TWI438399B - 表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統 - Google Patents

Description

表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統

一種重建及計算系統，尤其是指一種對於應力施加前後對測試物件的測試面的重建、測試面內外位移及測試面應變分佈計算系統。

干涉儀是廣泛應用於表面形貌進行量測，以非接觸式量測應用於半導體晶圓、液晶顯示器之玻璃面板…等。干涉儀的光路架設可分為Mirau、Linnik和Michelson三種類型，請參考「第1A圖」至「第1C圖」所示，「第1A圖」繪示為習知Mirau型式干涉儀架構示意圖；「第1B圖」繪示為習知Linnik型式干涉儀架構示意圖；「第1C圖」繪示為習知Michelson型式干涉儀架構示意圖。

Mirau型式的干涉儀101與Michelson型式的干涉儀103中的參考面與物鏡都已經固定，且整合在一個物鏡上而無法調整，一般光學廠商都已有現成的Mirau型式的干涉儀101與Michelson型式的干涉儀103，而Linnik型式的干涉儀102之光學架構在調整參考光光程上較有彈性，可自行組裝。

干涉原理是利用測試物件的測試面與參考光之間的光程差所產生的干涉波形以評估測試物件的測試面之光學特性，並配合影像擷取裝置與壓電致動器，可達到測試物件的測試面形貌量測，進而應用於測試物件的測試面尺寸、品質、缺陷…等。

在干涉儀的技術中，如中華民國第I274849號專利中是利用Mirau型式的干涉儀配合干涉波峰演算，是改良於美國第5633715號專利、美國第5133601號專利，及美國第5398113號專利之干 涉波形算法之電腦運算資量量龐大，而需消耗相當多時間等缺點，同時兼顧準量測確度與減少電腦運算時間；在應用部分，中華民國第I333059號專利中是利用干涉儀，量測硬式基板或軟性基板之表面輪廓與薄膜應力；在硬體創新部分，中華民國第I245926號專利是發明一種干涉掃描裝置，在每次量測時，須將量測試件在同一高度平移，自然獲得目前干涉儀升降之量測結果，提升掃描速度與精度。

然而，目前市面上的干涉儀，多以量測測試物件的測試面為目的，不同量測倍數對應於不同干涉裝置，相關專利多注重在計算干涉波形波峰位置、硬體改量以減少電腦運算時間及同時兼顧量測精確度與運算速度，但是干涉儀之硬體光機架構整合已固定，對於其他量測目的也相對受到侷限，基本上，目前相關研究大致較針對干涉圖譜之波形峰值演算法，比較少針對硬體架構進行改良，且發展出新的量測目的。

接著，數位影像量測原理是經由比對兩張影像的相關性以定出影像上各點的相對位置，例如：數位影像關係及質點影像量測技術…等，且因影像擷取裝置與電腦運算速度的進步，使得數位影像量測技術日益被受重視。

中華民國第201140494號專利的先前技術，揭露數位影像關係將所擷取的影像分割為複數個較小的子區域，請參考「第2圖」所示，「第2圖」繪示為習知測試物件變形前後的子區域對應影像示意圖。

子區域201是測試物件產生形變前經過分割的其中一形變前的子區域，而子區域202是測試物件產生形變後經過分割的其中 一形變前的子區域，並且為增加比對效果以及分析的準確度，經常於測試物件的測試面隨機製作不規則斑點圖紋(speckle patterns)，亦即子區域201與子區域202中所顯示的圖紋。

藉由影像擷取裝置所擷取之測試物件的影像。利用形變理論以及相關演算法，並比對形變前後測試物件的圖紋，可求得對應形變前子區域201的形變後子區域202，並且求出形變後子區域202的位移以及應變，經進一步分析並運算比對所有子區域，則可建立出測試物件的測試面全部的形變。

數位影像量測技術概分為二維及三維兩大類，二維數位影像關係是利用比對兩張數位影像，以取得所量測測試物件的位移與形變資料，並且被拍攝的測試物件與影像擷取裝置之間的距離需維持一定，才有較高量測精度，若拍攝的測試物件與影像擷取裝置之間的距離改變時，則會造成量測誤差並影像精度，則需要三維數位量測技術進行測量。

目前三維數位影像量測原理是與人眼辦識物體位置與距離的原理類似，同一測試物件的三維座標辦識，需要利用兩張於不同位置擷取到的測試物件的影像，比對兩張影像的相關性來定出影像上各點的相對位置，進一步判讀出測試物件在空間中的座標，於已發展的三維之量測技術中，擷取測試物件的兩張不同位置之影像的方式，大多使用二個影像擷取裝置以不同的角度拍攝測試物件，進而取得兩張不同角度拍攝的影像，利用二維數位影像量測技術定出影像中各點的對應關係，進一步維算出測試物件的三維空間座標。

如中華民國第201140494號專利的先前技術中揭露三維數位 影像關係(three dimensional digital image correlation，3D-DIC)為一種三維數位影像量測分析系統，其具有非接觸和非破壞的特性，並請參考「第3圖」所示，「第3圖」繪示為習知三維數位影像相關系統架構示意圖。

