TW201631294A - 利用條紋投影量測透明物體的系統 - Google Patents

Abstract

一種利用條紋投影技術量測透明物體的形貌或折射率的系統，其包含：一長焦深圖像產生裝置、一感光裝置及一影像處理器。該長焦深圖像產生裝置用以生成一長焦深之參考圖像。該參考圖像入射至一待測透明物體，其表面形貌與折射率導致入射後的影像受到折射而扭曲。該感光裝置用以接收該扭曲的影像。該影像處理器用以分析該扭曲影像與該參考圖像的差異，據以辨識該待測透明物體的形貌或折射率。

Description

利用條紋投影量測透明物體的系統

本發明係關於一種透明物體的量測系統，特別是關於一種利用條紋投影量測透明物體形貌或折射率的系統。

就現有技術而言，一般的條紋投影輪廓儀，僅能量測不透明物體的三維形貌。此外，干涉儀雖然可以量測透明物體的厚度或折射率，但是必須在隔離噪音與無振動的穩定環境下進行，若是物體表面有斷層、瑕疵，將會造成形狀量測上的誤判。

故，有必要提供一種利用條紋投影量測透明物體的系統，以解決習用技術所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種利用條紋投影量測透明物體的系統，其係將一穿透率呈弦狀分佈的條紋圖案投影在待測透明物體上，以感光裝置記錄穿透待測透明物體後的扭曲條紋分佈，並利用影像處理器分析該扭曲條紋，以辨識該待測透明物體的形貌。

為達上述之目的，本發明提供一種利用條紋投影量測透明物體的系統，用以量測一待測透明物體的形貌，該系統包含：一長焦深圖像產生裝置、一感光裝置及一影像處理器，其中該長焦深圖像產生裝置，生成一長焦深圖像，該長焦深圖像入射該待測透明物體；該感光裝置，接收該長焦深圖像入射該待測透明物體後，經折射所產生的一扭曲影像；以及該影像處理器，其電性連接至該感光裝置，該影像處理器預先儲存該長焦深圖像，其中該影像處理器分析該扭曲影像，並比對該扭曲影像與該長焦深圖像，據以辨識該待測透明物體的形貌。

在本發明之一實施例中，該長焦深圖像係一穿透率成弦狀分佈的條紋圖像。

在本發明之一實施例中，該長焦深圖像的條紋圖案具有灰階編碼，用以量測多斷面、形狀複雜的透明物體，或用以同時量測數個隨機散佈在空間中的透明物體。

在本發明之一實施例中，該長焦深圖像產生裝置包括：一道二維振幅式光柵、一任意光源及一廣角鏡，其中該任意光源，照射該二維振幅式光柵，以產生一組二維條紋圖像；該廣角鏡接收該二維條紋圖像之入射，並產生該長焦深圖像。

在本發明之一實施例中，該長焦深圖像產生裝置包括：一道二維振幅式光柵、一點光源及一凸透鏡。該點光源照射該二維振幅式光柵，以產生一組二維條紋圖像；及該凸透鏡，接收該二維條紋圖像之入射，並產生該長焦深圖像。

在本發明之一實施例中，該二維振幅式光柵係一道二維圖案全像片。

在本發明之一實施例中，該長焦深圖像產生裝置包括：一楊氏雙狹縫、一雷射光源及一凸透鏡。其中該雷射光源，入射該楊氏雙狹縫，並產生該長焦深圖像，該長焦深圖像係一組穿透率成弦狀分佈的一維條紋圖像，該凸透鏡可調整該一維條紋圖像的放大倍率及發散角度。

在本發明之一實施例中，該系統包含一移動機構，用以移動該待測透明物體，以便量測其不同部位之形貌；或者，該系統包含一旋轉機構，用以將該待測透明物體沿著順時針或逆時針方向旋轉，以便觀測在不同角度下入射所產生的扭曲影像，進而解析出該待測透明物體之形貌或折射率。

在本發明之一實施例中，該系統另包含一移動式屏幕，設置於該待測透明物體及感光裝置之間，其中來自該待測透明物體之扭曲影像先投影於該移動式屏幕，再由該感光裝置加以接收。

