TWI402478B - 使用相位光罩之顯微量測系統及方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種顯微量測系統及方法,特別是關於一種藉由相位光罩延長景深之顯微量測系統及方法。
隨著科技的進步與發展,各式各樣的光學形貌量測技術也應運而生,其應用範圍包括:品管、航太、生醫、材料、光電等領域,其大多用來進行物品的光學檢測,因此與產品的品質及安全性息息相關。
形貌量測技術大致可分為「接觸式」與「非接觸式」兩種。「接觸式」的量測通常是以探針(probe)對待測物體表面進行形貌的資料收集。惟,此接觸式量測的資料收集時間過於冗長,而且探針有破壞待測物體表面的疑慮。再者,「非接觸式」又可分為光學式及非光學式,光學式上的量測技術可細分為「點量測式」、「全域量測」,其中「點量測式」包含三角測距及光點聚焦,「全域量測」包括光學的結構式圖案投影法(structure light)、疊紋干涉法(Moire interferometry)、條紋投影法(fringe projection)等方法。「點量測式」為逐點或逐線的掃描,因此量測整個外貌時,必須花費較多的時間,且必須擁有高精度的掃描系統。相較之下,「全域量測」可同時對待測物體做全面性的探測,由於量測時間縮短,受環境影響的程度較小,因此成為近年來形貌量測研究發展的主要方向。
在各種「非接觸-全域量測」的形貌檢測系統中,條紋投影輪廓儀(projected fringe profilometry,簡稱PFP)具有高精確度、不會破壞待測物體表面、可快速收集所需要的資料、不易受環境變化的影響等優點,因此非常適合當作三維形貌量測的檢測系統。
然而,由於微奈米技術日趨成熟,產品體積不斷縮小,對於條紋投影輪廓儀的在微小尺寸上的要求也越來越嚴苛。微米、奈米或毫米大小的待測物,往往需要以高倍率的光學系統(例如顯微鏡)來進行精密檢測。然而,放大倍率過高的光學系統,其成像景深(depth of field)往往過短,此處的「景深」是指待測物能產生較為清晰影像的最近點至最遠點的距離,即縱深景物的影像清晰範圍。當成像景深過短時,將限制對於待測物之深度方向的量測範圍,造成失焦影像模糊之情況,使得影像品質未能達到全對焦清晰程度。雖然一般光學量測可經由更換長景深鏡頭減少景深不足之問題。但是在顯微量測中,物鏡因放大倍率高,景深常為微米級,故即使換上長景深目鏡,對於景深的增加仍然有限,因此景深不足一直是顯微量測系統最主要的問題。
故,有必要提供一種使用相位光罩之顯微量測系統及方法,以解決習知技術所存在的問題。
本發明之主要目的在於提供一種使用相位光罩之顯微量測系統及方法,其中藉由使用非同調(incoherent)光源及光柵單元提供亮暗相間之條紋影像投影至待測物表面上,並利用透鏡組及相位光罩(phase mask)來調變反射後條紋影像之波前,當一影像擷取單元擷取條紋影像時,由一影像處理單元再利用反卷積演算法(de-convolution algorithm)延長影像擷取單元擷取條紋影像之景深,並根據條紋影像之扭曲程度來轉換成待測物之表面深度(曲度)變化,進而將影像處理還原成待測物之3D立體表面形貌影像,因此有利於提高顯微放大倍率、擴大深度量測範圍及提升三維量測精度。
為達上述之目的,本發明提供一種使用相位光罩之顯微量測系統,其包含:一非同調光源,用以提供一非同調光;一光柵單元,具有數個光柵開口,使通過該光柵開口後之非同調光形成亮暗相間之條紋影像,並投影至一待測物之表面上而產生扭曲條紋影像;一透鏡組,用以調整由該待測物之表面反射而來且通過該透鏡組之扭曲條紋影像的大小;一相位光罩,用以調變通過該透鏡組後之扭曲條紋影像之波前,以造成相位調變;一影像擷取單元,用以擷取通過該相位光罩後之扭曲條紋影像;以及,一影像處理單元,利用反卷積演算法延長該影像擷取單元擷取條紋影像之景深,並用以將該影像擷取單元擷取之扭曲條紋影像轉換處理成該待測物之立體表面形貌影像。
