TW201131138A - Surface measure device, surface measure method thereof and correction method thereof - Google Patents

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TW5966PA 六、發明說明： ^ 【發明所屬之技術領域】 本發明是有關於一種表面量測裝置及其之量測方法 及杈正方法，且特別是有關於一種可產生多點光源之表 面量測裝置及其之量測方法及校正方法。 【先前技術】 /請參照第1圖（習知技藝），其繪示傳統的光學檢測 系統的不⑦圖。光源3投射之光場經過分光透鏡^而聚 :在不同聚焦位置13a、13b以及13c。投射於待測面的 '線反射至分光鏡14後分綠濾波^件15，藉此量測待 測面上同一點的高度。 然而’由於光源8係點光源，故每次僅能量測待測 之一點的呵度，唯有入射至待測面的光線與待測面 廊，^:向產生相對位移才能量測到待測面的線輪 測到待測面的面輪廓’則入射至待測面的光 面之間須沿二不同方向產生相對位移。如此， 個待測面的表面形貌不但耗時而且降低製程 【發明内容】 及校#表面量測裝置及其之量測方 測待測㈣面輪/測裝置可產生多點光源，可快速^ 根據本發 力面^出一種表面量測裝置 201131138 1 » » »/ ✓ vyv/ 1/4' 表面量測裝置用以量測一待測面。表面量測裝置包括一 光源、一光纖管、一第一透鏡組、一第二透鏡組、一影 像感測單元、一分光鏡及一處理單元。光源用以發射一 光線。光纖管具有複數條光纖束，用以傳輸光線。第一 透鏡組用以聚焦並分光該光線。第二透鏡組用以聚焦光 線並使光線之焦點實質上位於待測面。影像感測單元用 以擷取光線之一量測影像。分光鏡用以將反射自待測面 之光線反射至影像感測單元。處理單元用以計算量測影 • 像之數個影像點之光強度比並將每個影像點之光強度比 與一深度-光強度比關係線進行比對以取得每個影像點 對應的深度。其中，光線依序通過光纖束、第一透鏡組、 分光鏡及第二透鏡組至待測面後，反射經第二透鏡組至 分光鏡後再反射至影像感測單元。 根據本發明之第二方面，提出一種表面量測裝置之 量測方法。表面量測方法包括以下步驟。一光源發射一 光線’光線依序通過數條光纖束、一第一透鏡組、一分 • 光鏡及一第二透鏡組至一待測面後，反射經第二透鏡組 至分光鏡後再反射至一影像感測單元。其中第一透鏡組 用以聚焦並分光光線；影像感測單元擷取反射自分光鏡 之光線之一量測影像；計算量測影像之數個影像點之光 強度比；以及，將每個影像點之光強度比與一深度-光強 度比關係線進行比對，以取得每個影像點對應的深度。 根據本發明之第三方面，提出一種表面量測裝置之 校正方法。表面量測的校正方法包括以下步驟。一光源 發射一光線’光線依序通過數條光纖束、一第一透鏡組、 5 201131138

