TWI516743B - 具直線奈米定位之自動聚焦三維量測系統 - Google Patents

具直線奈米定位之自動聚焦三維量測系統 Download PDF

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具直線奈米定位之自動聚焦三維量測系統
本發明係有關於一種三維量測系統，尤其是指一種具有能直線奈米定位且進行自動聚焦的三維量測系統。
非接觸式探頭的發展以光學原理為主幹，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)取像技術及PSD(Position Sensitive Detector)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CCD取像技術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。PSD檢測方式是利用雷射光學探頭實現對入射點位置進行檢測的檢測方式，其與CCD取像技術相比具有位置辨識度高、響應速度快、信號處理簡單等優點，加上PSD檢測方式可以連續輸出模擬信號，且位置輸出信號只與入射光的位置有關，其架構相對簡單，因此特別適合用於對待測物件表面的量測。
而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)。然而，現階段此類儀器大多需仰賴國外廠商進口，且造價昂貴與體積龐大，因此，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，只是其擷取影像是非連續性的，量測的影像結果會呈現階梯效應，而造成量測上的錯誤判斷。
本發明之主要目的，係提供一種具直線奈米定位之自動聚焦三維量測系統，主要係為透過該系統取得微小待測物表面輪廓之尺寸大小。即由一維量測元件並搭配二維量測元件，求得待測物的三維尺寸，並利用一壓電元件作為致動器，以驅動直線奈米定位裝置直線運動，同時帶動三維量測裝置，當待測物表面高度產生變化量 時，以失焦訊號為判斷值，來驅動壓電元件，驅使直線奈米定位平台，使此系統達到大範圍自動聚焦量測。
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：一種具直線奈米定位之自動聚焦三維量測系統，係包括一壓電致動元件、一直線奈米定位裝置、一三維量測裝置與一處理單元；該壓電致動元件，具有輸出端；該直線奈米定位裝置，包括有二槓桿元件、二曲臂元件，該二槓桿元件各具有相對應的第一端與第二端，於該第一端與該第二端之間設一支點，該二槓桿元件的第一端與該壓電致動元件之輸出端接設；該二曲臂元件各具有相對應的第一端與第二端，該二曲臂元件的第一端與該二槓桿元件的第二端樞連，而該二曲臂元件的第二端則彼此樞連；該三維量測裝置，包括有一維形貌感知元件、二維影像量測元件、成像透鏡、第一發光源、非偏極分光鏡、偏極分光鏡、顯微物鏡；該偏極分光鏡置於一維形貌感知元件與顯微物鏡之間，該非偏極分光鏡置於該偏極分光鏡一側，該成像透鏡位於該二維影像量測元件與該非偏極分光鏡之間，該第一發光源的光線投射於待測物表面並反射回到該三維量測裝置；該一維形貌感知元件隨著待測物 表面的起伏能得到一失焦信號；藉此令該一維形貌感知元件與該二維影像量測元件分別測得待測物表面的一維表面輪廓數據與二維表面輪廓尺寸資料；該處理單元，在接收該失焦信號後進行運算處理以得到一聚焦驅動信號，依該聚焦驅動信號驅動該壓電致動元件改變輸出端狀態；該處理單元並同時整合所測得之待測物一維表面輪廓數據與二維表面輪廓尺寸資料，以得到待測物之三維尺寸的形貌。
如上所述之具直線奈米定位之自動聚焦三維量測系統，其中，該一維光學位移感測裝置包括有一第二發光源、一分光鏡、一反射鏡、一準直鏡及一光感測器；該第二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。
