專利名稱：表面測量裝置及其測量方法及校正方法
技術領域：
本發明涉及一種表面測量裝置及其測量方法及校正方法，且特別涉及一種可產生多點光源的表面測量裝置及其測量方法及校正方法。
背景技術：
請參照圖1 (現有技術)，其繪示傳統的光學檢測系統的示意圖。光源S投射的光場經過分光透鏡12而聚焦在不同聚焦位置13a、13b以及13c。投射于待測面的光線反射至分光鏡14后分光至濾波元件15，借此測量待測面上同一點的高度。然而，由于光源S是點光源，故每次僅能測量待測面上同一點的高度，唯有入射至待測面的光線與待測面之間沿一方向產生相對位移才能測量到待測面的線輪廓，若要測量到待測面的面輪廓，則入射至待測面的光線與待測面之間須沿二不同方向產生相對位移。 如此，要測量到整個待測面的表面形貌不但耗時而且降低工藝的生產效率。
發明內容
本發明所要解決的技術問題在于提供一種表面測量裝置及其測量方法及校正方法，表面測量裝置可產生多點光源，可快速測量待測面的面輪廓，不但省時而且提高工藝的生產效率。根據本發明的第一方面，提出一種表面測量裝置。表面測量裝置用以測量一待測面。表面測量裝置包括一光源、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。光纖管具有多條光纖束，用以傳輸光線。第一透鏡組用以聚焦并分光該光線。第二透鏡組用以聚焦光線并使光線的焦點實質上位于待測面。影像感測單元用以擷取光線的一測量影像。分光鏡用以將反射自待測面的光線反射至影像感測單元。處理單元用以計算測量影像的多個影像點的光強度比并將每個影像點的光強度比與一深度-光強度比關系線進行對比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后，反射經第二透鏡組至分光鏡后再反射至影像感測單元。根據本發明的第二方面，提出一種表面測量裝置的測量方法。表面測量方法包括以下步驟。一光源發射一光線，光線依序通過多條光纖束、一第一透鏡組、一分光鏡及一第二透鏡組至一待測面后，反射經第二透鏡組至分光鏡后再反射至一影像感測單元。其中第一透鏡組用以聚焦并分光光線；影像感測單元擷取反射自分光鏡的光線的一測量影像；計算測量影像的多個影像點的光強度比；以及，將每個影像點的光強度比與一深度-光強度比關系線進行對比，以取得每個影像點對應的深度。根據本發明的第三方面，提出一種表面測量裝置的校正方法。表面測量的校正方法包括以下步驟。一光源發射一光線，光線依序通過多條光纖束、一第一透鏡組、一分光鏡及一第二透鏡組至一樣本面后，反射經第二透鏡組至分光鏡后再反射至一影像感測單元。 其中第一透鏡組用以聚焦并分光光線；影像感測單元擷取反射自分光鏡的光線的一樣本影像；以及，計算樣本影像的多個影像點的光強度比，以得到一深度-光強度比關系線。
以下結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細描述，但不作為對本發明的限定.