TW5966PA 一分光鏡及一第二透鏡組至一樣本面後，反射經第二透 鏡組至分光鏡後再反射至一影像感測單元。其中第一透 鏡組用以聚焦並分光光線；影像感測單元擷取反射自分 光鏡之光線之一樣本影像，以及’計算樣本影像之數個 影像點之光強度比，以得到一深度-光強度比關係線。 為讓本發明之上述内容能更明顯易懂，下文特舉實 施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下： 【實施方式】 以下係提出實施例作為本發明之說明，然而實施例 所提出的内容，僅為舉例說明之用，而繪製之圖式係為 配合說明，並非作為限縮本發明保護範圍之用。再者， 實施例之圖示亦省略不必要之元件，以利清楚顯示本發 明之技術特點。 請參照第2圖，其繪示依照本發明之一實施例之表 面量測裝置的示意圖。表面量測裝置100用以量測待測 面120，其中表面量測裝置100包括一光源102、一光纖 管104、一第一透鏡組106 ' —第二透鏡組108、一影像 感測單元110、一分光鏡112、一處理單元122。其中第 一透鏡組106包括一第三透鏡組116及平凸 (plano-convex)透鏡118。影像感測單元110及處理單 元122係設於控制器126内，影像感測單元110並電性 連接於處理單元122。 其中，光源102，用以發射光線L。光纖管104内具 有數條光纖束132，用以傳輸光線L。第一透鏡組106用 201131138 I wj^uurrt- 以聚焦並分光光線L。第二透鏡組1〇8用以聚焦光線L並 使光線L之焦點大致上位於待測面1，詳細來說，第二 透鏡組108中的第三透鏡組ι16用以聚焦光線L,平凸透 鏡118用以分光光線L。影像感測單元11〇用以擷取光線 L之！測影像114 (第2圖未纷示）。分光鏡112用以將 反射自待測面120之光線L反射至影像感測單元u〇e處 理單7L 122用以計算量測影像114之數個影像點之光強 度比並將每個影像點之光強度比與深度_光強度比關係 ♦線C1 (第2圖未緣示）進行比對以取得每個影像點對應 的深度。 進一步地說，光線L自光源丨〇2射出後依序通過光 纖管104内之該些光纖束132、第三透鏡組116、平凸透 鏡118刀光鏡112及第二透鏡組108至一待測面12〇後， 反ί回第二透鏡組⑽至分光鏡112後再反射至影像感 測單元110。其中，經過第二透鏡組1〇8之光線的焦點大 致上位於待測面12 〇。 # 、，參照第3圖至第4圖，第3圖繪示第2圖之影像 感測單元所擷取到之待測面的量測影像示意圖，第4圖 緣示本實施例之深度—光強度比關係線。當影像感測單元 110 #負取到自待測面J 2〇反射之光線的量測影像m (量 =影像114输示於第3圖）後，處理單元122計算量測 影像114之數個影像點之光強度比並將每個影像點的光 強度比與第4圖之深度-光強度比關係線C1進行比對以 取得每個影像點的深度，即待測面120於z方向的高度 值。以經過如第3圖中方向5_5，（即乂方向）的數個^ 201131138

TW5966PA 像點W為例說明，該些影像點M1對應至待測面i2〇的 1測點的深度係㈣於第5圖，歸示第3圖中經過方 向5-5’的影像點所對應之量測點的深度示意圖。 由於光纖管104内具有該些光纖束132,光線l經 過该些光纖束132後係產生出數個點光源，該些點光源 入射至待測面120後係涵蓋待測面12〇的表面範圍，因 此可一次獲得二維（2D)的量測影像114。也就是說，投 射至待測面120的光線與待測面12〇之間不需相對位移 即可量測出待測面12〇之表面㈣，可快速建立待測面 120的形貌，不但省時而且提高製程的生產效率。 光源102可產生波長涵蓋4〇〇奈米（nm)至7〇〇nm 的光線L，例如是白光。進一步地說，本實施例之光源 102係多波長的光源。在一實施態樣中，光源1〇2係可產 生，率大於120瓦（Wat〇的光線L，此處的光源1〇2例 如是鹵素光源。此外，光纖管1〇4係可撓曲的管路進 步地說，光源102與第一透鏡組106之間的光路係可 任意彎曲。 經過該些光纖束132的光線L入射至第三透鏡組116 的入射面積係實質上等於或小於第三透鏡組116之入光 面128的面積。進一步地說，經過該些光纖束132的光 線完全地入射至第三透鏡組丨丨6，如此可保留完整的光線 強度。在一實施例中，第三透鏡組116的倍率係4〇倍， 但不以此為限。 光線L經過第三透鏡組116後所聚焦之焦點F1係位 於第三透鏡組丨16與平凸透鏡118之間，且光線l經過 201131138 f » » ^ W1 i » 平凸透鏡118後所聚焦之焦點以係位於平凸透鏡U8愈 分光鏡112之間。 〜 特別-提的是’請參照第6圖，其繪示第2圖之光 線L經過平凸透鏡118後的分光示意圖。經過平凸透鏡 118的光線L係產生良好的分級果，以增加軸向上的色 差。也就是說，光線L經過平凸透鏡118後產生色散現 象’使紅光R之焦點FR、綠光G之焦點FG及藍光B之焦 點FB沿著光線行進方向D的間距拉大，如此可量測到待 • 測面120中z方向的範圍也較大。 請回到第2圖，光線L經過分光鏡112後入射至第 二透鏡組108的人射面積實f上#於或小於第二透鏡組 108之入光面130的面積。進一步地說，經過分光鏡u2 的光線完全地人射至第二透鏡組⑽，可㈣完整的光線 強度。在一實施例中，第二透鏡組108的倍率係60倍， 但不以此為限。 以下係說明表面量測裝置1〇〇的量測方法及校正方 •法。於說明表面量測裝置1〇〇的量測方法之前，先說明 其校正方法’即取得如第4圖之深度_光強度比關係線的 方法。請參照第7圖，其緣示依照本發明之一實施例之 表面量測裝置的校正方法流程圖。 於步驟S102中，採用第2圖之表面量測裝置1〇〇量 測一樣本面（未繪示）中數個已知深度的樣本點。即， 光源102發射光線L’光線l依序通過光纖管1〇4之該些 光纖束132、第-透鏡組106、分光鏡112及第二透鏡組 108至該樣本面中該些樣本點後，反射經第二透鏡組ι〇8 201131138