在本發明之一實施例中，該感光裝置係一電荷耦合元件攝像頭。

綜上所述，本發明所提出之利用條紋投影量測透明物體的系統，能有效觀測條紋投影在待測透明物體上的影像，架構簡單，穩定度高，能適用於噪音與振動的環境，而且適用於大尺寸的形貌檢測。本發明的量測原理，是將一穿透率呈弦狀分佈的長焦深條紋圖像，投影在待測透明物體上，並且以感光裝置記錄穿透物體後的條紋分佈。由於透明物體的折射率有別於空氣，因此該長焦深圖像在穿透待測物之後，將改變入射方向，進而由感光裝置取得形成扭曲的條紋影像，其扭曲程度和待測透明物體的外觀形狀、厚度、及折射率有關，接著利用影像處理器分析該扭曲條紋，以辨識該待測透明物體的形貌。本發明因此可將條紋投影量測透明物體的系統應用在各種光學檢測上，例如應用在光學工業如透鏡的形狀檢測、醫學工程如生物細胞的形狀分析、光纖通信如光纖外貌、破斷點的鑑定等應用領域。

110‧‧‧長焦深圖像產生裝置

120‧‧‧任意光源

122‧‧‧二維振幅式光柵

124‧‧‧廣角鏡

130‧‧‧雷射光源

132‧‧‧楊格式雙狹縫

135‧‧‧凸透鏡

140‧‧‧點光源

145‧‧‧凸透鏡

160‧‧‧待測透明物體

162‧‧‧移動機構

170‧‧‧移動式屏幕

180‧‧‧感光裝置

190‧‧‧影像處理器

第1圖：本發明第一實施例之利用條紋投影量測透明物體的形貌或折射率之系統示意圖。

第2圖：本發明第一實施例之長焦深圖像產生裝置之內部構件圖。

第3圖：本發明第一實施例之待測透明物體之光束折射示意圖。

第4圖：本發明第二實施例之長焦深圖像產生裝置之內部構件圖。

第5圖：本發明第二實施例之楊氏雙狹縫干涉之示意圖。

第6圖：本發明第三實施例之長焦深圖像產生裝置之內部構件圖。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。再者，本發明所提到的方向用語，例如上、下、頂、底、前、後、左、右、內、外、側面、周圍、中央、水平、橫向、垂直、縱向、軸向、徑向、最 上層或最下層等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

請參照第1圖，第1圖是本發明第一實施例之利用條紋投影量測透明物體的系統之示意圖，其包括：一長焦深圖像產生裝置110、一移動機構162、一移動式屏幕170、一感光裝置180及一影像處理器190，該系統用以量測一待測透明物體160的形貌。在第一實施例中，該待側透明物體160是以一平凸透鏡為例，但不限於此；其中該移動機構162用以移動該待測透明物體160，以便量測其不同部位之形貌；或者，該移動機構162也可以是一旋轉機構，用以將該待測透明物體沿著順時針或逆時針方向旋轉，以便觀測在不同角度下入射所產生的扭曲影像，如此一來，方有足夠的參數，用以解析出該待測透明物體之形貌或折射率；而該移動式屏幕170設置於該待測透明物體160及該感光裝置180之間；該感光裝置180例如係一電荷耦合元件攝像頭(Charge-Couple Device Camera)，用以拍攝該長焦深圖像產生裝置110所產生的長焦深(條紋)圖像；而該影像處理器190電性連接至該感光裝置180，其用以分析該感光裝置180所擷取的長焦深圖像。

請參照第2圖，第2圖是本發明第一實施例之長焦深圖像產生裝置之內部構件圖，在第一實施例中，該長焦深圖像產生裝置110包括一任意光源120、一道二維振幅式光柵122及一廣角鏡124。其中，該二維振幅式光柵122可以是二維圖案全像片。該任意光源120用以產生光束，照射該二維振幅式光柵122，以產生一組二維條紋圖像。之後，該廣角鏡124接收該二維條紋圖像之入射，然而，該廣角鏡124具有可產生長焦深的透鏡組設計，其前鏡組為凹透鏡，及後鏡組為凸透鏡，因凹透鏡與凸透鏡不同的折射效果，使該二維條紋圖像折射生成一長焦深(條紋)圖像，其中該長焦深圖像係一穿透率成弦狀分佈的條紋圖像。此外，由於二維振幅式光柵122的結構設計，該長焦深圖像的條紋圖案具有灰階編碼，如此在執行條紋圖像識別時，能有效防止錯誤判斷相鄰條紋位置，因此有助於量測多斷面、形狀複雜的透明物體，並有助於同時量測數個隨機散佈在空間中的透明物體。

第3圖為本發明第一實施例之待測透明物體之光束折射示意圖，x軸與z軸是對應於待測透明物體160的座標軸，由於該待測透明物體160是一平凸透鏡，兩側分別是凸側面及平側面，其中x軸設定為一平行於該平側面之方位座標，z軸則設定為由該平側面之中點的橫切方位座標，u軸是該移動式屏幕170設置之一第一位置之參考軸線，u’軸則是該移動式屏幕170移動後之一第二位置的參考軸線，d是該平側面與u軸之間的距離，而d’是該平側面與u’軸之間的距離。