習知三維數位影像相關系統架構包含有第一影像擷取裝置301、第二影像擷取裝置302、光源303以及處理裝置304。第一影像擷取裝置301與第二影像擷取裝置302可為CCD相機或攝影機。

測試物件305設置於第一影像擷取裝置301以及第二影像擷取裝置302鏡頭的聚焦點，光源303投射均勻的光線於測試物件305，由第一影像擷取裝置301以及第二影像擷取裝置302同時取得測試物件305的測試面的影像，並將影像輸入處理裝置304進行影像的資料處理以及分析。

然而，上述的三維數位影像量測是以二台影像擷取裝置擷取兩張不同位置的影像，而二台影像擷取裝置的機械與光學性質不完全相同，以及二台影像擷取裝置的位置關係較為複雜，導致參數校正上產生較大的誤差而影像精度，所以先前技術使用二台影像擷取裝置以取得物體三維座標的量測在參數校正上的困難度高，並且檢測與運算繁複、不便利及測量成本高等問題。

請參考「第4圖」所示，「第4圖」繪示為習知三維座標的量測示意圖；中華民國第201124698號專利是揭露一種三維座標之量測是以三維數位影像量測裝置對測試物件進行三維座標的量測，以單一影像擷取裝置401先對測試物件402拍攝第一張影像，並藉由平移裝置(圖中未繪示)的移動使影像擷取裝置401與測 試物件402之間產生相對位移後，再由影像擷取裝置401拍攝第二張影像，並以控制裝置(圖中未繪示)對第一張影像與第二張影像，進行分析計算測試物件402的三維座標。

雖然使得拍攝第一張影像與第二張影像是處於相同的機械與光學條件，差異僅在於側向位移量，使參數校正上簡化、提高精度與降低成本，增加測量便利性與動態量測功效。然而，此需移動影像擷取裝置401或移動測試物件402產生相對位移，以達成測試物件的三維座標之量測。

綜上所述，可知先前技術中長期以來一直存在現有習知對於架構整合的限制與機械與光學性質造成參數校正複雜與誤差的問題，因此有必要提出改進的技術手段，來解決此一問題。

有鑒於先前技術存在現有習知對於架構整合的限制與機械與光學性質造成參數校正複雜與誤差的問題，本發明遂揭露一種表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統，其中：

本發明所揭露的表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統，其包含：光源、第一物鏡、針孔元件、一組透鏡、分光鏡、第二物鏡、測試物件、應力施加元件、光開關元件、第三物鏡、反射元件、接收裝置以及控制計算裝置。

其中，第一物鏡設於光源的一側，且光源發出的光線通過第一物鏡的光學中心；針孔元件設於第一物鏡出光處外側的焦點位置；所述透鏡設於針孔元件出光外側，且透鏡的光學中心與第一物鏡的光學中心設置於相同的中心軸上；分光鏡設於所述透鏡的出光外側，且分光鏡的光學中心與所述透鏡的光學中心設置於相 同的中心軸上，分光鏡用以將由所述透鏡所提供的入射光分為垂直反射經由第二出光側射出的第二分光以及通過分光鏡經由第一出光側射出的第一分光；第二物鏡設於分光鏡的第二出光外側且第二分光通過第二物鏡的光學中心，而第二物鏡透過移動平台沿第二物鏡的光學中心軸移動；測試物件設於第二物鏡的出光外側，而測試物件具有測試面，並且測試物件透過移動平台進行移動以及第二物鏡透過移動平台移動，以使第二物鏡的出光外側的焦點位置設於測試面上且平面掃描測試面；應力施加元件用以對測試物件施加應力；光開關元件設於分光鏡的第一出光外側，且藉由光開關元件的致能/禁能以決定第一分光是否通過光開關元件；第三物鏡設於光開關元件的出光外側，且第一分光通過第三物鏡的光學中心，而第三物鏡透過移動平台沿第三物鏡的光學中心軸移動；反射元件設於第三物鏡的出光外側，並且反射元件透過移動平台與位移致動器以及第三物鏡透過移動平台移動，以使第三物鏡的出光外側的焦點位置設於反射元件的光學中心上；接收裝置設於分光鏡的觀測外側，且接收裝置的光學中心與第二物鏡的光學中心設置於相同的中心軸上，其中：當光開關元件禁能時，藉由第二物鏡將第二分光反射回的光線通過分光鏡至接收裝置，以由接收裝置接收多個測試影像；及當光開關元件致能時，藉由第二物鏡將第二分光反射回的光線與藉由第三物鏡將第一分光反射回的光線於分光鏡中形成干涉且通過分光鏡至接收裝置，以由接收裝置接收多個干涉波形的影像；及控制計算裝置分別與每一個移動平台、位移致動器、應力施加元件、光開關元件與接收裝置相互電性連接，用以分別控制移動平台的移動定位、控制 位移致動器的作動、控制應力施加元件是否對測試物件施加應力以及控制光開關元件的致能/禁能，其中：控制計算裝置自接收裝置獲得多個測試影像，控制計算裝置依據影像接合與數位影像關係對測試物件的測試面進行三維表面重建；控制計算裝置自接收裝置獲得多個干涉波形的影像，控制計算裝置依據干涉波峰演算對測試物件的測試面進行三維表面重建；及依據應力施加元件對測試物件施加應力前後的測試面所重建的三維表面計算出測試面內外位移以及應力施加元件施加應力後測試面的二維應變分佈。

