TWI567364B - 結構光產生裝置、量測系統及其方法 - Google Patents

結構光產生裝置、量測系統及其方法 Download PDF

Info

Publication number
TWI567364B
TWI567364B TW104129620A TW104129620A TWI567364B TW I567364 B TWI567364 B TW I567364B TW 104129620 A TW104129620 A TW 104129620A TW 104129620 A TW104129620 A TW 104129620A TW I567364 B TWI567364 B TW I567364B
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
structured light
light
tested
structured
image
Prior art date
Application number
TW104129620A
Other languages
English (en)
Other versions
TW201710642A (zh
Inventor
卓嘉弘
陳心怡
謝易辰
繆征達
Original Assignee
財團法人工業技術研究院
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 財團法人工業技術研究院 filed Critical 財團法人工業技術研究院
Priority to TW104129620A priority Critical patent/TWI567364B/zh
Priority to US14/935,601 priority patent/US10105906B2/en
Application granted granted Critical
Publication of TWI567364B publication Critical patent/TWI567364B/zh
Publication of TW201710642A publication Critical patent/TW201710642A/zh

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/10—Processes of additive manufacturing
    • B29C64/141—Processes of additive manufacturing using only solid materials
    • B29C64/153—Processes of additive manufacturing using only solid materials using layers of powder being selectively joined, e.g. by selective laser sintering or melting
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/20—Apparatus for additive manufacturing; Details thereof or accessories therefor
    • B29C64/264—Arrangements for irradiation
    • B29C64/268—Arrangements for irradiation using laser beams; using electron beams [EB]
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C64/00—Additive manufacturing, i.e. manufacturing of three-dimensional [3D] objects by additive deposition, additive agglomeration or additive layering, e.g. by 3D printing, stereolithography or selective laser sintering
    • B29C64/30—Auxiliary operations or equipment
    • B29C64/386—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B29C64/393—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B33—ADDITIVE MANUFACTURING TECHNOLOGY
    • B33Y—ADDITIVE MANUFACTURING, i.e. MANUFACTURING OF THREE-DIMENSIONAL [3-D] OBJECTS BY ADDITIVE DEPOSITION, ADDITIVE AGGLOMERATION OR ADDITIVE LAYERING, e.g. BY 3-D PRINTING, STEREOLITHOGRAPHY OR SELECTIVE LASER SINTERING
    • B33Y50/00—Data acquisition or data processing for additive manufacturing
    • B33Y50/02—Data acquisition or data processing for additive manufacturing for controlling or regulating additive manufacturing processes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2513—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object with several lines being projected in more than one direction, e.g. grids, patterns
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2518—Projection by scanning of the object
    • G01B11/2527—Projection by scanning of the object with phase change by in-plane movement of the patern
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/005—Projectors using an electronic spatial light modulator but not peculiar thereto

