TWI434022B

TWI434022B - 彩色共焦顯微系統及其訊號處理方法

Info

Publication number: TWI434022B
Application number: TW100143779A
Authority: TW
Inventors: Liang Chia Chen; Yi Wei Chang
Original assignee: Univ Nat Taipei Technology
Priority date: 2011-11-29
Filing date: 2011-11-29
Publication date: 2014-04-11
Also published as: TW201321714A; US9025245B2; US20130135715A1

Description

彩色共焦顯微系統及其訊號處理方法

本發明係為一種彩色共焦顯微技術，由其是指一種彩色共焦顯微系統及其訊號處理方法。

傳統之彩色共焦顯微系統，一般是架設於桌面上以進行垂直或橫向掃描來檢測待測物之表面形貌。由於系統體積大與占用空間之問題容易造成不便，對於待測物若是角度過大或是體積龐大的話，以桌上型之架構要進行量測將有其限制性。例如欲量測大型8吋晶圓上所形成之大型積體電路(large scale integration,LSI)晶片之凸塊高度，礙於機型架構無法即時變更，因而大幅地減少其實用性。

習用技術中，如美國公開US.Pub.No.2004/0051879則揭露一種共焦位移感測器，以量測待測物之表面形貌。在該技術中，分別利用兩組光源產生偵測光，然後利用兩組導光元件分別導引偵測光而投射至待測物上，由待測物上反射之面測物光則分別再經該兩組導光元件，而分別由每一組導光元件所對應的感測器接收。

另外，習用技術中有利用色彩感測單元來感測待測物表面的色彩強度比例，進而根據該色彩強度比例以及深度關係曲線進行演算而得到對應該色彩強度比例之表面深度。然而，在該技術中，會面臨到的問題是隨著待測物表面對RGB三顏色的反射率不同，而需要建立對應不同顏色反射率的深度關係曲線，因此對於檢測人員而言是相當不便。此外，由於習用技術中接收物光之架構多半利用狹縫的結構，因此常與失焦光和雜散光重疊而產生橫向干擾(cross talk)之雜訊，因此喪失了影像解析效果。

綜合上述，因此亟需一種彩色共焦顯微系統及其訊號處理方法來解決習用技術所產生之問題。

本發明提供一種彩色共焦顯微系統，其係具有一組色彩感測單元，利用色彩感測單元對於感測之濾波光焦距的擺設位置差異，使得該組色彩感測單元對於待測物上之同一位置的面測物光有不同的強度響應，再藉由不同強度響應的光強度的比例以克服待測物對於不同顏色之待測物有不同顏色反射率之問題。本發明提供一種彩色共焦顯微系統，其係具有可以將偵測光調制成線或面偵測光之第一光纖模組以及與該第一光纖模組共軛對應且對關於該線或面偵測光所形成的線或面測物光進行空間濾波而產生濾波光之一第二光纖模組，接收測物光之光纖模組內每一條光纖將濾除失焦光和雜散光，只允許聚焦光通過，因此可以避免因光點重疊而產生橫向干擾之雜訊，使得本發明之系統不僅可取得待測物之表面輪廓資訊，同時具有單點共焦之高解析效果。

