专利名称：利用光学偏振特性的三维显微共焦测量系统与方法
技术领域：
本发明涉及一种表面形貌测量技术，尤其是指一种利用共焦方式以测量物体表面 形貌的一种三维显微共焦测量系统与方法。
背景技术：
随着纳米机电系统(Nano/Micro-electromechanical system, NMEMS)技术的成 熟，工业界对于微细元件检测的需求不断提高，测量设备与技术也不断的创新。现有的接触 式或是非接触式测量方法，已无法满足市场对于高精度与快速检测的需求。再者，由于产业 在近几年不断的转型，各种生产设备，如自动化光学检测设备等的需求量也越来越大，相 较于传统使用人工检测的方式，经由机器辅助来进行自动化的视觉检测，可有效提升整体 生产线效率与质量。观察近年来的测量技术发展，共焦显微术为显微领域中获得蓬勃发展与广泛的 应用，乃因此项技术具备良好的光学切片能力以及空间分辨率等优点，其测量基本原理乃 以光学扫描方式，获得物体不同高度的平面图像，通过过滤失焦信号，保留聚焦信号信息方 式，再经由计算机软件进行重建以形成三度空间立体图像。例如中国台湾公告专利第1291013所揭露的一种数字结构光微三维共焦表面轮 廓测量系统与方法，其介由光学投影机产生一沿水平与垂直方向正弦变化的数字结构光图 案，再投射至待测物表面，然后由该图像感测单元提取该待测物表面反射信号，并将提取的 信号传输至该主控制单元，进行分析图像点的聚焦指针值，以推算出待测物的三维高度，进 而获得待测物表面精确的三维轮廓信息。另外，又如美国专利US. Pat. No. 6，838，650所揭露的一种共焦图像装置，其是利 用微透镜阵列与针孔阵列组合分束装置，当接收由物体反射的反射光时，微阵列透镜的设 计使得每一个微透镜皆对应到不同深度的位置，以判断物体的表面高度。此外，如美国专利 US. Pat. No. 5，880，844所揭露的一种混合共焦显微装置，其是结合光学以及图像处理技术， 利用多个光学路径的设计，使得对应不同深度的图像传感器可以提取到光信号，进而根据 图像处理的技术，来区别不同光学路径的图像提取装置提取到的图像特征而判断出物体的 形貌。
发明内容
在一实施例中，本发明提供一种三维显微共焦测量方法，其包括下列步骤提供通 过一具有图案的线性偏振结构光；将该具有图案的线性偏振结构光投射至一物体上以形成 具有多个聚焦信息的结构光；对该物体进行一垂直扫描；于该垂直扫描过程中，以一具有 线性偏振调整的图像提取模块，提取该具有多个聚焦信息的结构光，以形成一系列光学图 像；以及分析该系列光学图像，以重建该物体的表面形貌。在另一实施例中，本发明还提供一种三维显微共焦测量系统，包括一偏振结构光 模块，其是提供一具有图案的线性偏振结构光；一显微物镜模块，其是将该具有图案的线性偏振结构光投射至一物体上，以形成具有多个聚焦信息的结构光；一具有线性偏振调整的 图像提取模块；以及一控制单元，其是控制一位移装置以产生一垂直扫描动作，以使该图像 提取模块，提取该具有多个聚焦信息的结构光以形成一系列光学图像，该控制单元还对该 系列光学图像进行处理，以重建该物体的表面形貌。
图IA为本发明的三维显微共焦测量方法流程示意图。图IB为本发明重建物体表面形貌流程示意图。图2A为黑白棋盘式的结构光示意图。图2B至图2C为本发明的其它形式结构光示意图。图3A为关于一物体表面具有结构光图案的光学图像示意图。图3B为本发明的遮罩示意图。图4(a)至图4(f)为垂直扫描过程中，不同深度时所具有的光学图像聚焦示意图。图5A为系列图像中相对应的遮罩示意图。图5B为聚焦深度反应曲线示意图。图6为本发明的三维显微共焦测量方法流程示意图。图7A为具有图案的结构光在图像感测单元所具有的图像感测元件(CCD或CMOS) 感测示意图。图7B为结构光漂移后图案与感测元件关系示意图。