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Description

結構光產生裝置、量測系統及其方法
本揭露係關於一種結構光產生裝置、量測系統及其方法之技術，特別是指一種提高解析之結構光產生裝置、量測系統及量測方法。
目前最廣為重視的三維列印(3D printing)係快速成形技術的一種，其透過數位切層的方式進行二維圖形的疊加以累積成三維物體。
在該三維物體之製程中，由於需要長時間製作且精度與重覆性不佳，故需透過量測系統量測該三維物體之每一層之二維形貌及三維高度變化，藉此確保該三維物體之品質。
惟，在該量測系統之解析能力不足的情況下，將不易監控該三維物體之二維形貌及三維高度變化，亦難以量測該三維物體之待測面(二維)上之粉體之鋪粉平坦度，導致無法提升該三維物體之品質及良率。
同時，在製作具有n層之三維物體時，該量測系統通常需執行2n次之動作以擷取n個量測面之影像與n個參考 面之影像，才能取得該待測物之每一層之高度變化。
另外，在分析該三維物體上之粉體之鋪粉平坦度時，通常採用影像瑕疵演算法，如奇異值分解法(singular value decomposition,SVD)或希伯特轉換法(Hilbert-Huang transform,HHT)，導致需進行極大資料量之運算，方能取得背景影像資訊及瑕疵影像。
因此，如何克服上述習知技術的問題，實已成目前亟欲解決的課題。
本揭露係提供一種結構光產生裝置、量測系統及其方法，其可提供疊加結構光以提高解析。
本揭露之結構光產生裝置包括：光調變元件，係接收投影光並將該投影光調變為具有圖案之第一結構光；以及光位移元件，係對應於該光調變元件以接收該第一結構光，並位移該第一結構光以產生具有該圖案之第二結構光，其中，該第一結構光與該第二結構光之間具有位移差，且該第一結構光與該第二結構光疊加成疊加結構光。
本揭露之量測系統包括：結構光產生裝置，係具有光調變元件與光位移元件，該光調變元件係接收投影光並將該投影光調變為具有圖案之第一結構光，該光位移元件係對應於該光調變元件以接收該第一結構光，並位移該第一結構光以產生具有該圖案之第二結構光，其中，該第一結構光與該第二結構光之間具有位移差，且該第一結構光與該第二結構光疊加成疊加結構光以投影至待測物上；以及 影像擷取裝置，係擷取該疊加結構光於該待測物上所呈現之結構光影像。
本揭露之量測方法包括：提供一包括結構光產生裝置與影像擷取裝置之量測系統，其中，該結構光產生裝置具有相對應之光調變元件與光位移元件；令該光調變元件接收投影光並將該投影光調變為具有圖案之第一結構光；令該光位移元件接收該光調變元件之該第一結構光，並位移該第一結構光以產生具有該圖案之第二結構光，其中，該第一結構光與該第二結構光之間具有位移差，且該第一結構光與該第二結構光疊加成疊加結構光以投影至待測物上；以及令該影像擷取裝置擷取該疊加結構光於該待測物上所呈現之結構光影像。
由上述內容可知，本揭露之結構光產生裝置、量測系統及其方法中，主要是透過光調變元件將投影光調變為具有圖案之第一結構光，並透過光位移元件位移該第一結構光以產生具有圖案之第二結構光，俾使該第一與第二結構光疊加成疊加結構光。藉此，本揭露可提供疊加結構光以提高解析。
同時，本揭露可將該結構光產生裝置用於量測三維列印裝置之待測物(三維物體)上，以透過該疊加結構光高度解析該待測物之每一層之高度變化、或該待測物上之粉體之鋪粉平坦度，藉此提升該待測物之品質及良率。
1‧‧‧量測系統
2‧‧‧結構光產生裝置
21‧‧‧發光元件
22‧‧‧均勻光模組
23‧‧‧分光鏡
24‧‧‧光調變元件
25‧‧‧光位移元件
251‧‧‧入光面
252‧‧‧出光面
253‧‧‧反射面
26‧‧‧反射鏡
27‧‧‧聚焦鏡組
3‧‧‧影像擷取裝置
31‧‧‧鏡片組
32‧‧‧感測元件
4‧‧‧運算裝置
5‧‧‧待測物
51‧‧‧待測面
6‧‧‧三維列印裝置
61‧‧‧三維列印探頭
611‧‧‧雷射
612‧‧‧掃描振鏡組
62‧‧‧第一升降台
63‧‧‧第二升降台
64‧‧‧鋪料元件
65‧‧‧粉體
66‧‧‧加工區
67‧‧‧待送區
A1‧‧‧光源
A2‧‧‧投影光
A3、A3'‧‧‧第一結構光
A4、A4'‧‧‧第二結構光
A5、A5'‧‧‧疊加結構光
B、B1、B2、B3‧‧‧結構光影像
C1、C2、C3‧‧‧光軸
D‧‧‧位移部分
D1‧‧‧位移差
D2‧‧‧位移量
E‧‧‧雷射光束
F‧‧‧條紋圖案
h1,2、h2,3、h1,6、h1,7、h6,7‧‧‧高度差
L1至Ln‧‧‧第一層至第n層
R‧‧‧虛線範圍
S71至S75‧‧‧步驟
第1圖係繪示本揭露之量測系統與結構光產生裝置之 一實施例之方塊示意圖；第2圖係繪示本揭露之量測系統與結構光產生裝置之另一實施例之方塊示意圖；第3A圖與第3B圖係繪示本揭露之第一結構光、第二結構光與疊加結構光之示意圖，其中，第3B圖之第一結構光與第二結構光分別為第3A圖之虛線範圍R內之第一結構光與第二結構光之放大圖；第4圖係繪示本揭露之量測系統與結構光產生裝置用於三維列印裝置上之方塊示意圖；第5A圖、第5B圖、第6圖與第7圖係繪示本揭露之量測系統與結構光產生裝置用於量測三維列印裝置之待測物之高度變化之方塊示意圖，其中，第5A圖為第4圖之部分示意圖，第5B圖為第5A圖之部分示意圖，第6圖與第7圖分別為待測物之高度變化之不同運算方式之示意圖；第8圖、第9A圖與第9B圖係繪示本揭露之量測系統與結構光產生裝置用於量測待測物上之粉體之鋪粉平坦度之示意圖，其中，第8圖為第4圖之部分示意圖，第9A圖與第9B圖分別為疊加結構光於待測物上所呈現之不同結構光影像；以及第10圖係繪示本揭露之量測方法之步驟流程圖。