TW5966PA Μ 11' 至分光鏡112後再反射至影像感測單元11〇。 接著，於步驟S104中，影像感測單元no擷取反射 自分光鏡112之光線的一樣本影像（未繪示）。 然後，於步驟S106中，處理單元122計算該樣本影 像之數個影像點之光強度比，配合上述已知深度的樣本 點，以得到第4圖之深度-光強度比關係線C1。 5羊細地5兒，請參照第8圖，其繪示本實施例之樣本 影像之數個影像點的深度-光強度曲線圖。由於該樣本影 像之该些影像點對應於該樣本面中該些已知深度的樣本 點，因此可得到第8圖所示之深度_光強度曲線圖。在一 實施例中，可正規化（N〇rmaiizati〇n)該樣本影像之各 忒些衫像點之光強度，也就是說，深度_光強度曲線圖中 的光強度曲線Bs、Gs及Bs係經過正規化而得之曲線。 然後，利用下式（1)及（2)計算出該樣本影像之每個影像 點的光強度比。

Rs(A)/Gs(A)......................................(1)

Gs(A)/Bs(A)...................................(2) 於上式（1)及（2)中，RS(A)係指影像點A的紅光強 度、Gs(A)係指影像點A的綠光強度、Bs(A)係指影像點A 的藍光強度，此處的光強度例如是灰階值。此外，對於 深度-光強度曲線中紅光強度曲線Rs與綠光強度曲線Gs 重疊之第一深度範圍0V1，係可採用式（1)計算出對應的 深度-光強度比關係線。對於深度_光強度曲線令綠光強 度曲線Gs與藍光強度曲線bs重疊的第二深度範圍〇V2， 201131138 ⑵計算出對應的妓—錢度 =:_)除以綠光強度心= '?/像”名A1的夫卜卜、w 將影像點A2所對；之：=點A2為例，可採用式⑵’ <所對應之綠光強度Gs(A2)除以藍光強度 < 2) ’以得到影像點A2的光強度比。依此計算出該樣 本〜像2所有影像點的光強度比。然後，制最小二乘

法或其b數值^法計算該樣本影像之該些影像點之光強 度比的線性迴歸曲線，如第4圖所示之深度-光強度比關 係線C1。 雖然本實施例之第一深度範圍0V1及第二深度範圍 ο V 2係以第8圖所示為例作說明，然此非用以限制本實施 例，只要光強度值可對應至唯一的深度值即可，第一深 度範圍0V1及第二深度範圍0V2可以是其它任意範圍。 由於光線L經過第2圖之平凸透鏡118後，紅光R 之焦點FR、綠光G之焦點FG及藍光B之焦點FB沿著光 線行進方向D的間距拉大（如第6圖所繪示），如此使第 4圖所示之深度-光強度比關係線C1的z軸範圍較寬，可 量測到待測面120中z方向的範圍也較大◎也就是說， 即使待測面120的表面輪麻的波岭與波谷間的距離較 大，應用本實施例之表面量測裝置1 〇〇仍可得到精確且 具有完整的波峰/波谷的量測結果。 在得到深度-光強度比關係線C1之後，便可開始量 測待測面120的表面輪廓。以下係說明表面量測裝置1 〇〇 的量測方法。請參照第9圖，其繪示依照本發明之一實 »« I ' 201131138

