CN1948893A - 干涉测量系统的自动平衡方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种干涉测量系统的自动平衡方法，其提供一光学影像干涉测量系统包括光源装置、物镜组、光束导引装置、影像撷取装置、逻辑演算控制单元以及对象平台，该对象平台具有多轴控制的平台且是选择具有两个正交的第一轴向与第二轴向转轴及其控制装置。其方法包括撷取装置撷取待测对象的光学信息且存储该光学信息；以光学信息中的干涉条纹方向做依据，进行对象平台的第一轴向的倾斜量调整，直到干涉条纹调整至所定义的正交方向，以消除第一轴向的倾斜量；以及以光学信息中的干涉条纹扩展方向做依据，进行对象平台之第二轴向的倾斜量调整，直到干涉条纹的纹间隔调整至展开最大，以消除第二轴向的倾斜量。

Description

干涉测量系统的自动平衡方法

技术领域

本发明是关于一种干涉测量系统的自动平衡方法，其特别是提供一影像撷取装置的自动平衡判断方法，用以达到消除影像撷取装置的光轴与待测物影像之间的倾斜量。

背景技术

公知干涉测量系统中使用白光干涉测量系统，用以测量微结构物的表面形貌，然而为了增进测量的准确度并提升白光干涉测量系统的效能，必须考虑待测样品的倾角对于干涉系统的影响。通常这类的技术中，扫描范围、扫描时间以及测量正确性最重要的考虑因素。

在干涉系统中，被测物体的法线方向若是与光轴存在一倾角，则扫描范围与扫描时间将相对增加，若是该平面与光轴垂直，对于使用垂直扫描技术(VSI)的干涉系统，仅需要将扫描范围定为波包区域宽度大小即可，但如果待测平面与直角坐标存在一个倾角，则扫描范围必须相对加大，才能将被测物体的干涉波包全部涵盖，如此一来，必须撷取更多不同高度的影像，才能计算被测物体的三维轮廓，同时测量所需的时间也相对地增加，大大降低工业上的应用可行性。

再者，干涉系统对待测物体进行垂直扫描以求出三维形貌，若是扫描范围内全为干涉波包信息，将波包区外的噪声降到最低，在判断波包中心位置上有较佳的正确性，测量误差也相对获得改善。换句话说，过大的扫描范围，干涉波包仅占扫描范围的一部分，在波包区以外皆是不必要的噪声，而引入过多噪声的结果，将导致波包中心位置的判断正确性受影响，计算出的中心位置有所偏移，致使干涉系统的测量误差也随之增加。

由上述分析得知，被测物体的倾角对于干涉系统的效能有着深远的影响，也间接影响干涉系统在工业上应用的可行性，但是目前在被测物体的倾斜调整上，仍普遍依靠人工调整，以人工进行判断倾斜量并进行调整动作，必须相当依赖使用者的经验，若是经验不足或是因被测物体表面形貌造成倾斜量难以判断，往往无法正确将倾斜量消除，另外，依靠人工进行倾斜量判断，其正确性与重复性有能有所争议。

因此，本发明的发明人有鉴于公知干涉测量系统的缺失，致力于发明，提供一干涉测量系统的自动平衡方法，并由此对干涉系统提供一种快速、简易且正确性佳的自动平衡方法。

发明内容

本发明的主要目的是提供一干涉测量系统的自动平衡方法，其是应用在干涉测量系统上，取代传统人工调整倾斜的方法，运用干涉条纹的方向与间隔疏密做判断，将被测物体的倾斜量消除，由此提升测量精度正确性，也避免被测物体过于倾斜时，为了涵盖整个干涉波包而使测量范围加大，增加不必要的测量时间。

本发明的另一目的是提供一干涉测量系统的自动平衡方法，其是以干涉条纹方向与间隔疏密作为判断待测物体倾斜量的依据，进行被测物体倾斜调整，以达到缩小干涉系统扫描范围、提升测量正确性与节省扫描时间。

