CN1508514A - 物体表面三维形貌量测方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种物体表面三维形貌的量测方法和系统，其包括：能投射出条纹图案的投射装置，并把此图案投射至待测物体上；利用多线结构的光电感测元件成像系统、条纹图案的投射装置和待测物的相对位置移动，藉以达成取像以及条纹图案相位移动的双重目的，必要时再加上适当的斜角及感测元件的光度校正，可进一步提高精确度；经由多线结构的光电感测元件成像系统，取得因物体表面高低起伏所造成的光强度调变影像；最后通过相移干涉分析方法及投射光源的几何关系，来得出相对于某一参考平面，物体表面轮廓的高低起伏；本发明除了解析度可达与利用传统相移式相同的精度等级外，更有其速度快的优点，并可大量的利用在工业界的线上检测。

Description

物体表面三维形貌量测方法和系统

技术领域

本发明有关于一种物体表面三维形貌量测方法和系统，特别有关一种能在量测物体表面三维形貌同时增快量测精度与量测速度的方法和系统。

背景技术

利用非接触式光学的方法来量测物体表面的高低起伏，可以大量的被运用在工业自动化的检测及品质管制上。在这些利用投射周期性条纹来量测物体表面三维形貌的方法中，叠纹干涉法(Moiré Interferometry)，是被最常拿来使用的方法。(请参考D.M.Meadows，W.O.Johnson and J.B.Allen，Appl.Opt.9,942(1970)；H.Takasaki，Appl.Opt.9，1467(1970)；P.Benoit，E.Mathieu，J.Hormiere and A.Thomas，Nouv.Rev.Opt.6，67(1975)；T.Yatagai，M.Idesawa，and S Saito，Proc.Soc.Photo-Opt.Instrum.Eng.361，81(982)；G.I ndebetouw，Appl.Opt.17，2930(1978)；D.T.Moore and B.E.Truax，Appl.Opt.18，91(1979)这些论文)。然而阴影式叠纹(Shadow Moiré)的方法其缺点便是其光栅须贴近待测物表面，解析度愈高，光栅愈密，贴的也愈近；而投射式叠纹(Projection Moiré)的方法，虽其光栅不须贴近待测物表面，但其缺点是需要另一参考光栅，藉以产生所谓的叠纹(Moiré Fringe Patterns)，才能解调(Demolutation)出投射条纹因物体高低起伏而产生的条纹扭曲变化。除了叠纹干涉的方法的外，干涉条纹投射法(Fringe Projection)，亦可不须使用参考光栅，而直接求出因物体高低起伏而导致条纹扭曲的相位。至于求取相位的方法，常见的有利用光强度的分析方法(Intensity Based Analysis Methods)以及快速傅立叶的分析方法。(请参考M.Takeda，H.Ina，and S.Kobayashi，J.Opt.Soc.Am.72，156(1982)；M.Takeda and K.Mutoh，Appl.Opt.22，3977(1983)这些论文)。但是光强度的分析方法有精确度不够高的问题，而快速傅立叶的分析方法又有无法测太陡或阶梯状物体形貌的问题。所以为了解决上述的问题，的后便又有人提出利用相移干涉术(Phase ShiftInterferometry)的方法来求得相位(请参考J.H.Bruning，D.R.Herriott，J.E.Gallagher，D.P.Rosenfeld，A.D.White and D.J.Brangaccio，Appl.Opt.13，2693(1974)；J.C.Wyant，Appl.Opt.14，2622(1975)；Robinson，David W.and Reid，Graeme T.，“Interferogram Analysis，Digital Fringe Pattern Measurement Techniques”，Institute of PhysicsPublishing，Ltd.1993，pp.94-193等资料)。虽然相位移动(Phase Shift)的方法可大幅度的提高精确度至100～1000倍，但是因同一个物点要数个干涉条纹影像(至少三个，常用者为四或五个，更多个亦可)，才能用以重建物体因高低起伏而造成的相位变化，所以速度非常慢，只能在实验室里使用，而无法广泛的在要求速度的工业界上使用。

