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微透鏡陣列像質及光場檢測系統
Image Quality and Light Field Inspection
System of Micro-Lens Array
演講者：何振維
演講時間：中華民國一O三年四月二十四日
About Me
學歷：
逢甲大學自動控制學系(大學部)
逢甲大學自動控制研究所
能力：
軟體：ANSI C、BCB、Delphi 、jQuery
韌體：MCU、DSP
製圖：Inventor 、AutoCAD
領域：自動控制(程式開發)、專案管理、機構開發
興趣：
影像處理、開發設計、電影、音樂、閱讀
微影與光電實驗室
2
Outline
碩士論文
部分
工作分享
部分
微影與光電實驗室








前言
研究動機
研究理論
研究方法與架構
實驗結果與分析
未來目標與展望
個人工作經驗分享
給學弟妹的建言
3
前言
利用機器視覺的方式，運用攝影機連接電腦，
搭配XY-Table或是滑軌來檢測待測物，將檢測
岀的數據結果傳送至電腦分析。
而此研究中，像值檢測的重點：
1. 微透鏡陣列的表面及光場檢測
2. 光場的光度及均勻度檢測
3. MTF特性(鏡頭傳遞對比度的能力)
微影與光電實驗室
4
■主要以XY-Table平台控制其方位移動，雷射
穿透微透鏡後便會形成成像，並投影在屏幕上
。由CCD擷取成像，分析微透鏡陣列其光場的
亮度、均勻性的檢測系統。
■光場的量測是利用CCD攝影機擷取影像，檢
測其像素值，做假色運算分析，光場的均勻分
佈，和3D圖呈現。
微影與光電實驗室
5
■而MTF量測，用一條狹長的亮纹取代多條光柵
，利用攝影機擷取電腦螢幕的亮纹，掃描其中間
區段，求其灰階值分佈，轉換成快速一維傅立葉
轉換，利用傅立葉頻譜圖取得MTF的特性曲線。
微影與光電實驗室
6
研究動機
市面上光電的產品，像是手機，相機，通訊產品
等，其鏡頭的透鏡趨於微小化，但檢驗上多數都
是採用人工。然而人眼對光的感應不同，時間一
久也會容易疲勞。檢驗時必定會有誤判的情況發
生。藉此運用機械視覺的技術，線上即時檢測的
方式，檢測微透鏡陣列的光場品質。
微影與光電實驗室
7
檢測鏡頭內的感測晶片的性能，檢測MTF，
利用CCD偵測電腦螢幕上呈現的光柵影像，
然後分析出其MTF值，依序增加光柵的黑白
線對，藉此將Data傳回電腦，繪出其MTF曲
線圖。
但此技術也出現了瓶頸。當黑白線對數增加
，解析品質較差的螢幕容易產生疊紋，容易
在偵測上產生誤差。於是採用只使用一條亮
纹於螢幕上擷取分析之。
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研究理論
彩色原理
CIE色彩分佈圖
光度與亮度
MTF特性
微透鏡陣列
雷射光的特性
微影與光電實驗室
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1. 彩色原理
光是一種電磁波輻射能。一般人眼所能夠觀察到
的光的波長範圍是介於380nm至780nm，此範圍
又稱為可見光譜。
每種顏色都有其特定的波長及範圍。
紅色的波長介於640-750nm之間
綠色的波長介於 80-550nm之間
藍色的波長介於400-500nm之間
微影與光電實驗室
10
2. CIE色彩分佈圖
色彩學都採用國際標準照明委員會（CIE），稱為
CIE標準色度系統。
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11
X  A11R  A12G  A13B
Y  A 21R  A 22G  A 23B
Z  A 31R  A 32G  A 33B
x  X /( X  Y  Z)
y  Y /( X  Y  Z)
參數設定：A11+A12+A13=1, A21+A22+A23=1, A31+A32+A33=1
微影與光電實驗室
12
光場的RGB色彩分佈會在CIE色度圖中繪出一個色彩三角形，
而這三角型無法概括整個可見光的分佈。而因各LCD廠商不同
，檢測出的三角形的頂點位置和形狀大小也會有所差異。
微影與光電實驗室
13
3. 光度與亮度
本身是發光元件，如燈泡或是燈管，直接以發光強度表
示，單位為照度或光度。若本身不會發光，需要反射光
線來發光的物體，則單位以亮度表示。
照度(光度)
lux (lx)
footcandles (fc)
lux (lx)
1
0.0929
亮度
cd/m2
footlambert(fL)
candela(cd/m2)
1
0.2919
微影與光電實驗室
14
4. MTF特性介紹
在每1mm之單位距離內，可解析多少條黑白線對。當可
容忍之黑白線對越多，其可解析的空間頻率越高，相對
透鏡之像質也較佳。
條紋數目(lines)
感測晶片大小 (mm)
M 
0
6mm
 空間頻率 (lines/mm)
3.6mm
4.8mm
I max  I min
I max  I min
MTF 
Mo
Mi
Imax表示最大亮度訊號，即白色條紋之亮度值
Imin表示最小亮度訊號，即黑色條紋之亮度值
微影與光電實驗室
15
5. 微透鏡陣列
微透鏡陣列是由許多個小透鏡所組成，微透鏡陣列能形成
非球面、球形、凸透鏡、凹透鏡等各種各樣的鏡頭，直徑
可以小到15微米。
微透鏡陣列使用標準如石英、磷化鎵、氟化鈣和矽等材料，
結合折射或繞射方式，每個微透鏡排列誤差必須在0.25微米
以下，有效表面粗糙度值在典型的2至8nm。
Lens
Lens
Lens
Micro Lens Array 俯視圖
微影與光電實驗室
Gap
Micro Lens Array 側面圖
16
微透鏡陣列之應用如下：
1. 光纖耦合：應用於高密度分波多工，利用不同的光波
波長，經過微透鏡陣列，將多個光纖訊號合併在單一的
光纖中傳送。
2. 波前檢測儀：利用微透鏡陣列將入射波前分開取樣，
藉感測器所測得的資料即可推算出待測波前相關參數。
3. 光開關、光放大器、光隔離器。
4. 液晶投影電視：傳統液晶投影電視光學效率不高，
偏振片、彩色濾波片、電晶體與線路造成不少光學
損失。而微透鏡陣列，將入射光避開電晶體與線路
的遮擋而聚焦，提升光學使用效率。
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6. 雷射光的特性
雷射光（激光）有幾種特性，譬如：單色性、 指向性
(準直性)、高強度、高度相干性。
◎單色性
雷射光有很好的單色性，意思就是本身光譜寬度很窄。
光場
波長(nm)
△λ(nm)
△v(Hz)
鈉燈
589.6
0.1
9×1010
低壓鎘燈
643.8
0.0013
9.4－108
氦氖雷射
632.8
10-8
7.5×103
微影與光電實驗室
18
◎指向性
雷射光束的指向性( Directionality )很高，就算是經過長
距離之後，它依然維持細小的光束而不會散開。而一般
都用擴散角去量度此雷射光的指向性。當擴散角度越大
，代表指向性較差，而擴散角的單位以弳度或毫弳度表
示。最小的擴散角會受到繞射現象的限制，以下公式；