以下藉由特定的具體實施形態說明本揭露之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地 了解本揭露之其他優點與功效，亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。
第1圖係繪示本揭露之量測系統1與結構光產生裝置2之一實施例之方塊示意圖，第2圖係繪示本揭露之量測系統1與結構光產生裝置2之另一實施例之方塊示意圖，第3A圖與第3B圖係繪示本揭露之第一結構光A3、第二結構光A4與疊加結構光A5之示意圖，其中，第3B圖之第一結構光A3與第二結構光A4分別為第3A圖之虛線範圍R內之第一結構光A3與第二結構光A4之放大圖。
如第1圖或第2圖所示，量測系統1係包括結構光產生裝置2、影像擷取裝置3與運算裝置4，且該結構光產生裝置2主要包括光調變元件24(光強調變元件)與光位移元件25。該光調變元件24係接收投影光A2，並將該投影光A2調變為具有圖案之第一結構光A3。該光位移元件25係對應於該光調變元件24以接收該第一結構光A3，並位移該第一結構光A3以產生具有該圖案之第二結構光A4。
在第1圖或第2圖中，該光調變元件24可為微陣列透鏡(digital micro-mirror device,DMD)、矽基液晶(liquid crystal on silicon,LCOS)或光柵等，該光位移元件25可為透光平板或玻璃平板(見第1圖)、反射鏡(見第2圖)或雙折射晶體等，該第一結構光A3與該第二結構光A4之圖案均可為條紋圖案F(見第9A圖)、棋盤格圖案或點陣列圖案等，該運算裝置4可為電腦、運算邏輯單元(ALU)或中央處理單元(CPU)或處理器等，但不以此為限。
如第3A圖與第3B圖所示，該第一結構光A3與該第二結構光A4之間具有位移差D1，且該第一結構光A3與該第二結構光A4疊加成疊加結構光A5。再者，該第一結構光A3、第二結構光A4與疊加結構光A5可分別為數位之第一結構光A3'、第二結構光A4'與疊加結構光A5'。
舉例而言，在第3A圖中，該第一結構光A3與第二結構光A4之波形均為正弦波。而在第3B圖中，數位之第一結構光A3'與第二結構光A4'均具有9個不同強度之像素(1至5至1)，且該第一結構光A3'與該第二結構光A4'之間具有該位移差D1，該位移差D1可小於一個像素(如0.5像素)。該第一結構光A3'與該第二結構光A4'疊加成數位之疊加結構光A5'，俾使該疊加結構光A5'具有19個不同強度之像素(1至10至1)以提高解析度。
在第1圖或第2圖中，該結構光產生裝置2可包括相對應之發光元件21與均勻光模組22，該發光元件21係依據光軸C1發射光源A1，俾供該均勻光模組22將該光源A1均勻轉換為該投影光A2。該光源A1可為紅外光、可見光、單波長雷射等，並具有光強度。
在第1圖中，該結構光產生裝置2可包括分光鏡23，該分光鏡23係對應於該均勻光模組22，並位於該光調變元件24與該光位移元件25(如玻璃平板)之間。而且，該分光鏡23接收來自該均勻光模組22之該投影光A2，並依據光軸C2(垂直於光軸C1)將該投影光A2反射至該光調變元件24內，俾供該光調變元件24將該投影光A2調變為該 第一結構光A3。同時，該光調變元件24反射該第一結構光A3以穿透該分光鏡23至該光位移元件25之入光面251，且該光位移元件25位移該第一結構光A3以產生該第二結構光A4。
具體而言，在第1圖中，該光位移元件25之入光面251係非垂直於來自該光調變元件24(分光鏡23)之第一結構光A3，該光位移元件25內之第一結構光A3與第二結構光A4之間具有小的夾角(如小於30度之夾角)。該光位移元件25之出光面252之第一結構光A3與第二結構光A4互相平行，且兩者之間具有第3A圖與第3B圖所示之位移差D1，以使該第一結構光A3與該第二結構光A4疊加成該疊加結構光A5。
在第1圖中，該結構光產生裝置2可包括聚焦鏡組27，該聚焦鏡組27係對應於該光位移元件25，並將該疊加結構光A5聚焦至待測物5之待測面51上。
又，在第2圖中，該結構光產生裝置2亦可包括分光鏡23，該分光鏡23係位於該光調變元件24與該光位移元件25(如反射鏡)之間，且該光調變元件24對應於該均勻光模組22。同時，該光調變元件24之第一結構光A3之一部分穿透該分光鏡23至該光位移元件25之反射面253，俾供該光位移元件25位移該第一結構光A3以產生該第二結構光A4。
具體而言，在第2圖中，該光位移元件25之反射面253係非垂直於來自該光調變元件24(分光鏡23)之第一結 構光A3，以透過該反射面253反射該第一結構光A3而產生該第二結構光A4。該反射面253上之第一結構光A3與第二結構光A4之間具有小的夾角(如小於30度之夾角)，以透過該分光鏡23反射來自該反射面253之第二結構光A4。
在第2圖中，該結構光產生裝置2可包括反射鏡26，該反射鏡26係對應於該分光鏡23以接收來自該分光鏡23之該第一結構光A3之另一部分，並將該第一結構光A3進行反射以穿透該分光鏡23。同時，該反射鏡26所反射之第一結構光A3與該分光鏡23所反射之第二結構光A4互相平行，且該第一結構光A3與該第二結構光A4之間具有第3A圖與第3B圖所示之位移差D1，以使該第一結構光A3與該第二結構光A4疊加成該疊加結構光A5。
在第2圖中，該結構光產生裝置2可包括聚焦鏡組27，該聚焦鏡組27係對應於該分光鏡23，以將來自該分光鏡23之該疊加結構光A5聚焦至該待測物5之待測面51上。
另外，在第1圖或第2圖中，該影像擷取裝置3係依據光軸C3擷取該疊加結構光A5於該待測物5之待測面51上所呈現之結構光影像B(如二維之結構光影像)。該結構光產生裝置2之光軸C2與該影像擷取裝置3之光軸C3之間具有一夾角(如大約60度之夾角)，且該結構光產生裝置2與該影像擷取裝置3可分別為(1)正向投光及斜向取像、(2)斜向投光及正向取像、或(3)斜向投光及斜向取像。該影 像擷取裝置3可具有相對應之鏡片組31與感測元件32，以透過該鏡片組31與該感測元件32擷取該待測物5之該結構光影像B。該感測元件32可為感光元件或感光陣列元件。
