CN106855396A - 光学量测系统、提升干涉图像品质以及量测圆柱度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学量测系统、提升干涉图像品质以及量测圆柱度的方法，光学量测系统包括光学量测单元以及图像处理单元。光学量测单元包括光源、分光镜、反射件以及光接收器。图像处理单元耦接于光接收器并获取干涉图像。在改变待测表面被来自光源的光束照射的位置时，图像处理单元获取对应待测表面被光束照射的多个位置的多个干涉图像，并依据各干涉图像中干涉条纹的变化量去计算待测表面的位置的高低变化，从而推得待测物的圆柱度，因此，具有量测速度快、方便携带以及不会刮伤待测物的待测表面等优点。

Description

光学量测系统、提升干涉图像品质以及量测圆柱度的方法

技术领域

本发明涉及一种光学量测系统、提升光学量测系统的干涉图像品质的方法以及量测待测物的圆柱度的方法。

背景技术

量测工件的表面起伏的方法及工具通常取决于工件所属的环境以及工件的形状及尺寸。以1μm至数个μm的表面高低差而言，通常会使用接触式量测仪器(如探针式仪器)去进行量测。接触式量测仪器是利用探针(stylus)接触工件的表面，以固定的移动速率扫瞄工件的表面，来获得表面的高度变化。此方法虽可准确量测表面的起伏程度，但其相当费时。此外，由于接触式量测仪器的体积庞大且容易受到环境(如温度)的影响(如热漂移)，因此接触式量测仪器不方便携带且必须摆设在稳定(如恒温)的环境中。另外，探针本身的硬度高，容易刮伤工件的表面，因此表面硬度相对低或价值高的工件并不适合此类型的量测方式。

发明内容

本发明提供一种光学量测系统，其具有量测速度快、方便携带以及不会刮伤待测物的待测表面等优点。

本发明提供一种提升上述的光学量测系统的干涉图像品质的方法，其有助于降低噪声。

本发明提供一种量测待测物的圆柱度的方法，其可快速量测待测物的圆柱度。

本发明的一种光学量测系统，其包括光学量测单元以及图像处理单元。光学量测单元朝向待测物的待测表面且包括光源、分光镜、反射件以及光接收器。光源输出光束。分光镜位于光束的传递路径上，其中分光镜将光束的第一部分传递至待测表面且将光束的第二部分传递至反射件。待测表面将第一部分反射回分光镜，且反射件将第二部分反射回分光镜。分光镜将被待测表面反射的第一部分以及被反射件反射的第二部分合并且传递至光接收器。图像处理单元耦接于光接收器并获取因第一部分与第二部分相互干涉而产生的干涉图像。在改变待测表面被第一部分照射的位置时，图像处理单元获取对应待测表面被第一部分照射的多个位置的多个干涉图像，并依据各干涉图像中干涉条纹的变化量去计算待测表面的位置的高低变化，从而推得待测物的圆柱度。

在本发明的一实施例中，上述的光学量测系统还包括承载体。承载体具有V型凹槽。待测物设置在V型凹槽中。

在本发明的一实施例中，上述的光源、光接收器以及反射件分别位于分光镜相邻的三侧，且光源与反射件分别位于分光镜的相对两侧。分光镜将来自光源的第一部分反射，让来自光源的第二部分穿透，让来自待测表面的第一部分穿透，且将来自反射件的第二部分反射。

在本发明的一实施例中，上述的光学量测单元还包括空间滤波器。空间滤波器位于来自光源的光束的传递路径上，且位于光源与分光镜之间。

在本发明的一实施例中，上述的图像处理单元还将各干涉图像与起始干涉图像进行绝对值相减，并依据相减后各干涉图像中干涉条纹的变化量去计算待测表面的位置的高低变化。

本发明的一种提升上述的光学量测系统的干涉图像品质的方法，其包括以下步骤：令图像处理单元获取对应待测表面的起始位置的起始干涉图像；以及令图像处理单元将各干涉图像与起始干涉图像进行绝对值相减。

本发明的一种量测待测物的圆柱度的方法，其包括以下步骤：提供光学量测系统，光学量测系统包括光学量测单元以及图像处理单元，其中光学量测单元包括光源、分光镜、反射件以及光接收器，光源输出光束，分光镜位于光束的传递路径上，其中分光镜将光束的第一部分传递至待测物的待测表面且将光束的第二部分传递至反射件，待测表面将第一部分反射回分光镜，且反射件将第二部分反射回分光镜，分光镜将被待测表面反射的第一部分以及被反射件反射的第二部分合并且传递至光接收器，图像处理单元耦接于光接收器并获取因第一部分与第二部分相互干涉而产生的干涉图像；改变待测表面被第一部分照射的位置；令图像处理单元获取对应待测表面被第一部分照射的多个位置的多个干涉图像；以及令图像处理单元依据各干涉图像中干涉条纹的变化量去计算待测表面在位置的高低变化，以获得待测物的真圆度、真直度以及平行度。

