片色散鏡組。我們比較不同設計成果 ， 在不同波長下，所設計鏡組之光斑大小均接近繞射極限範圍 ，並獲得波長對應位置之線性校正曲線 。 關鍵字：色差,彩色共焦, 自動化光學檢測 壹、前言 近年來，光廓線儀測量的新方法已被廣泛使用在表面形貌。非接觸檢測需求的多樣性使彩色共焦 技術研究引起興趣 ，而其特點可即時地獲得表面聚焦資訊 。環境條件不若其檢測技術嚴格,適合用 於線上檢測 。在卷對卷線上檢測 ，彩色共焦穩定的訊號表現已獲得驗證[1] 。根據過去文獻分析 ， 彩色共焦有不同類型方設計,其最後目的最後希望獲得在軸向有光譜編碼效果的光學設計[2] 。最 早方式是透過折射率配搭延遲鏡組[3] ，後續開發以繞射鏡片為基礎的設計[4] ，其目的都是為了 製造出軸向色差 。當彩色共焦具有軸向色差條件時 ，光譜聚光特性質將會如同編碼器般 ，在不同 深度下可獲得反射光譜資訊 。此優異能力可提供作即時偵測厚度 。因此 ，我們此篇設計目的是找 出優化光學鏡組設計條件 ，並與商用鏡頭做比較 。彩色共焦裝置如下圖一，利用材質色散特性製 作高色散元件，當色散光源依光軸軸心方向，通過高數值孔徑、高倍率鏡組元件時，使各個波長 匯聚的焦點在軸向上分開，形成一列軸向焦點，如同以光譜做成的編碼器。以此光譜焦點做成的 編碼器，可在空間中讀出待測物表面不同高度，不再需要以傳統共軛焦顯微鏡作光軸方向掃描， 即可清楚獲得不同的焦點位置，如此可大幅降低檢測時間 。此關鍵技術在於設計高色散元件，使 光斑大小能控制在光學繞射極限範圍。彩色共焦可應用在表面粗糙度檢測（Roughness Measurement) 、形貌檢測（profilometry ）、厚度檢測（thickness ）、自動對焦（autofocus ）、 線上檢測。 圖1 彩色共焦元件示意圖 貳、研究方法 一、色散來源分析 如圖一所表示 ，彩色共焦探頭基本架構主要由三部分組合而成，第一部分為提供光準直徑鏡片群 組(Collimator Lens) ，第二部分為題供色散鏡片群組(Dispersion Lens) ，第三部分為色散收光鏡 片群組(Focus Lens) ，設計目標如何使每個波長光譜半高寬Full Width at Half Maximum ( FWHM).都能被優化至最小，光斑最好接近繞射極限 。彩色共焦受限於軸向色散係數(axial chromatic aberration coefficient)與鏡片曲率(Radius of curvature) ，因此色散長度因此受限， 因此我們找出最佳配置設計,使規格具有最大數值孔徑與最最長色散長度。 (一).根據色散公式設計調整參數 ，色散來源主要原因來自於 1.異質膠結接合面(cemented surface): 光行進中遇到不同材質在介面中即發生色散，而利用以異質結合方式可以減少設計變因， 或是以以膠結或空氣隙接面方式消除或增加色散。接合介面位置誤差影響色散品質。 2.材料中色散特性 (dispersion material): 相同折射率下，阿貝係數νd 低色散高，阿貝係數νd 高色散低，折射率越高通常色散也高。 在成本考量與製作難易條件下，選擇適當材質。 3.鏡組光焦度設計(power combination):