第4圖係繪示本揭露之量測系統1與結構光產生裝置2用於三維列印裝置6上之方塊示意圖，第5A圖、第5B圖、第6圖與第7圖係繪示本揭露之量測系統1與結構光產生裝置2用於量測三維列印裝置6之待測物5之高度變化之方塊示意圖，其中，第5A圖為第4圖之部分示意圖，第5B圖為第5A圖之部分示意圖，第6圖與第7圖分別為待測物5之高度變化之不同運算方式之示意圖。
如第4圖至第7圖與上述第1圖(或第2圖)所示，該運算裝置4可依據來自該影像擷取裝置3之該結構光影像B取得該待測物5之每一層之高度變化，且該待測物5係由三維列印裝置6所製成之三維物體。
在第4圖中，該三維列印裝置6係包括三維列印探頭61、第一升降台62、第二升降台63與鋪料元件64。該三維列印探頭61可具有雷射611與掃描振鏡組612，俾透過該雷射611與掃描振鏡組612產生雷射光束E以加工或形成該待測物5。但在其他實施例中，該三維列印探頭61亦可為擠出成型探頭，而非採用該雷射611與掃描振鏡組612。該第一升降台62可升降該待測物5與加工區66之粉體65(或粉末)，該第二升降台63可升降待送區67之粉體65。該鋪料元件64可將該待送區67之粉體65鋪設至該加 工區66及該待測物5之待測面51上，且該鋪料元件64可為滾輪或刮刀等。
在第5A圖、第5B圖與第6圖中，該運算裝置4係將該待測物5之量測層之前一層之結構光影像B當作參考面，並將該待測物5之量測層之結構光影像B當作量測面，俾依據該參考面之結構光影像B與該量測面之結構光影像B取得該量測層之高度變化。
詳言之，結構光產生裝置2先投影疊加結構光A5至第一升降台62之初始平面(如上表面)上，且該影像擷取裝置3擷取該第一升降台62之初始平面之結構光影像B。
接著，該三維列印裝置6形成該待測物5之第一層L1，而該結構光產生裝置2投影疊加結構光A5至該第一層L1上，且該影像擷取裝置3擷取該第一層L1之結構光影像B1，俾供該運算裝置4透過三維演算法計算該第一層L1(量測層)相較於該第一升降台62之初始平面之高度差，藉此取得該第一層L1(量測層)之高度變化。該三維演算法可為相移法、空間結構光編碼法、時間結構光編碼法、傅立葉轉換法等。
再者，該三維列印裝置6形成該待測物5之第二層L2，而該結構光產生裝置2投影該疊加結構光A5至該第二層L2上，且該影像擷取裝置3擷取該第二層L2之結構光影像B2。同時，該運算裝置4將該第二層L2(量測層)之前一層(第一層L1)之結構光影像B1當作參考面，並將該第二層L2(量測層)之結構光影像B2當作量測面，俾依 據該參考面之結構光影像B1與該量測面之結構光影像B2計算該第二層L2(量測層)相較於該第一層L1之高度差h1,2，藉此取得該第二層L2(量測層)之高度變化。
然後，該三維列印裝置6形成該待測物5之第三層L3，而該結構光產生裝置2投影該疊加結構光A5至該第三層L3上，且該影像擷取裝置3擷取該第三層L3之結構光影像B3。同時，該運算裝置4將該第三層L3(量測層)之前一層(第二層L2)之結構光影像B2當作參考面，並將該第三層L3(量測層)之結構光影像B3當作量測面，俾依據該參考面之結構光影像B2與該量測面之結構光影像B3計算該第三層L3(量測層)相較於該第二層L2之高度差h2,3，藉此取得該第三層L3(量測層)之高度變化。
同理，參照上述待測物5之高度差h1,2或高度差h2,3之運算方式，即可依序取得該待測物5之第四層以上之每一層相較於其前一層之高度差，直到該三維列印裝置6完成該待測物5之第n層Ln為止，藉此取得該第四層至第n層Ln之每一層之高度變化。
在上述之運算方式(逐層方式)中，主要將該待測物5之量測層之結構光影像B及其前一層之結構光影像B分別當作參考面與量測面，俾依據該參考面與該量測面之結構光影像B取得該量測層之高度變化。因此，當該待測物5具有n層時，該影像擷取裝置3僅需執行n+1次之動作以擷取n+1個結構光影像B，即可由該運算裝置4取得該待測物5之每一層之高度變化。所以，相較於習知技術在製 作n層之待測物時，需執行2n次之動作以擷取n個量測面之影像與n個參考面之影像，才能取得具有待測物之每一層之高度變化，本發明可具有擷取影像次數較少與運算速度較快之優點。
在第7圖中，該運算裝置4亦可依據下列公式(1)取得該待測物5之每一層之高度變化(跨層方式)：h m,m+1(x,y)=h k,m+1(x,y)-h k,m (x,y)...........................(1)
其中，hm,m+1表示該待測物5之第m+1層之結構光影像B相較於第m層之結構光影像B之高度差，m與k分別表示該待測物5之第m層之結構光影像B及第k層之結構光影像B，x與y分別表示該待測物5之x座標及y座標。
舉例而言，當上述公式(1)為h 6,7(x,y)=h 1,7(x,y)-h 1,6(x,y)時，表示欲量測該待測物5之第七層L7(m=6,m+1=7)之高度變化。該運算裝置4可將該待測物5之第一層L1(k=1)之結構光影像B1當作參考面，並將「第七層L7之結構光影像B相較於第一層L1之結構光影像B1之高度差h1,7」與「第六層L6之結構光影像B相較於第一層L1之結構光影像B1之高度差h1,6」相減，即可計算出「第七層L7之結構光影像B相較於第六層L6之結構光影像B之高度差h6,7」，藉此取得該待測物5之第七層L7之高度變化。
因此，在第7圖中，當該待測物5之相鄰二層之間的高度變化不明顯時，利用上述公式(1)之運算方式，亦即拉大該待測物5之量測面與參考面之距離以提高高度解析，並透過內插或相減方式，便可輕易取得該待測物5之每一 層之高度變化。
第8圖、第9A圖與第9B圖係繪示本揭露之量測系統1與結構光產生裝置2用於量測待測物5上之粉體65之鋪粉平坦度之示意圖，其中，第8圖為第4圖之部分示意圖，第9A圖與第9B圖分別為疊加結構光A5於待測物5上所呈現之不同結構光影像B。