  Kc
2
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19
研究方法與架構
◆光場檢測系統
◆MTF檢測系統
◆微透鏡陣列檢測系統
微影與光電實驗室
20
◆光場檢測系統◆
利用滑軌讓攝影機以各種距離去偵測待測物，而待測物本
身是靜止不動的，並且利用不同顏色光場去分析其光場的
光度及均勻性。
CCD
Rotational
Slide track
Measured Object
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21
1.檢測點的座標算法
檢測點量測輝度值
設計檢測點，可變更數目，位置，本身的大小，藉此可以
量測光場的各個角落。
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22
若只考慮橫座標，則
P1y=(x1 , 0), P2y=(x1+X” , 0), P3y=(x1+2X”, 0), ………
若只考慮縱座標，則
Px1=(0 , y1), Px2=(0 , y1+Y”), Px3=(0 , y1+2Y”), ………
Pab  (( x 1  (a  1)X" ) 
h1
h
, ( y1  (b  1)Y" )  1 )
2
2
X”
h1
h1
Y”
h1
h1
h1
微影與光電實驗室
h1
23
2.檢測點的平均灰階值
平均灰階值 mean gray value
i  h1 j h1
Pavg 
i  h1 j h1
 P (x, y) {( P (x, y)  P (x, y)  P (x, y)) / 3}
x i y  j
g
h12

