CN102297665A - 表面测量装置及其测量方法及校正方法 - Google Patents

Abstract

一种表面测量装置及其的测量方法及校正方法。表面测量方法包括以下步骤。首先，一光源发射一光线，光线依序通过一光纤管内的多条光纤束、一第一透镜组、一分光镜及一第二透镜组至一待测面后，反射经第二透镜组至分光镜后再反射至一影像感测单元。其中第一透镜组用以聚焦并分光光线；影像感测单元撷取光线的一测量影像。接着，计算测量影像的多个影像点的光强度比。然后，将每个影像点的光强度比与一深度-光强度比关系线进行对比，以取得每个影像点的深度。

Description

表面测量装置及其测量方法及校正方法

技术领域

本发明涉及一种表面测量装置及其测量方法及校正方法，且特别涉及一种可产生多点光源的表面测量装置及其测量方法及校正方法。

背景技术

请参照图1(现有技术)，其绘示传统的光学检测系统的示意图。光源S投射的光场经过分光透镜12而聚焦在不同聚焦位置13a、13b以及13c。投射于待测面的光线反射至分光镜14后分光至滤波元件15，借此测量待测面上同一点的高度。

然而，由于光源S是点光源，故每次仅能测量待测面上同一点的高度，唯有入射至待测面的光线与待测面之间沿一方向产生相对位移才能测量到待测面的线轮廓，若要测量到待测面的面轮廓，则入射至待测面的光线与待测面之间须沿二不同方向产生相对位移。如此，要测量到整个待测面的表面形貌不但耗时而且降低工艺的生产效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种表面测量装置及其测量方法及校正方法，表面测量装置可产生多点光源，可快速测量待测面的面轮廓，不但省时而且提高工艺的生产效率。

根据本发明的第一方面，提出一种表面测量装置。表面测量装置用以测量一待测面。表面测量装置包括一光源、一光纤管、一第一透镜组、一第二透镜组、一影像感测单元、一分光镜及一处理单元。光源用以发射一光线。光纤管具有多条光纤束，用以传输光线。第一透镜组用以聚焦并分光该光线。第二透镜组用以聚焦光线并使光线的焦点实质上位于待测面。影像感测单元用以撷取光线的一测量影像。分光镜用以将反射自待测面的光线反射至影像感测单元。处理单元用以计算测量影像的多个影像点的光强度比并将每个影像点的光强度比与一深度-光强度比关系线进行对比以取得每个影像点对应的深度。其中，光线依序通过光纤束、第一透镜组、分光镜及第二透镜组至待测面后，反射经第二透镜组至分光镜后再反射至影像感测单元。

根据本发明的第二方面，提出一种表面测量装置的测量方法。表面测量方法包括以下步骤。一光源发射一光线，光线依序通过多条光纤束、一第一透镜组、一分光镜及一第二透镜组至一待测面后，反射经第二透镜组至分光镜后再反射至一影像感测单元。其中第一透镜组用以聚焦并分光光线；影像感测单元撷取反射自分光镜的光线的一测量影像；计算测量影像的多个影像点的光强度比；以及，将每个影像点的光强度比与一深度-光强度比关系线进行对比，以取得每个影像点对应的深度。

根据本发明的第三方面，提出一种表面测量装置的校正方法。表面测量的校正方法包括以下步骤。一光源发射一光线，光线依序通过多条光纤束、一第一透镜组、一分光镜及一第二透镜组至一样本面后，反射经第二透镜组至分光镜后再反射至一影像感测单元。其中第一透镜组用以聚焦并分光光线；影像感测单元撷取反射自分光镜的光线的一样本影像；以及，计算样本影像的多个影像点的光强度比，以得到一深度-光强度比关系线。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1(现有技术)为现有的光学检测系统的示意图；

