專利名稱：利用光學偏振特性的三維顯微共焦測量系統與方法
技術領域：
本發明涉及一種表面形貌測量技術，尤其是指一種利用共焦方式以測量物體表面 形貌的一種三維顯微共焦測量系統與方法。
背景技術：
隨著納米機電系統(Nano/Micro-electromechanical system, NMEMS)技術的成 熟，工業界對于微細元件檢測的需求不斷提高，測量設備與技術也不斷的創新。現有的接觸 式或是非接觸式測量方法，已無法滿足市場對于高精度與快速檢測的需求。再者，由于產業 在近幾年不斷的轉型，各種生產設備，如自動化光學檢測設備等的需求量也越來越大，相 較于傳統使用人工檢測的方式，經由機器輔助來進行自動化的視覺檢測，可有效提升整體 生產線效率與質量。觀察近年來的測量技術發展，共焦顯微術為顯微領域中獲得蓬勃發展與廣泛的 應用，乃因此項技術具備良好的光學切片能力以及空間分辨率等優點，其測量基本原理乃 以光學掃描方式，獲得物體不同高度的平面圖像，通過過濾失焦信號，保留聚焦信號信息方 式，再經由計算機軟件進行重建以形成三度空間立體圖像。例如中國臺灣公告專利第1291013所揭露的一種數字結構光微三維共焦表面輪 廓測量系統與方法，其介由光學投影機產生一沿水平與垂直方向正弦變化的數字結構光圖 案，再投射至待測物表面，然后由該圖像感測單元提取該待測物表面反射信號，并將提取的 信號傳輸至該主控制單元，進行分析圖像點的聚焦指針值，以推算出待測物的三維高度，進 而獲得待測物表面精確的三維輪廓信息。另外，又如美國專利US. Pat. No. 6，838，650所揭露的一種共焦圖像裝置，其是利 用微透鏡陣列與針孔陣列組合分束裝置，當接收由物體反射的反射光時，微陣列透鏡的設 計使得每一個微透鏡皆對應到不同深度的位置，以判斷物體的表面高度。此外，如美國專利 US. Pat. No. 5，880，844所揭露的一種混合共焦顯微裝置，其是結合光學以及圖像處理技術， 利用多個光學路徑的設計，使得對應不同深度的圖像傳感器可以提取到光信號，進而根據 圖像處理的技術，來區別不同光學路徑的圖像提取裝置提取到的圖像特征而判斷出物體的 形貌。
發明內容
在一實施例中，本發明提供一種三維顯微共焦測量方法，其包括下列步驟提供通 過一具有圖案的線性偏振結構光；將該具有圖案的線性偏振結構光投射至一物體上以形成 具有多個聚焦信息的結構光；對該物體進行一垂直掃描；于該垂直掃描過程中，以一具有 線性偏振調整的圖像提取模塊，提取該具有多個聚焦信息的結構光，以形成一系列光學圖 像；以及分析該系列光學圖像，以重建該物體的表面形貌。在另一實施例中，本發明還提供一種三維顯微共焦測量系統，包括一偏振結構光 模塊，其是提供一具有圖案的線性偏振結構光；一顯微物鏡模塊，其是將該具有圖案的線性偏振結構光投射至一物體上，以形成具有多個聚焦信息的結構光；一具有線性偏振調整的 圖像提取模塊；以及一控制單元，其是控制一位移裝置以產生一垂直掃描動作，以使該圖像 提取模塊，提取該具有多個聚焦信息的結構光以形成一系列光學圖像，該控制單元還對該 系列光學圖像進行處理，以重建該物體的表面形貌。
