TWI471522B - 使用陰影雲紋法線上即時檢測表面形貌與平面外變形之方法與系統 - Google Patents

Description

使用陰影雲紋法線上即時檢測表面形貌與平面外變形之方法與系 統

本發明涉及檢測表面形貌與平面外變形之技術，特別是一種使用陰影雲紋法線上即時檢測表面形貌與平面外變形之方法與系統。

隨著光電科技的發展，顯示器產業有朝向輕薄化走向之趨勢，如手機、數位相機、平板電腦與電腦螢幕等，而為了提升顯示器之成像品質，玻璃基板、導電薄膜與壓克力平板等由透明材料所製成之光學元件也被大量使用。為了達到透明與輕薄化之需求，元件之品質也受到嚴厲考驗，品質控管益形重要，因此能檢驗透明元件之量測方法就顯得相當重要。

透明材料之形貌檢測儀器有多種，接觸式的包括掃描探針顯微術(Scanning Probe Microscopy,SPM)與原子力顯微術(Atomic Force Microscopy,AFM)等，非接觸式之方式有共軛焦顯微術(Confocal Microscopy)、相位對比顯微術(Phase Contrast Microscopy)與差分干涉對比顯微術(Differential Interference Contrast Microscopy)等，這些方式通常用於奈微米等級之微觀形貌量測，其縱向量測解析度較高，但量測區域則較為狹小，故上述方法較不適用於大範圍之量測。

目前使用於全域性、非接觸性以及非破壞性之光學量測方法，通常需於待測物表面噴灑反射漆，使其能反射清晰之影像，方可進行判斷。然而，透明元件於表面噴灑反射漆後通常無法再利用，如此便無法將其應用於生產線上之即時檢測，因此需要一種檢驗方式，能以不噴漆之方式直接量測透明導光板之表面形貌。

美國專利第US7369253號揭露一種利用改變光柵的設置方式，即可將陰影雲紋法應用在生產輸送帶上的即時檢測。該前案可將陰影雲紋法應用於生產線上之檢測，但僅可用於量測非透明之待測物(即待測物需有反射性質，使表面可反射光柵所投影的條紋)，如同以往使用陰影雲紋法時所會遭遇的難處，無法直接量測透明物體，若要量測透明物則需做表面處理的動作(如：噴反射漆)，如此將不完全適用於產品的線上即時檢測。

是以，要如何解決上述習用之問題與缺失，即為本發明之發明人與從事此行業之相關廠商所亟欲研究改善之方向所在者。

故，本發明之發明人有鑑於上述缺失，乃搜集相關 資料，經由多方評估及考量，並以從事於此行業累積之多年經驗，經由不斷試作及修改，始設計出此種發明專利者。

本發明之主要目的在於提供一種可直接針對未經表面處理之物件(無論物件是透明或非透明材料)進行表面形貌與平面外變形之量測。

本發明之另一目的在於提供一種能以不破壞待測物件之方式，應用於線上即時表面形貌檢測系統。

本發明之再一目的在於提供能針對不同材料之待測物件，透過改變系統架設(改變光源角度與取像角度)獲得較佳的表面形貌量測結果。

為了達到上述發明目的，本發明係採取以下之技術手段予以達成，其中，本發明使用陰影雲紋法線上即時檢測表面形貌與平面外變形之方法，包括以下步驟：提供一具有一平面之物件；在平面上方取一固定距離放置一光柵，光柵與物件之平面形成兩個平行的平面；照射一光源在光柵上，光源與光柵之法線形成一入射夾角；在光柵上法線另一邊遠離光源處，與光柵之法線形成一反射夾角，接收光源穿過光柵從物件之平面反射的反射光再經過光柵形成一干涉條紋影像；改變光柵與物件之距離，重複擷取複數個干涉條紋影像，依據干涉條紋影像得到平面之全場相位值；以及將全場相位值轉換成位移值，得到量化後的位移值並重建物件之表面形貌與平面外變形資訊。

再者，從另一種實施方式中，本發明係採取以下之 技術手段予以達成，其中，本發明使用陰影雲紋法線上即時檢測表面形貌與平面外變形之系統，包括：一光發射器對著一待測物件之方向發射光源；一參考光柵位於一待測物件之上方，光柵與物件之平面形成兩個平行的平面，且光源照射在光柵上並與光柵之法線形成一入射夾角；一取像器位於光柵上法線另一邊遠離光源處，與光柵之法線形成一反射夾角，接收光源穿過光柵從待測物件之表面反射的反射光再經過光柵之干涉條紋影像；以及一計算機電性連接取像器以接收干涉條紋影像，計算機具有一電腦程式模組可以接收干涉條紋影像，並以相移法依據干涉條紋影像求取待測物件之表面形貌資訊。