本發明提供一種彩色共焦顯微系統之訊號處理方法，其係建立關於該系統之深度關係曲線，然後再根據待測物所反射的線或面測物光於一組色彩感測單元所得到的強度響應根據該深度關係曲線而得到線或面測物光所對應之待測物表面所具有的表面形貌。本發明提供一種彩色共焦顯微系統及其訊號處理方法，其係利用一次照射的情況下，經過濾波以及色彩感測單元以得知待測物表面所含有的顏色比例資訊，再根據深度關係曲線，即可得知待測物表面上對應每一個彩色感測單元之像素的位置所具有的表面深度，使得本發明之彩色共焦顯微系統可以對待測物進行有大面積的檢測，以縮短檢測所需之時間以及減少在檢測過程中，振動所造成的影響。在一實施例中，該彩色共焦顯微系統，包括一光源模組，其係提供一線或面偵測光；一色散物鏡，其係使該線或面偵測光產生軸向色散以形成複數個聚焦至不同深度之子光場，該複數個子光場係經由一待測物反射而形成一線或面測物光；一聚光與分光模組，其係將該線或面測物光分成一第一測物光以及一第二測物光；一組色彩感測單元，其係分別感測該第一測物光以及該第二測物光，而分別產生聚焦位置相互偏移的兩組三色光強度訊號，其中一組三色光強度訊號包含有一第一紅光強度訊號、一第一綠光強度訊號與一第一藍光強度訊號，而另一組三色光強度訊號則包含有一第二紅光強度訊號、一第二綠光強度訊號與一第二藍光強度訊號；以及一訊號處理單元，其係分別對該組色彩感測單元所感測到之該第一紅光、該第一綠光與該第一藍光強度訊號以及該第二紅光、該第二綠光與該第二藍光強度訊號進行反摺積運算消除橫向干擾，該訊號處理單元再對消除完橫向干擾之該第一紅光、該第一綠光與該第一藍光強度訊號以及該第二紅光、該第二綠光與該第二藍光強度訊號進行演算，以得到一紅光正規化聚焦比例指標、一綠光正規化聚焦比例指標以及一藍光正規化聚焦比例指標。在另一實施例中，本發明提供一種彩色共焦顯微系統之訊號處理方法，其係包括有下列步驟：提供一彩色共焦顯微系統，其係具有一色散物鏡以及一組色彩感測單元；建立關於該彩色共焦顯微系統之一深度關係曲線；提利用該色散物鏡係使一線或面偵測光產生軸向色散以形成複數個聚焦至不同深度之子光場，該複數個子光場係經由一待測物反射而形成一線或面測物光；將該線或面測物光分成一第一測物光以及一第二測物光，並使該第一測物光以及該第二測物光分別聚焦至一聚焦焦點；以該組色彩感測單元分別擷取關於該第一測物光以及該第二測物光，而分別產生聚焦位置相互偏移的兩組三色光強度訊號，其中一組三色光強度訊號包含有一第一紅光強度訊號、一第一綠光強度訊號與一第一藍光強度訊號以及另一組三色光強度訊號包含有一第二紅光強度訊號、一第二綠光強度訊號與一第二藍光強度訊號；分別以反摺積演算法消除該組色彩感測單元所感測到之該第一紅光、該第一綠光與該第一藍光強度訊號以及該第二紅光、該第二綠光與該第二藍光強度訊號的橫向干擾；對消除完橫向干擾之該第一紅光、該第一綠光與該第一藍光強度訊號以及該第二紅光、該第二綠光與該第二藍光強度訊號進行演算，以得到一紅光正規化聚焦比例指標、一綠光正規化聚焦比例指標以及一藍光正規化聚焦比例指標，再由該紅光正規化聚焦比例指標、該綠光正規化聚焦比例指標以及該藍光正規化聚焦比例指標選出一最大比例指標；以及根據該深度關係曲線以及該最大比例指標決定出該待測物表面位置之高度。

為使　貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更進一步的認知與瞭解，下文特將本發明之裝置的相關細部結構以及設計的理念原由進行說明，以使得審查委員可以了解本發明之特點，詳細說明陳述如下：請參閱圖一A所示，該圖係為本發明之彩色共焦顯微系統實施例示意圖。該彩色共焦顯微系統2具有一光源模組20、一色散物鏡22、一第二光纖模組23、一聚光與分光模組24、一組色彩感測單元25與26以及一訊號處理單元27。該光源模組20，其係可提供一面偵測光。本實施例中，該光源模組20包括有一光源200以及一第一光纖模組21。該光源200係提供一光束，該光束係為具有連續光譜之偵測光。該第一光纖模組21，其係具有複數條光纖，該第一光纖模組21以光纖接口單元210與該光源200相耦接以接收該光束，且以光纖接口單元211與一分光鏡28耦接，該光纖接口單元211係將該偵測光調制成一面偵測光。該偵測光係可以為線偵測光或者為面偵測光，本實施例中係以面偵測光來做說明。如圖二A所示，該圖係為本發明之第一光纖模組之光纖接口單元剖面第一實施例示意圖。在本實施例中，該光纖接口單元211內具有以二維陣列的排列之光纖2110。另外，如圖二B所示，該圖係為本發明之第一光纖模組之光纖接口單元剖面第二實施例示意圖。在本實施例中，該光纖接口單元211a內具有以一維陣列的排列之光纖2110。要說明的是，該光源模組20並不一定為圖一A中由光源200以及第一光纖模組21組合之結構，例如：該光源模組20亦可以為由複數個發光二極體所排列而成的線性或者是平面光源結構。又如圖二C所示，在該實施例中，該光纖接口單元211內具有以二維陣列的排列之光纖2110。另外，再透過具有線形開槽2120的板體212可以與該光纖接口單元211內一列的光纖對應，而產生線性偵測光。

再回到圖一A所示，該第一光纖模組21所產生之面偵測光經由該分光鏡28，而反射至該色散物鏡22。該色散物鏡，在本實施例中，主要係由兩個以上之色差透鏡220a與220b所構成，該色散物鏡係使該面入射光產生軸向色散，以形成複數個具有不同聚焦深度之子面光場90a、90b與90c(圖式以三個子面光場來表示)。每一個子面光場90a、90b與90c具有不同波長。至於該複數個子面光場係構成一連續光譜，其係可為可見光譜或者是不可見光譜。該複數個子面光場90a、90b與90c聚焦至一待測物8表面上。在本實施例中，該待測物係設置於一位移平台29上。該位移平台29至少需要可以進行Z軸方向的位移運動。此外，該位移平台29亦可以搭配X與Y軸方向的驅動單元，例如螺桿、導軌與馬達的組合以調整位移平台29在XY平面上之位置。要說明的是，雖然本實施例之色散物鏡22用來將面偵測光分成複數個子面光場，在另一實施例中，入射光亦可以為線偵測光。