圖IA為本發明的三維顯微共焦測量方法流程示意圖。圖IB為本發明重建物體表面形貌流程示意圖。圖2A為黑白棋盤式的結構光示意圖。圖2B至圖2C為本發明的其它形式結構光示意圖。圖3A為關于一物體表面具有結構光圖案的光學圖像示意圖。圖3B為本發明的遮罩示意圖。圖4(a)至圖4(f)為垂直掃描過程中，不同深度時所具有的光學圖像聚焦示意圖。圖5A為系列圖像中相對應的遮罩示意圖。圖5B為聚焦深度反應曲線示意圖。圖6為本發明的三維顯微共焦測量方法流程示意圖。圖7A為具有圖案的結構光在圖像感測單元所具有的圖像感測元件(CCD或CMOS) 感測示意圖。圖7B為結構光漂移后圖案與感測元件關系示意圖。圖8(a) 圖8(f)為結構光圖案偏移前后的聚焦指標值關系示意圖。圖9A與圖9B為經過漂移結構光后所形成的聚焦指標值分布示意圖。圖10為本發明的三維顯微共焦測量系統示意圖。圖11為本發明另一光柵元件實施例示意圖。圖12為標準塊示意圖。圖13(a)至圖13(f)為垂直掃描所形成的系列光學圖像示意圖。圖14為未使用線性偏振元件所得到的測量形貌示意圖。圖15為具有干擾性反射結構光信號所形成的聚焦深度反應曲線示意圖。圖16 (a)與圖16 (b)分別為未使用線性偏振元件以及使用線性偏振元件所得到的 光學圖像示意圖。圖17為使用兩片線性偏振元件所得的聚焦深度反應曲線示意圖。圖18為使用線性偏振元件所得到的測量形貌示意圖。主要元件符號說明2-三維顯微共焦測量方法20 24-步驟240 243-步驟3-三維顯微共焦測量方法30 35-步驟4-感測元件40-感測像素元件
5
41-結構光的圖案5-三維共焦測量系統50-偏振結構光模塊500-發光單元501-平凸透鏡502-第一線性偏振元件503-光柵元件504-驅動平臺505-雙凸透鏡51-顯微物鏡模塊510-光學鏡組5100-雙凸透鏡5101-分光元件511-物鏡512-線性位移驅動元件52-具有線性偏振調整的圖像提取模塊520-圖像感測單元521-第二線性偏振元件53-控制單元54-物體55-移動平臺6-光柵元件60 64-區域90-遮罩91-垂直掃描方向92-剖面93-位置94-區域
具體實施例方式為能對本發明的特征、目的及功能有更進一步的認知與了解，下文特將本發明的 裝置的相關細部結構以及設計的理念原由進行說明，以使得審查委員可以了解本發明的特 點，詳細說明陳述如下本發明提供一種三維顯微共焦測量系統與方法，其針對測量具高透明度與大傾斜 角度的微結構表面形貌，本裝置以具有圖案的結構光光柵片投射技術來增加待測物的高頻 信息，并結合聚焦形貌測量原理，進行全域式測量。本發明提供一種三維顯微共焦測量系統與方法，當測量傾斜角度增加時，由圖像 感測單元所接收到的反射光強度以及圖像中結構光的對比將相對減弱，本裝置利用高數值 光圈(numerical aperture,ΝΑ)的物鏡以及不同周期的結構光圖案，配合結構光漂移方法，以有效增加可測量的傾斜角度范圍以及測量的分辨率。本發明提供一種三維顯微共焦測量系統與方法，其用于測量具V型角的微結構元 件表面時，當進行垂直掃描接近V型角微結構底部時，常出現一干擾性全反射結構光圖像， 此嚴重影響到測量信號的信噪比，容易造成聚焦反應曲線的誤判。因此通過本發明使用兩 片線性偏振片，使干擾性信號影響降至最低，以有效地重建其三維表面輪廓形貌，獲得物體 精確的三維形貌幾何信息。請參閱圖1A所示，該圖為本發明的三維顯微共焦測量方法流程示意圖。在本實施 例中，該共焦測量方法2包括有下列步驟首先以步驟20提供通過一具有圖案的線性偏振 結構光。