如第8圖、第9A圖與第9B圖與上述第4圖所示，運算裝置4可依據來自影像擷取裝置3之結構光影像B分析待測物5之待測面51(二維)上之粉體65之鋪粉平坦度。
詳言之，三維列印裝置6之鋪料元件64鋪設粉體65於待測物5之待測面51上，結構光產生裝置2投影疊加結構光A5至該粉體65上，且影像擷取裝置3擷取該疊加結構光A5於該粉體65上之結構光影像B(如二維之結構光影像)，俾供運算裝置4透過二維演算法計算該結構光影像B之位移量D2以分析該粉體65之鋪粉平坦度。
如第9A圖與第9B圖所示，該待測物5之待測面51上之結構光影像B具有複數條紋圖案F。在第9A圖中，該運算裝置4判斷該些條紋圖案F未產生位移或其位移量D2(見第9B圖)小於預定之門檻值，據此分析出該待測面51上之粉體65之鋪粉平坦度為平坦、均勻或無瑕疵。而在第9B圖中，該運算裝置4判斷該些條紋圖案F於位移部分D產生位移量D2或該位移量D2大於該門檻值，據此分析出該待測面51上之粉體65之鋪粉平坦度為不平坦(如凸起或凹陷)、不均勻或有瑕疵。
所以，相較於習知技術在分析粉體之鋪粉平坦度時，因採用影像瑕疵演算法，如奇異值分解法(SVD)或希伯特轉換法(HHT)，導致需進行極大資料量之運算以取得背景影像資訊及瑕疵影像。但是，本揭露則僅需判斷該結構光影像B之圖案(如條紋圖案F)之位移量D2，即可輕易且快速地分析出該粉體65之鋪粉平坦度。
第10圖係繪示本揭露之量測方法之步驟流程圖，並請一併參閱上述第1圖至第9B圖。
在步驟S71中，先提供一包括結構光產生裝置2、影像擷取裝置3與運算裝置4之量測系統1，其中，該結構光產生裝置2具有相對應之光調變元件24與光位移元件25。該光調變元件24可為微陣列透鏡(DMD，digital micro-mirror device)、矽基液晶(LCOS，liquid crystal on silicon)或光柵等，該光位移元件25可為透光平板或玻璃平板(見第1圖)、反射鏡(見第2圖)或雙折射晶體等。接著，進至步驟S72。
在步驟S72中，令該光調變元件24接收投影光A2，並將該投影光A2調變為具有圖案之第一結構光A3。接著，進至步驟S73。
在步驟S73中，令該光位移元件25接收該光調變元件24之該第一結構光A3，並位移該第一結構光A3以產生具有該圖案之第二結構光A4。該第一結構光A3與該第二結構光A4之間具有位移差D1，且該第一結構光A3與該第二結構光A4疊加成疊加結構光A5以投影至待測物5上。 該第一結構光A3與該第二結構光A4之圖案均可為條紋圖案F(第9A圖)、棋盤格圖案或點陣列圖案等。接著，進至步驟S74。
在步驟S74中，令該影像擷取裝置3擷取該疊加結構光A5於該待測物5上所呈現之結構光影像B。接著，進至步驟S75。
在步驟S75中，令該運算裝置4依據該影像擷取裝置3之該結構光影像B分析該待測物5之每一層之高度變化、或該待測物5之待測面51上之粉體65之鋪粉平坦度，其中，該待測物5係由三維列印裝置6所製成之三維物體。
上述分析該待測物5之每一層之高度變化(逐層方式)係包括：令該運算裝置4將該待測物5之量測層之前一層之結構光影像B當作參考面，並將該待測物5之量測層之結構光影像B當作待測面，俾依據該參考面之結構光影像B與該待測面之結構光影像B取得該量測層之高度變化。
上述分析該待測物5之每一層之高度變化(跨層方式)亦可依據下列公式計算之：h m,m+1(x,y)=h k,m+1(x,y)-h k,m (x,y)
其中，hm,m+1表示該待測物5之第m+1層之結構光影像B與第m層之結構光影像B之間的高度差，m與k分別表示該待測物5之第m層之結構光影像B及第k層之結構光影像B，x與y分別表示該待測物5之x座標及y座標。
上述分析該待測物5之待測面51上之該粉體65之鋪粉平坦度係包括：令該三維列印裝置6之鋪料元件64鋪設 該粉體65於該待測物5之待測面51上；令該結構光產生裝置2投影該疊加結構光A5至該粉體65上；令該影像擷取裝置3擷取該疊加結構光A5於該粉體65上之該結構光影像B；以及令該運算裝置4計算該結構光影像B之位移量D2以判斷該粉體65之鋪粉平坦度。
由上述內容可知，本揭露之結構光產生裝置、量測系統及其方法中，主要是透過光調變元件將投影光調變為具有圖案之第一結構光，並透過光位移元件位移該第一結構光以產生具有圖案之第二結構光，俾使該第一與第二結構光疊加成疊加結構光。藉此，本揭露可提供疊加結構光以提高解析。
同時，本揭露可將該結構光產生裝置用於量測三維列印裝置之待測物(三維物體)上，以透過該疊加結構光高度解析該待測物之每一層之高度變化、或該待測物上之粉體之鋪粉平坦度，藉此提升該待測物之品質及良率。
上述實施形態僅例示性說明本揭露之原理、特點及其功效，並非用以限制本揭露之可實施範疇，任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本揭露之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。任何運用本揭露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。因此，本揭露之權利保護範圍，應如申請專利範圍所列。
1‧‧‧量測系統
2‧‧‧結構光產生裝置
21‧‧‧發光元件
22‧‧‧均勻光模組
23‧‧‧分光鏡
24‧‧‧光調變元件
25‧‧‧光位移元件
251‧‧‧入光面
252‧‧‧出光面
253‧‧‧反射面
27‧‧‧聚焦鏡組
3‧‧‧影像擷取裝置
31‧‧‧鏡片組
32‧‧‧感測元件
4‧‧‧運算裝置
5‧‧‧待測物
51‧‧‧待測面
A1‧‧‧光源
A2‧‧‧投影光
A3‧‧‧第一結構光
A4‧‧‧第二結構光
A5‧‧‧疊加結構光
B‧‧‧結構光影像
C1、C2、C3‧‧‧光軸

