TWI583920B - 光滑物體的量測系統及其量測方法 - Google Patents

Description

光滑物體的量測系統及其量測方法

本發明係關於一種物體的量測系統及其量測方法，特別關於一種光滑物體的量測系統及其量測方法。

科技發展迅速之下，光學形貌量測技術的應用也越來越加廣泛，在不同產業上也有越來越多的應用，如半導體產業中，可以用來做初步瑕疵的鑑定，對產品而言，微結構表面的準確性也影響到產品的效能，在醫學工程方面則可以用來檢測生物表面細胞的輪廓，或是用來做為內腔鏡來觀察體內的情況。而在航太產業上，則可以用來鑑定機身、機翼、螺旋槳等的外形狀是否符合需求。

傳統形貌量測技術依照方法大致上可分為「接觸式」以及「非接觸式」。「接觸式」的量測主要是以探針在物體表面做掃描，具有高準確度的量測，但是在量測時由於探針需要直接接觸其表面，會造成物體表面或是探測頭的磨損。「非接觸式」則有多種量測方式，如邁克森干涉儀、立體視覺法(雙視角、多視角)、共焦顯微鏡與掃描式近場光學顯微鏡等，光學形貌量測可以用來檢測物體曲率、形狀、粗糙度等物體表面情況，且不需接觸物體表面故不會對其表面造成損傷。

然而，目前的結構光投影技術、條紋投影技術以及各式干涉技術都具有缺陷。目前利用結構光投影技術或條紋投影技術，僅適用於漫射效果佳的物體。對於遵守反射定律的光滑物體，則僅有部份表面的反射光，能投射至影像擷取系統而產生影像，其他區域的反射光，因無法成像，而造成部份影像資料的缺失。另外，能夠進入影像擷取系統的反射光，往往光強度過高，容易形成影像灰階值接近飽和的情況，進一步使得條紋的影像過亮且對比度差。

另一方面，針對光滑物體的形貌量測技術，大多是以干涉技術為主，例如Michelson interferometer、Mach-zehnder interferometer等，必須在低噪音、無震動等穩定環境下，才能夠進行形貌量測，而且受限於干涉儀的干涉範圍，對於大尺寸物體，不連續光滑物體表面的量測仍有諸多不便。

因此，有必要提供一種光滑物體之量測系統，以解決習用技術所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種光滑物體的量測系統，利用推算光滑物體的旋轉角度與相位差，能有效觀測並計算條紋圖案投影在該光滑物體上的完整影像，而獲得光滑物體的待測表面的形貌。

本發明之另一目的在於提供一種光滑物體的量測方法，利用像素對照的相位差進行量測，較不容易受到噪音及震動的影響。

為達上述之目的，本發明提供一種光滑物體的量測系統，用以量測一光滑物體，該量測系統包含一屏幕、一影像擷取裝置及一影像 處理裝置，該屏幕具有一顯示平面及一條紋圖案，其中該條紋圖案形成在該顯示平面上，且該光滑物體具有一待測表面，該待測表面與該顯示平面相對設置，該條紋圖案投射至該光滑物體之待測表面上，因而反射形成一虛像條紋圖案；該影像擷取裝置與該光滑物體的待測表面相對設置，用以擷取該虛像條紋圖案；該影像處理裝置電性連接該影像擷取裝置，用以根據該虛像條紋圖案而計算該待測表面的一形貌。

在本發明之一實施例中，該量測系統更包含一光源，設置在該屏幕處或位於該影像擷取裝置的一後側。

在本發明之一實施例中，該待測表面的一面積小於該屏幕的顯示平面的一面積。

在本發明之一實施例中，該條紋圖案具有交替排列的多條縱向漸層亮紋及多條縱向漸層暗紋。

在本發明之一實施例中，該條紋圖案更具有交替排列的多條橫向漸層亮紋及多條橫向漸層暗紋，該等縱向漸層亮紋及縱向漸層暗紋係與該等橫向漸層亮紋及橫向漸層暗紋相互交錯。

為達上述之目的，本發明另提供一種光滑物體的量測方法，用以量測一光滑物體，該量測方法包含步驟：一備置步驟，在一屏幕的一顯示平面上形成一條紋圖案；一第一投射步驟，使該條紋圖案投射至該光滑物體的一待測表面上，以反射形成一第一虛像條紋圖案；一第一取像步驟，利用一影像擷取裝置擷取該第一虛像條紋圖案，並傳送至一影像處理裝置；一第二投射步驟，將該光滑物體轉動一旋轉角度，使該條紋圖案再度投射至該待測表面，以反射形成一第二虛像條紋圖案；一第二取像 步驟，利用該影像擷取裝置擷取該第二虛像條紋圖案，並傳送至該影像處理裝置；及一處理步驟，該影像處理裝置比較該第一虛像條紋圖案及第二虛像條紋圖案，因而獲得該待測表面的一形貌。