如上所述之具直線奈米定位之自動聚焦三維量測系統，其中，該第二發光源為一雷射二極體。
如上所述之具直線奈米定位之自動聚焦三維量測系統，其中，該分光鏡由第二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。
如上所述之具直線奈米定位之自動聚焦三維量測系統，其中，該光感測器為四象限光感測器。
(1)‧‧‧壓電致動元件
(11)‧‧‧輸出端
(2)‧‧‧直線奈米定位裝置
(21)‧‧‧槓桿元件
(211)‧‧‧第一端
(212)‧‧‧第二端
(213)‧‧‧支點
(22)‧‧‧曲臂元件
(221)‧‧‧第一端
(222)‧‧‧第二端
(3)‧‧‧三維量測裝置
(31)‧‧‧一維形貌感知元件
(311)‧‧‧第二發光源
(312)‧‧‧分光鏡
(3121)‧‧‧第二偏極分光鏡
(3122)‧‧‧四分之一波片
(313)‧‧‧反射鏡
(314)‧‧‧準直鏡
(315)‧‧‧光感測器
(32)‧‧‧二維影像量測元件
(33)‧‧‧成像透鏡
(34)‧‧‧第一發光源
(35)‧‧‧非偏極分光鏡
(36)‧‧‧偏極分光鏡
(37)‧‧‧顯微物鏡
(4)‧‧‧處理單元
(O)‧‧‧第一方向
(P)‧‧‧第二方向
第一圖：本發明具直線奈米定位之自動聚焦三維量測系統的架構方塊圖
第二圖：本發明之直線奈米定位裝置的架構示意圖
第三圖：本發明之三維量測裝置的架構示意圖
第四圖：本發明之一維形貌感知元件的架構示意圖
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：
請參看第一圖所示，其係本發明之具直線奈米定位之自動聚焦三維量測系統的架構示意圖。
本發明之具直線奈米定位之自動聚焦三維量測系統，係包括一壓電致動元件(1)、一直線奈米定位裝置(2)、一三維量測裝置(3)與一處理單元(4)；其中：
該壓電致動元件(1)，具有輸出端(11)(請參看第二圖)。
該直線奈米定位裝置(2)，包括有二槓桿元件(21)與二曲臂元件(22)，該二槓桿元件(21)分別位在該壓電致動元件(1)之輸出端(11)的二側，該槓桿元件(21)具有相對應的第一端(211)與第二端(212)，於該第一端(211)與該第二端(212)之間設一支點(213)，使該第一端(211)與該第二端(212)因該支點(213)的設置能如翹翹板般一高一低之運作態樣；該二槓桿元件(21)的第一端(211)與該壓電致動元件(1)之輸出端(11)接設；該二曲臂元件(22)各具有相對應的第一端(221)與第二端(222)，該二曲臂元件(22)的第一端(221)與該槓桿元件(21)的第二端(212)樞連，而該二曲臂元件(22)的第二端(222)則彼此樞連。由本發明之直線奈米定位裝置(2)簡化後之等效機構圖，並以剛體來分析理論放大倍率與位移，可得如(1)式之相對關係：d=a 1(cosθ 1+a 2 sinθ 1)d p (1)
其中a 1=l 1/l 0為槓桿放大倍率，a 2=l 1/tanθ為肘節放大倍率，d p 為致動器輸入位移，d為最終輸出位移。
該三維量測裝置(3)(請參看第三圖)，係設置於該直線 奈米定位裝置(2)的二曲臂元件(22)第二端(222)樞連之處，以利用該直線奈米定位裝置(2)帶動該三維量測裝置(3)直向位移，調整該三維量測裝置(3)聚焦位置；該三維量測裝置(3)包括有一維形貌感知元件(31)、二維影像量測元件(32)、成像透鏡(33)、第一發光源(34)、非偏極分光鏡(35)、偏極分光鏡(36)、顯微物鏡(37)；該偏極分光鏡(36)置於一維形貌感知元件(31)與顯微物鏡(37)之間，該非偏極分光鏡(35)則置於該偏極分光鏡(36)的一側，該成像透鏡(33)位於該二維影像量測元件(32)與該非偏極分光鏡(35)之間，該第一發光源(34)的光線直接投射於待測