本發明所揭露的系統如上，與先前技術之間的差異在於本發明利用光開關元件切換參考光，分析測試物件形變前與形變後的影像，可量測測試物件的測試面表面、表面內外位移及表面二維應變分佈，並結合影像接合以增加測試物件的測試面量測範圍，即可降低測試物件掃描的複雜度與誤差，此量測系統不需移動影像擷取裝置或移動測試物件產生相對位移，達到三維座標及測試物件的測試面量測效果。

透過上述的技術手段，本發明可以達成降低測試物件掃描的複雜度與誤差以及影像處理時參數校正上簡化與提高精度的技術功效。

以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明的實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。

以下首先要說明本發明所揭露的表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統的架構，並請參考「第5圖」所示，「第5圖」 繪示為本發明表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統架構示意圖。

本發明所揭露的表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統，其包含下列元件：光源30、第一物鏡11、針孔元件12、一組透鏡13、分光鏡40、第二物鏡21、測試物件22、應力施加元件23、光開關元件14、第三物鏡15、反射元件16、接收裝置50以及控制計算裝置60。

首先，光源30是設置於第一物鏡11的入光外側(以「第5圖」所示光源30是設置於第一物鏡11的右方外側，圖式中僅為示意說明，並不以此侷限本發明的應用範疇)，以使得光源30所發出的光線可通過第一物鏡11的光學中心，而光源30是由鹵素燈所發出的白光光源作為實現，或是光源30是由紅外光產生器所發出的紅外光光源作為實現，在此僅為舉例說明之，並不以此侷限本發明的應用範疇。

接著，針孔元件12的針孔中心設置於第一物鏡11出光外側的焦點位置，亦即以「第5圖」所示針孔元件12的針孔中心位置設於第一物鏡11左方外側的焦點位置，圖式中僅為示意說明，並不以此侷限本發明的應用範疇，針孔元件12是用以作為空間濾波之用，以消除光源30中的高頻雜散光，藉以提升光源30的品質。

接著，所述透鏡13設於針孔元件12出光外側，亦即以「第5圖」所示所述透鏡13設於針孔元件12左方外側，圖式中僅為示意說明，並不以此侷限本發明的應用範疇，所述透鏡13是用以擷取光源中心區域以作為準直平行光，藉以提供分光鏡40平行光。

分光鏡40設於所述透鏡13的出光外側，亦即以「第5圖」 所示且分光鏡40設於所述透鏡13的左方外側，且分光鏡40的光學中心與所述透鏡13的光學中心設置於相同的中心軸上，圖式中僅為示意說明，並不以此侷限本發明的應用範疇，並且分光鏡40是用以將由所述透鏡13所提供的入射光分為垂直反射經由第二出光側射出的第二分光以及通過分光鏡40經由第一出光側射出的第一分光。

接著，第二物鏡21設於分光鏡40的第二出光外側且由分光鏡40所分出的第二分光會通過第二物鏡21的光學中心，亦即以「第5圖」所示第二物鏡21設於分光鏡40的上方外側，圖式中僅為示意說明，並不以此侷限本發明的應用範疇，而第二物鏡21透過移動平台71可沿著第二物鏡的光學中心軸移動定位，而由分光鏡40所分出的第二分光沿著第二物鏡的光學中心軸可通過第二物鏡21。

接著，測試物件22設於第二物鏡21的出光外側，亦即以「第5圖」所示測試物件22設於第二物鏡21的上方外側，圖式中僅為示意說明，並不以此侷限本發明的應用範疇，而測試物件22具有測試面221，並且測試物件22透過移動平台71可沿著第二物鏡的光學中心軸移動定位以及第二物鏡21透過移動平台71可沿著第二物鏡的光學中心軸移動定位，藉以使得第二物鏡21的上方外側的焦點位置設於測試物件22的測試面221上，而測試物件22透過移動平台71可沿著第一物鏡的光學中心軸移動定位，藉以使得測試物件22的測試面221可被平面掃描。

接著，應力施加元件23是用以對測試物件22施加應力，應力施加元件23是以雷射聚焦對測試物件22施加熱應力，或是以 物理方式對測試物件22施加應力或剪應力，藉以使得測試物件22在經過應力施加元件23的應力作用後形成對應的應變，在此僅為舉例說明之，並不以此侷限本發明的應用範疇。

接著，光開關元件14設於分光鏡40的第一出光外側，亦即以「第5圖」所示光開關元件14設於分光鏡40的左方外側，圖式中僅為示意說明，並不以此侷限本發明的應用範疇，且藉由光開關元件14的致能/禁能以決定由分光鏡40所分出的第一分光是否通過光開關元件14，即當光開關元件14禁能(即光開關元件14關閉)時，由分光鏡40所分出的第一分光即無法通過光開關元件14；而當光開關元件14致能(即光開關元件14開啟)時，由分光鏡40所分出的第一分光即可通過光開關元件14。