在本发明的一实施例中，上述的量测待测物的圆柱度的方法还包括以下步骤：令待测物与光学量测单元的其中一个沿第一方向移动，以找出光接收器接收最大光干涉强度时待测表面对应的位置，并以所述位置作为待测表面的起始位置，其中第一方向垂直于待测物的轴心且平行于光接收器的光接收面；以及令图像处理单元获取对应待测表面的起始位置的起始干涉图像，且在图像处理单元获取对应待测表面被第一部分照射的位置的干涉图像之后，令图像处理单元将各干涉图像与起始干涉图像进行绝对值相减，再依据相减后各干涉图像中干涉条纹的变化量去计算待测表面在位置的高低变化，以获得待测物的真圆度、真直度以及平行度。

在本发明的一实施例中，上述改变待测表面被第一部分照射的位置的方法包括以下步骤：令待测物沿待测物的轴心旋转，以使图像处理单元获取对应待测表面的一圆周的多个位置的多个干涉图像；令待测物与光学量测单元的其中一个沿平行于轴心的第二方向移动距离；以及在待测物与光学量测单元的其中一个沿第二方向移动距离后，令待测物沿轴心旋转，以使图像处理单元获取对应待测表面的另一圆周的多个位置的多个干涉图像。

基于上述，本发明的光学量测系统通过光干涉的方式量测待测物的待测表面的高度变化，因此除了可解决现有因探针接触工件表面而损伤工件的问题之外，还可提升量测速度。此外，因光学量测系统可为一独立的量测模块，适于携带至所需量测的场合，故针对不方便取下的待测物，本发明的光学量测系统还可节省待测物拆装的时间并保持待测物的完整性，大幅提升量测效率。另外，本发明的提升上述的光学量测系统的干涉图像品质的方法可通过数字图像处理技术大幅降低光斑所造成的噪声，而有助于获得品质较佳的干涉图像。再者，本发明的量测待测物的圆柱度的方法可同时进行待测表面的真圆度、真直度以及平行度的量测，因此可快速量测待测物的圆柱度。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1A是依照本发明的一实施例的一种光学量测系统的示意图；

图1B是图1A中图像处理单元获取的干涉图像的一种示意图；

图2是依照本发明的一实施例的一种量测待测物的圆柱度的方法的流程示意图；

图3是依照本发明的一实施例的一种提升光学量测系统的干涉图像品质的方法的流程示意图。

附图标记说明：

100：光学量测系统；

110：光学量测单元；

111：光源；

112：分光镜；

113：反射件；

114：光接收器；

115：空间滤波器；

120：图像处理单元；

130：承载体；

132：V型凹槽；

B：光束；

B1：第一部分；

B2：第二部分；

BF：亮纹；

D1：第一方向；

D2：第二方向；

DF：暗纹；

O：待测物；

OA：轴心；

S：待测表面；

S100、S110、S120、S130、S200、S210：步骤；

S114：光接收面；

θ：底角。

具体实施方式

图1A是依照本发明的一实施例的一种光学量测系统的示意图。图1B是图1A中图像处理单元获取的干涉图像的一种示意图。请参照图1A及图1B，光学量测系统100适于量测待测物O(如具有轴心OA的圆柱体)的圆柱度。所述圆柱度包括真圆度、真直度以及平行度。

光学量测系统100包括光学量测单元110以及图像处理单元120。光学量测单元110朝向待测物O的待测表面S，且光学量测单元110包括光源111、分光镜112、反射件113以及光接收器114。光源111输出光束B。举例而言，光源111可为激光光源，例如是氦氖激光光源，但不以此为限。在其他实施例中，光源111可为微波光源或其他种类的光源。分光镜112位于光束B的传递路径上，且分光镜112适于将光束B的第一部分B1传递至待测表面S且将光束B的第二部分B2传递至反射件113。待测表面S将第一部分B1反射回分光镜112。也即，待测表面S具有将光束(第二部分B2)反射的特性，惟待测表面S的反射率不限于100％。反射件113将第二部分B2反射回分光镜112。举例而言，反射件113可以是反射镜，但不以此为限。分光镜112将被待测表面S反射的第一部分B1以及被反射件113反射的第二部分B2合并且传递至光接收器114。光接收器114可为电荷耦合元件(Charge-coupledDevice,CCD)，但不以此为限。

