TWI465683B - 差動濾波式彩色共焦量測系統 - Google Patents

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Description

差動濾波式彩色共焦量測系統
本發明係關於一種彩色共焦量測，特別是指一種透過設置於物光焦點上且具有不同尺寸之空間濾波器來取得不同的光強度分布，進而量測物體表面形貌的一種差動濾波式彩色共焦量測系統。
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，而分別由每一對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，因此對於檢測工作而言是不可行的。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，因此常有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。
此外，又如Weiqian Zhao等人在2004年10月18日於Optical Express Vol.12,No.21發表的”Bipolar absolute differential confocal approach to higher spatial resolution”提到的一種共焦偵測系統，其係為利用單色的雷射光經過物鏡投射至物體上，再經過分光形成兩不同光路，分別投射至設置在離焦位置上的針孔，再經過感測器擷取對應於該不同光路之光訊號，透過差動演算以解析出物體表面的形貌。而在美國公開申請案US2006/0012871則公開一種共焦掃描系統，在該技術中，以狹縫或針孔作為共焦孔，透過照明單元提供了多道線性雷射偵測光投射至待測物，再經過狹縫或針孔，而投射至感測裝置來感測光訊號以進行共焦偵測。
另外，再如中華民國公開申請案TW201321714也公開了一種彩色共焦顯微系統及其訊號處理方法，其係利用第一光纖模組將一偵測光調制成偵測光，並經過色散物鏡而形成複數個子色散光場，再聚焦至待測物上。由該待測物反射之測物光經過與該第一光纖模組共軛之第二光纖模組以形成一濾波光。該濾波光經過分光之後分別投射至一對色彩感測單元，以分別感測被分光的兩道濾波光，而分別產生聚焦位置相互錯位的兩組三色光強度訊號。再對該兩組三色光強訊號進行演算，以得到三個分別對應不同色光之強度訊號比例。最後由最大強度訊號比例以及一深度關係曲線，獲得對應該待測物之表面形貌。由於兩測物光分別聚焦於與聚焦位置相互錯位的位置上，在一般線型掃描共焦形貌量測上將具有下列可能的潛在量測問題：
(1)失焦問題：兩影像在失焦位置擷取，影像品質下降，量測誤差增加。
(2)影像對位誤差問題：前後影像視野(field of view,FOV)大小不一致，導致空間對位不易準確，容易產生量測誤差。
(3)空間解析不一致：因兩影像之FOV大小不一致，將導致另一問題，使得量測空間解析不一致。
(4)兩CCD位置調校不易：量測系統易受色散物鏡之更動，整 個量測系統需進行調整，尤其兩CCD位置需重新調校，此將增加系統實際使用之困難。
本發明提供一種差動濾波式彩色共焦量測系統，其係具有至少一對光強度感測模組，每一光強度感測模組具有光強度感測裝置，以及設置在反射物光焦點之空間濾波元件，每一光強度感測模組所對應之空間濾波元件所具有之尺寸不同，每一對光強度感測模組所感測到的光訊號強度，藉由差動運算得到的差動光強度比值，可以作為即時量測物體表面形貌之依據。此外，藉由該差動光強度比值，也可克服待測物表面不同量測點可能具有不同光反射率之量測狀況，對於不同光波長之反射率所產生之亮暗不均之問題。
本發明提供一種差動濾波式彩色共焦量測系統，其係具有可以將寬頻偵測光調制成點或線偵測光來對物體表面進行掃描，透過至少一對光強度感測模組，每一光強度感測模組具有光強度感測裝置、設置在反射物光焦點之空間濾波元件以及單一色彩光濾波器，每一光強度感測模組所對應之空間濾波元件所具有之尺寸(針孔直徑或線狹縫開口大小)不同，藉由單一色彩光濾波器，以得到單一色彩的差動光強度比值，進而可以有效降低不同色光間橫向干擾(cross talk)之問題，以提升量測準確度。
在一實施例中，本發明提供一種差動濾波式彩色共焦量測系統，其係包含：一光源模組，其係提供一寬頻光；一色散物鏡，其係使該寬頻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測物光；一第一光調制模組，其係將該測物光分成一第一測物光以及一第二測物光；一對第一光強度感測模組，分別具有一第一光感測裝置以及一第一空間濾波元件，其中之一第一空間濾波元件設置在第一測物光之焦點上，另一第一空間濾波元件則設置在第二測物光之焦點上，每一第一空間濾波元件尺寸不相同，其中之一第一光感測裝置感測經過對應之第一空間濾波元件的該第一測物光以得到 對應的至少一第一光強度訊號，每一個第一光強度訊號對應該待測物上之一偵測位置，另一第一光感測裝置感測經過對應之第一空間濾波元件的該第二測物光，以得到對應該至少一第一光強度訊號的至少一第二光強度訊號；以及一訊號處理單元，其係根據該至少一第一光強度訊號的至少一第二光強度訊號以決定每一個偵測位置所對應之量測深度。
在另一實施例中，本發明更提供一種差動濾波式彩色共焦量測系統，其係包含：一光源模組，其係將一寬頻光分成一第一寬頻光以及一第二寬頻光；一第一與第二空間濾波元件，其係分別接收該第一與第二寬頻光，該第一與第二空間濾波元件具有不同的尺寸；一第一光調制模組，其係接收經過該第一與第二空間濾波元件之第一與第二寬頻光，並分別將該第一寬頻光調制成一第一偏極偵測光，將該第二寬頻光調制成與該第一偏極偵測光正交的一第二偏極偵測光；一色散物鏡，其係使該第一與該第二偏極偵測光分別產生軸向色散，以形成複數個聚焦至不同深度之第一以及一第二偏極子光場，該複數個第一以及一第二偏極子光場係經由一待測物反射而形成同光路之一第一與一第二偏極測物光；一第二光調制模組，其係將該同光路之第一與第二偏極測物光分成不同光路之第一與第二偏極測物光；一對光強度感測裝置，其中之一光感測裝置感測該第一偏極測物光以得到對應的至少一第一光強度訊號，每一個第一光強度訊號對應該待測物上之一偵測位置，另一光感測裝置感測該第二偏極測物光，以得到對應該至少一第一光強度訊號的至少一第二光強度訊號；以及一訊號處理單元，其係根據該至少一第一光強度訊號的至少一第二光強度訊號以決定每一個偵測位置所對應之量測深度。
在一實施例中，如果該寬頻光為點寬頻光，則該第一與第二光強度訊號為一個，如果為線寬頻光，則有複數個第一與第二光強度訊號。該第一與第二光強度訊號之內容則視寬頻光之色彩種類而定，例如：如果為白光的寬頻光，則該第一與第二光強度訊號更分別包括有紅光光強度訊號、綠光光強度訊號以及藍光光強 度訊號；如果該寬頻光為單一色彩的寬頻光，則該第一與第二光強度訊號分別具有單一光強度值。
2、2a~2d‧‧‧差動彩色共焦量測系統
20‧‧‧光源模組
200‧‧‧寬頻光
200R、200G、200B‧‧‧子光場
2000‧‧‧第一測物光
2001‧‧‧第二測物光
2002、2004‧‧‧第一子測物光
2003、2005‧‧‧第二子測物光
2006‧‧‧第三子測物光
