TW201510475A - 三維形貌輪廓量測裝置及其方法 - Google Patents

三維形貌輪廓量測裝置及其方法 Download PDF

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Abstract

一種三維形貌輪廓量測裝置及其方法，其係投射一條紋光束以及一光斑光束至一待測物體上，並擷取由該待測物體反射之一變形條紋光束以及變形光斑光束，而得到相應的一條紋影像與一光斑影像。接著，根據該光斑影像決定出該待測物體表面上之每一位置所具有之一絕對相位資訊，並由該絕對相資訊轉換成對應該位置之一絕對深度，以及根據該條紋影像決定出每一位置之相對相位資訊，並由該相對相位資訊轉換成對應該位置之一相對深度。將每一位置所具有之絕對深度與相對深度組合以形成該位置之一深度，進而得到該待測物體之表面形貌。

Description

三維形貌輪廓量測裝置及其方法
本發明係一種三維形貌輪廓量測裝置及其方法，尤指一種投影條紋光以獲得相對相位與投影光斑技術以獲得絕對相位，結合相對相位與絕對相位之量測結果，以獲得全域性高深度量測精確度與高可量測斷高範圍之三維輪廓量測方法及其裝置。
現今工業界為了確保製程品質均一，其會使用三維形貌量測技術。三維形貌量側技術包含有輪廓量測技術，其中係具有相移方式、灰階編碼方式與投影光斑量測方式。
現有的相移方式係具有三步像移與多步相移方式，藉由投影不同相位之條紋光於一待測物的表面，再由一電荷耦合元件(charge coupled device，以下簡稱CCD)取像，並利用所得之影像，以進行相移法，而得出待測物之高度資訊。然於相移方式中，每次檢測需要擷取多張相位影像，若同時要量測具有階高之待測物，其會因計算上的困難而造成極大的誤差，故若要能夠量測整個待測物的表面形貌，不但耗時且會降低整體製程的的生產效率。
現有的灰階編碼方式係利用投影條紋光且進行相移方式，並且投影不同之灰階條紋並取像，以令各像素點產生一獨特的灰階編碼，雖灰階編碼方式係能解決上述之待測物的階高限制，但若欲提高精度，則要投影相當數量之灰階條影像，故灰階編碼方式相當耗時。
投影光斑量測方式係將獨特之光斑投影至一待測物，藉由各區塊之獨特性與一資料庫之光斑資訊進行比對，如微軟公司之體感應器(Kinect)則是此一技術的應用，經由前述之比對光斑資訊 與CCD所得之光斑影像比對，藉此計算出一深度相位資訊，由於所擷取之深度相位資訊屬於全景深範圍，因此屬於絕對相位(absolute phase)資訊。由於所擷取之深度相位資訊屬於全景深範圍，其深度解析度與精確度較低。
一般結構光相移方式可調整投光條紋之週期，所獲得的深度相位資訊屬於相對相位(relative phase)，由於所擷取之深度相位資訊屬於以2π範圍之性質，其深度解析度與精確度非常優異。但當碰到量測具有斷高(step height)之不連續表面時，當斷高超過2π範圍時，因所量測之相位屬於相對相位，易於發生相位模糊問題，而造成嚴重之量測斷點問題。
前述問題過去一般均藉由雙週期之條紋結構光產生大的等效週期來解決，但效果並不顯著，此問題亟待解決。例如：在習用技術中，例如Jindong Tian等人所發表的Three-dimensional vision from a multisensing mechanism,Jindong Tian and Xiang Peng,1 May 2006/Vol.45,No.13/APPLICED OPTICS的技術中，揭露了一種透過兩種不同型態的結構光來量測物體表面形貌的技術，其係可視為一種雙週期之結構光表面形貌偵測的技術。在該技術中，主要透過二維點陣列結構光以及一條紋結構光投射在物體表面上，擷取反射的點陣列結構光以及條紋結構光，進而得到關於該物體表面之點陣列影像以及條紋影像。接著透過演算法分析該點陣列影像以及條紋影像而得到該物體之表面形貌。此方法由於使用之兩種結構光均屬於非散亂式(non random)之結構光，當被測物之形貌有較大變化時在量測上仍會遭遇前述之相位模糊問題，仍無法提供一個周全的解決方法。
如上所述，現有的輪廓量測技術雖具有多種方式，但各方式皆有其仍待改進的空間。
有鑑於上述之課題，本發明之目的在於提供一種三維形貌輪廓量測裝置及其方法，其係同步或非同步地將一散亂結構光，例如：光斑，與一弦波結構光，例如：條紋光，以同軸方式或非同 軸方式投射至一待測物，由物體反射回來之變形結構光，藉由影像擷取模組於同一視野範圍內擷取同時光斑之影像資料與條紋光之影像資料，進而計算出待測物之表面輪廓深度相對相位資訊與表面輪廓深度之絕對相位資訊，並將前述之二者資訊結合，以改善斷高超過2π範圍時，因相位模糊問題，而造成嚴重之量測失準之問題。