图8(a) 图8(f)为结构光图案偏移前后的聚焦指标值关系示意图。图9A与图9B为经过漂移结构光后所形成的聚焦指标值分布示意图。图10为本发明的三维显微共焦测量系统示意图。图11为本发明另一光栅元件实施例示意图。图12为标准块示意图。图13(a)至图13(f)为垂直扫描所形成的系列光学图像示意图。图14为未使用线性偏振元件所得到的测量形貌示意图。图15为具有干扰性反射结构光信号所形成的聚焦深度反应曲线示意图。图16 (a)与图16 (b)分别为未使用线性偏振元件以及使用线性偏振元件所得到的 光学图像示意图。图17为使用两片线性偏振元件所得的聚焦深度反应曲线示意图。图18为使用线性偏振元件所得到的测量形貌示意图。主要元件符号说明2-三维显微共焦测量方法20 24-步骤240 243-步骤3-三维显微共焦测量方法30 35-步骤4-感测元件40-感测像素元件
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41-结构光的图案5-三维共焦测量系统50-偏振结构光模块500-发光单元501-平凸透镜502-第一线性偏振元件503-光栅元件504-驱动平台505-双凸透镜51-显微物镜模块510-光学镜组5100-双凸透镜5101-分光元件511-物镜512-线性位移驱动元件52-具有线性偏振调整的图像提取模块520-图像感测单元521-第二线性偏振元件53-控制单元54-物体55-移动平台6-光栅元件60 64-区域90-遮罩91-垂直扫描方向92-剖面93-位置94-区域
具体实施例方式为能对本发明的特征、目的及功能有更进一步的认知与了解，下文特将本发明的 装置的相关细部结构以及设计的理念原由进行说明，以使得审查委员可以了解本发明的特 点，详细说明陈述如下本发明提供一种三维显微共焦测量系统与方法，其针对测量具高透明度与大倾斜 角度的微结构表面形貌，本装置以具有图案的结构光光栅片投射技术来增加待测物的高频 信息，并结合聚焦形貌测量原理，进行全域式测量。本发明提供一种三维显微共焦测量系统与方法，当测量倾斜角度增加时，由图像 感测单元所接收到的反射光强度以及图像中结构光的对比将相对减弱，本装置利用高数值 光圈(numerical aperture,ΝΑ)的物镜以及不同周期的结构光图案，配合结构光漂移方法，以有效增加可测量的倾斜角度范围以及测量的分辨率。本发明提供一种三维显微共焦测量系统与方法，其用于测量具V型角的微结构元 件表面时，当进行垂直扫描接近V型角微结构底部时，常出现一干扰性全反射结构光图像， 此严重影响到测量信号的信噪比，容易造成聚焦反应曲线的误判。因此通过本发明使用两 片线性偏振片，使干扰性信号影响降至最低，以有效地重建其三维表面轮廓形貌，获得物体 精确的三维形貌几何信息。请参阅图1A所示，该图为本发明的三维显微共焦测量方法流程示意图。在本实施 例中，该共焦测量方法2包括有下列步骤首先以步骤20提供通过一具有图案的线性偏振 结构光。在步骤20中，主要是将光源通过线性偏振元件，以产生偏振光，然后将偏振光投射 至具有图案的光栅元件上，以形成该具有图案的结构光。该光栅元件上的图案可为条纹式、 弦波式或者是棋盘式的图案，但不以此为限。在本实施例中，该结构光的图案为周期性的黑 白结构图案，例如如图2A所示的结构光为黑白棋盘式的结构光，其中该图案的周期P可根 据测量需要而有所改变。至于周期P的大小，为根据测量物体表面分辨率的需要而定。此 外，如图2B与图2C所示，该图分别为本发明的其它形式结构光示意图。在图2B中，其结构 光是属于条纹式结构光，而在图2C中，其结构光属于sin弦波式结构光。产生具有图案的 偏振结构光方式，可以利用数字光投射(Digital LightProjector, DLP)或者是硅基液晶 (Liquid crystal on silicon,LC0S)的数字微镜阵列投射元件，将结构光投射至线性偏振 元件以产生具有图案的偏振结构光。