TW202234020A

TW202234020A - 線形掃描彩色共焦量測系統

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Publication number: TW202234020A
Application number: TW111106642A
Authority: TW
Inventors: 陳亮嘉; 伍國瑋; 陳泓叡
Original assignee: 國立臺灣大學
Priority date: 2021-02-25
Filing date: 2022-02-23
Publication date: 2022-09-01
Also published as: TWI788231B; TWI807653B; TWI812025B; TW202311703A; TW202234127A; TW202311704A; TWI801149B

Abstract

本發明提供一種線形掃描彩色共焦量測系統，包括有一光源模組、一光學模組、一光導引模組以及一偵測模組。該光源模組，用以產生一線形偵測光。該光學模組用以接收該線形偵測光，該光學模組具有一色散物鏡，用以接收該線形偵測光，並將該線形偵測色散形成複數道具有不同聚焦深度的線形色散光投射到一待測物上，並從該待測物反射形成一線形測物光。其中，該色散物鏡具有一中心光軸，每一線形色散光具有複數道子色散光，分別投射到待測物上的不同位置，每一子色散光的光軸與該中心光軸平行，使得每一子色散光從該待測物上反射時被該色散物鏡所接收。該光導引模組，設置於該光源模組與該光學模組之間，用以根據一控制訊號改變該線形偵測光進入該色散物鏡的角度，進而改變投射至該待測物上的位置。該偵測模組接收該線形測物光，並將該線形測物光轉換成一光譜資訊。該光譜資訊可藉由適當峰值偵測演算法以及系統之深度反應校正曲線之轉換，可求得被測物體之形貌資訊。同時，藉由二維振鏡之掃描，可達到被測物體之全域三維形貌量測與重建之能力。

Description

線形掃描彩色共焦量測系統

本發明為一種光學量測技術，特別是指一種利用振鏡改變不同偵測光角度以對物體表面進行掃描而得到該物體表面形貌之一種線形掃描彩色共焦量測系統。

西元 1961 年Marvin Minsky 提出共焦顯微術(Confocal microscopy)。當待測物位於焦平面上時，感測器將接收到強烈的訊號；反之，若待測物所處位置非系統之焦平面時，其反射光無法通過空間濾波器，使感應器只獲得較小量的光強，此即為光學切片的原理。經由縱向深度掃描，可以得到在每個深度所對應到焦平面的成像，再經由橫向掃描，即可重建樣品之三維形貌。雖然透過深度與橫向位移掃描可以取得樣品表面形貌資訊，不過由於掃描是透過機構運動的方式來進行，受限於機構的限制，掃描會影響系統的量測速度、照明效率和精準度。

為了解決機構軸向移動掃描的問題，單點彩色共焦應運而生。習用之彩色共焦顯微系統中，由於光源產生之偵測光，經色散物鏡投射至待測物之光路，再經由待測物反射投射至光譜影像感測單元。雖然單點彩色共焦量測系統已不需軸向掃描，但若要重建樣品三維形貌，仍要進行橫向掃描。然而機械掃描會使量測速度受到限制。因此，習用技術中，有以光束掃描型式的單點彩色共焦量測系。藉由 X 軸與 Y 軸兩不同旋轉軸的振鏡，改變入射光進入光瞳的入射角，以此方式掃描整個視場，以解決機械移動產生的問題。儘管如此，此系統仍有一個問題為，因入射光角度不同，會導致場曲(field curvature)，因此量測出的深度資訊還需進行誤差校正，才能重建出正確的三維輪廓。

習用技術中，例如馬提斯(Matthias Hillenbrand)在2015年9月16日發表的技術”Design of confocal systems for spectral information coding”中教導了利用矩陣的偵測光來偵測待測物的表面形貌，透過改變矩陣偵測光投射位置完成待測物表面掃描偵測。在該技術中，雖然可以達到表面形貌偵測，然而由於透過矩陣偵測光偵測的方式，光譜分析時，如圖8所示，該圖為習用技術將由待測物反射的矩陣偵測光在光感測器展開成二維光譜示意圖。從圖中可以看出光感測器10上具有複數個矩陣排列的感測器100，每一列感測器是由多道偵測光共用，每一道偵測光所展開形成的一維光譜SP僅能佔用該列感測器中的部分，因此大幅降低了每一道偵測光能夠偵測到深度的解析度。

