TWI524049B - 表面形貌檢測裝置 - Google Patents

Description

表面形貌檢測裝置

本發明係關於一種表面形貌檢測裝置，特別是關於利用輻射梯度強度場所進行一種表面形貌檢測的方法及其裝置。

近年來隨著資源探勘、地圖量測及元件量測需求的急速增加，世界各國許多機構或公司相繼投入地理或元件之表面形貌探測技術的開發。其間已發展出不少新技術並衍生專利。

然而目前常見的表面形貌探測方式，多採用光學影像法、波束掃描法或多重聚焦法及其系統來進行。然而，這些表面形貌探測方法所需建立的系統，通常需要複雜且昂貴的裝備及精準的校正，且經常需要耗用大量的人力、物力與時間。另一方面，在實際量測時，其量測結果也容易受外界環境擾動的影響而大幅降低其量測準確度。

因此，如何開發出一種相較於前述各種表面形貌探測系統，架構更簡單且架設容易，又能提供穩定、準確及解析度更高的量測結果之表面形貌檢測裝置，便成為表面形貌探測技術的一個重要的創新思考及突破方向。

本發明為表面形貌檢測裝置，其包括：一輻射源；一透反式元件；一梯度強度調制器；一會聚元件；以及一偵測模組。本發明之實施，依據偵測模組所接收測得的不同強度的反射波可得知當時目標物之反射點與偵測模組之距離，進而得到目標物之表面位置資料，結合偵測位置之反推，可得出目標物之線性表面形貌。進一步使用表面形貌檢測裝置對目標物進行二維掃描，或使用線性陣列排列之表面形貌檢測裝置進行一維線性掃描且掃描方向為與線性陣列之排列方向垂直，則可以得出目標物之整體的表面形貌。

本發明係提供一種表面形貌檢測裝置，其包括有：一輻射源，其發射一波源；一透反式元件，其係受輻射源照射，並將波源反射至一光路徑上；一梯度強度調制器，其包含依序排列於光路徑上並共有一中央軸之至少一強度調制透鏡，每一強度調制透鏡係具有一第一表面及與第一表面相對之一第二表面，且第一表面係位於第二表面與透反式元件之間，其中至少一強度調制透鏡之第一表面或第二表面係固設有複數微結構，梯度強度調制器係將射入之波源調變為穿透及射出梯度強度調制器且於中央軸上強度為梯度分佈之探測波，又將經目標物反射並射入梯度強度調制器之探測波調變為反射波照射並穿透透反式元件；一會聚元件，其係將穿透透反式元件之反射波聚焦至一焦點；以及一偵測模組，其固設於焦點之位置，接收及處理反射波，並儲存及輸出目標物之表面縱深位置資料。

本發明又提供一種梯度強度調制器，其包含依序排 列並共有一中央軸之至少一強度調制透鏡，每一強度調制透鏡係具有一第一表面及與第一表面相對之一第二表面，當梯度強度調制器係具有至少二強度調制透鏡時，每一強度調制透鏡之第一表面係皆朝向同一方向設置並與中央軸相垂直，且其中至少一強度調制透鏡之第一表面或第二表面係固設有複數微結構，梯度強度調制器係將射入之一波源調變為穿透及射出梯度強度調制器且於中央軸上強度為梯度分佈之探測波，又將經目標物反射並射入梯度強度調制器之探測波調變為反射波後射出。

藉由本發明之實施，至少可以達到下列進步功效：

一、系統架構簡單且架設容易，不需複雜昂貴的光源元件，亦不需精準校正光路即可使用，大幅節省人力、物力與時間。

二、可以精確量測目標物的表面形貌。

三、可經由控制探測波之梯度分佈的軸向範圍及探測波之波長，控制整體對目標物表面形貌量測之縱深範圍與解析度。

四、可以對目標物進行一次且整面性之量測，具有快速檢測及快速獲得目標物的表面形貌之優勢。

五、可控制探測波之梯度分佈為遞增或遞減，以因應不同的應用需求。

為使任何熟習相關技藝者了解本發明之技術內容並據以實施，且根據本說明書所揭露之內容、申請專利範圍及圖式，任何熟習相關技藝者可輕易地理解本發明相關之目的及優點，因此將在實施方式中詳細敘述本發明之詳細特徵以及優點。