在本發明之一實施例中，在該處理步驟中，利用該第一虛像條紋圖案及第二虛像條紋圖案的一相位差及該旋轉角度，以進行計算而獲得該待測表面的形貌。

在本發明之一實施例中，在該備置步驟之後更包含一校正步驟，利用一平面鏡轉動多個旋轉角度以反射該條紋圖案而分別形成多個校正虛像條紋圖案，並依據該等旋轉角度及該等校正虛像條紋圖案的一相位差獲得一關係式。

在本發明之一實施例中，該平面鏡以平行該屏幕的顯示平面的位置轉動的一旋轉角度為10度至-10度之間。

在本發明之一實施例中，該平面鏡的一面積小於該屏幕的顯示平面的一面積。

如上所述，本發明光滑物體的量測系統係改良習知條紋投影輪廓儀的光學架構，利用推算平面鏡旋轉角度與相位差之間的一關係式，能有效觀測條紋投影在該光滑物體上的完整影像，不須作縱向掃瞄或深度變焦，即可進行全域的量測。另外，本發明光滑物體的量測系統是利用像素對照的相位差進行量測，因此不會受到噪音及震動的影響，而且對於大尺寸的物體，以及具有不連續表面的光滑物體仍然可進行量測。

100‧‧‧量測系統

101、101’‧‧‧光滑物體

102、102’‧‧‧待測表面

103、103’‧‧‧虛像條紋圖案

2‧‧‧屏幕

21‧‧‧顯示平面

22‧‧‧條紋圖案

3‧‧‧影像擷取裝置

4‧‧‧影像處理裝置

5‧‧‧光源

θ‧‧‧旋轉角度

S201‧‧‧備置步驟

S202‧‧‧校正步驟

S203‧‧‧第一投射步驟

S204‧‧‧第一取像步驟

S205‧‧‧第二投射步驟

S206‧‧‧第二取像步驟

S207‧‧‧處理步驟

第1圖是根據本發明光滑物體的量測系統的一較佳實施例以平面鏡進行量測的示意圖；第2圖是根據本發明光滑物體的量測系統的一較佳實施例以待測物體進行量測的示意圖；第3圖是根據本發明光滑物體的量測系統的一較佳實施例以平面鏡在旋轉角度為0進行量測的示意圖；第4圖是根據本發明光滑物體的量測系統的一較佳實施例以平面鏡在旋轉角度為θ進行量測的示意圖；第5圖是根據本發明光滑物體的量測方法的一較佳實施例的流程圖；第6A至6E圖是根據本發明光滑物體的量測方法的一較佳實施例在不同旋轉角度的校正虛像條紋圖案；及第7A至7B圖是根據本發明光滑物體的量測方法的一較佳實施例的第一虛像條紋圖案及第二虛像條紋圖案。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

請參照第1圖所示，本發明光滑物體的量測系統100的一較佳實施例，同樣利用條紋投影技術中的漫射效果來量測一光滑物體101，該 量測系統100包含一屏幕2、一影像擷取裝置3、一影像處理裝置4及一光源5，本發明將於下文詳細說明各元件的細部構造、組裝關係及其運作原理。

續參照第1圖所示，該屏幕2具有一顯示平面21及一條紋圖案22，其中該條紋圖案22形成在該顯示平面21上，且該光滑物體101具有一待測表面102，該待測表面102與該顯示平面21相對設置，由於該顯示平面21具有漫射效果(diffusive reflection)，使該條紋圖案22能夠投射至該光滑物體101之待測表面102上，因而反射形成一虛像條紋圖案103。

請參照第1、2圖所示，要說明的是，如第1圖所示，當利用該量測系統100進行校正時，設置的光滑物體101為一平面鏡，該光滑物體101的待測表面102上形成該虛像條紋圖案103；如第2圖所示，當利用該量測系統100進行量測時，設置的光滑物體101’為一待測物體，該光滑物體101’的一待測表面102’上形成一虛像條紋圖案103’。