此外，傳統共焦顯微系統之光路徑顯然相當長(約320 mm)，因而減弱了單位面積光的強度，因此影像感測單元必須具有一定時間以上之曝光時間，以獲得足夠的反射光強，以利進行光譜分析，達到共焦形貌量測的效果。不過延長曝光時間會減低檢測速度，因此為了實現高速線上檢測，需搭配多波長且高功率輸出之高成本之燈源，大幅提昇投射至待測物上之單位面積光強值，以利縮短影像感測單元曝光所需要的時間，達到快速取像之效果。然而在彩色共焦技術發展中，最大的問題無疑是光效率的損耗過於嚴重，而這將會導致光打到樣品上的光強大幅降低，進而需增加曝光時間來讓足夠的反射光強能被光譜儀偵測，使得量測速度將會大幅受限。

綜合上述，因此需要一種線形掃描彩色共焦量測系統解決習用技術之問，此線形掃描能減少一個方向的掃描，而這將大幅提升量測速度。

本發明提供一種線形掃描彩色共焦量測系統，其係具有遠心特性(telecentric characteristic)，以避免不同軸向深度的量測範圍不一之常見問題，並且可以保持量測視野內之光學波前的一致性。此外，本發明採用線形照明搭配光學掃描振鏡，可以在量測範圍內快速進行全域性三維形貌的量測。透過線形照明與振鏡的組合，本發明之光學量測架構不需透過系統與樣品之間的相對運動，因此可完全避免平台移動時的震動影響且減少位移所造成的體積誤差。此外，振鏡旋轉小角度之響應時間遠小於過去多點式彩色共焦系統所用之空間濾波器，如數位微鏡裝置(DMD)、液晶面板(LCD)，或液晶覆矽面板(LCoS)等等其他方式，且所提出的線形照明為多個光纖排成線的形式具備多點式特性，其光的使用效率與傳統矩陣型照明相比更佳，因此可達更快速的量測。

本發明提供一種線形掃描彩色共焦量測系統，包括有一光源模組、一光學模組、一光導引模組以及偵測模組。該光源模組，用以產生一線形偵測光。該光學模組，用以接收該線形偵測光，該光學模組具有一色散物鏡，用以接收該線形偵測光，並將該線形偵測色散形成複數道具有不同聚焦深度的線形色散光投射到一待測物上，並從該待測物反射形成一線形測物光。該光導引模組，設置於該光源模組與該光學模組之間，用以根據一控制訊號改變該線形偵測光進入該色散物鏡的角度。該偵測模組接收該線形測物光，並將該線形測物光轉換成一光譜資訊。

在一實施例中，該光源模組更具有一發光源、一調製鏡組以及一空間調製元件。該發光源具有一第一特徵尺寸，用以產生具有一第一發散角度之一光場。該調製鏡組用以將該光場調製成該線形偵測光。該空間調製元件用以接收該線形偵測光，該空間調製元件具有一第二特徵尺寸的一開口，其中通過該開口中心的線形偵測光具有一第二發散角度。其中該第一特徵尺寸與該第一發散角度的乘積近似於或等於該第二特徵尺寸與該第二發散角度的乘積。在一實施例中，其係更具有一擴散元件設置於該發光源與該調製鏡組之間，用以調製該第一發散角度的大小。

在一實施例中，該光導引模組更包括有一振鏡元件以及一掃描透鏡。該振鏡元件，用以接收該線形偵測光。該掃描透鏡，用以將該線形偵測光聚焦於該色散物鏡之前焦處，然後進入該色散物鏡。其中，該掃描透鏡為一遠心掃描透鏡。

在下文將參考隨附圖式，可更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。類似數字始終指示類似元件。以下將以多種實施例配合圖式來說明線形掃描彩色共焦量測系統，然而，下述實施例並非用以限制本發明。

