TWI491845B - Optical measurement system and method - Google Patents

Description

光學量測系統及方法

本發明是關於一種光學量測系統及方法，尤其是一種光學量測系統及方法，包含數位影像處理技術，可獲得品質較佳之干涉條紋影像，以得知待測平面相對該參考平面之垂直度的偏移角度。

圖1a至1c為習知垂直度偏移型態之立體示意圖。圖1a顯示完全垂直，圖1b顯示前後偏移而具有一前後偏移角度θ1，且圖1c顯示左右偏移而具有一左右偏移角度θ2。當欲量測待測物之垂直度，目前通常以垂直角規、精密量錶、三次元量床等工具進行量測，其精度約在3條(30μm)以內。若需以角度表示誤差量，則需以三角函數換算而得知。

若以光學量測工具進行量測待測物之垂直度，則該光學量測工具通常是應用於大型工具機，且該光學量測工具之體積過於龐大，對微小待測物難以進行量測。

因此，便有需要提供一種光學量測系統及方法，以解決前述的問題。

本發明的目的在於提供一種非接觸式光學量測方法，包含數位影像處理技術，可獲得品質較佳之干涉條紋影像，以得知待測平面相對該參考平面之垂直度的偏移角度及偏移方向。

為達成上述目的，本發明提供一種光學量測方法，其包含：提供一待測物，其具有一參考平面及一待測平面；將一第一光束進入一第一光學單元，藉此該參考平面所 反射的光束具有第一光程，且該待測平面所反射的光束具有第二光程；擷取具有一第一光程之該參考平面所反射的光束影像及具有第二光程之該待測平面所反射的光束影像，以合成為一第一影像；將一第二光束進入一第二光學單元，藉此該參考平面所反射的光束具有第三光程，且該待測平面所反射的光束具有第四光程，其中該第三光程等於第一光程，且該第四光程與該第二光程之間具有一光程差；擷取具有第三光程之該參考平面所反射的光束影像及具有第四光程之該待測平面所反射的光束影像，以合成為一第二影像；將該第一及第二影像進行影像處理，以產生一干涉條紋影像；以及計算多條干涉條紋之偏移角度及偏移方向，以得知該待測平面相對該參考平面之垂直度的偏移角度及偏移方向。

本發明之光學量測系統之體積小，可容易對微小待測物之參考平面與待測平面之間的夾角進行量測，取代現有之探垂直角規、精密量錶、三次元量床等接觸式量測方法。本發明之非接觸式光學量測方法的量測時間快速，量測系統操作容易，可大幅提升量測效率。本發明之光學量測方法簡易，對操作人員之技術要求不高。本發明之光學量測方法之精度可達0.3μm，可符合大多數之使用場合。本發明之光學量測方法包含數位影像處理技術，可大幅降低數位光斑所造成之雜訊，獲得品質較佳之干涉條紋影像，以得知該待測平面相對該參考平面之垂直度的偏移角度及偏移方向。