2007‧‧‧第四子測物光
201‧‧‧光源產生裝置
202‧‧‧整形元件
21‧‧‧色散物鏡
22‧‧‧第一光調制模組
23、24‧‧‧第一光強度感測模組
23a、24a‧‧‧第二光強度感測模組
23b、24b‧‧‧第三光強度感測模組
230、240、230’、240’、230a、230b‧‧‧第一光感測裝置
2301~2304‧‧‧感測器
2305~2306‧‧‧分光元件
2308~2310‧‧‧濾波器
2311~2313‧‧‧測物光
2314~2316‧‧‧感測器
2317~2320‧‧‧感測器
2321~2324‧‧‧濾波器
230a、240a‧‧‧第二光感測裝置
230b、240b‧‧‧第三光感測裝置
231、241‧‧‧第一空間濾波元件
231a、241a‧‧‧第二空間濾波元件
231b、241b‧‧‧第三空間濾波元件
232、242、232a、242a、232b、242b‧‧‧聚光元件
233、233a、233b、243、243a、243b‧‧‧濾光片
25‧‧‧訊號處理單元
26‧‧‧第一分光鏡
27‧‧‧第二光調制模組
28‧‧‧第三光調制模組
3‧‧‧移動平台
4‧‧‧差動彩色共焦量測系統
40‧‧‧光源模組
401‧‧‧光源產生裝置
402、403‧‧‧導光元件
400R/400r、400G/400g、400B/400b‧‧‧第一與第二偏極子光場
4000、4001‧‧‧第一與第二寬頻光
4002、4003‧‧‧第一與第二偏極測物光
404、405‧‧‧線性偏極元件
406‧‧‧第一寬頻光
406‧‧‧第二寬頻光
41、42‧‧‧第四與第五空間濾波元件
43‧‧‧第一光調制模組
44‧‧‧色散物鏡
45‧‧‧第二光調制模組
46、47‧‧‧光強度感測裝置
48‧‧‧分光元件
49‧‧‧訊號處理單元
90‧‧‧待測物
900、901、902‧‧‧偵測位置
410~417‧‧‧步驟
第1圖係為本發明之差動濾波式彩色共焦量測系統第一實施例示意圖。
第2A圖係說明了寬頻光色散之後投射至物體表面時的狀態示意圖。
第2B與2C係代表不同結構以及不同尺寸之空間光濾波元件進行空間濾波示意圖。
第2D圖係為反射測物光經過第一空間濾波元件之後的第一與第二測物光其光強度與波長之間關係示意圖。
第2E至2H圖係分別為面型、線型以及點型光感測裝置示意圖。
第3圖係為RGB深度關係曲線示意圖。
第4圖係為本發明之建立深度關係曲線流程示意圖。
第5圖係為紅光、綠光與藍光深度關係曲線。
第6A圖所示，該圖係為本發明之差動彩色共焦量測系統第二實施例示意圖。
第6B圖所示，該圖係為本發明之差動彩色共焦量測系統第三實施例示意圖。
第7圖所示，該圖係為本發明之差動彩色共焦量測系統第四實施例示意圖。
第8圖所示，該圖係為本發明之差動彩色共焦量測系統第五實施例示意圖。
第9A與9B圖所示，該圖係分別為本發明之差動彩色共焦量測系統第六實施例之架構與光路示意圖。
第10A與10B圖係為本發明之線性寬頻光示意圖。
第11A至第11D圖係為本發明以標準塊規為待測物所進行之量測而得的表面形貌與剖面示意圖。
第12圖為具有凸塊之電路板的局部立體示意圖。
第13A至第13C圖係為本發明以具有凸塊的電路板為待測物進行量測之表面形貌與剖面結構示意圖。
請參閱第1圖所示，該圖係為本發明之差動彩色共焦量測系統第一實施例示意圖。再本實施例中，該差動彩色共焦量測系統2，其係包含有一光源模組20、一色散物鏡21、一第一光調制模組22、一對第一光強度感測模組23與24以及一訊號處理單元25。該光源模組20，其係提供一寬頻光200。該寬頻光200，可以為具有一個頻寬大小的單一色彩的寬頻光，例如：紅光(620nm~750nm)、綠光(495nm~570nm)或者是藍光(476nm~495nm)等，各種色光都可以作為單一色彩的寬頻光。此外，在另一實施例中，該寬頻光200也可以為多種色彩複合的寬頻光，例如可見光(白光)，其波長介於380nm~750nm。在本實施例中，該寬頻光200為白光。此外，要說明的是，如果要產生單一色彩的寬頻光，可以直接在該光源產生裝置以及該整形元件之間設置單一色彩的彩色濾光片，如果要產生兩種或三種色彩的寬頻光，則可以使用對應該兩種或三種色彩的彩色濾光片。
此外，本實施例中，該光源模組20更具有一光源產生裝置201以及一整形元件202，該光源產生裝置200用以提供前述所謂複合色彩的寬頻光，例如：白光。該整形元件202，則將該白光調制形成對焦於一點的寬頻光或者是線形寬頻光。該整形元件202，在一實施例中可以為空間濾波元件，例如：狹縫結構或者是針孔結構等，但不以空間濾波元件為限制。在本實施例中，該寬頻光200係為一點寬頻光。
經過空間濾波的寬頻光200，在經過一第一分光鏡26的導引，將該寬頻光900導引至該色散物鏡21。該色散物鏡21，其係使該寬頻光200產生軸向色散以形成複數個聚焦至不同深度之子光場200R、200G與200B，而投射至待測物90上。該色散物鏡21，在本實施例中，主要係由兩個以上之色差透鏡所構成，該色散物鏡係使入射之寬頻光200產生軸向色散，以形成複數個具有 不同聚焦深度之子光場200R、200G與200B(圖式以三個子光場來表示)。每一個子光場200R、200G與200B具有不同波長。至於該複數個子光場係構成一連續光譜。該複數個子光場200R、200G與200B可分別以不同量測深度聚焦至待測物90表面上。在本實施例中，該待測物90係設置於一位移平台3上。該位移平台3至少需要可以進行Z軸方向的位移運動。此外，該位移平台3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，以調整位移平台在XY平面上之位置。
當該複數個子光場200R、200G與200B投射至待測物90之後，經由該待測物90表面反射而形成一測物光，其係穿透該第一分光鏡26而進入光調制模組22分光，以形成第一測物光2000以及第二測物光2001。該光調制模組26在本實施例中，係為一分光鏡。如第2A圖所示，其係說明了寬頻光色散之後投射至物體表面時的狀態示意圖。本說明係以白光來說明，當白光被色散之後，由於白光光譜係由不同波長的色光所構成的連續光譜(圖中以紅光200R、綠光200G與藍光200B來作代表)，被色散後的白光，其成份中的每一個波長的光之聚焦深度會不同，一般而言頻率高(波長小)的光聚焦深度較淺，頻率低(波長大)的光其聚焦深度則較深，因此當投射至待測物90表面時而反射時，不同波長的反射光在待測物90表面上反射的狀態也不相同。以第2B圖為例，在待測物90表面的位置900處，是綠光200G聚焦深度的位置，因此對於該點位置900而言，綠光200G的強度會集中在該位置上的一點，對於其他色光，則視反射所含的面積而有不同。請同時參閱第1與第2A圖，Ga代表反射第1圖中之第一與第二測物光2000與2001中綠光集中的區域，Ra代表反射後第一與第二測物光2000與2001中紅光集中的區域，Ba代表反射後第一與第二測物光2000與2001中藍光集中的區域。