圖1(現有技術)為現有的光學檢測系統的示意圖； 圖2為本發明的一實施例的表面測量裝置的示意圖； 圖3為圖2的影像感測單元所擷取到的待測面的測量影像示意圖； 圖4為本實施例的深度-光強度比關系線；
圖5為圖3中經過方向5-5’的影像點所對應的測量點的深度示意圖； 圖6為圖2的光線經過平凸透鏡后的分光示意圖； 圖7為本發明的一實施例的表面測量裝置的校正方法流程圖； 圖8為本實施例的樣本影像的多個影像點的深度-光強度曲線圖； 圖9為本發明的一實施例的表面測量裝置的測量方法流程圖。 其中，附圖標記 12 分光透鏡 13a、13b、13c 聚焦位置 14、112 分光鏡 15 濾波元件 100 表面測量裝置 102、S 光源 104 光纖管 106 第一透鏡組 108 第二透鏡組 110:影像感測單元 114:測量影像 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 A1、A2、M1 影像點 B 藍光
Bs, Gs, Rs 光強度曲線 Cl 深度-光強度比關系線 D 光線行進方向 F1、F2、FR、FG、FB 焦點 G 綠光
L 光線OVl 第一深度范圍0V2 第二深度范圍P 高度R 紅光S102_S106、S2O2-S2O8 步驟W:寬度
具體實施例方式以下實施例作為本發明的說明，然而實施例所提出的內容，僅為舉例說明之用，而繪制的圖式是為配合說明，并非作為限縮本發明保護范圍之用。再者，實施例的圖示亦省略不必要的元件，以利清楚顯示本發明的技術特點。請參照圖2，其繪示依照本發明的一實施例的表面測量裝置的示意圖。表面測量裝置100用以測量待測面120，其中表面測量裝置100包括一光源102、一光纖管104、一第一透鏡組106、一第二透鏡組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是設于控制器126內，影像感測單元110并電性連接于處理單元122。其中，光源102，用以發射光線L。光纖管104內具有多條光纖束132，用以傳輸光線L。第一透鏡組106用以聚焦并分光光線L。第二透鏡組108用以聚焦光線L并使光線L 的焦點大致上位于待測面120，詳細來說，第二透鏡組108中的第三透鏡組116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110用以擷取光線L的測量影像114 (圖 2未繪示)。分光鏡112用以將反射自待測面120的光線L反射至影像感測單元110。處理單元122用以計算測量影像114的多個影像點的光強度比并將每個影像點的光強度比與深度-光強度比關系線Cl (圖2未繪示)進行對比以取得每個影像點對應的深度。進一步地說，光線L自光源102射出后依序通過光纖管104內的該多個光纖束 132、第三透鏡組116、平凸透鏡118、分光鏡112及第二透鏡組108至一待測面120后，反射回第二透鏡組108至分光鏡112后再反射至影像感測單元110。其中，經過第二透鏡組108 的光線的焦點大致上位于待測面120。請參照圖3至圖4，圖3為圖2的影像感測單元所擷取到的待測面的測量影像示意圖，圖4為本實施例的深度-光強度比關系線。當影像感測單元110擷取到自待測面120 反射的光線的測量影像114(測量影像114繪示于圖幻后，處理單元122計算測量影像114 的多個影像點的光強度比并將每個影像點的光強度比與圖4的深度-光強度比關系線Cl 進行對比以取得每個影像點的深度，即待測面120于ζ方向的高度值。以經過如圖3中方向5-5’(即y方向)的多個影像點Ml為例說明，該多個影像點Ml對應至待測面120的測量點的深度是繪示于圖5，其繪示圖3中經過方向5-5’的影像點所對應的測量點的深度示意圖。由于光纖管104內具有該多個光纖束132，光線L經過該多個光纖束132后是產生出多個點光源，該多個點光源入射至待測面120后是涵蓋待測面120的表面范圍，因此可一次獲得二維OD)的測量影像114。也就是說，投射至待測面120的光線與待測面120之間不需相對位移即可測量出待測面120的表面輪廓，可快速建立待測面120的形貌，不但省時而且提高工藝的生產效率。光源102可產生波長涵蓋400納米(nm)至700nm的光線L，例如是白光。進一步地說，本實施例的光源102是多波長的光源。