在一實施例中，本發明提供一種三維形貌輪廓量測裝置，其包含有：一光斑產生模組，用以產生一光斑光束投射至一物體而反射形成一變形光斑光束；一條紋光產生模組，用以產生一條紋光束投射至該物體而反射形成一變形條紋光束；一擷像模組，用以感測該變形光斑光束以及該變形條紋光束以產生對應該反射光斑光束之光斑影像以及對應該反射條紋光束之一光束影像；以及一運算處理模組，其係用以根據該光斑影像與該光束影像決定該物體之表面上至少一位置之深度。其中，在一實施例中，該運算處理模組根據該光斑影像決定出該待測物體表面上之每一位置所具有之一絕對相位資訊，並由該絕對相資訊轉換成對應該位置之一絕對深度，以及根據該條紋影像決定出每一位置之相對相位資訊，並由該相對相位資訊轉換成對應該位置之一相對深度。將每一位置所具有之絕對深度與相對深度組合以形成該位置之一深度，進而得到該待測物體之表面形貌。
在另一實施例中，本發明提供一種三維形貌輪廓量測方法，其包含有：對一待測物發出一條紋光束以及一光斑光束；分別擷取由該待測物反射之一變形光斑光束以及一變形條紋光束以得到一光斑影像以及一條紋影像；以及根據該光斑影像與該光束影像決定該物體之表面上至少一位置之深度。
在一實施例中，決定每一位置之深度更包括有下列步驟：由該光斑影像，解析出對應每一位置之一絕對相位資訊，並轉換成一絕對深度；由該條紋影像，解析出對應每一位置之一相對相位資訊，並轉換成一相對深度；以及將該絕對深度與相對深度組合，以得到對應每一位置之深度。在另一實施例中，決定該絕對相位 資訊更包括有由該光斑影像決定每一位置之一深度相位資訊，將該第一深度相位資訊轉換成一絕對相位資訊與一相位差資訊之組合；以及將該絕對相位資訊轉換成該絕對深度值。在一實施例中，決定該相對深度更包括有下列步驟：由該條紋影像決定每一位置之一相對相位資訊；以及將該相對相位資訊轉換成該相對深度。
1‧‧‧三維形貌輪廓量測裝置
10‧‧‧光斑產生模組
100‧‧‧光源
101‧‧‧調制元件
102‧‧‧繞射元件
103‧‧‧光學鏡組
104‧‧‧第一測試光
105‧‧‧光斑光束
11、11a‧‧‧條紋光產生模組
110‧‧‧光源
111‧‧‧光調制模組
1110‧‧‧第一平面反射鏡
1111‧‧‧第二平面反射鏡
1112‧‧‧分光鏡
112‧‧‧光學鏡組
113‧‧‧第二測試光
114‧‧‧條紋光束
115‧‧‧光調制模組
1150‧‧‧透鏡
1151‧‧‧光柵片
1152‧‧‧透鏡單元
12‧‧‧光調制模組
13、13a‧‧‧擷像模組
130‧‧‧分光模組
131‧‧‧第一濾光元件
132‧‧‧第二濾光元件
133‧‧‧光感測裝置
134‧‧‧光感測裝置
14‧‧‧變形光束
15‧‧‧待測物
150‧‧‧側邊
16‧‧‧運算處理模組
32‧‧‧第二鏡單元
33‧‧‧第三鏡單元
7‧‧‧三維形貌輪廓量測裝置
70‧‧‧投影模組
71‧‧‧擷像模組
72‧‧‧運算處理單元
73‧‧‧電腦
8‧‧‧遮罩
90、91‧‧‧中心軸
92‧‧‧光斑影像
920‧‧‧區塊影像
921‧‧‧區塊影像中心
93、94‧‧‧條紋
第1圖為本發明之一種三維形貌輪廓量測裝置之第一實施例之示意圖。
第2圖為本發明之三維形貌輪廓量測裝置之第二實施例之示意圖。
第3圖為本發明之三維形貌輪廓量測裝置之第三實施例之示意圖。
第4A圖為本發明之三維形貌輪廓量測裝置之第四實施例之示意圖。
第4B圖為本發明之三維形貌輪廓量測裝置之另一實施例之示意圖。
第5圖為本發明之三維形貌輪廓量測裝置之另一實施例之示意圖。
第6A圖係為利用光斑光束投射至不同待測物高度示意圖。
第6B圖係為光斑影像以及遮罩所擷取之區塊影像示意圖。
第6C至第6E圖分別為不同斷高示意圖。
第7A至第7C圖係為由遮罩所擷取之區塊影像中光斑圖案隨高度的不同而變形錯位示意圖。
第8圖為建立不同深度之光斑影像資料庫示意圖。
第9A至第10圖係為本發明之三維形貌輪廓量測方法實施例流程示意圖。
第11圖係為具有斷高位置上條紋變形錯位示意圖。
第12A圖為一相位還原法之光學投影示意圖。
第12B圖係為條紋頻率與深度關係圖。
第13與第14圖分別為光斑光束與條紋光束投射至待測物所 得的光斑影像與條紋影像。
第15圖為利用條紋影像所解析出的待測物深度關係示意圖。
第16圖為利用光斑影像所解析出的待測物深度關係示意圖。
第17圖為利用本發明光斑影像與條紋影像組合所解析出的待測物深度關係示意圖。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，所屬技術領域中具有通常知識者可由本說明書所揭示之內容，輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。
