专利名称：彩色共焦显微系统及其信号处理方法
技术领域：
本发明为一种彩色共焦显微技术，由其是指一种彩色共焦显微系统及其信号处理方法。
背景技术：
传统的彩色共焦显微系统，一般是架设于桌面上以进行垂直或横向扫描来检测待测物的表面形貌。由于系统体积大与占用空间的问题容易造成不便，对于待测物若是角度过大或是体积庞大的话，以桌上型的结构要进行量测将有其限制性。例如欲量测大型8英寸晶片上所形成的大型集成电路(large scale integration, LSI)晶片的凸块高度,碍于机型结构无法即时变更，因而大幅地减少其实用性。现有技术中，如美国公开US.Pub.N0.2004/0051879则揭露一种共焦位移感测器，以量测待测物的表面形貌。在该技术中，分别利用两组光源产生侦测光，然后利用两组导光元件分别导引侦测光而投射至待测物上，由待测物上反射的面测物光则分别再经该两组导光元件，而分别由每一组导光元件所对应的感测器接收。另外，现有技术中有利用色彩感测单元来感测待测物表面的色彩强度比例，进而根据该色彩强度比例以及深度关系曲线进行演算而得到对应该色彩强度比例的表面深度。然而，在该技术中，会面临到的问题是随着待测物表面对RGB三颜色的反射率不同，而需要建立对应不同颜色反射率的深度关系曲线，因此对于检测人员而言是相当不便。此外，由于现有技术中接收物光的结构多半利用狭缝的结构，因此常与失焦光和杂散光重迭而产生横向干扰(cross talk)的无用信息，因此丧失了影像解析效果。综合上述，因此亟需一种彩色共焦显微系统及其信号处理方法来解决公知技术所产生的问题。
发明内容
本发明提供一种彩色共焦显微系统，其具有一组色彩感测单元，利用色彩感测单元对于感测的滤波光焦距的摆设位置差异，使得该组色彩感测单元对于待测物上的同一位置的面测物光有不同的强度响应，再藉由不同强度响应的光强度的比例以克服待测物对于不同颜色的待测物有不同颜色反射率的问题。本发明提供一种彩色共焦显微系统，其具有可以将侦测光调制成线或面侦测光的第一光纤模块以及与该第一光纤模块共轭对应且对关于该线或面侦测光所形成的线或面测物光进行空间滤波而产生滤波光的一第二光纤模块，接收测物光的光纤模块内每一条光纤将滤除失焦光和杂散光，只允许聚焦光通过，因此可以避免因光点重迭而产生横向干扰的无用信息，使得本发明的系统不仅可取得待测物的表面轮廓资讯，同时具有单点共焦的高解析效果。本发明提供一种彩色共焦显微系统的信号处理方法，其建立关于该系统的深度关系曲线，然后再根据待测物所反射的线或面测物光于一组色彩感测单元所得到的强度响应根据该深度关系曲线而得到线或面测物光所对应的待测物表面所具有的表面形貌。本发明提供一种彩色共焦显微系统及其信号处理方法，其利用一次照射的情况下，经过滤波以及色彩感测单元以得知待测物表面所含有的颜色比例资讯，再根据深度关系曲线，即可得知待测物表面上对应每一个彩色感测单元的像素的位置所具有的表面深度，使得本发明的彩色共焦显微系统可以对待测物进行有大面积的检测，以缩短检测所需的时间以及减少在检测过程中，振动所造成的影响。在一实施例中，该彩色共焦显微系统，包括一光源模块，其提供一线或面侦测光；一色散物镜，其使该线或面侦测光产生轴向色散以形成多个聚焦至不同深度的子光场，该多个子光场经由一待测物反射而形成一线或面测物光；一聚光与分光模块，其将该线或面测物光分成一第一测物光以及一第二测物光；一组色彩感测单元，其分别感测该第一测物光以及该第二测物光，而分别产生聚焦位置相互偏移的两组三色光强度信号，其中一组三色光强度信号包含有一第一红光强度信号、一第一绿光强度信号与一第一蓝光强度信号，而另一组三色光强度信号则包含有一第二红光强度信号、一第二绿光强度信号与一第二蓝光强度信号；以及一信号处理单元，其分别对该组色彩感测单元所感测到的该第一红光、该第一绿光与该第一蓝光强度信号以及该第二红光、该第二绿光与该第二蓝光强度信号进行反折积运算消除横向干扰，该信号处理单元再对消除完横向干扰的该第一红光、该第一绿光与该第一蓝光强度信号以及该第二红光、该第二绿光与该第二蓝光强度信号进行演算，以得到一红光正规化聚焦比例指标、一绿光正规化聚焦比例指标以及一蓝光正规化聚焦比例指标。