為了讓本發明之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯，下文將配合所附圖示，作詳細說明如下。

100‧‧‧光學量測系統

102‧‧‧待測物

104‧‧‧參考平面

106‧‧‧待測平面

110‧‧‧第一光學單元

110’‧‧‧第二光學單元

111‧‧‧雷射光源

112‧‧‧空間濾波器

113‧‧‧第一準直透鏡

114‧‧‧第二準直透鏡

115‧‧‧分光鏡

116‧‧‧補償片

120‧‧‧影像擷取單元

130‧‧‧影像處理單元

132‧‧‧影像擷取卡

134‧‧‧數位影像處理器

136‧‧‧電腦

140‧‧‧畫面垂直線

142‧‧‧軸線

150‧‧‧第一光束

152‧‧‧第二光束

160‧‧‧方向

161‧‧‧方向

162‧‧‧方向

163‧‧‧方向

164‧‧‧方向

165‧‧‧方向

166‧‧‧方向

S202~S214‧‧‧步驟

θ‧‧‧偏移角度

θ1‧‧‧偏移角度

θ2‧‧‧偏移角度

圖1a至1c為習知垂直度偏移型態之立體示意圖。

圖2本發明之一實施例之光學量測方法之流程圖。

圖3a及3b為本發明之一實施例之光學量測系統之結構示 意圖，其顯示參考平面與該待測平面之間的夾角為90度加上偏移角度θ。

圖4a為本發明以影像相減方式作為影像處理所產生的干涉條紋影像之示意圖，其顯示多條干涉條紋之偏移角度為θ。

圖4b為本發明以影像相加方式作為影像處理所產生的干涉條紋影像之示意圖。

圖5a及5b為本發明之一實施例之光學量測系統之結構示意圖，其顯示參考平面與該待測平面之間的夾角為90度。

圖6為本發明以影像相減方式作為影像處理所產生的干涉條紋影像之示意圖，其顯示多條干涉條紋之偏移角度為零。

圖2本發明之一實施例之光學量測方法之流程圖。該光學量測方法包含：提供一待測物，其具有一參考平面及一待測平面(步驟S202)；將一第一光束進入一第一光學單元，藉此該參考平面所反射的光束具有第一光程，且該待測平面所反射的光束具有第二光程(步驟S204)；擷取具有第一光程之該參考平面所反射的光束影像及具有第二光程之該待測平面所反射的光束影像，以合成為一第一影像(步驟S206)；將一第二光束進入一第二光學單元，藉此該參考平面所反射的光束具有第三光程，且該待測平面所反射的光束具有第四光程，其中該第三光程等於第一光程，且該第四光程與該第二光程之間具有一光程差(步驟S208)；擷取具有第三光程之該參考平面所反射的光束影像及具有第四光程之該待測平面所反射的光束影像，以合成為一第二影像(步驟 S210)；將該第一及第二影像進行影像處理，以產生一干涉條紋影像(步驟S212)；以及計算多條干涉條紋之偏移角度及偏移方向，以得知該待測平面相對該參考平面之垂直度的偏移角度及偏移方向(步驟S214)。

圖3a及3b為本發明之一實施例之光學量測系統之結構示意圖。該光學量測系統100包含一雷射光源111、一第一光學單元110(或第二光學單元110’)、一影像擷取單元120及一影像處理單元130。該雷射光源111用以提供一光束。該影像處理單元130電性連接於該影像擷取單元120。

在步驟S200，提供一待測物102，其具有一參考平面104及一待測平面106。在本實施例中，該參考平面104與該待測平面106之間的夾角不是90度。

在步驟S204，將一第一光束進入該第一光學單元，藉此使該參考平面所反射的光束具有第一光程，且該待測平面所反射的光束具有第二光程。詳言之，請參考圖3a，該第一光學單元110包含一空間濾波器112、第一及第二準直透鏡113、114及一分光鏡115。該雷射光源111(例如氦氖雷射)之第一光束150經由該空間濾波器112及第一準直透鏡113而形成平行光束，該第一光束150沿方向160進入該第一光學單元110之分光鏡115。該分光鏡115將該第一光束150之第一部分沿方向161反射至該參考平面104，該參考平面104再將該第一光束150之第一部分沿方向162反射至該分光鏡115，然後該分光鏡115將該第一光束150之第一部分的部分沿方向163經由該第二準直透鏡114而入射至該影像擷取單元120，藉此該第一光束150之第一部分的部分具有第一光程，亦即該參考平面104所反射的光束具有第一光程；又，該分光鏡115將該第一光束150之第二部分沿方向164入射至該待測平面106，該待測平面106再將該第一光束150之第二部分沿方向165反射至該分光鏡115，然後該分光鏡115將該第一光束150之第二部分的部分沿方向166經由該第二準 直透鏡114而反射至該影像擷取單元120，藉此該第一光束150之第二部分的部分具有第二光程，亦即該待測平面106所反射的光束具有第二光程。

在步驟S206，擷取具有第一光程之該參考平面所反射的光束影像及具有第二光程之該待測平面所反射的光束影像。詳言之，請再參考圖3a，該影像擷取單元120擷取具有第一光程之該參考平面104所反射的光束影像及具有第二光程之該待測平面106所反射的光束影像，以合成為該第一影像。

在步驟S208，將一第二光束進入該第二光學單元，藉此該參考平面所反射的光束具有第三光程，且該待測平面所反射的光束具有第四光程，其中該第三光程等於第一光程，且該第四光程與該第二光程之間具有一光程差。詳言之，請參考圖3b，該第二光學單元110’除了包含該空間濾波器112、第一及第二準直透鏡113、114及分光鏡115之外，更包含一補償片116。該雷射光源111之第二光束152經由該空間濾波器112及第一準直透鏡113而形成平行光束，該第二光束152沿方向160進入該第二光學單元110’之分光鏡115。該分光鏡115將該第二光束152之第一部分沿方向161反射至該參考平面104，該參考平面104再將該第二光束152之第一部分沿方向162反射至該分光鏡115，然後該分光鏡115將該第二光束152之第一部分的部分沿方向163經由該第二準直透鏡114而入射至該影像擷取單元120，藉此該第二光束152之第一部分的部分具有第三光程，亦即該參考平面104所反射的光束具有第三光程，其中該第三光程等於第一光程；又，該分光鏡115將該第二光束152之第二部分沿方向164經由該補償片116而入射至該待測平面106，該待測平面106再將該第二光束152之第二部分沿方向165經由該補償片116而反射至該分光鏡115，然後該分光鏡115將該第二光束152之第二部分的部分沿方向166經由該第二準直透鏡114而 反射至該影像擷取單元120，藉此該第二光束152之第二部分的部分具有第四光程，亦即該待測平面106所反射的光束具有第四光程，其中該第四光程與該第二光程之間具有一光程差可造成後續之干涉現象。