本发明的再一目的是提供一干涉测量系统的自动平衡方法，其是即使待测物体表面有规律性的起伏，也可以正确判断、消除被测物的倾斜量。

基于本发明前述的各项目的，本发明提供一种干涉测量系统的自动平衡方法，其是提供一光学影像干涉测量系统包括光源装置、物镜组、光束导引装置、影像撷取装置、逻辑演算控制单元以及对象平台，该对象平台是具有多轴控制之平台且是选择具有两个正交的第一轴向与第二轴向转轴及其控制装置。其方法包括撷取装置撷取待测对象的光学信息且存储该光学信息；以光学信息中的干涉条纹方向做依据，进行对象平台的第一轴向的倾斜量调整，直到干涉条纹调整至所定义的正交方向，以消除第一轴向的倾斜量；以及以光学信息中的干涉条纹扩展方向做依据，进行对象平台的第二轴向的倾斜量调整，直到干涉条纹的纹间隔调整至展开最大，以消除第二轴向的倾斜量。

附图说明

图1是显示本发明干涉测量系统的自动平衡方法的系统组件关联图；

图2是显示本发明干涉测量系统的自动平衡方法的步骤流程图；

图3至图4是显示本发明干涉测量系统的自动平衡方法在第一轴向的倾斜量调整下的干涉变化示意图；

图5A至图5C图是显示本发明干涉测量系统的自动平衡方法中区域成长的示意图；

图6至图8是显示本发明干涉测量系统的自动平衡方法在第二轴向的倾斜量调整下的干涉变化示意图。

图9是显示本发明干涉测量系统的自动平衡方法针对表面粗糙待测对象在第二轴向的倾斜量调整下的干涉变化示意图。

图中

1  光源装置，11  入射光束，2  物镜组，3  光束导引装置，4  影像撷取装置，41  反射光束，5  逻辑演算控制单元，6  对象平台，7  待测对象，8  正交方向，9  光轴，101～103  步骤

具体实施方式

为使本领域的技术人员了解本发明的目的、特征及功效，现通过下述具体实施例，并配合附图，对本发明详加说明如下。

图1是显示本发明干涉测量系统的自动平衡方法的系统组件关联图。参考图1所示，本发明是将一光学影像系统所撷取影像进行自动平衡方法，以图2所示的较佳实施例来说，该光学影像系统是一干涉测量系统，并包括光源装置1、物镜组2、光束导引装置3、影像撷取装置4、逻辑演算控制单元5以及对象平台6，其中该光源装置1是产生入射光束11光源信号的装置，并可产生白光光源信号的入射光束11；该物镜组2是包括有干涉物镜以及物镜组的焦距调节部；该光束导引装置3是一光学机构，用以导引系统中的光源信号，举例来说，这类光学机构可以是一分光镜；该影像撷取装置4是一具有影像撷取部的光学装置，举例来说，这类光学装置可以是一CCD或CMOS光学感测组件及其相关的控制以及信号传输电气线路；该逻辑演算控制单元5是具有逻辑演算部、存储部以及控制部并可由电子电路或者是计算机系统所构成；以及该对象平台6是具有多轴控制的平台，举例来说，这类平台是具有两个正交的转轴及其控制装置，且该些正交的转轴包括一第一轴向以及一第二轴向。通过前述的该光源装置1提供一入射光束11经过光束导引装置3而反射至该物镜组2，使得入射光束11抵达待测对象7并反射形成携带干涉信号的反射光束41，反射光束41经过该物镜组2后穿透过光束导引装置3，并被影像撷取装置4所撷取。因此，该逻辑演算控制单元5可通过其控制部以及存储部，进行调节该对象平台6的平衡面并纪录该影像撷取装置4所撷取的光学信息，使得本发明干涉测量系统的自动平衡方法可通过该逻辑演算控制单元5所具有的逻辑演算部，计算影像撷取装置4所撷取的光学信息，并获得最佳的平衡面。