請參閱圖1A與圖1B所示，其中圖1A為本發明之線形掃描彩色共焦量測系統實施例示意圖；圖1B為本發明之光源模組之一實施例示意圖。在本實施例中，該量測系統2包括有一光源模組20、一光導引模組21、由色散物鏡22、聚焦透鏡24以及分光元件25所構成的一光學模組OM以及一偵測模組23。該光源模組20包括有一發光源200、一調製鏡組201a與201b以及一空間調製元件202。該發光源200為一寬頻光源，量測波長 450-650 nm 範圍內，需具有均勻且能量高的特性。該寬頻光源可以為例如：寬頻雷射光或者是白光光源，例如：電弧燈，如氙燈、汞弧燈，或是白光發光二極體等。在一實施例中，該寬頻雷射光可以為連續寬頻雷射光(supercontinuum laser)。在另一實施例中，因為連續寬頻雷射光的聚焦範圍小，使得擴散範圍小。因此，光學模組20內除了有發光源200之外，更包括有透鏡組202，以及調整發光源200發出之連續寬頻雷射光場的發散角度的擴散片(diffuser)203等光學元件，來調製光場的擴散範圍。

本實施例中，選用氙燈並搭配線型光纖導管，作為系統光源，使得出光形成具有特定寬度的線形光場。該調製鏡組201a接收該發光源200所發出的光場90，使得該光場90沿著單一方向聚焦成線狀的線形偵測光91。該空間調製元件202具有狹縫結構202a用以接收該線形偵測光91，對該線形偵測光91進行空間濾波。該調製鏡組201b再將從狹縫結構202a出來的線形偵測光91調製成準直的線形偵測光91。透過調製鏡組201a與201b聚焦發光源200所發出的光場90，可以讓光場90通過空間調製元件202的狹縫結構202a，提升光效率。狹縫結構202a的寬度與彩色共焦系統之量測表現息息相關，理論上，越接近無限小的寬度，雖使反射的光譜訊號具有最佳的軸向解析度，但越小的寬度代表可通過的光越弱，導致低訊噪比。因此可以採用具有可調整狹縫寬度202a的空間調製元件202，使解析度達到最佳表現。

為了增加光利用效率，發光源200的發光區域所具有的第一特徵尺寸D ₁、其產生的光場具有第一發散角度θ ₁。空間調製元件202上的狹縫結構202a，其開口具有第二特徵尺寸d ₂，以及通過狹縫結構202a中心的線形偵測光91具有第二發散角度θ ₂。該第一特徵尺寸D ₁、第一發散角度θ ₁、第二特徵尺寸d ₂，以及第二發散角度θ ₂維持著下式(1)的關係，使得偵測光利用率可以有效最大化，同時保有下游光學量測系統的空間解析能力。

…(1)

倘若

會導致光能的耗損，倘若

則會導致下游光學模組的收光角沒有被填滿，進而降低其空間解析能力。也就是說，通過空間調製元件之後光路所經過的所有光學元件可以根據演算可以得知其等效入瞳的尺寸。如果

會導致光區域超過入瞳的尺寸，而導致光能的耗損，倘若

則會導致入瞳尺寸將無法完全被填滿或者是只有部分偵測光入瞳，會降低其空間解析能力。入瞳的計算係屬於習用之技術，在此不做贅述。

該光導引模組21根據控制訊號改變該線形偵測光91的角度。在本實施例中，該光導引模組21在一實施例中，包括有一振鏡元件210(galvanometer element)以及一掃描透鏡(Scan Lens)211。在本實施例中，該振鏡元件210用以接收該線形偵測光91且置於掃描透鏡211入瞳之處，因此振鏡元件210之鏡面大小須配合掃描透鏡211之入瞳。由於本實施使用振鏡元件210，因此在振鏡元件210與色散物鏡22之間加上掃描透鏡211以將該線形偵測光91聚焦於該色散物鏡22之前焦面處，然後進入該色散物鏡。此掃描透鏡211可視為中繼透鏡(Relay Lens)，增加共軛焦點，使系統不受空間限制，便於執行光束掃描。