目前，運用陰影雲紋法於表面形貌之量測，待測物件通常為鋁片、鋼板等不透光之物體，而針對透明物件之檢測，通常需於表面噴灑反射漆，才能反射陰影光柵形成干涉條紋。然而，透明材料之物件應用極廣，如玻璃基板、導電薄膜與壓克力平板等，若對其做形貌檢測皆須做表面處理，如此可能會造成物件之損壞或者無法應用於線上之即時檢測。因此，本發明以數位相位移式陰影雲紋法，應用在不同的光源入射角度與取像位置，能直接進行不噴漆透明試件之表面形貌量測。

為使本發明之上述目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例並配合所附圖式做詳細說明。

01‧‧‧光發射器

02、04‧‧‧直線滑軌

03‧‧‧取像器

05‧‧‧計算機

06‧‧‧參考光柵

07‧‧‧參考光柵夾持具

08‧‧‧位移控制器

09‧‧‧待測物件

10‧‧‧待測物件夾持具

S11~S16‧‧‧方法流程步驟

第一圖所示為本發明陰影雲紋法線上即時檢測表面形貌與平面外變形之方法流程步驟。

第二圖所示為本發明陰影雲紋法線上即時檢測表面形貌與平面外變形之系統示意圖。

第三圖所示為本發明所使用之陰影雲紋法示意圖。

下面結合圖示和具體操作之實施例對本發明作進一步說明。

請參閱第一圖所示為本發明使用陰影雲紋法線上即時檢測表面形貌與平面外變形之方法流程步驟。步驟S11：提供一具有一平面之物件。物件可為一透光物體或透光性導光板，例如：玻璃基板、導電薄膜與壓克力平板等由透明材料所製成之光學元件。

步驟S12：在物件平面上方取一固定距離放置一光柵，光柵與物件之平面形成兩個平行的平面。在一實施例中，光柵為一玻璃光柵，光柵之光柵間距與柵線範圍可依待測物件之特性而決定。

步驟S13：照射一光源在光柵上，光源與光柵之法線形成一入射夾角。在一實施例中，將光源置於光柵法線一側，調整一適當角度，入射至光柵，入射光源將光柵之柵線投影至物件之表面，形成一變形的陰影光柵。

步驟S14：在光柵上法線另一邊遠離光源處，與光柵之法線形成一反射夾角，擷取光源穿過光柵從物件之平面反射的反射光再經過光柵所形成之干涉條紋影像。一取像裝置則置於光柵法線另一側，移動至適當位置，使干涉條紋影像有較佳的清晰對比度(此影像為光柵與陰影光柵所疊合而成之干涉條紋圖形)。

步驟S15：重複擷取數個干涉條紋影像，依據干涉條紋影像計算物件平面之全場相位值。改變光柵與待測物件間的距離，以執行相位移的操作，移動光柵即可改變光柵與物件之距離。由於取像裝置之取像位置不在物件平面法線之方向上，所以擷取的影像會有歪斜的情形發生，利用影像校正方式，將歪斜的干涉條紋影像校正為正面的干涉條紋影像，以精確獲得實際物件之表面形貌與平面外變形。

步驟S16：將全場相位值轉換成位移值，得到量化後的位移值即可重建物件之表面形貌與平面外變形資訊。

根據上述，在一實施例中，以數個入射夾角取得相對應之數組干涉條紋影像，以及選出一組對比度最佳的干涉條紋影像與最佳入射角度。

在另一實施例中，以數個反射夾角取得相對應之數組干涉條紋影像，以及選出一組對比度最佳的干涉條紋影像與最佳反射角度。

請參閱第二圖所示為本發明使用陰影雲紋法線上即時檢測表面形貌與平面外變形之系統。一光發射器01對著一待測 物件09方向發射光源，其裝置在一直線滑軌02上，可將光發射器01移動，使光源調整至適當的入射角與方向。

另外，取像器03位於參考光柵06上法線另一邊遠離光源處，與參考光柵06之法線形成一反射夾角，接收光源穿過參考光柵06從待測物件之表面反射的反射光再經過參考光柵06之干涉條紋影像。取像器03亦使用一直線滑軌04移動，可調整適當的取像位置。在一實施例中，取像器03為一CCD相機，所擷取的影像會儲存至計算機05，供後續之步驟分析處理影像。除了CCD相機外，CMOS相機亦可以擷取影像儲存至計算機05。計算機05電性連接取像器03以接收干涉條紋影像，計算機05三具有一電腦程式模組可以輸入干涉條紋影像，並以相移法解算干涉條紋影像求取待測物件之表面形貌資訊。

