反射式偏心原理.docx

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反射式偏心原理

實驗六

微影測量

一、實驗題目

1.試量出工件1之螺距，並標示於圖上

2.試量出工件2之半徑，並標示於圖上

3.試量出工件3之外徑，並標示於圖上

4.試量出工件4之內徑，並標示於圖上

5.試量出工件5之螺距，並標示於圖上

6.試量出工件6之螺紋角，並標示於圖上

7.試量出工件7之外徑，並標示於圖上

8.試量出工件8之內徑，並標示於圖上

二、實驗目的

本實驗介紹微影測量之光學架構與量測原理，以及顯微鏡量測方式。

三、實驗儀器

立體顯微鏡1台

顯影鏡頭1台

電視機1台

微影測量光學架1台

待測工件8件

四、實驗原理：

1.顯影成像的介紹

　　光學量測上常用透鏡或反射鏡來構成儀器與設備，就任何光學設計上來說，最先要知道的幾個基本問題是它的成像位置及放大率

式子中f代表焦距

代表透鏡到物的距離

代表透鏡到像的距離

方程式中，每個量之上的數字表是，計算中用的是各量的倒數。

在光學設計上，了解各種物像關傒問題的一個途徑是按比例將該系統精確地畫出來，然後按照一些簡單的圖解法描繪光線。

像差

在折射率為n的介質裡，光的速度v也比在真空中的速度c減少了n倍，亦即v=c/n。

　習慣上我們用光的波長來表示顏色，但事實上波長是因光的介質而變的，至於頻率f則維持不變。

因此倒不如使用光的頻率來表示光的顏色及特性更為適當。

但在這裡我們還要注意一點，介質的折射率也隨著光的頻率而變，亦即折射率n實際上應當寫為n（f）才更貼切。

同波長的光在不同的介質中會有不同的折射率，因此當白光通過三菱鏡會出現彩虹的現象因為白光中各種不同波長的光偏折不同的角度而產生色散的情形。

因此對於透鏡而研，不同波長

的平行光入射會有不同的聚焦焦點，這就形成了所謂的色像差。

除了色像差之外，另外有其它的單色像差。

這些單色像差包括：

　　１．兩種軸像差：

色像差和球面像差。

２．軸外像差：

慧形像差，像散現象，視場彎曲。

望遠鏡係由一物鏡與一目鏡所組成。

兩者之配置，達成滿足對於望遠鏡之要求，即

１．由無限遠平行進入望遠鏡的光線，必須也平行離開。

由此一特性可知望遠鏡整體之角度放大倍率為1。

２．離開望遠鏡光線與光軸構成之角度，比進入望遠鏡光線與光軸構成之角度大。

物鏡可以用透鏡或反射鏡來構成。

因為透鏡是基於光之折射，用透鏡來構成之望遠鏡亦稱為折射望遠鏡，反射鏡由於像之產生是利用反射之故，因此反射鏡望遠鏡亦稱為反射望遠鏡，兩種型式作用也就不同。

軸像差是色像差，反射光不會有色像差。

天文望遠鏡之視場FOV（FieldofView）很窄（一度或一度以下）。

因此，物鏡幾乎不會有軸外像差（慧形像差，像散現象，視場彎曲）望遠鏡的各種光學圖都假定：

最後的像是成於無窮遠處的虛像。

事實上，大多數人都把焦點放在比需要的值稍近眼睛處，使的出射光線稍為發散，而如所需得以在20至40吋處成一虛像，不管怎樣，在放大率方面是沒有差別的，放大率嚴格說來是與所張角度有關的，而所張的角度則在任何距離處都相同。

因此在穿出目鏡後，必須再重新為軸平行。

眼睛看到在無限遠之物體放大。

如此就滿足了對於望遠鏡之第二要求。

眼睛接收由望遠鏡平行而出之光線，看到在向後延長之像，即復為無限遠。

顯微儀是一種非接觸性量測，利用光學原理，將工件或像經物鏡投射在目鏡，即藉著光線將工件放大或虛像再利用螺紋測微器及目鏡網線等輔助，以作為尺寸及形狀等量測工作。

適用於小工件，不規則形狀、脆性、彈性等材料。

我們依據光學結構與作用方式分為如圖1所示之各種型式之顯微鏡。

圖1（A）平行放大型光路安排圖1（B）會聚型光路安排

如圖2所示，顯微鏡之光學結構分成如下：

１．接目鏡

２．觀察筒

３．立體鏡組

４．轉盤

５．接物鏡

６．稜鏡（轉折光線用）

７．樣板圖片

８．光圈

９．附件插孔

１１．偏光鏡附件插孔

１２．濾光色片

１３．光源

圖2顯微鏡之光學結構

工具顯微鏡之光學原理與金相顯微鏡及一般光學顯微鏡相同，唯其放大倍率較小，但亦有附加電子數位顯示器，CRT映像管，CDC攝影機及電腦以增加它的功能，可參考圖3，這樣的系統可將物像放大提供多位觀察者觀察。