再回到第1圖所示，分光後所形成的第一與第二測物光2000與2001在經過一對光強度感測模組23與24感測。每一第一光強度感測模組23與24，分別具有一第一光感測裝置230與240以及 一第一空間濾波元件231與241，其中之一第一空間濾波元件231設置在第一測物光2000之焦點上，另一第一空間濾波元件241則設置在第二測物光2001之焦點上，每一第一空間濾波元件231與241尺寸不相同。要說明的是所謂的尺寸係根據空間濾波元件231與241的結構不同而有不同的定義，在一實施例中，如果該空間濾波元件231與241為狹縫結構的話，則尺寸係指狹縫結構的寬度；此外，在另一實施例中，如果該空間濾波元件243與241為針孔的話，則該尺寸係指針孔的孔徑。該空間濾波元件231與241的結構係配合寬頻光的外形，由於本實施例的寬頻光為點寬頻光，因此在相對應的空間濾波元件係為針孔的結構；反之，如果該寬頻光為線寬頻光的話，則該空間濾波元件為狹縫結構。
該第一測物光2000聚焦在第一空間濾波元件231上，經由該第一空間濾波元件231的濾波，經過一聚光元件232而聚焦至對應的第一光感測裝置230上。另一方面，該第二測物光2001聚焦在對應的第一空間濾波元件241上，被空間濾波之後，再投射至聚光元件242而聚焦至對應的第二光感測裝置240上。要說明的是，該聚光元件232與242可以為單一透鏡或者是多個透鏡所構成的透鏡組。請參閱第2B與第2C圖所示，該圖用以說明各色光與通過的空間濾波元件關係示意圖。其中，第2B圖為經過以針孔為空間濾波元件的示意圖；第2C圖為經過以狹縫結構空間濾波元件的示意圖。在第2B圖中，空間濾波元件231a代表孔徑較大的針孔，而空間濾波元件241a代表孔徑較小的針孔；在第2C圖中的空間濾波元件231b，代表寬度較寬的狹縫結構；而空間濾波元件241b代表寬度較窄的狹縫結構。
請參閱第2D圖所示，該圖係為反射測物光經過第一空間濾波元件之後的第一與第二測物光其光強度與波長之間關係示意圖。在本實施例中，對應第2C圖所示，第一空間濾波元件231之孔徑大於該第一空間濾波元件241的孔徑。因此，在第2D圖中，曲線91代表經過第一空間濾波元件231的第一測物光，其係具有較平緩的光強度與波長之間的關係，這是因為孔徑比較大的空間濾波 元件，可以通過的光波長範圍比較廣，而且由於孔徑大之故，所以光強度會趨緩。另外，曲線92代表經過第一空間濾波元件241的第二測物光，由於該第一空間濾波元件241的孔徑小於空間濾波元件231，因此第二測物光通過之後，所得到的波長與光強度的曲線具有相較於曲線91而言光強度更高且波長範圍短的效果。要說明的是，因為第一空間濾波元件231與241都是放置在焦點的位置，因此通過第一濾波元件231的第一與第二測物光的最強光強度所對應的波長λ相同。要說明的是，每一個光強度最強的位置所對應的波長即是聚焦在待測物表面上的一個偵測位置上且反射的波長，亦即對應圖2A中的位置900。
再回到第1圖所示，該第一光感測裝置230感測經過對應之第一空間濾波元件231的該第一測物光2000，以得到所對應的第一光強度訊號。該第一光強度訊號所對應該待測物上之一偵測位置，另一第一光感測裝置240感測經過所對應之第一空間濾波元件241的該第二測物光，以得到所對應該第一光強度訊號的第二光強度訊號。
請再參閱第2D至2H圖所示，其中第2E至第2H圖係顯示不同型式之光感測裝置示意圖。以第1圖中的第一光感測裝置230為例來做說明，本實施例中，第一光感測裝置230係為彩色光感測裝置，例如：彩色CCD。彩色CCD之類型可隨著光源種類而有所不同。在第2D圖所示為面型的彩色CCD結構。在本實施例中，光感測裝置230上有複數個感測元件2300排列形成2維陣列結構，每一感測元件2300上具有複數個感測器2301~2304，每一感測器2301~2304上具有相應的特定頻段的濾波器。在本實施例中，感測器2301與2304對應有綠光頻段(495nm~570nm)濾波器，感測器2302對應有紅光頻段(620nm~750nm)濾波器，而感測器2303則對應有藍光頻段(476nm~495nm)濾波器。當由通過如第1圖所示的空間濾波元件231之後所形成的測物光，其波長與光強度分部關係如第2D圖所示之曲線91，進入光強度感測裝置230內，通過感測器2301~2304相應的濾波器而被感測器2301~2304感測以 產生紅光、綠光與藍光三色光的強度值。
請參閱第2E所示，該圖為光感測裝置另一實施例示意圖。光感測裝置230a具有三個線型感測元件，分別對應紅光(R)頻段，綠光(G)頻段以及藍光(B)頻段之濾波器，每一個線型感測元件具有複數個感測器，用以感測通過對應濾波器的測物光，其波長與光強度分部關係如第2D圖所示之曲線91，以產生對應紅光(R)頻段，綠光(G)頻段以及藍光(B)頻段的光強度值。
請參閱第2F圖所示，該圖係為光感測裝置又一實施例示意圖。在本實施例中，第一光感測裝置230b為點型的光感測裝置，具有分光元件2305與2306用以將由待測物反射且入射第一光感測裝置230b的測物光，其波長與光強度分部關係如第2D圖所示之曲線91，分光並經過紅光頻段的濾波器2308、綠色頻段的濾波器2309與藍光頻段的濾波器2310，而形成紅光頻段的測物光2311、綠光頻段的測物光2312以及藍光頻段的測物光2313，最後再被相對應的光感測器2314~2316所感測，而得到RGB三色光的光強度值。
另一種點型的光感測裝置如第2G圖所示，在本實施例中，點型光感測裝置主要具有兩個部分，第一部分為光感測元件，第二部分為濾波元件。該光感測元件具有複數個感測器2317~2320，該濾波元件則具有相應該複數個感測器排列的複數個濾波器2323~2324，其係分成一紅光頻段濾波器2323、兩個綠光頻段濾波器2321與2322以及一藍光頻段濾波器2324。測物光91通過複數個濾波器2323~2324之後會形成紅色光、綠色光以及藍色光，再分別被對應的感測器2317~2320感測各色光的光強度值。前述雖以第一光感測裝置230做說明，同理，第一光感測裝置240也是相同的結構，用以感測通過如第1圖所示之空間濾波器241所形成的測物光，其波長與光強度分部關係如第2D圖所示之曲線92，而得到紅光、綠光與藍光的光強度值，其原理如前所述，在此不做贅述。
為了避免後續訊號處理時產生強度不一而無法進行準確量測 的問題，在各光感測裝置230與240感測得到光強度訊號，其係包括有紅光強度訊號、綠光強度訊號以及藍光強度訊號進行訊號之正規化，使得各色光強度被映射至0與1之範圍內，以利後續的演算分析。
該第一光強度值與第二光強度值分別被訊號處理單元25接收並進行處理。本實施例中該訊號處理單元25具有對應該寬頻光之一訊號比與深度關係，該訊號處理單元25分別對第一光強度訊號以及相對應的第二光強度訊號進行一訊號處理，以得到相對應該第一光強度與第二光強度的第一差動強度訊號比，並根據該訊號比與深度關係，判斷該第一差動強度訊號比所對應之量測深度。
首先說明該訊號處理的過程，該訊號處理的一個程序為前述之正規化處理，之後再對該第一與第二光強度訊號進行差動運算。彩色光感測裝置230與240分別所取得的第一與第二光強度訊號中所含有的R、G與B三組光強度的表示式為(1-1)、(1-2)與(1-3)式，I r 、I g 與I b 分別表示彩色CCD裝置取得的三種色光之正規化強度分佈，此三個顏色強度之分佈將會隨著量測深度位置而改變。