該複數個子面光場投射至該待測物8上，並由該待測物8之表面反射而形成一面測物光。該面測物光經過色散物鏡22以及分光鏡28而被該第二光纖模組23接收。該第二光纖模組23同樣具有複數條光纖，在該第二光纖模組23之兩端分別具有一光纖接口單元230與231，其中光纖接口單元230與該分光鏡28耦接，而光纖接口單元231則與該聚光與分光模組24相耦接。同樣地，如圖二所示，光纖接口單元230與231之截面也是具有成二維陣列排列的光纖。請參閱圖三A與圖三B所示，該圖係為該第一光纖模組與該第二光纖模組之共軛關係示意圖。在圖三A中，第一光纖模組之光纖接口單元211內的光纖2110配置與該第二光纖模組之光纖接口單元230內的光纖2300之位置配置係呈點對點的共軛關係。

而在光路的部分，如圖三B所示，由光纖端部模組211內之一光纖所發出之偵測光經過待測物8表面反射、進入色散物鏡22、分光鏡28而由與該光纖接口單元230內與該光纖相對應位置之光纖所接收。當由待測物8表面反射之面測物光經由分光鏡28而投射入該第二光纖模組23之光纖接口單元230內時。該光纖接口單元230內呈現矩陣排列的光纖對該面測物光進行空間濾波而得到一濾波光，其中該濾波光係為對應待測物表面高度之多波長聚失焦光。由於光纖接口單元230內的每一條光纖只允許聚焦光通過，因此可以濾除失焦光和雜散光，以克服習用利用狹縫避免因光點重疊而產生相互橫向干擾(cross talk)之雜訊，進而增加光訊號解析度。另外，如圖三C所示，其係為線形排列光纖所形成的光纖端部模組211a與230a共軛關係示意圖。

再回到圖一A所示，該聚光與分光模組24，其係將該濾波光91分成一第一濾波光910以及一第二濾波光911。在本實施例中，該聚光與分光模組24具有一聚焦透鏡240以及一分光鏡241。其中，該聚焦透鏡240係可將該濾波光91聚光，而該分光鏡241接收被聚光之濾波光後，將其分成第一與第二濾波光910與911，該第一濾波光910與該第二濾波光911分別具有一聚焦焦點9100與9110。該組色彩感測單元25與26，其係分別感測該第一濾波光910以及該第二濾波光911，而分別產生聚焦位置相互偏移的兩組三色光強度訊號，其中一組三色光強度訊號包含有一第一紅光強度訊號、一第一綠光強度訊號與一第一藍光強度訊號，而另一組三色光強度訊號則包含有一第二紅光強度訊號、一第二綠光強度訊號與一第二藍光強度訊號。要產生相互偏移的兩組三色光強度訊號之方式，本實施例係為用該組色彩感測單元擺設在相對於對應之第一濾波光與第二濾波光之聚焦焦點位置的差異來達成聚焦位置相互偏移的兩組三色光強度訊號。色彩感測單元25或26，可以選擇為單一感測晶片的彩色CCD或者是具有三個獨立R、G與B感測晶片的彩色CCD。

其中，該色彩感測單元25相對於所對應之聚焦焦點9100具有一距離D₁ ，而另一色彩感測單元26相對於第二濾波光911之聚焦焦點9110具有一距離D₂ 。該組色彩感測單元25與26係分別擷取關於該第一濾波光910所包含之一第一紅光強度訊號、一第一綠光強度訊號與一第一藍光強度訊號以及該第二濾波光911包含之一第二紅光強度訊號、一第二綠光強度訊號與一第二藍光強度訊號。在圖一A之實施例中，該色彩感測單元25之光感測晶片250，係設置於第一濾波光910之聚焦焦點9100之前，亦即該聚焦焦點9100與該分光鏡241之間，而與該聚焦焦點9100相距一距離D₁ 。此外，另一色彩感測單元265之光感測晶片260則設置於該第二濾波光911之聚焦焦點9110之後，而與該聚焦焦點9110相距一距離D₂ 。在本實施例中，D1係為在焦點9100之前，D2則在點9110之後方。同理，D1係為在焦點9100之後，而D2則在點9110之前方亦可以達到量測的效果。