在本發明之一實施例中,該非同調光源及光柵單元排列在一直線上並組成一條紋影像投影組;該透鏡組、相位光罩、影像擷取單元及影像處理單元排列在另一直線上並組成一條紋影像擷取處理組,該條紋影像投影組與該條紋影像擷取處理組之間夾設有一夾角,使該條紋影像投影組產生之條紋影像由該待測物之表面反射至該條紋影像擷取處理組。
在本發明之一實施例中,該非同調光源係一白光點光源;該白光點光源選自鹵素燈。
在本發明之一實施例中,該光柵單元之光柵開口係正弦函數光柵開口。
在本發明之一實施例中,該相位光罩係包含一液晶空間光調制器(spatial light modulator,SLM)。
在本發明之一實施例中,該液晶空間光調制器之一光導入側具有一偏振片;該液晶空間光調制器之一光導出側具有一檢振片。
在本發明之一實施例中,該影像擷取單元選自電荷耦合元件(CCD)型或互補金屬氧化物半導體(CMOS)型之數位照相機。
另一方面,本發明提供一種使用相位光罩之顯微量測方法,其包含:藉由一非同調光源提供一非同調光;使該非同調光通過一光柵單元之數個光柵開口,以形成亮暗相間之條紋影像,並投影至一待測物之表面上而產生扭曲條紋影像;使由該待測物之表面反射而來之扭曲條紋影像通過一透鏡組,以調整該扭曲條紋影像的大小;利用一相位光罩調變通過該透鏡組後之扭曲條紋影像之波前,以造成相位調變;利用一影像擷取單元擷取通過該相位光罩後之扭曲條紋影像;以及,經由一影像處理單元利用反卷積演算法(de-convolution algorithm)延長該影像擷取單元擷取條紋影像之景深,並將該影像擷取單元擷取之扭曲條紋影像轉換處理成該待測物之立體表面形貌影像。
在本發明之一實施例中,藉由一外部灰階控制訊號來數位控制該相位光罩產生適當的灰階圖像,以調變通過該相位光罩之扭曲條紋影像之波前,以造成相位調變。
在本發明之一實施例中,該影像處理單元利用反卷積法延長影像之景深及傅立葉轉換法處理該扭曲條紋影像,以轉換獲得該扭曲條紋影像之纏繞相位及展開相位。
在本發明之一實施例中,該影像處理單元利用一參考平面資料與該待測物之纏繞相位及展開相位來進行光學三角量測法,以執行影像比對處理,進而將該纏繞相位及展開相位還原成該待測物之立體表面形貌影像。
在本發明之一實施例中,在未設置該相位光罩下,預先以一平板做為該待測物,並將該影像擷取單元擷取得到的影像利用該影像處理單元處理後做為該參考平面資料。
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。
本發明較佳實施例之使用相位光罩之顯微量測系統及方法屬於一種全域一非掃瞄式的三維形貌顯微量測系統及方法,其可藉由相位光罩的使用及反卷積演算法(de-convolution algorithm)來延長影像擷取單元擷取條紋影像之景深,以便將影像處理還原成待測物之精確3D立體表面形貌。
請參照第1及2圖所示,本發明較佳實施例之使用相位光罩之顯微量測系統主要包含一非同調光源1、一光柵單元2、一透鏡組3、一相位光罩4、一影像擷取單元5及一影像處理單元6,該顯微量測系統用以量測一待測物7之3D立體表面形貌,也就是該非同調光源1及光柵單元2排列在同一直線並組成一條紋影像投影組,其提供條紋影像之光線予該待測物7之表面,同時該透鏡組3、相位光罩4、影像擷取單元5及影像處理單元6排列在同一直線並組成一條紋影像擷取處理組,其用以對由該待測物7之表面反射而來之扭曲條紋影像進行相位調變、影像擷取及影像處理等程序,以將扭曲條紋影像還原成該待測物7之3D立體表面形貌的影像。在本發明中,該條紋影像投影組與該條紋影像擷取處理組通常設置該待測物7之前方左右二側,且該條紋影像投影組與該條紋影像擷取處理組之間較佳夾設有一適當夾角,以使該條紋影像投影組產生之條紋影像能順利由該待測物7之表面反射至該條紋影像擷取處理組。該夾角之範圍較佳介於15至90度之間,但並不限於此。
