TWI431240B - 三維量測系統 - Google Patents

Description

三維量測系統

　　本發明係有關於一種三維量測系統，尤其是指一種針對軟薄及微小型工件，如微模具、微光柵、微透鏡、非球面鏡、微結構…等作三維表面形貌量測者。

　　隨著微機電與微奈米系統的興起，使得產品皆朝微小化、精密化發展，且微小化的製造過程中，必須要有精密的製造與檢測技術，來提升微小化產品的品質與可靠度。而檢測的技術一般可分為接觸式及非接觸式，其此兩種方式都各有優缺點。其中，接觸式之優點為：沒有傾斜與對焦的問題、不易受環境的影響、不易受反射率的影響；缺點是：不適合軟薄及微型工件、探頭半徑需補正、磨耗損壞、接觸力的控制。而非接觸式的優點是：適合軟薄及微型工件、不需探頭半徑補正、不會磨耗損害、無接觸力的問題；其缺點為：易受環境的影響、易受反射率的影響、傾斜與對焦的問題。

　　由上之說明可以得知，非接觸式的量測方式比較適合用於量測軟薄及微小型工件，對於待測工件脆弱的表面亦不會造成磨耗損壞，且因為無接觸力的問題，免除了因壓迫工件表面導致量測誤差，因此非接觸式的量測方式被廣泛的應用。

　　而就該非接觸式探頭的發展係以光學原理為主幹，配合電子訊號處理技術來達成各種量測目的。若以檢測器來做區分，可分為光學切換式（Ｏｐｔｉｃａｌ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｓｅｎｓｏｒ）、ＣＣＤ（Ｃｏｕｐｌｅｄ　Ｃｈａｒｇｅｄ　Ｄｅｖｉｃｅ﹐電荷耦合元件）取像技術及ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ﹐位置靈敏探測器）檢測方式。光學切換式探頭的原理近似機械式的觸發探頭，觸發源來自光學陰影的遮照，一般用於邊緣檢測或是位置檢測。ＣＣＤ則由於本身是由分離式的感光元件所構成，故易有不連續的情形發生，其精度除了決定於鏡組的放大倍率，也受到訊號處理速度與方式的影響。由於雷射光學探頭具有體積小、質量輕、單輸出光譜、穩定的波長、高功率之特色，因此常應用於工業檢測以及控制系統上，ＰＳＤ通常採用雷射光學探頭，目前成熟的雷射光學探頭有雷射三角量測法、雷射共焦回饋（Ｌａｓｅｒ　ｃｏｎｆｏｃａｌ　ｆｅｅｄｂａｃｋ　ｍｅｔｈｏｄ）方式、雷射散射法（Ｌａｓｅｒ　Ｓｃａｔｔｅｒ　Ｍｅｔｈｏｄ）與雷射干涉法（Ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）等方式。

　　惟，現階段此類儀器大多需仰賴國外廠商進口，其造價昂貴且體積龐大，尤其是干涉式顯微鏡或雷射自動對焦輪廓儀，因此，也有許多學者提出利用影像量測物體三維輪廓，並以CCD移動、CCD自旋等方式，求得物體深度，只是此種方式，因其擷取之影像是非連續性的，故量測的影像結果會呈現階梯效應，而造成量測上判斷錯誤。

　　本發明之主要目的係提供一種三維量測系統，係藉由透過光學式位移感測所得到之一維待測物表面輪廓數據與經影像擷取後所得之二維影像量測數據進行運算，進而得到一微小待測物表面的三維表面形貌者。

　　上述本發明之主要目的與功效，是由以下之具體技術手段所達成：

　　一種三維量測系統，係包括有一維光學位移感測裝置、二維影像量測裝置、成像透鏡、第二發光源、非偏極分光鏡、第二偏極分光鏡、顯微物鏡；該第二偏極分光鏡置於一維光學位移感測裝置與顯微物鏡之間，該非偏極分光鏡則置於該第二偏極分光鏡與該第二發光源之間；該一維光學位移感測裝置產生之光束經第二偏極分光鏡、顯微物鏡後再原路線返回，並在分析運算後得到待測物表面輪廓；該二維影像量測裝置則藉由該第二發光源經由非偏極分光鏡、第二偏極分光鏡、顯微物鏡到達待測物表面，由待測物表面反射而回之光束經顯微物鏡、第二偏極分光鏡、非偏極分光鏡、成像透鏡成像於該二維影像量測裝置之影像擷取裝置，以即時擷取待測物表面影像畫面，求得待測物之二維表面輪廓尺寸；接著再整合所測得之待測物表面輪廓數據與二維表面輪廓尺寸資料後，便能得到待測物之三維尺寸的形貌。