請配合參考第1圖所示，本發明之三維形貌輪廓量測裝置之第一實施例架構示意圖，該之三維形貌輪廓量測裝置1其包含有一光斑產生模組10、一條紋光產生模組11、擷像模組13與一運算處理模組16。該光斑產生模組10用以產生一光斑光束105，要說明的是，所謂光斑係指散亂圖案變化而不具有圖案變化週期之結構光。在本實施例中，該光斑產生模組10具有一光源100以及一光調制模組12。該光源100為可產生具有一第一波長或波段組合之第一測試光104的雷射光源，但不以此為限，例如也可以為白光光源。本實施例中的該第一波長之波長範圍為700至850nm，較佳為770、780、790或800nm。該光調制模組12，具有一調制元件101、一繞射元件102與一光學鏡組103。該調制元件101、繞射元件102與光學鏡組103係設於第一測試光104的路徑，該第一測試光104經過該調制元件101、繞射元件102以及該光學鏡組103後，會形成為光斑光束105。調制元件101可有很多種實施方式，例如由矽基液晶(liquid crystal on silicon,LCOS)或數位微型反射鏡元件(digital micromirror device,DMD)所構成。光學鏡組103其係為至少一凸透鏡或至少一凹透鏡所組成。
該條紋光產生模組11具有一光源110、一光調制模組111與一光學鏡組112。其中，該光源110為可以產生具有一第二波長或波段之第二測試光113的雷射光源，但不以此為限，例如亦可以為白光光源。該第二波長或波段係不同於該第一波長或波段，在 本實施例中，該第二波長或波段係等於或小於該第一波長之波長或波段。本實施例中，該第二波長為510至550nm，較佳為530、531、532、534、535或536nm。光調制模組111與光學鏡組112係設於第二測試光113之路徑，第二測試光113經光調制模組111以及該光學鏡組112而形成為一條紋光束114。
本實施例中，該光調制模組111係為一麥克森光干涉模組，該麥克森光干涉模組為本領域技術之人所熟知的架構，基本上該干涉模組具有一第一平面反射鏡1110、一第二平面反射鏡1111與一分光鏡1112。該第二測試光113經該分光鏡1112分光後，該第二測試光113係分別照射至第一平面反射鏡1110與第二平面反射鏡1111，第一平面反射鏡1110與第二平面反射鏡1111係將第二測試光113反射回至分光鏡1112而相互干涉形成干涉條紋。
在本實施例中，該光斑產生模組10以及條紋光產生模組11係屬於非同軸的架構，而其所產生的該條紋光束114係與該光斑光束105重疊並同步地投射至待測物15，而待測物15上具有斷差的位置會使投射的條紋光束114與光斑光束105內的圖案產生變形錯位，如第7A至第7C圖以及第11圖所示，因此由該待測物15表面反射而形成的兩道反射光束14，其係包括有反射光斑光束以及反射條紋光束，內會具有變形錯位的條紋或光斑資訊。該擷像模組13係設於兩道變形光束14之路徑上，用以擷取該兩道變形光束14之訊號而產生影像。
在本實施例中，擷像模組13更包括有一分光模組130、一第一與第二濾光元件131與132以及一對光感測裝置133與134。該分光模組130，用以將同步產生之該兩道反射光束14分光而形成兩道分光光束。該第一與第二濾光元件131與132，分別設置在該兩道分光光束之光路上，該第一濾光元件131用以提供對應該第一波長或波段之反射光斑光束通過，該第二濾光元件132，用以提供對應該第二波長或波段之反射條紋光束通過。因此經過該第一與第二濾光元件131與132濾光之後，該光感測裝置133感測該反射光斑光束以得到一光斑影像。同樣地，該光感測裝置134感 測該反射條紋光束以得到一條紋影像。該光斑影像與該條紋影像之資訊會被傳至該運算處理模組16進行演算，以決定該待測物15之表面上至少一位置之深度。該光感測裝置133與134係為一電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)。
要說明的是，本實施例中的條紋光束與光斑光束係同步投射至待測物表面，可以應用於振動環境的待測物檢測或者是會移動的待測物檢測，以確保可以同一時間點投射至待測物，並且同一時間點可以擷取到對應之影像。雖然本實施例為同步投射，但是在另一實施例中，例如在不考慮震動或者是制振環境中的待測物檢測，除了使用同步的方式外，也可以使用非同步的方式，例如：先投射光斑光束，擷取了對應的反射影像之後，再投射條紋光束，如此交替的投射方式來進行。至於如何演算決定出該待測物表面上任一位置之深度，容後在述。