請參照第1及2圖所示,本發明較佳實施例之非同調光源1較佳為一白光點光源,特別是該白光點光源可選自鹵素燈,其中白光點光源在理論上具有景深無限長的優點,故可增加顯微量測系統在光源投影系統的焦深。該非同調光源1用以提供一除雷射以外之非同調光,例如白光。該光柵單元2係一不透光或半透光之薄片,例如底片,其具有數個光柵開口21。該光柵開口21之寬度及長度係依該待測物7之尺寸來設定,並不加以限定。該光柵開口21能使通過其間之非同調光形成亮暗相間之條紋影像,並投影至該待測物7之表面上而產生扭曲狀之投影條紋影像(projected fringe image),其中條紋影像發生扭曲的原因是因該待測物7之立體表面形貌所導致。當扭曲條紋影像進一步由該待測物7之表面反射,並通過該透鏡組3及相位光罩4而由該影像擷取單元5擷取後,該影像處理單元即可將擷取之扭曲條紋影像經由反卷積法(de-convolution)、傅立葉轉換法(Fourier transform method)及光學三角量測法(triangulation)來轉換處理成該待測物7之立體表面形貌影像,上述各計算法將於下文另予詳細說明。
請參照第1及2圖所示,本發明較佳實施例之透鏡組3至少包含一聚焦透鏡,例如使用直徑5公分及焦距5公分之聚焦透鏡。該透鏡組3用以接收由該待測物7之表面反射而來之扭曲條紋影像,並調整該扭曲條紋影像的大小,使扭曲條紋影像以適當大小投影到該相位光罩4上。在本發明中,該非同調光源1(白光點光源)及該透鏡組3(聚焦透鏡)係用以減少該透鏡組3焦深太短的問題,而該相位光罩4係用以減少景深太短的問題。該相位光罩4用以調變通過該透鏡組3之扭曲條紋影像之波前,以造成相位調變。在本實施例中,該相位光罩4係選用一液晶空間光調制器(spatial light modulator,SLM),其使用扭轉型線狀(twisted-nematic)液晶,也就是由許多具非等向性(anisotropic)的液晶分子所組成,可將其視為N層具雙折射(bi-refringent)特性的單光軸(uni-axial)晶體,其光軸方向即為液晶分子的長軸方向。經過配向處理後,液晶分子光軸在液晶單元胞(cell)內呈螺旋狀的扭轉,使液晶分子光軸產生一個夾角,此夾角稱為扭轉角(twist angle)。該液晶空間光調制器能以外部灰階控制訊號來數位控制液晶顯示面板中所施加的電壓大小,而不同之電壓會使得液晶分子扭轉不同的扭轉角,由於每個液晶分子都像是個雙折射晶體,因此會造成折射率的改變,產生不同的灰階圖像,而使通過光之相位能受到調制,上述液晶原理係屬已知技術,故於此不再予詳細說明。
雖然該液晶空間光調制器的調制形式並非是純相位(phase-only)的,且對振幅也會產生調制,但是當輸出光場改變時,只需改變控制液晶面板的外部數位控制信號即可,因此該相位光罩4較佳仍是選用液晶空間光調制器,以便提供較高之可調控性及使用便利性。此外,在另一實施例中,該相位光罩4亦可能利用半導體製程在一玻璃基板(未繪示)之表面上進行蝕刻,以形成數個凹槽,做為相位光罩構造。若使光線通過該玻璃基板時,射出的光波的振幅穿透率不會改變,且基於光程差不同將有0至2π的相位調制效果,而相位可變成介於0至2π之間的任意值,因此具有接近純相位的光調制特性,但其缺點是當光場分佈形式改變時,該玻璃基板也必需重新製作,故其設計成本相對偏高。