x i y  j
r
g
b
h12
(i,j)
h1
h1
微影與光電實驗室
24
3.光場的均勻度分析
● ● ●
● ● ●
1.平均光場均勻度(Average light uniformity, ALU)
2.均方根光場變異數(Root mean square light variation, RMSLV)
Min (Li )
ALU 
Lavg
L avg 為光場平均值
微影與光電實驗室
1/2
1

RMSLV    (L i  Lavg ) 2 
 N i 1

N
N為檢測點個數，預設25
25
3.十點平均變異數(Ten Point Average Variation, TPAV)
 M(A)  M(B)  M(C)  M(D)  M(E) M(a )  M(b)  M(c)  M(d)  M(e) 
TPAV  K 


5
5

M(A)、M(B)、M(C)、M(D)、M(E)為前五大的灰階値。
M(a)、M(b)、M(c)、M(d)、M(e)為前五小的灰階値。
4.平均變異數(Average Variation, AR)
1 N
AR  k  f ( x )  f avg
N x 1
(N預設25筆， f avg 為檢測點平均值，f(x)為各檢測點數值)
微影與光電實驗室
26
4.光場的假色分析
假色分析 (a) 白色 (b) 紅色 (c) 綠色 (d) 藍色光場
(a)
(c)
微影與光電實驗室
(b)
(d)
27
5.光場檢測軟體介面
微影與光電實驗室
28
◆MTF檢測系統◆
改良的光柵投影檢測
微影與光電實驗室
29
1. MTF檢測系統架構
LCD螢幕
待測透鏡
PC Camera
Slider
滑軌
微影與光電實驗室
30
2. 快速一維傅立葉轉換
分析影像之RGB各個權重函數
Wr ( x )  
N
0
R (x)
dx
N
Wg ( x )  
N
0
G(x)
dx
N
Wb ( x )  
N
0
B( x )
dx
N
(W為權重函數，N為掃描影像的X軸像素點數量)
I=
( Wr  R  Wg  G  Wb  B)
3( Wr  Wg  Wb )
設定一濾波的閥値Gt，目的在過濾掉週遭的雜訊干擾
1 m 1
G t   I( x , y d )  G v
m x 0
微影與光電實驗室
if I(x , yd)<128
31
2i
N