100‧‧‧表面形貌檢測裝置

200‧‧‧表面形貌檢測裝置

10‧‧‧輻射源

20‧‧‧透反式元件

30A‧‧‧梯度強度調制器

30A’‧‧‧梯度強度調制器

30‧‧‧強度調制透鏡

30’‧‧‧強度調制透鏡

31‧‧‧第一表面

32‧‧‧第二表面

33‧‧‧微結構

34‧‧‧非球面輪廓

40‧‧‧中央軸

50‧‧‧會聚元件

60‧‧‧偵測模組

70‧‧‧目標物

d‧‧‧間距

D‧‧‧距離

PA‧‧‧光路徑

PW‧‧‧探測波

RW‧‧‧反射波

WS‧‧‧波源

第1圖係為本發明實施例之一種表面形貌檢測裝置之系統架構示意圖。

第2圖係為本發明實施例之一種梯度強度調制器之剖面示意圖。

第3圖係為本發明實施例之另一種表面形貌檢測裝置之系統架構示意圖。

第4圖係為本發明實施例之另一種梯度強度調制器之剖面示意圖。

第5A圖係為本發明實施例之一種梯度強度調制器及微結構之示意圖。

第5B圖係為本發明實施例之另一種梯度強度調制器及微結構之示意圖。

第6A圖係為本發明實施例之一種梯度強度調制器及非球面輪廓之示意圖。

第6B圖係為本發明實施例之另一種梯度強度調制器及非球面輪廓之示意圖。

第6C圖係為本發明實施例之另一種可調控之梯度強度調制器之示意圖。

第7A圖係為本發明實施例之一種中央軸上梯度強度遞減之示意圖。

第7B圖係為本發明實施例之一種中央軸上梯度強度遞增之示意圖。

第8A圖係為本發明實施例之一種對目標物進行一維線性掃描偵測之立體示意圖。

第8B圖係為第8A圖實施例所偵測得之一種沿掃描方向之目標物 形貌示意圖。

第9A圖係為本發明實施例之一種對目標物進行二維掃描偵測之立體示意圖。

第9B圖係為第9A圖實施例所偵測得之一種目標物之表面形貌示意圖。

第10圖係為本發明實施例之一種以表面形貌檢測裝置陣列對目標物進行一維掃描偵測之立體示意圖。

請參考如第1圖所示，為實施例之一種表面形貌檢測裝置100，其包括有：一輻射源10；一透反式元件20；一梯度強度調制器30A；一會聚元件50；以及一偵測模組60。

如第3圖所示，則為實施例之另一種表面形貌檢測裝置200，其包括有：一輻射源10；一透反式元件20；一梯度強度調制器30A’；一會聚元件50；以及一偵測模組60。

如第1圖及第3圖所示，輻射源10，係用以發射一波源WS。而波源WS依照使用需求的不同，可以選擇使用可見光、不可見光或可見光及不可見光之混合光。另外，輻射源10發射之波源WS亦可以為光波以外的電磁波，如微波或毫米波等。

如第1圖及第3圖所示，透反式元件20，其係受輻射源10照射，並將輻射源10發射之波源WS反射至一光路徑PA上，而自目標物70反射之反射波RW從所述之光路徑PA入射至透反式元件20時又可以直接穿透透反式元件20。

如第1圖及第3圖所示，實際應用時，依照透反式 元件20的特性，可以使輻射源10發射之波源WS以45°入射角射向透反式元件20，透反式元件20即可將波源WS以45°反射角自透反式元件20法線(中央垂直線)另一邊的光路徑PA射出而使波源WS方向改變90°，且循光路徑PA反射回的反射波RW射向透反式元件20時，又可直接穿透透反式元件20。