在一實施態樣中，光源102是可產生功率大于 120瓦(Watt)的光線L，此處的光源102例如是鹵素光源。此外，光纖管104是可撓曲的管路，進一步地說，光源102與第一透鏡組106之間的光路是可任意彎曲。經過該多個光纖束132的光線L入射至第三透鏡組116的入射面積實質上等于或小于第三透鏡組116的入光面128的面積。進一步地說，經過該多個光纖束132的光線完全地入射至第三透鏡組116，如此可保留完整的光線強度。在一實施例中，第三透鏡組116 的倍率為40倍，但不以此為限。光線L經過第三透鏡組116后所聚焦的焦點Fl是位于第三透鏡組116與平凸透鏡118之間，且光線L經過平凸透鏡118后所聚焦的焦點F2是位于平凸透鏡118與分光鏡 112之間。特別一提的是，請參照圖6，其繪示圖2的光線L經過平凸透鏡118后的分光示意圖。經過平凸透鏡118的光線L是產生良好的分光效果，以增加軸向上的色差。也就是說， 光線L經過平凸透鏡118后產生色散現象，使紅光R的焦點FR、綠光G的焦點TO及藍光B 的焦點FB沿著光線行進方向D的間距拉大，如此可測量到待測面120中ζ方向的范圍也較大。請回到圖2，光線L經過分光鏡112后入射至第二透鏡組108的入射面積實質上等于或小于第二透鏡組108的入光面130的面積。進一步地說，經過分光鏡112的光線完全地入射至第二透鏡組108，可保留完整的光線強度。在一實施例中，第二透鏡組108的倍率為60倍，但不以此為限。以下是說明表面測量裝置100的測量方法及校正方法。于說明表面測量裝置100 的測量方法之前，先說明其校正方法，即取得如圖4的深度-光強度比關系線的方法。請參照圖7，其繪示依照本發明的一實施例的表面測量裝置的校正方法流程圖。于步驟S102中，采用圖2的表面測量裝置100測量一樣本面(未繪示)中多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104的該多個光纖束 132、第一透鏡組106、分光鏡112及第二透鏡組108至該樣本面中該多個樣本點后，反射經第二透鏡組108至分光鏡112后再反射至影像感測單元110。接著，于步驟S104中，影像感測單元110擷取反射自分光鏡112的光線的一樣本影像(未繪示)。然后，于步驟S106中，處理單元122計算該樣本影像的多個影像點的光強度比，配合上述已知深度的樣本點，以得到圖4的深度-光強度比關系線Cl。詳細地說，請參照圖8，其繪示本實施例的樣本影像的多個影像點的深度-光強度曲線圖。由于該樣本影像的該多個影像點對應于該樣本面中該多個已知深度的樣本點，因此可得到圖8所示的深度-光強度曲線圖。在一實施例中，可正規化(Normalization)該樣本影像的各該多個影像點的光強度，也就是說，深度-光強度曲線圖中的光強度曲線Rs、
及Bs是經過正規化而得的曲線。然后，利用下式(1)及(2)計算出該樣本影像的每個影像點的光強度比。
Rs (A) /Gs (A)......................................(1)Gs (A) /Bs (A).......................................(2)于上式(1)及⑵中，Rs (A)是指影像點A的紅光強度、Gs (A)是指影像點A的綠光強度、Bs (A)是指影像點A的藍光強度，此處的光強度例如是灰階值。此外，對于深度-光強度曲線中紅光強度曲線Rs與綠光強度曲線(is重疊的第一深度范圍0V1，是可采用式(1) 計算出對應的深度-光強度比關系線。對于深度-光強度曲線中綠光強度曲線與藍光強度曲線Bs重疊的第二深度范圍0V2，系可采用式(2)計算出對應的深度-光強度比關系線。舉例來說，以影像點Al為例，可采用式(1)，將影像點Al所對應的紅光強度Rs (Al)除以綠光強度(^s(Al)，以得到影像點Al的光強度比。以影像點A2為例，可采用式O)，將影像點A2所對應的綠光強度(is (A2)除以藍光強度Bs (A2)，以得到影像點A2的光強度比。依此計算出該樣本影像中所有影像點的光強度比。然后，應用最小二乘法或其它數值方法計算該樣本影像的該多個影像點的光強度比的線性回歸曲線，如圖4所示的深度-光強度比關系線Cl。