物表面，且其反射之光線為該三維量測裝置(3)接收，該一維形貌感知元件(31)產生之光束經偏極分光鏡(36)、顯微物鏡(37)投射於待測物表面後，再由待測物表面反射而回之光束依原路線返回，並在分析運算後得到待測物表面輪廓；該二維影像量測元件(32)則藉由該第一發光源(34)之光線直接投射於待測物表面，由待測物表面反射而回之光束經顯微物鏡(37)、偏極分光鏡(36)、非偏極分光鏡(35)、成像透鏡(33)成像於該二維影像量測元件(32)，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；該一維形貌感知元件(31)隨著待測物表面的起伏能得到一失焦信號。
其中(請參看第四圖)，該一維形貌感知元件(31)包括 有一第二發光源(311)、一分光鏡(312)、一反射鏡(313)、一準直鏡(314)及一光感測器(315)；該第二發光源(311)為一雷射二極體，其發射光束射向該分光鏡(312)，該分光鏡(312)由第二偏極分光鏡(3121)及四分之一波片(3122)所構成，係用以令該光束極化，且改變該光束之行進方向，通過該分光鏡(312)之光束經該反射鏡(313)並穿透該準直鏡(314)後，此光束再經過該偏極分光鏡(36)與該顯微物鏡(37)，聚焦在待測物上，其反射光束再循原路徑經該顯微物鏡(37)、該偏極分光鏡(36)、該準直鏡(314)、該反射鏡(313)、該分光鏡(312)後而投射至該四象限光感測器(315)上；而當該待測物表面的位置在該顯微物鏡(37)的聚焦平面上時，第二發光源(311)之反射光經由該準直鏡(314)、該反射鏡(313)與該分光鏡(312)會在該四象限光感測器(315)上形成一個圓形區域(聚焦信號)；若該待測物表面位於該顯微物鏡(37)的非聚焦區域，則經該準直鏡(314)、該反射鏡(313)與該分光鏡(312)的反射光在該四象限光感測器(315)上形成的形狀則為橢圓形(失焦信號)；而該四象限光感測器(315)會將其感測到之信號送至該處理單元(4)進行判斷該三維量測裝置(3)是否失焦。
該處理單元(4)，在接收該四象限光感測器(315)傳來之信號後，便會進行判斷該三維量測裝置(3)是處於聚焦或失 焦狀態，當該處理單元(4)判斷該三維量測裝置(3)失焦時，將同時產生一聚焦驅動信號，該處理單元(4)即依據該聚焦驅動信號驅動該壓電致動元件(1)，使該壓電致動元件(1)改變其輸出端(11)狀態；該處理單元(4)並同時整合該三維量測裝置(3)所測得之待測物的一維表面輪廓數據與二維表面輪廓尺寸資料，以得到待測物之三維尺寸的形貌。
實施時(請參看第一~第四圖)，首先利用一維形貌感知元件(31)將第二發光源(311)之雷射光聚焦於反射鏡(313)上，藉由反射回來的光源投射在四象限光感測器(315)，同時調整準直鏡(314)與反射鏡(313)之距離，使四象限光感測器(315)的光點在四象限的分佈相同，藉此達到對焦，再固定三維量測裝置(3)的位置。接著將待測物擺至適當的位置，並調整待測物與顯微物鏡(37)之間的距離，使得三維量測裝置(3)達到對焦的狀況；完成對焦時，利用一維形貌感知元件(31)作為待測物表面深度的量測，並同時配合二維影像量測元件(32)作表面輪廓之量測。一維形貌部分是經由一維形貌感知元件(31)所量測出曲線之線性區的特性，建立出位置與電壓輸出的關係，得知位移量的變化；而二維影像量測部分則是將二維影像量測元件(32)擷取出來的影像進行前置處理，並將處理後的影像導入量測之公式，即可對待測物之幾何外型作像素量化之動作，再配合成像原理推算出原始待測物之尺寸大小。此外，透過驅動壓電致 動元件(1)帶動直線奈米定位裝置(2)，以調整三維量測裝置(3)與待測物間之距離。即當待測物表面高度產生變化量時，會使三維量測裝置(3)與待測物之間的距離改變，造成三維量測裝置(3)失焦，此時該處理單元(4)便以該失焦信號為判斷值並得到一聚焦驅動信號，以依據該聚焦驅動信號來驅動該壓電致動元件(1)。