　　其中，該一維光學位移感測裝置包括有：一發光源、一分光鏡、一反射鏡、一準直鏡及一光感測器；當第一發光源之聚焦光束射向分光鏡後，經過反射鏡、準直鏡後成平行光束，再經由第二偏極分光鏡、顯微物鏡後聚焦在待測物表面上，且反射光束再循原路徑經顯微物鏡、第二偏極分光鏡、準直鏡、反射鏡、分光鏡後，投射至光感測器上，以經由光感測器量測到一Ｓ曲線的失焦訊號，並利用此失焦訊號之線性段為參考訊號，以記錄工件表面與物鏡相對位移量，進而得知待測物表面輪廓。

　　其中，該二維影像量測裝置包含一影像擷取單元，第二發光源之光束經由非偏極分光鏡、第二偏極分光鏡後與一維光學位移感測裝置之第一發光源產生之光束經由同軸光路，將兩道光同時通過第二物鏡照射在待測物上，於待測物上產生之反射光再經過第二偏極分光鏡、非偏極分光鏡、成像透鏡，最後成像於影像擷取單元上，接著再經影像擷取單元運算分析後，便能求得待測物之二維表面輪廓尺寸。

　　為令本發明所運用之技術內容、發明目的及其達成之功效有更完整且清楚的揭露，茲於下詳細說明之，並請一併參閱所揭之圖式及圖號：

　　首先，請參第一圖所示，其係揭示本發明三維量測系統的整體架構示意圖。

　　本發明之三維量測系統係包括有一組一維光學位移感測裝置（１）、一組二維影像量測裝置（２）、一成像透鏡（３）、一第二發光源（４）、一非偏極分光鏡（５）、一第二偏極分光鏡（６）及一顯微物鏡（７）；該第二偏極分光鏡（６）置於一維光學位移感測裝置（１）與顯微物鏡（７）之間，該非偏極分光鏡（５）則置於該第二偏極分光鏡（６）與該第二發光源（４）之間，該成像透鏡（３）置於該二維影像量測裝置（２）與該非偏極分光鏡（５）之間；是透過該一維光學位移感測裝置（１）經第二偏極分光鏡（６）與顯微物鏡（７）之光路感測一待測物（８）的表面輪廓，而藉由該二維影像量測裝置（２）擷取該第二發光源（４）經該非偏極分光鏡（５）、該第二偏極分光鏡（６）及該顯微物鏡（７）之光路而將待測物（８）的表面輪廓成像於成像透鏡（３）的表面影像畫面，以求得該待測物（８）之二維表面輪廓尺寸；接著再整合運算所測得之待測物（８）一維表面輪廓數據與二維表面輪廓尺寸資料後，便能得到該待測物（８）之三維尺寸的形貌。其中：

　　該一維光學位移感測裝置（１）包括有【以下併參第二圖】：一第一發光源（１１）、一分光鏡（１２）、一反射鏡（１３）、一準直鏡（Ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ　Ｌｅｎｓ）（１４）及一光感測器（１５）；該第一發光源（１１）為一雷射二極體（Ｌａｓｅｒ　Ｄｉｏｄｅ）用以發出一光束；該分光鏡（１２）由第一偏極分光鏡（１２１）及四分之一波片（１２２）所構成，係用以令該光束極化，且改變該光束之行進方向；該光感測器（１５）為四象限光感測器（ｆｏｕｒ－ｑｕａｄｒａｎｔ　ｐｈｏｔｏ　ｄｅｔｅｃｔｏｒ）。

　　又，本發明於該一維光學位移感測裝置（１）的光學聚焦之原理，係利用聚焦量測方法中之像散法，所謂像散法是指成像時橫向與縱向的成像位置不同，因此造成像點的失真，利用此一像散特性做為量測的依據，所以當該待測物（８）表面的位置在該顯微物鏡（７）的聚焦平面上，第一發光源（１１）之反射光經由該準直鏡（１４）、該反射鏡（１３）與該分光鏡（１２）會在該四象限光感測器（１５）上形成一個圓形區域；若該待測物（８）表面位於該顯微物鏡（７）的非聚焦區域，則經該準直鏡（１４）、該反射鏡（１３）與該分光鏡（１２）的反射光在該四象限光感測器（１５）上形成的形狀則為橢圓形。