在本实施例中，光源111、光接收器114以及反射件113分别位于分光镜112相邻的三侧，且光源111与反射件113分别位于分光镜112的相对两侧。分光镜112将来自光源111的第一部分B1反射，使第一部分B1转向并传递至待测表面S。待测表面S将第一部分B1反射，使第一部分B1再次转向并传递回分光镜112。分光镜112让来自待测表面S的第一部分B1穿透并传递至光接收器114。此外，分光镜112让来自光源111的第二部分B2穿透，使第二部分B2沿原传递方向传递至反射件113。反射件113将第二部分B2反射，使第二部分B2转向并传递回分光镜112。分光镜112将来自反射件113的第二部分B2反射并传递至光接收器114。

依据不同的需求，光学量测单元110可进一步包括其他元件。举例而言，光学量测单元110可进一步包括空间滤波器115，以滤除光束B中较为发散的部分光束。空间滤波器115例如位于来自光源111的光束B的传递路径上，且位于光源111与分光镜112之间。

图像处理单元120耦接于光接收器114并获取因第一部分B1与第二部分B2相互干涉而产生的干涉图像(如图1B所示)。在改变待测表面S被第一部分B1照射的位置时，图像处理单元120获取对应待测表面S被第一部分B1照射的多个位置的多个干涉图像，并依据各干涉图像中干涉条纹(包括亮纹BF以及暗纹DF)的变化量去计算待测表面S被第一部分B1照射的位置的高低变化，从而推得待测物O的圆柱度。

具体地，相邻两暗纹DF(或相邻两亮纹BF)之间的距离等于光束B的波长的四分之一，因此图像处理单元120可通过相邻两暗纹DF之间的距离变化量或是相邻两亮纹BF之间的距离变化量去计算出待测表面S被第一部分B1照射的位置的高低变化，从而推得待测物O的圆柱度。

在本实施例中，光学量测系统100可进一步包括承载体130，以设置待测物O。承载体130具有V型凹槽132。待测物O设置在V型凹槽132中。V型凹槽132为左右对称。如此，待测物O的轴心OA可自动对准V型凹槽132的中间，而可省略对位的步骤。V型凹槽132的底角θ可依据不同的需求改变。举例而言，底角θ可为30度、45度或60度，但不以此为限。

以下以图2说明量测待测物O的圆柱度的方法，且以图3说明提升光学量测系统100的干涉图像品质的方法。图2是依照本发明的一实施例的一种量测待测物的圆柱度的方法的流程示意图。图3是依照本发明的一实施例的一种提升光学量测系统的干涉图像品质的方法的流程示意图。请参照图1A至图3，量测待测物O的圆柱度的方法包括以下步骤。首先，提供光学量测系统(如图1A所示的光学量测系统100)，光学量测系统100包括光学量测单元110以及图像处理单元120，其中光学量测单元110包括光源111、分光镜112、反射件113以及光接收器114，光源111输出光束B，分光镜112位于光束B的传递路径上，其中分光镜112将光束B的第一部分B1传递至待测物O的待测表面S且将光束B的第二部分B2传递至反射件113，待测表面S将第一部分B1反射回分光镜112，且反射件113将第二部分B2反射回分光镜112，分光镜112将被待测表面S反射的第一部分B1以及被反射件113反射的第二部分B2合并且传递至光接收器114，图像处理单元120耦接于光接收器114并获取因第一部分B1与第二部分B2相互干涉而产生的干涉图像(步骤S100)。

其次，改变待测表面S被第一部分B1照射的位置(步骤S110)，再令图像处理单元120获取对应待测表面S被第一部分B1照射的多个位置的多个干涉图像(步骤S120)。具体地，待测物O配置在由第一方向D1以及第二方向D2所构成的平面上，其中第一方向D1垂直于待测物O的轴心OA且平行于光接收器114的光接收面S114，而第二方向D2平行于待测物O的轴心OA。在本实施例中，改变待测表面S被第一部分B1照射的位置的方法可包括以下步骤。首先，令待测物O沿待测物O的轴心OA旋转，以使图像处理单元120获取对应待测表面S的一圆周的多个位置的多个干涉图像。其次，令待测物O与光学量测单元110的其中一个沿第二方向D2移动一距离，例如是令待测物O沿第二方向D2移动一距离，但不以此为限。接着，令待测物O沿轴心OA旋转，以使图像处理单元120获取对应待测表面S的另一圆周的多个位置的多个干涉图像。