图2为本发明的一实施例的表面测量装置的示意图；

图3为图2的影像感测单元所撷取到的待测面的测量影像示意图；

图4为本实施例的深度-光强度比关系线；

图5为图3中经过方向5-5’的影像点所对应的测量点的深度示意图；

图6为图2的光线经过平凸透镜后的分光示意图；

图7为本发明的一实施例的表面测量装置的校正方法流程图；

图8为本实施例的样本影像的多个影像点的深度-光强度曲线图；

图9为本发明的一实施例的表面测量装置的测量方法流程图。

其中，附图标记

12：分光透镜

13a、13b、13c：聚焦位置

14、112：分光镜

15：滤波元件

100：表面测量装置

102、S：光源

104：光纤管

106：第一透镜组

108：第二透镜组

110：影像感测单元

114：测量影像

116：第三透镜组

118：平凸透镜

120：待测面

122：处理单元

126：控制器

128、130：入光面

132：光纤束

A1、A2、M1：影像点

B：蓝光

Bs、Gs、Rs：光强度曲线

C1：深度-光强度比关系线

D：光线行进方向

F1、F2、FR、FG、FB：焦点

G：绿光

L：光线

OV1：第一深度范围

OV2：第二深度范围

P：高度

R：红光

S102-S106、S202-S208：步骤

W：宽度

具体实施方式

以下实施例作为本发明的说明，然而实施例所提出的内容，仅为举例说明之用，而绘制的图式是为配合说明，并非作为限缩本发明保护范围之用。再者，实施例的图示亦省略不必要的元件，以利清楚显示本发明的技术特点。

请参照图2，其绘示依照本发明的一实施例的表面测量装置的示意图。表面测量装置100用以测量待测面120，其中表面测量装置100包括一光源102、一光纤管104、一第一透镜组106、一第二透镜组108、一影像感测单元110、一分光镜112、一处理单元122。其中第一透镜组106包括一第三透镜组116及平凸(plano-convex)透镜118。影像感测单元110及处理单元122是设于控制器126内，影像感测单元110并电性连接于处理单元122。

其中，光源102，用以发射光线L。光纤管104内具有多条光纤束132，用以传输光线L。第一透镜组106用以聚焦并分光光线L。第二透镜组108用以聚焦光线L并使光线L的焦点大致上位于待测面120，详细来说，第二透镜组108中的第三透镜组116用以聚焦光线L，平凸透镜118用以分光光线L。影像感测单元110用以撷取光线L的测量影像114(图2未绘示)。分光镜112用以将反射自待测面120的光线L反射至影像感测单元110。处理单元122用以计算测量影像114的多个影像点的光强度比并将每个影像点的光强度比与深度-光强度比关系线C1(图2未绘示)进行对比以取得每个影像点对应的深度。

进一步地说，光线L自光源102射出后依序通过光纤管104内的该多个光纤束132、第三透镜组116、平凸透镜118、分光镜112及第二透镜组108至一待测面120后，反射回第二透镜组108至分光镜112后再反射至影像感测单元110。其中，经过第二透镜组108的光线的焦点大致上位于待测面120。

请参照图3至图4，图3为图2的影像感测单元所撷取到的待测面的测量影像示意图，图4为本实施例的深度-光强度比关系线。当影像感测单元110撷取到自待测面120反射的光线的测量影像114(测量影像114绘示于图3)后，处理单元122计算测量影像114的多个影像点的光强度比并将每个影像点的光强度比与图4的深度-光强度比关系线C1进行对比以取得每个影像点的深度，即待测面120于z方向的高度值。以经过如图3中方向5-5’(即y方向)的多个影像点M1为例说明，该多个影像点M1对应至待测面120的测量点的深度是绘示于图5，其绘示图3中经过方向5-5’的影像点所对应的测量点的深度示意图。

由于光纤管104内具有该多个光纤束132，光线L经过该多个光纤束132后是产生出多个点光源，该多个点光源入射至待测面120后是涵盖待测面120的表面范围，因此可一次获得二维(2D)的测量影像114。也就是说，投射至待测面120的光线与待测面120之间不需相对位移即可测量出待测面120的表面轮廓，可快速建立待测面120的形貌，不但省时而且提高工艺的生产效率。

光源102可产生波长涵盖400纳米(nm)至700nm的光线L，例如是白光。进一步地说，本实施例的光源102是多波长的光源。在一实施态样中，光源102是可产生功率大于120瓦(Watt)的光线L，此处的光源102例如是卤素光源。此外，光纤管104是可挠曲的管路，进一步地说，光源102与第一透镜组106之间的光路是可任意弯曲。

