2023 年 6 月出版
科儀新知 第 235 期
人物專訪
國立清華大學 賀陳弘前校長 宏觀教育理念見樹又見林 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
林麗娥
國立清華大學 (清大) 前校長－賀陳弘講座教授為清華大學首位遴選連任的校長，帶領清大八年，建立多項里程碑的發展，包括推動與新竹教育大學合併，獲教育部、衛福部核准設立公費學士後醫學系及附設醫院的籌建，成立四個新的學院及兩個轉型的學院，促成美術館、文學館、文物館和音樂廳的募款捐建，更成立清大永續基金⋯。教育是百年樹人的大計，賀陳校長擘劃清大發展藍圖則是見樹又見林，將原以理工起家的清華大學，打造成如今的綜合型大學，帶領清大邁向台灣高教頂峰。《科儀新知》採訪賀陳校長時，校長說話帶著文人的溫文，言談間不時引用《論語》、《孟子》，對於產業機械加工製造瞭如指掌，亦具宏觀視野，借鑿德國、美國留學經驗，兼容台灣社會發展現況，規劃清大校務、促進科研產業發展獨具匠心。
自動光學檢測
「自動光學檢測」專題介紹 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
陳亮嘉
自動光學檢測 (Automated Optical Inspection, AOI) 是以機器視覺做為核心，結合光學、 電控、機構以及檢測軟體，利用影像技術比對待測物與標準影像，進行各式品管檢測。相對於人工檢測，AOI 系統對於瑕疵判定的標準較為一致，能檢測人眼難以辨識的細節，同時快速篩檢量能也改善了人工目視檢測效率不彰的缺點。隨著消費性電子產品不斷推陳出新，零組件的瑕疵都可能影響產品功能，因此製造業對於提升良率需求與日俱增。緣此， 本期以「自動光學檢測」作為專題，介紹自動光學檢測新興技術與應用範圍。
比較代表性的光學檢測技術，包含橢圓偏振法、干涉法、共焦法等方式，各有各的優缺點及應用。「偏振干涉術應用於折射率、滾轉角位移量測」一文，即提出了一種基於偏振相機之新型偏振干涉儀，可以快速獲得待測物所引入的相位變化，進而推算出特定物理參數之變化。「多層透明板厚度及折射率量測系統」則是解決每層材料相互不平行的問題，透過簡易的光路架構搭配歪斜光線追蹤法，不僅能同時量測多層透明待測物的折射率與厚度，也能量測不平行層的傾斜角度，改善現有技術的不足。「五自由度測量系統的開發與應用」則是自行開發五自由度測量系統，實現同時測量運動軸的定位誤差、直線度誤差以及角度誤差等五自由度幾何誤差。
針對產業需求發展的技術則包含「高深寬比微結構之創新光學散射關鍵尺寸量測技術」，其研究發展出創新之光學關鍵尺寸量測 (OCD) 系統與技術，用以克服先進封裝製程中，具高深寬比之微結構難以使用非破壞性檢測的困境，大幅提升量測之光效率，並在量測範圍上可實現單一結構的量測，避免了現存之光學量測技術限於量測多個結構之平均資訊的缺點。「CIGS 薄膜太陽能板之光致發光自動光學檢測系統開發」設計開發出每片太陽能板可在 60 秒的節拍時間內完成進出料及螢光全波段光譜量測或高解析影像的擷取，在出料的時間內完成檢測分析，同時輸出資料至機器學習系統並預測終端產品發電效能。鑒於 TFT-LCD 面板的製程檢測仍仰賴人工目測檢查，而且判別標準較為主觀，為此 「基於機器視覺與深度學習的面板切割缺陷檢測」一文，則是研究開發 TFT-LCD 面板線上的即時自動光學檢測系統，並且加入深度學習來提升瑕疵檢測的效率，提供影像預測速度效率及準確率。
產品檢測的精準度基本上取決於 AOI 設備對影像之解析度、成像能力以及影像辨析技術。自動光學檢測的細節愈完整，比對的精準性就愈高。盼透過此專刊，在作者群的介紹 下，激發讀者們創新的研究想法與方向，共同投入研發與積極合作，強化臺灣光學檢測技術與設備的發展。
多層透明板厚度及折射率量測系統 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
施玟妤, 劉建聖
在現今代表性的量測方法中，部分技術能測量厚度與折射率，但僅適用於薄板量測或單層特性個別量測，少數能同時測量多層厚度與折射率的技術，皆未考慮每層材料相互不平行的問題。為了改善現有技術的不足，本論文以幾何光學基本定理為基礎，提出一套新穎的光學量測方法，透過簡易的光路架構搭配歪斜光線追蹤法，不僅能同時量測多層透明待測物的折射率與厚度，也能量測不平行層的傾斜角度。
偏振干涉術應用於折射率、滾轉角位移量測 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
蔡岳哲, 張書菡, 許敬澤, 江家宇, 宋瑋益, 李朱育
干涉術廣泛應用於精密加工和光學元件測量，對科研和工程應用至關重要。本文提出了一種基於偏振相機之新型偏振干涉儀，可以快速獲得待測物所引入的相位變化，進而推算出特定物理參數之變化。本文除了介紹偏振干涉術的工作原理，亦藉由理論推導與實驗，驗證此技術在透明物體的折射率量測與滾動角位移量測的可行性。
五自由度測量系統的開發與應用 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
魏承弘, 范光照, 何昭慶