图2是显示本发明干涉测量系统的自动平衡方法的步骤流程图；图3至图4是显示本发明干涉测量系统的自动平衡方法在第一轴向的倾斜量调整下的干涉变化示意图。参考图2所示，干涉测量系统的自动平衡方法的主要步骤包括：步骤101，其是该逻辑演算控制单元5使用控制部，控制该物镜组2以调节对焦距离，并控制该影像撷取装置4撷取待测对象7的光学信息且通过存储部存储光学信息；步骤102，其是该逻辑演算控制单元5使用逻辑演算部以及控制部，以光学信息中的干涉条纹方向做依据，进行对象平台6的第一轴向的倾斜量调整，直到干涉条纹调整至所定义的正交方向，以消除第一轴向的倾斜量；步骤103，其是该逻辑演算控制单元5使用逻辑演算部以及控制部，以光学信息中的干涉条纹扩展方向做依据，进行对象平台6的第二轴向的倾斜量调整，直到干涉条纹的纹间隔调整至展开最大，以消除第二轴向的倾斜量。

前述的倾斜量是定义为入射光束11行进方向的光轴9与待测对象7表面方向的夹角。

前述的第一轴向的倾斜量调整步骤中，可进一步包括第一轴粗搜寻以及第一轴细搜寻。该第一轴粗搜寻是以正交方向8变化量为调整倾斜的依据，该影像撷取装置4在初始位置进行取像，以获得影像信息如图3所显示；该逻辑演算控制单元5计算第一轴向的倾斜调整函数，此倾斜调整函数是将所取像的影像信息依据灰度值变化量所建立；接着，该逻辑演算控制单元5再控制该对象平台6沿着第一轴向的特定方向旋转一微小角度，并重新计算该位置下的倾斜调整函数，通过前后两个倾斜调整函数差值，判断倾斜调整函数的递减方向；以及，该逻辑演算控制单元5控制该对象平台6沿着第一轴向倾斜调整函数的递减方向继续转动调整，并逐步计算倾斜调整函数，以计算倾斜调整函数的极小值位置，同时定义此极小值位置为粗略倾斜量最小位置。该第一轴细搜寻是将第一轴粗搜寻所获得的粗略倾斜量最小位置作为中心，并通过更小步幅在特定范围中进行搜寻；记录第一轴细搜寻过程中每一步的倾斜调整函数，再将该笔资料经过二次曲线拟合，拟合结果的极小值即为第一轴倾斜量最小位置，并获得影像信息如图4所示。

图5A至图5C是显示本发明干涉测量系统的自动平衡方法中区域成长的示意图；图6至图8中显示本发明干涉测量系统的自动平衡方法在第二轴向的倾斜量调整下的干涉变化示意图。前述的第二轴向的倾斜量调整步骤中，是通过干涉条纹之间隔疏密程度作为依据，并将条纹间隔调整至展开最大，而达到消除第二轴的倾斜量，且第二轴向的倾斜量调整步骤可进一步包括第二轴粗搜寻以及第二轴细搜寻。该第二轴粗搜寻是以条纹的间隔越疏则第二轴向的倾斜量越小作为判断依据，以进行搜寻对应条纹间隔成长的第二轴向调节方向。本发明提供一实施例是以光流技术(Optical flow)进行判断待测对象7于对象平台6上的第二轴向的倾斜方向，再经过特定步幅向倾斜量减小的方向作倾斜调整，同时计算每一步的第二轴向倾斜调整函数值，该函数的极大值即为所求。其中，第二轴向倾斜调整函数首先是找出干涉条纹中零阶条纹所在作为搜寻点(Seedpoint)，如图5A所示，并设定固定的限制条件，以计算灰度值直方图分布的区域成长(Region growing)的面积大小作为函数值，如图5B至图5C所示，且在第二轴倾斜调整过程中，当第二轴倾斜量越小，区域成长的面积将越大，如图6至图7所示，直到单一个条纹覆盖了整个影像撷取范围，第二轴倾斜调整函数曲线是一个具有极大值的单峰曲线，且该极大值对应第二轴倾斜量最小的位置。