其中，r λ 為彩色CCD裝置中的紅色濾光片的波長值範圍，g λ 為彩色CCD裝置中的綠色濾光片的波長值範圍，b λ 為彩色CCD裝置中的藍色濾光片的波長值範圍。而下標s則表示為第1圖中不同尺寸大小的空間濾波元件231或241。此外，u,w,v分別代表第1圖中之第一與第二測物光2000與2001以光軸為中心軸所形成的三維座標軸，其中v為垂直進入於第1圖圖面之方向。
在(1-1)、(1-2)與(1-3)式中的I r 、I g 與I b 三色的強度分佈並不考慮的待測物的反射率問題。因此，為了考慮待測物反射率對系統影響，彩色CCD裝置所接收到的光強訊號可改寫為(1-4)、(1-5)與 (1-6)式。
I ' r (v ,w s ,u )=n r I r (v ,w s ,u ), (1-4)
I ' g (v ,w s ,u )=n g I g (v ,w s ,u ), (1-5)
I ' b (v ,w s ,u )=n b I b (v ,w s ,u ), (1-6)其中，n r 、n g 與n b 分別代表待測物對R、G與B的反射率值，而s可以為空間濾波元件231與241。
有各個色光的正規化光強度之後，可進行差動演算，其係為每一種相對應色光之光強度訊號的差值與和值的比值。請參閱(1-7)式至(1-9)式，其中紅色光的強度比值的曲線可表示為(1-7)式，代表第一光強度訊號中的紅光強度，代表第二光強度訊號中的紅光強度；綠色光的強度比值的曲線可表示為(1-8)式，代表第一光強度訊號中的綠光強度，代表第二光強度訊號中的綠光強度；而藍色光的強度比值的曲線可表示為(1-9)式，代表第一光強度訊號中的藍光強度，代表第二光強度訊號中的藍光強度，而w1代表第1圖中的空間濾波元件231，w2則為第1圖中的空間濾波元件241。而以相同色光進行差動運算後得到的顏色強度比值曲線，可分別將待測物體本身的反射率系數n r 、n g 與n b 消除，使得求得的顏色強度比值無關於待測物表面的反射率影響。因此，R、G與B三種顏色強度比值RC R 、RC G 與RC B 分別代表第1圖中偵測位置900的差動強度訊號比。
如第3圖所示，該圖係為RGB深度關係曲線示意圖。其中，AB段代表紅光的深度曲線；BC段代表綠光的深度曲線；而CD段則代表藍光的深度曲線。又水平軸代表量測深度，縱軸則為差動訊號比。得到該差動強度訊號比之後，可以將RC R 、RC G 與RC B 對應至深度關係曲線，在本實施例中，RC G 中對應至曲線中的位置E，而對應到水平軸上的深度d。該深度d值的大小即為對應該偵測位置900的量測深度。由於本實施例中的寬頻光形為點寬頻光，因此在量測位置900之深度後，可以再更改量測點的位置。
接下來說明如何建立該深度關係曲線的方式，建立該深度關係曲線的系統係如第1圖所示的偵測系統。如第4圖所示，該圖係為本發明之建立深度關係曲線流程示意圖。首先，以步驟410在位移平台3上設置一參考校正平面，該位移平台3在Z軸向具有一高度位置，然後使該寬頻光投射至該參考校正平面上之一偵測位置而成複數個分別聚焦至不同深度之測物光。接著以步驟411以該對第一光感測裝置分別感測該第一測物光以及一第二測物光，以得到所對應的第一與第二光強度值，每一第一光強度值具有紅光、綠光以及藍光之光強度值；每一第二光強度值具有紅光、綠光以及藍光之光強度值。接著進行步驟412，改變該移動平台之 Z軸方向的位置。在一實施例中，步驟412可以透過壓電元件來改變Z軸方向之位置，其位移精度可以達到奈米等級。步驟412之後重複進行步驟410~411一直到所有Z軸深度位置量測完畢為止。當所有Z軸身度量測完畢之後，接著進行步驟413，對該複數個第一與第二光強度值進行正規化處理，使得第一與第二光強度值中所含有的紅光、綠光與藍光強度在0與1之間。正規化之運算係為本領域技術之人所熟知，在此不做贅述。接著以步驟414，分別根據該光強度值分別根據式1-7、1-8以及1-9計算第一與第二光強度中各色光所對應的差動強度訊號比RC R 、RC G 與RC B 。然後進行步驟415，根據該複數個差動強度訊號比RC R 、RC G 與RC B 以及所對應位置之關係，分別得到如第5圖所示之紅光、綠光與藍光深度關係曲線。
請同時參閱第4與第5圖所示，以步驟416在該三條深度關係曲線找出對應的線性區段AB、BC與CD，其中，紅光曲線的線性段為AB，綠光曲線的線性段為BC，藍光曲線的線性段為CD，而B與C點則是曲線的交錯點。為了能將三段的量測區間結合，獲得更大的量測區間，最後再以步驟417根據方程式(1-10)把三段深度量測範圍進行連接，其連接後之結果如第3圖所示。三段量測範圍連結後，其拓展深度量測的範圍。
其中，Γ表示曲線中的ratio值，u 為深度位置AB、BC與CD段則如第3圖所示。要說明的是，前述校正流程中的正規化步驟413並非為本發明校正流程之必要步驟，可以根據需求而決定是否要採取該步驟。此外，如果有採取該正規化步驟413的話，由於光強度值已經進行正規化，因此已經排除個別光感測裝置之間的差異性，日後如果有更換光感測裝置的話，則不需要再次進行校正 的量測，可以免除日後重新校正的程序。
在第1圖的實施例中，係透過兩組彩色CCD前方狹縫(Slit)大小的不同，來獲得兩組具有不同全寬半高值(FWHM)的RGB三顏色的強度反應曲線。不過如果使用一般的彩色CCD，由於彩色CCD內的彩色濾光片(color filters)並非完全把RGB的三個波段完全獨自分離出來，使的紅色波段會摻雜少部分的綠色波段；綠色波段會摻雜少部分的藍色波段，這是光感測器各色光之間所謂交談問題(cross talk problems)，雖然這類CCD還是可以用於量測，但可能會降低各色光的深度量測範圍與深度量測之準確性。因此，在另一實施方式中，本發明更提出利用RGB各自波段的濾光片確保各色段不會相互交談干擾，並獲得全寬半高值的RGB三顏色的強度反應曲線，再透過差動演算來進行計算。以下係針對這類實施例來進行說明。
請參閱第6A圖所示，該圖係為本發明之差動彩色共焦量測系統第二實施例示意圖。本實施例之差動彩色共焦量測系統2a基本上與第1圖相似，差異的是本實施例之光源模組20所產生的光為單色彩(single color range)的寬頻光，例如：例如：紅光(620nm~750nm)、綠光(495nm~570nm)或者是藍光(476nm~495nm)等，各種色光都可以作為單一色彩的寬頻光。在一實施例中，該光源模組20中具有一彩色濾光片203，其係為屬於寬頻之單一色彩(single color range)的濾光片，例如：紅色光濾光片、綠色光濾光片或者是藍色光濾光片。將該彩色濾光片203設置在整形元件202與光源產生裝置201之間。當光源產生裝置201產生白色光經過該彩色濾光片203之後，只有對應該彩色濾光片的色光可以通過而形成單色彩(single color range)的寬頻光204。該單色彩的寬頻光204經過色散物鏡21而形成複數道子光場(本實施例以三道來表示)204a~204c，其係代表該單色彩寬頻光的連續波長分布。該複數道子光場204a~204c投射至待測物90之一偵測位置901，反射的測物光被分成第一測物光2040與2041並分別被空間濾波元件231與241濾波之後，再分別被第一光感測裝置230a與 240a感測，而分別得到第一與第二光強度訊號。本實施例中之第一光感測裝置230a與240a可以選用單色的CCD來實施，但不以此為限制，例如：還是可以使用彩色CCD來感測光強度。