接著，第三物鏡15設於光開關元件14的出光外側，亦即以「第5圖」所示第三物鏡15設於光開關元件14的左方外側，圖式中僅為示意說明，並不以此侷限本發明的應用範疇，而第三物鏡15透過移動平台71可沿著第三物鏡的光學中心軸移動定位，而當第一分光通過光開關元件14時，第一分光沿著第三物鏡的光學中心軸即可通過第三物鏡15。

接著，反射元件16設於第三物鏡15的出光外側，亦即以「第5圖」所示反射元件16設於第三物鏡15的左方外側，圖式中僅為示意說明，並不以此侷限本發明的應用範疇，並且反射元件16透過移動平台71與位移致動器72可沿著第三物鏡的光學中心軸移動定位以及第三物鏡15透過移動平台71可沿著第三物鏡的光學中心軸移動定位，藉以使得第三物鏡15的出光外側(以及左方外側)的焦點位置設於反射元件16的光學中心上，且上述位移致動 器為以壓電致動器(PZT)作為位移單元。

而光源30所發出的光線通過第一物鏡11、針孔元件12、所述透鏡13至分光鏡40，以及由分光鏡40所分出的第一分光通過光開關元件14、第三物鏡15至反射元件16返回的光路徑定義為第一光軸10，而第一物鏡11的光學中心軸以及第三物鏡15的光學中心軸亦為第一光軸10。

由分光鏡40所分出的第二分光通過第二物鏡21至測試物件22返回至接收裝置50的光路徑定義為第二光軸，並且第一光軸10與第二光軸20彼此之間相互垂直，而第二物鏡21的光學中心軸亦為第二光軸20。

接著，請同時參考「第5圖」以及「第6圖」所示，「第6圖」繪示為本發明表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統的光路徑示意圖。

首先，光源30沿著第一光軸10所發出光線81可通過第一物鏡11，在光線81通過第一物鏡11後，會再藉由針孔元件12將光線81進行空間濾波，以消除光線81中的高頻雜散光，藉以提升光線81的品質。

接著，在光線81通過針孔元件12後，會再藉由所述透鏡13擷取光線81的中心區域以作為準直平行光，藉以提供分光鏡40平行光，而在光線81通過所述透鏡13後，會再藉由分光鏡40將沿第一光軸10且通過分光鏡40右方側的光線81分為沿第一光軸10且通過分光鏡40左方側的第一分光82以及沿第二光軸20且通過分光鏡40上方側的第二分光83。

而接收裝置50的光學中心設置於第二光軸20上，且接收裝 置50設於分光鏡40的下方外側，此時假設光開關元件14禁能(即光開關元件14關閉)時，藉由第二物鏡21將第二分光83反射回的光線通過分光鏡40至接收裝置50，以由接收裝置50接收多個測試影像；另外假設光開關元件14致能(即光開關元件14開啟)時，藉由第二物鏡21將第二分光83反射回的光線與藉由第三物鏡15將第一分光82反射回的光線於分光鏡40中形成干涉，且經由干涉的光線通過分光鏡40至接收裝置50，以由接收裝置50接收多個干涉波形的影像。

上述的接收裝置20是以感光耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)或是以互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)作為影像的成像單元。

而控制計算裝置60是分別與每一個移動平台71、位移致動器72、應力施加元件23、光開關元件14與接收裝置60相互電性連接，並由控制計算裝置60分別控制移動平台71的移動定位、控制位移致動器72的作動、控制應力施加元件23是否對測試物件22施加應力以及控制光開關元件14的致能/禁能，藉以達到上述各個元件的條件。

而當光開關元件14禁能(即光開關元件14關閉)時，藉由第二物鏡21將第二分光83反射回的光線通過分光鏡40至接收裝置50，以由接收裝置50接收多個測試影像，接收裝置50即可提供多個測試影像至控制計算裝置60，控制計算裝置60即可依據影像接合與數位影像關係對測試物件的測試面進行三維表面重建。

所謂的影像接合是找出多個測試影像中每一張影像的特徵 點，在依據每一張影像的特徵點的對應將多個測試影像組合為一張全域的影像，另外請參考「第7圖」所示，「第7圖」繪示為本發明表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統的數位影像關係示意圖。

數位影像關係(digital image correlation)為廣泛應用在全區域、非接觸式的應變量測，針對測試物件22的影像變形前及變形後的表面取得影像，並利用數值分析的方式找出變形後影像中特定區域中像素點的相對位移，進一步換算出測試物件22所產生的位移、角度與應變…等資料。