在步驟S210，擷取具有第三光程之該參考平面所反射的光束影像及具有第四光程之該待測平面所反射的光束影像，以合成為一第二影像。詳言之，請再參考圖3b，該影像擷取單元120擷取具有第三光程之該參考平面104所反射的光束影像及具有第四光程之該待測平面106所反射的光束影像，以合成為該第二影像。

在步驟S212，將該第一及第二影像進行影像處理，以產生一干涉條紋影像。詳言之，該影像處理單元130包含一影像擷取卡(image grabber)132、一數位影像處理器134及一電腦136。該影像處理單元130接收該第一及第二影像，並將該第一及第二影像進行影像處理，以產生該干涉條紋影像。

在本實施例中，以影像相減(image subtraction)方式作為影像處理，該影像相減方式是指先將該第一及第二影像進行數位化而獲得該第一及第二影像之像素的灰階值，然後將該第一及第二影像之相對處像素的灰階值進行相減，以產生清晰的干涉條紋影像，如圖4a所示。

在另一實施例中，以影像相加(image addition)方式作為影像處理，該影像相加方式是指先將該第一及第二影像進行數位化而獲得該第一及第二影像之像素的灰階值，然後將該第一及第二影像之相對處像素的灰階值進行相加，以產生該干涉條紋影像，如圖4b所示。

在步驟S214，計算多條干涉條紋之偏移角度及方向，以得知該待測平面相對該參考平面之垂直度的偏移角度及偏移方向。詳言之，請再參考圖4a，該干涉條紋影像定義有一畫面垂直線140。該干涉條紋影像具有兩群類似同心圓 的干涉條紋，該影像處理單元130計算出該兩群類似同心圓之間的軸線142，而該軸線142相對於該畫面垂直線140之偏移角度θ及偏移方向即為該些干涉條紋之偏移角度及偏移方向，以得知該待測平面106相對該參考平面104之垂直度的偏移角度θ及偏移方向，亦即該參考平面104與該待測平面106之間的夾角為90度加上該偏移角度θ。

請參考圖5a及5b，在另一實施例中，當該參考平面104與該待測平面106之間的夾角為90度時，本發明之光學量測方法之步驟S202~S214可計算得知該些干涉條紋之偏移角度為零。詳言之，在步驟S212，該影像處理單元130接收該第一及第二影像，並將該第一及第二影像進行影像處理，以產生該干涉條紋影像，如圖6所示。在步驟S214，該干涉條紋影像定義有一畫面垂直線140。該干涉條紋影像只具有一群同心圓的干涉條紋，該影像處理單元130計算出該群同心圓的軸線142，而該軸線142相對於該畫面垂直線140之偏移角度為零(該些干涉條紋之偏移角度為零)，以得知該待測平面104相對該參考平面之垂直度的偏移角度為零，亦即該參考平面104與該待測平面106之間的夾角為90度。

本發明之光學量測系統之體積小，可容易對微小待測物之參考平面與待測平面之間的夾角進行量測，取代現有之探垂直角規、精密量錶、三次元量床等接觸式量測方法。本發明之非接觸式光學量測方法的量測時間快速，量測系統操作容易，可大幅提升量測效率。本發明之光學量測方法簡易，對操作人員之技術要求不高。本發明之光學量測方法之精度可達0.3μm，可符合大多數之使用場合。本發明之光學量測方法包含數位影像處理技術，可大幅降低數位光斑所造成之雜訊，獲得品質較佳之干涉條紋影像，以得知該待測平面相對該參考平面之垂直度的偏移角度。

綜上所述，乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之實施方式或實施例而已，並非用來限定本 發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

S202~S214‧‧‧步驟

Claims (10)