虽然M.Halious等人于1987年US Patent 4641972与4657394中提出一种物体表面三维形貌量测系统和方法，图1表示在此专利中所提的物体表面三维形貌量测系统之一系统架构图。参阅图1，光栅投射器和相移装置10向物体11表面投射出具正弦强度变化图案的入射光束，并且由投射器和相移装置10改变上述入射光束的空间相位，再由线型阵列相机13接收和储存上述入射光束的不同相位在物体11表面的成像，而处理器16经由模拟数字转换器14连结到线性阵列相机13，利用上述储存的成像计算该物点的相位值。利用扫描装置12移动物体11使光栅投射器和相移装置10能向物体11表面的不同物点投射上述具正弦强度变化图案的入射光束，并由线性阵列相机13接收这些物点上的成像，最后经由处理器16计算出物体11表面所有物点相对于某一参考平面的相位值，并经由适当的三角几何关系及校正，把相位转换成高度而在显示器18上显示。

在此专利中，其正弦强度条纹的相位移动，是靠着一个四分之一波长板(A Quarter Wave Plate)加上一个可旋转的线性偏振片所达成，虽然已比其他相位移动的方法要好，但仍有下列两个缺点：一.相位调变仍不够快且条纹相位移动的线性度堪虑；二.此相位调变装置只适用于雷射为光源的情形下，对于一般常用的用白光照明系统把光栅的像成在物体表面上的方法来讲，并不适用。

所以干涉条纹投射法(Fringe Projection)搭配相移干涉术(PhaseShift Interferometry)，虽然精确度高，但因相移装置要做到针对任何投光系统使其投射条纹相对于物体的微量移动，要精确又要快速这是不容易的；且用此系统测量一个物体的表面三维形貌量也耗费相当多的时间(需分别对物体上的每一物点多次投射具不同空间相位的入射光束)，因此无法实际的应用在须快速且即时的工业量测仪器上。

发明内容

有鉴于此，所以本发明主要的目的，即在于提供了一种新的快速且又精确的干涉条纹投射法(Fringe Projection)搭配相移干涉术(Phase ShiftInterferometry)而形成的物体表面三维形貌量测方法和系统，其利用固定间距且多线的光电成像系统，例如：多线型电荷耦合元件相机(Multi-LineCCD Camera)，加上传统线型电荷耦合元件相机的扫描方式，最后再搭配适当的演算方法，即可达成等效于传统所使用的相移式条纹投射干涉术，以求得相位的相同结果，但是在实际的应用上却更为方便，且所花的时间也更为缩短，因此能应用在快速且即时的工业量测仪器上。

根据上述目的，本发明提出了一种结合了干涉条纹投射法(FringeProjection)搭配相移干涉术(Phase Shift Interferometry)而形成的高精确度而且又快速的物体表面三维形貌量测方法和系统。其中最大的突破即是不再把图1中的光栅投射器和相移装置10与线型阵列光电取像装置13当成独立的个体来看，而是把扫描取像和投射出的正弦干涉条纹平移当作一个整体来看。并且利用固定间距且多线的光电成像系统，所造成的视差，例如：多线型电荷耦合元件相机(Multi-Line CCD Camera)，加上传统线型光电成像系统的扫描方式，最后再搭配适当的演算方法，即可达成等效于传统所使用的相移式条纹投射干涉术，以求得相位的相同结果。除了扫描方式对于多线的光电取像系统可造成相移外，其他如物体上下的微量运动或其它方向的运动，皆可因多线的光电取像系统而造成其视差效果，亦即有相移现象。但是在实际的应用上却仍以扫描方式为最方便，且不管是以雷射为光源的投光系统，亦或是以一般白光为光源的投光系统皆能适用，相移的线性度也更佳，且所花的时间也更为缩短，因此能应用在快速且即时的工业量测仪器上。

选择性地，本发明的物体表面三维形貌量测系统尚可包括一校正方法，以做为因光学系统渐晕(Optical Vignetting)的校正及不同像素响应(Pixel Response)的均匀性校正，以使得投射条纹投射于同样一个物点时，由多线的光电成像系统所取得的影像，都得到同样的响应。