Claims (19)

  1. 一種結構光產生裝置，其包括：光調變元件，係接收投影光並將該投影光調變為具有圖案之第一結構光；以及光位移元件，係對應於該光調變元件以接收該第一結構光，並位移該第一結構光以產生具有該圖案之第二結構光，其中，該第一結構光與該第二結構光之間具有位移差，且該第一結構光與該第二結構光疊加成疊加結構光。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之結構光產生裝置，其中，該光調變元件為微陣列透鏡、矽基液晶或光柵，該光位移元件為透光平板、反射鏡或雙折射晶體，該第一結構光、第二結構光與疊加結構光均為數位之結構光，且該圖案為條紋圖案、棋盤格圖案或點陣列圖案。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之結構光產生裝置，更包括相對應之發光元件與均勻光模組，該發光元件係用以發射光源，俾供該均勻光模組將該光源均勻轉換為該投影光。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之結構光產生裝置，更包括分光鏡，其係對應於該均勻光模組並位於該光調變元件與該光位移元件之間，且該分光鏡接收來自該均勻光模組之該投影光，以將該投影光反射至該光調變元件內，俾供該光調變元件將該投影光調變為該第一結構光。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之結構光產生裝置，更包括聚焦鏡組，其係對應於該光位移元件，並將該疊加結構光聚焦至待測物上。
  6. 如申請專利範圍第3項所述之結構光產生裝置，更包括分光鏡，其係位於該光調變元件與該光位移元件之間，且該光調變元件之該第一結構光穿透該分光鏡至該光位移元件，俾供該光位移元件位移該第一結構光以產生該第二結構光。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之結構光產生裝置，更包括反射鏡，其係對應於該分光鏡以接收來自該分光鏡之該第一結構光，並將該第一結構光進行反射。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之結構光產生裝置，更包括聚焦鏡組，其係對應於該分光鏡，以將來自該分光鏡之該疊加結構光聚焦至待測物上。
  9. 一種量測系統，其包括：結構光產生裝置，係具有：光調變元件，係接收投影光並將該投影光調變為具有圖案之第一結構光；以及光位移元件，係對應於該光調變元件以接收該第一結構光，並位移該第一結構光以產生具有該圖案之第二結構光，其中，該第一結構光與該第二結構光之間具有位移差，且該第一結構光與該第二結構光疊加成疊加結構光以投影至待測物上；以及 影像擷取裝置，係擷取該疊加結構光於該待測物上所呈現之結構光影像。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之量測系統，其中，該影像擷取裝置係具有相對應之鏡片組與感測元件，以透過該鏡片組與該感測元件擷取該待測物之該結構光影像。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之量測系統，更包括運算裝置，其係依據來自該影像擷取裝置之該結構光影像計算該待測物之每一層之高度變化、或該待測物之待測面上之粉體之鋪粉平坦度，且該待測物係由三維列印裝置所製成之三維物體。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之量測系統，其中，該運算裝置係將該待測物之量測層之前一層之結構光影像當作參考面，並將該待測物之量測層之結構光影像當作待測面，俾依據該參考面與該待測面計算該量測層之高度差。
  13. 如申請專利範圍第11項所述之量測系統，其中，該運算裝置係依據下列公式取得該待測物之每一層之高度變化：h m,m+1(x,y)=h k,m+1(x,y)-h k,m (x,y)其中，hm,m+1表示該待測物之第m+1層之結構光影像相較於第m層之結構光影像之高度差，m與k分別表示該待測物之第m層之結構光影像及第k層之結構光影像，x與y分別表示該待測物之x座標及y座標。
  14. 如申請專利範圍第11項所述之量測系統，其中，該三維列印裝置之鋪料元件鋪設該粉體於該待測物之待測面上，該結構光產生裝置投影該疊加結構光至該粉體上，且該影像擷取裝置擷取該疊加結構光於該粉體上之該結構光影像，俾供該運算裝置計算該結構光影像之位移量以判斷該粉體之鋪粉平坦度。
  15. 一種量測方法，其包括下列步驟：提供一包括結構光產生裝置與影像擷取裝置之量測系統，其中，該結構光產生裝置具有相對應之光調變元件與光位移元件；令該光調變元件接收投影光並將該投影光調變為具有圖案之第一結構光；令該光位移元件接收該光調變元件之該第一結構光，並位移該第一結構光以產生具有該圖案之第二結構光，其中，該第一結構光與該第二結構光之間具有位移差，且該第一結構光與該第二結構光疊加成疊加結構光以投影至待測物上；以及令該影像擷取裝置擷取該疊加結構光於該待測物上所呈現之結構光影像。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之量測方法，其中，該量測系統更包括運算裝置，且該待測物係由三維列印裝置所製成之三維物體，該量測方法更包括：令該運算裝置依據該影像擷取裝置之該結構光影像分析該待測物之每一層之高度變化、或該待測物之 待測面上之粉體之鋪粉平坦度。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之量測方法，其中，分析該待測物之每一層之高度變化係包括：令該運算裝置將該待測物之量測層之前一層之結構光影像當作參考面，並將該待測物之量測層之結構光影像當作待測面，俾依據該參考面之結構光影像與該待測面之結構光影像取得該量測層之高度變化。
  18. 如申請專利範圍第16項所述之量測方法，其中，分析該待測物之每一層之高度變化係依據下列公式為之：h m,m+1(x,y)=h k,m+1(x,y)-h k,m (x,y)其中，hm,m+1表示該待測物之第m+1層之結構光影像與第m層之結構光影像之間的高度差，m與k分別表示該待測物之第m層之結構光影像及第k層之結構光影像，x與y分別表示該待測物之x座標及y座標。
  19. 如申請專利範圍第16項所述之量測方法，其中，分析該待測物之待測面上之該粉體之鋪粉平坦度係包括：令該三維列印裝置之鋪料元件鋪設該粉體於該待測物之待測面上；令該結構光產生裝置投影該疊加結構光至該粉體上；令該影像擷取裝置擷取該疊加結構光於該粉體上之該結構光影像；以及令該運算裝置計算該結構光影像之位移量以分析該粉體之鋪粉平坦度。
TW104129620A 2015-09-08 2015-09-08 結構光產生裝置、量測系統及其方法 TWI567364B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW104129620A TWI567364B (zh) 2015-09-08 2015-09-08 結構光產生裝置、量測系統及其方法
US14/935,601 US10105906B2 (en) 2015-09-08 2015-11-09 Structured light generating device and measuring system and method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
TW104129620A TWI567364B (zh) 2015-09-08 2015-09-08 結構光產生裝置、量測系統及其方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
TWI567364B true TWI567364B (zh) 2017-01-21
TW201710642A TW201710642A (zh) 2017-03-16