在步驟20中，主要是將光源通過線性偏振元件，以產生偏振光，然后將偏振光投射 至具有圖案的光柵元件上，以形成該具有圖案的結構光。該光柵元件上的圖案可為條紋式、 弦波式或者是棋盤式的圖案，但不以此為限。在本實施例中，該結構光的圖案為周期性的黑 白結構圖案，例如如圖2A所示的結構光為黑白棋盤式的結構光，其中該圖案的周期P可根 據測量需要而有所改變。至于周期P的大小，為根據測量物體表面分辨率的需要而定。此 外，如圖2B與圖2C所示，該圖分別為本發明的其它形式結構光示意圖。在圖2B中，其結構 光是屬于條紋式結構光，而在圖2C中，其結構光屬于sin弦波式結構光。產生具有圖案的 偏振結構光方式，可以利用數字光投射(Digital LightProjector, DLP)或者是硅基液晶 (Liquid crystal on silicon,LC0S)的數字微鏡陣列投射元件，將結構光投射至線性偏振 元件以產生具有圖案的偏振結構光。接著進行步驟21將該具有圖案的線性偏振結構光投射至一物體上以形成具有多 個聚焦信息的結構光。然后以步驟22對該物體進行一垂直掃描。接著進行步驟23，于該 垂直掃描過程中，以一具有線性偏振調整的圖像提取模塊，提取該具有多個聚焦信息的結 構光，以取得一系列光學圖像。在本步驟中，該圖像提取模塊主要是由圖像感測單元以及線 性偏振元件所構成。圖像提取時，可根據不同尺寸大小的物體，調整測量景深與測量范圍， 以適應不同待測物的測量需求。進行垂直掃描時，先決定關于該物體的初始掃描位置，并改 變掃描的深度位置以對物體進行深度掃描。然后再由圖像感測單元提取該物體在不同深度 的掃描位置下，物體的表面因距離物鏡位置的不同所形成的不同聚焦程度的圖像，而形成 該系列的光學圖像。此外，在垂直掃描過程中，還包括有可以調整產生偏振結構光的偏振元 件以及圖像提取模塊的線性偏振元件間的偏振夾角，以消除由物體上所產生的干擾性結構 光。得到該系列的光學圖像之后，再以步驟24分析該系列光學圖像，以重建該物體的 表面形貌。請參閱圖1B所示，該圖為本發明重建物體表面形貌流程示意圖。在本實施例 中，該流程首先以步驟240對每一張圖像中關于每一像素的一遮罩進行演算以得到該系列 圖像中的每一圖像中的每一像素所具有的聚焦指標值。請參閱圖3A所示，該圖為關于一物 體表面具有結構光圖案的光學圖像示意圖。在該圖像中可以由圖像中的每一個像素向外擴 張而定義出多個遮罩90，每一個遮罩的大小可以根據需要而定，并沒有一定的限制。如圖 3B所示，該遮罩90的中心為要求得聚焦指標的像素901，而周圍則為遮罩90所涵蓋的其它 像素902。一般而言，該遮罩90的大小為奇數個像素所構成的正方大小例如在一實施例 中，該遮罩的大小為3x3個像素所形成的區域或5x5像素所形成的區域。在本實施例中，為 3x3像數所形成的區域大小。
以下說明聚焦深度反應曲線的數學推導，由于圖像失焦為一低通濾波的過程，因 此當圖像具備足夠的高頻信息時，其意謂著可提供出較多的細節信息以供測量，而一個良 好的聚焦指標值運算子，則須具備良好的辨別能力，區分出高、低頻間的信息變化。一個作 為高通濾波器的方法是評估圖像的二階導數，對二維圖像而言，拉普拉斯(Laplacian)運 算子可表示為式(1)所示