该第二轴细搜寻是设定以小于第二轴粗搜寻的步幅进行搜寻，接着设定第二轴粗搜寻函数极大值附近为搜寻范围，并纪录每一搜寻位置的灰度值直方图分布情形，在此将倾斜调整函数改为计算灰度值直方图的分布大小，目的是提升函数的解析能力，避免在倾斜量极小的位置，区域成长的面积大小受物体杂点影响，在调整过程中，灰度值直方图分布极小值即为第二轴倾斜量最小的位置。并因此获得待测对象7的倾斜量调整达到最小，而待测对象7因为干涉条纹的扩展，造成单一条纹覆盖了整个取像范围，故在影像传感器中将呈现全黑或全白的影像，如图8所示。

图9是显示本发明干涉测量系统的自动平衡方法针对表面粗糙待测对象在第二轴向的倾斜量调整下的干涉变化示意图。前述本发明干涉测量系统的自动平衡方法中，是以表面光滑的待测对象7做为范例。然而，一但待测对象7是粗操表面的，前述的第二轴向的倾斜量调整步骤中，该第二轴粗搜寻是以条纹的间隔越密则第二轴向的倾斜量越小作为判断依据，以进行调节第二轴向调节方向，直到撷取的整个影像信息中均匀密布干涉条纹，如图8所示，其第二轴倾斜调整函数曲线的极小值为第二轴倾斜量最小的位置。另外，该第二轴粗搜寻函数极小值附近为搜寻范围，并纪录每一搜寻位置的灰度值直方图分布情形，在此将倾斜调整函数改为计算灰度值直方图的分布大小，且灰度值直方图分布极大值即为第二轴倾斜量最小的位置。

虽然本发明以具体实施例公开如上，然而其所公开的具体实施例并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，其所作的更动与润饰皆属于本发明的范畴，本发明的保护范围当视后附的权利要求范围所界定的为准。

Claims (10)

1.一种干涉测量系统之自动平衡方法，包括下列步骤：

提供一光学影像系统包括光源装置、物镜组、光束导引装置、影像撷取装置、逻辑演算控制单元以及对象平台，其中该光源装置是产生入射光束光源信号的装置；该物镜组包括有干涉物镜以及物镜组焦距调节部；该光束导引装置是一导引光源信号的光学机构；该影像撷取装置是一具有影像撷取部的光学装置；该逻辑演算控制单元具有逻辑演算部、存储部以及控制部；以及该对象平台是具有多轴控制的平台；

该对象平台是选择具有两个正交的转轴及其控制装置，且这些正交的转轴包括一第一轴向以及一第二轴向；

该逻辑演算控制单元使用控制部，控制该物镜组以调节对焦距离，并控制该影像撷取装置撷取待测对象的光学信息且通过存储部存储光学信息；

该逻辑演算控制单元使用逻辑演算部以及控制部，以光学信息中的干涉条纹扩展方向做依据，进行对象平台的第一轴向的倾斜量调整，直到干涉条纹调整至所定义的正交方向，以消除第一轴向的倾斜量；以及

该逻辑演算控制单元使用逻辑演算部以及控制部，以光学信息中的干涉条纹方向做依据，进行对象平台的第二轴向的倾斜量调整，直到干涉条纹的纹间隔调整至展开最大，以消除第二轴向的倾斜量。

2.如权利要求1所述的干涉测量系统的自动平衡方法，其中第一轴向的倾斜量调整步骤进一步包括：

第一轴粗搜寻，包括：

以正交方向变化量为调整倾斜的依据，该影像撷取装置在初始位置进行取像，以获得影像信息；

该逻辑演算控制单元计算第一轴向的倾斜调整函数，此倾斜调整函数是将所取像的影像信息依据灰度值变化量而建立；

该逻辑演算控制单元再控制该对象平台沿着第一轴向的特定方向旋转一微小角度，并重新计算该位置下的倾斜调整函数，通过前后两个倾斜调整函数差值，判断倾斜调整函数的递减方向；以及