Family

ID=58189820

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
TW104129620A TWI567364B (zh) 2015-09-08 2015-09-08 結構光產生裝置、量測系統及其方法

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10105906B2 (zh)
TW (1) TWI567364B (zh)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6428049B2 (ja) * 2014-08-25 2018-11-28 富士ゼロックス株式会社 積層造形装置及び積層造形プログラム
US11801638B2 (en) * 2017-08-31 2023-10-31 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Printers
US11269193B2 (en) 2017-11-27 2022-03-08 Liqxtal Technology Inc. Optical sensing device and structured light projector
US11605172B2 (en) 2017-12-08 2023-03-14 Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Digital fringe projection and multi-spectral polarization imaging for rapid 3D reconstruction
US10739607B2 (en) 2018-03-22 2020-08-11 Industrial Technology Research Institute Light source module, sensing device and method for generating superposition structured patterns
US10620103B2 (en) * 2018-05-15 2020-04-14 Honeywell International Inc. Devices and methods for evaluating the spreadability of powders utilized in additive manufacturing
US11167375B2 (en) 2018-08-10 2021-11-09 The Research Foundation For The State University Of New York Additive manufacturing processes and additively manufactured products
CN109491189A (zh) * 2018-11-28 2019-03-19 北京华捷艾米科技有限公司 一种斑点投影模组
JP2020153718A (ja) * 2019-03-18 2020-09-24 株式会社リコー 測定装置及び造形装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100007896A1 (en) * 2007-04-03 2010-01-14 David Fishbaine Inspection system and method
CN101957183A (zh) * 2010-09-26 2011-01-26 深圳大学 一种结构光投影的高速三维测量系统
CN102147239A (zh) * 2011-01-11 2011-08-10 华中科技大学 一种无衍射栅型结构光条纹投影系统及其方法
TW201317621A (zh) * 2011-10-19 2013-05-01 Nat Synchrotron Radiation Res Ct 使用結構光照明的光學取影系統