r 一 一 52/ 3 其中I(x，y)為圖像點的強度值。然而在求取圖像中的特征時，拉普拉斯運算子將 碰到一個問題當拉普拉斯運算子求取二階導數時，χ與y兩方向的正負號不同，將產生互 相抵銷的情形，因此以改良型的拉普拉斯運算子，如式(2)所示解決此問題 通常將拉普拉斯運算子以離散的方式表示成一 3x3的遮罩，但為了符合需求以及 圖像的特征尺寸，可以調整計算范圍如式(3)所示 因此，圖像中每一像素的聚焦評估值即為拉普拉斯運算子的總和，如式4所示
i+N j+N 其中T1為閥值，目的為過濾背景的噪聲，N為計算范圍的大小。而在步驟240中所謂的聚焦指標值則代表每一圖像中的每一個像素的聚焦狀態。 請參閱圖4(a)至圖4(f)所示，該圖為垂直掃描過程中，不同深度時所具有的光學圖像聚焦 示意圖。由圖4(a)至圖4(f)可以看出，對于物體上一特定位置而言，隨著垂直掃瞄位置的 不同，其聚焦清晰度也會改變，在整個垂直掃描的過程中，系列圖像呈現失焦一聚焦一失焦 的聚焦狀態。圖4的系列圖像中，以圖4(d)的圖像最清楚。求得每一張光學圖像中的每一個像素所具有的聚焦指標值之后，接著進行步驟 241，根據將每一張圖像中相對應的像素所具有的聚焦指標值而建立關于該像素的聚焦深 度反應曲線。相對應的像素共同對應到物體上的一圖像感測單元。請參閱圖5A與圖5B所 示，其中圖5A為系列圖像以及相對應的遮罩的關系示意圖，而圖5B則為聚焦深度反應曲線 示意圖。圖5A代表隨著垂直掃描方向91所產生的對應不同掃描深度的光學圖像92a 92e (圖中僅以五張圖代表)，而每一個圖像92a 92e內還具有多個關于像素921a 921e 的遮罩920a 920e，每一個遮罩中的中心像素921a 21e都會有一聚焦指標值。以該系 列光學圖像92a 92e中相互對應的遮罩920a 920e為例，根據前述的式(1)至(4)可 以求得遮罩范圍內中關于中心像素921a 921e的聚焦指標值，然后將其聚焦指針值與掃 描深度位置相對應，即可得到如圖5B的聚焦深度反應曲線。在圖5B中的曲線是由多張光 學圖像中相互對應的像素所具有的聚焦指標值所形成的聚焦深度反應曲線，再經過正規化 而得的正規化強度與掃描深度位置關系曲線圖，其中曲線上的位置a，b，c, d，e則分別為圖 5A中的像素921a 921e所具有的經過正規化的聚焦指標值。
在一連串不同聚焦程度的圖像系列中，利用形成聚焦深度反應曲線的評估，求出 曲線中最大的峰值(Peak)，即圖像中一點的實際高度值。圖5B為一典型的聚焦深度反應曲 線(D印th Response Curve，DRC)，橫坐標代表深度掃描的不同深度位置，縱坐標為正規化 后的強度值，其代表待測物上一點沿著深度掃描方向的聚焦指針值。因此，聚焦深度反應曲 線的峰值即為高頻信息最強處，也代表待測物實際高度值。得到聚焦深度反應曲線之后，再進行步驟242，尋找每一聚焦深度反應曲線的峰 值。每一個峰值都可以對應到一個深度位置。例如，對于圖5B中的聚焦深度反應曲線中所 具有的峰值其所對應到的位置為7. 9 y m。由于系列光學圖像中每一張光學圖像中相對應的 像素所形成的聚焦深度反應曲線的峰值都可以得到一個位置值，亦即該物體的真實表面高 度值，因此，最后再利用步驟243將每一個位置值組合即可得到該物體的表面形貌。請參閱圖6所示，該圖為本發明的三維顯微共焦測量方法流程示意圖。