该逻辑演算控制单元控制该对象平台沿着第一轴向倾斜调整函数的递减方向继续转动调整，并逐步计算倾斜调整函数，以计算倾斜调整函数的极小值位置，同时定义此极小值位置为粗略倾斜量最小位置。

3.如权利要求2所述的干涉测量系统的自动平衡方法，其中第一轴向的倾斜量调整步骤进一步包括：

第一轴细搜寻，包括：

将第一轴粗搜寻所获得的粗略倾斜量最小位置作为中心，并通过更小步幅在特定范围中进行搜寻；以及

记录第一轴细搜寻过程中每一步的倾斜调整函数，再将该笔资料经过二次曲线拟合，拟合结果的极小值即为第一轴倾斜量最小位置。

4.如权利要求1所述的干涉测量系统的自动平衡方法，其中第二轴向的倾斜量调整步骤进一步包括：

第二轴粗搜寻，包括：

以光流技术进行判断待测对象于对象平台上的第二轴向的倾斜方向；

经过特定步幅向倾斜量减小的方向作倾斜调整，同时计算每一步的第二轴向倾斜调整函数值，并获得该函数的极大值即为所求；

第二轴向倾斜调整函数首先是找出干涉条纹中零阶条纹所在作为搜寻点，并设定固定的限制条件，以计算灰度值直方图分布的区域成长的面积大小作为函数值；以及

选择第二轴倾斜调整函数曲线的极大值，并定义该极大值对应第二轴倾斜量最小的位置。

5.如权利要求4所述的干涉测量系统的自动平衡方法，其中第二轴向的倾斜量调整步骤进一步包括：

该第二轴细搜寻，包括：

设定以小于第二轴粗搜寻的步幅进行搜寻；

设定第二轴粗搜寻函数极大值附近为搜寻范围，并纪录每一搜寻位置的灰度值直方图分布情形；以及

选择灰度值直方图分布的极小值，并定义该极小值对应第二轴倾斜量最小的位置。

6.如权利要求1所述的干涉测量系统的自动平衡方法，其中第二轴向的倾斜量调整步骤进一步包括：

第二轴粗搜寻，包括：

以光流技术进行判断待测对象于对象平台上的第二轴向的倾斜方向；

经过特定步幅向倾斜量减小的方向作倾斜调整，同时计算每一步的第二轴向倾斜调整函数值，并获得该函数的极大值即为所求；

第二轴向倾斜调整函数首先是找出干涉条纹中零阶条纹所在作为搜寻点，并设定固定的限制条件，以计算灰度值直方图分布的区域成长的面积大小作为函数值；以及

选择第二轴倾斜调整函数曲线的极大值，并定义该极大值对应第二轴倾斜量最小的位置。

7.如权利要求4所述的干涉测量系统的自动平衡方法，其中第二轴向的倾斜量调整步骤进一步包括：

该第二轴细搜寻，包括：

设定以小于第二轴粗搜寻的步幅进行搜寻；

设定第二轴粗搜寻函数极小值附近为搜寻范围，并纪录每一搜寻位置的灰度值直方图分布情形；以及

选择灰度值直方图分布的极大值，并定义该极大值对应第二轴倾斜量最小的位置。

8.如权利要求1所述的干涉测量系统的自动平衡方法，其中步骤进一步包括：该光源装置是产生白光光源信号的入射光束。

9.如权利要求1所述的干涉测量系统的自动平衡方法，其中步骤进一步包括：该光速导引装置选择一分光镜。

10.如权利要求1所述的干涉测量系统的自动平衡方法，其中步骤进一步包括：该影像撷取装置选择CCD以及CMOS中的任一光学感测组件。

Images