Precision Metrology Lab.
基本光學原理
AOI Lecture
基本光學原理與光學系統
1.基本光學
2.光的波動性
3.偏振光學
范光照
台大機械系
(2014)
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基本光學原理
AOI Lecture
基本光學
Precision Metrology Lab.
基本光學原理
AOI Lecture
光譜 (Optical Spectrum)
可見光譜範圍約為400nm~700nm
波長
日常物體
光波名稱
來源
頻率
單一光
子能量
高 低
短 長
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基本光學原理
AOI Lecture
光譜 (Optical Spectrum)
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基本光學原理
AOI Lecture
Lens, Mirror, Grating and Rough surface
所須公式
折射 反射 繞射 散射
Scattering
(Rough surface)
Snell’s Law Lens equation Diffraction
equation
Gaussian
equation
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基本光學原理
AOI Lecture
折射與反射
折射
反射
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基本光學原理
AOI Lecture
Dispersion
不同波長會有不同折射角
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基本光學原理
AOI Lecture
彩虹的原理
共經過二次折射一次反射
波長不同折射角度不同
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基本光學原理
AOI Lecture
基本光學原理假設
在均勻介質中光為直線前進
光行進符合Snell`s 定理:n×sinθ = n’×sinθ’
近軸假設:
光線以小角度行進。
sinθ~tanθ~θ,cosθ~1
Snell`s 定理變為n×θ=n`×θ`
系統中,鏡面各位置厚度為鏡面中心厚度
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基本光學原理
AOI Lecture
Snell`s Law
ti nn
n: 折射率
光疏到光密 光密到光疏 全反射
ti nn
入射角大於臨界角 ti
ti
ti nn
n×sinθ=n`×sinθ`
臨界角
Evanescence
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基本光學原理
折射現象應用例
AOI Lecture
Autocollimator
膜厚量測 水平角度量測
LD sensor
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基本光學原理
雷射探頭 (散射原理例)
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基本光學原理
繞射應用
動畫
奈米光學尺
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基本光學原理
光譜儀量光波長原理
AOI Lecture
Grating
QPD
θq
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基本光學原理
AOI Lecture
常用基本光學鏡組
反射鏡
球面鏡
平面鏡
透鏡
凸透鏡
凹透鏡
菱鏡 (3面鏡以上)
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基本光學原理
AOI Lecture
球面反射鏡
凹面 凸面
反射鏡
球面
平面
透鏡
凸透鏡
凹透鏡
菱鏡
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基本光學原理
AOI Lecture
透鏡
聚合透鏡 發散透鏡
反射鏡
球面
平面
透鏡
凸透鏡
凹透鏡
菱鏡
基本透鏡公式:
FDD ofi
111
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基本光學原理
AOI Lecture
菱鏡
三菱鏡 直角菱鏡 五邊形菱鏡
反射鏡
球面
平面
透鏡
凸透鏡
凹透鏡
菱鏡
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基本光學原理
AOI Lecture
物體成像圖示法
聚焦透鏡 發散透鏡
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基本光學原理
AOI Lecture
F-number(F#)
F#:焦距長除以鏡面大小
鏡面大小
焦距長
無限遠的光線
f
D
F# = f/D
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基本光學原理
AOI Lecture
F#的特性
F#越小稱為fast system,其有下列特性
好的收光率(曝光時間可較短)
繞射極限較小(λ/D)
會造成較大的像差(sinθ≠θ)
鏡面的直徑較大(加工困難、成本較高)
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基本光學原理
AOI Lecture
數值孔徑(NA)
數值孔徑(Numerical Aperture, NA):光線會聚在軸上的點所形成的最大角錐,其一半的角度θ的Sin θ值
NA=Sinθ
θ
物 像
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基本光學原理
AOI Lecture
NA與F#的關係
當F#越小時,會有以下關係式
#21
fNA
實際NA與F#曲線
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基本光學原理
AOI Lecture
物鏡(Objective lens)
d
D
f
:Diffraction Limited
:Depth of Focus
f : Focus
Intensity Profile
Wavefront
Lens
Numerical Aperture
Object
. sin tan2
DNA n n n
f
_ 1.22 0.61 0.61( / 2 )
Spot Size d fD D f NA
22 .)(61.0
.)(
2
NANA
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基本光學原理
AOI Lecture
CD/DVD pickup head
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基本光學原理
Lens Equations
AOI Lecture
Single Element | Two Element 各種設計例
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基本光學原理
AOI Lecture
ZEMAX Software
Telecentric lens
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基本光學原理
光機設計
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基本光學原理
AOI Lecture
光的波動性
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基本光學原理
AOI Lecture
光束與光波
光束的前進方向為波前的法向
光波可以產生繞射以及干涉
光束可以產生理想的影像,但是光波 會因為繞射或干涉影響成像品質
例如點光源的影像形成Airy disk
點光源的繞射所形成的最小光點直徑,會與波長以及F#有關,其關係式如下
#44.2 fD
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基本光學原理
AOI Lecture
波前圖形
光束前
進方向
球面波 波前
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基本光學原理
AOI Lecture
繞射現象
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基本光學原理
AOI Lecture
影像邊緣模糊
影像陰影區
投射光強
繞射造成影像邊緣模糊
物件
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基本光學原理
AOI Lecture
Diffraction
Diffraction limit
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基本光學原理
AOI Lecture
單狹縫的光強度分布