該訊號處理單元25接收由該第一光感測裝置230a與240a所產生的第一與第二光強度訊號並進行處理，其係包括有光強度正規化處理以及差動強度訊號比之演算。本實施例中該訊號處理單元25具有對應該單色彩(single color range)寬頻光之一訊號比與深度關係，例如第5圖中的紅光深度關係AB段、綠光深度關係BC段或者是藍光深度關係CD段其中之一。該訊號處理單元25分別對第一光強度訊號以及相對應的第二光強度訊號進行一訊號處理，例如：式1-7、1-8或1-9其中之一，以得到相對應該第一光強度與第二光強度的第一差動強度訊號比，並根據該訊號比與深度關係，判斷該第一差動強度訊號比對應之深度，亦即得到該量測位置901之深度。
請參閱第6B圖所示，該圖係為本發明之差動彩色共焦量測系統第三實施例示意圖。本實施例之差動彩色共焦量測系統2b基本上與第1圖相似，差異的是本實施例之第一光強度感測模組23與24更具有一單色彩的濾光片233與243，其係分別設置於聚光元件232與242和第一光感測裝置230a與240a之間，用以分別對第一測物光2000與第二測物光2001進行濾光，以形成單一色彩(single color range)的測物光，再分別被第一光感測裝置230a與240a感測，而分別得到第一與第二光強度訊號。和第6A圖所示相同，本實施例中之第一光感測裝置230a與240a可以選用單色的CCD來實施，但不以此為限制，例如：還是可以使用彩色CCD來感測光強度。至於訊號處理單元25處理訊號的方式則如前第6A圖所述，在此不做贅述。
請參閱第7圖所示，該圖係為本發明之差動彩色共焦量測系統第四實施例示意圖。本實施例的實施方式基本上與第6B圖相似，差異的是本實施例的彩色濾光片是兩種色彩的彩色濾光片。其中，該光學系統2c更包括有一第二光調制模組27以及一第三 光調制模組28。該第二光調制模組27，本實施例為一分光元件，其係更由該第一測物光2000分出一第一子測物光2002。第三光調制模組28，本實施例為一分光元件，其係更由該第二測物光分2001出一第二子測物光2003。該對第一光強度感測模組23與24用以感測第一與第二測物光2000與2001。於每一第一光強度感測模組23與24內更具有第一濾光片濾光片233與243，其係為第一與第二色彩之濾波器，本實施例中，該第一與第二色彩為紅色與綠色。因此通過該第一濾光片233與243之第一與第二測物光會僅剩下紅光與綠光的連續光譜。在經過該對第一光強度感測模組23與24之光感測裝置感測該紅光與綠光連續光譜之後產生相對應的第一與第二光強度感測訊號。本實施例中，該第一與第二光強度感測訊號分別具有紅光與綠光強度訊號。
該對第二光強度感測模組23a與24a，分別用以感測該第一與第二子測物光2002與2003，每一第二光強度感測模組23a與24a具有一第二光感測裝置230a與240a、一第二空間濾波元件231a與241a以及設置於該第二光感測裝置230a與240a與該第二空間濾波元件231a與241a之間的一第二濾光片233a與243a，其係為具有第二與第三色彩之濾波器，本實施例中該第二與第三色彩為綠光與藍光。其中，每一第二空間濾波元件尺寸不同，如果該空間濾波元件為狹縫結構，則尺寸係指狹縫的寬度；如果該空間濾波元件為針孔結構，則該尺寸係指孔徑。在本實施例中，該第二空間濾波元件231a與241a為針孔結構。
該第二光感測裝置230a感測經過對應之第二空間濾波元件231a以及第二濾光片233a的該第一子測物光2002以得到對應的第三光強度訊號，其係對應該待測物90上之偵測位置900，另一第二光感測裝置240a感測經過對應之第二空間濾波元件241a與第二濾光片243a的該第二子測物光2003以得到對應該第三光強度訊號的第四光強度訊號。本實施例中，該第三與第四光強度訊號分別包含有綠光強度以及藍光強度訊號。
該訊號處理單元25，分別對第一與第二光強度感測訊號以及 第三光強度訊號以及相對應的第四光強度訊號進行一訊號處理，其係包括有光強度正規化處理以及差動強度訊號比之演算，以得到分別相對應第一光強度與第二光強度的第一差動強度訊號比以及對應第三光強度與第四光強度的第二差動強度訊號比。該第一差動強度訊號比具有紅光與綠光強度訊號比，該二差動訊號比則具有綠光與藍光強度訊號比。最後可以根據該訊號比與深度關係，如第3圖所示的曲線關係，判斷第一與第二差動強度訊號比對應之深度，以決定出該偵測位置900之量測深度。
請參閱第8圖所示，該圖係為本發明之差動彩色共焦量測系統第五實施例示意圖。在本實施例中，其係與第7圖相似，差異的是本實施例的系統2d所具有濾光片係三組單色的濾光片所構成。本實施例的三組單色的濾光片233、233a、233b、243、243a、243b分別包含有紅光濾光片233與243、綠光濾光片233a與243a以及藍光濾光片233b與243b。該光源模組20內之光源產生裝置201係提供白色寬頻光2000，而整形元件202係將該白色寬頻光整形為點白色寬頻光或線型白色寬頻光。
在本實施例中具有第二光調制模組27a，其係更將該第一測物光2000分出一第一子測物光2004與第二子測物光2005以及第三光調制模組28a，其係更將該第二測物光2001分出一第三與第四子測物光2006與2007。第一測物光2000與第二測物光2001分別被一對第一光感測模組23與24感測。本實施例之第一光感測模組23與24中各具有第一色彩濾光片233與243，本實施例為紅光，以使得第一與第二測物光中的紅色測物光通過。第一光感測裝置230感測經過對應之第一空間濾波元件231、聚光元件232以及第一色彩濾波器233的第一測物光2000以得到對應的第一光強度訊號，第一光感測裝置240感測經過對應之第一空間濾波元件241、聚光元件242以及第一色彩濾波器243的第一測物光2001以得到對應的第二光強度訊號。其中，該第一空間濾波元件231與241分別設置於該第一與第二測物光2000與2001之焦點上，且該第一空間濾波元件231與241為孔徑不同之針孔或寬度不同 的線型狹縫。本實施例中，該第一光感測裝置230與240為單色CCD，該第一與第二光強度訊號為紅色光強度訊號。
此外，本系統2d中更具有一對第二光強度感測模組23a與24a以及一對第三光強度感測模組23b與24b。該對第二光強度感測模組23a與24a用以感測該第一與第三子測物光2004與2006，每一第二光強度感測模組23a與24a分別具有一第二光感測裝置230a與240a、一第二空間濾波元件231a與241a以及設置於該第二光感測裝置230a與240a與該第二空間濾波元件231a與241a之間的一第二濾光片233a與243a，其係為具有第二色彩濾波器，本實施例之第二色彩係為綠色。此外，每一第二空間濾波元件231a與241a尺寸不同，且分別設至於對應的第一與第三子測物光2004與2006之焦點上。其中一第二光感測裝置230a感測經過對應之第二空間濾波元件231a、聚光元件232a以及第二色彩濾波器的該第一子測物光2004以得到所對應的第三光強度訊號，第三光強度訊號所對應該待測物上之一偵測位置900，另一第二光感測裝置240a感測經過對應之第二空間濾波元件241a、聚光元件242a與第二色彩濾波器243a的該第二子測物光2006，以得到對應該第三光強度訊號的第四光強度訊號。本實施例中，該第二光感測裝置230a與240a為單色CCD，該第二空間濾波元件231a與241a為孔徑不同之針孔，該第三與第四光強度訊號為綠色光強度訊號。