接着进行步骤21将该具有图案的线性偏振结构光投射至一物体上以形成具有多 个聚焦信息的结构光。然后以步骤22对该物体进行一垂直扫描。接着进行步骤23，于该 垂直扫描过程中，以一具有线性偏振调整的图像提取模块，提取该具有多个聚焦信息的结 构光，以取得一系列光学图像。在本步骤中，该图像提取模块主要是由图像感测单元以及线 性偏振元件所构成。图像提取时，可根据不同尺寸大小的物体，调整测量景深与测量范围， 以适应不同待测物的测量需求。进行垂直扫描时，先决定关于该物体的初始扫描位置，并改 变扫描的深度位置以对物体进行深度扫描。然后再由图像感测单元提取该物体在不同深度 的扫描位置下，物体的表面因距离物镜位置的不同所形成的不同聚焦程度的图像，而形成 该系列的光学图像。此外，在垂直扫描过程中，还包括有可以调整产生偏振结构光的偏振元 件以及图像提取模块的线性偏振元件间的偏振夹角，以消除由物体上所产生的干扰性结构 光。得到该系列的光学图像之后，再以步骤24分析该系列光学图像，以重建该物体的 表面形貌。请参阅图1B所示，该图为本发明重建物体表面形貌流程示意图。在本实施例 中，该流程首先以步骤240对每一张图像中关于每一像素的一遮罩进行演算以得到该系列 图像中的每一图像中的每一像素所具有的聚焦指标值。请参阅图3A所示，该图为关于一物 体表面具有结构光图案的光学图像示意图。在该图像中可以由图像中的每一个像素向外扩 张而定义出多个遮罩90，每一个遮罩的大小可以根据需要而定，并没有一定的限制。如图 3B所示，该遮罩90的中心为要求得聚焦指标的像素901，而周围则为遮罩90所涵盖的其它 像素902。一般而言，该遮罩90的大小为奇数个像素所构成的正方大小例如在一实施例 中，该遮罩的大小为3x3个像素所形成的区域或5x5像素所形成的区域。在本实施例中，为 3x3像数所形成的区域大小。
以下说明聚焦深度反应曲线的数学推导，由于图像失焦为一低通滤波的过程，因 此当图像具备足够的高频信息时，其意谓着可提供出较多的细节信息以供测量，而一个良 好的聚焦指标值运算子，则须具备良好的辨别能力，区分出高、低频间的信息变化。一个作 为高通滤波器的方法是评估图像的二阶导数，对二维图像而言，拉普拉斯(Laplacian)运 算子可表示为式(1)所示
r 一 一 52/ 3 其中I(x，y)为图像点的强度值。然而在求取图像中的特征时，拉普拉斯运算子将 碰到一个问题当拉普拉斯运算子求取二阶导数时，χ与y两方向的正负号不同，将产生互 相抵销的情形，因此以改良型的拉普拉斯运算子，如式(2)所示解决此问题 通常将拉普拉斯运算子以离散的方式表示成一 3x3的遮罩，但为了符合需求以及 图像的特征尺寸，可以调整计算范围如式(3)所示 因此，图像中每一像素的聚焦评估值即为拉普拉斯运算子的总和，如式4所示
i+N j+N 其中T1为阀值，目的为过滤背景的噪声，N为计算范围的大小。而在步骤240中所谓的聚焦指标值则代表每一图像中的每一个像素的聚焦状态。 请参阅图4(a)至图4(f)所示，该图为垂直扫描过程中，不同深度时所具有的光学图像聚焦 示意图。由图4(a)至图4(f)可以看出，对于物体上一特定位置而言，随着垂直扫瞄位置的 不同，其聚焦清晰度也会改变，在整个垂直扫描的过程中，系列图像呈现失焦一聚焦一失焦 的聚焦状态。图4的系列图像中，以图4(d)的图像最清楚。求得每一张光学图像中的每一个像素所具有的聚焦指标值之后，接着进行步骤 241，根据将每一张图像中相对应的像素所具有的聚焦指标值而建立关于该像素的聚焦深 度反应曲线。相对应的像素共同对应到物体上的一图像感测单元。请参阅图5A与图5B所 示，其中图5A为系列图像以及相对应的遮罩的关系示意图，而图5B则为聚焦深度反应曲线 示意图。