在另一实施例中，本发明提供一种彩色共焦显微系统的信号处理方法，其包括有下列步骤:提供一彩色共焦显微系统，其具有一色散物镜以及一组色彩感测单元；建立关于该彩色共焦显微系统的一深度关系曲线；利用该色散物镜使一线或面侦测光产生轴向色散以形成多个聚焦至不同深度的子光场，该多个子光场经由一待测物反射而形成一线或面测物光；将该线或面测物光分成一第一测物光以及一第二测物光，并使该第一测物光以及该第二测物光分别聚焦至一聚焦焦点；以该组色彩感测单元分别撷取关于该第一测物光以及该第二测物光，而分别产生聚焦位置相互偏移的两组三色光强度信号，其中一组三色光强度信号包含有一第一红光强度信号、一第一绿光强度信号与一第一蓝光强度信号以及另一组三色光强度信号包含有一第二红光强度信号、一第二绿光强度信号与一第二蓝光强度信号；分别以反折积演算法消除该组色彩感测单元所感测到的该第一红光、该第一绿光与该第一蓝光强度信号以及该第二红光、该第二绿光与该第二蓝光强度信号的横向干扰；对消除完横向干扰的该第一红光、该第一绿光与该第一蓝光强度信号以及该第二红光、该第二绿光与该第二蓝光强度信号进行演算，以得到一红光正规化聚焦比例指标、一绿光正规化聚焦比例指标以及一蓝光正规化聚焦比例指标，再由该红光正规化聚焦比例指标、该绿光正规化聚焦比例指标以及该蓝光正规化聚焦比例指标选出一最大比例指标；以及根据该深度关系曲线以及该最大比例指标决定出该待测物表面位置的高度。本发明的有益功效在于:彩色共焦显微系统可以避免因光点重迭而产生横向干扰的无用信息，使得本发明的系统不仅可取得待测物的表面轮廓资讯，同时具有单点共焦的高解析效果。另外，由于本发明的彩色共焦显微系统的信号处理方法是将线或面侦测光，经由待测物反射以形成线或面测物光，再对该线或面测物光进行分析，因此可以在一次照射的情况下即可得知待测物表面上对应每一个彩色感测单元的像素的位置所具有的表面深度，进而快速建立出待测物的表面形貌。以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图1A为本发明的彩色共焦显微系统第一实施例示意图；图1B为本发明的彩色共焦显微系统第二实施例示意图；图1C与图1D为DMD结构与控制反射光示意图；图2A与图2B为本发明的第一光纤模块的光纤接口单元剖面示意图；图2C为本发明的第一光纤模块的光纤接口单元另一实施例示意图；图3A与图3B为第一光纤模块与第二光纤模块的共轭关系示意图；图3C图3C为线形第一光纤模块与线形第二光纤模块的共轭关系示意图；图4A与图4B为本发明的彩色感测单元不同配置位置示意图；图5为本发明的彩色共焦显微系统信号处理方法流程示意图；图6A与图6B为本发明的建立深度关系曲线流程示意图；图7为第一校正滤波光与第二校正滤波光所含的光强度信号示意图；图8A与图SB为本发明对应不同色彩感测单元所具有的校正红光强度曲线以及深度关系曲线示意图；图8C为红光、绿光以及蓝光的深度关系曲线示意图；图8D为本发明的对应单一色光的深度关系曲线另一实施例不意图；图SE为本发明的红光、绿光以及蓝光的深度关系曲线另一示意图；图8F与图8G为本发明将线性深度关系曲线段重组以形成大范围的深度关系曲线示意图；图9为本发明的彩色共焦显微系统信号处理方法另一流程示意图；图10为扩散函数示意图；图11为反折积运算示意图；图12为反折积运算的实际影像处理示意图；图13为(XD感测器中每一个感测像素的横向干扰示意图。其中，附图标记2-彩色共焦显微系统20-光源模块200-光源21-第一光纤模块210、211、211a_ 光纤接 口单元2110-光纤212-板体2120-开槽22-色散物镜220a,220b-色差透镜23-第二光纤模块230、231、23Ia-光纤接 口单元2300-光纤