透過線性假設的前提下，以力學上各個方向多個應變因子(/、/、/、/、…等)來描述測試物件22變形後影像的形狀，一組變數代表著一種測試物件22變形的情形。

因此，測試物件22變形後影像中相對應的幾何座標位置可取得一組光學成像感應器響應值，套入代表判斷兩影像間關聯度的交相關函式中，可得到一組相關係數，以各種最佳化方式如基因演算法或重複疊代法對應變應子進行最佳化過程，理論上當應變因子最接近實際變形情形時會有最高的相關連係數，此時收斂條件及成立，代表應變因子組就是所欲求得變形的各項應變因子，然後將子影像的位移及應變比對後的結果輸出，提供一種對全區域的變形和位移作回報的量測方式，量測過程中只要將變形前後的影像輸入透過數位影像關係，便可判斷出全影像區域任意位置的變形和位移等參數。

對於分別代表從變形前後取得相同大小之影像特徵像量I₁ 與I₂ 陣列來說，必需建立一個衡量的指標來判斷其相依的程度，離散陣列的相依性可以用相關函數衡量I₁ 與I₂ 之間的關聯度，在統整過目前蒐集的文獻資料後，找出下列最為常用的正常化交相關係數與最小平方相關係數。

正常化交相關係數(normalized cross correlation coefficient)：

最小平方相關係數(least squares correlation coefficient)：

其中，Φ稱為相關函數(Cross-correlation coefficients)為一對特徵像量之間的相關性，I₁ 與I₂ 分別為取兩張不同影像相對應子影像之特徵像量，CZ為選定向量大小，在應用正常化交相關係數時只有當I₁ 與I₂ 完全相等時此值為1，若不為1則愈接近1表示其相似的程度愈高；相反的在應用最小平方相關係數時，不論是否經過正常化的手續，當I₁ 與I₂ 完全相等時Φ值將會等於0，若不為0則越低的Φ值表示其相似的程度，亦代表測試物件的變形量最小。

二維數位影像關係利用疊代得到互相係數r_ij 定義如下：

其中，量測點F (x _i ,y _j )為點(x _i ,y _j )在未變形前影像之像素強度或灰階值，量測點為點在變形後影像之像素強度或灰階值。與分別為量測點F 與量測點G 強度矩陣平均值。座標或格點(x _i ,y _j )與變形前後兩張影像之變形量，其移動垂直於攝影機光學中心之二維仿射轉換相關如下：

接著，請再次同時參考「第5圖」以及「第6圖」所示，當光開關元件14致能(即光開關元件14開啟)時，藉由第二物鏡21將第二分光83反射回的光線與藉由第三物鏡15將第一分光82反射回的光線於分光鏡40中形成干涉，且經由干涉的光線通過分光鏡40至接收裝置50，以由接收裝置50接收多個干涉波形的影像，接收裝置50即可提供多個干涉波形的影像至控制計算裝置60，控制計算裝置60即可依據干涉波峰演算對測試物件的測試面進行三維表面重建。

接著，請同時參考「第8圖」以及「第9圖」所示，「第8圖」繪示為本發明表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統的干涉波形示意圖；「第9圖」繪示為本發明表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統的干涉表面重建示意圖。

上述干涉波峰演算即是利用白光同調性短不易產生干涉的特性，透過頻率與振幅相近的光波，可以形成低同調性白光干涉波形91，相較於單頻光，白光干涉有雜訊少的優點，在求取三維表面資訊上，白光干涉利用兩道相同特性之光波在零光程差時波形對比最明顯之特性，來判定零光程差的發生位置，藉此取得待測物體的三維表面形貌變化。

當量測到量測點A時，其所對應的為第一干涉波形92，並求取干涉零光程差位置，即可決定出該像素點之待測物體高度，而當量測到量測點B時，其所對應的為第二干涉波形93，並求取干涉零光程差位置，即可決定出該像素點之待測物體高度，依此類推即可表示物體表面起伏將影響相機影像中每一像素點干涉波形的發生高度，依循此高度變化，求取干涉零光程差位置，即可決定出該像素點之待測物體高度，進而求出待測物的整體表面輪廓。

接著，請再次同時參考「第5圖」以及「第6圖」所示，最後，控制計算裝置60即可依據應力施加元件對測試物件施加應力前後的測試面所重建的三維表面計算出測試面內外位移以及應力施加元件施加應力後測試面的二維應變分佈。

接著，請同時參考「第5圖」、「第6圖」以及「第10圖」所示，「第10圖」繪示為本發明表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統的實作步驟流程圖。

首先，將測試物件22設置於移動平台71上(步驟101)，接著，將光開關元件14致能(即光開關元件14開啟，步驟102)，以使光源30沿著第一光軸10所發出光線81通過第一物鏡11、針孔元件12、所述透鏡13至分光鏡40，分光鏡40即可將光線81 分為沿第一光軸10且通過分光鏡40左方側的第一分光82以及沿第二光軸20且通過分光鏡40上方側的第二分光83。

接著，第二物鏡21將第二分光83反射回的光線與藉由第三物鏡15將第一分光82反射回的光線於分光鏡40中形成干涉，且經由干涉的光線通過分光鏡40至接收裝置50，以由接收裝置50接收應力施加前的多個干涉波形的影像，接收裝置50即可提供應力施加前的多個干涉波形的影像至控制計算裝置60，控制計算裝置60即可依據干涉波峰演算對應力施加前的測試物件22的測試面221進行三維表面重建，亦即找出干涉波形的最大強度位置，重建測試物件22的測試面221於應力施加前的三維表面重建，以量測測試物件22於應力施加前的表面輪廓(步驟103)，即可再透過每一張經過三維表面重建之後的結果再配合影像接合與數位影像關係，以完整重建應力施加前的測試物件22的測試面221(步驟104)。