图5A代表随着垂直扫描方向91所产生的对应不同扫描深度的光学图像92a 92e (图中仅以五张图代表)，而每一个图像92a 92e内还具有多个关于像素921a 921e 的遮罩920a 920e，每一个遮罩中的中心像素921a 21e都会有一聚焦指标值。以该系 列光学图像92a 92e中相互对应的遮罩920a 920e为例，根据前述的式(1)至(4)可 以求得遮罩范围内中关于中心像素921a 921e的聚焦指标值，然后将其聚焦指针值与扫 描深度位置相对应，即可得到如图5B的聚焦深度反应曲线。在图5B中的曲线是由多张光 学图像中相互对应的像素所具有的聚焦指标值所形成的聚焦深度反应曲线，再经过正规化 而得的正规化强度与扫描深度位置关系曲线图，其中曲线上的位置a，b，c, d，e则分别为图 5A中的像素921a 921e所具有的经过正规化的聚焦指标值。
在一连串不同聚焦程度的图像系列中，利用形成聚焦深度反应曲线的评估，求出 曲线中最大的峰值(Peak)，即图像中一点的实际高度值。图5B为一典型的聚焦深度反应曲 线(D印th Response Curve，DRC)，横坐标代表深度扫描的不同深度位置，纵坐标为正规化 后的强度值，其代表待测物上一点沿着深度扫描方向的聚焦指针值。因此，聚焦深度反应曲 线的峰值即为高频信息最强处，也代表待测物实际高度值。得到聚焦深度反应曲线之后，再进行步骤242，寻找每一聚焦深度反应曲线的峰 值。每一个峰值都可以对应到一个深度位置。例如，对于图5B中的聚焦深度反应曲线中所 具有的峰值其所对应到的位置为7. 9 y m。由于系列光学图像中每一张光学图像中相对应的 像素所形成的聚焦深度反应曲线的峰值都可以得到一个位置值，亦即该物体的真实表面高 度值，因此，最后再利用步骤243将每一个位置值组合即可得到该物体的表面形貌。请参阅图6所示，该图为本发明的三维显微共焦测量方法流程示意图。在本实施 例中，该方法3的步骤30 33与35基本上与图1A的流程相似，所差异的是，本实施例的步 骤35具有漂移该结构光，然后再对物体进行一次垂直扫描以提取另一系列光学图像，通过 至少一次以上漂移该结构光特定的距离，可以增加解析物体表面形貌的分辨率。由于结构 光有效测量点仅为图案的黑白交界处的高频信息区，因此当结构光投射至物体而被图像感 测单元提取图像时，在特定位置的像素并不会刚好有黑白交界处的高频信息区的信号。因 此，在后续还原物体表面形貌的过程中，没有感测到高频信号的像素所对应到的图像位置 就无法得到高度值。例如图7A所示，其为具有图案的结构光在图像感测单元所具有的图像 感测元件(CCD或CMOS)感测示意图。感测元件4中具有多个感测像素元件40，而结构光的 图案41 (图中仅显示单一周期的图案)，被图像感测元件40所感测时，可以发现图案的边界 是对应到特定的像素，但是在图案41中间区域所对应到的像素i，则会无法感测到高频信 息区，使得后来的形貌还原时无法得到物体的表面高度位置信息。请参阅图8所示，其中图8 (a)代表第一次未偏移的结构光图案，图8 (b)代表结构 光图案的剖面92所具有的信号示意图，而图8(c)代表经过聚焦指标值。根据图8(c)所示 的结果，可以发现位置93所具有的结构光图案，并没有得到对应的聚焦指标值，因此即使 经过深度扫描的程序，还是无法得到对应的聚焦指标值(如图8(c)的区域94)，进而无法还 原出结构光图案在位置93所具有的表面形貌。因此，图6的流程通过步骤33的偏移结构光图案，如图7B所示，则图案边界即可 通过偏移距离d而使得像素i可以感测到高频信号。请参阅图8(d)、图8(e)与图8(f)，其 中在图8(d)中为将结构光偏移一特定距离示意图，图8(e)为偏移后结构光剖面92所具有 的光信号示意图。根据图8(d)的结果，可以了解位置93已经具有高频信号的变化，因此， 在图8(f)中，区域94已经具有聚焦指标值。