要說明的是，圖一A之色彩感測單元25與26之光感測晶片250與260之配置主要是要讓該色彩感應單元與所對應之濾波光之聚焦焦點間的距離不相同，使得當兩色彩感測單元25與26感測到第一濾波光910與第二濾波光911時，對於對應待測物8上之相同位置的第一濾波光910與第二濾波光911間有不同的強度響應，以克服因待測物表面之顏色所造成反射率上的差異，使得本發明之彩色共焦顯微系統可以因應不同顏色的待測物，而不需要建立對應不同顏色之深度關係曲線。基於前述的原則，如圖四A與圖四B所示，該圖係為本發明之彩色感測單元不同配置位置示意圖。在圖四A中，彩色感測單元25之光感測晶片250係設置於第一濾波光910之聚焦焦點9100的位置上；而色彩感測單元26之光感測晶片260所設置的位置則可以在第二濾波光之聚焦焦點9110前或者是後一特定距離。同樣地，如圖四B所示，彩色感測單元26之光感測晶片260係設置於第二濾波光911之聚焦焦點9110的位置上；而色彩感測單元25之光感測晶片250所設置的位置則可以在第一濾波光910之聚焦焦點9100前或者是後一特定距離。要說明的是，該色彩感測單元25與26系可選擇為線形的色彩感測單元或者是面形的色彩感測單元。該色彩感測單元可以是CCD感測器或者是CMOS感測器。

再回到圖一A所示，該彩色共焦顯微系統2之訊號處理單元27其係可以接收該彩色感測單元25與26所感測的光強度訊號並進行演算。該訊號處理單元27係具有一深度關係曲線，該訊號處理單元27係對該色彩感測單元25所感測之第一紅光強度訊號、第一綠光強度訊號與第一藍光強度訊號以及該色彩感測單元26所感測之第二紅光強度訊號、第二綠光強度訊號與第二藍光強度訊號進行演算，以得到一紅光正規化聚焦比例指標、一綠光正規化聚焦比例指標以及一藍光正規化聚焦比例指標，再由該紅光正規化聚焦比例指標、該綠光正規化聚焦比例指標以及該藍光正規化聚焦比例指標選出一最大比例指標，根據該深度關係曲線以及該最大比例指標決定出對應該面測物光所對應之待測物表面位置之高度。

除了圖一A之實施例外，彩色共焦顯微系統2亦可以如圖一B之配置。在圖一B之實施例中，基本上與圖一B類似，差異的是，在本實施例中，面測物光直接投射至該聚光與分光模組24中，再將該面測物光95分成一第一面測物光950以及一第二面測物光951，其於動作係如前述之圖一A之實施例所述，在此不作贅述。要說明的是，雖然在圖一B之實施例中，有藉由聚焦於反射元件4將面測物光導引至該聚光與分光模組24中，但反射元件4係為根據光路之設計而選擇設置的元件，並非為本實施例之必要元件。

另外，該反射元件4可以為反射鏡或者是微陣列反射元件，例如，數位微型反射鏡(digital micromirror device,DMD)或反射式矽基液晶(liquid crystal on silicon,LCoS)。該DMD反射元件可以透過電腦控制決定要反射之物光位置。如圖一C與圖一D所示，該圖係為DMD結構與控制反射示意圖。在DMD中具有複數個反射鏡40~47與40’~47’，每一個反射鏡可以藉由電腦來控制開與關的方式，來控制不同位置物光的反射，再透過不同時間點的控制，將物光反射到CCD感測器上相對應的像素上。例如在圖一C中，在第一時間點，控制反射鏡40~47來反射對應反射鏡位置的物光，而在第二時間點時，則如圖一D的方式，控制反射鏡40’~47’來反射物光。藉由這兩個時間點以讓CCD可以完全感測由物體表面所反射的物光，如此可以避免相鄰反射物光間的橫向的干擾，進而可以提升後續反摺積運算以消除橫向干擾的效果。

請參閱圖五所示，該圖係為本發明之彩色共焦顯微系統訊號處理方法流程示意圖。該方法3首先進行步驟30提供一彩色共焦顯微系統2。該彩色共焦顯微系統2係為如圖一A所示之架構，再此不作贅述，以下之出現之元件係根據圖一A所示之元件進行標號。接著以步驟31建立關於該彩色共焦顯微系統2之一深度關係曲線。該深度關係曲線係為對於光訊號強度與深度關係的曲線。如圖六A所示，該圖係為本發明之建立深度關係曲線流程示意圖。首先利用圖一A所示之架構，以步驟310在位移平台29上設置一參考校正平面，對該參考校正平面進行一垂直掃描，使該面偵測光投射至該參考校正平面上之一位置而成複數個分別聚焦至不同深度之校正面測物光。接著以步驟311使該第二光纖模組23對該校正面測物光進行空間濾波而得到一校正濾波光。該校正濾波光係為對應參考校正平面之多波長聚失焦光。在本步驟中，由參考校正平面所反射的面偵測光會經過第二光纖模組23與分光鏡28耦接的光纖接口單元230，由該光纖接口單元230內與陣列光纖會對該面偵測光進行空間濾波，使得只有具焦於光纖的光束才可以進入光纖內，其他無法聚焦的光會被濾除。

接著在步驟312中，藉由該第二光纖模組導引該校正濾波光，進入該聚光與分光模組24。該聚光與分光模組24內的聚焦透鏡240先對該校正濾波光聚焦，再經過該分光鏡241將該校正濾波光分成一第一校正濾波光以及一第二校正濾波光。在步驟312中，該第一校正濾波光以及該第二校正濾波光分別具有一聚焦焦點。