1. 一種光學量測方法，包含下列步驟：提供一待測物，其具有一參考平面及一待測平面；將一第一光束進入一第一光學單元，藉此該參考平面所反射的光束具有第一光程，且該待測平面所反射的光束具有第二光程；擷取具有一第一光程之該參考平面所反射的光束影像及具有第二光程之該待測平面所反射的光束影像，以合成為一第一影像；將一第二光束進入一第二光學單元，藉此該參考平面所反射的光束具有第三光程，且該待測平面所反射的光束具有第四光程，其中該第三光程等於該第一光程，且該第四光程與該第二光程之間具有一光程差；擷取具有第三光程之該參考平面所反射的光束影像及具有第四光程之該待測平面所反射的光束影像，以合成為一第二影像；將該第一及第二影像進行影像處理，以產生一干涉條紋影像；以及計算多條干涉條紋之偏移角度及偏移方向，以得知該待測平面相對該參考平面之垂直度的偏移角度及偏移方向。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學量測方法，其中該第一光束進入該第一光學單元之一分光鏡，該分光鏡將該第一光束之第一部分反射至該參考平面，該參考平面再將該第一光束之第一部分反射至該分光鏡，然後該分光鏡將該第一光束之第一部分的部分入射至一影像擷取單元；以及，該分光鏡將該第一光束之第二部分入射至該待測平面，該待測平面再將該第一光束之第二部分反射至該分光鏡，然後該分光鏡將該第一光束之第二部分的部分反射至該影像擷取單元。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光學量測方法，其中該第二光束進入該第二光學單元之一分光鏡，該分光鏡將該第二光束之第一部分反射至該參考平面，該參考平面再將該第二光束之第一部分沿方向反射至該分光鏡，然後該分光鏡將該第二光束之第一部分的部分入射至該影像擷取單元；以及，該分光鏡將該第二光束之第二部分經由一補償片而入射至該待測平面，該待測平面再將該第二光束之第二部分經由該補償片而反射至該分光鏡，然後該分光鏡將該第二光束之第二部分的部分反射至該影像擷取單元。
4. 如申請專利範圍第1項所述之光學量測方法，其中將該第一及第二影像進行影像處理之步驟包含：先將該第一及第二影像進行數位化而獲得該第一及第二影像之像素的灰階值，然後將該第一及第二影像之相對處像素的灰階值進行相減，以產生該干涉條紋影像。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光學量測方法，其中將該第一及第二影像進行影像處理之步驟包含：先將該第一及第二影像進行數位化而獲得該第一及第二影像之像素的灰階值，然後將該第一及第二影像之相對處像素的灰階值進行相加，以產生該干涉條紋影像。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光學量測方法，其中當該參考平面與該待測平面之間的夾角不是90度時，該干涉條紋影像定義有一畫面垂直線，該干涉條紋影像具有兩群類似同心圓的干涉條紋，一影像處理單元計算出該兩群類似同心圓之間的軸線，而該軸線相對於該畫面垂直線之偏移角度及偏移方向即為該些干涉條紋之偏移角度及偏移方向，以得知該待測平面相對該參考平面之垂直度的偏移角度及偏移方向。
7. 如申請專利範圍第6項所述之光學量測方法，其中該參考平面與該待測平面之間的夾角為90度加上該偏移角度。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光學量測方法，其中當該參考平面與該待測平面之間的夾角為90度時，該干涉條紋影像定義有一畫面垂直線，該干涉條紋影像只具有一群同心圓的干涉條紋，一影像處理單元計算出該群同心圓的軸線，而該軸線相對於該畫面垂直線之偏移角度為零，以得知該待測平面相對該參考平面之垂直度的偏移角度為零。
9. 一種光學量測系統，包含：一影像擷取單元；一影像處理單元，電性連接於該影像擷取單元；一雷射光源，用以提供一光束；以及一光學單元，包含一空間濾波器、第一及第二準直透鏡、一分光鏡及一補償片，其中：該雷射光源之光束經由將該空間濾波器及第一準直透鏡而形成平行光束；該光束進入該分光鏡，該分光鏡將該光束之第一部分反射至一參考平面，該參考平面再將該光束之第一部分沿方向反射至該分光鏡，然後該分光鏡將該光束之第一部分的部分經由該第二準直透鏡而入射至該影像擷取單元；以及該分光鏡將該光束之第二部分經由該補償片而入射至一待測平面，該待測平面再將該光束之第二部分經由該補償片而反射至該分光鏡，然後該分光鏡將該光束之第二部分的部分經由該第二準直透鏡而反射至該影像擷取單元。
10. 如申請專利範圍第9項所述之光學量測系統，其中該光學量測系統用以計算多條干涉條紋之偏移角度及偏移方向，以得知該待測平面相對該參考平面之垂直度的偏移角度及偏移方向。