請參閱第2圖所示，該圖係為本發明之三維形貌輪廓量測裝置之第二實施例架構示意圖。在本實施例中，基本上與第1圖之架構類似，差異的是，本實施例的架構中之擷像模組13a係擷取該兩道變形光束14而產生光斑影像與條紋影像，其中該擷像模組13a係為使用一可變換取像波長之擷像模組或是一模組配合可切換濾鏡之擷像模組。此外，在一實施例中，可於擷像模組13a擷取條紋光束114之反射影像時，以遮罩遮蔽或關閉光源100，若於擷像模組13a擷取光斑光束105之反射影像時，以遮罩遮蔽或關閉光源110。擷取條紋光束114之反射影像或光斑光束105之反射影像無先後順序，其係依實際狀況，而變更。
請參閱第3圖所示，該圖係為本發明之三維形貌輪廓量測裝置之第三實施例架構示意圖。在本實施例中，基本上與第1圖所示的架構相似，差異的是，本實施例的該光斑產生模組10以及條紋光產生模組11係屬於同軸的架構，亦即條紋光束114通過第二鏡單元32，與該光斑光束105合光，在經過第三鏡單元33投射至待測物上。至於擷取由該待測物反射的光束得到光斑與條紋影像，則如第1或第2圖之擷像模組所示，在此不做贅述。在本實 施例中，第二鏡單元32為一分光鏡，該第三鏡單元33為具有至少一透鏡之光學鏡組。
請參閱第4A圖所示，該圖係為本發明之三維形貌輪廓量測裝置之第四實施例架構示意圖。本實施例之架構基本上與第3圖相似，差異的是，本實施例之條紋光產生模組11a具有一光源110以及光調制模組115，其係更具有一透鏡1150、一光柵片1151與一驅動單元1152。該透鏡1150與光柵片1151係設於第二測試光113之路徑。光柵片1151係耦接驅動單元1152，以使驅動單元1152能夠驅動光柵片1151，本實施例之驅動單元1152為一馬達。透鏡1150為一聚焦鏡片。第二測試光113經光柵片1151之調制形成為條紋光束114而投射至該第二鏡單元32。此外，如第4B圖所示之實施例中，該條紋光產生模組11a也可以與該光斑產生模組10呈現非同軸的方式配置。至於擷取由該待測物反射的光束而得到光斑與條紋影像，則如第1或第2圖之擷像模組所示，在此不做贅述。
請配合參考第5圖所示，該圖係為本發明之三維形貌輪廓量測裝置之第另一實施例架構示意圖，該三維形貌輪廓量測裝置7其包含有一投影模組70、一擷像模組71以及一運算處理單元72。該投影模組70為一數位投影模組，例如：DLP或RGB投影模組。該投影模組70係與一電腦73耦接用以接收由該電腦輸出之數位訊號而產生一檢測光束，投射至該待測物15之表面上。該檢測光束係能夠為一光斑光束、一條紋光束或一光斑光束與一條紋光束之組合。該擷像模組71係擷取由該待測物表面反射之檢測光束而產生光斑影像以及條紋影像。該運算處理模組72，其係用以根據該光斑影像與該光束影像決定該物體之表面上至少一位置之深度，決定深度之方式容後再述。雖然本實施例中，為單一之投影模組70架構，在另一實施例中，可以透過兩個投影模組，分別用來產生光斑光束以及條紋光束。
接下來說明本發明之解析待測物表面上每一位置之深度的方法。首先說明條紋分析原理，分析變形錯位條紋而得到相對應之 深度的方式，可以採用傅立葉轉換或相移法的方式來進行分析：一般而言，投射的條紋結構光係屬於正弦結構光，可以表示為下式(1)所示：I(x,y)=a(x,y)+b(x,y)cos[φ(x,y)]+n(x,y)......(1)
其中為影像座標，x與y分別為影像座標之列數與行數；a為影像背景光強度；b為正弦振幅分布之光強值；ψ(x,y)為待測物之相位分布n(x,y)為雜訊強度。
而ψ(x,y)又可以分為載波相位ψc(x,y)與初始相位ψ0(x,y)，其表示成如下式(2)所示：
其中，載波相位ψc(x,y)又可以表示成如下式(3)所示：
其中f為水平與垂直方面之空間頻率。由式(2)與式(3)可以演化為如下式(4)的結果。
而方程式(4)可改寫為方程式(5)。
將方程式(5)分解後得到如下方程式(6)的結果。
假設c(x,y)=0.5b(x,y)exp[j ψ0(x,y)]，帶入方程式(6)之後，可以得到如方程式(7)的結果。
將方程式(7)經由傅立葉轉換得到如下方程式(8)所示： I(fx,fy)=A(fx,fy)+C(fx-fc,x,fy-fc,y)+C*(fx+fc,x,fy+fc,y)+N(fx,fy)......(8)
經由上述轉換後得到頻譜上C(fx-fc,x,fy-fc,y)，此資訊室投影條紋經過待測物所發生之扭曲頻率資訊，藉由中通濾波所得資訊逕行反傅立葉轉換即可得到其相位封裝資訊，再經由相位還原之方法即可得到連續之相位分布，轉換為高度資訊即可重建三維形貌。
除了上述之傅立葉轉換之外，另一種相位與深度處理的方式為利用相移術，以下進行相關說明：同樣的，條紋光束屬於正弦結構光，因此能夠表示為下式(9)：I(x,y,t)=I’(x,y)+I”(x,y)cos[ψ(x,y)+δ(t)]......(9)
其中，(x,y)為影像的座標位置；x與y分別為影像座標之列與行；I’為影像背景之平均光強度；I”為正弦結構光之光強值，亦可稱為條紋對比度；t為條紋之時域；ψ(x,y)為待測物之相位分布；δ(t)為參考光與待測光的相位差值。