TW5966PA 施例之表面量測裝置的量測方法流程圖。 於步驟S202中，採用第2圖之表面量測裝置1 〇〇量 測待測面120。即，光源102發射光線L，光線L依序通 過該光纖管104之該些光纖束132、第一透鏡組1〇6、分 光鏡112及第二透鏡組108至待測面12〇後反射經第 二透鏡組108 1分光鏡112後再反射至影像感測單元 110 〇 接著，於步驟S204中，影像感測單元11〇擷取反射 自分光鏡112之光線的量測影像114，如第3圖所示。 再來，於步驟S206中，處理單元122計算量測影 114之數個影像點的光強度比。 然^後，於步驟S208中，處理單元122將量測影像 114之母個影像點的光強度比與上述之深度-光強度比關 係線C1進行比對，以取得每個影像點的深度。 詳細地說，處理單元122將量測影像114之影像點 的紅光強度Rs(A)除以綠光強度Gs(A)且將綠光強度Gs(a) 除以藍光強度Bs(A)，上述計算所得之二個光強度比之其 中一者會與第4圖之深度-光強度比關係線C1在誤差範 圍内符合，因此而得到對應之深度。 二 由於本實施例之表面量測裝置100及其之量測方法 在-取得量測影像114之影像點的光強度比後，即可迅 速比對出對應之深度。快速量測出待測面的表面輪廓的 特徵係適用於生產線。例如，可於生產線的其中—環節 應用表面量測裝置100及其之量測方法，以快速且= 檢測每個產品的品質。 201131138 i w jy\j\jrr\ 此外 ㈣置测裝置刚可適用於動態量測。進一 步地也，只要知道生產線之機台所產生 面量測裝置⑽可在該機台每振動簡—基準 且$準地擷取到待測物（例如是產品）之_面 影像114。如此’使每個待測物之待測面的量測影像14 於疒振動基準下被比較，可客觀地檢測出每铜= 之待測面的表面狀況。 】物

本實施例之表面量測裝置⑽及其量測方法及校正 方法係非接觸式的光學量測機制，可量測到甚精密 面輪廓。如第5圖所示，表面量測裝置1〇〇及其量測； ;可量_波峰至波判之高度P約1 « (叩）及波 見度W約2μπι的表面粗輪度。 、本發明上述實施例所揭露之表面量測裝置及其之量 測方法及校正方法，表面量測裝置可產生多點光源，可 快速量測待測面的面輪廓，不但省時而且提高製程的生 產效率。此外，光線經過平凸透鏡後產生色散現象，使 紅光之焦點、綠光之焦點及藍光之焦點沿著光線行進方 向的間距拉大’如此可量測到待測面中深度方向的範 也較大。 綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其 並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常、 知識者，在不脫離本發明之精神和範圍内，當可作各種 之更動與潤飾。因此’本發明之保護範圍#視後附之申 請專利範圍所界定者為準。 【圖式簡單說明】 201131138

TW5966PA 第1圖（習知技藝）繪示傳統的光學檢測系統的示 意圖。 第2圖繪示依照本發明之—實施例之表面量測 的示意EJ。 、 第3圖繪示第2圖之影像感測單元所擷取到之待測 面的量測影像示意圖。 第4圖繪示本實施例之深度—光強度比關係線。 第5圖繪示第3圖中經過方向5_5’的影像點所對 應之量測點的深度示意圖。 第6圖繪示第2圖之光線經過平凸透鏡後的分 意圖。 ’' 第7圖繪示依照本發明之一實施例之表面量測裝置 的校正方法流程圖。 第8圖繪示本實施例之樣本影像之數個影像點的深 度-光強度曲線圖。 第9圖繪示依照本發明之一實施例之表面量測裝置 的量測方法流程圖。 【主要元件符號說明】 :分光透鏡 13a、13b、13c :聚焦位置 14、112:分光鏡 15 :濾波元件 100 :表面量測裝置 102、S :光源 104 :光纖管 201131138

TW5966PA 106 :第一透鏡組 108 ··第二透鏡組 - 110:影像感測單元 114 :量測影像 116 :第三透鏡組 118 :平凸透鏡 120 :待測面 122 :處理單元 • 126 :控制器 128、130 :入光面 132 :光纖束 Al、A2、Ml :影像點 B :藍光

Bs、Gs、Rs :光強度曲線 C1 :深度-光強度比關係線 D:光線行進方向 • F卜 F2、FR、FG、FB :焦點 G :綠光 L :光線 OV1 :第一深度範圍 OV2 :第二深度範圍 P :高度 R :紅光 S102 —S106、S202 — S208 :步驟 W :寬度

Claims (1)