雖然本實施例的第一深度范圍OVl及第二深度范圍0V2是以圖8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，第一深度范圍 OVl及第二深度范圍0V2可以是其它任意范圍。由于光線L經過圖2的平凸透鏡118后，紅光R的焦點FR、綠光G的焦點TO及藍光B的焦點FB沿著光線行進方向D的間距拉大(如圖6所繪示)，如此使圖4所示的深度-光強度比關系線Cl的ζ軸范圍較寬，可測量到待測面120中ζ方向的范圍也較大。也就是說，即使待測面120的表面輪廓的波峰與波谷間的距離較大，應用本實施例的表面測量裝置100仍可得到精確且具有完整的波峰/波谷的測量結果。在得到深度-光強度比關系線Cl之后，便可開始測量待測面120的表面輪廓。以下說明表面測量裝置100的測量方法。請參照圖9，其繪示依照本發明的一實施例的表面測量裝置的測量方法流程圖。于步驟S202中，采用圖2的表面測量裝置100測量待測面120。S卩，光源102發射光線L，光線L依序通過該光纖管104的該多個光纖束132、第一透鏡組106、分光鏡112及第二透鏡組108至待測面120后，反射經第二透鏡組108至分光鏡112后再反射至影像感測單元110。接著，于步驟S204中，影像感測單元110擷取反射自分光鏡112的光線的測量影像114，如圖3所示。再接著，于步驟S206中，處理單元122計算測量影像114的多個影像點的光強度比。然后，于步驟S208中，處理單元122將測量影像114的每個影像點的光強度比與上述的深度-光強度比關系線Cl進行對比，以取得每個影像點的深度。詳細地說，處理單元122將測量影像114的影像點的紅光強度Rs(A)除以綠光強度㈧且將綠光強度(is (A)除以藍光強度Bs(A),上述計算所得的二個光強度比的其中之一會與圖4的深度-光強度比關系線Cl在誤差范圍內符合，因此而得到對應的深度。由于本實施例的表面測量裝置100及其測量方法在一取得測量影像114的影像點的光強度比后，即可迅速對比出對應的深度。快速測量出待測面的表面輪廓的特征是適用于生產線。例如，可于生產線的其中一環節應用表面測量裝置100及其測量方法，以快速且精確檢測每個產品的質量。此外，表面測量裝置100可適用于動態測量。進一步地說，只要知道生產線的機臺所產生的振動頻率，表面測量裝置100可在該機臺每振動至同一基準面時快速且精準地擷取到待測物(例如是產品)的待測面的測量影像114。如此，使每個待測物的待測面的測量影像114于同一振動基準下被比較，可客觀地檢測出每個待測物的待測面的表面狀況。本實施例的表面測量裝置100及其測量方法及校正方法是非接觸式的光學測量機制，可測量到甚精密的表面輪廓。如圖5所示，表面測量裝置100及其測量方法可測量到波峰至波谷間的高度P約1微米(Pm)及波寬度W約2μπι的表面粗糙度。本發明上述實施例所揭露的表面測量裝置及其的測量方法及校正方法，表面測量裝置可產生多點光源，可快速測量待測面的面輪廓，不但省時而且提高工藝的生產效率。此外，光線經過平凸透鏡后產生色散現象，使紅光的焦點、綠光的焦點及藍光的焦點沿著光線行進方向的間距拉大，如此可測量到待測面中深度方向的范圍也較大。當然，本發明還可有其它多種實施例，在不背離本發明精神及其實質的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據本發明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發明所附的權利要求的保護范圍。
權利要求
1.一種表面測量裝置，用以測量一待測面，其特征在于，該表面測量裝置包括 一光源，用以發射一光線；一光纖管，具有多條光纖束，用以傳輸該光線； 一第一透鏡組，用以聚焦并分光該光線；一第二透鏡組，用以聚焦該光線并使該光線的焦點位于該待測面； 一影像感測單元，用以擷取該光線的一測量影像；以及一分光鏡，用以將反射自該待測面的該光線反射至該影像感測單元；以及一處理單元，用以計算該測量影像的多個影像點的光強度比并將各該多個影像點的光強度比與一深度-光強度比關系線進行對比以取得各該多個影像點對應的深度；其中，該光線依序通過該多個光纖束、該第一透鏡組、該分光鏡及該第二透鏡組至該待測面后，反射經該第二透鏡組至該分光鏡后再反射至該影像感測單元。