於重建三維物體高度時必須計算出一相位差，藉由相位差，以反求待測物之高度，故將條紋光投影至待測物，並做出N次的相位移，N大於等於1。
相位移量可為β=2π/N，N為相位移之總次數，則每次擷取得相移變化的條紋光強度能夠表示為方程式(10)：In(x,y,t)=I’(x,y)+I”(x,y)cos[ψ(x,y)+nβ]......(10)
其中，In(x,y,t)為不同相位移的條紋強度值，相位ψ(x,y)可由上述之式10得出，但式10中有三個未知數I’(x,y)、I”(x,y)、ψ(x,y)，故需要進行至少三次或以上的相位移後，由三組方程式求解，所以相位移的次數N大於或等於3。再利用一最小平方法可得下式(11-13)：
由上述可知，傅立葉輪廓術或相移術，其皆使用相位進行量測。
接下來說明光斑影像分析之原理，藉由建立每個高度的光斑資料庫或是藉由基礎平面的光斑資料計算光斑移動量，來換算高度即是光斑深度計算之方法。藉由將資料庫的對應不同深度之光班影像資訊利用n*n(n為奇數)遮罩分割成複數個樣本區塊影像，每一個樣本區塊影像由於具有獨一的光斑圖案，因此其在不同深度下的光斑變形資訊也是獨一(unique or non-repeated)而不會重複，因此可以做成深度與光斑變形圖案之關係的資料庫。再將待測物的光斑影像也同樣利用同樣大小的遮罩分割成複數個相應的待測區塊影像，透過數位影像比對的方式，對待測的區塊影像與資料庫中的不同深度的樣本區塊影像進行比對，再以相似度最高的樣本區塊影像所對應的深度作為待測區塊影像中心所對應的深度。對每一個待測區塊影像反復重複上述的流程，即可以計算初始平面之模板影像在待測物影像之距離，藉由模板的距離可以利用三角量測原理換算為被測物之形貌高度。
接著說明資料庫建立的方式，請參閱第6A圖所示，該圖係為利用光斑光束投射至不同待測物高度示意圖。以第5圖之三維形貌輪廓量測裝置為例，擷像模組71擷取由待測物上反測之光斑光束而形成如第6B圖之光斑影像92。在分析光斑影像92時，會利用一遮罩8來擷取對應尺寸之區塊影像920，來進行深度演算分析，分析出來的深度係為利用該遮罩所擷取出之區塊影像920之中心位置921所對應之深度。之後，在移動下一個位置，再擷取下一個區域的影像來進行深度分析。移動之距離可以根據需求而定，如果要得到比較高的解析度的話，可以一次位移一個像素或 次像素，如果要得到比較粗糙的解析度，則可以一次移動一個遮罩寬度大小的距離。要說明的是，該遮罩的側邊尺寸大小係為特定像素數量(奇數個)所圍成的矩陣遮罩，例如：13x13像素或7x7像素等，但其尺寸大小係根據需求而定，並無一定之限制。
請參閱第6A至第6B圖以及第7A至第7C圖所示，其中第7A至7C係為遮罩所擷取之區塊影像示意圖。在第6A圖中，待測物15具有不同斷高之高度h0~h2變動，投射至該待測物15表面的光斑會產生變形而偏移。以第6B圖之光斑影像上對應待測物15之區域的一側邊150上之一位置P為例，其係具有一斷高，該斷高在不同高度h0~h2時所產生的光斑偏移也不相同。如第7A圖，對應高度h0時在該待測物15之側邊150上之位置P由該遮罩所擷取出來的影像示意圖，由該圖可以看出在該側邊150上的光斑影像產生的變形錯位的現象。如第7B至第7C圖所示，隨著高度的不同，變形錯位的程度也不同。由於光斑屬於無特定週期之散亂結構光，因此不管待測物之高度表面如何變化，都可以透過演算得到對應之絕對深度，而不會發生如條紋在特定深度時產生條紋重疊，而無法正確解析深度之問題。基於這個優點，可以事先建立一個深度與光斑影像變形之關係資料庫。如第8圖所示，在該資料庫中，建立不同的深度h0~hn下，光斑影像所具有的複數個區塊影像與深度位置之關係資料庫。在一實施例中，影像區塊之數量為n*m，其中n與m分別為光斑影像之影像尺寸，而相鄰之光斑影像之深度差為條紋光束之條紋週期T大小(相對應於條紋之寬度)所對應的深度值。要說明的是，建議資料庫的方式，並不以前述之實施例為限制。所以當有待測物要量測深度時，只要將遮罩所擷取的區塊影像與對應資料庫內相應位置之區塊影像進行比對，例如：使用相關係數法(cross correlation)即可解出相應的深度。
請配合參考第9A圖所示，本發明係一種三維形貌輪廓量測方法，其包含有下列步驟：首先進行S1，提供一三維形貌輪廓量測裝置，其係可以選擇前述第1圖至第5圖所示之實施例來實施， 以下以第1圖所示的架構來做說明，接著進行步驟S2對對一待測物發出一條紋光束以及一光斑光束。在本步驟中，可以透過光斑產生模組10、一條紋光產生模組11產生該光斑光束以及該條紋光束而投射至該待測物而反射，反射之光斑光束與條紋光束會具有對應物體表面形貌深度變化的變形光斑與條紋的資訊。接著進行步驟S3，以擷像模組13分別擷取由該待測物反射之一反射光斑光束以及一反射條紋光束以得到一光斑影像以及一條紋影像。最後，進行步驟S4，以該運算處理模組根據該光斑影像與該光束影像決定該物體之表面上至少一位置之深度。