此外虽然无论是三次相移法、四次相移法甚至是多次相移法，为了简化计算公式，常会使用相同的相移间隔，但是使用不相同的相移间隔亦可。而此时的多线光电取像系统，其线与线的间隔，亦可用不等间距，而不是非等间距不可。当然把一个面型的光电取像系统，只取部份的几条线来用亦是可以。

利用本发明的量测方法和系统去测量物体表面三维形貌，其解析度除了可达与利用传统相移式相同的精度等级外，更有其速度快的优点，并可大量的利用在工业界的线上检测。

附图说明

为了让本发明的上述与其他目的、特徵、和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图示，作详细说明如下：

图式简单说明：

图1表示习知技术的物体表面三维形貌量测系统的系统架构图；

图2表示本发明实施例的物体表面三维形貌量测方法的流程图；

图3表示本发明实施例的物体表面三维形貌量测系统的系统架构图；

图4a表示在本发明实施例的系统中使用物体表面三维形貌量测方法对同一物点的第一相位取像说明图；

图4b表示在本发明实施例的系统中使用物体表面三维形貌量测方法对同一物点的第二相位取像说明图；

图4c表示在本发明实施例的系统中使用物体表面三维形貌量测方法对同一物点的第三相位取像说明图；

图5表示条纹投射于球面物体一范例的示意图；

图6表示本发明实施例的三线电荷耦合元件相机，扫描球面物体时，所得到的三张影像。

符号说明：

10：光栅投射器与相移装置；    11：物体；

12：扫描装置；                13：线型阵列取像系统；

14：模拟数字转换器；          16：处理器；

18：显示器；                  30：相移系统；

31：物体；                    32：扫描装置；

33：多线光电取像系统；        34：条纹投射装置；

36：处理器；                  38：显示器；

a、b、c：分别表三线电荷耦合组件相机的三条线；

1、2、3、4、5：表特定物点；

60：电荷耦合组件相机线a(下文简称CCD line a)所取的影像；

62：电荷耦合组件相机线b(下文简称CCD line b)所取的影像；

64：电荷耦合组件相机线c(下文简称CCD line c)所取的影像；

I_a-3：CCD line a取像到物点3的值；I_b-2：CCD line b取像到物点2的值；

I_c-1：CCD line c取像到物点1的值；I_a-4：CCD line a取像到物点4的值；

I_b-3：CCD line b取像到物点3的值；I_c-2：CCD line c取像到物点2的值；

I_a-5：CCD line a取像到物点5的值；I_b-4：CCD line b取像到物点4的值；

I_c-3：CCD line c取像到物点3的值；    P：投射条纹原来的周期；

  P₀：投射条纹沿Y方向的周期；       P_z：投射条纹沿Z方向的周期。

具体实施方式

图2表示本发明实施例的物体表面三维形貌测量方法的流程图，图3表示本发明实施例的物体表面三维形貌测量系统的系统架构图。请同时参考图2及图3。

本发明的物体表面三维形貌测量方法，用于测量一物体表面的三维形貌，其包括下列步骤：首先，由条纹投射装置34，向待测物体表面上投射出正弦强度变化的条纹图案(步骤S1)。接着，利用多线光电取像系统33，接收和储存此一多线影像(步骤S2)。再把条纹投射装置34与多线光电取像系统33，看成一个整体，而成一相移装置系统30，物体31相对于此一相移装置系统30移动(步骤S3)。重复步骤S1至S3，直到物体31表面的所有物点都被多线光电取像系统33取过像为止(步骤S4)。选择性的，若须再一步的提高精确度，必要时可对多线光电取像系统33，做光学渐晕(Optica1 Vignetting)的校正以及不同像素响应(Pixel Response)的均匀性校正，以使得条纹投射于同一个物点时，由多线光电取像系统33所取得的影像，都能得到同样的响应(步骤S5)。最后，处理器36对物体31表面的所有物点做运算，以决定所有物点上的相位值大小，并经由适当的三角几何关系及校正，把相位值转换成高度，并在显示器38上进行显示(步骤S6)。