接著進行步驟313，使該組色彩感測單元25與26分別擷取關於不同掃描深度之該第一校正濾波光以得到一第一校正紅光強度曲線、一第一校正綠光強度曲線與一第一校正藍光強度曲線以及關於不同掃描深度之該第二校正濾波光以得到之一第二校正紅光強度曲線、一第二校正綠光強度曲線與一第二校正藍光強度曲線。如圖七所示，該圖係為第一校正濾波光與第二校正濾波光所含之光強度訊號示意圖。其中曲線920、921與922分別代表對應不同深度之第一校正紅光強度曲線、第一校正綠光強度曲線與第一校正藍光強度曲線，而曲線930、931與932則分別代表對應不同深度之第二校正紅光強度曲線、第二校正綠光強度曲線與第二校正藍光強度曲線。

接著進行步驟314分別對該對應不同深度之第一校正紅光強度曲線與該第二校正紅光強度曲線、該第一校正綠光強度曲線與該第二校正綠光強度曲線以及該第一校正藍光強度曲線與該第二校正藍光強度曲線進行一反摺積演算與一正規化聚焦比例指標演算，以分別得到一紅光深度關係曲線、一綠光深度關係曲線以及一藍光深度關係曲線。為了避免待測物對於不同顏色反射率的影響，在本步驟中的正規化聚焦比例指標演算方式係為將色彩感測單元25與26所分別感測到的紅光強度訊號、藍光強度訊號以及綠光強度訊號進行式(1)至(3)的演算，其中n _r 、n _g 與n _b 分別代表待測物對於紅光(R)、綠光(G)以及藍光(B)三顏色的反射率，而I _r (z )、I _g (z )與I _b (z )則代表經過演算後對應不同深度之光強度。I _604r (z )、I _604g (z )與I _604b (z )則代表色彩感測單元25所感測到的紅光、綠光與藍光強度訊號；而I _605r (z )、I _605g (z )與I _605b (z )則代表色彩感測單元26所感測到的紅光、綠光與藍光強度訊號。

I _r (z )=(n _r ×I _604r (z )-n _r ×I _605r (z ))/(n _r ×I _604r (z )+n _r ×I _605r (z )) (1)

I _g (z )=(n _g ×I _604g (z )-n _g ×I _605g (z ))/(n _g ×I _604g (z )+n _g ×I _605g (z )) (2)

I _b (z )=(n _b ×I _604b (z )-n _b ×I _605b (z ))/(n _b ×I _604b (z )+n _b ×I _605b (z )) (3)

將方程式(1)至(3)進行簡化之後，可以得到如(4)至(6)差動演算式所示的結果。

I _r (z )=(I _604r (z )-I _605r (z ))/(I _604r (z )+I _605r (z )) (4)

I _g (z )=(I _604g (z )-I _605g (z ))/(I _604g (z )+I _605g (z )) (5)

I _b (z )=(I _604b (z )-I _605b (z ))/(I _604b (z )+I _605b (z )) (6)

經過簡化的差動演算式(4)~(6)的方程式中，I _r (z )、I _g (z )與I _b (z )即代表各色光之正規化聚焦比例指標，也就是不會受到物體表面反射光強弱的影響，而可以正確反應出聚失焦因子的關係。根據上述，將如圖七所示之關於各個光強度曲線帶入至方程式(4)~(6)中，以得到紅光深度關係曲線、綠光深度關係曲線以及藍光深度關係曲線。在步驟314中，以校正紅光強度曲線為例，如圖八A所示，曲線920代表色彩感測單元25所感測到的紅光強度曲線，而曲線930則代表色彩感測單元26所感測到的紅光強度曲線。將圖八A中所有的值帶入至方程式(4)中，即可得到如圖八B所示之關係曲線圖。而圖八C所示，即為紅光、綠光以及藍光之深度關係曲線940、941與942。要說明的是，雖然前述利用面偵測光建立深度關係曲線，但是亦可利用線偵測光來建立。

此外，在另一實施例中，為了增加量測表面形貌的範圍，可以將式(5)進行調整，以形成如下式(7)所示：I _g (z )=(I _605g (z )-I _604g (z ))/(I _604g (z )+I _605g (z )) (7)

在式(7)中，所計算出來之深度關係曲線係為如圖八D所示之狀態。因為，在式(7)中的分子為色彩感測單元26 所感測到的光強度訊號減去色彩感測單元25所感測到的光強度訊號之差值，其係與式(5)相反。因此可以得到如圖八D之深度關係曲線943。將根據式(4)、(6)與(7)式所計算出的各色光的深度曲線組合，以形成如圖八E之狀態。其中曲線940,942,943分別代表根據式(4)、(6)與(7)所計算的結果。接著，將紅光與藍光深度關係曲線之線性區段映射所得之映射線性區段再與該綠光深度關係曲線之線性區段銜接組合以得到大量測範圍之深度關係曲線。接著進一步說明組合的方式，如圖八E所示，首先找出紅光深度曲線與綠光深度曲線的焦點C與綠光深度曲線與藍光深度曲線的交點C’。然後如圖八F所示，擷取線性區段CB與線性區段C’B’以及線性區段CC’。再將紅光深度曲線上交點C以上之線性區段CB進行上下映射翻轉以及對藍光深度曲線在交點C’以下之線性區段C’B’進行上下映射翻轉，最後將其組合以形成如圖八G所示之深度關係曲線95。