在完成重建應力施加前的測試物件22的測試面221之後，即可將光開關元件14禁能(即光開關元件14關閉，步驟105)，以使光源30沿著第一光軸10所發出光線81通過第一物鏡11、針孔元件12、所述透鏡13至分光鏡40，分光鏡40即可將光線81分為沿第一光軸10且通過分光鏡40左方側的第一分光82以及沿第二光軸20且通過分光鏡40上方側的第二分光83。

接著，第二物鏡21將第二分光83反射回的光線通過分光鏡40至接收裝置50，以由接收裝置50接收應力施加前的多個測試影像，接收裝置50即可提供應力施加前的多個測試影像至控制計算裝置60，控制計算裝置60即可依據影像接合與數位影像關係， 以完整重建應力施加前的測試物件22的測試面221(步驟106)。

在完整重建應力施加前的測試物件22的測試面221之後，即可由控制計算裝置60控制應力施加元件23對測試物件22施加應力(例如是以雷射聚焦對測試物件22施加熱應力，步驟107)，並由第二物鏡21將第二分光83反射回的光線通過分光鏡40至接收裝置50，以由接收裝置50接收應力施加後的多個測試影像，接收裝置50即可提供應力施加後的多個測試影像至控制計算裝置60，控制計算裝置60即可依據影像接合與數位影像關係，以完整重建應力施加後的測試物件22的測試面221(步驟108)。

接著，由應力施加前的測試物件22的測試面221與應力施加後的測試物件22的測試面221經由數位影像關係，即可以計算出測試物件22的測試面221於應力施加後的二維應變分佈(步驟109)。

接著，再將光開關元件14致能(即光開關元件14開啟，步驟110)，以使光源30沿著第一光軸10所發出光線81通過第一物鏡11、針孔元件12、所述透鏡13至分光鏡40，分光鏡40即可將光線81分為沿第一光軸10且通過分光鏡40左方側的第一分光82以及沿第二光軸20且通過分光鏡40上方側的第二分光83。

接著，第二物鏡21將第二分光83反射回的光線與藉由第三物鏡15將第一分光82反射回的光線於分光鏡40中形成干涉，且經由干涉的光線通過分光鏡40至接收裝置50，以由接收裝置50接收應力施加後的多個干涉波形的影像，接收裝置50即可提供應力施加後的多個干涉波形的影像至控制計算裝置60，控制計算裝置60即可依據干涉波峰演算對應力施加後的測試物件22的測試 面221進行三維表面重建，亦即找出干涉波形的最大強度位置，重建測試物件22的測試面221於應力施加後的三維表面重建，以量測測試物件22於應力施加後的表面輪廓(步驟111)，即可再透過每一張經過三維表面重建之後的結果再配合影像接合與數位影像關係，以完整重建應力施加後的測試物件22的測試面221(步驟112)。

最後，即可將下列結果進行輸出，輸出結果為：包含有干涉波形影像所完整重建應力施加前的測試物件22的測試面221、影像所完整重建應力施加前的測試物件22的測試面221、包含有干涉波形影像所完整重建應力施加後的測試物件22的測試面221、影像所完整重建應力施加後的測試物件22的測試面221以及測試物件22的測試面221於應力施加後的二維應變分佈(步驟113)。

綜上所述，可知本發明與先前技術之間的差異在於本發明利用光開關元件切換參考光，分析測試物件形變前與形變後的影像，可量測測試物件的測試面表面、表面內外位移及表面二維應變分佈，並結合影像接合以增加測試物件的測試面量測範圍，即可降低測試物件掃描的複雜度與誤差，此量測系統不需移動影像擷取裝置或移動測試物件產生相對位移，達到三維座標及測試物件的測試面量測效果。

藉由此一技術手段可以來解決先前技術所存在現有習知對於架構整合的限制與機械與光學性質造成參數校正複雜與誤差的問題，進而達成降低測試物件掃描的複雜度與誤差以及影像處理時參數校正上簡化與提高精度的技術功效。

雖然本發明所揭露的實施方式如上，惟所述的內容並非用以 直接限定本發明的專利保護範圍。任何本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明所揭露的精神和範圍的前提下，可以在實施的形式上及細節上作些許的更動。本發明的專利保護範圍，仍須以所附的申請專利範圍所界定者為準。