請再參照第1及2圖所示,當本發明較佳實施例之相位光罩4選用液晶空間光調制器時,該相位光罩4(液晶空間光調制器)之一光導入側具有一偏振片(polarizer)41,用以控制入射之條紋影像的偏振角度;同時,該相位光罩4(液晶空間光調制器)之一光導出側具有一檢振片(analyzer)42,用以觀察射出之條紋影像在各偏振角度的光強度。如此,本發明可藉由改變該偏振片41與檢偏片42的角度,以造成該相位光罩4產生不同的相位調制特性。由於不同的偏振片41與檢偏片42的角度將產生不同的相位調制特性。因此透過不同的偏振片41與檢偏片42的角度組合,該相位光罩4相位調制的範圍(0至2π)將隨著輸入灰階訊號圖像的灰階值(0至255)而改變。
請再參照第1及2圖所示,本發明較佳實施例之影像擷取單元5係可選自電荷耦合元件(charge coupled device,CCD)型或互補金屬氧化物半導體(complementary metal-oxide-semiconductor,CMOS)型之數位照相機,該影像擷取單元5可用以擷取通過該相位光罩4之扭曲條紋影像,其中在擷取影像前,該相位光罩4已延長了該影像擷取單元5擷取該扭曲條紋影像時之景深。該影像擷取單元5擷取之扭曲條紋影像將進一步以有線或無線的方式傳送至該影像處理單元6,該影像處理單元6係一電腦,其用以將該扭曲條紋影像經由光學三角量測法來轉換處理成該待測物7之立體表面形貌影像。
請參照第2圖所示,當使用本發明較佳實施例之使用相位光罩之顯微量測系統來量測一微小尺寸之待測物7時,首先由該非同調光源1(如白光點光源)提供一非同調光(如白光),並使該非同調光通過該光柵單元2之光柵開口21(如正弦函數光柵開口),而形成亮暗相間之條紋影像,如此可提供條紋影像投影至該待測物7之表面上,並因該待測物7表面高度的變化而產生扭曲,因此產生扭曲條紋影像。接著,扭曲條紋影像將由該待測物7之表面反射並通過該透鏡組3,如此該透鏡組3調整扭曲條紋影像的大小,使扭曲條紋影像適合通過該相位光罩4。隨後,藉由一外部灰階控制訊號來數位控制該相位光罩4(如液晶空間光調制器)產生適當的灰階圖像,以調變通過該相位光罩4之扭曲條紋影像之波前,以造成相位調變。接著,利用該影像擷取單元5擷取通過該相位光罩4後之扭曲條紋影像,其中該相位光罩4可延長該影像擷取單元5擷取該扭曲條紋影像時之景深。最後,利用該影像處理單元6將該影像擷取單元5擷取之扭曲條紋影像經由反卷積法(de-convolution)、傅立葉轉換法(Fourier transform method)及光學三角量測法來轉換處理成該待測物7之立體表面形貌影像。因此,不論該扭曲條紋影像之成像位置是否失焦,皆可利用該相位光罩4來彌補景深,並藉由影像處理來還原成立體表面形貌影像。
值得注意的是,請參照第3A、3B、3C、3D及3E圖所示,在本發明正式量測微小尺寸之待測物7之前,本發明較佳預先以一平板做為該待測物7,進行參考平面的資料取得。請參照第3A圖所示,當以一平板(如銅板)做為該待測物7且未設置該相位光罩4時,由於條紋影像投影組是以一傾斜角度(相對於平板表面之法線)投影至平板上,以及該透鏡組3本身像差的因素,造成在該影像擷取單元5擷取影像的成像面上只有中間數道條紋是清晰,而左右兩側的條紋為模糊,如第3B圖所示,當設置該相位光罩4後,該影像擷取單元5擷取的影像仍不清晰。但是,如第3C圖所示,當對該影像擷取單元5擷取的影像進行反卷積處理後,即可轉換得到中央及左右兩側皆為清晰的條紋影像。接著,如第3D圖所示,本發明將上述平板透過該相位光罩4增加景深後的扭曲條紋影像進一步利用傅立葉轉換法轉換,以獲得相位值介於±π之間的纏繞相位。最後,如第3E圖所示,再使用相位展開技術使其纏繞相位展開為連續狀之展開相位,此纏繞相位及展開相位即為該平板(待測物7)之參考平面資料。