( 2 m) k
1
N
2
m 0 2 m
2i

mk
M 1
M
m 0 2 m
Xk  
x e

x e
2i
N

( 2 m1) k
1
N
2
m0 2 m1
2i
2i

k

mk
M 1
N
M
m0 2 m1

e
x

e
x
e
將掃瞄出來的I值代入x，而N代入1024，便可得到
快速一維的傅立葉頻譜圖。
微影與光電實驗室
32
(1)
(2)
(3)
(1)灰階分佈圖(2)濾波後的灰階分佈圖(3)一維傅立葉頻譜圖
微影與光電實驗室
33
3. MTF檢測系統流程
開開開開開開開
開開開開開開開
開開開
開開開開開
開開開開開
開開開開開
開開開開開開
開開開開開開
開開開開開開
開開開開開開
開
開開開開開
開開開開開
開
微影與光電實驗室
開開開開
開開開開開
開開開開開
開開開開
34
◆微透鏡陣列檢測系統◆
開開開開
開開開
開開開
CCD開 開 開
開開開
開開
開開
微影與光電實驗室
開開開
(開 開 開 開 開 )
35
1. 系統架構
反射鏡
氦氖雷射
XY-Table
微影與光電實驗室
分光鏡
36
2. 微透鏡的投影呈像
XY開 開 開 開
開開開
開開開
(開 開 開 )
開開開開
CCD開 開 開
開開開開
開開
開開開
開開開開
開開
開開開開開
微影與光電實驗室
37
(a) 顯微鏡檢測圖
微影與光電實驗室
(b) 微透鏡以雷射穿透的投影成像
38
3. 微透鏡陣列品質指標
定義出品質指標，檢測每一個微透鏡的光度一致性。指標
分成兩種：品質精確度(Cp)和品質能力指數(Cpk)。
Cp 指在最佳狀況下所獲得的品質狀況
Cpk指自然變異狀況下所獲得的品質水準
LU h  LU l
d
Cp 