在步驟S4中，如第9B圖所示，其係更包括有S41以該運算處理模組由該條紋影像解析出對應該待測物表面之一相對深度。在本步驟中，因該條紋光束為一正弦結構光，其可利用一傅立葉輪廓術或一相移術，以得出一條紋光影像之深度資訊，其原理如前所述，在此不做贅述。利用傅立葉輪廓術或相移術可以求得待測物表面上每一個位置(x,y)所具有的相對相位資訊△ψf(x,y)，其係為對應該位置上變形錯位之條紋所具有的相位差，其係介於±π之範圍內。以第11圖來做說明，待測物15之側邊上的一位置P具有一斷高，因此在該位置P上右側的條紋93與左側的條紋94間產生了變形錯位的現象，而使的P位置上具有兩個相位值，其中之一相位值為對應條紋93之相位，而另一相位值則為條紋94所具有的相位。這兩個相位值得相位差可以經過演算還原而得到對應該位置P之深度，其係屬於一相對深度。
接著進行步驟S42，由該光斑影像解析出該待測物表面上每一位置之絕對深度。在本步驟中，如第10圖所示，首先進行步驟421，由該由該光斑影像決定每一位置之一深度相位資訊，將該第一深度相位資訊轉換成一絕對相位資訊與一相位差資訊之組合。在本步驟中，可透過前述關於第8圖所建立的資料庫，以相關係數法找出每一個位置(x,y)所具有的深度Hs(x,y)，此時，在將該深度轉換成一相位值，其係為絕對相位資訊與一相位差資訊之組合。
首先說明深度與相位間轉換之關係，為了獲得高度資訊，必 須利用相位還原所得之相位資訊ψ(x,y)重建物體三維輪廓，其光學投影架設圖如第12A圖所示之關係。若投射條紋在參考平面時，則影像在C點成像，且擷像模組(例如：CCD)在C點成像，但因投射條紋在物體表面D點才反射，故反射位置的改變使得光點在擷像模組影像平面上移動了CD的距離，可利用簡單幾何關係有兩個相似三角形ACD與AEpEc，則可表示為幾何距離的函數表示式(14)：
同時，相位差△ψ(x,y)可表示為如下式(15)所示： 其中d為投影光軸與取像光軸距離；l0為取像系統與參考平面之距離；f0為所投影單頻結構光之頻率。由於使用相同視野範圍擷像模組或是相同擷像模組來取得雷射光斑資訊與條紋資訊，因此可以確定條紋影像與光斑影像的像素(pixels)在空間上是相同的，因此可以利用此特性，對同樣的像素進行比對與合併，比對與合併方法如下：已知傅立葉輪廓術(或是相移術)在條紋影像上一像素或位置所得之相位差為△ψf(x,y)；又已知雷射光斑影像在相對應的像素或位置所得之高度資訊為Hs(x,y)，則可使用此高度資訊轉換為傅立葉輪廓術之相位(如式16)。
由式16可以看到f0是條紋的空間頻率，但是隨著物體形貌的深度不同，條紋的空間頻率也不相同，因此可以對於條紋頻率在不同深度進行分析，分析結果如第12B圖所示。其中，圖中的橫軸是高度，縱軸則是條紋頻率，由圖中可以發現，條紋的頻率與高度是一個線性的關係，因此可以由此找出條紋與高度的擬合方 程式，藉由光斑資訊所量測的高度找出較適合的條紋頻率，這樣子在進行式16的相位轉換為深度的時候，就可以得到一個較精確的結果。相較於一般相移術單純將f0作為定值，或是假設L>>>H將式16的L-Hs省略為L的方式，本法可以增加其精確度。除此之外也可利用Hs(x,y)計算出正確的f0。
藉由比較△ψs(x,y)與傅立葉輪廓術之相位差△ψf(x,y)，可以得知傅立葉輪廓術的相位誤差值2N π如下式(17)所示：
其中N為條紋的相位補償量來源，由此可以得到相位△ψ可以表示成如下式(18)所示：△ψ=△ψs(x,y)+2Nπ......(18)
其中，2Nπ則代表絕對相位資訊，N為0至n，n為正整數。而△ψs(x,y)則代表該位置上2Nπ對應之深度與相關係數法所決定之深度間差異所對應的相位差資訊。
又已知從光斑影像所得之高度資訊維Hs(x,y)，根據上述式(18)的模式，Hs(x,y)可以轉換成如下式(19)所示：
由於△ψs(x,y)係透過內插或演算方式所得，因此深度值並不精確，因此可以利用步驟S41中所得到的相應位置所具有之相對相位資訊△ψf(x,y)來取代，而得到對應待測物表面上一特定位置所具有之深度關係式(20)，其係如下所示：
接著再進行步驟S422將該絕對相位資訊2Nπ轉換成一絕對高度資訊，根據N值得大小從資料庫中取得相對應的絕對深度值。再回到第9B圖所示，最後進行步驟S43，將該絕對相位資訊2Nπ所對應之絕對深度與該△ψf(x,y)所對應之相對深度組合相加， 即可得到位置P的深度。同理，透過前述第9A圖至第10圖的程序可以決定出待測物表面上每一個位置之深度，進而得到該待測物體之表面形貌。如此即可將雷射光斑所得之高度資訊與傅立葉輪廓術之高度結合，從此得到相對與絕對高度的合成，藉由此合成可以提高雷射光斑法的解析度的不足，同時也可以解決傅立葉輪廓術對於階高的限制。