Family Cites Families (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7609865B2 (en) 2004-11-08 2009-10-27 Biomagnetics 3D fingerprint and palm print data model and capture devices using multi structured lights and cameras
US20070115484A1 (en) * 2005-10-24 2007-05-24 Peisen Huang 3d shape measurement system and method including fast three-step phase shifting, error compensation and calibration
CN1857930A (zh) 2006-05-22 2006-11-08 西安交通大学 三维彩色打印快速成型装置及方法
US8803958B2 (en) 2008-01-04 2014-08-12 3M Innovative Properties Company Global camera path optimization
JP2010205381A (ja) * 2009-03-06 2010-09-16 Sony Corp 再生装置、再生方法
JP5331586B2 (ja) * 2009-06-18 2013-10-30 株式会社日立ハイテクノロジーズ 欠陥検査装置および検査方法
US20140039662A1 (en) 2012-07-31 2014-02-06 Makerbot Industries, Llc Augmented three-dimensional printing
US8888480B2 (en) * 2012-09-05 2014-11-18 Aprecia Pharmaceuticals Company Three-dimensional printing system and equipment assembly
CN104424662B (zh) 2013-08-23 2017-07-28 三纬国际立体列印科技股份有限公司 立体扫描装置
DE102013217422A1 (de) 2013-09-02 2015-03-05 Carl Zeiss Industrielle Messtechnik Gmbh Koordinatenmessgerät und Verfahren zur Vermessung und mindestens teilweisen Erzeugung eines Werkstücks
JP5660514B1 (ja) * 2013-12-04 2015-01-28 レーザーテック株式会社 位相シフト量測定装置及び測定方法
CN105813825B (zh) * 2013-12-20 2020-06-23 海克斯康测量技术有限公司 集成的测量与添加制造设备和方法
TWM492012U (zh) 2014-08-19 2014-12-11 國立臺灣科技大學 三維掃描列印複合裝置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100007896A1 (en) * 2007-04-03 2010-01-14 David Fishbaine Inspection system and method
CN101957183A (zh) * 2010-09-26 2011-01-26 深圳大学 一种结构光投影的高速三维测量系统
CN102147239A (zh) * 2011-01-11 2011-08-10 华中科技大学 一种无衍射栅型结构光条纹投影系统及其方法
TW201317621A (zh) * 2011-10-19 2013-05-01 Nat Synchrotron Radiation Res Ct 使用結構光照明的光學取影系統

Also Published As

Publication number Publication date
US10105906B2 (en) 2018-10-23
US20170066192A1 (en) 2017-03-09
TW201710642A (zh) 2017-03-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI567364B (zh) 結構光產生裝置、量測系統及其方法
TWI405949B (zh) 表面形狀之測定方法及使用該方法之裝置
US8199335B2 (en) Three-dimensional shape measuring apparatus, three-dimensional shape measuring method, three-dimensional shape measuring program, and recording medium
JP5375201B2 (ja) 三次元形状測定方法及び三次元形状測定装置
JP6532325B2 (ja) 被計測物の形状を計測する計測装置
US9131219B2 (en) Method and apparatus for triangulation-based 3D optical profilometry
WO2018163530A1 (ja) ３次元形状計測装置、３次元形状計測方法、及びプログラム
US20080117438A1 (en) System and method for object inspection using relief determination
KR20150128300A (ko) 카메라와 레이저 스캔을 이용한 3차원 모델 생성 및 결함 분석 방법
TWI428557B (zh) 反射度分布曲線的建模方法及應用該方法的厚度檢測方法以及厚度檢測反射儀
JP2015021862A (ja) ３次元計測装置及び３次元計測方法
JP2015132509A (ja) 画像データ取得システム及び画像データ取得方法
JP2017020873A (ja) 被計測物の形状を計測する計測装置
US9036157B2 (en) System of computing surface reconstruction, in-plane and out-of-plane displacements and strain distribution
JP7344660B2 (ja) 視差算出装置、視差算出方法及び視差算出装置の制御プログラム
JP2012237613A (ja) 形状計測装置及び形状計測方法
KR20180053119A (ko) 3차원 형상 측정 장치 및 측정 방법
JP2011075336A (ja) ３次元形状計測装置、３次元形状計測方法
JP2011064617A (ja) 三次元情報計測装置および三次元情報計測方法
KR20100041026A (ko) 컬러 투사 모아레 기법을 이용한 3차원 형상 측정 장치 및 방법
Berssenbrügge et al. Characterization of the 3D resolution of topometric sensors based on fringe and speckle pattern projection by a 3D transfer function
JP5667891B2 (ja) 形状計測方法
JP3921432B2 (ja) モアレ光学系を用いた形状測定装置及び形状測定方法
JP2004286689A (ja) 多層膜の表面形状と膜厚分布の同時測定方法及びその装置
JP5518187B2 (ja) 変形計測方法