0階 +1階 -1階 +2階 -2階
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基本光學原理
AOI Lecture
各階的破壞性干涉
中央光強 第一條暗紋 第二條暗紋
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基本光學原理
AOI Lecture
單狹縫繞射原理
破壞性干涉
狹縫寬度 角度 階數
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基本光學原理
AOI Lecture
圓孔繞射
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基本光學原理
AOI Lecture
Airy Disk與Rayleigh Criterion
當點光源由一個小孔徑射出成像時,將不會形成一個光點,而是形成右圖的一個同心圓盤,造成此現象的並非由於鏡頭的像差,而是由於光波的繞射極限。
一成像的最大解析度,會取決於其繞射極限,要判斷成像最大解析度的方法稱為Rayleigh Criterion。
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基本光學原理
AOI Lecture
干涉(Interference)
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基本光學原理
AOI Lecture
干涉原理
建設性干涉
破壞性干涉
干涉圖案 強度分佈 第一屏幕 第二屏幕
d
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基本光學原理
AOI Lecture
Principle of Chromatic aberration correction
Refraction + Diffraction = Hybrid Achromatic
Fresnel Lens
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基本光學原理
AOI Lecture
偏振光學
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基本光學原理
AOI Lecture
電磁波
光具有電場以及磁場方向
電場與磁場沿著傳播方向的垂直方向作簡諧振盪
一般光源包含有各種方向的電場與磁場
磁場
電場
傳播方向 波長
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基本光學原理
AOI Lecture
極化與未極化光
光傳播方向 光傳播方向
單一方向 包含各種方向
極化光 未極化光
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基本光學原理
AOI Lecture
平面極化光(1/2)
S = E ╳ B 極化面
傳播方向
電場
磁場
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基本光學原理
AOI Lecture
平面極化光(2/2)
兩個相互垂直的電場,其相位、頻率都相同所組合而成新的極化方向,沿著傳播方向Z來看,為一直線,因此也稱為線性極化光
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基本光學原理
AOI Lecture
橢圓與圓形極化光
當兩道垂直電場的光,在相位上有差異時,將依照不同的差異形成圓與橢圓的極化光
△f
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基本光學原理
AOI Lecture
偏光片
吸收入射光行進方向上,各垂直方向的振盪,除了在某一特定方向平面的光才不吸收。
當光透過線性偏振極化後,將會有約60~65%的光強減弱。
如果透過兩個相互垂直方向的偏光片,所有的光將會被吸收。
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基本光學原理
AOI Lecture
偏光過程
傳播方向
同一平面所以通過 相互垂直所以將阻擋
限定偏振軸向 未極化光源 輸出特定方
向偏振光
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基本光學原理
AOI Lecture
Measurement of Polarization
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基本光學原理
AOI Lecture
Polarizer and Analyzer
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基本光學原理
AOI Lecture
偏光片應用例子(1)
消雜光:當影像有,散射光所造成的反射現象,可利用偏光片放置於鏡頭之前改善此現象
眩光:是由於高反射面或光學窗口所造成的。
使用前 使用後
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基本光學原理
AOI Lecture
應用例子(2)
強化對比
評估應力狀態以及折射率變化
使用前 使用後
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基本光學原理
AOI Lecture
應用例子(3)
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基本光學原理
AOI Lecture
孔的像 光点
有眩光
加一偏光片
無眩光
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基本光學原理
AOI Lecture
波片
波片是一種光學雙折射的材料,其不同方向有不同的光學折射率。平面偏極光到達一片波片時,將會分為二互相垂直分量,並以不同速度前進,根據材料可以有1/2與1/4波片,其用途與用法都不同。
根據不同的用法可以
改變平面偏極光角度
得到圓或橢圓偏極光
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基本光學原理
AOI Lecture
Half Wave Plate Quarter Wave Plate
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基本光學原理 偏光片與波片應用
AOI Lecture
準直雷射
直角菱鏡
四象位感測器
撓性微調座
聚焦透鏡
PBS
QWP
Mirror
位移量測 角度量測
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基本光學原理
AOI Lecture
應用例子(4)
Focus probe
Collimator
White LED
DVD pickup
APC circuit
Objective
lens
PBS
CCD
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基本光學原理
AOI Lecture
像散 (Astigmatism)
俗稱散光現象
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基本光學原理
Focus Probe
Plane1
Plane2
Plane3
V
-
0
+
0
+
-
mm30
mm
Schematic of the Astigmatic method
S-curve
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基本光學原理
Laser Focus Probe
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基本光學原理
objective lens
Non-contact Probe
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基本光學原理
Applications
CD Profile
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Position (µm)
Heig
ht (µ
m)
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基本光學原理
DVD角度微調螺釘
20x物鏡
DVD
DVD鎖板
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基本光學原理 智泰手機面板膜厚量測:
上面2圖為溥膜黑色部份的s-curve,下面2圖為透明部份的s-
curve。
膜厚量測結果:(利用NFES進行量測。)
序號 單位(μm)
1 7.32
2 7.43
3 7.30
4 7.41
5 7.39
標準差 0.06
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基本光學原理
3. 干涉應用
AOI Lecture
A. 雷射干涉儀
微型半導體雷射干涉儀
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基本光學原理
B. 輪廓干涉儀
AOI Lecture
平面鏡
入射光
工件
分光鏡