经过该多个光纤束132的光线L入射至第三透镜组116的入射面积实质上等于或小于第三透镜组116的入光面128的面积。进一步地说，经过该多个光纤束132的光线完全地入射至第三透镜组116，如此可保留完整的光线强度。在一实施例中，第三透镜组116的倍率为40倍，但不以此为限。

光线L经过第三透镜组116后所聚焦的焦点F1是位于第三透镜组116与平凸透镜118之间，且光线L经过平凸透镜118后所聚焦的焦点F2是位于平凸透镜118与分光镜112之间。

特别一提的是，请参照图6，其绘示图2的光线L经过平凸透镜118后的分光示意图。经过平凸透镜118的光线L是产生良好的分光效果，以增加轴向上的色差。也就是说，光线L经过平凸透镜118后产生色散现象，使红光R的焦点FR、绿光G的焦点FG及蓝光B的焦点FB沿着光线行进方向D的间距拉大，如此可测量到待测面120中z方向的范围也较大。

请回到图2，光线L经过分光镜112后入射至第二透镜组108的入射面积实质上等于或小于第二透镜组108的入光面130的面积。进一步地说，经过分光镜112的光线完全地入射至第二透镜组108，可保留完整的光线强度。在一实施例中，第二透镜组108的倍率为60倍，但不以此为限。

以下是说明表面测量装置100的测量方法及校正方法。于说明表面测量装置100的测量方法之前，先说明其校正方法，即取得如图4的深度-光强度比关系线的方法。请参照图7，其绘示依照本发明的一实施例的表面测量装置的校正方法流程图。

于步骤S102中，采用图2的表面测量装置100测量一样本面(未绘示)中多个已知深度的样本点。即，光源102发射光线L，光线L依序通过光纤管104的该多个光纤束132、第一透镜组106、分光镜112及第二透镜组108至该样本面中该多个样本点后，反射经第二透镜组108至分光镜112后再反射至影像感测单元110。

接着，于步骤S104中，影像感测单元110撷取反射自分光镜112的光线的一样本影像(未绘示)。

然后，于步骤S106中，处理单元122计算该样本影像的多个影像点的光强度比，配合上述已知深度的样本点，以得到图4的深度-光强度比关系线C1。

详细地说，请参照图8，其绘示本实施例的样本影像的多个影像点的深度-光强度曲线图。由于该样本影像的该多个影像点对应于该样本面中该多个已知深度的样本点，因此可得到图8所示的深度-光强度曲线图。在一实施例中，可正规化(Normalization)该样本影像的各该多个影像点的光强度，也就是说，深度-光强度曲线图中的光强度曲线Rs、Gs及Bs是经过正规化而得的曲线。然后，利用下式(1)及(2)计算出该样本影像的每个影像点的光强度比。

Rs(A)/Gs(A)......................................(1)

Gs(A)/Bs(A).......................................(2)

于上式(1)及(2)中，Rs(A)是指影像点A的红光强度、Gs(A)是指影像点A的绿光强度、Bs(A)是指影像点A的蓝光强度，此处的光强度例如是灰阶值。此外，对于深度-光强度曲线中红光强度曲线Rs与绿光强度曲线Gs重叠的第一深度范围OV1，是可采用式(1)计算出对应的深度-光强度比关系线。对于深度-光强度曲线中绿光强度曲线Gs与蓝光强度曲线Bs重叠的第二深度范围OV2，系可采用式(2)计算出对应的深度-光强度比关系线。举例来说，以影像点A1为例，可采用式(1)，将影像点A1所对应的红光强度Rs(A1)除以绿光强度Gs(A1)，以得到影像点A1的光强度比。以影像点A2为例，可采用式(2)，将影像点A2所对应的绿光强度Gs(A2)除以蓝光强度Bs(A2)，以得到影像点A2的光强度比。依此计算出该样本影像中所有影像点的光强度比。然后，应用最小二乘法或其它数值方法计算该样本影像的该多个影像点的光强度比的线性回归曲线，如图4所示的深度-光强度比关系线C1。