在本實施例中，掃描透鏡211為F-θ 掃描透鏡(F-θ Scan Lens) 。如圖2A與圖2B所示，其中，圖2A為習用平場掃描透鏡光學成像示意圖；圖2B為F-θ 掃描透鏡光學成像示意圖。相較於一般無畸變的平場掃描透鏡100，F-θ 掃描透鏡211在設計時，使鏡組具有特定的畸變(Distortion)，因此像高(h)變化從 h =F * tan θ ，變為像高與入射角度成線性關係 h =F *θ，其中 h 為像高，F 為掃描透鏡焦距，θ 為掃描角度。由於習用平場掃描透鏡211具有平場焦面，但掃描角度與成像位置並不為線性，而是正切關係， h = F* tanθ，當使用一般平場掃描透鏡時，由於像高變化為非線性(F*tanθ)，勻速的振鏡運動會造成曝光時間隨著掃描位置(像高)變化。因此，透過使用F-θ 掃描透鏡可以解決習用利用平場掃描透鏡而曝光時間隨著掃描位置(像高)變化的問題。

再回到圖1A所示，該色散物鏡22用以接收該線形偵測光91，並將該線形偵測光91色散形成線形色散光92，其係具有複數道具有不同聚焦深度的線形色散光92a~92c投射到一待測物S上，並從該待測物S反射形成線形測物光93。在圖1A中以RGB三色光92a~92c為代表。在本實施例中，色散物鏡22為雙遠心架構的色散物鏡。在光學中遠心的定義為系統之入瞳或出瞳在無窮遠處，若為入瞳位於無窮遠處，此系統即為物端遠心；若出瞳於無窮遠處，即為像端遠心；兩者都位於無窮遠，則為雙遠心系統，亦即入射與出射光之主光線皆平行於光軸。物端遠心的特性，如圖3A至圖3C所示，其中圖3A為非平場非遠心光學架構示意圖；圖3B為平場非遠心光學架構示意圖；圖3C為本發明之色散物鏡在物端遠心光學架構示意圖。在圖3A中，從掃描透鏡進入色散物鏡22的線形偵測光產生場曲效應，使得線形偵測光上每一道相同波長的色光具有不同的聚焦深度，如圖3A中的曲線99。圖3B中的色散物鏡22雖然具有平場的效果，但是因為兩側離軸光92因為相對於待測物S表面而言具有入射角度，使得反射光93’並沒有辦法進入到色散物鏡22，造成量測光資訊的損失。如圖3C所示，本發明之色散物鏡22使所有深度的放大倍率皆相等，且離軸點的場曲的現象較小，因而降低全域式系統的量測誤差。此外，由於每一線性色散光92a~92c具有複數道子色散光，例如線性色散光92a由子色散光92a0, 92a1, 92a2所構成，線性色散光92b由子色散光92b0, 92b1, 92b2所構成，線性色散光92c由子色散光92c0, 92c1, 92c2所構成。每一子色散光都具有光軸SOA。本發明之色散物鏡，因為具有物端與像端遠心的特點，因此對於每一到子色散光92a0~92a2, 92b0~92b2, 92c0~92c2而言，其光軸SOA平行於色散物鏡22的中心光軸OA，使得反射自待測物S的測物光，能全部被色散物鏡所接收而返回光學系統內，增加了系統的光效率。

此外，要說明的是，根據餘弦四次方定律(Cosine 4th Law)，照明區域中的光強分布，會隨著照明主光線角度增加，以餘弦四次方減弱，因此若像端(光源側)為非遠心的物鏡22’，離軸點的光強較光軸點的弱，且隨著離軸點距離越遠光強越弱，導致視場中照明分布不均，增加量測不確定性。例如：圖4A所示，光源200的光線投射至非遠心的色散物鏡22’，偏離中央軸CL偵測光90a其投射到物鏡22’數值孔鏡邊緣的光線因為具有角度θa而產生邊緣減光的問題。而於中央軸CL的偵測光90a的其投向物鏡22’數值孔鏡邊緣的光線具有角度θb，且小於θa，因此邊緣減光的問題相對較小。所以，對於非遠心色散物鏡22’而言，光源200投射到色散物鏡22’上會有照度分佈不均的問題。然而，由於本實施例的色散物鏡22在像端也為遠心架構的物鏡，如圖4B所示，從發光源200投射到色散物鏡22都是以固定的發光角度θc，因此可以減少邊緣減光的問題，使得視場中照明分布均勻。此外，在另一實施例中，色散物鏡除了雙遠心架構，更可以使數值孔徑不隨著波長變動，如此一來，所有深度皆具有相同的橫向解析度。