要說明的是，不論是圖八D或圖八G所示之深度關係曲線，都可以代表整個彩色共焦顯微系統的深度關係曲線。不過在另一實施例中，可以將該參考校正平面分成複數個對應色彩感測單元之感測像素之垂直掃描區域，然後利用前述之方法，透過改變該線或面偵測光投射至該參考校正平面之深度位置，然後建立對應每一個感測像素所具有之深度關係曲線。例如，如果色彩感測單元之解析度為640x480個像素的話，即可建立出307,200個深度關係曲線。

另外，要說明的是圖六A之所示之建立深度關係曲線流程係為使用圖一A之光學系統架構來實施。在另一實施例中，建立深度關係曲線流程亦可以使用如圖一B之光學系統架構來實施，其流程如圖六B配合圖一B所示。基本上圖六B之實施例流程中，步驟310a與圖六A之步驟310相同。在步驟311a中，使該校正面測物光聚焦至一反射元件4，而反射至一聚光與分光模組24。接著，進行步驟312a，該聚光與分光模組24內的聚焦透鏡先對該校正測物光聚焦，再經過該分光鏡將該校正測物光分成一第一校正測物光以及一第二校正測物光。然後，以步驟313a，使該組色彩感測單元25與26分別截取關於不同掃描深度之該第一校正測物光，而得到一第一校正紅光強度曲線、一第一校正綠光強度曲線與一第一校正藍光強度曲線以及關於不同掃描深度之該第二校正測物光，而得到一第二校正紅光強度曲線、一第二校正綠光強度曲線與一第二校正藍光強度曲線。最後再以步驟314a，分別對該對應不同深度之第一校正紅光強度曲線與該第二校正紅光強度曲線、該第一校正綠光強度曲線與該第二校正綠光強度曲線以及該第一校正藍光強度曲線與該第二校正藍光強度曲線進行一反摺積演算與一正規化聚焦比例指標演算，以分別得到一紅光深度關係曲線、一綠光深度關係曲線以及一藍光深度關係曲線。

再回到圖一A與圖五所示，建立深度關係曲線之後，以步驟32使一偵測光經由該第一光纖模組21之調制以形成一面偵測光，而投射至待測物8上而成一面測物光。接著進行步驟33，使該第二光纖模組23對該面測物光進行空間濾波而得到一濾波光。本步驟中，對應該待測物8表面之每一個位置的濾波光成分，都含有色彩強度的資訊。接著，再以步驟34將該濾波光分成一第一濾波光以及一第二濾波光，並使該第一濾波光以及該第二濾波光分別聚焦至一聚焦焦點。隨後，進行步驟35，以該組色彩感測單元25與26分別擷取該第一濾波光中所包含之對應待測物不同位置之一第一紅光強度訊號、一第一綠光強度訊號與一第一藍光強度訊號以及該第二濾波光包含之一第二紅光強度訊號、一第二綠光強度訊號與一第二藍光強度訊號。例如：假設色彩感測單元25具有640x480的像素解析度。則該第一濾波光中即含有640x480組第一紅光強度訊號、第一綠光強度訊號與第一藍光強度訊號。同理，對色彩感測單元26而言，該第二濾波光中也含有640x480組第二紅光強度訊號、第二綠光強度訊號與第二藍光強度訊號。

接著進行步驟36，對該複數組第一紅光強度訊號、第一綠光強度訊號與第一藍光強度訊號以及複數組第二紅光強度訊號、第二綠光強度訊號與第二藍光強度訊號進行演算，以得到一紅光正規化聚焦比例指標、一綠光正規化聚焦比例指標以及一藍光正規化聚焦比例指標。在本步驟中，演算的方式，係為將對應相同像素位置之第一紅光強度訊號、第一綠光強度訊號與第一藍光強度訊號以及第二紅光強度訊號、第二綠光強度訊號與第二藍光強度訊號帶入式(4)、(6)與(7)中。即可得到複數個關於待測物表面不同位置(或者是對應感測像素位置)之紅光正規化聚焦比例指標、綠光正規化聚焦比例指標以及藍光正規化聚焦比例指標。最後，再由步驟37由對待測物表面的每一個不同位置所具有之該紅光正規化聚焦比例指標、該綠光正規化聚焦比例指標以及該藍光正規化聚焦比例指標中，選出一最大比例指標，作為關於該位置深度之光強度序號，再根據圖八D或圖八G所示之深度關係曲線該最大比例指標決定出對應該面測物光所對應之待測物表面位置之高度。