實際量測範例：以下說明使用四步相移與光斑量測法進行結合，並分別與未結合前的光斑量測或相移量測之數據進行比較。請參閱第13與第14圖所示，其中第13圖為利用光斑光束投射至具有5.5mm斷高之待測物所擷取到的光斑影像，第14圖為利用條紋光束投射至待測物所擷取到的條紋影像。第15圖是單純利用條紋影像以四步相移的分析方式所得量測結果，從圖中可以看出對應待測物位置深度為-2.6mm，反而呈現出凹陷的解析結果，這是由於超過階高限制，相移術所量測的結果會因缺少2Nπ的相位，因此造成量測誤差。而在第16圖中，則為單純利用光斑影像進行分析所量測結果，可以發現光斑法的結果平均5.8mm，相較於標準5.5mm較為接近，但是由於深度解析的不足，造成量測的誤差。最後，如第17圖所示，其係為本發明光斑影像與條紋影像合併進行解析的結果，從圖中可以發現解析出的斷高平均為5.4mm，因此藉由本發明之雷射光斑影像所得之高度資訊與條紋影像所解析之高度結合，可以保持一個相移術較佳的解析度，同時並不會有階高限制的問題存在。
以上所述之具體實施例，僅係用於例釋本發明之特點及功效，而非用於限定本發明之可實施範疇，於未脫離本發明上揭之精神與技術範疇下，任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。
1‧‧‧三維形貌輪廓量測裝置
10‧‧‧光斑產生模組
100‧‧‧光源
101‧‧‧調制元件
102‧‧‧繞射元件
103‧‧‧光學鏡組
104‧‧‧第一測試光
105‧‧‧光斑光束
11‧‧‧條紋光產生模組
110‧‧‧光源
111‧‧‧光調制模組
1110‧‧‧第一平面反射鏡
1111‧‧‧第二平面反射鏡
1112‧‧‧分光鏡
112‧‧‧光學鏡組
113‧‧‧第二測試光
114‧‧‧條紋光束
12‧‧‧光調制模組
13‧‧‧擷像模組
130‧‧‧分光模組
131‧‧‧第一濾光元件
132‧‧‧第二濾光元件
133‧‧‧光感測裝置
134‧‧‧光感測裝置
14‧‧‧變形光束
15‧‧‧待測物
16‧‧‧運算處理模組

Claims (21)

  1. 一種三維形貌輪廓量測裝置，其包含有：一光斑產生模組，用以產生一光斑光束投射至一物體而反射形成一反射光斑光束；一條紋光產生模組，用以產生一條紋光束投射至該物體而反射形成一反射條紋光束；一擷像模組，用以感測該反射光斑光束以及該反射條紋光束以產生對應該反射光斑光束之光斑影像以及對應該反射條紋光束之一光束影像；以及一運算處理模組，其係用以根據該光斑影像與該光束影像決定該物體之表面上至少一位置之深度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之三維形貌輪廓量測裝置，其中該光斑光束與該條紋光束重疊而同步投射至該待測物上，而同步產生該反射光斑光束以及該反射條紋光束。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之三維形貌輪廓量測裝置，其中該光斑光束具有一第一波長，該條紋光束具有與該第一波長不同之一第二波長，該擷像模組更具有：一分光模組，用以將同步產生之該反射光斑光束以及該反射條紋光束分光而形成兩道光束；一第一與第二濾光元件，分別設置在該兩道光束之光路上，該第一濾光元件用以提供對應該第一波長之反射光斑光束通過，該第二濾光元件，用以提供對應該第二波長之反射條紋光束通過；以及一對光感測裝置，分別感測該反射光斑光束以及該反射條紋光束以分別形成該光斑影像以及該光束影像。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之三維形貌輪廓量測裝置，其中該光斑光束與該條紋光束係不同步地投射至該待測物上。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之三維形貌輪廓量測裝置，其中該運算處理模組係根據該光斑影像決定每一位置之一絕對深度，以及根據該條紋影像決定每一位置之一相對深度，再將該 絕對深度與該相對深度組合以得到對應每一位置之深度。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之三維形貌輪廓量測裝置，其中該運算處理模組根據該光斑影像決定每一位置之一深度相位資訊，其係包括有一絕對深度相位資訊與一相位差資訊之組合，以及根據該條紋影像決定一相對相位資訊，其中該絕對深度相位資訊係對應該絕對深度之相位，而該相對相位資訊則對應該相對深度之相位。