经过图8(f)与图8(c)的组合可以形成图9A 的聚焦指标值分布，其为漂移结构光图案一次所形成的聚焦指标值分布示意图。当然，亦可 通过漂移的次数来增加分辨率，例如图9B所示，其为经过漂移两次所形成的聚焦指标值分 布。根据图9B的结果，可以发现有聚焦指针值的位置增加，因此可以增加将来物体表面形 貌还原的分辨率。本发明提出利用漂移的结构光图像原理，以提升投影高频结构光信息，可在测量 表面上增加棋盘式结构光于全白与全黑无高频信号的区域，大幅增加结构光所形成图像的 高频信息，因此有效解决目前测量方法在测量空间解析不足的问题。结构光漂移的次数限制在于移动的像素在一个全黑或全白的周期内。当漂移次数增加，空间分辨率相对提高。此 外，在图IA的流程以及图6的流程中还可以包括改变该结构光的图案周期以改变测量物体 表面形貌分辨率。请参阅图10所示，该图为本发明的三维显微共焦测量系统示意图。该三维共焦测 量系统5包括，一偏振结构光模块50、一显微物镜模块51、具有线性偏振调整的图像提取模 块52以及一控制单元53。该结构光模块50，其提供一具有图案的偏振性结构光。在本实施 例中，该结构光模块50还具有一发光单元500、一平凸透镜501、一第一线性偏振元件502、 一光栅元件503以及一双凸透镜505。该发光单元500，其提供一光源，该光源经由光纤而 导引至该平凸透镜501。该平凸透镜将该光源调制成平行光经过该第一线性偏振元件502 而形成偏振光。该光栅元件503，其设置于一驱动平台504上，以将该偏振光调制成该具有 图案的偏振结构光，其中该驱动平台504还与该控制单元53偶接，该驱动平台504可根据 该控制单元53发出的信号，控制该光栅元件503进行至少一维方向的线性位移运动(X轴、 X与Y轴或者是X、Y与Z轴的组合)，以改变该光栅元件503的位置，而使具有图案的结构 光产生偏移。在本实施例中，该光栅元件503上具有如图2A所示的具有周期性的图案的光 栅元件，其具有条纹式、弦波式或者是棋盘式的图案，以将该光源调制成棋盘式图案的结构 光。双凸透镜505将该线性偏振光聚焦于该显微物镜模块51上。在另一实施例中，如图11 所示，该图为本发明另一光栅元件实施例示意图。图11的光栅元件6具有四个不同周期图 案的区域60 64。通过驱动平台控制光栅元件的移动，以可产生不同周期图案的结构光。该显微物镜模块51，其将该具有图案的线性偏振结构光投射至一物体上，以形成 具有多个聚焦信息的结构光。该显微物镜模块51，其还具有一光学镜组510以及一物镜 511。该光学镜组510，其具有多个光学元件，其由多个双凸透镜5100以及一分光元件5101 所构成。该物镜521，其设置于该分光元件5101与该物体54之间，该物镜511还偶接有一 线性位移驱动元件512，例如压电元件，其与该控制单元53电讯连接，以驱动该物镜511 进行该垂直位移运动而对物体54进行扫描。该物体54设置于一移动平台55上，该移动平 台55亦可接收控制单元53的控制信号控制该物体54进行至少一维度的运动。该具有线性 偏振调整的图像提取模块52，其包括有一图像感测单元520以及一第二线性偏振元件521。 该图像感测单元520感测通过该第二线性偏振元件521的该具有多个聚焦信息的结构光以 形成一系列光学图像。该图像感测单元520可为CCD图像感测单元或者是CMOS感测单元。 该控制单元53，其控制该物镜511进行一垂直位移运动以使该图像提取模块52提取关于该 物体的系列光学图像，该控制单元53还可执行图IA与图6的表面形貌重建流程对该系列 光学图像进行处理以重建该物体的表面形貌。本发明的架构下，利用调整第一与第二线性偏振元件502与521的偏振夹角以克 服干扰性反射结构光信号所造成的影响。以下先说明干扰性反射结构光的问题。