2.根據權利要求1所述的表面測量裝置，其特征在于，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后聚焦于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后聚焦于該平凸透鏡與該分光鏡之間。
3.根據權利要求1所述的表面測量裝置，其特征在于，該光線經過該多個光纖束后入射至該第一透鏡組的入射面積等于或小于該第一透鏡組的入光面的面積。
4.根據權利要求1所述的表面測量裝置，其特征在于，該光線經過該分光鏡后入射至該第二透鏡組的入射面積等于或小于該第二透鏡組的入光面的面積。
5.根據權利要求1所述的表面測量裝置，其特征在于，各該多個影像點的光強度比為各該多個影像點的紅光強度除以對應的綠光強度的值。
6.一種表面測量方法，其特征在于，包括一光源發射一光線，該光線依序通過多條光纖束、一第一透鏡組、一分光鏡及一第二透鏡組至一待測面后，反射經該第二透鏡組至該分光鏡后再反射至一影像感測單元，其中該第一透鏡組用以聚焦并分光該光線；該影像感測單元擷取反射自該分光鏡的該光線的一測量影像； 計算該測量影像的多個影像點的光強度比；以及將各該多個影像點的光強度比與一深度-光強度比關系線進行對比，以取得各該多個影像點對應的深度。
7.根據權利要求6所述的表面測量方法，其特征在于，該光線經過該第二透鏡組后的焦點位于該待測面。
8.根據權利要求6所述的表面測量方法，其特征在于，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后聚焦于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后聚焦于該平凸透鏡與該分光鏡之間。
9.根據權利要求6所述的表面測量方法，其特征在于，該光線經過該多個光纖束后入射至該第一透鏡組的入射面積等于或小于該第一透鏡組的入光面的面積。
10.根據權利要求6所述的表面測量方法，其特征在于，該光線經過該分光鏡后入射至該第二透鏡組的入射面積等于或小于該第二透鏡組的入光面的面積。
11.根據權利要求6所述的表面測量方法，其特征在于，于計算該測量影像的該多個影像點的光強度比的該步驟中還包括將各該多個影像點的紅光強度除以對應的綠光強度以取得各該多個影像點的光強度比。
12.—種表面測量的校正方法，其特征在于，包括一光源發射一光線，該光線依序通過多條光纖束、一第一透鏡組、一分光鏡及一第二透鏡組至一樣本面后，反射經該第二透鏡組至該分光鏡后再反射至一影像感測單元，其中該第一透鏡組用以聚焦并分光該光線；該影像感測單元擷取反射自該分光鏡的該光線的一樣本影像；以及計算該樣本影像的多個影像點的光強度比，以得到一深度-光強度比關系線。
13.根據權利要求12所述的表面測量的校正方法，其特征在于，于計算該樣本影像的該多個影像點的光強度比的該步驟中還包括應用最小二乘法計算出該樣本影像的該多個影像點的該深度-光強度比關系線。
14.根據權利要求12所述的表面測量的校正方法，其特征在于，于計算該樣本影像的該多個影像點的光強度比的該步驟中還包括正規化該樣本影像的各該多個影像點的光強度。
15.根據權利要求12所述的表面測量的校正方法，其特征在于，于計算該樣本影像的該多個影像點的光強度比的該步驟中還包括將一第一深度范圍內的各該多個影像點的紅光強度除以對應的綠光強度，以得到該深度-光強度比關系線的一部分；以及將一第二深度范圍內的各該多個影像點的綠光強度除以對應的藍光強度，以得到該深度-光強度比關系線的另一部分。
全文摘要
一種表面測量裝置及其的測量方法及校正方法。表面測量方法包括以下步驟。首先，一光源發射一光線，光線依序通過一光纖管內的多條光纖束、一第一透鏡組、一分光鏡及一第二透鏡組至一待測面后，反射經第二透鏡組至分光鏡后再反射至一影像感測單元。其中第一透鏡組用以聚焦并分光光線；影像感測單元擷取光線的一測量影像。接著，計算測量影像的多個影像點的光強度比。然后，將每個影像點的光強度比與一深度-光強度比關系線進行對比，以取得每個影像點的深度。
文檔編號G01B11/30GK102297665SQ20101021437
公開日2011年12月28日 申請日期2010年6月25日 優先權日2010年6月25日
發明者林宏彝, 范光照, 陳亮嘉, 陳來毅, 黃順洋 申請人:中國機械工程學會, 財團法人工業技術研究院