然后，令图像处理单元120依据各干涉图像中干涉条纹的变化量去计算待测表面S在上述位置的高低变化，以获得待测物O的真圆度、真直度以及平行度(步骤S130)。具体地，图像处理单元120可依据待测表面S的一圆周的多个位置的高低变化获得待测物O的真圆度，且图像处理单元120可依据待测表面S在相同旋转角度的多个位置(此些位置会位于沿第二方向D2延伸的一虚拟直线上)的高低变化获得待测物O的真直度。另外，图像处理单元120可依据待测表面S在两虚拟直线上的多个位置的高低变化获得待测物O的平行度。两虚拟直线分别沿第二方向D2延伸且位于待测物O的直径的相对两端。

由于光学量测系统100容易受光斑的影响而生成噪声，因此本实施例的量测待测物O的圆柱度的方法可进一步包括图3所示的步骤，以提升光学量测系统100的干涉图像品质。具体地，提升光学量测系统100的干涉图像品质的方法可包括以下步骤。首先，令图像处理单元120获取对应待测表面S的起始位置的起始干涉图像(步骤S200)。其次，令图像处理单元将各干涉图像与起始干涉图像进行绝对值相减(步骤S210)。

进一步而言，本实施例可先令待测物O与光学量测单元110的其中一个沿第一方向D1移动，例如令待测物O沿第一方向D1移动，以找出光接收器114接收最大光干涉强度时待测表面S对应的位置，并以所述位置作为待测表面S的起始位置。其次，令图像处理单元120获取对应待测表面S的起始位置的起始干涉图像。然而再接续步骤S110以及步骤S120。并且，在图像处理单元120获取对应待测表面S被第一部分B1照射的位置的干涉图像(步骤S120)之后，可令图像处理单元120将各干涉图像与起始干涉图像进行绝对值相减，再依据相减后各干涉图像中干涉条纹的变化量去计算待测表面S在上述位置的高低变化，以获得待测物O的真圆度、真直度以及平行度。

通过将各干涉图像与起始干涉图像进行绝对值相减，可大幅降低光斑所造成的噪声，而有助于获得品质较佳的干涉图像。所述绝对值相减是利用式(1)的运算法则。通过在运算式中加入绝对值，可避免“暗的干涉图像减去亮的干涉图像”无法判读的情形。具体地，在运算式中加入绝对值后，当干涉图像的亮度不同时，“暗的干涉图像减去亮的干涉图像”会等于“亮的干涉图像减去暗的干涉图像”。因此，当干涉图像与起始干涉图像为不同图像时，例如图像的亮度或干涉条纹的距离不同时，绝对值相减后的画面仍会是干涉图形(如图1B所示)，从而图像处理单元120仍可依据相减后各干涉图像中干涉条纹的变化量去计算待测表面S在上述位置的高低变化。另一方面，当干涉图像与起始干涉图像为相同图像时，绝对值相减后的画面为黑画面，即第一部分B1照射的位置与起始位置具有相同的高度。是以，通过此运算法则，本实施例可有效判别待测表面S是否有高低差以及高低差的大小。

|A-B|＝|B-A| 式(1)

综上所述，本发明的光学量测系统通过光干涉的方式量测待测物的待测表面的高度变化，因此除了可解决现有因探针接触工件表面而损伤工件的问题之外，还可提升量测速度。此外，光学量测系统可达约0.15μm的精度(即光源所输出的光束的波长的四分之一)，符合大多数的量测所需。另外，因光学量测系统可为一独立的量测模块，适于携带至所需量测的场合，故针对不方便取下的待测物，本发明的光学量测系统还可节省待测物拆装的时间并保持待测物的完整性，大幅提升量测效率。另外，本发明的提升上述的光学量测系统的干涉图像品质的方法可通过数字图像处理技术大幅降低光斑所造成的噪声，而有助于获得品质较佳的干涉图像。再者，本发明的量测待测物的圆柱度的方法可同时进行待测表面的真圆度、真直度以及平行度的量测，因此可快速测得待测物的圆柱度。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种光学量测系统，其特征在于，包括：

一光学量测单元，朝向一待测物的一待测表面，且所述光学量测单元包括一光源、一分光镜、一反射件以及一光接收器，所述光源输出一光束，所述分光镜位于所述光束的传递路径上，其中所述分光镜将所述光束的一第一部分传递至所述待测表面且将所述光束的一第二部分传递至所述反射件，所述待测表面将所述第一部分反射回所述分光镜，且所述反射件将所述第二部分反射回所述分光镜，所述分光镜将被所述待测表面反射的所述第一部分以及被所述反射件反射的所述第二部分合并且传递至所述光接收器；以及