　　即當該待測物（８）表面位於如第三圖A所示的非聚焦位置時，經該準直鏡（１４）、該反射鏡（１３）與該分光鏡（１２）後的反射光在四象限光感測器（１５）會形成鉛直橢圓形光點【以下併參第四A圖】；該四象限光感測器（１５）訊號經由聚焦誤差處理電路處理後為正電壓輸出【以下併參第五圖】；當該待測物（８）表面位於第三圖B所示的聚焦位置時，反射光在四象限光感測器（１５）上形成正圓形光點；該四象限光感測器（１５）訊號經聚焦誤差處理電路後為零電壓輸出；當該待測物（８）表面位於第三圖C的非聚焦位置時，反射光在四象限光感測器（１５）上形成水平橢圓光點；該四象限光感測器（１５）訊號經聚焦誤差訊號處理電路的處理後為負電壓輸出；因此第三圖中A、B與C之區域分別對應第四圖之A、B與C三個訊號處理圖形，此三個訊號處理圖形的電壓輸出構成第五圖之聚焦誤差S曲線〔橫軸為聚焦位置，縱軸為聚焦誤差電壓訊號〕，利用此聚焦誤差S曲線中的線性段作為參考訊號，以記錄待測物（８）表面與顯微物鏡相對位移量，進而得知待測物（８）表面輪廓。

　　該二維影像量測裝置（２）包含一影像擷取單元（２１），當該第二發光源（４）之光束經由該非偏極分光鏡（５）、該第二偏極分光鏡（６）後而與該一維光學位移感測裝置（１）之第一發光源（１１）的光束經由同軸光路，通過該顯微物鏡（７）照射在該待測物（８）表面上，由於該第二發光源（４）在經過第二偏極分光鏡（６）時，可將光源分為穿透光與反射光，該反射光會通過顯微物鏡（７）到待測物（８）表面，同時由待測物（８）表面反射回來的反射光在經過該第二偏極分光鏡（６）時，不會穿透第二偏極分光鏡（６）到一維光學位移感測裝置（１），故第二發光源（４）不會對一維光學位移感測裝置（１）造成訊號上的干擾。該第二發光源（４）之反射光接續通過非偏極分光鏡（５）、成像透鏡（３）最後成像於影像擷取單元（２１）上，接著再經影像擷取單元（２１）運算分析後，便能求得待測物之二維表面輪廓尺寸。

　　於是，本發明能透過該一維光學位移感測裝置（１）感測待測物（８）表面相對顯微物鏡（７）之聚焦位置，並經由四象限感測器量測到一聚焦誤差S曲線的失焦訊號，再以此失焦訊號之線性段為參考訊號，記錄待測物（８）表面與顯微物鏡（７）相對位移量，進而得知待測物（８）表面輪廓；同時，該第二發光源（４）發出之光線經由該非偏極分光鏡（５）、該第二偏極分光鏡（６）後通過該顯微物鏡（７）照射在該待測物（８）表面上，由待測物（８）表面反射回來的反射光經過該第二偏極分光鏡（６）、非偏極分光鏡（５）、成像透鏡（３）最後成像於影像擷取單元（２１）上，接著再經影像擷取單元（２１）運算分析後，便能求得待測物之二維表面輪廓尺寸。接著將所測得之一維待測物（８）表面輪廓及二維表面輪廓尺寸加以整合運算，便能得到微小待測物（８）的孔徑、圓心位置與幾何形狀…等三維尺寸形貌。

　　於進行待測物（８）表面的三維量測時，首先須先對焦，係利用一維光學位移感測裝置（１）之第一發光源（１１）的雷射光聚焦於一放置於平台上之反射鏡（圖中未表示），藉由反射回來的光源投射在該四象限光感測器（１５），調整該顯微物鏡（７）與該反射鏡之距離，使該四象限光感測器（１５）的光點在四象限的分佈相同，藉此達到對焦，再依序調整該二維影像量測裝置（２）之影像擷取單元（２１）使光點為最小，並固定影像擷取單元（２１）的位置；接著，將待測物（８）擺至適當的位置，並調整待測物（８）與顯微物鏡（７）之間的距離，使得一維光學位移感測裝置（１）及二維影像量測裝置（２）達到對焦的狀況。於完成對焦後，便能利用一維光學位移感測裝置（１）作為待測物（８）表面深度的量測，同時配合二維影像量測裝置（２）作表面輪廓之量測；該一維光學位移感測裝置（１）是經由最初對焦時所量測出之曲線的線性段建立出位置與電壓輸出的關係，得知位移量的變化；二維影像量測裝置（２）是將擷取出來的影像進行前置處理，將處理後的影像導入量測之公式，以對待測物（８）之幾何外型作像素（Ｐｉｘｅｌ）量化之動作，再配合成像原理推算出原始待測物（８）之尺寸大小；最後，再整合並運算一維光學位移感測裝置（１）及二維影像量測裝置（２）之資料後，即能得知待測物（８）之三維尺寸的形貌。