該壓電致動元件(1)之輸出端(11)往第一方向(O)凸伸時，該槓桿元件(21)的第一端(211)因與該壓電致動元件(1)之輸出端(11)接設，使該槓桿元件(21)之第一端(211)被往第一方向(O)帶動，而該槓桿元件(21)之第二端(212)因為支點(213)的關係，而往第二方向(P)移動，此時因曲臂元件(22)之第一端(221)與槓桿元件(21)的第一端(211)樞接，且二曲臂元件(22)之第二端(222)又彼此樞接，使得該二曲臂元件(22)第二端(222)樞接處的位置往第二方向(P)位移，並因此帶動三維量測裝置(3)拉大與待測物之間的距離；當該壓電致動元件(1)之輸出端(11)往第二方向(P)內縮時，該槓桿元件(21)的第一端(211)將往第二方向(P)帶動，使該槓桿元件(21)的第二端(212)因為支點(213)的關係往第一方向(O)移動，同時連動曲臂元件(22)第二端(222)樞接處的位置往第一方向(O)位移，帶動三維量測裝置(3)拉近與待測物之間的距離；藉此達到自動聚焦量測之效果。
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)‧‧‧壓電致動元件
(2)‧‧‧直線奈米定位裝置
(3)‧‧‧三維量測裝置
(4)‧‧‧處理單元

Claims (5)

  1. 一種具直線奈米定位之自動聚焦三維量測系統，係包括一壓電致動元件、一直線奈米定位裝置、一三維量測裝置與一處理單元；該壓電致動元件，具有輸出端；該直線奈米定位裝置，包括有二槓桿元件、二曲臂元件，該二槓桿元件各具有相對應的第一端與第二端，於該第一端與該第二端之間設一支點，該二槓桿元件的第一端與該壓電致動元件之輸出端接設；該二曲臂元件各具有相對應的第一端與第二端，該二曲臂元件的第一端與該二槓桿元件的第二端樞連，而該二曲臂元件的第二端則彼此樞連，該三維量測裝置，包括有一維形貌感知元件、二維影像量測元件、成像透鏡、第一發光源、非偏極分光鏡、偏極分光鏡、顯微物鏡；該偏極分光鏡置於一維形貌感知元件與顯微物鏡之間，該非偏極分光鏡設置於該偏極分光鏡的一側，該成像透鏡位於該二維影像量測元件與該非偏極分光鏡之間，該第一發光源之光線直接投射於待測物表面；該一維光學位移感測裝置包括有一第二發光源、一分光鏡、一反射鏡、一準直鏡及一光感測器；該第二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；該一維形貌感知元件隨著待測物表面的起伏能得到一失焦信號；藉此令該一維形貌感知元件與該二維影像量測元件分別測得待測物表面的一維表面輪廓數據與二維表面輪廓尺寸資料；該處理單元，在接收該失焦信號後進行運算處理以得到一聚焦驅動信號，依該聚焦驅動信號驅動該壓電致動元件改變輸出端狀態；該處理單元並同時整合所測得之待測物一維表面輪廓數據與二維表面輪廓尺寸資料，以得到待測物之三維尺寸的形貌。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之具直線奈米定位之自動聚焦三維量測系統，其中，該第二發光源為一雷射二極體。
  3. 如申請專利範圍第1或2項所述之具直線奈米定位之自動聚焦三維量測系統，其中，該分光鏡由第二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。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之具直線奈米定位之自動聚焦三維量測系統，其中，該光感測器為四象限光感測器。
  5. 如申請專利範圍第1或2項所述之具直線奈米定位之自動聚焦三維量測系統，其中，該光感測器為四象限光感測器。
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