由於圖八D與圖八G的深度關係曲線係為光強度與深度之間的關係，而在步驟37中已經得知最大比例指標，因此可以經由對應而找出該比例訊號所對應之深度位置。要說明的是，使用圖八D或者是圖八G之深度關係曲線可以有兩種態樣，第一種為不管是對應色彩感測單元哪一個像素，都是使用同一個深度關係曲線來進行。而第二種使用方式為先建立關於每一像素之深度關係曲線，然後視像素位置，選擇對應該像素位置之深度關係曲線來找出每一個像素位置所對應之待測物表面位置的深度。要說明的是，雖然前述利用面偵測光來量測物體表面深度，但不以面偵測光為限制，例如利用線偵測光來進行掃描量測亦可以利用前述之方式來完成物體表面形貌的量測。

另外，在另一實施例中，如圖九所示，該圖係為本發明之彩色共焦顯微系統訊號處理方法另一實施例流程示意圖。在本實施例中之訊號處理方法7中的步驟70~75，基本上與圖五的實施例類似，差異的是在步驟76的過程中，有對步驟75中的兩組光強度進行去除橫向干擾的處理。

在步驟75中的去除橫向干擾方式可以有很多種，本實施例係以反摺積的方式來進行處理。以面光源來說，量測系統採用面型CCD裝置來進行反射光源的接收，由於各個反射光點在CCD上聚焦時，並不是完全的單一聚焦點，因此CCD上的各個像素感測器之間所接收到的光強訊號，將有相鄰像素間信號產生橫向干擾的問題，而影響到每一個像素感測影像的解析度與品質。如圖十三所示，該圖係為CCD感測器中每一個感測像素的橫向干擾示意圖。圖十三中，CCD感測器5具有複數個像素感測器50~54。不過實際上，反射的物光投射到該CCD感測器時，對於每一個像素感測器50~54而言，其係可以感測到多個對應不同光強的光束，每一個光束具有一點擴散函數(Point spread function,PSF)。例如以像素感測器52為例，其係可以感測分別對應不同光纖所發出的光束60~62。其中光束60所係為對應像素感測器52的光纖所發出的光束所具有的點擴散函數。

由於面型CCD所取得之影像是原始影像經過點擴散函數摺積演算與雜訊干擾後所得到之資訊，如下式(8)所示。

其中，ν為橫向位置(lateral position)，為摺積運算，面型CCD感測器所接收到的反射光強訊號I '(λ ,ν )，原始光強分佈I (λ ,ν )與點擴散方程式h (ε ,ν )。而接收反射光強訊號I '(λ ,ν )則分別代表每一組光強度訊號中的其中之一色光強度訊號，例如：第一紅光強度訊號、第一綠光強度訊號與第一藍光強度訊號、第二紅光強度訊號、第二綠光強度訊號與第二藍光強度訊號。

橫向干擾的問題通常會以點擴散的方式將光強分佈到CCD的水平空間上，如圖十所示，其光強分佈擴散可表示如下式(9)所示。

其中α代表接物鏡之開口半角，r為極座標定義之半徑，J₁ 為第一階的貝索函數(first order Bessel function)，ν為橫向位置(lateral position)，ε為深度位置(depth position)，如果以單一平面來考量的話(ε =0)，其方程式可簡化為下式(10)所示：

因此，CCD感測器所接收到的反射光強訊號I '(λ ,ν )，則可以進一步表示成光強分佈I (λ ,ν )與點擴散方程式h (ε ,ν )的摺積關係式(11)，其示意如錯誤！找不到參照來源。 十一所示，其中標號96之曲線代表感測影像之光強分佈I '(λ ,ν )，標號97代表點擴散方程式h (ε ,ν )，標號98代表原始光強分佈I (λ ,ν )。由此可以看出經過反摺積演算，可以得到如圖十一中的曲線98的原始光強分佈I (λ ,ν )，相較於感測影像之光強分佈I '(λ ,ν )，曲線98兩側已經消減，代表已經去除橫向干擾。

NA：數值孔徑(numerical aperture)，z為聚失焦深度，λ為波長。

因為點擴散的問題而導致橫向干擾問題將會影響到各個點的波長與強度訊號曲線，會使得曲線的半高全寬值(Full Width at Half Modulation,FWHM)數值加大，進而影響到曲線峰值判斷之的準確性。因此，為了克服因橫向干擾問題，將提出以反摺積的演算方式來進行，可將方程式(11)轉換至頻率域中，其表示式(12)如下所示：

其中w 為頻域參數表示。將式(12)移項後，再進行由頻域轉換為時域之反轉換運算，即可還原獲得真實的反射光強度I (λ ,ν )為如式(13)所示：

I (λ ,ν )=F ^-1 (I '(w )/h (w ))　(13)