6
3
C pk
1 N

(Xi  ) 2

N i 1
 LU h     LU l 
 Min 
,

3 
 3
(LUh為待測物的規格上限，LUl為待測物的規格下限，
μ為量測平均值，σ為標準差，d為公差 )
微影與光電實驗室
39
Cp
Cp and Cpk
Cpk
3.5
3
2.5
2
Value
1.5
1
0.5
0
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
33
35
37
39
41
43
45
47
49
Times
亮度值穩定時的Cp與Cpk值曲線(規格上下限差距為20)
微影與光電實驗室
40
Cp and Cpk
Cp
Cpk
2.1
1.8
1.5
1.2
Value
0.9
0.6
0.3
0
5
7
9
11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49
Times
亮度值穩定時的Cp與Cpk值曲線(規格上下限差距為10)
微影與光電實驗室
41
光度值中途不穩定時的曲線
Cp and Cpk
Cp
Cpk
3
2.5
2
1.5
Value
1
0.5
0
-0.5
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63
Times
微影與光電實驗室
光度值不穩定時的Cp與Cpk值曲線
42
微影與光電實驗室
43
4. 微透鏡檢測系統流程
開開開開開開開開
開開開開開開開開
開開開開開開開開
開開開開開
XY-Table開 Y開 開
開開開開開開開
微影與光電實驗室
開開開開開開開開開
開 開 XY-Table
開 XY-Table開 開 開
開開開開開開開
開開開開開開開
(1, 0.1, 0.01 mm)
XY-Table開 開 開
X開 開 開 開 開 開
44
實驗結果與分析
光度計
光場檢測程式
微影與光電實驗室
45
1. 光場檢測實驗結果
黃色
光場
微影與光電實驗室
距離(cm)
黃 光 (單位：lx)
光度計
CCD
誤差值(%)
10
4.72
4.7
0%
9
5.33
5.29
0%
8
6.02
5.94
1.00%
7
6.83
6.74
-1%
6
7.78
7.69
-1%
46
藍色
光場
微影與光電實驗室
距離(cm)
藍 光 (單位：lx)
光度計
CCD
誤差值(%)
10
12.46
12.49
0%
9
14.74
14.58
-1.00%
8
17.8
17.65
0.00%
7
21.37
20.99
-1%
6
26.61
27.01
2%
47
綠色
光場
微影與光電實驗室
綠 光 (單位：lx)
距離(cm)
光度計
CCD
誤差值(%)
10
2.41
2.37
2%
9
2.75
2.73
0.73%
8
3.17
3.16
0.32%
7
3.68
3.62
2%
6
4.36
4.34
0%
48
藍光
黃光
綠光
距離(cm)
TPAV
距離(cm)
TPAV
距離(cm)
TPAV
10
50
10
54.2
10
40.4
9
56.2
9
31
9
40
8
50
8
42.4
8
34.8
7
62.6
7
38.6
7
33.6
6
59.4
6
31.2
6
44
距離(cm)
AR
距離(cm)
AR
距離(cm)
AR
10
14.2
10
16.7
10
11.28
9
16.7
9
9.46
9
11.33
8
14.57
8
12.52
8
10.16
7
23.67
7
11.61
7
9.66
6
17.3
6
9.68
6
12.46
微影與光電實驗室
49
藍光
黃光
綠光
距離(cm)
ALU
距離(cm)
ALU
距離(cm)
ALU
10
0.77
10
0.74
10
0.82
9
0.75
9
0.85
9
0.88
8
0.79
8
0.81
8
0.85
7
0.66
7
0.81
7
0.83
6
0.64
6
0.82
6
0.8
距離(cm)
RMSLV
距離(cm)
RMSLV
距離(cm)
RMSLV
10
18.96
10
20.77
10
14.53
9
20.73
9
11.71
9
14.01
8
18.1
8
16.34
8
13.06
7
23.49
7
14.72
7
12.8
6
22.26
6
12.25
6
16.1
微影與光電實驗室
50
2. MTF檢測實驗結果
不同顏色亮纹顯示(A)紅色(B)綠色(C)藍色
(A)
(B)
(C)
微影與光電實驗室
51
微影與光電實驗室
(a) 紅色亮纹的灰階及傅立葉波形圖
52
微影與光電實驗室
(b) 綠色亮纹的灰階及傅立葉波形圖
53
微影與光電實驗室
(c) 藍色亮纹的灰階及傅立葉波形圖
54
3. 微透鏡陣列檢測實驗結果
X : 10 mm
(A)
量測結果(A)
……
……
……
……
……
…
…
……
……
……
……
Y : 10 mm
……
……
……
……
……
……
……
一顆直徑
100 ± 5 µm
間距
10 µm
透鏡數目
7396 顆
(一行透鏡數 : 86 顆
一列透鏡數 : 86 顆)
3 cm
(B)
量測結果(B)
3 cm
微影與光電實驗室
一顆直徑
0.4 ± 0.01 cm
間距
0.01 cm
透鏡數目
19 顆
55
Num
Gray
Value
Average
Value
Relative
Error
Cp
Cpk
Reference
Ratio
54
178
178.07
-0.0003
1.7778
0.9981
196
0.91
55
181
178.13
0.0159
1.7182
0.9499
194
0.93
56
180
178.16
0.0102
1.7048
0.9352
199
0.9
57
181
178.21
0.0154
1.6584
0.8979
195
0.93
58
181
178.26
0.0151
1.6187
0.8648
192
0.94
59
180
178.29
0.0095
1.6124
0.8546
193
0.93
60
179
178.3
0.0039
1.6227
0.8577
196
0.91
61
178
178.3
-0.0016
1.6357
0.8646
197
0.9
62
177
178.27
-0.0071
1.6382
0.8729
196
0.9
63
179
178.29
0.004
1.6481
0.8735