另有一種型式，如圖4，亦可將物像放大提供多位觀察者觀察。

圖3加入影像設備的工具顯微鏡

現將工具顯微鏡之光學放大過程略述于下：

將開關打開後，光源經濾光鏡片而形成單色光（一般採用反射式顯微觀察，則光源自上而下打光），形成單色光的目的在于加強影像之對比，如果再加入偏極板，則更能增加影像的清晰程度，光線經待測物表面反射（或穿透後），即進入接物鏡，然後經稜鏡反射至樣板試片，在此載入十字線，網狀或角度刻劃的影像，如圖5，然後經接物鏡後，將物像轉換成平行輸出當觀察者兩眼湊近觀察時，則可得到較佳的視角，即FOV視場（FieldofView）較大。

圖4多人同時觀察的顯微鏡

工具顯微鏡之精度通常與機型及放大率，測定台移動精度等有關，而個人是否熟練，在操作上也會造成誤差，通常誤差在$1μm-10μm左右。

工場用的工具顯微鏡通常和反射式投影放大儀很像，所不同的是前者直接將虛像的光線送入觀察者眼中，而後者則打在屏風上而於螢幕形成實像。

圖5

通常顯微鏡所作的工作為：

１．尺寸量測：

可分為直角座標和極座標之量讀。

當量測尺寸時，須注意測定點所形成之測定線必須與十字線重合。

２．角度的測定：

可以利用旋轉工作台作小物体之角度量測，其量測之方法有二，一是移動十字線，令待測角一端對準十字線與之重合後，再讓另一諯也重合。

一是令待測角頂點與十字線中央重合，旋轉角度刻度盤以量取角度值。

角度刻度盤一般設在接目鏡右方，其讀取方式與游標尺游標原理相同。

３．高度的測定：

雖然正確性有待評估，但原則上我們如果在待測物上加上治具，而利用清楚聚焦的上下移動量即可測定待測物高度。

這個方法在作微小高度的測量與須用非接觸式的測量方面，特別有用。

４．螺紋測定：

可利用十字線的調動來測定其內外徑、節徑、節距及螺旋角和螺紋角。

十字線旋轉中心之校正：

十字線之旋轉是以兩條ｘｙ所形成之點為旋轉中心，通常在作角度量測時常須將十字線作旋轉，但如果十字線旋轉時有偏心之虞時，則由旋轉圓盤刻度所提供之角度值便正確性便值得懷疑了。

因此十字線旋轉中心之調整乃成為使用光學顯微鏡必備的知識，其調整方式如下：

１．使用一個微小點狀之物體，作為校正指標，此指標可以儘量要求其體積小至能夠觀察的程度即可。

利用X-Y軸平移台，將指標置于十字線交叉中心點。

２．轉動角度盤，令ｘ－ｙ十字線旋轉180度，此時如果指標物仍在中心點位置，則可以確定旋轉中心並未跑掉。

校正工作于是乎完成。

但如果指標物已有偏離中心點位置的現象，則必須繼續作調整，如圖6。

３．打開角度盤，輕輕鬆開安全螺絲設指標物偏離之座標為（ｘ，ｙ）。

利用４個微調螺絲，將指標物之位置調回成（ｘ／２，ｙ／２）。

４．再旋轉180度，觀察指標物之偏移量（ｘ’，ｙ’），再調回（ｘ’／２，ｙ’／２），此時ｘ’，ｙ’之值比　ｘ，ｙ值應該小很多。

５．如此反覆旋轉180度，並繼續將偏移量作等分分割，一宜到偏移量無法用肉眼察覺為止。

圖6顯微鏡十字線調心的方法

四、實驗方法

由人工目視量測工件大小時，通常是利用螢幕上的標準片網線刻度直接予以目視測量。

可採用刻度校準的方式，算出每一刻度所代表的實際面積及長度。

在本實驗中，我們利用光柵圖案當作校準尺，如圖7所示，由於光柵條紋在1mm的寬度中共有5條，所以每一條紋之間距為0.2mm，刻度校準方法如下：

1.固定放大倍率。

2.取出光柵二值化影像。

3.計算每一個條紋間距所包含的刻度數N。

4.將0.2mm/N，即為單一刻度所代表的實際長度。

圖4.3光柵（5Lines/mm）影像圖

根據計算的結果，放大倍率為180倍時，顯微鏡倍率越大，則度量範圍可越精細。

六、問題討論

1.試討論微影測量之光學倍率，及其量測原理。

2.試說明微影測量其量測方式。

七、參考文獻

1.姜俊賢,“精密量具及機件檢驗”,文京圖書,民82,pp599~624.

2.林宸生,陳億成,林文豐,“實用精密量測與機件檢驗”,全欣科技圖書,民83,pp269~296.