因此，由反摺積運算方式來獲得正確的光譜與光強的反射訊號，在峰值位置判斷將可提高其精確度，量測之深度解析度將獲得有效之提升。在此處將引入遞迴式的去模糊反摺積演算法(Lucy-Richardson deconvolution)。利用條件機率的貝氏定理反覆運算，並將去模糊處理前後的影像作比較，消除雜訊的部分，得到增強的結果。

其中o ⁽ ⁿ ⁺¹⁾ 是處理後所得到的影像，o ⁽ ⁿ ⁾ 為待處理之影像，h 為PSF方程式，i 是原始影像(當n=0時，o ⁽⁰⁾ =i )，是h 的自伴隨值。將各個不同深度位置之影像進行Lucy-Richardson deconvolution演算，結果如圖十二所示。在圖十二中，上半部的四個影像分別代表不同聚焦深度的CCD感測影像，而下半部的四個對應影像則分別代表經過消除橫向干擾演算處理的影像，可以清楚看出相較於上半部的影像是更清晰的影像。經由此影像反摺積可以將影像中的橫向交談消除後，再透過步驟77對消除完橫向交談干擾之影像中的該第一紅光強度訊號、該第一綠光強度訊號與該第一藍光強度訊號以及該第二紅光強度訊號、該第二綠光強度訊號與該第二藍光強度訊號進行演算，以得到一紅光正規化聚焦比例指標、一綠光正規化聚焦比例指標以及一藍光正規化聚焦比例指標，最後以步驟78而獲得一完整的波長與深度的校正線。步驟77與78之方式係如前述步驟36與37所述，在此不作贅述。由於本發明是將線或面偵測光，經由待測物反射以形成線或面測物光，再對該線或面測物光進行分析，因此可以在一次照射的情況下即可得知待測物表面上對應每一個彩色感測單元之像素的位置所具有的表面深度，進而快速建立出待測物之表面形貌。

惟以上所述者，僅為本發明之實施例，當不能以之限制本發明範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。

2．．．彩色共焦顯微系統

20．．．光源模組

200．．．光源

21．．．第一光纖模組

210、211、211a．．．光纖接口單元

2110．．．光纖

212．．．板體

2120．．．開槽

22．．．色散物鏡

220a、220b．．．色差透鏡

23．．．第二光纖模組

230、231、231a．．．光纖接口單元

2300．．．光纖

24．．．聚光與分光模組

240．．．聚焦透鏡

241．．．分光鏡

25、26．．．色彩感測單元

250、260．．．光感測晶片

27．．．訊號處理單元

28．．．分光鏡

29．．．位移平台

3、7．．．訊號處理方法

30~37．．．步驟

70~78．．．步驟

310~314．．．步驟

310a~314a．．．步驟

4．．．反射元件

40~47、40’~47’．．．反射鏡

5．．．CCD感測器

50~54．．．像素感測器

60~62．．．點擴散函數

8．．．待測物

90a、90b、90c．．．子面光場

91．．．濾波光

910．．．第一濾波光

911．．．第二濾波光

9100、9110．．．聚焦焦點

920、921、922、930、931、932．．．聚焦強度反應曲線

940、941、942、943．．．深度關係曲線

95．．．深度關係曲線

96．．．感測器訊號

97．．．擴散函數曲線

98．．．原始光強訊號

圖一A係為本發明之彩色共焦顯微系統第一實施例示意圖。

圖一B係為本發明之彩色共焦顯微系統第二實施例示意圖。

圖一C與圖一D係為DMD結構與控制反射光示意圖。

圖二A與圖二B係為本發明之第一光纖模組之光纖接口單元剖面示意圖。

圖二C係為本發明之第一光纖模組之光纖接口單元另一實施例示意圖。

圖三A與圖三B係為第一光纖模組與第二光纖模組之共軛關係示意圖。

圖三C係為線形第一光纖模組與線形第二光纖模組之共軛關係示意圖。

圖四A與圖四B係為本發明之彩色感測單元不同配置位置示意圖。

圖五係為本發明之彩色共焦顯微系統訊號處理方法流程示意圖。

圖六A與圖六B係為本發明之建立深度關係曲線流程示意圖。

圖七係為第一校正濾波光與第二校正濾波光所含之光強度訊號示意圖。

圖八A與圖八B係為本發明對應不同色彩感測單元所具有之校正紅光強度曲線以及深度關係曲線示意圖。

圖八C係為紅光、綠光以及藍光之深度關係曲線示意圖。

圖八D係為本發明之對應單一色光之深度關係曲線另一實施例示意圖。

圖八E係為本發明之紅光、綠光以及藍光之深度關係曲線另一示意圖。

圖八F與圖八G係為本發明將線性深度關係曲線段重組以形成大範圍之深度關係曲線示意圖。

圖九係為本發明之彩色共焦顯微系統訊號處理方法另一流程示意圖。

圖十係為擴散函數示意圖。

圖十一係為反摺積運算示意圖。

圖十二係為反摺積運算之實際影像處理示意圖。

圖十三係為CCD感測器中每一個感測像素的橫向干擾示意圖。