24-聚光与分光模块240-聚焦透镜241-分光镜25、26_色彩感测单元250、260_光感测晶片27-信号处理单元28-分光镜29-位移平台3、7-信号处理方法30 37-步骤70 78-步骤310 314-步骤310a 314a-步骤4-反射元件40 47、40’ 47’ -反射镜5-CCD 感测器50 54-像素感测器60 62-点扩散函数8-待测物90a、90b、90c_ 子面光场91-滤波光910-第一滤波光911-第二滤波光9100、9110_ 聚焦焦点920、921、922、930、931、932_ 聚焦强度反应曲线940、941、942、943_ 深度关系曲线95-深度关系曲线96-感测器信号97-扩散函数曲线98-原始光强信号
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述，以更进一步了解本发明的目的、方案及功效，但并非作为本发明所附权利要求保护范围的限制。请参阅图1A所示，该图为本发明的彩色共焦显微系统实施例示意图。该彩色共焦显微系统2具有一光源模块20、一色散物镜22、一第二光纤模块23、一聚光与分光模块24、一组色彩感测单元25与26以及一信号处理单元27。该光源模块20，其可提供一面侦测光。本实施例中，该光源模块20包括有一光源200以及一第一光纤模块21。该光源200提供一光束，该光束为具有连续光谱的侦测光。该第一光纤模块21，其具有多条光纤，该第一光纤模块21以光纤接口单元210与该光源200相耦接以接收该光束，且以光纤接口单元211与一分光镜28耦接，该光纤接口单元211将该侦测光调制成一面侦测光。该侦测光可以为线侦测光或者为面侦测光，本实施例中以面侦测光来做说明。如图2A所示，该图为本发明的第一光纤模块的光纤接口单元剖面第一实施例示意图。在本实施例中，该光纤接口单元211内具有以二维阵列的排列的光纤2110。另外，如图2B所示，该图为本发明的第一光纤模块的光纤接口单元剖面第二实施例示意图。在本实施例中，该光纤接口单元211a内具有以一维阵列的排列的光纤2110。要说明的是，该光源模块20并不一定为图1A中由光源200以及第一光纤模块21组合的结构,例如:该光源模块20亦可以为由多个发光二极体所排列而成的线性或者是平面光源结构。又如图2C所示，在该实施例中，该光纤接口单元211内具有以二维阵列的排列的光纤2110。另外，再通过具有线形开槽2120的板体212可以与该光纤接口单元211内一列的光纤对应，而产生线性侦测光。再回到图1A所示，该第一光纤模块21所产生的面侦测光经由该分光镜28，而反射至该色散物镜22。该色散物镜，在本实施例中，主要由两个以上的色差透镜220a与220b所构成，该色散物镜使该面入射光产生轴向色散，以形成多个具有不同聚焦深度的子面光场90a,90b与90c (图式以三个子面光场来表示)。每一个子面光场90a、90b与90c具有不同波长。至于该多个子面光场构成一连续光谱，其可为可见光谱或者是不可见光谱。该多个子面光场90a、90b与90c聚焦至一待测物8表面上。在本实施例中，该待测物设置于一位移平台29上。该位移平台29至少需要可以进行Z轴方向的位移运动。此外，该位移平台29亦可以搭配X与Y轴方向的驱动单元，例如螺杆、导轨与马达的组合以调整位移平台29在XY平面上的位置。要说明的是，虽然本实施例的色散物镜22用来将面侦测光分成多个子面光场，在另一实施例中，入射光亦可以为线侦测光。该多个子面光场投射至该待测物8上，并由该待测物8的表面反射而形成一面测物光。该面测物光经过色散物镜22以及分光镜28而被该第二光纤模块23接收。该第二光纤模块23同样具有多条光纤，在该第二光纤模块23的两端分别具有一光纤接口单元230与231，其中光纤接口单元230与该分光镜28耦接，而光纤接口单元231则与该聚光与分光模块24相耦接。同样地，如图2A所示，光纤接口单元230与231的截面也是具有成二维阵列排列的光纤。