任一運動軸由於元件製造與組裝誤差，都存在六種自由度的幾何誤差。傳統對精密機器的幾何誤差測量方法都是逐項一一量測，不僅費時費力，價格也昂貴。本文介紹了自行開發的五自由度測量系統。藉由精心設計過的光學組件相互搭配，可以實現移動目標的五個幾何誤差同時量測，且只需用到位移檢測的單光束雷射，包含了定位誤差、水平與垂直兩個方向的直線度誤差以及偏轉和俯仰兩個角度誤差。本多自由度誤差量測系統因使用 60 MHz 的調 頻光，具有高速度、高精度等特性，且可以進行長距離的實時測量，其直線度誤差測量精度為 ±1 μm、角度誤差測量精度為 ±1 arc-sec，定位誤差測量分辨率為 0.01 μm、測量精度優 於 2 ppm。而在光軸與移動軸的校準上，透過可調式的折射鏡可快速地進行雷射光軸的對齊 校準。該系統還具有結構簡單容易安裝與成本低等優點，本研究在一台光學檢測機台上驗證了其可行性。
CIGS薄膜太陽能板之光致發光自動光學檢測系統開發 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
林志豪, 陳銘福, 陳柏睿, 蔡和霖, 連俊傑
太陽能電池是作為光電能源轉換的重要基本元件，而光電轉換效率與製造成本是最重要的兩大關鍵因素。CIGS 薄膜太陽能電池可以節省大量原料又具可撓特性，寬廣的吸收光譜範圍與 18% 以上的光電轉換效率，被認為具有很好的發展潛力。設計開發之 CIGS 薄膜太陽能板之光致發光 (photoluminescence, PL) 自動光學量檢測系統設備包含 PL 光譜量測與 PL 光學檢測兩套系統，並可與太陽能板產線整合來進行 CIGS 薄膜太陽能板的線上全檢。系統設備可對最大尺寸為長 1220 mm × 寬 620 mm 的薄膜太陽能板進行快速螢光光譜掃描、螢光影像拍攝及量檢測資料處理分析，每片太陽能板可在 60 秒的節拍時間 (takt time) 內完成進出料及螢光全波段光譜量測或高解析影像的擷取，然後在出料的時間內完成檢測分析，同時輸出資料至機器學習系統並預測終端產品發電效能，符合生產線速度需求，兩套 PL 量檢測系統的穩健性與檢測精確性也通過產線驗證，提供上銀光電公司的太陽能電池產線之線上全檢測服務，除可提前檢出不良品外，並可依檢測分析與研判結果即時調整製程與設備。
基於機器視覺與深度學習的面板切割缺陷檢測 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
林祐誠, 黃俊翔, 羅鈺淳, 何昭慶
近年來資通訊產品需求增加導致 TFT-LCD 面板產業的蓬勃發展，但 TFT-LCD 面板的製程檢測仍然仰賴人工目測檢查，而人為評估瑕疵質量通常是主觀的且不穩定的，因此導入自 動光學檢測 (automated optical inspection, AOI) 取代人工檢測是一項重要的自動化課題，且不同表面特性的材料需對應不同的取像照明方式，若取像照明方法不穩定會影響缺陷檢測過程中的整體穩定性。為此本研究開發一套用於 TFT-LCD 面板線上的即時自動光學檢測系統， 利用影像辨識基板切割後耳料是否脫離正常，避免 TFT-LCD 面板因切割不良未檢出並流入後段製程，導致面板破裂或後端機台損毀，幫助提升製程良率，減少設備損毀之不良影響， 最後加入深度學習來提升瑕疵檢測的效率，結果顯示加入深度學習的影像預測速度效率相比傳統方法提高了 38%，並達到 100% 的預測準確率。
高深寬比微結構之創新光學散射關鍵尺寸量測技術 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
簡維信, 楊福生, 傅子英, 陳亮嘉
本研究發展了一創新之光學關鍵尺寸量測 (OCD) 系統與技術，用以克服目前於先進封裝製程中，具高深寬比之微結構難以使用非破壞性檢測的困境。結合光譜反射術與光學散射術，並利用雷射寬頻光源的高空間同調性所設計之創新顯微光學架構，此技術可大幅提升量測之光效率，並在量測範圍上可實現單一結構的量測，避免了現存之光學量測技術限於量測多個結構之平均資訊的缺點，此為本技術的關鍵突破和特點。通過反向優化的最佳化工程， 實驗驗證結果表明，本系統可同時量測線寬與線距為 1 μm、深寬比為 3：1 之 RDL 結構的多項關鍵尺寸資訊。
科儀專欄
預測雷射拋光後雷射粉床熔融零件的表面樣態：數值和實驗研究 [ HTML 全文 ] [ 下載 PDF ]
范得福, 陳章紅
雷射粉床式熔融 (laser powder bed fusion, LPRF) 過程可以利用雷射光束的熱能逐層熔化金屬粉末層的特定區域以製造具有複雜結構的零件。所構建零件的表面粗糙度是決定最終產品品質的主要因素，而雷射拋光採用雷射輻射熔化金屬的薄層，以獲得更好的表面品質。由於這項技術不需要額外的工具成本並在取代機械拋光方面展示了強大的潛力。若能準確預測應用雷射拋光後的表面結構將會為優化雷射拋光的加工條件奠定基礎。為解決這個問題在本研究中我們開發了一個綜合計算框架，用於預測經過雷射拋光後 LPBF 加工零件的表面形貌，包括表面生成模型、光線追蹤模型、熱傳遞模擬和低通濾波器。本研究發現表面粗糙度的關鍵預測值，包括平均粗糙度 (Ra) 和均方根值 (Rz) 與實驗結果的差異分別不超過 7.7% 和 9.8%。此外，相關長度是用於表示側向高度變化的參數，本研究也將模擬的相關長度 (cl) 與實驗結果進行比較，觀察到的模擬相關長度與實驗結果之間的最大誤差不超過 13.4%。