續參照第1、2圖所示，在本實施例中，該光滑物體101、101’的待測表面102、102’的一面積小於該屏幕2的顯示平面21的一面積，而且該條紋圖案22具有交替排列的多條縱向漸層亮紋及多條縱向漸層暗紋，透過投射在該待測表面102、102’的虛像條紋圖案103、103’的縱向漸層亮紋及暗紋的二維變化(如第3、4圖所示的X軸及Z軸)而進行量測。在其它實施例中，該條紋圖案22也可設計為更具有交替排列的多條橫向漸層亮紋及多條橫向漸層暗紋，該等縱向漸層亮紋及縱向漸層暗紋係與該等橫向漸層亮紋及橫向漸層暗紋相互交錯，透過投射在待測表面的虛像條紋圖案的縱向漸層亮紋及暗紋、橫向漸層亮紋及暗紋的三維變化而進行量測。

續參照第1、2圖所示，該影像擷取裝置3與該光滑物體101、 101’的待測表面102、102’相對設置，使該影像擷取裝置3的鏡頭面對該待測表面102、102’，而能夠擷取該虛像條紋圖案103、103’，以進行後續的影像分析。

續參照第1、2圖所示，該影像處理裝置4電性連接該影像擷取裝置3，用以根據該虛像條紋圖案103、103’而計算光滑物體101、101’的待測表面102、102’的一形貌。

續參照第1、2圖所示，該光源5位於該影像擷取裝置3的後側，用以提高該影像擷取裝置3擷取該虛像條紋圖案103、103’的影像清晰度。在其它實施例中，該光源5也可以設置在該屏幕2處(如其內部、後側或上方等)，以提高該條紋圖案22的投射光源，因此並不以本實施例揭露所侷限。

依據上述的結構，先將該光滑物體101設置為一平面鏡，並利用該平面鏡相對於該屏幕2的顯示平面21轉動多個旋轉角度θ(如第3、4圖所示)，而分別在該待測表面102上形成多個校正虛像條紋圖案103，接著該等校正虛像條紋圖案103經由傅立葉轉換後獲得纏繞相位圖，再將該等纏繞相位圖進行相位展開，進而推算該旋轉角度θ與相位差ψ之間的一關係式。

接著，將該平面鏡替換為一待測物體，即設置該光滑物體101’為該待測物體，將該條紋圖案22投射至該光滑物體101’的一待測表面102’上，以反射形成一第一虛像條紋圖案103’，再將該光滑物體101’轉動一旋轉角度θ，使該條紋圖案22再度投射至該光滑物體101’的一待測表面102’上，以反射形成一第二虛像條紋圖案103’，利用該第一及第二虛像條紋圖 案103’的一相位差及該旋轉角度θ，配合上述的關係式進行計算而獲得該待測表面102’的形貌。

藉由上述的設計，本發明光滑物體的量測系統100係改良習知條紋投影輪廓儀的光學架構，利用推算平面鏡旋轉角度θ與相位差ψ之間的一關係式，能有效觀測並計算條紋圖案投影在該光滑物體101’上的完整影像，能有效避免局部影像過亮、或是對比度太差的情形，而且不須作縱向掃瞄或深度變焦，即可進行全域的量測。另外，本發明光滑物體的量測系統100是利用像素對照的相位差進行量測，較不容易受到噪音及震動的影響，而且對於大尺寸的物體，以及具有不連續表面的光滑物體仍然可進行量測。

請參照第5圖並配合第1、2圖所示，本發明光滑物體的量測方法的較佳實施例，係藉由上述光滑物體的量測系統100對光滑的一待測物體101、101’進行量測，該量測方法包含一備置步驟S201、一校正步驟S202一第一投射步驟S203、一第一取像步驟S204、一第二投射步驟S205、一第二取像步驟S206及一處理步驟S207。

請參照第5圖並配合第1圖所示，在該備置步驟S201中，在一屏幕2的一顯示平面21上形成一條紋圖案22，其中該條紋圖案22具有交替排列的多條縱向漸層亮紋及多條縱向漸層暗紋。另外，在其它實施例中，該條紋圖案22也可設計為更具有交替排列的多條橫向漸層亮紋及多條橫向漸層暗紋，該等縱向漸層亮紋及縱向漸層暗紋係與該等橫向漸層亮紋及橫向漸層暗紋相互交錯。