經該廣角鏡124折射後的該長焦深圖像，接著入射至該待測透明物體160，其入射角度是θ₁，該長焦深圖像先通過該待測透明物體160的凸側面部分，經凸側面部分折射產生一折射角θ₂，扭曲影像再接著通過待測透明物體160的平側面部分，經平側面部分再次折射產生另一折射角θ₃。接著，沿著該折射角θ₃射出，來自該待測透明物體160之二次扭曲影像先投影於該移動式屏幕170，再由位於該移動式屏幕170另一側之該感光裝置180加以擷取接收。此外，該移動該移動式屏幕170可以移動(例如由u軸移動至u’軸)，以便讓該感光裝置180能擷取該移動式屏幕170在不同位置時產生的多個不同投影影像(含有不同扭曲程度的條紋)，用以進行多個投影影像的比較，有利於後續由該影像處理器190計算該待測透明物體160之形貌。此外，該移動機構162可沿該x軸方向移動該待測透明物體160，可便於量測該待測透明物體160其不同部位之形貌。當該移動機構162是旋轉機構時，更能以x、z軸交叉點為基準轉動該待測透明物體160，將該待測透明物體160沿著順時針或逆時針方向旋轉，以便觀測在不同角度下入射所產生的扭曲影像，如此一來，方有足夠的參數，用以解析出該待測透明物體160之形貌或折射率。

再者，該影像處理器190電性連接至該感光裝置180，並用以預先儲存該長焦深圖像，其中該影像處理器190分析該扭曲影像，並比對該扭曲影像與該長焦深圖像，據以辨識該待測透明物體160的形貌。由於本發明所述之長焦深圖像中，任意N道條紋的排序不重複；換言之，在長焦深圖像中，任意N道條紋皆是獨特的，經過該待測透明物體160的折射之後，該影像處理器190仍然可以在該感光裝置180所擷取到的扭曲影 像中，於已經扭曲的多道條紋內，找到所述獨特的N道條紋。據此，該影像處理器190比對該長焦深圖像的任一A圖塊，該A圖塊為多個條紋之組合，經待測透明物體160折射後，該A圖塊的圖像在該移動式屏幕170上，扭曲成像為一B圖塊，比對該A圖塊與該B圖塊，根據該A圖塊的條紋圖案在該B圖塊的扭曲程度，辨識該A圖塊投影至該待測透明物體的一C區塊之外觀形狀、厚度及折射率。利用該移動機構162多次移動或轉動該待測透明物體160，使該感光裝置180可以擷取該待測透明物體160其不同部位之形貌，同時也可移動該移動式屏幕170(例如由u軸移動至u’軸)，以便讓該感光裝置180擷取該移動式屏幕170在不同位置時產生的多個不同景深投影影像(含有不同扭曲程度的條紋)。藉此，即可利用該影像處理器190加以分析多筆扭曲影像，並比對該些扭曲影像與該長焦深圖像，以辨識出該待測透明物體160的整體形貌及厚度。

第4圖是本發明第二實施例之長焦深圖像產生裝置之內部構件圖。在本發明第二實施中，長焦深圖像產生裝置110可以由一雷射光源130、一楊氏雙狹縫132及一凸透鏡135所構成。其中雷射光源130入射該楊氏雙狹縫132，如第5圖楊氏雙狹縫干涉之示意圖，該雷射光源130所發出的雷射光波，如一般平行入射光透過狹縫S0所產生之效果。接著，光波再經過S1及S2兩個狹縫並產生干涉，進而產生該長焦深圖像，其中該長焦深圖像係一組穿透率成弦狀分佈的一維條紋圖像，而凸透鏡135，則用以調整該一維條紋圖像的放大倍率及發散角度。

第6圖是本發明第三實施例之長焦深圖像產生裝置之內部構件圖。在本發明第三實施例中，該長焦深圖像產生裝置110包括一點光源140、一道二維振幅式光柵122及一凸透鏡145，其中該點光源140用以照射該二維振幅式光柵122，以產生一組二維條紋圖像；該凸透鏡145用以接收該二維條紋圖像之入射，並產生該長焦深圖像。在第三實施例中，藉由該些構件的置換，亦可產生如同本發明第一實施例中的長焦深(條紋)圖像。此外，在本發明其他實施例中，該長焦深圖像產生裝置110也可由一雷射光源、一繞射光柵及一凸透鏡所構成，用以產生該長焦深圖像，藉由該些構件的運作，亦可產生如同本發明第一實施例中的長焦深(條紋)圖像。