一图像处理单元，耦接于所述光接收器，并获取因所述第一部分与所述第二部分相互干涉而产生的一干涉图像，在改变所述待测表面被所述第一部分照射的位置时，所述图像处理单元获取对应所述待测表面被所述第一部分照射的多个位置的多个干涉图像，并依据各所述干涉图像中干涉条纹的变化量去计算所述待测表面的所述多个位置的高低变化，从而推得所述待测物的圆柱度。

2.根据权利要求1所述的光学量测系统，其特征在于，还包括：

一承载体，具有一V型凹槽，所述待测物设置在所述V型凹槽中。

3.根据权利要求1所述的光学量测系统，其特征在于，所述光源、所述光接收器以及所述反射件分别位于所述分光镜相邻的三侧，且所述光源与所述反射件分别位于所述分光镜的相对两侧，所述分光镜将来自所述光源的所述第一部分反射，让来自所述光源的所述第二部分穿透，让来自所述待测表面的所述第一部分穿透，且将来自所述反射件的所述第二部分反射。

4.根据权利要求1所述的光学量测系统，其特征在于，所述光学量测单元还包括一空间滤波器，所述空间滤波器位于来自所述光源的所述光束的传递路径上，且位于所述光源与所述分光镜之间。

5.根据权利要求1所述的光学量测系统，其特征在于，所述图像处理单元还将各所述干涉图像与一起始干涉图像进行绝对值相减，并依据相减后各所述干涉图像中干涉条纹的变化量去计算所述待测表面的所述多个位置的高低变化。

6.一种提升如权利要求1所述的光学量测系统的干涉图像品质的方法，其特征在于，包括：

令所述图像处理单元获取对应所述待测表面的一起始位置的一起始干涉图像；以及

令所述图像处理单元将各所述干涉图像与所述起始干涉图像进行绝对值相减。

7.一种量测待测物的圆柱度的方法，其特征在于，包括：

提供一光学量测系统，所述光学量测系统包括一光学量测单元以及一图像处理单元，其中所述光学量测单元包括一光源、一分光镜、一反射件以及一光接收器，所述光源输出一光束，所述分光镜位于所述光束的传递路径上，其中所述分光镜将所述光束的一第一部分传递至所述待测物的一待测表面且将所述光束的一第二部分传递至所述反射件，所述待测表面将所述第一部分反射回所述分光镜，且所述反射件将所述第二部分反射回所述分光镜，所述分光镜将被所述待测表面反射的所述第一部分以及被所述反射件反射的所述第二部分合并且传递至所述光接收器，所述图像处理单元耦接于所述光接收器并获取因所述第一部分与所述第二部分相互干涉而产生的一干涉图像；

改变所述待测表面被所述第一部分照射的位置；

令所述图像处理单元获取对应所述待测表面被所述第一部分照射的多个位置的多个干涉图像；以及

令所述图像处理单元依据各所述干涉图像中干涉条纹的变化量去计算所述待测表面在所述多个位置的高低变化，以获得所述待测物的真圆度、真直度以及平行度。

8.根据权利要求7所述的量测待测物的圆柱度的方法，其特征在于，还包括：

令所述待测物与所述光学量测单元的其中一个沿一第一方向移动，以找出所述光接收器接收最大光干涉强度时所述待测表面对应的位置，并以所述位置作为所述待测表面的起始位置，其中所述第一方向垂直于所述待测物的一轴心且平行于所述光接收器的光接收面；以及

令所述图像处理单元获取对应所述待测表面的起始位置的一起始干涉图像，且在所述图像处理单元获取对应所述待测表面被所述第一部分照射的所述多个位置的所述多个干涉图像之后，令所述图像处理单元将各所述干涉图像与所述起始干涉图像进行绝对值相减，再依据相减后各所述干涉图像中干涉条纹的变化量去计算所述待测表面在所述多个位置的高低变化，以获得所述待测物的真圆度、真直度以及平行度。

9.根据权利要求7所述的量测待测物的圆柱度的方法，其特征在于，改变所述待测表面被所述第一部分照射的位置的方法包括：

令所述待测物沿所述待测物的一轴心旋转，以使所述图像处理单元获取对应所述待测表面的一圆周的多个位置的多个干涉图像；

令所述待测物与所述光学量测单元的其中一个沿平行于所述轴心的一第二方向移动一距离；以及

在所述待测物与所述光学量测单元的其中一个沿所述第二方向移动所述距离后，令所述待测物沿所述轴心旋转，以使所述图像处理单元获取对应所述待测表面的另一圆周的多个位置的多个干涉图像。