虽然本实施例的第一深度范围OV1及第二深度范围OV2是以图8所示为例作说明，然此非用以限制本实施例，只要光强度值可对应至唯一的深度值即可，第一深度范围OV1及第二深度范围OV2可以是其它任意范围。

由于光线L经过图2的平凸透镜118后，红光R的焦点FR、绿光G的焦点FG及蓝光B的焦点FB沿着光线行进方向D的间距拉大(如图6所绘示)，如此使图4所示的深度-光强度比关系线C1的z轴范围较宽，可测量到待测面120中z方向的范围也较大。也就是说，即使待测面120的表面轮廓的波峰与波谷间的距离较大，应用本实施例的表面测量装置100仍可得到精确且具有完整的波峰/波谷的测量结果。

在得到深度-光强度比关系线C1之后，便可开始测量待测面120的表面轮廓。以下说明表面测量装置100的测量方法。请参照图9，其绘示依照本发明的一实施例的表面测量装置的测量方法流程图。

于步骤S202中，采用图2的表面测量装置100测量待测面120。即，光源102发射光线L，光线L依序通过该光纤管104的该多个光纤束132、第一透镜组106、分光镜112及第二透镜组108至待测面120后，反射经第二透镜组108至分光镜112后再反射至影像感测单元110。

接着，于步骤S204中，影像感测单元110撷取反射自分光镜112的光线的测量影像114，如图3所示。

再接着，于步骤S206中，处理单元122计算测量影像114的多个影像点的光强度比。

然后，于步骤S208中，处理单元122将测量影像114的每个影像点的光强度比与上述的深度-光强度比关系线C1进行对比，以取得每个影像点的深度。

详细地说，处理单元122将测量影像114的影像点的红光强度Rs(A)除以绿光强度Gs(A)且将绿光强度Gs(A)除以蓝光强度Bs(A)，上述计算所得的二个光强度比的其中之一会与图4的深度-光强度比关系线C1在误差范围内符合，因此而得到对应的深度。

由于本实施例的表面测量装置100及其测量方法在一取得测量影像114的影像点的光强度比后，即可迅速对比出对应的深度。快速测量出待测面的表面轮廓的特征是适用于生产线。例如，可于生产线的其中一环节应用表面测量装置100及其测量方法，以快速且精确检测每个产品的质量。

此外，表面测量装置100可适用于动态测量。进一步地说，只要知道生产线的机台所产生的振动频率，表面测量装置100可在该机台每振动至同一基准面时快速且精准地撷取到待测物(例如是产品)的待测面的测量影像114。如此，使每个待测物的待测面的测量影像114于同一振动基准下被比较，可客观地检测出每个待测物的待测面的表面状况。

本实施例的表面测量装置100及其测量方法及校正方法是非接触式的光学测量机制，可测量到甚精密的表面轮廓。如图5所示，表面测量装置100及其测量方法可测量到波峰至波谷间的高度P约1微米(μm)及波宽度W约2μm的表面粗糙度。

本发明上述实施例所揭露的表面测量装置及其的测量方法及校正方法，表面测量装置可产生多点光源，可快速测量待测面的面轮廓，不但省时而且提高工艺的生产效率。此外，光线经过平凸透镜后产生色散现象，使红光的焦点、绿光的焦点及蓝光的焦点沿着光线行进方向的间距拉大，如此可测量到待测面中深度方向的范围也较大。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (15)