以表面光 滑倾斜角度45°的V型槽标准块进行测量系统的校验工作，该标准块如图12所示。测量 时，投射的结构光大小为30*30 (μ m2)，扫描条件为物镜倍率x50 (NA = 0. 95)，垂直扫描间 距0. 2 ( μ m)，扫描张数共170张，垂直扫描的部分图像如图13 (a)至图13 (f)所示。当垂直 扫描接近底部时，出现一干扰性结构光信号，此干扰性结构光信号对比强烈，造成聚焦反应 曲线峰值的误判，严重影响3D形貌重建的结果，测量形貌如图14所示。会形成这样的干扰 主要是当测量倾斜角度增加，以全域式测量，作深度扫描时，在扫描接近底部所获得的图像会出现一干扰性反射结构光信号，如图13(f)所示，此信号的出现，产生了跟以往不同的聚 焦反应曲线，如图15所示，又因此反射信号强度强，压抑了原本真实信号的峰值的强度，可 能造成峰值的误判，进而严重图像3D形貌重建的结果。在得知是因为在垂直扫描接近底部时，干扰性结构光信号的对比强烈，而造成聚 焦反应曲线的误判后，本发明提供调整两线性偏振元件502与521的偏振夹角，以改变此反 射信号的偏振性，将上述影响降至最低。图16(a)为扫描接近底部的图像，此图像为一整面 的干扰性反射结构光信号，图16(b)为搭配线性偏振片所获得的图像。再经过聚焦指标值 计算后，所得到的聚焦深度反应曲线，如图17所示，与图15比较，可以发现改变反射信号的 偏振态后，假信号的强度被降低了，将不再误判原有的峰值位置。最后经过表面重建之后得 到如图18的状态，从图18可以发现搭配两片线性偏振元件所还原的3D形貌，与图14相比， 图18的三维形貌重建的可靠性明显的改善许多。以上所述，仅为本发明的实施例，当不能以的限制本发明范围。即大凡依本发明申 请专利范围所做的均等变化及修饰，仍将不失本发明的要义所在，亦不脱离本发明的精神 和范围，故都应视为本发明的进一步实施状况。
1权利要求
一种利用光学偏振特性的三维显微共焦测量方法，其特征在于，包括下列步骤提供通过一具有图案的线性偏振结构光；将该具有图案的线性偏振结构光投射至一物体上以形成具有多个聚焦信息的结构光；对该物体进行一垂直扫描；于该垂直扫描过程中，以一具有线性偏振调整的图像提取模块提取该具有多个聚焦信息的结构光，以形成一系列光学图像；以及分析该系列光学图像，以重建该物体的表面形貌。
2.如权利要求1所述的利用光学偏振特性的三维显微共焦测量方法，其特征在于，该 具有图案的线性偏振结构光为条纹式、弦波式或者是棋盘式结构光。
3.如权利要求1所述的利用光学偏振特性的三维显微共焦测量方法，其特征在于，还 包括有偏移该线性偏振结构光的一步骤。
4.如权利要求3所述的利用光学偏振特性的三维显微共焦测量方法，其特征在于，偏 移的范围是介于该图案的周期范围内。
5.如权利要求1所述的利用光学偏振特性的三维显微共焦测量方法，其特征在于，产 生该具有图案的线性偏振结构光还具有下列步骤提供一光源；以及使该光源经过一第一线性偏振元件以及具有该图案的一光栅元件而形成该线性偏振 结构光。
6.如权利要求5所述的利用光学偏振特性的三维显微共焦测量方法，其特征在于，该 线性偏振结构光还通过一第二线性偏振元件，该第一线性偏振元件与该第二线性偏振元件 之间具有一偏振夹角。
7.如权利要求5所述的利用光学偏振特性的三维显微共焦测量方法，其特征在于，该 光栅元件为具有条纹式、弦波式或棋盘式图案的光栅元件。
8.如权利要求1所述的利用光学偏振特性的三维显微共焦测量方法，其特征在于，产 生该具有图案的线性偏振结构光是利用数字微镜阵列投射元件产生。
9.如权利要求1所述的利用光学偏振特性的三维显微共焦测量方法，其特征在于，重 建该物体的表面形貌还包括有下列步骤对每一张图像中关于每一像素的一遮罩进行演算以得到该系列图像中的每一图像中 的每一像素所具有的聚焦指标值；根据将每一张图像中相对应的像素所具有的聚焦指标值而建立关于该像素的聚焦深 度反应曲线；寻找每一该聚焦深度反应曲线的峰值；以及根据每一峰值所对应的位置而重建该物体的表面形貌。