再者，參考光柵06位於一待測物件09上方，參考光柵06與待測物件09之平面形成兩個平行的平面，且光源照射在參考光柵06上並與光柵之法線形成一入射夾角。利用參考光柵06與其投影於待測物件09表面之陰影光柵所疊合成之干涉條紋圖形，可得到待測物件09之表面形貌與平面外變形的資訊。

根據上述，參考光柵夾持具07與待測物件夾持具10分別是用於固定參考光柵06與待測物件09，而參考光柵夾持具07具有一調整水平性的微調裝置(圖中未示)，可用於調整參考光柵06與待測物件09間的水平性，避免因待測物件偏斜而造成量測結果不準確。另外，一位移控制器08使用步進馬達平移台可以使該光 柵沿著該物件法線方向上移動，用以改變參考光柵06與待測物件09之間的距離，以執行相位移的操作。在另外一實施例中，待測物件09在法線方向上移動亦可視為調整參考光柵06與待測物件09之間的距離。

請參閱第三圖所示為本發明所使用之陰影雲紋法示意圖，本發明主要是利用一組參考光柵和投影於物件表面上的陰影相互干涉疊合而成，藉由獲得的條紋圖形來量測平面外位移量。由示意圖幾何關係得到平面外位移表示式(1)： 式(1)中，W(x,y)為平面外變形量，N(x,y)為條紋級次，P為光柵間距。平面外位移量與條紋級次呈現正比關係，故找出物件表面上適當參考點，依序推出其它條紋級次，計算出全場之平面外位移量。

根據上述，本發明使用陰影雲紋法產生的條紋，其光強是一種近似餘弦函數的方式分佈： 式(2)中，I(x,y)為條紋影像中各像素的光強分布，I₀(x,y)為背景光強，A(x,y)為餘弦振幅，為各像素的相位值。除了I(x,y)為已知函數其它都為未知函數，故一張條紋影像無法決定出各像素的相位值，至少還需三個方程式幫助求解。

在一實施例中，利用四步相位移，如式(3)、式(4)、式(5)、式(6)所示，得到條紋級次為式(7)所示：

藉由相位移技術可以提高條紋的解析度，獲得精確的全場平面外位移量。

根據上述，解得之相位是透過反正切函數運算，所得之相位值會被侷限在之-π/2~π/2間，必須透過反正切函數裡分子與分母的正負性，修正各點之相位恢復相位至0~2π的範圍，如下表所示：

上述相位展開法是一種與路徑相關的演算法。相位展開後相鄰兩點之相位值必為連續，且相位展開前與相位展開後兩點之相位差值必為2π之倍數，以二維方向做相位展開，則x方向可表示成式(8)： φ'(x _i ,y)=φ(x _i ,y)+2n _i π ……(8) φ'(x ₁ ,y)為x方向相位展開後之相位， φ(x ₁ ,y)為相位展開前之相位，n_i為一整數。經過相位展開後，相鄰兩點之相位值必為連續且相位差值不會超過2π，且在-π~π範圍內，表示成式(9)：-π<φ'(x _i ,y)-φ'(x _i-1 ,y)<π……(9)

綜合上述，本案相較於習用技術具有以下優點：本發明藉由調整不同的光源入射角度和取像角度，直接使用陰影雲紋法量測未經表面處理之物件表面形貌與平面外變形(不論物件透明與否)。藉由改變取像角度，可直接於不噴漆之透明導光板上觀察到干涉條紋影像，當取像角接近光源角時，可得到對比度較佳的干涉條紋影像。

本發明一實施例在取像角度接近光源的入射角度時，干涉影像中的光柵繞射光可能造成相位展開的錯誤，經由稍偏移取像角度或選取適當的分析範圍，即可成功展開相位，求取物件之表面形貌。

本發明克服習知陰影雲紋法量測透明待測物需噴漆之缺點，直接以不噴灑反射漆之方式量測具透光性導光板之表面 形貌，做為導光板之線上即時檢測系統。

透過上述之詳細說明，即可充分顯示本發明之目的及功效上均具有實施之進步性，極具產業之利用性價值，且為目前市面上前所未見之新發明，完全符合發明專利要件，爰依法提出申請。唯以上所述著僅為本發明之較佳實施例而已，當不能用以限定本發明所實施之範圍。即凡依本發明專利範圍所作之均等變化與修飾，皆應屬於本發明專利涵蓋之範圍內，謹請 貴審查委員明鑑，並祈惠准，是所至禱。