多线光电取像系统33可由电荷耦合组件(CCD)、互补金属氧化半导体(CMOS)、影像二极管(Photo Diode)或其它能感应光的组件所排列而成。

条纹投射装置34可用投射的图案为条纹式正弦强度变化的图案、似正弦强度变化的图案或由叠纹(Moiré)所造成的图案的图案投射装置取代。

本发明的物体表面三维形貌量测系统可包括二个以上的图案投射装置，若有二个以上的图案投射装置，至少会有一个图案投射装置与多线阵列的光电感测元件取像系统的相对位置为固定的。

为了方便更仔细的说明，现举一实施例如下，其系统参数为：多线光电取像系统为三线电荷耦合元件相机(CCD Camera)；像素大小(Pixel size)为10um；线与线的间隔为100um即10个像素大小(Pixel Size)；Lens的放大倍率为1；三线电荷耦合元件相机三线的方向定为X方向；扫描方向定为Y方向，并且每隔10um便取一次像；投射出的正弦强度条纹平行于X方向，在Y方向的周期为300um。(请参考图3与图4)。

图4a～4c表示在本发明最佳实施例的系统中使用物体表面三维形貌测量方法对同一物点3的三次取像说明图。利用图3中的架构，投射具正弦条纹的入射光束至待测物体上，投射条纹装置与三线电荷耦合元件相机取像系统看成一体，为一相移装置；物体相对于此相移装置而移动，其扫描方式如同一般单线电荷耦合元件相机。所以三线电荷耦合元件相机取完像后便应有三张，假如物体为一球面，

如图5所示，其中，P为投射条纹原来的周期，P₀为投射条纹沿Y方向的周期，而P_z为投射条纹沿Z方向的周期，其扫描出来的三张影像则如图6所示，60为电荷耦合元件相机线a(下文简称CCD line a)所取的影像，62为电荷耦合元件相机线b(下文简称CCD line b)所取的影像，64为电荷耦合元件相机线c(下文简称CCD line c)所取的影像。而相位求法则说明如下：

对物点3第一次取像：(图4a)

CCD line a取像到物点3，其值为I_a-3；CCD line b取像到物点2，其值为I_b-2；CCD line c取像到物点1，其值为I_c-1。

对物点3第二次取像：(图4b)

CCD line a取到物点4，其值为I_a-4；CCD line b取到物点3，其值为I_b-3；CCD line c取到物点2，其值为I_c-2。

对物点3第三次取像：(图4c)

CCD line a取到物点5，其值为I_a-5；CCD line b取到物点4，其值为I_b-4；CCD line c取到物点3，其值为I_c-3。

物点3位置上的相位为：

$\mathrm{\φ}(x,y)={\tan }^{-1}[\sqrt{3}\left(\frac{I_{a-3}(x,y)-I_{c-3}(x,y)}{2I_{b-3}(x,y)-I_{a-3}(x,y)-I_{c-3}(x,y)}\right)$

物点3位置上的高度为：

$h(x,y)=\mathrm{Pz}\frac{\mathrm{\φ}(x,y)}{2}$

如此重复的加以运用上述公式，即可得所有物点上的相位与高度大小。

特别强调的是进行扫描时，物体沿着Y方向移动，物体向左移每隔10um取像一次，三线电荷耦合元件相机及投射装置不动，为了造成2π/3的相位移动效果，Lens的放大倍率、投射条纹的周期与电荷耦合元件相机线与线的间隔则要适当搭配。

选择性的，若须再一步的提高精确度，必要时可对多线阵列光电取像系统33，做光学渐晕(Optical Vignetting)的校正补偿以及不同像素响应(Pixel Response)的均匀性校正。

根据以上所述，本发明所揭露的物体表面三维形貌测量方法和系统，利用其固定间距且多线的光电成像系统与条纹投射装置看成一体，例如：多线型电荷耦合元件相机(Multi-Line CCD Camera)，加上一般线扫描的方式及适当的相移演算方法，即达成等效于传统使用投射条纹相移法以求得相位的相同结果，但是在实际的应用上却更为方便，且所花的时间也更为缩短(只需对物体上的每一物点投射一次入射光束)，达到本发明能应用在快速且实时的工业测量仪器上的目的。