在本實施 例中，該方法3的步驟30 33與35基本上與圖1A的流程相似，所差異的是，本實施例的步 驟35具有漂移該結構光，然后再對物體進行一次垂直掃描以提取另一系列光學圖像，通過 至少一次以上漂移該結構光特定的距離，可以增加解析物體表面形貌的分辨率。由于結構 光有效測量點僅為圖案的黑白交界處的高頻信息區，因此當結構光投射至物體而被圖像感 測單元提取圖像時，在特定位置的像素并不會剛好有黑白交界處的高頻信息區的信號。因 此，在后續還原物體表面形貌的過程中，沒有感測到高頻信號的像素所對應到的圖像位置 就無法得到高度值。例如圖7A所示，其為具有圖案的結構光在圖像感測單元所具有的圖像 感測元件(CCD或CMOS)感測示意圖。感測元件4中具有多個感測像素元件40，而結構光的 圖案41 (圖中僅顯示單一周期的圖案)，被圖像感測元件40所感測時，可以發現圖案的邊界 是對應到特定的像素，但是在圖案41中間區域所對應到的像素i，則會無法感測到高頻信 息區，使得后來的形貌還原時無法得到物體的表面高度位置信息。請參閱圖8所示，其中圖8 (a)代表第一次未偏移的結構光圖案，圖8 (b)代表結構 光圖案的剖面92所具有的信號示意圖，而圖8(c)代表經過聚焦指標值。根據圖8(c)所示 的結果，可以發現位置93所具有的結構光圖案，并沒有得到對應的聚焦指標值，因此即使 經過深度掃描的程序，還是無法得到對應的聚焦指標值(如圖8(c)的區域94)，進而無法還 原出結構光圖案在位置93所具有的表面形貌。因此，圖6的流程通過步驟33的偏移結構光圖案，如圖7B所示，則圖案邊界即可 通過偏移距離d而使得像素i可以感測到高頻信號。請參閱圖8(d)、圖8(e)與圖8(f)，其 中在圖8(d)中為將結構光偏移一特定距離示意圖，圖8(e)為偏移后結構光剖面92所具有 的光信號示意圖。根據圖8(d)的結果，可以了解位置93已經具有高頻信號的變化，因此， 在圖8(f)中，區域94已經具有聚焦指標值。經過圖8(f)與圖8(c)的組合可以形成圖9A 的聚焦指標值分布，其為漂移結構光圖案一次所形成的聚焦指標值分布示意圖。當然，亦可 通過漂移的次數來增加分辨率，例如圖9B所示，其為經過漂移兩次所形成的聚焦指標值分 布。根據圖9B的結果，可以發現有聚焦指針值的位置增加，因此可以增加將來物體表面形 貌還原的分辨率。本發明提出利用漂移的結構光圖像原理，以提升投影高頻結構光信息，可在測量 表面上增加棋盤式結構光于全白與全黑無高頻信號的區域，大幅增加結構光所形成圖像的 高頻信息，因此有效解決目前測量方法在測量空間解析不足的問題。結構光漂移的次數限制在于移動的像素在一個全黑或全白的周期內。當漂移次數增加，空間分辨率相對提高。此 外，在圖IA的流程以及圖6的流程中還可以包括改變該結構光的圖案周期以改變測量物體 表面形貌分辨率。請參閱圖10所示，該圖為本發明的三維顯微共焦測量系統示意圖。該三維共焦測 量系統5包括，一偏振結構光模塊50、一顯微物鏡模塊51、具有線性偏振調整的圖像提取模 塊52以及一控制單元53。該結構光模塊50，其提供一具有圖案的偏振性結構光。在本實施 例中，該結構光模塊50還具有一發光單元500、一平凸透鏡501、一第一線性偏振元件502、 一光柵元件503以及一雙凸透鏡505。該發光單元500，其提供一光源，該光源經由光纖而 導引至該平凸透鏡501。該平凸透鏡將該光源調制成平行光經過該第一線性偏振元件502 而形成偏振光。