如第1圖及第2圖所示，梯度強度調制器30A，其固設於光路徑PA上，且梯度強度調制器30A係具有至少一強度調制透鏡30及一中央軸40，強度調制透鏡30具有一第一表面31及與第一表面31相對並固設有複數微結構33之一第二表面32。梯度強度調制器30A係將自第一表面31入射之波源WS調變為自第二表面32射出且於中央軸40上強度為梯度分佈之一探測波PW，又自一目標物70反射之探測波PW並可以由梯度強度調制器30A調變為一反射波RW照射至光路徑PA上並穿透透反式元件20。

如第3圖及第4圖所示，於另一實施例，梯度強度調制器30A’，同樣為固設於光路徑PA上之一透鏡，且具有至少一強度調制透鏡30’及一中央軸40，強度調制透鏡30’具有固設有複數微結構33之一第一表面31及與第一表面31相對之一第二表面32，梯度強度調制器30A’同樣係將自第一表面31入射之波源WS調變為自第二表面32射出且於中央軸40上強度為梯度分佈之一探測波PW，又自一目標物70反射之探測波PW並由梯度強度調制器30A’調變為一反射波RW照射至光路徑PA上並穿透透反式元件20。

如第1圖及第3圖所示，會聚元件50，其係將穿透 透反式元件20之反射波RW聚焦至一焦點的位置。於實施例中可以使用至少一透鏡做為會聚元件50，且使用之透鏡可以為凸透鏡、平凸透鏡或是凸透鏡與凹透鏡之組合透鏡。

同樣如第1圖及第3圖所示，偵測模組60，其係固設於前述會聚元件50之焦點的位置，用以接收及處理反射波RW，並儲存及輸出由處理反射波RW之訊號而得的目標物70之表面縱深位置資料。

如第1圖至第4圖、第7A圖及第7B圖所示，微結構33係可以結合為連續的二維幾何結構，例如複數個具有不同焦點之菲聶爾透鏡(Fresnel lens)，由於每一菲聶爾透鏡會於梯度強度調制器30A或梯度強度調制器30A’之外且於中央軸40上的不同位置聚焦，因而可控制將射入梯度強度調制器30A或梯度強度調制器30A’之波源WS調變為射出梯度強度調制器30A或梯度強度調制器30A’且於中央軸40上強度為梯度分佈之探測波PW。此外，更可以微結構33的分佈進一步控制探測波PW強度為梯度分佈之方式為遞增或為遞減。

如第7A圖所示，為探測波PW強度之梯度分佈為遞減之實施例，此時離梯度強度調制器30A或梯度強度調制器30A’越遠處探測波PW之強度越小。如第7B圖所示，為探測波PW強度之梯度分佈為遞增之實施例，此時離梯度強度調制器30A或梯度強度調制器30A’越遠處探測波PW之強度越大。而不論是遞減或遞增之梯度分佈，探測波PW強度最強位置與強度最弱位置之距離係介於該波源之一中心波長之20倍至3千萬倍之間。

如第1圖至第4圖、第5A圖至第5B圖及第7A圖 至第7B圖所示，梯度強度調制器30A或梯度強度調制器30A’之微結構33，亦可以為直線狀或環狀之複數微細刻槽，且任二相鄰之微細刻槽之間距d係介於波源WS之中心波長的0.5倍至200倍之間。如此，梯度強度調制器30A或梯度強度調制器30A’，亦可以將射入之波源WS調變為自梯度強度調制器30A或梯度強度調制器30A’射出，且於中央軸40上強度為梯度分佈之探測波PW，同時，也同樣可以控制強度為梯度分佈之方式為遞增或為遞減。

再者，如第6A圖及第6B圖所示，可以於梯度強度調制器30A或梯度強度調制器30A’，以非球面輪廓34取代微結構33。其中如第6B圖所示之實施例，非球面輪廓34係可以為凸出強度調制透鏡30外之一錐形。如此，同樣可將射入梯度強度調制器30A或梯度強度調制器30A’之波源WS調變為自梯度強度調制器30A或梯度強度調制器30A’射出且於中央軸40上強度為梯度分佈之探測波PW，而且強度為梯度分佈之方式也可以控制為遞增或為遞減。