10‧‧‧第一光軸

11‧‧‧第一物鏡

12‧‧‧針孔元件

13‧‧‧透鏡

14‧‧‧光開關元件

15‧‧‧第三物鏡

16‧‧‧反射元件

20‧‧‧第二光軸

21‧‧‧第二物鏡

22‧‧‧測試物件

221‧‧‧測試面

23‧‧‧應力施加元件

30‧‧‧光源

40‧‧‧分光鏡

50‧‧‧接收裝置

60‧‧‧控制計算裝置

71‧‧‧移動平台

72‧‧‧位移致動器

81‧‧‧光線

82‧‧‧第一分光

83‧‧‧第二分光

91‧‧‧白光干涉波形

92‧‧‧第一干涉波形

93‧‧‧第二干涉波形

101‧‧‧Mirau型式的干涉儀

102‧‧‧Linnik型式的干涉儀

103‧‧‧Michelson型式的干涉儀

201‧‧‧子區域

202‧‧‧子區域

301‧‧‧第一影像擷取裝置

302‧‧‧第二影像擷取裝置

303‧‧‧光源

304‧‧‧處理裝置

305‧‧‧測試物件

401‧‧‧影像擷取裝置

402‧‧‧測試物件

A‧‧‧量測點

B‧‧‧量測點

F ‧‧‧量測點

G ‧‧‧量測點

步驟101‧‧‧測試物件設置於移動平台上

步驟102‧‧‧致能光開關元件

步驟103‧‧‧依據干涉波峰演算對應力施加前的測試物件的測試面進行三維表面重建

步驟104‧‧‧依據影像接合與數位影像關係，完整重建應力施加前的測試物件的測試面

步驟105‧‧‧禁能光開關元件

步驟106‧‧‧依據影像接合與數位影像關係，以完整重建應力施加前的測試物件的測試面

步驟107‧‧‧對測試物件施加應力

步驟108‧‧‧依據影像接合與數位影像關係，以完整重建應力施加後的測試物件的測試面

步驟109‧‧‧計算出測試物件的測試面於應力施加後的二維應變分佈

步驟110‧‧‧再致能光開關元件

步驟111‧‧‧依據干涉波峰演算對應力施加後的測試物件的測試面進行三維表面重建

步驟112‧‧‧依據影像接合與數位影像關係，完整重建應力施加後的測試物件的測試面

步驟113‧‧‧結果輸出

第1A圖繪示為習知Mirau型式干涉儀架構示意圖。

第1B圖繪示為習知Linnik型式干涉儀架構示意圖。

第1C圖繪示為習知Michelson型式干涉儀架構示意圖。

第2圖繪示為習知測試物件變形前後的子區域對應影像示意圖。

第3圖繪示為習知三維數位影像相關系統架構示意圖。

第4圖繪示為習知三維座標的量測示意圖。

第5圖繪示為本發明表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統架構示意圖。

第6圖繪示為本發明表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統的光路徑示意圖。

第7圖繪示為本發明表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統的數位影像關係示意圖。

第8圖繪示為本發明表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統的干涉波形示意圖。

第9圖繪示為本發明表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統的干涉表面重建示意圖。

第10圖繪示為本發明表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統的實作步驟流程圖。

10‧‧‧第一光軸

11‧‧‧第一物鏡

12‧‧‧針孔元件

13‧‧‧透鏡

14‧‧‧光開關元件

15‧‧‧第三物鏡

16‧‧‧反射元件

20‧‧‧第二光軸

21‧‧‧第二物鏡

22‧‧‧測試物件

221‧‧‧測試面

23‧‧‧應力施加元件

30‧‧‧光源

40‧‧‧分光鏡

50‧‧‧接收裝置

60‧‧‧控制計算裝置

71‧‧‧移動平台

72‧‧‧位移致動器

Claims (16)