1. 201131138 TW5966PA .* - 七、申請專利範圍： 1. 一種表面量測裝置，用以量測一待測面，該表面 量測裝置包括： 一光源，用以發射一光線； 一光纖管，具有複數條光纖束，用以傳輸該光線； 一第一透鏡組，用以聚焦並分光該光線； 一第二透鏡組，用以聚焦該光線並使該光線之焦點 實質上位於該待測面； 一影像感測單元，用以擷取該光線之一量測影像； 以及 一分光鏡，用以將反射自該待測面之該光線反射至 該影像感測單元；以及 一處理單元，用以計算該量測影像之複數個影像點 之光強度比並將各該些影像點之光強度比與一深度-光 強度比關係線進行比對以取得各該些影像點對應的深 度； 其中，該光線依序通過該些光纖束、該第一透鏡組、 該分光鏡及該第二透鏡組至該待測面後，反射經該第二 透鏡組至該分光鏡後再反射至該影像感測單元。 2. 如申請專利範圍第1項所述之表面量測裝置，其 中該第一透鏡組包括： 一第三透鏡組；用以聚焦該光線；以及 一平凸（plano-convex)透鏡，用以分光該光線； 其中，該光線經過該第三透鏡組後聚焦於該第三透 鏡組與該平凸透鏡之間，且該光線經過該平凸透鏡後聚 16 201131138 焦於該平凸透鏡與該分光鏡之間。 3.如申請專利範圍第1項所述之表面量測裝置，其 中該光線經過該些光纖束後入射至該第一透 面積係實質上等於或小於該第一透鏡組之射 積。 .如申請專利範圍第1項所述之表面量測裝置，其 中该光線經過該分光鏡後入射至該第二透鏡組的入射面 積係實質上等於或小於該第二透鏡組之入光面的面積。 5·如申請專利範圍第1項所述之表面量測裝置，其 中各該些影像點之絲度比係各該些f彡像點之紅光強度、 除以對應之綠光強度之值。 6. —種表面量測方法，包括： 一光源發射一光線，該光線依序通過複數條光纖 束:-第-透鏡組、一分光鏡及一第二透鏡組至一待測 面後，反射經該第二透鏡組至該分光鏡後再反射至一影 像感測單7L ’其巾該第—透鏡㈣以聚f、並分光該光線； 該影像感測單元操取反射自言亥分光鏡之該光線之一 量測影像； 计异該量測影像之複數個影像點之光強度比；以万 佐姑將各祕f彡像點之光強度比與—深度-光強度比關 '、進行比對，以取得各該些影像點對應的深度。 7.如中請專利範圍第6項所述之表面量測方法，》 面為光線，㈣該第二透鏡組後之焦點實質上位於該待測 8.如申請專利範圍第 項所述之表面量測方法，其 201131138 TW5966PA - ' 中該第一透鏡組包括： 一第三透鏡組；用以聚焦該光線；以及 一平凸透鏡，用以分光該光線； 其中，該光線經過該第三透鏡組後聚焦於該第三透 鏡組與該平凸透鏡之間，且該光線經過該平凸透鏡後聚 焦於該平凸透鏡與該分光鏡之間。 9. 如申請專利範圍第6項所述之表面量測方法，其 中該光線經過該些光纖束後入射至該第一透鏡組的入射 面積係實質上等於或小於該第一透鏡組之入光面的面 積。 10. 如申請專利範圍第6項所述之表面量測方法， 其中該光線經過該分光鏡後入射至該第二透鏡組的入射 面積係實質上等於或小於該第二透鏡組之入光面的面 積。 11. 如申請專利範圍第6項所述之表面量測方法， 其中於計算該量測影像之該些影像點之光強度比之該步 驟中更包括： 將各該些影像點之紅光強度除以對應之綠光強度以 取得各該些影像點之光強度比。 12. —種表面量測的校正方法，包括： 一光源發射一光線，該光線依序通過複數條光纖 束、一第一透鏡組、一分光鏡及一第二透鏡組至一樣本 面後，反射經該第二透鏡組至該分光鏡後再反射至一影 像感測單元，其中該第一透鏡組用以聚焦並分光該光線； 該影像感測單元擷取反射自該分光鏡之該光線之一 201131138 I w^y〇〇PA 樣本影像；以及 計算該樣本影像之複數個影像點之光強度比，以得 到一深度-光強度比關係線。 13.如申請專利範圍第a項所述之校正方法，其中 於計算該樣本影像之該些影像點之光強度比之該步驟中 更包括： 應用最小二乘法計算出該樣本影像之該些影像點之 該深度-光強度比關係線。 籲 I4.如申請專利範圍第12項所述之校正方法，其中 於計算該樣本影像之該些影像點之光強度比之該步驟中 更包括： 正規化該樣本影像之各該些影像點之光強度。 ^5.如申請專利範圍第12項所述之校正方法，其中 於計算該樣本影像之該些影像點之光強度比之該步驟中 更包括： 將-第-深度範圍内之各該些影像點之紅光強度除 以對應之綠光強度，以得到該深度-光強度比關係線之-部份；以及 將一第二深度範圍内 _門之各该些影像點之綠光強度除 以對應之藍光強度，以得至丨 传至丨遠冰度-光強度比關係線之另 -都Y合。