該對第三光強度感測模組23b與24b，用以感測該第三與第四子測物光2005與2007，每一第三光強度感測模組23b與24b具有一第三光感測裝置230b與240b、一第三空間濾波元件231b與241b以及設置於該第三光感測裝置230b與240b與該第三空間濾波元件之間的一第三色彩濾波器233b與243b，本實施例中第三色彩為藍色。第三空間濾波元件231b與241b之間尺寸不同，且分別設至於對應的第三與第四子測物光2005與2007之焦點上。第三光感測裝置230b感測經過對應之第三空間濾波元件231b以及第三色彩濾波器233b的該第三子測物光2005以得到對應的第五光強度訊號，第五光強度訊號對應該待測物上之偵測位置900，另一第 三光感測裝置240b感測經過對應之第三空間濾波元件241b與第三色彩濾波器243b的該第四子測物光2007以得到對應該第五光強度訊號的第六光強度訊號。本實施例中，該第三光感測裝置230b與240b為單色CCD，該第三空間濾波元件231b與241b為孔徑不同之針孔，該第五與第六光強度訊號為藍色光強度訊號。
該訊號處理單元25，分別對每一個第一光強度訊號以及相對應的第二光強度訊號、第三光強度訊號以及相對應的第四光強度訊號以及每一個第五光強度訊號以及相對應的第六光強度訊號進行一訊號處理，其係包括有光強度正規化處理以及差動強度訊號比之演算，以得到分別相對應第一光強度與第二光強度的第一差動強度訊號比、相對應於第三光強度與第四光強度的第二差動強度訊號比以及相對應個第五光強度與第六光強度的第三差動強度訊號比，並根據該訊號比與深度關係，判斷每一第二與第三差動強度訊號對應之深度。
請參閱第9A與第9B圖所示，該圖係為本發明之差動彩色共焦量測系統第六實施例架構與光路示意圖。該差動彩色共焦量測系統2e具有一光源模組40、一線性偏極元件404與405，一第四與第五空間濾波元件41與42、一第一光調制模組43、一色散物鏡44、一第二光調制模組45、一對光強度感測裝置46與47以及一訊號處理單元49。該光源模組40，其係具有一光源產生裝置401用以產生一寬頻光、一對導光元件402與403用以將該寬頻光分成一第一寬頻光406以及一第二寬頻光407，之後再分別經第一線性偏極元件404與第一線性偏極元件405進一步將第一與第二寬頻光進行線偏極化，成為相互正交之第一偏極寬頻光(P線偏極)4000與第二偏極寬頻光(S線偏極)4001。在本實施例中，該寬頻光為一白光，該對導光元件402與403則為光纖所製成的導光元件。
該第一與第二空間濾波元件41與42，其係分別接收該第一與第二寬頻光，該第一與第二空間濾波元件41與42具有不同的尺寸。要說明的是，該第一與第二空間濾波元件41與42可以選擇 為狹縫結構或者是針孔，如果為狹縫結構，則經過第一與第二空間濾波元件41與42後會形成線性寬頻光；反之，如果為針孔的話，則會形成點寬頻光。此外，所謂的尺寸，對於狹縫結構而言為狹縫之寬度，而對於針孔則指針孔孔徑。在本實施例中，第一與第二空間濾波元件41與42為針孔，且其針孔孔徑不相同，以分別將該第一與第二寬頻光調制成點寬頻光，由該第一與第二空間濾波元件41與42之針孔位置向該第一光調制模組43投射。
該第一光偏極分光模組43，其係為一偏極分光元件(polarized beam splitter,PBS)用以接收經過該第一與第二空間濾波元件41與42之第一與第二線偏極寬頻光4000與4001，並分別將4000與4001進行合光。該第一與第二線偏極寬頻光4000與4001合光進入一分光元件48的導引，而進入該色散物鏡44。要說明的是，由於該第一與第二線偏極寬頻光4000與4001之偏極方向相互正交，因此雖然合成相同光路，但是不會相互干涉。
該色散物鏡44使該第一與第二線偏極寬頻光4000與4001分別產生軸向色散以形成複數個聚焦至不同深度之第一偏極子光場400R、400G與400B以及第二偏極子光場400r、400g與400b，該複數個第一以及一第二偏極子光場400R/400r、400G/400g與400B/400b係經由待測物90上之一偵測位置902反射而形成同光路之一第一與一第二偏極測物光，再經由該分光元件48導引至該第二光調制模組45，其係為偏極分光元件，用以將該同光路之第一與第二偏極測物光分成不同光路之第一與第二偏極測物光4002與4003。
該對光強度感測裝置46與47，其係分別為彩色CCD。其中之一光感測裝置46感測該第一偏極測物光4002，以得到對應的第一光強度訊號，其係對應該待測物90上之偵測位置902。該第一光強度訊號具有第一紅色光強度、第一綠色光強度以及第一藍色光強度。另一光感測裝置47感測該第二偏極測物光4003以得到對應該第一光強度訊號的第二光強度訊號，其係同樣具有第二紅光強度、第二綠光強度以及第二藍光強度。該訊號處理單元49， 其係具有對應該寬頻光之一訊號比與深度關係，可以參考如第3圖所示的曲線，該訊號處理單元49分別對第一光強度訊號以及相對應的第二光強度訊號中的第一與第二紅光強度、第一與第二綠光強度以及第一與第二藍光強度進行一訊號處理，以得到至少一分別相對應第一光強度與第二光強度的差動強度訊號比，其係包含有一紅光差動強度訊號比，由第一與第二紅光強度計算而得、綠光差動強度訊號比，由第一與第二綠光強度計算而得以及藍光差動強度訊號比，由第一與第二藍光強度計算而得。要說明的是各色光的差動強度訊號比的計算方式係根據式1-7~1-9的方程式來計算，其細節係如前所述，在此不做贅述。求出各色光之光強度訊號比之後，該訊號處理單元49並根據該訊號比與深度關係，判斷差動強度訊號比對應之量測深度，以決定出該待測物上偵測位置902之形貌深度。
由於光學系統使用的光源波段是連續性的，例如：波長由400nm到700nm，使用連續波段的光源可以避免物體吸收掉特定波長而無法進行量測的問題。此外為了能充分利用光源，第9A與第9B圖使用光纖導管將光源導引至系統中，再經由狹縫進行空間濾波，使入射光形成線光源。光源通過空間濾波元件41與42以及線偏極元件404與405後，在兩個光路中分別形成相互正交的P線偏極光以及S線偏極入射光，在經過第一光調制模組43將光源反射到軸向色散物鏡44中，使光源得以產生軸向色散現象。而物體之反射光由軸向色散物鏡返回後穿過分光鏡，為了使兩組CCD裝置分別取得P線偏極光以及S線偏極光之物光，因此以偏極分光鏡使得反射物光分為兩組P線偏極光以及S線偏極之物光，並由兩組光強度感測裝置46與47在精確色光聚焦的位置上分別感測接收之。在一實施例中，光強度感測裝置可以採用三片式感測器(Triple CCD；3 CCD)來取像，使得R、G與B各個色光可被相對應的色光感測器來感測，以避免色光訊號相互之間橫向交談干擾。