該光柵元件503，其設置于一驅動平臺504上，以將該偏振光調制成該具有 圖案的偏振結構光，其中該驅動平臺504還與該控制單元53偶接，該驅動平臺504可根據 該控制單元53發出的信號，控制該光柵元件503進行至少一維方向的線性位移運動(X軸、 X與Y軸或者是X、Y與Z軸的組合)，以改變該光柵元件503的位置，而使具有圖案的結構 光產生偏移。在本實施例中，該光柵元件503上具有如圖2A所示的具有周期性的圖案的光 柵元件，其具有條紋式、弦波式或者是棋盤式的圖案，以將該光源調制成棋盤式圖案的結構 光。雙凸透鏡505將該線性偏振光聚焦于該顯微物鏡模塊51上。在另一實施例中，如圖11 所示，該圖為本發明另一光柵元件實施例示意圖。圖11的光柵元件6具有四個不同周期圖 案的區域60 64。通過驅動平臺控制光柵元件的移動，以可產生不同周期圖案的結構光。該顯微物鏡模塊51，其將該具有圖案的線性偏振結構光投射至一物體上，以形成 具有多個聚焦信息的結構光。該顯微物鏡模塊51，其還具有一光學鏡組510以及一物鏡 511。該光學鏡組510，其具有多個光學元件，其由多個雙凸透鏡5100以及一分光元件5101 所構成。該物鏡521，其設置于該分光元件5101與該物體54之間，該物鏡511還偶接有一 線性位移驅動元件512，例如壓電元件，其與該控制單元53電訊連接，以驅動該物鏡511 進行該垂直位移運動而對物體54進行掃描。該物體54設置于一移動平臺55上，該移動平 臺55亦可接收控制單元53的控制信號控制該物體54進行至少一維度的運動。該具有線性 偏振調整的圖像提取模塊52，其包括有一圖像感測單元520以及一第二線性偏振元件521。 該圖像感測單元520感測通過該第二線性偏振元件521的該具有多個聚焦信息的結構光以 形成一系列光學圖像。該圖像感測單元520可為CCD圖像感測單元或者是CMOS感測單元。 該控制單元53，其控制該物鏡511進行一垂直位移運動以使該圖像提取模塊52提取關于該 物體的系列光學圖像，該控制單元53還可執行圖IA與圖6的表面形貌重建流程對該系列 光學圖像進行處理以重建該物體的表面形貌。本發明的架構下，利用調整第一與第二線性偏振元件502與521的偏振夾角以克 服干擾性反射結構光信號所造成的影響。以下先說明干擾性反射結構光的問題。以表面光 滑傾斜角度45°的V型槽標準塊進行測量系統的校驗工作，該標準塊如圖12所示。測量 時，投射的結構光大小為30*30 (μ m2)，掃描條件為物鏡倍率x50 (NA = 0. 95)，垂直掃描間 距0. 2 ( μ m)，掃描張數共170張，垂直掃描的部分圖像如圖13 (a)至圖13 (f)所示。當垂直 掃描接近底部時，出現一干擾性結構光信號，此干擾性結構光信號對比強烈，造成聚焦反應 曲線峰值的誤判，嚴重影響3D形貌重建的結果，測量形貌如圖14所示。會形成這樣的干擾 主要是當測量傾斜角度增加，以全域式測量，作深度掃描時，在掃描接近底部所獲得的圖像會出現一干擾性反射結構光信號，如圖13(f)所示，此信號的出現，產生了跟以往不同的聚 焦反應曲線，如圖15所示，又因此反射信號強度強，壓抑了原本真實信號的峰值的強度，可 能造成峰值的誤判，進而嚴重圖像3D形貌重建的結果。在得知是因為在垂直掃描接近底部時，干擾性結構光信號的對比強烈，而造成聚 焦反應曲線的誤判后，本發明提供調整兩線性偏振元件502與521的偏振夾角，以改變此反 射信號的偏振性，將上述影響降至最低。