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之三維形貌輪廓量測裝置，其中該絕對相位係為2Nπ，其中N為0至n，n為正整數。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之三維形貌輪廓量測裝置，其中該光斑產生模組具有一第一光源以及一第一光調制模組，該第一光源係產生具有一第一波長之一第一測試光，其係經該第一光調制模組而形成為該光斑光束；該條紋光產生模組具有一第二光源以及一第二光調制模組，該第二光源係產生具有一第二波長之一第二測試光，其係經該第二光調制模組而形成為該條紋光束。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之三維形貌輪廓量測裝置，其中該第一光調制模組，係具有調制元件與一光學鏡組，該調制元件係選擇為DMD或LCOS。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之三維形貌輪廓量測裝置，其中該第二光調制模組，係為一麥克森光調制模組或者是為一光柵模組與一光學鏡組之組合。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之三維形貌輪廓量測裝置，其中光斑光束所含之圖案為散亂結構光，該條紋光束含有一特定週期之光束圖案。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之三維形貌輪廓量測裝置，其中該光斑產生模組以及該條紋光產生模組係為兩獨立之數位投影模組或整合成單一之數位投影模組。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之三維形貌輪廓量測裝置，其係更包括有： 一資料庫，其內儲存有複數個具有一特定尺寸之樣本影像，每一樣本影像對應一深度。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之三維形貌輪廓量測裝置，其中每一樣本影像之特定尺寸係為n*n，其中n為奇數個像素(pixel)。
  15. 一種三維形貌輪廓量測方法，其包含有：對一待測物發出一條紋光束以及一光斑光束；分別擷取由該待測物反射之一反射光斑光束以及一反射條紋光束以得到一光斑影像以及一條紋影像；以及根據該光斑影像與該光束影像決定該物體之表面上至少一位置之深度。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之三維形貌輪廓量測方法，其中決定每一位置之深度更包括有下列步驟：由該光斑影像，解析出對應每一位置之一絕對深度；由該條紋影像，解析出對應每一位置之一相對深度；以及將該絕對深度與相對深度組合，以得到對應每一位置之深度。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之三維形貌輪廓量測方法，其中決定該絕對深度更包括有下列步驟：由該光斑影像決定每一位置之一深度相位資訊，將該第一深度相位資訊轉換成一絕對相位資訊與一相位差資訊之組合；以及將該絕對相位資訊轉換成該絕對深度值。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之三維形貌輪廓量測方法，其中該絕對相位係為2Nπ，其中N為0至n，n為正整數。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之三維形貌輪廓量測方法，其中決定每一位置之一深度相位資訊更包括有下列步驟：決定一遮罩尺寸；以該遮罩於該光班影像之一起始位置擷取對應該遮罩尺寸之一區塊影像，該區塊影像之中心對應其中之一位置；將該區塊影像與一資料庫內相對應該區塊影像位置之複數個 樣本影像進行比較，其中每一個樣本影像對應一深度；以最臨近於該區塊影像之樣本影像所對應的深度，作為該區塊影像之中心位置之深度；將該區塊影像中心位置之深度轉換成該深度相位資訊；以及向一方向移動一特定距離，擷取另一區塊影像，再重複前述之步驟，決定出新擷取之區塊影像之中心所對應之深度相位資訊。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之三維形貌輪廓量測方法，其中該特定距離為至少一影像像素(pixel)或一次像素(subpixel)。
  21. 如申請專利範圍第16項所述之三維形貌輪廓量測方法，其中決定該相對深度更包括有下列步驟：由該條紋影像決定每一位置之一相對相位資訊；以及將該相對相位資訊轉換成該相對深度。
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