虽然本发明以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何熟习此技艺者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (15)

1.一种物体表面三维形貌量测方法，用于量测一物体表面的三维形貌，该物体表面具有复数物点，其特征是：该方法包括下列步骤：

(a).经由一图案投射装置，投射一图案于该待测物体表面上；

(b).利用一多线结构的光电感测元件取像系统，接收和储存一多线影像；

(c).该物体相对于一相移装置系统做移动，该相移装置系统包括该条纹投射装置与该多线结构的光电感测元件取像系统；

(d).重复步骤a至c，直到该物体表面的所有物点都被该多线阵列光电取像系统取过像为止；以及

(e).对该物体表面的所有物点的取像分别做一运算以决定每一物点的一相位值大小，并经由适当的一三角几何关系及校正，把该相位值转换成一高度以显示在一显示器上。

2.如权利要求1所述的物体表面三维形貌量测方法，其特征是：于第(e)步骤之前还包括下列步骤：

对该多线结构的光电感测元件取像系统，做一光学渐晕的校正补偿以及一像素响应的均匀性校正。

3.如权利要求1所述的物体表面三维形貌量测方法，其特征是：该物体相对于该相移装置系统所做的移动为一任意方向的相对运动。

4.如权利要求1所述的物体表面三维形貌量测方法，其特征是：该图案投射装置投射的图案可为一条纹式正弦强度变化的图案、一正弦强度变化的图案、或一由叠纹所造成的图案。

5.如权利要求1所述的物体表面三维形貌量测方法，其特征是：该多线结构的光电感测元件取像系统为复数电荷耦合元件(CCD)、复数互补金属氧化半导体(CMOS)或复数影像二极管所排列而成。

6.如权利要求1所述的物体表面三维形貌量测方法，其特征是：该多线结构的光电感测元件取像系统为一面型结构的光电感测元件取像系统。

7.如权利要求1所述的物体表面三维形貌量测方法，其特征是：该多线结构的光电感测元件取像系统包括一等间距多线结构及一不等间距的多线结构。

8.一种物体表面三维形貌量测系统，用于量测一物体表面的三维形貌，其特征是：该系统包括：

一相移装置系统，其包括：

    至少一个图案投射装置，并能把一图案投射至该物体；及

    一多线结构的光电感测元件取像系统；

    其中上述图案投射装置中的一个与该多线结构的光电感测元件取

    像系统的相对位置固定，该物体相对于该相移装置系统做一移

    动，以取得复数相移扫描影像；以及

一处理器，经由一适当的相移干涉分析法，分析上述相移扫描影像，以得到复数相位值，再经一运算得到该物体表面的三维形貌。

9.如权利要求8所述的物体表面三维形貌量测系统，其特征是：还包括：

一显示器，耦接至该处理器，用于显示经过运算后得到的该物体表面的三维形貌。

10.如权利要求8所述的物体表面三维形貌量测系统，其特征是：该处理器可对该多线结构的光电感测元件取像系统，做一光学渐晕的校正补偿以及一像素响应的均匀性校正。

11.如权利要求8所述的物体表面三维形貌量测系统，其特征是：该物体相对于该相移装置系统所做的移动为一任意方向的相对运动。

12.如权利要求8所述的物体表面三维形貌量测系统，其特征是：上述图案投射装置投射的图案可为一条纹式正弦强度变化的图案、一正弦强度变化的图案、或一由叠纹所造成的图案。

13.如权利要求8所述的物体表面三维形貌量测系统，其特征是：该多线结构的光电感测元件取像系统为复数电荷耦合元件(CCD)、复数互补金属氧化半导体(CMOS)或复数影像二极管所排列而成。

14.如权利要求8所述的物体表面三维形貌量测方法，其特征是：该多线结构的光电感测元件取像系统为一面型结构的光电感测元件取像系统。

15.如权利要求8所述的物体表面三维形貌量测系统，其特征是：该多线结构的光电感测元件取像系统包括一等间距多线结构及一不等间距的多线结构。

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