圖16(a)為掃描接近底部的圖像，此圖像為一整面 的干擾性反射結構光信號，圖16(b)為搭配線性偏振片所獲得的圖像。再經過聚焦指標值 計算后，所得到的聚焦深度反應曲線，如圖17所示，與圖15比較，可以發現改變反射信號的 偏振態后，假信號的強度被降低了，將不再誤判原有的峰值位置。最后經過表面重建之后得 到如圖18的狀態，從圖18可以發現搭配兩片線性偏振元件所還原的3D形貌，與圖14相比， 圖18的三維形貌重建的可靠性明顯的改善許多。以上所述，僅為本發明的實施例，當不能以的限制本發明范圍。即大凡依本發明申 請專利范圍所做的均等變化及修飾，仍將不失本發明的要義所在，亦不脫離本發明的精神 和范圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。
1權利要求
一種利用光學偏振特性的三維顯微共焦測量方法，其特征在于，包括下列步驟提供通過一具有圖案的線性偏振結構光；將該具有圖案的線性偏振結構光投射至一物體上以形成具有多個聚焦信息的結構光；對該物體進行一垂直掃描；于該垂直掃描過程中，以一具有線性偏振調整的圖像提取模塊提取該具有多個聚焦信息的結構光，以形成一系列光學圖像；以及分析該系列光學圖像，以重建該物體的表面形貌。
2.如權利要求1所述的利用光學偏振特性的三維顯微共焦測量方法，其特征在于，該 具有圖案的線性偏振結構光為條紋式、弦波式或者是棋盤式結構光。
3.如權利要求1所述的利用光學偏振特性的三維顯微共焦測量方法，其特征在于，還 包括有偏移該線性偏振結構光的一步驟。
4.如權利要求3所述的利用光學偏振特性的三維顯微共焦測量方法，其特征在于，偏 移的范圍是介于該圖案的周期范圍內。
5.如權利要求1所述的利用光學偏振特性的三維顯微共焦測量方法，其特征在于，產 生該具有圖案的線性偏振結構光還具有下列步驟提供一光源；以及使該光源經過一第一線性偏振元件以及具有該圖案的一光柵元件而形成該線性偏振 結構光。
6.如權利要求5所述的利用光學偏振特性的三維顯微共焦測量方法，其特征在于，該 線性偏振結構光還通過一第二線性偏振元件，該第一線性偏振元件與該第二線性偏振元件 之間具有一偏振夾角。
7.如權利要求5所述的利用光學偏振特性的三維顯微共焦測量方法，其特征在于，該 光柵元件為具有條紋式、弦波式或棋盤式圖案的光柵元件。
8.如權利要求1所述的利用光學偏振特性的三維顯微共焦測量方法，其特征在于，產 生該具有圖案的線性偏振結構光是利用數字微鏡陣列投射元件產生。
9.如權利要求1所述的利用光學偏振特性的三維顯微共焦測量方法，其特征在于，重 建該物體的表面形貌還包括有下列步驟對每一張圖像中關于每一像素的一遮罩進行演算以得到該系列圖像中的每一圖像中 的每一像素所具有的聚焦指標值；根據將每一張圖像中相對應的像素所具有的聚焦指標值而建立關于該像素的聚焦深 度反應曲線；尋找每一該聚焦深度反應曲線的峰值；以及根據每一峰值所對應的位置而重建該物體的表面形貌。
10.如權利要求1所述的利用光學偏振特性的三維顯微共焦測量方法，其特征在于，還 包括改變該圖案周期的一步驟。