S11~S16‧‧‧方法流程步驟

Claims (11)

1. 一種使用陰影雲紋法線上即時檢測表面形貌與平面外變形之方法，包括以下步驟：提供一具有一平面之物件；在該平面上方取一固定距離放置一光柵，該光柵與該物件之平面形成兩個平行的平面；照射一光源在該光柵上，該光源與該光柵之法線形成一入射夾角；在該光柵上法線另一邊遠離該光源處，與該光柵之法線形成一反射夾角，接收該光源穿過該光柵從該物件之平面反射的反射光再經過該光柵形成一干涉條紋影像；改變該光柵與該物件之距離，重複擷取複數個干涉條紋影像，依據該些干涉條紋影像得到該平面之全場相位值；以及將該全場相位值轉換成位移值，得到量化後的該位移值並重建該物件之表面形貌與平面外變形資訊；其中該物件為一透光物體或導光板。
2. 如申請專利範圍第1項所述之使用陰影雲紋法線上即時檢測表面形貌與平面外變形之方法，更包括以複數個入射夾角取得相對應之複數組干涉條紋影像；以及選出一對比度最佳的干涉條紋影像與最佳入射角度。
3. 如申請專利範圍第2項所述之使用陰影雲紋法線上即時檢測表面形貌與平面外變形之方法，其中更包括將擷取到歪斜的干涉條 紋影像恢復為正面的干涉條紋影像。
4. 如申請專利範圍第1項所述之使用陰影雲紋法線上即時檢測表面形貌與平面外變形之方法，更包括以複數個反射夾角取得相對應之複數組干涉條紋影像；以及選出一對比度最佳的干涉條紋影像與最佳反射角度。
5. 如申請專利範圍第4項所述之使用陰影雲紋法線上即時檢測表面形貌與平面外變形之方法，其中更包括將擷取到歪斜的干涉條紋影像恢復為正面的干涉條紋影像。
6. 一種使用陰影雲紋法線上即時檢測表面形貌與平面外變形之系統，包括：一光發射器，對著一待測物件之方向發射一光源；一參考光柵，位於該待測物件之上方，該參考光柵與該物件之平面形成兩個平行的平面，且該光源照射在該參考光柵上並與該參考光柵之法線形成一入射夾角；一取像器，係位於該參考光柵上法線另一邊遠離該光源處，與該參考光柵之法線形成一反射夾角，接收該光源穿過該參考光柵從該待測物件之表面反射的反射光再經過該參考光柵之干涉條紋影像；以及一計算機，係電性連接該取像器以接收該干涉條紋影像，該計算機具有一電腦程式模組可以輸入該干涉條紋影像，並以相移法依據該干涉條紋影像求取該待測物件之表面形貌資訊；其中該待測物件為一透光物體或透光性導光板。
7. 如申請專利範圍第6項所述之使用陰影雲紋法線上即時檢測表面形貌與平面外變形之系統，其中該取像器具有一滑軌使該取像器在該滑軌上移動，以複數個反射夾角取得相對應之複數組干涉條紋影像。
8. 如申請專利範圍第7項所述之使用陰影雲紋法線上即時檢測表面形貌與平面外變形之系統，其中該計算機從該些干涉條紋影像選出一組對比度最佳的干涉條紋影像，再以數位相位移式陰影雲紋法解算該干涉條紋影像求取該物件平面的表面形貌資訊。
9. 如申請專利範圍第6項所述之使用陰影雲紋法線上即時檢測表面形貌與平面外變形之系統，其中該光發射器具有一滑軌使該光發射器在該滑軌上移動，以複數個入射夾角取得相對應之複數組干涉條紋影像。
10. 如申請專利範圍第9項所述之使用陰影雲紋法線上即時檢測表面形貌與平面外變形之系統，其中該計算機從該些干涉條紋影像選出一組對比度最佳的干涉條紋影像，再以數位相位移式陰影雲紋法解算該干涉條紋影像求取該物件平面的表面形貌資訊。
11. 如申請專利範圍第6、7或9項所述之使用陰影雲紋法線上即時檢測表面形貌與平面外變形之系統，其中該參考光柵具有一位移控制器，可以使該光柵沿著該物件法線方向上移動，改變該參考光柵與該待測物件間的距離，以執行相位移的操作。