　　經由以上的說明，可知本發明利用一維光學位移感測裝置（１）搭配第二偏極分光鏡（６）與顯微物鏡（７）形成一維形貌的量測光路，以及二維影像量測裝置（２）配合成像透鏡（３）、第二發光源（４）、非偏極分光鏡（５）、第二偏極分光鏡（６）及顯微物鏡（７）所形成之二維形貌尺寸的量測光路，再將經二光路所量測得到之數據予以運算整合，最終即能取得微小待測物表面輪廓之三維形貌。因此，本發明與現有技術相較將至少具有如下所列之優點：

１、本發明之系統架構設計簡單，且方便實施，並能精確的量測得到待測物的三維表面形貌。

２、本發明之一維光學位移感測裝置因採用一自由度光學量測技術，其光學聚焦量測的方式具有極高的位移解析度，且不易受到如電容雜訊、電磁干擾、溼度、溫度變化…等環境因素影響其光學量測特性。

　　以上所舉者僅係本發明之部份實施例，並非用以限制本發明，致依本發明之創意精神及特徵，稍加變化修飾而成者，亦應包括在本專利範圍之內。

　　綜上所述，本發明實施例確能達到所預期之使用功效，又其所揭露之具體技術手段，不僅未曾見諸於同類產品中，亦未曾公開於申請前，誠已完全符合專利法之規定與要求，爰依法提出發明專利之申請，懇請惠予審查，並賜准專利，則實感德便。

(1)‧‧‧一維光學位移感測裝置

(11)‧‧‧第一發光源

(12)‧‧‧分光鏡

(121)‧‧‧第一偏極分光鏡

(122)‧‧‧四分之一波片

(13)‧‧‧反射鏡

(14)‧‧‧準直鏡

(15)‧‧‧光感測器

(2)‧‧‧二維影像量測裝置

(21)‧‧‧影像擷取單元

(3)‧‧‧成像透鏡

(4)‧‧‧第二發光源

(5)‧‧‧非偏極分光鏡

(6)‧‧‧第二偏極分光鏡

(7)‧‧‧顯微物鏡

(8)‧‧‧待測物

第一圖：本發明之三維量測系統架構示意圖

第二圖：本發明之一維光學位移感測裝置架構示意圖

第三圖：本發明所運用之像散法原理示意圖

第四圖：本發明四象限光感測器之訊號處理示意圖

第五圖：本發明四象限光感測器之失焦訊號Ｓ曲線示意圖

(1)‧‧‧一維光學位移感測裝置

(2)‧‧‧二維影像量測裝置

(21)‧‧‧影像擷取單元

(3)‧‧‧成像透鏡

(4)‧‧‧第二發光源

(5)‧‧‧非偏極分光鏡

(6)‧‧‧第二偏極分光鏡

(7)‧‧‧顯微物鏡

(8)‧‧‧待測物

Claims (6)

1. 一種三維量測系統，包括有一組一維光學位移感測裝置、一組二維影像量測裝置、一成像透鏡、一第二發光源、一非偏極分光鏡、一第二偏極分光鏡及一顯微物鏡；該第二偏極分光鏡置於一維光學位移感測裝置與顯微物鏡之間，該非偏極分光鏡則置於該第二偏極分光鏡與該第二發光源之間，且令該成像透鏡置於該二維影像量測裝置與該非偏極分光鏡之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中，該一維光學位移感測裝置包括有一第一發光源、一分光鏡、一反射鏡、一準直鏡及一光感測器；該第一發光源發射光束射向該分光鏡經該反射鏡並穿透該準直鏡後，此光束再經過該第二偏極分光鏡與該顯微物鏡，聚焦在待測物上，其反射光束再循原路徑經該顯微物鏡、該第二偏極分光鏡、該準直鏡、該反射鏡、該分光鏡後而投射至該光感測器上。
3. 如申請專利範圍第2項所述之系統，其中，該第一發光源為一雷射二極體。
4. 如申請專利範圍第2項所述之系統，其中，該分光鏡由第一偏極分光鏡及四分之一波片所構成，係用以令該光束極化，且改變該光束之行進方向。
5. 如申請專利範圍第2項所述之系統，其中，該光感測器為四象限光感測器。
6. 如申請專利範圍第1至5項中任意一項所述之系統，其中，該二維影像量測裝置包含一影像擷取單元，以擷取成像於成像鏡片上之影像。