10.如权利要求1所述的利用光学偏振特性的三维显微共焦测量方法，其特征在于，还 包括改变该图案周期的一步骤。
11.一种利用光学偏振特性的三维显微共焦测量系统，其特征在于，包括一偏振结构光模块，其提供一具有图案的线性偏振结构光；一显微物镜模块，其将该具有图案的线性偏振结构光投射至一物体上，以形成具有多个聚焦信息的结构光；一具有线性偏振调整的图像提取模块；以及一控制单元，其控制一位移装置以产生一垂直扫描动作，以使该图像提取模块提取该 具有多个聚焦信息的结构光以形成一系列光学图像，该控制单元还对该系列光学图像进行 处理，以重建该物体的表面形貌。
12.如权利要求11所述的利用光学偏振特性的三维显微共焦测量系统，其特征在于， 该偏振结构光模块还具有一发光单元，其提供一光源；一第一线性偏振元件，其偏振化该光源；以及一光栅元件，其将该偏振化光源调制成该具有图案的线性偏振结构光。
13.如权利要求12所述的利用光学偏振特性的三维显微共焦测量系统，其特征在于， 该光栅元件为具有条纹式、弦波式或棋盘式图案的光栅元件。
14.如权利要求12所述的利用光学偏振特性的三维显微共焦测量系统，其特征在于， 该光栅元件还偶接有与该控制单元偶接的一线性驱动平台，该线性驱动平台可根据该控制 单元发出的信号控制该光栅元件进行至少一维方向的线性位移运动，以改变该光栅元件的 位置而使具有图案的线性偏振结构光产生偏移。
15.如权利要求14所述的利用光学偏振特性的三维显微共焦测量系统，其特征在于， 偏移的范围介于该图案的周期范围内。
16.如权利要求11所述的利用光学偏振特性的三维显微共焦测量系统，其特征在于， 该显微物镜模块还具有 >一光学镜组，其具有多个光学元件；以及一物镜，其设置于该光学镜组与该物体之间，该物镜还偶接有该位移装置，其与该控制 单元电讯连接，以驱动该物镜进行该垂直扫描动作。
17.如权利要求11所述的利用光学偏振特性的三维显微共焦测量系统，其特征在于， 该具有线性偏振调整的图像提取模块，还包括有一第二线性偏振元件以及一图像感测单兀。
18.如权利要求11所述的利用光学偏振特性的三维显微共焦测量系统，其特征在于， 该控制单元是对每一张图像中关于每一像素的一遮罩进行演算以得到该系列图像中的每 一图像中的每一像素所具有的聚焦指标值，然后根据将每一张图像中相对应的像素所具有 的聚焦指标值，而建立关于该像素的聚焦深度反应曲线，再寻找每一该聚焦深度反应曲线 的峰值，最后根据每一峰值所对应的位置，而重建该物体的表面形貌。
19.如权利要求11所述的利用光学偏振特性的三维显微共焦测量系统，其特征在于， 该偏振结构光模块可产生不同周期图案的结构光。
20.如权利要求11所述的利用光学偏振特性的三维显微共焦测量系统，其特征在于， 该物体设置于与该位移装置偶接的一承载台上，以进行该垂直扫描动作。
全文摘要
本发明提供一种利用光学偏振特性的三维显微共焦测量系统与方法，其是通过光栅片产生具有图案的结构光，再配合偏振片元件与结构光漂移步骤结合聚焦形貌测量原理，以提取关于一物体对应不同深度的一系列光学图像。接着利用取得每一光学图像中所具有的多个像素所分别具有的聚焦指标值，以形成对应每一像素所具有的聚焦反应曲线。最后求得每一像素的聚焦反应曲线峰值并根据每一峰值所对应的深度予以重组，以得到关于该物体的形貌特征。
文档编号G01B11/25GK101929850SQ20101010596
公开日2010年12月29日 申请日期2010年1月25日 优先权日2009年6月26日
发明者张奕威, 王浩伟, 郭世炫, 陈亮嘉, 陈圣涵 申请人:财团法人工业技术研究院;陈亮嘉