如第6C圖所示，梯度強度調制器30A或梯度強度調制器30A’亦可以具有二個或二個以上的強度調制透鏡30或強度調制透鏡30’，其中每一強度調制透鏡30或強度調制透鏡30’之第一表面31係皆朝向同一方向設置並與中央軸40相垂直，並且至少一強度調制透鏡30或強度調制透鏡30’之第一表面31或第二表面32固設有複數微結構33，而且二相鄰之強度調制透鏡30或強度調制透鏡30’間之距離D係可以進行調整，以隨應用需要改變於中央軸40上強度為梯度分佈之探測波PW於中央軸40上的軸向總長度。如第6C圖所示之實施例，為具有二個強度調制透鏡30 之梯度強度調制器30A。如第6C圖所示之梯度強度調制器30A，即可以將射入之波源WS調變為穿透及射出梯度強度調制器30A且於中央軸40上強度為梯度分佈之一探測波PW。

接著，請參考如第8A圖及第8B圖所示，於應用時，可將實施例之表面形貌檢測裝置100或表面形貌檢測裝置200，對一目標物70進行掃描。如第8A圖所示之實施例，係以表面形貌檢測裝置100或表面形貌檢測裝置200以SD掃描方向對目標物70進行一維掃描，此時，表面形貌檢測裝置100或表面形貌檢測裝置200即可依照所接收的反射波RW之強度，判別出反射波RW是由哪一個強度的梯度分佈之探測波PW所反射，而進一步推得目標物70於掃描處之縱深位置。再將此縱深位置依照SD掃描方向連結起來，即可如第8B圖所示，得到於SD掃描方向，杯體的表面形貌。本實施例係進行一維的線性掃描，並得到於掃描方向上目標物70之一維的線性形貌。

如第9A圖及第9B圖所示，為表面形貌檢測裝置100或表面形貌檢測裝置200以SA掃描方向對目標物70進行二維掃描之實施例。同樣的，表面形貌檢測裝置100或表面形貌檢測裝置200可依照所接收的反射波RW之強度，判別出反射波RW是由哪一個強度的梯度分佈之探測波PW所反射，而進一步推得目標物70於掃描處之縱深位置。將此縱深位置依照SA掃描方向連結起來，即可如第9B圖所示，得到於SA掃描方向，杯體的表面形貌。本實施例係進行二維的線性掃描，並得到於掃描方向上目標物70的表面形貌。

另外，得到任一目標物70之表面形貌的方式，也可 以如第10圖所示，使用表面形貌檢測裝置100或表面形貌檢測裝置200的陣列(array)進行SD掃描方向之一維線性掃描。只要將SD掃描方向與表面形貌檢測裝置100或表面形貌檢測裝置200的陣列之排列方向垂直，掃描及檢測的結果，同樣可以得到如第9B圖所示，目標物70之完整的表面形貌。

惟上述各實施例係用以說明本發明之特點，其目的在使熟習該技術者能瞭解本發明之內容並據以實施，而非限定本發明之專利範圍，故凡其他未脫離本發明所揭示之精神而完成之等效修飾或修改，仍應包含在以下所述之申請專利範圍中。

100‧‧‧表面形貌檢測裝置

10‧‧‧輻射源

20‧‧‧透反式元件

30A‧‧‧梯度強度調制器

30‧‧‧強度調制透鏡

31‧‧‧第一表面

32‧‧‧第二表面

33‧‧‧微結構

40‧‧‧中央軸

50‧‧‧會聚元件

60‧‧‧偵測模組

70‧‧‧目標物

PA‧‧‧光路徑

PW‧‧‧探測波

RW‧‧‧反射波

WS‧‧‧波源

Claims (13)