由於圖1A的色散物鏡22為遠心架構，因此為確保量測範圍內的任意點皆具有相同的光學表現，在另一實施例中，搭配的掃描透鏡211也必須具有遠心架構。如圖 5A所示，使用單純的平場掃描鏡100時，在進入色散物鏡22除了無法令遠心色散物鏡22的離軸點接收到所有的光能，還會因餘弦四次方定律及光源本身不均勻的光強角度分布，造成離軸點的光強較光軸點弱。反之，如圖5B所示，使用遠心掃描透鏡211可以解決非遠心掃描透鏡100所產生的問題。若在量測視場範圍內各點之光強不均勻，將限制量測系統的表現，使實際可量測的範圍縮小，因此需選擇具有遠心特性的掃描鏡才能維持好的光效率，且使量測範圍全域的光學表現一致。

在回到圖1A所示，該偵測模組23接收該線形測物光93，並將該線形測物光93轉換成一光譜資訊。在本實施例中，偵測模組23更包括有一空間濾波元件230以及一光譜感測單元231。該空間濾波元件230，接收該線形測物光93。本實施例中，該空間濾波元件230上具有開孔結構230a，例如：複數個一維陣列排列的針孔或者是狹縫結構。本實施例開孔結構230a為狹縫結構。為使系統探頭微小化，在一實施例中，偵測模組23中所使用的光學狹縫結構230a不同於照明模組20的可調式狹縫，使用的是玻璃鍍膜(coating)光學狹縫，最佳孔徑大小為光學繞射極限，選用寬度 15 μm 之狹縫作為感測端孔徑，但不以此為限制，使用者可以根據需要選擇適當大小的狹縫結構或針孔。該光譜感測單元231，接收通過該空間濾波元件230的線形測物光93，並將該線形測物光93轉換成該光譜資訊。

接下來說明本發明之線形掃描彩色共焦量測系統的操作方式。在第一時間點，如圖1A所示，掃描振鏡201轉動至第一角度θt0的位置。光源模組20產生的線形偵測光91投射至分光元件25經由分光元件25導引至掃描振鏡210。該線形偵測光91經由振鏡元件210反射到掃描透鏡211然後聚焦在色散物鏡22之前焦面後再投射到色散物鏡22。色散物鏡22再將線形偵測光91色散形成線形色散光92投射到待測物S上。如圖6A所示，由於線形偵測光91是寬頻光，因此在色散物鏡22色散成線形色散光92之後，線形色散光92中的每一道色散光92a~92c對應不同波長的色光具有不同的聚焦深度。

投射到待測物S之後，再由特定線區域P反射形成複數道線形測物光93。由於特定線區域P中的每一個位置，例如圖6A中的P0與P1，都具有一個深度，因此每一道色散偵測光90a~92c從對應的特定線區域P每一個偵測位置反射之後所形成測物光的各個波長成分中，具有最大光強的波長會隨著特定線區域P中每一個位置的深度而有所不同。再回到圖1A所示，反射的線形測物光93循著原來的光路通過色散物鏡22、掃描透鏡211、振鏡元件211然後進入分光元件25。線形測物光93被分光元件212a分光而進入到聚焦透鏡24，然後再被聚焦到空間濾波元件230。如圖6B所示，在一實施例中，每一道測物光93a~93c通過空間濾波元件230的開孔結構230a而被濾波。本實施例中的開孔結構230a為狹縫結構，用以濾除非焦面的色散光。例如圖6B中，O1~O4分別代表線形測物光93中由待測物上四個偵測位置所反射的測物光，每一測物光O1~O4由多個色散光波長所組成，其中只有對應物體表面深度的波長可以聚焦通過開孔結構230a，其他波長大部分會被開孔結構230a所濾除。通過開孔結構230a的線形測物光93被光譜感測單元231所接收。光譜感測單元231將圖6A中所對應線區域P上的每一偵測位置所發出的測物光進行光譜展開，可以得到通過每一線形測物光最大光強的波長分佈。然後再根據最大光強之波長分布得到對應該線區域P上每一位置的深度。信號演算模组26與光譜感測單元231電性連接，信號演算模组26根據該光譜資訊中最大光強之波長得到對應該測物光的特定位置P的深度。在一實施例中，信號演算模组26藉由適當峰值偵測演算法以及系統之深度反應校正曲線之轉換，可求得被測物體之形貌資訊，信號演算與轉換係為本領域技術之人所熟知，在此不作贅述。