1.一种表面测量装置，用以测量一待测面，其特征在于，该表面测量装置包括：

一光源，用以发射一光线；

一光纤管，具有多条光纤束，用以传输该光线；

一第一透镜组，用以聚焦并分光该光线；

一第二透镜组，用以聚焦该光线并使该光线的焦点位于该待测面；

一影像感测单元，用以撷取该光线的一测量影像；以及

一分光镜，用以将反射自该待测面的该光线反射至该影像感测单元；以及

一处理单元，用以计算该测量影像的多个影像点的光强度比并将各该多个影像点的光强度比与一深度-光强度比关系线进行对比以取得各该多个影像点对应的深度；

其中，该光线依序通过该多个光纤束、该第一透镜组、该分光镜及该第二透镜组至该待测面后，反射经该第二透镜组至该分光镜后再反射至该影像感测单元。

2.根据权利要求1所述的表面测量装置，其特征在于，该第一透镜组包括：

一第三透镜组；用以聚焦该光线；以及

一平凸透镜，用以分光该光线；

其中，该光线经过该第三透镜组后聚焦于该第三透镜组与该平凸透镜之间，且该光线经过该平凸透镜后聚焦于该平凸透镜与该分光镜之间。

3.根据权利要求1所述的表面测量装置，其特征在于，该光线经过该多个光纤束后入射至该第一透镜组的入射面积等于或小于该第一透镜组的入光面的面积。

4.根据权利要求1所述的表面测量装置，其特征在于，该光线经过该分光镜后入射至该第二透镜组的入射面积等于或小于该第二透镜组的入光面的面积。

5.根据权利要求1所述的表面测量装置，其特征在于，各该多个影像点的光强度比为各该多个影像点的红光强度除以对应的绿光强度的值。

6.一种表面测量方法，其特征在于，包括：

一光源发射一光线，该光线依序通过多条光纤束、一第一透镜组、一分光镜及一第二透镜组至一待测面后，反射经该第二透镜组至该分光镜后再反射至一影像感测单元，其中该第一透镜组用以聚焦并分光该光线；

该影像感测单元撷取反射自该分光镜的该光线的一测量影像；

计算该测量影像的多个影像点的光强度比；以及

将各该多个影像点的光强度比与一深度-光强度比关系线进行对比，以取得各该多个影像点对应的深度。

7.根据权利要求6所述的表面测量方法，其特征在于，该光线经过该第二透镜组后的焦点位于该待测面。

8.根据权利要求6所述的表面测量方法，其特征在于，该第一透镜组包括：

一第三透镜组；用以聚焦该光线；以及

一平凸透镜，用以分光该光线；

其中，该光线经过该第三透镜组后聚焦于该第三透镜组与该平凸透镜之间，且该光线经过该平凸透镜后聚焦于该平凸透镜与该分光镜之间。

9.根据权利要求6所述的表面测量方法，其特征在于，该光线经过该多个光纤束后入射至该第一透镜组的入射面积等于或小于该第一透镜组的入光面的面积。

10.根据权利要求6所述的表面测量方法，其特征在于，该光线经过该分光镜后入射至该第二透镜组的入射面积等于或小于该第二透镜组的入光面的面积。

11.根据权利要求6所述的表面测量方法，其特征在于，于计算该测量影像的该多个影像点的光强度比的该步骤中还包括：

将各该多个影像点的红光强度除以对应的绿光强度以取得各该多个影像点的光强度比。

12.一种表面测量的校正方法，其特征在于，包括：

一光源发射一光线，该光线依序通过多条光纤束、一第一透镜组、一分光镜及一第二透镜组至一样本面后，反射经该第二透镜组至该分光镜后再反射至一影像感测单元，其中该第一透镜组用以聚焦并分光该光线；

该影像感测单元撷取反射自该分光镜的该光线的一样本影像；以及

计算该样本影像的多个影像点的光强度比，以得到一深度-光强度比关系线。

13.根据权利要求12所述的表面测量的校正方法，其特征在于，于计算该样本影像的该多个影像点的光强度比的该步骤中还包括：

应用最小二乘法计算出该样本影像的该多个影像点的该深度-光强度比关系线。

14.根据权利要求12所述的表面测量的校正方法，其特征在于，于计算该样本影像的该多个影像点的光强度比的该步骤中还包括：

正规化该样本影像的各该多个影像点的光强度。

15.根据权利要求12所述的表面测量的校正方法，其特征在于，于计算该样本影像的该多个影像点的光强度比的该步骤中还包括：

将一第一深度范围内的各该多个影像点的红光强度除以对应的绿光强度，以得到该深度-光强度比关系线的一部分；以及

将一第二深度范围内的各该多个影像点的绿光强度除以对应的蓝光强度，以得到该深度-光强度比关系线的另一部分。

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