1. 一種表面形貌檢測裝置，其包括有：一輻射源，其發射一波源；一透反式元件，其係受該輻射源照射，並將該波源反射至一光路徑上；一梯度強度調制器，其包含依序排列於該光路徑上並共有一中央軸之至少一強度調制透鏡，每一該強度調制透鏡係具有一第一表面及與該第一表面相對之一第二表面，每一該強度調制透鏡之該第一表面係皆朝向同一方向設置並與該中央軸相垂直，其中至少一該強度調制透鏡之該第一表面或該第二表面係固設有複數微結構，該梯度強度調制器係將射入之該波源調變為穿透及射出該梯度強度調制器且於該中央軸上強度為梯度分佈之一探測波，又將經一目標物反射並射入該梯度強度調制器之該探測波調變為一反射波照射並穿透該透反式元件；一會聚元件，其係將穿透該透反式元件之該反射波聚焦至一焦點；以及一偵測模組，其固設於該焦點之位置，接收及處理該反射波，並儲存及輸出該目標物之一表面縱深位置資料，其中該些微結構係結合為一非球面輪廓結構。
2. 如申請專利範圍第1項所述之表面形貌檢測裝置，其中當該梯度強度調制器係具有至少二該強度調制透鏡時，二相鄰之該強度調制透鏡間之間距係可調整。
3. 如申請專利範圍第1項所述之表面形貌檢測裝置，其中該波源 係為一可見光、一不可見光或一可見光及一不可見光之混合光。
4. 如申請專利範圍第1項所述之表面形貌檢測裝置，其中之該些微結構係結合為連續的二維幾何結構。
5. 如申請專利範圍第1項所述之表面形貌檢測裝置，其中該些微結構係為直線狀或環狀之複數微細刻槽，且任二相鄰之該微細刻槽之間距係介於該波源之一中心波長之0.5倍至200倍之間。
6. 如申請專利範圍第1項所述之表面形貌檢測裝置，其中該非球面輪廓結構係為向該透鏡外凸出之一錐形。
7. 如申請專利範圍第1項所述之表面形貌檢測裝置，其中該探測波位於該中央軸上之強度分佈係為遞增或為遞減，且探測波強度最強位置與探測波強度最弱位置之間距係介於該波源之一中心波長之20倍至3千萬倍之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之表面形貌檢測裝置，排列成一維陣列進行掃描，掃描方向與該表面形貌檢測裝置陣列之排列方向垂直。
9. 一種梯度強度調制器，其包含依序排列並共有一中央軸之至少一強度調制透鏡，每一該強度調制透鏡係具有一第一表面及與該第一表面相對之一第二表面，當該梯度強度調制器係具有至少二該強度調制透鏡時，每一該強度調制透鏡之該第一表面係皆朝向同一方向設置並與該中央軸相垂直，且其中至少一該強度調制透鏡之該第一表面或該第二表面係固設有複數微結構，該梯度強度調制器係將射入之一波源調變為穿透及射出該梯度強度調制器且於該中央軸上強度為梯度分佈之一探測波，又將經一目標物反射並射入該梯度強度調制器之該探測波調變為一 反射波後射出，其中該些微結構係結合為一非球面輪廓結構。
10. 如申請專利範圍第9項所述之梯度強度調制器，其中該些微結構係結合為連續的二維幾何結構。
11. 如申請專利範圍第9項所述之梯度強度調制器，其中該些微結構係為直線狀或環狀之複數微細刻槽，且任二相鄰之該微細刻槽之間距係介於該波源之一中心波長之0.5倍至200倍之間。
12. 如申請專利範圍第9項所述之梯度強度調制器，其中該探測波位於該中央軸上之強度分佈係為遞增或為遞減，且探測波強度最強位置與探測波強度最弱位置之間距係介於該波源之一中心波長之20倍至3千萬倍之間。
13. 如申請專利範圍第9項所述之梯度強度調制器，其中當該梯度強度調制器係具有至少二該強度調制透鏡時，二相鄰之該強度調制透鏡間之間距係可調整。