請參照第5圖並配合第1、3及4圖所示，在該校正步驟S201 中，如第3圖所示，設置的光滑物體101為一平面鏡，與該屏幕2的顯示平面21平行，即該顯示平面21與該光滑物體101的待測表面102的旋轉角度θ為0度，如第1、4圖所示，利用該平面鏡相對於該屏幕2的顯示平面21轉動多個旋轉角度θ，例如：10度、5度、0度、-5度、-10度，以反射該顯示平面21的條紋圖案22，而分別在該待測表面102上形成多個校正虛像條紋圖案103，並且利用一影像擷取裝置3擷取該等校正虛像條紋圖案103，如第6A圖所示的0度校正虛像條紋圖案、如第6B圖所示的5度校正虛像條紋圖案、如第6C圖所示的10度校正虛像條紋圖案、如第6D圖所示的-5度校正虛像條紋圖案以及如第6E圖所示的-10度校正虛像條紋圖案。

接著，將該等校正虛像條紋圖案103經傅立葉轉換後獲得纏繞相位圖，再將該等纏繞相位圖進行相位展開，並且依據該等旋轉角度θ及該等校正虛像條紋圖案103的相位展開獲得如下表所示的一相位差，進而推算該旋轉角度θ與相位差ψ之間的一關係式，如該旋轉角度θ小於0與相位差ψ的關係式：ψ=-0.0078 θ+0.0533，以及該旋轉角度θ大於0與相位差ψ的關係式：ψ=-0.0023 θ+0.0558。

要說明的是，在本實施例中，該光滑物體101的待測表面102以平行該屏幕2的顯示平面21的位置轉動的一旋轉角度為10度至-10度之間，且該光滑物體101的待測表面102(平面鏡)的一面積小於該屏幕2的顯示平面21的一面積。

請參照第5圖並配合第2圖所示，在該第一投射步驟S203中，將該平面鏡替換為一待測物體，即設置的光滑物體101’為該待測物體，該條紋圖案22投射至該光滑物體101’的一待測表面102’上，以反射形成如第7A圖所示的一第一虛像條紋圖案103’。

請參照第5圖並配合第2圖所示，在該第一取像步驟S204中，利用該影像擷取裝置3擷取該第一虛像條紋圖案103’，並傳送至一影像處理裝置4。

請參照第5圖並配合第2圖所示，在該第二投射步驟S205中，將該光滑物體101’轉動一旋轉角度θ，使該條紋圖案22再度投射至該光滑物體101’的一待測表面102’上，以反射形成如第7B圖所示的一第二虛像條紋圖案103’。

請參照第5圖並配合第2圖所示，在該第二取像步驟S206中，利用該影像擷取裝置3擷取該第二虛像條紋圖案103’，並傳送至該影像處理裝置4。

請參照第5圖並配合第2圖所示，在該處理步驟S207中，該影像處理裝置4會比較該第一及第二虛像條紋圖案103’，利用該第一及第二虛像條紋圖案103’的一相位差及該旋轉角度θ，以進行計算而獲得該待測表面102’的形貌。

更進一步說明的是，首先將該第一及第二虛像條紋圖案103’經傅立葉轉換後獲得纏繞相位圖，再將該等纏繞相位圖進行相位展開；接著計算不同像素(PIXEL)所對照的相位差，即條紋圖案22所對應之相位與旋轉角度的關係式；當取得不同像素所對應的旋轉角度θ之後，再依據下列關係式： 將高度值△z求出，其中△x為1個像素(PIXEL)，且1個像素對應的實際尺寸為0.06公分。最後，將計算所得到的△z相加起來便能獲得該待測表面102’的一完整形貌。

如上所示，本發明光滑物體的量測方法係改良習知條紋投影輪廓儀的光學架構，利用推算平面鏡旋轉角度θ與相位差ψ之間的一關係式，能有效觀測並計算條紋圖案投影在該光滑物體101’上的完整影像，能有效避免局部影像過亮、或是對比度太差的情形，而且不須作縱向掃瞄或深度變焦，即可進行全域的量測。另外，本發明光滑物體的量測系統100是利用像素對照的相位差進行量測，較不容易受到噪音及震動的影響，而且對於大尺寸的物體，以及具有不連續表面的光滑物體仍然可進行量測。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧量測系統