要說明的是，雖然前述實施例係為點寬頻光，但是如果將該整形元件202或空間濾波元件41與42換成狹縫結構，則可以將 寬頻光調制成線寬頻光。以第1圖之系統2為例，線性寬頻光進入線性色散物鏡21a之後，同樣會被色散，以形成複數道線性子測物光200R(L)、200G(L)以及200B(L)，再投射至待測物90之表面，如第10A圖所示。請參閱第10B圖所示，經過反射的線性寬頻光，其反射光的聚焦狀態同樣也會反應出該物體表面上被偵測的一維線性區域的表面形貌，再經由光強度感測裝置230的複數個感測像素2300來感測，每一個感測像素2300對應該待測物90上一維線性區域上的每一個位置，再經由每一個感測像素2300上的RGB感光元件感測之RGB光強度推算出差動強度訊號比，其原理係如前所述。由於子測物光為線性光場，因此可以一次偵測複數個偵測位置，以加快偵測表面的速度；更甚者，可以搭配移動平台線性移動，以完成整個待測物表面的形貌偵測。
標準塊規量測實例一：
本量測實例之待測物為標準塊規之量測，量測之公稱標準階高為10.1μm，使用雙軸位移平台進行區域量測，掃描範圍為150×40μm2 ，掃描間距為0.5μm。本系統其量測結果之三維形貌如第11A圖所示。而第11B圖則為量測結果之水平軸剖面圖。本實驗量測之平均高度為9.792μm，其各系統之量測結果與標準差如下表一所示。
標準塊規量測實例二：
本量測實例為標準公稱階高為25.4μm之標準塊規，使用雙軸位移平台進行區域量測，掃描範圍為150×40μm2 ，掃描間距為0.5μm。而本系統其量測結果之三維形貌如第11C圖所示。而第11D圖則為水平軸剖面圖。本實驗量測之平均高度為25.187μm，其各系統之量測結果與標準差如表二所示。
微凸塊量測實例三：
以業界所提供的硬刷電路板(print circuit board,PCB)上的微凸塊(Micro bump)作為量測實例，第12圖為電路板與微凸塊之局部示意圖。PCB板的基板5具有綠色底板50而微凸塊51的部分則是屬於全反射的金屬，微凸塊51與底板50表面的反射率不同，以此待測物來測試系統的量測效果。PCB板的微凸塊51的檢測主要是要求得待測物的高度與直徑，以此可以推求出微凸塊51的體積，各個微凸塊51直徑值與高度值皆會有所不同。用此待測物做為量測實例，可搭配本研究提出的多波長差動共焦量測系統進行量測。本系統量測之三維形貌如第13A圖。而第13B圖為其上視圖，第13C圖則分別為水平方向之剖面圖。本實驗量測之平均高度為22.551μm，而平均量測直徑則為94.337μm，其各系統之量測結果與誤差如表三所示。
唯以上所述之具體實施例，僅係用於例釋本發明之特點及功效，而非用於限定本發明之可實施範疇，於未脫離本發明上揭之精神與技術範疇下，任何運用本發明所揭示內容而完成之等效改變及修飾，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。
2‧‧‧差動彩色共焦量測系統
20‧‧‧光源模組
200‧‧‧寬頻光
200R、200G、200B‧‧‧子光場
2000‧‧‧第一測物光
2001‧‧‧第二測物光
201‧‧‧光源產生裝置
202‧‧‧整形元件
21‧‧‧色散物鏡
22‧‧‧第一光調制模組
23、24‧‧‧第一光強度感測模組
230、240‧‧‧第一光感測裝置
231、241‧‧‧第一空間濾波元件
232、242‧‧‧聚光元件
25‧‧‧訊號處理單元
26‧‧‧第一分光鏡
3‧‧‧移動平台
90‧‧‧待測物
900‧‧‧偵測位置

Claims (19)

  1. 一種差動濾波式彩色共焦量測系統，其係包含：一光源模組，其係提供一寬頻光；一色散物鏡，其係使該寬頻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測物光；一第一光調制模組，其係將該測物光分成一第一測物光以及一第二測物光；一對第一光強度感測模組，分別具有一第一光感測裝置以及一第一空間濾波元件，其中之一第一空間濾波元件設置在第一測物光之焦點上，另一第一空間濾波元件則設置在第二測物光之焦點上，每一第一空間濾波元件尺寸不相同，其中之一第一光感測裝置感測經過對應之第一空間濾波元件的該第一測物光，以得到對應的至少一第一光強度訊號，每一個第一光強度訊號對應該待測物上之一偵測位置，另一第一光感測裝置感測經過對應之第一空間濾波元件的該第二測物光，以得到對應該至少一第一光強度訊號的至少一第二光強度訊號；以及一訊號處理單元，根據該至少一第一光強度訊號的至少一第二光強度訊號以決定每一個偵測位置所對應之量測深度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之差動濾波式彩色共焦量測系統，其中該第一空間濾波元件係為狹縫結構，該尺寸係為狹縫寬度或者是該第一空間濾波元件為針孔，該尺寸係為孔徑。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之差動濾波式彩色共焦量測系統，其中該寬頻光為複數種色光所組成之可見光，每一第一光感測裝置為一彩色光感測裝置，其中之一彩色光感測裝置感測該第一測物光，以得到該至少一第一光強度訊號，以及另一彩色光感測裝置感測該第二測物光，以得到該至少一第二光強度訊號，其中每一個第一光強度訊號更包括一第一紅光強度訊 號、一第一綠光強度訊號與一第一藍光強度訊號，而每一個第二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。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之差動濾波式彩色共焦量測系統，其中該寬頻光為單一種色光所組成之可見光，每一第一光感測裝置為一彩色或單色光感測裝置，其中之一彩色或單色光感測裝置感測該第一測物光，以得到該種色光之至少一第一光強度訊號，以及另一彩色或單色光感測裝置感測該第二測物光，以得到該種色光之至少一第二光強度訊號。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之差動濾波式彩色共焦量測系統，其中該訊號處理單元係具有對應該寬頻光之一訊號比與深度關係，該訊號處理單元分別對每一個第一光強度訊號以及相對應的第二光強度訊號進行一訊號處理，以得到至少一分別相對應每一個第一光強度與第二光強度的第一差動強度訊號比，並根據該訊號比與深度關係，以決定每一個偵測位置所對應之量測深度。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之差動濾波式彩色共焦量測系統，其中該寬頻光為複數種色光所組成之可見光，每一第一光感測裝置為一單色光感測裝置，該單色感光裝置與對應之第一空間濾波元件之間更具有對應至少一光波長或色彩之一第一濾光片，每一第一光感測裝置感測通過對應之第一空間濾波元件與第一濾光片以得到該第一光強度與第二光強度訊號。