11.一種利用光學偏振特性的三維顯微共焦測量系統，其特征在于，包括一偏振結構光模塊，其提供一具有圖案的線性偏振結構光；一顯微物鏡模塊，其將該具有圖案的線性偏振結構光投射至一物體上，以形成具有多個聚焦信息的結構光；一具有線性偏振調整的圖像提取模塊；以及一控制單元，其控制一位移裝置以產生一垂直掃描動作，以使該圖像提取模塊提取該 具有多個聚焦信息的結構光以形成一系列光學圖像，該控制單元還對該系列光學圖像進行 處理，以重建該物體的表面形貌。
12.如權利要求11所述的利用光學偏振特性的三維顯微共焦測量系統，其特征在于， 該偏振結構光模塊還具有一發光單元，其提供一光源；一第一線性偏振元件，其偏振化該光源；以及一光柵元件，其將該偏振化光源調制成該具有圖案的線性偏振結構光。
13.如權利要求12所述的利用光學偏振特性的三維顯微共焦測量系統，其特征在于， 該光柵元件為具有條紋式、弦波式或棋盤式圖案的光柵元件。
14.如權利要求12所述的利用光學偏振特性的三維顯微共焦測量系統，其特征在于， 該光柵元件還偶接有與該控制單元偶接的一線性驅動平臺，該線性驅動平臺可根據該控制 單元發出的信號控制該光柵元件進行至少一維方向的線性位移運動，以改變該光柵元件的 位置而使具有圖案的線性偏振結構光產生偏移。
15.如權利要求14所述的利用光學偏振特性的三維顯微共焦測量系統，其特征在于， 偏移的范圍介于該圖案的周期范圍內。
16.如權利要求11所述的利用光學偏振特性的三維顯微共焦測量系統，其特征在于， 該顯微物鏡模塊還具有 >一光學鏡組，其具有多個光學元件；以及一物鏡，其設置于該光學鏡組與該物體之間，該物鏡還偶接有該位移裝置，其與該控制 單元電訊連接，以驅動該物鏡進行該垂直掃描動作。
17.如權利要求11所述的利用光學偏振特性的三維顯微共焦測量系統，其特征在于， 該具有線性偏振調整的圖像提取模塊，還包括有一第二線性偏振元件以及一圖像感測單兀。
18.如權利要求11所述的利用光學偏振特性的三維顯微共焦測量系統，其特征在于， 該控制單元是對每一張圖像中關于每一像素的一遮罩進行演算以得到該系列圖像中的每 一圖像中的每一像素所具有的聚焦指標值，然后根據將每一張圖像中相對應的像素所具有 的聚焦指標值，而建立關于該像素的聚焦深度反應曲線，再尋找每一該聚焦深度反應曲線 的峰值，最后根據每一峰值所對應的位置，而重建該物體的表面形貌。
19.如權利要求11所述的利用光學偏振特性的三維顯微共焦測量系統，其特征在于， 該偏振結構光模塊可產生不同周期圖案的結構光。
20.如權利要求11所述的利用光學偏振特性的三維顯微共焦測量系統，其特征在于， 該物體設置于與該位移裝置偶接的一承載臺上，以進行該垂直掃描動作。
全文摘要
本發明提供一種利用光學偏振特性的三維顯微共焦測量系統與方法，其是通過光柵片產生具有圖案的結構光，再配合偏振片元件與結構光漂移步驟結合聚焦形貌測量原理，以提取關于一物體對應不同深度的一系列光學圖像。接著利用取得每一光學圖像中所具有的多個像素所分別具有的聚焦指標值，以形成對應每一像素所具有的聚焦反應曲線。最后求得每一像素的聚焦反應曲線峰值并根據每一峰值所對應的深度予以重組，以得到關于該物體的形貌特征。
文檔編號G01B11/25GK101929850SQ20101010596
公開日2010年12月29日 申請日期2010年1月25日 優先權日2009年6月26日
發明者張奕威, 王浩偉, 郭世炫, 陳亮嘉, 陳圣涵 申請人:財團法人工業技術研究院;陳亮嘉