1. 一種表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統，其包含：一光源；一第一物鏡，設於所述光源的一側，且所述光源發出的光線通過所述第一物鏡的光學中心；一針孔元件，設於所述第一物鏡出光處外側的焦點位置；一組透鏡，所述透鏡設於所述針孔元件出光外側，且所述透鏡的光學中心與所述第一物鏡的光學中心設置於相同的中心軸上；一分光鏡，所述分光鏡設於所述透鏡的出光外側，且所述分光鏡的光學中心與所述透鏡的光學中心設置於相同的中心軸上，所述分光鏡用以將由所述透鏡所提供的入射光分為垂直反射經由第二出光側射出的第二分光以及通過所述分光鏡經由第一出光側射出的第一分光；一第二物鏡，所述第二物鏡設於所述分光鏡的第二出光外側且所述第二分光通過所述第二物鏡的光學中心，而所述第二物鏡透過移動平台沿所述第二物鏡的光學中心軸移動；一測試物件，所述測試物件設於所述第二物鏡的出光外側，而所述測試物件具有一測試面，並且測試物件透過移動平台進行移動以及所述第二物鏡透過移動平台移動，以使所述第二物鏡的出光外側的焦點位置設於所述測試面上且平面掃描所述測試面；一應力施加元件，所述應力施加元件用以對所述測試物件施加應力； 一光開關元件，所述光開關元件設於所述分光鏡的第一出光外側，且藉由所述光開關元件的致能/禁能以決定所述第一分光是否通過所述光開關元件；一第三物鏡，所述第三物鏡設於所述光開關元件的出光外側，且所述第一分光通過所述第三物鏡的光學中心，而所述第三物鏡透過移動平台沿所述第三物鏡的光學中心軸移動；一反射元件，所述反射元件設於所述第三物鏡的出光外側，並且所述反射元件透過移動平台與位移致動器以及所述第三物鏡透過移動平台移動，以使所述第三物鏡的出光外側的焦點位置設於所述反射元件的光學中心上；一接收裝置，所述接收裝置設於所述分光鏡的觀測外側，且所述接收裝置的光學中心與所述第二物鏡的光學中心設置於相同的中心軸上，其中：當所述光開關元件禁能時，藉由所述第二物鏡將所述第二分光反射回的光線通過所述分光鏡至所述接收裝置，以由所述接收裝置接收多個測試影像；及當所述光開關元件致能時，藉由所述第二物鏡將所述第二分光反射回的光線與藉由所述第三物鏡將所述第一分光反射回的光線於所述分光鏡中形成干涉且通過所述分光鏡至所述接收裝置，以由所述接收裝置接收多個干涉波形的影像；及一控制計算裝置，所述控制計算裝置分別與每一個移動平台、位移致動器、所述應力施加元件、所述光開關元件與所述接收裝置相互電性連接，用以分別控制移動平台的移動定位、 控制位移致動器的作動、控制所述應力施加元件是否對所述測試物件施加應力以及控制所述光開關元件的致能/禁能，其中：所述控制計算裝置自所述接收裝置獲得多個測試影像，所述控制計算裝置依據影像接合與數位影像關係對所述測試物件的所述測試面進行三維表面重建；所述控制計算裝置自所述接收裝置獲得多個干涉波形的影像，所述控制計算裝置依據干涉波峰演算、影像接合與數位影像關係對所述測試物件的所述測試面進行三維表面重建；及依據所述應力施加元件對所述測試物件施加應力前後的所述測試面所重建的三維表面計算出所述測試面內外位移以及所述應力施加元件施加應力後所述測試面的二維應變分佈。
2. 如申請專利範圍第1項所述的表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統，其中所述光源為白光光源或是紅外光光源。
3. 如申請專利範圍第1項所述的表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統，其中所述接收裝置為以感光耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)或是以互補式金屬氧化物半導體(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)作為影像的成像單元。
4. 如申請專利範圍第1項所述的表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統，其中所述位移致動器為以壓電致動器(PZT)作為位移單元。
5. 如申請專利範圍第1項所述的表面重建、表面內外位移及應 變分佈計算系統，其中所述控制計算裝置依據干涉波峰演算對所述測試物件的所述測試面進行三維表面重建是以干涉波形的最大強度位置對所述測試物件的所述測試面進行三維表面重建。
6. 如申請專利範圍第1項所述的表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統，其中所述控制計算裝置依據影像接合與數位影像關係對所述測試物件的所述測試面進行三維表面重建中影像接合是用以增加所述測試面的重建範圍。
7. 如申請專利範圍第1項所述的表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統，其中所述應力施加元件是以雷射聚焦對所述測試物件施加熱應力。
8. 如申請專利範圍第1項所述的表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統，其中所述針孔元件用以提供所述光源的空間濾波以消除所述光源中的高頻雜散光，以提高所述光源的品質。
9. 如申請專利範圍第1項所述的表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統，其中所述透鏡用以擷取光源中心區域以作為準直平行光。
10. 如申請專利範圍第1項所述的表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統，其中所述光源所發出的光線通過所述第一物鏡、所述針孔元件、所述透鏡至所述分光鏡，以及由所述分光鏡所分出的第一分光通過所述光開關元件、所述第三物鏡至所述反射元件返回的光路徑定義為第一光軸。
11. 如申請專利範圍第10項所述的表面重建、表面內外位移及應 變分佈計算系統，其中由所述分光鏡所分出的第二分光通過所述第二物鏡至所述測試物件返回至所述接收裝置的光路徑定義為第二光軸。
12. 如申請專利範圍第11項所述的表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統，其中所述第二光軸與所述第一光軸彼此相互垂直。
13. 如申請專利範圍第1項所述的表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統，其中干涉波峰演算是利用兩道相同特性之光波在零光程差時波形對比最明顯之特性，來判定零光程差的發生位置，藉此取得待測物體的三維表面形貌變化。
14. 如申請專利範圍第1項所述的表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統，其中所述應力施加元件施加應力後所述測試面的二維應變分佈是利用數值分析的方式找出變形後影像中特定區域中像素點的相對位移，進一步換算出測試物件所產生的應變。
15. 如申請專利範圍第1項所述的表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統，其中數位影像關係是判斷兩影像間關聯度的交相關函式的到一組相關係數，以最佳化方式對應變應子進行最佳化過程所得出。
16. 如申請專利範圍第1項所述的表面重建、表面內外位移及應變分佈計算系統，其中數位影像關係是為取兩張不同影像相對應子影像之特徵像量，當兩張不同影像完全相等時此值為1，若不為1則愈接近1表示其相似的程度愈高；相反的在應用最小平方相關係數時，不論是否經過正常化的手續，當兩 張不同影像完全相等時將會等於0，若不為0則越低的表示其相似的程度，亦代表測試物件的變形量最小。