如圖7所示，該圖為本發明之光譜展開示意圖。在一實施例中，光譜感測單元231內具有光感測器231a(例如：CCD感測器或CMOS感測器)。光感測器231a具有複數個感測元件S11~Snn，其數量代表光感測器231a的解析度，數量越多，代表可以深度解析度高，可以更準確的檢測待測物上線性偵測光所投射到的每一個位置所對應的表面深度。例如，在某一時間點上對應待測物被線形偵測光所投射的位置上所反射的線性測物光93(93S~93Sn)經過了空間濾波元件之後被光譜感測單元231所感測，每一個線形測物光上對應待測物上某一位置的測物光(以測物光93S為例)的光譜被展開而讓光感測器231a上對應測物光93S的感測元件S11~Sn1所感測。同理測物光93Sn被展開而讓光感測器231a上對應測物光93S的感測元件S1n~Snn所感測。因此每一線形測物光93經過光譜展開之後，並成二維的光譜資訊，其中每一維的感測元件，例如S11~Sn1, S12~Sn2等都可以建構成光波長與光強度關係的曲線，每一個曲線可以找到具有最大光強的波長，然後根據最大光強的波長即可決定對應的深度值。根據上述說明，本發明解析光譜時，可以讓光感測器231a全域所具有的感測元件S11~Snn都使用來感測掃描過程中所產生的每一線形測物光個光譜，提升了感測表面形貌的精度。

要說明的是，對於大尺寸的待測物而言，由於待測物S的表面形貌並沒有辦法一次性被投射到待測物S的線形偵測光92所完全覆蓋，因此需要透過掃描的方式以線形偵測光92對待測物S進行掃描。習用透過移動待測物S的方式會有機械振動或者是機構移動精度的限制，使得掃描解析度以及感測精度無法提升。因此在本實施例中，如圖6C所示，透過振鏡元件210的擺動可以控制投射至待測物S上的位置。在圖6C中，在第二時間點t1振鏡元件210改變了反射的角度，轉動了θt1角度的振鏡元件210’反射線形偵測光91，改變了投射到掃描透鏡211以及色散物鏡22的位置，進而改變了投射到待測物S上的位置。在圖6C中，可以看出振鏡元件210’改變了色散偵測光92投射到待測物S的位置相對於原本色散偵測光偏移了Δd。在一實施例中，Δd可以為1~5μm，但不以此為限制。偏移量Δd(1μm)可以小於習用機械移動的位移，使得振鏡元件210來控制偵測光束對待測物掃描可以進一步提升系統量測解析度，與量測速度。

以上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

2-線形掃描彩色共焦量測系統 20:光源模組 200:寬頻光源 201a:調製鏡組 201b:調製鏡組 202:透鏡組 203:擴散片 21:光導引模組 210:掃描振鏡 211:掃描透鏡 22:色散物鏡 23:偵測模組 230:空間濾波元件 230a:開孔結構 231:光譜感測單元 24:聚焦透鏡 25:分光元件 26:信號演算模组 90:光場 91:線形偵測光 92:線形色散光 92a~92c:色散光 93:線形測物光 93a~93c:測物光 93’:反射光 99:曲線 S:待測物 P:線區域 100:平場掃描透鏡