請參照第4A、4B、4C、4D、4E、4F及4G圖所示,在取得參考平面資料之後,本發明即可正式量測微小尺寸之待測物7,並利用該參考平面資料進行光學三角量測法,以執行影像比對處理來獲得該待測物7之立體表面形貌影像。請參照第4A圖所示,當以一表面不平整的鋼板做為該待測物7且未設置該相位光罩4時,該影像擷取單元5擷取影像的成像面上只有中間數道條紋是清晰,而左右兩側的條紋為模糊,如第4B圖所示,當設置該相位光罩4後,該影像擷取單元5擷取的影像仍不清晰。但是,如第4C圖所示,當對該影像擷取單元5擷取的影像進行反卷積處理後,即可轉換得到中央及左右兩側皆為清晰的條紋影像。接著,如第4D圖所示,本發明將上述不平整鋼板透過該相位光罩4增加景深後的扭曲條紋影像進一步利用傅立葉轉換法轉換,以獲得相位值介於±π之間的纏繞相位。如第4E圖所示,再使用相位展開技術使其纏繞相位展開為連續狀之展開相位。最後,如第4F及4G圖所示,再利用該參考平面之資料與該待測物7之相位資料(纏繞相位及展開相位)來進行光學三角量測法,以執行影像比對處理,進而將相位資料(纏繞相位及展開相位)還原成該待測物7之立體表面形貌影像,其中第4G圖揭示該待測物7在第613列的橫切平面圖,其測得該待測物7表面之最大高度(39微米)及最小高度(11微米)之高度差約為28微米。
本發明另利用SE-3300型表面粗糙度量測儀,對相同待測物7作表面粗糙度分析,其測得該待測物7表面之最大及最小高度之高度差約為31.52微米。由表面粗糙度量測儀與本發明顯微量測系統所還原三維形貌之高度差比較,可得知本發明之精確值約為±3微米左右,由此可證明經過該相位光罩4確實可增加景深,而還原的三維立體表面形貌影像,其精確值在合理的誤差範圍內。
經實驗證明,即使該待測物7分別往後移動300或500微米(um)的距離來代表失焦的情況,依上述顯微量測方法來取得該待測物7之相位資料,並利用三角量測法還原成該待測物7之立體表面形貌影像,本發明仍可在失焦的情況下還原得到清晰的影像。由此可知,本發明利用該非同調光源1(白光點光源)可使該條紋影像投影組具有較大的焦深,而在該條紋影像擷取處理組中加入該相位光罩4及搭配該影像處理單元6之影像還原技術,則能使該條紋影像擷取處理組得到較大的景深,即使在失焦為500微米時亦能得到清晰的立體表面形貌影像。
上述顯微量測系統使用的反卷積法(de-convolution)可利用下列公式(1.1)代表:
其中Ii
為該影像擷取單元5所擷取到的影像;Io
為反卷積還原的影像;及為非相干(incoherent)成像系統的光學傳遞函數,其可利用下列公式(1.2)代表:
其中;P
為光瞳函數;“*”為共軛;u為空間頻率;及Ψ
為失焦參數,其可利用下列公式(1.3)代表:
其中L
為透鏡直徑;λ
為光的波長;f
為焦距;d o
為物距;及d i
為像距。
再者,上述顯微量測系統使用的傅立葉轉換法(Fourier transform method)來取得條紋影像的相位值,其優點在於只需拍一張條紋影像,即可偵測條紋影像的相位值,故能大幅縮短量測時間,其中傅立葉轉換法及其反轉換可分別利用下列公式(2.1)、(2.2)代表:
其中f
(x
)為任意空間訊號;F
(u
)為其傅立葉轉換;;f
(x
)為任意一點可積分且F
(u
)存在,而f
(x
)即為實際的空間光強度分佈,因此經常為實數函數,而F
(u
)為複數函數。
本發明利用傅立葉轉換將條紋影像從空間域轉換至頻率域,在此領域中將雜訊與直流項濾除,保留條紋影像之頻率並經由傅立葉反轉換將條紋影像之頻率還原回空間域,取得空間相位。假設於偵測平面光強度分佈如下列公式(2.3)所示:
i
(x
,y
)=a
(x
,y
)+b
(x
,y
)cos[2πu 0 x
+φ(x
,y
)]......................(2.3)
其中a
(x
,y
)與b
(x
,y
)分別為背景光強度與邊緣的調節振幅,公式(2.3)亦可表示為如下列公式(2.4)所示之複數指數函數:
利用公式(2.1)對公式(2.4)作x
項之傅立葉轉換可得空間條紋的頻譜分佈如下列公式(2.5)所示:
I
(u
,y
)=A
(u