101‧‧‧光滑物體

102‧‧‧待測表面

103‧‧‧虛像條紋圖案

2‧‧‧屏幕

21‧‧‧顯示平面

22‧‧‧條紋圖案

3‧‧‧影像擷取裝置

4‧‧‧影像處理裝置

5‧‧‧光源

Claims (9)

1. 一種光滑物體的量測系統，透過一光源量測至少一光滑物體，該量測系統包含：一屏幕，具有一顯示平面及一條紋圖案，其中該條紋圖案形成在該顯示平面上，且該光滑物體具有一待測表面，該待測表面與該顯示平面相對設置，該條紋圖案用以投射至該光滑物體之待測表面上，因而反射形成至少一虛像條紋圖案；一影像擷取裝置，與該光滑物體的待測表面相對設置，用以擷取該虛像條紋圖案；及一影像處理裝置，電性連接該影像擷取裝置，用以根據該虛像條紋圖案而計算該光滑物體的待測表面的一形貌；其中先將該光滑物體設置為一平面鏡，並利用該平面鏡相對於該屏幕的顯示平面轉動多個旋轉角度，而分別在該平面鏡上形成多個校正虛像條紋圖案，並且依據該等旋轉角度及該等校正虛像條紋圖案的一相位差獲得一關係式；接著將該光滑物體設置為一待測物體，該條紋圖案投射至該待測物體的待測表面而反射形成一第一虛像條紋圖案，再將該待測物體轉動一旋轉角度，使該條紋圖案再投射至該待測物體的待測表面而反射形成一第二虛像條紋圖案， 利用該第一虛像條紋圖案及第二虛像條紋圖案配合該關係式進行計算，而獲得出該待測物體的待測表面的形貌。
2. 如申請專利範圍第1項所述的量測系統，其中該光源設置在該屏幕處或位於該影像擷取裝置的一後側。
3. 如申請專利範圍第1項所述的量測系統，其中該待測物體的待測表面的一面積小於該屏幕的顯示平面的一面積。
4. 如申請專利範圍第1項所述的量測系統，其中該條紋圖案具有交替排列的多條縱向漸層亮紋及多條縱向漸層暗紋。
5. 如申請專利範圍第4項所述的量測系統，其中該條紋圖案更具有交替排列的多條橫向漸層亮紋及多條橫向漸層暗紋，該等縱向漸層亮紋及縱向漸層暗紋係與該等橫向漸層亮紋及橫向漸層暗紋相互交錯。
6. 一種光滑物體的量測方法，用以透過一光源量測至少一光滑物體，該量測方法包含步驟：一備置步驟，在一屏幕的一顯示平面上形成一條紋圖案；一校正步驟，將該光滑物體設置為一平面鏡，利用該平面鏡轉動多個旋轉角度以反射該條紋圖案，而分別形成多個校正虛像條紋圖案，並依據該等旋轉角度及該等校正虛像條紋圖案的一相位差獲得一關係式；一第一投射步驟，將該光滑物體設置為一待測物體，使該條紋圖案投射至該待測物體的一待測表面上，以反射形成一第一虛像條紋圖案；一第一取像步驟，利用一影像擷取裝置擷取該第一虛像條紋圖案，並傳送至一影像處理裝置； 一第二投射步驟，將該待測物體轉動一旋轉角度，使該條紋圖案再度投射至該待測物體的待測表面，以反射形成一第二虛像條紋圖案；一第二取像步驟，利用該影像擷取裝置擷取該第二虛像條紋圖案，並傳送至該影像處理裝置；及一處理步驟，該影像處理裝置比較該第一虛像條紋圖案及第二虛像條紋圖案，利用該第一虛像條紋圖案及第二虛像條紋圖案的一相位差及該旋轉角度，並配合該關係式進行計算，因而獲得該待測物體的待測表面的一形貌。
7. 如申請專利範圍第6項所述的量測方法，其中在該處理步驟中，利用該第一虛像條紋圖案及第二虛像條紋圖案的一相位差及該旋轉角度，以進行計算而獲得該待測物體的待測表面的形貌。
8. 如申請專利範圍第6項所述的量測方法，其中該平面鏡以平行該屏幕的顯示平面的位置轉動的一旋轉角度為10度至-10度之間。
9. 如申請專利範圍第6項所述的量測方法，該平面鏡的一面積小於該屏幕的顯示平面的一面積。