圖1A為本發明之線形掃描彩色共焦量測系統之一實施例示意圖。圖1B為本發明之光源模組之一實施例示意圖。圖1C為本發明之光源模組之一實施例示意圖。圖2A為習用平場掃描透鏡光學成像示意圖。圖2B為F-θ 掃描透鏡光學成像示意圖。圖3A為非平場非遠心光學架構示意圖。圖3B為平場非遠心光學架構示意圖。圖3C為本發明之色散物鏡在物端遠心光學架構示意圖。圖4A與圖4B分別為非遠心與遠心掃描透鏡光學效果示意圖。圖5A與圖5B分別為非遠心以及遠心掃描透鏡與色散物鏡組合之光學效果示意圖。圖6A為線形色散光投射至待測物示意圖。圖6B為線形測物光投射至空間濾波元件示意圖。圖6C為本發明之振鏡元件改變角度控制線形偵測光掃描待測物示意圖。圖7為本發明之光譜展開示意圖。圖8為習用技術將由待測物反射的矩陣偵測光在光感測器展開成二維光譜示意圖。

2:線形掃描彩色共焦量測系統

20:光源模組

21:光導引模組

210:掃描振鏡

211:掃描透鏡

22:色散物鏡

23:偵測模組

230:空間濾波元件

230a:開孔結構

231:光譜感測單元

24:聚焦透鏡

25:分光元件

26:信號演算模組

91:線形偵測光

92:線形色散光

92a~92c:色散光

93:線形測物光

S:待測物

P:線區域

Claims

一種線形掃描彩色共焦量測系統，包括：一光源模組，用以產生一線形偵測光；一光學模組，用以接收該線形偵測光，該光學模組具有一色散物鏡，用以接收該線形偵測光，並將該線形偵測色散形成複數道具有不同聚焦深度的線形色散光投射到一待測物上，並從該待測物反射形成一線形測物光，其中該色散物鏡具有一中心光軸，每一線形色散光具有複數道子色散光，分別投射到待測物上的不同位置，每一子色散光的光軸與該中心光軸平行，使得每一子色散光從該待測物上反射時被該色散物鏡所接收；一光導引模組，設置於該光源模組與該光學模組之間，用以根據一控制訊號改變該線形偵測光進入該色散物鏡的角度，進而改變投射至該待測物上的位置；一偵測模組，接收該線形測物光，並將該線形測物光轉換成一光譜資訊；以及一信號演算模组，藉由適當峰值偵測演算法以及系統之深度反應校正曲線之轉換，可求得被測物體之形貌資訊。
如請求項1所述之線形掃描彩色共焦量測系統，其中該光源模組更具有：一發光源，具有一第一特徵尺寸，用以產生具有一第一發散角度之一光場；一調製鏡組，用以將該光場調製成該線形偵測光；以及一空間調製元件，用以接收該線形偵測光，該空間調製元件具有一第二特徵尺寸的一開口，其中通過該開口中心的線形偵測光具有一第二發散角度；其中該第一特徵尺寸與該第一發散角度的乘積近似於或等於該第二特徵尺寸與該第二發散角度的乘積。
如請求項2所述之線形掃描彩色共焦量測系統，其係更具有一擴散元件設置於該發光源與該調製鏡組之間，用以調製該第一發散角度的大小。
如請求項1所述之線形掃描彩色共焦量測系統，其中該光導引模組更包括有：一振鏡元件，用以接收該線形偵測光；以及一掃描透鏡，用以將該線形偵測光聚焦於該色散物鏡之前，然後進入該色散物鏡。
如請求項4所述之線形掃描彩色共焦量測系統，其中該掃描透鏡為物端遠心以及像端遠心的一遠心掃描透鏡。
如請求項4所述之線形掃描彩色共焦量測系統，其中該掃描透鏡為F-θ 掃描透鏡，其曝光時間不會隨著掃描位置變化。
如請求項1所述之線形掃描彩色共焦量測系統，其中該色散物鏡為雙遠心色散物鏡。
如請求項1所述之線形掃描彩色共焦量測系統，其中該偵測模組更包括有：一空間濾波元件，接收該線形測物光；以及一光譜感測單元，接收通過該空間濾波元件的線形測物光，並將該線形測物光轉換成該光譜資訊。
如請求項8所述之線形掃描彩色共焦量測系統，其中該光譜感測單元內具有一光感測器，具有二維陣列分佈的感測元件，該光譜資訊為利用該二維陣列分佈的感測器將該線形測物光轉換成二維光譜資訊。