195
0.92
64
175
178.23
-0.0184
1.5953
0.8592
197
0.89
65
176
178.2
-0.0124
1.5795
0.8574
193
0.91
66
177
178.18
-0.0066
1.5835
0.8642
198
0.89
67
176
178.15
-0.0121
1.57
0.8635
196
0.9
68
176
微影與光電實驗室
178.12
-0.0119
1.5578
0.8635
196
0.9
56
Cp and Cpk
4
Cp
Cpk
3.5
3
2.5
Value 2
1.5
1
0.5
0
23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71 73 75 77 79 81
Times
微影與光電實驗室
57
Average Value
Average Value
200
195
190
Gray Value
185
180
175
170
165
160
155
150
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79
Row
微透鏡陣列每列的平均亮度值
微影與光電實驗室
58
Ratio = 量測值 / 參考值
Ratio
Ratio
1.5
1.4
1.3
1.2
Value
1.1
1
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79
Row
微透鏡陣列每列的平均ratio值
微影與光電實驗室
59
Cp
Cp
10
9
8
Value
7
6
5
4
3
2
1
0
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79
Row
微透鏡陣列每列的最終Cp値
微影與光電實驗室
60
Cpk
Cpk
10
9
8
7
Value
6
5
4
3
2
1
0
1
4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70 73 76 79
Row
微透鏡陣列每列的最終Cpk值
微影與光電實驗室
61
未來目標與展望
微透鏡陣列的檢測上，若能有更精確的硬體架構，譬如高
精密的定位平台，在定位上就可以達到更好的水準，能夠
檢測更小尺寸的微透鏡陣列。
光場的檢測上，希望未來可找出演算方式是以任何距離下
的光場光度特性，才能以快速的方式做自動化分析。並且
與其他的光學製造商合作，得到更多樣的樣本，便能得到
更多樣性的數據分析。
MTF的量測上，如何有效自動化濾波，消除雜訊而不會干
擾到中間亮纹的信號。未來可運用新的演算方式，以達成
此成效。
微影與光電實驗室
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個人工作經驗分享
個人能力：
軟體：ANSI C、BCB、Delphi 、jQuery
韌體：MCU(8051, Microchip)、DSP
製圖：Inventor 、AutoCAD
領域：自動控制(程式開發)、專案管理、機構開發
個人經歷：
1. 達航工業(設備業) -研發工程師 2009~2011
2. 華祐微電腦(家電業) -研發工程師 2011~2012
3. 勝華科技(科技業) -產品工程師 2012~2013
4. 永記德(五金傳產) -業務工程師 2013~至今
微影與光電實驗室
63
◎ 念自動控制的未來領域 (學以致用為前提)
1. 設備業：鑽孔機、成型機、食品機械…等
2. 家電業：控制器ODM、家電製造
3. 自動化系統：產線自動化規劃
4. 科技業：面板廠、IC封裝、半導體…
5. 機器人產業：機械手臂相關…
6. 醫療儀器
7. 光電產業：光學鏡頭、太陽能、光源…等
微影與光電實驗室
64
◎ 自動控制適合職缺介紹
(先選產業，再選職缺)
前線
1.業務(Sales)
2.專案經理人
(PM)
3.應用工程師
(FAE, AE)
中間核心
1.專案(產品)工程師
(PE)
產線
1.製造課長
後勤
2.自動化工程師
1.客服售服
(Customer
Service)
3.設備工程師
(Equipment Engineer)
2.維修人員
(Technician)
2.研發工程師 (RD)
3.測試工程師
(Test Engineer)
4.製程整合工程師
(Process Engineer)
4.品保
(IQC, QC)
5. 治具工程師
微影與光電實驗室
5.生產管理(生管)
(Production Control)
65
◎ 設備業本身的潛在問題
雇主本身：1. 投入研發的能量不夠(控制器)
2. 機台效率、穩定、精度不足(系統整合)
3. 國際競爭性提升(中國崛起)
員工本身：1. 理論(演算法)、實務不足
2. 危機處理能力不足(抗壓性)
3. 外語能力不足(台灣出口貿易)
備註：國外控制器：海德漢、西門子、Fanuc、Mitsubishi…
國內控制器：新代、寶元(LNC)、智源…
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66
◎ 產業界AOI開發
1.影像函式庫：OpenCV(免費), Halcon (付費), Mill (付費)
皆可導入Delphi, BCB等。
2. 使用數位式CCD，利用網路線通訊，解析度至少200萬
以上。解析度依工作距離、範圍而定。
3. 光源：正光源-> 容易光線反射
背光源-> 安裝不易
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給學弟妹的建言
◎ 沒有堅持6個月以上，就沒有發言權！
沒有堅持1年半以上，就不能說自己懂！
沒有堅持7年以上，就不可能是專家！
沒有堅持10年以上，就不會擁有權威！
沒有堅持一輩子，就不可能有所成就！
每天重複做，能堅持下來的人，定會成為某一領域的領航者！
(建立專業)
◎ 不恥下問，切勿一知半解，不懂裝懂。
◎ 除了會做事，也要會做人。
◎ 懂得享受工作、快樂工作。
◎ 《大學》：格物、致知、誠意、正心、修身、齊家、治國、平天下
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Thanks for your attention !
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