,y
)+B
(u
-u 0
,y
)+B *
(u
-u 0
,y
).......................(2.5)
其中A
(u
,y
)為a
(x
,y
)之傅立葉轉換,為條紋影像之頻譜直流項部份,B *
(u
-u 0
,y
)為條紋影像之頻譜高頻雜訊項,透過特定的濾波方式將上述二項移除後,所餘B
(u
-u 0
,y
)即為條紋影像於頻譜之頻率,且條紋影像之相位經由下列公式(2.6)來計算:
由公式(2.6)所得的值稱之為纏繞相位φ,其值侷限在-π到π之間。因此,需要進一步將此不連續的相位展開為連續展開相位,此技術稱為相位展開技術(phase un-wrapping),將纏繞相位展開為連續展開相位。也就是,當相鄰的纏繞相位超過π時,將纏繞相位加(減)上2π的整數倍,使其展開後的每一點相位皆為絕對相位,連續展開相位可由下列公式(2.6)來計算:
φu
(x,y)=φ(x,y)+2nπ..........................................(2.7)
其中φn
為展開相位;φ為纏繞相位;及n為任意整數。
因此,經由相位展開後所的連續展開相位,進一步與三角量測法所得知相位與深度變化的關係比對,於是該待測物7即可還原其三維立體表面形貌影像。
上述顯微量測系統使用的光學三角量測法(triangulation)主要是根據空間幾何的關係,利用投影的條紋影像之條紋間距扭曲量轉換成與待測物縱深高度之間的關係。如第5圖所示,其揭示光學三角量測法之幾何示意圖,根據光束會以直線前進的特性,入射光線經由該待測物7之表面反射後皆保持在同一平面上,利用此一特性,便可在空間中建立一參考平面7’,將立體空間的關係簡化為平面的情形,再根據空間幾何的關係,進行三角關係的計算,取得條紋與待測物7縱深高度之間的關係。
如第5圖所示,光柵條紋經由與參考平面7’之法線O-O’夾θ0
的角度斜相入射,產生週期為d
之條紋,當光束落在參考平面7’上,會產生一道間距為d 0
之條紋由影像擷取單元所記錄。其中一道光束直線經過參考平面7’之M點,由M點反射後記錄於M’,而同一光束直線經過參考平面7’之M點並落在待測物7表面之Q點,由Q點反射後經過參考平面7’之N點,記錄於N '
點,P點為參考平面7’距離Q點最近之點,θ n
為Q-N’線與法線O-O’所夾的角。由空間幾何可知,待測物7之深度值與光束之間具有下式公式(3.1)、(3.2)所示之關係:
其中因此由式子(3.1)、(3.2)整理可得知條紋間距與深度之關係如下式公式(3.3)所示:
再者,M點和N點的距離為d 0
,其與投影光術之間距d
關係如下式公式(3.4)所示:
d
=d 0
cosθ0
...................................................(3.4)
當以相位值表示各點M、N之相位φ時,則可利用下式公式(3.5)表示:
由於落在參考平面上M點與待測物體上Q點為同一光束,故兩者的相位值φ相同,可利用下式公式(3.6)表示:
φ M
=φ Q
..........................................................(3.6)
將公式(3.5)、(3.6)代入公式(3.3)式便可得參考平面與待測物平面之縱深變化量與相位變化的關係式,且當θn
趨近於零,可利用下式公式(3.7)表示:
因此,即可由同一像素的參考平面與待測物表面之相位差(φ Q
-φ N
)求得高度差,並由高度差的數值來還原成如第4F及4G圖所示該待測物7之立體表面形貌影像。