綜上所述，本發明所提出之利用條紋投影量測透明物體的系統，能有效觀測條紋投影在待測透明物體上的影像，且架構簡單，穩定度高，能適用於噪音與振動的環境，而且適用於大尺寸的形貌檢測。本發明的量測原理，是將一穿透率呈弦狀分佈的長焦深圖像，投影在待測透明物體上，並且以感光裝置記錄穿透待測透明物體後的條紋分佈。由於待測透明物體的折射率有別於空氣，因此該長焦深圖像在穿透待測透明物體之後，將改變入射方向，進而在感光裝置上形成扭曲的條紋，其扭曲程度和待測透明物體的外觀形狀、厚度及折射率有關，並可藉由移動該移動式屏幕使該感光裝置擷取多個不同景深的投影影像(含有不同扭曲程度的條紋)，接著利用影像處理器分析該(些)扭曲條紋，並與該長焦深圖像比對，以辨識該待測透明物體的形貌。本發明因此可將條紋投影量測透明物體的系統應用在各種光學檢測上，例如應用在光學工業如透鏡的形狀檢測、醫學工程如生物細胞的形狀分析、光纖通信如光纖外貌、破斷點的鑑定等應用領域。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

110‧‧‧長焦深圖像產生裝置

160‧‧‧待測透明物體

162‧‧‧移動機構

170‧‧‧移動式屏幕

180‧‧‧感光裝置

190‧‧‧影像處理器

Claims (10)

1. 一種利用條紋投影量測透明物體的系統，用以量測一待測透明物體的形貌，該系統包含：一長焦深圖像產生裝置，生成一長焦深圖像，該長焦深圖像入射該待測透明物體；一感光裝置，接收該長焦深圖像入射該待測透明物體後，經折射所產生的一扭曲影像；及一影像處理器，其電性連接至該感光裝置，該影像處理器預先儲存該長焦深圖像，其中該影像處理器分析該扭曲影像，並比對該扭曲影像與該長焦深圖像，據以辨識該待測透明物體的形貌。
2. 如申請專利範圍第1項所述之利用條紋投影量測透明物體的系統，其中該長焦深圖像係一穿透率成弦狀分佈的條紋圖像。
3. 如申請專利範圍第2項所述之利用條紋投影量測透明物體的系統，其中該長焦深圖像的條紋圖案具有灰階編碼。
4. 如申請專利範圍第3項所述之利用條紋投影量測透明物體的系統，其中該長焦深圖像產生裝置包括：一道二維振幅式光柵；一任意光源，照射該二維振幅式光柵，以產生一組二維條紋圖像；及一廣角鏡，接收該二維條紋圖像之入射，並產生該長焦深圖像。
5. 如申請專利範圍第3項所述之利用條紋投影量測透明物體 的系統，其中該長焦深圖像產生裝置包括：一道二維振幅式光柵；一點光源，照射該二維振幅式光柵，以產生一組二維條紋圖像；及一凸透鏡，接收該二維條紋圖像之入射，並產生該長焦深圖像。
6. 如申請專利範圍第4或5項所述之利用條紋投影量測透明物體的系統，其中該二維振幅式光柵係一道二維圖案全像片。
7. 如申請專利範圍第2項所述之利用條紋投影量測透明物體的系統，其中該長焦深圖像產生裝置包括：一楊氏雙狹縫；一雷射光源，入射該楊氏雙狹縫，並產生該長焦深圖像，其中該長焦深圖像係一組穿透率成弦狀分佈的一維條紋圖像；及一凸透鏡，用以調整該一維條紋圖像的放大倍率及發散角度。
8. 如申請專利範圍第1項所述之利用條紋投影量測透明物體的系統，其中該系統另包含一移動機構，移動該待測透明物體，以便量測其不同部位之形貌；或者，該系統包含一旋轉機構，用以將該待測透明物體沿著順時針或逆時針方向旋轉，以便觀測在不同角度下入射所產生的扭曲影像，進而解析出該待測透明物體之形貌或折射率。
9. 如申請專利範圍第1項所述之利用條紋投影量測透明物體的系統，其中該系統另包含一移動式屏幕，設置於該待測 透明物體及感光裝置之間，其中來自該待測透明物體之扭曲影像先投影於該移動式屏幕，再由該感光裝置加以接收。
10. 如申請專利範圍第1項所述之利用條紋投影量測透明物體的系統，其中該感光裝置係一電荷耦合元件攝像頭。