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之差動濾波式彩色共焦量測系統，其中該第一濾光片為第一與第二光波長或色彩之濾光片，該差動彩色共焦量測系統係更包括有：一第二光調制模組，其係更由該第一測物光分出一第一子測物光；一第三光調制模組，其係更由該第二測物光分出一第二子測物光；以及一對第二光強度感測模組，分別用以感測該第一與第二子測 物光，每一第二光強度感測模組具有一第二光感測裝置、一第二空間濾波元件以及設置於該第二光感測裝置與該第二空間濾波元件之間的一第二濾光片，其係為具有第二與第三色彩之濾光片，每一第二空間濾波元件尺寸不同，其中一第二光感測裝置感測經過對應之第二空間濾波元件以及第二濾光片的該第一子測物光以得到對應的至少一第三光強度訊號，每一個第三光強度訊號對應該待測物上之一偵測位置，另一第二光感測裝置感測經過對應之第二空間濾波元件與第二濾光片的該第二子測物光以得到對應該至少一第三光強度訊號的至少一第四光強度訊號；其中該訊號處理單元，分別對每一個第三光強度訊號以及相對應的第四光強度訊號進行一訊號處理，以得到至少一分別相對應每一個第三光強度與第四光強度的第二差動強度訊號比，並根據該訊號比與深度關係，判斷每一第二差動強度訊號比所對應之量測深度。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之差動濾波式彩色共焦量測系統，其中該第二空間濾波元件係為狹縫結構，該尺寸係為狹縫寬度或者是該第二空間濾波元件為針孔，該尺寸係為孔徑。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之差動濾波式彩色共焦量測系統，其中該第一濾光片為一第一色彩濾光片，該差動彩色共焦量測系統係更包括有：一第二光調制模組，其係更由該第一測物光分出一第一子測物光與第二子測物光；一第三光調制模組，其係更由該第二測物光分出一第三與第四子測物光；以及一對第二光強度感測模組，用以感測該第一與第二子測物光，每一第二光強度感測模組具有一第二光感測裝置、一第二空間濾波元件以及設置於該第二光感測裝置與該第二空間濾波元件之間的一第二濾光片，其係為一第二色彩濾光片，每一第二空間濾波元件尺寸不同，且分別設至於 對應的第一與第二子測物光之焦點上，其中一第二光感測裝置感測經過對應之第二空間濾波元件以及第二濾光片的該第一子測物光以得到所對應的至少一第三光強度訊號，每一個第三光強度訊號對應該待測物上之一偵測位置，另一第二光感測裝置感測經過所對應之第二空間濾波元件與第二濾光片的該第二子測物光以得到對應該至少一第三光強度訊號的至少一第四光強度訊號；一對第三光強度感測模組，用以感測該第三與第四子測物光，每一第三光強度感測模組具有一第三光感測裝置、一第三空間濾波元件以及設置於該第三光感測裝置與該第三空間濾波元件之間的一第三濾光片，其係為一第三色彩濾光片，每一第三空間濾波元件尺寸不同，且分別設至於所對應的第三與第四子測物光之焦點上，其中一第三光感測裝置感測經過所對應之第三空間濾波元件以及第三濾光片的該第三子測物光以得到所對應的至少一第五光強度訊號，每一個第五光強度訊號所對應該待測物上之一偵測位置，另一第三光感測裝置感測經過對應之第三空間濾波元件與第三濾光片的該第三子測物光以得到對應該至少一第五光強度訊號的至少一第六光強度訊號；其中該訊號處理單元，分別對每一個第三光強度訊號以及相對應的第四光強度訊號以及每一個第五光強度訊號以及相對應的第六光強度訊號進行一訊號處理，以得到至少一分別相對應每一個第三光強度與第四光強度的第二差動強度訊號比以及至少一分別相對應於每一個第五光強度與第六光強度的第三差動強度訊號比，並根據該訊號比與深度關係，判斷每一第二與第三差動強度訊號所對應之量測深度。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之差動濾波式彩色共焦量測系統，其中該第三空間濾波元件係為狹縫，該尺寸係為狹縫寬度或者是針孔，該尺寸係為孔徑。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之差動濾波式彩色共焦量測系統，其中該寬頻光係為點寬頻光或線寬頻光。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之差動濾波式彩色共焦量測系統，其中該第一與第二光強度訊號更分別包括至少一種色光之光強度訊號，該訊號處理更包括有將每一種相對應色光或光波長之光強度訊號進行正規化訊號處理，使相對應色光或光波長之光強度值在0與1之範圍內。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之差動濾波式彩色共焦量測系統，其中該訊號處理所得之差動強度訊號比係為每一種相對應色光或光波長之光強度訊號的差值與和值的比值。
  14. 一種差動濾波式彩色共焦量測系統，其係包含：一光源模組，其係將一寬頻光分成一第一寬頻光以及一第二寬頻光；一第一與第二空間濾波元件，其係分別接收該第一與第二寬頻光，該第一與第二空間濾波元件具有不同的尺寸；一第一光調制模組，其係接收經過該第一與第二空間濾波元件之第一與第二寬頻光，並分別將該第一寬頻光調制成一第一偏極偵測光，將該第二寬頻光調制成與該第一偏極偵測光正交的一第二偏極偵測光；一色散物鏡，其係使該第一與該第二偏極偵測光分別產生軸向色散以形成複數個聚焦至不同深度之第一以及一第二偏極子光場，該複數個第一以及一第二偏極子光場係經由一待測物反射而形成同光路之一第一與一第二偏極測物光；一第二光調制模組，其係將該同光路之第一與第二偏極測物光分成不同光路之第一與第二偏極測物光；一對光強度感測裝置，其中之一光感測裝置感測該第一偏極測物光以得到所對應的至少一第一光強度訊號，每一個第一光強度訊號所對應該待測物上之一偵測位置，另一光感測裝置感測該第二偏極測物光以得到所對應該至少一第 一光強度訊號的至少一第二光強度訊號；以及一訊號處理單元，根據該至少一第一光強度訊號的至少一第二光強度訊號以決定每一個偵測位置所對應之量測深度。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之差動濾波式彩色共焦量測系統，其中該第一與第二空間濾波元件係為狹縫結構，該尺寸係為狹縫寬度，或者是該第一與第二空間濾波元件係為針孔，該尺寸係為孔徑。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之差動濾波式彩色共焦量測系統，其中該寬頻光係為點寬頻光或線寬頻光。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之差動濾波式彩色共焦量測系統，該訊號處理單元具有對應該寬頻光之一訊號比與深度關係，該訊號處理單元分別對每一個第一光強度訊號以及相對應的第二光強度訊號進行一訊號處理，以得到至少一分別相對應每一個第一光強度與第二光強度的第一差動強度訊號比，並根據該訊號比與深度關係，以決定每一個偵測位置對應之深度。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之差動濾波式彩色共焦量測系統，其中該第一與第二光強度訊號更分別包括至少一種色光之光強度訊號，該訊號處理更包括有將每一種相對應色光或光波長之光強度訊號進行正規化訊號處理，使相對應色光之光強度值在0與1之範圍內。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之差動濾波式彩色共焦量測系統，其中該訊號處理所得之差動強度訊號比係為每一種相對應色光之光強度訊號的差值與和值的比值。
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