如上所述,相較於習用顯微量測常因物鏡之放大倍率高而造成景深不足且無法藉由換上長景深目鏡來克服等問題,第1及2圖之本發明藉由使用該非同調光源1及光柵單元2提供亮暗相間之條紋影像投影至該待測物7之表面上,並利用該透鏡組3及相位光罩(phase mask)來調變反射後條紋影像之波前,及當一影像擷取單元擷取條紋影像時,由該影像處理單元6利用反卷積演算法延長該影像擷取單元5擷取條紋影像之景深,並根據條紋影像之扭曲程度來轉換成該待測物7之表面深度(曲度)變化,進而將影像處理還原成該待測物7之3D立體表面形貌影像,因此確實有利於提高顯微放大倍率、擴大深度量測範圍及提升三維量測精度。
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。
1...非同調光源
2...光柵單元
21...光柵開口
3...透鏡組
4...相位光罩
41...偏振片
42...檢振片
5...影像擷取單元
6...影像處理單元
7...待測物
7’...參考平面
第1圖:本發明較佳實施例之使用相位光罩之顯微量測系統之架構示意圖。
第2圖:本發明較佳實施例之使用相位光罩之顯微量測系統之使用示意圖。
第3A、3B、3C、3D及3E圖:本發明較佳實施例之使用相位光罩之顯微量測系統量測參考平面時之影像圖。
第4A、4B、4C、4D、4E、4F及4G圖:本發明較佳實施例之使用相位光罩之顯微量測系統量測實際待測物時之影像圖。
第5圖:本發明較佳實施例之使用相位光罩之顯微量測系統計算光學三角量測法之示意圖。
1...非同調光源
2...光柵單元
21...光柵開口
3...透鏡組
4...相位光罩
41...偏振片
42...檢振片
5...影像擷取單元
6...影像處理單元
7...待測物
Claims (20)
- 一種使用相位光罩之顯微量測系統,其包含:一非同調光源,用以提供一非同調光;一光柵單元,具有數個光柵開口,使通過該光柵開口後之非同調光形成亮暗相間之條紋影像,並投影至一待測物之表面上而產生扭曲條紋影像;一透鏡組,用以調整由該待測物之表面反射而來且通過該透鏡組之扭曲條紋影像的大小;一相位光罩,用以調變通過該透鏡組後之扭曲條紋影像之波前,以造成相位調變;一影像擷取單元,用以擷取通過該相位光罩後之扭曲條紋影像;及一影像處理單元,利用反卷積演算法延長該影像擷取單元擷取條紋影像之景深,並用以將該影像擷取單元擷取之扭曲條紋影像轉換處理成該待測物之立體表面形貌影像。
- 如申請專利範圍第1項所述之使用相位光罩之顯微量測系統,其中該非同調光源及光柵單元排列在一直線上並組成一條紋影像投影組;該透鏡組、相位光罩、影像擷取單元及影像處理單元排列在另一直線上並組成一條紋影像擷取處理組,該條紋影像投影組與該條紋影像擷取處理組之間夾設有一夾角,使該條紋影像投影組產生之條紋影像由該待測物之表面反射至該條紋影像擷取處理組。
- 如申請專利範圍第1項所述之使用相位光罩之顯微量測系統,其中該非同調光源係一白光點光源。
- 如申請專利範圍第1項所述之使用相位光罩之顯微量測系統,其中該光柵單元之光柵開口係正弦函數光柵開口。
- 如申請專利範圍第1項所述之使用相位光罩之顯微量測系統,其中該相位光罩係包含一液晶空間光調制器。
- 如申請專利範圍第5項所述之使用相位光罩之顯微量測系統,其中該液晶空間光調制器之一光導入側具有一偏振片。
- 如申請專利範圍第5項所述之使用相位光罩之顯微量測系統,其中該液晶空間光調制器之一光導出側具有一檢振片。
- 如申請專利範圍第1項所述之使用相位光罩之顯微量測系統,其中該影像擷取單元選自電荷耦合元件型或互補金屬氧化物半導體型之數位照相機。
- 一種使用相位光罩之顯微量測方法,其包含:藉由一非同調光源提供一非同調光;使該非同調光通過一光柵單元之數個光柵開口,以形成亮暗相間之條紋影像,並投影至一待測物之表面上而產生扭曲條紋影像;使由該待測物之表面反射而來之扭曲條紋影像通過一透鏡組,以調整該扭曲條紋影像的大小;利用一相位光罩調變通過該透鏡組後之扭曲條紋影像之波前,以造成相位調變;利用一影像擷取單元擷取通過該相位光罩後之扭曲條紋影像;及經由一影像處理單元利用反卷積演算法延長該影像擷取單元擷取條紋影像之景深,並將該影像擷取單元擷取之扭曲條紋影像轉換處理成該待測物之立體表面形貌影像。
- 如申請專利範圍第9項所述之使用相位光罩之顯微量測方法,其中該非同調光源及光柵單元排列在一直線上並組成一條紋影像投影組;該透鏡組、相位光罩、影像擷取單元及影像處理單元排列在另一直線上並組成一條紋影像擷取處理組,該條紋影像投影組與該條紋影像擷取處理組之間夾設有一夾角,使該條紋影像投影組產生之條紋影像由該待測物之表面反射至該條紋影像擷取處理組。
- 如申請專利範圍第9項所述之使用相位光罩之顯微量測方法,其中該非同調光源係一白光點光源。
- 如申請專利範圍第9項所述之使用相位光罩之顯微量測方法,其中該光柵單元之光柵開口係正弦函數光柵開口。
- 如申請專利範圍第9項所述之使用相位光罩之顯微量測方法,其中該相位光罩係包含一液晶空間光調制器。
- 如申請專利範圍第13項所述之使用相位光罩之顯微量測方法,其中該液晶空間光調制器之一光導入側具有一偏振片。
- 如申請專利範圍第13項所述之使用相位光罩之顯微量測方法,其中該液晶空間光調制器之一光導出側具有一檢振片。
- 如申請專利範圍第13項所述之使用相位光罩之顯微量測方法,其中藉由一外部灰階控制訊號來數位控制該相位光罩產生適當的灰階圖像,以調變通過該相位光罩之扭曲條紋影像之波前,以造成相位調變。
- 如申請專利範圍第9項所述之使用相位光罩之顯微量測方法,其中該影像擷取單元選自電荷耦合元件型或互補金屬氧化物半導體型之數位照相機。
- 如申請專利範圍第9項所述之使用相位光罩之顯微量測方法,其中該影像處理單元利用反卷積法及傅立葉轉換法處理該扭曲條紋影像,以轉換獲得該扭曲條紋影像之纏繞相位及展開相位。
- 如申請專利範圍第18項所述之使用相位光罩之顯微量測方法,其中該影像處理單元利用一參考平面資料與該待測物之纏繞相位及展開相位來進行光學三角量測法,以執行影像比對處理,進而將該纏繞相位及展開相位還原成該待測物之立體表面形貌影像。
- 如申請專利範圍第19項所述之使用相位光罩之顯微量測方法,其中在未設置該相位光罩下,預先以一平板做為該待測物,並將該影像擷取單元擷取得到的影像利用該影像處理單元處理後做為該參考平面資料。
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TW98136761A TWI402478B (zh) | 2009-10-29 | 2009-10-29 | 使用相位光罩之顯微量測系統及方法 |
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US20080151388A1 (en) * | 2004-09-03 | 2008-06-26 | Micron Technology Inc. | Apparatus and method for extended depth of field imaging |
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Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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W.Thomas Cathey and Edward R. Dowski , "New paradigm for imaging systems," Appl. Opt. Vol. 41, 6080-6092 (10 Oct. 2002) * |
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