请参阅图3A与图3B所示，该图为该第一光纤模块与该第二光纤模块的共轭关系示意图。在图3A中，第一光纤模块的光纤接口单元211内的光纤2110配置与该第二光纤模块的光纤接口单元230内的光纤2300的位置配置呈点对点的共轭关系。而在光路的部分，如图3B所示，由光纤端部模块211内的一光纤所发出的侦测光经过待测物8表面反射、进入色散物镜22、分光镜28而由与该光纤接口单元230内与该光纤相对应位置的光纤所接收。当由待测物8表面反射的面测物光经由分光镜28而投射入该第二光纤模块23的光纤接口单元230内时。该光纤接口单元230内呈现矩阵排列的光纤对该面测物光进行空间滤波而得到一滤波光，其中该滤波光为对应待测物表面高度的多波长聚失焦光。由于光纤接口单元230内的每一条光纤只允许聚焦光通过，因此可以滤除失焦光和杂散光，以克服常用利用狭缝避免因光点重迭而产生相互横向干扰(cross talk)的无用信号，进而增加光信号解析度。另外，如图3C所示，其为线形排列光纤所形成的光纤端部I旲块211a与230a共辄关系不意图。再回到图1A所示，该聚光与分光模块24，其将该滤波光91分成一第一滤波光910以及一第二滤波光911。在本实施例中，该聚光与分光模块24具有一聚焦透镜240以及一分光镜241。其中，该聚焦透镜240可将该滤波光91聚光,而该分光镜241接收被聚光的滤波光后，将其分成第一与第二滤波光910与911，该第一滤波光910与该第二滤波光911分别具有一聚焦焦点9100与9110。该组色彩感测单元25与26，其分别感测该第一滤波光910以及该第二滤波光911，而分别产生聚焦位置相互偏移的两组三色光强度信号，其中一组三色光强度信号包含有一第一红光强度信号、一第一绿光强度信号与一第一蓝光强度信号，而另一组三色光强度信号则包含有一第二红光强度信号、一第二绿光强度信号与一第二蓝光强度信号。要产生相互偏移的两组三色光强度信号的方式，本实施例为用该组色彩感测单元摆设在相对于对应的第一滤波光与第二滤波光的聚焦焦点位置的差异来达成聚焦位置相互偏移的两组三色光强度信号。色彩感测单元25或26，可以选择为单一感测晶片的彩色CCD或者是具有三个独立R、G与B感测晶片的彩色CCD。其中，该色彩感测单元25相对于所对应的聚焦焦点9100具有一距离D1，而另一色彩感测单元26相对于第二滤波光911的聚焦焦点9110具有一距离D2。该组色彩感测单兀25与26分别撷取关于该第一滤波光910所包含的一第一红光强度信号、一第一绿光强度信号与一第一蓝光强度信号以及该第二滤波光911包含的一第二红光强度信号、一第二绿光强度信号与一第二蓝光强度信号。在图1A的实施例中，该色彩感测单元25的光感测晶片250，设置于第一滤波光910的聚焦焦点9100之前，亦即该聚焦焦点9100与该分光镜241之间，而与该聚焦焦点9100相距一距离D1。此外，另一色彩感测单元265的光感测晶片260则设置于该第二滤波光911的聚焦焦点9110之后，而与该聚焦焦点9110相距一距离D2。在本实施例中，Dl为在焦点9100之前，D2则在点9110的后方。同理，Dl为在焦点9100之后，而D2则在点9110之前方亦可以达到量测的效果。要说明的是，图1A的色彩感测单元25与26的光感测晶片250与260的配置主要是要让该色彩感应单元与所对应的滤波光的聚焦焦点间的距离不相同，使得当两色彩感测单元25与26感测到第一滤波光910与第二滤波光911时，对于对应待测物8上的相同位置的第一滤波光910与第二滤波光911间有不同的强度响应，以克服因待测物表面的颜色所造成反射率上的差异，使得本发明的彩色共焦显微系统可以因应不同颜色的待测物，而不需要建立对应不同颜色的深度关系曲线。基于前述的原则，如图4A与图4B所示，该图为本发明之彩色感测单元不同配置位置示意图。在图4A中，彩色感测单元25的光感测晶片250设置于第一滤波光910的聚焦焦点9100的位置上；而色彩感测单元26的光感测晶片260所设置的位置则可以在第二滤波光的聚焦焦点9110前或者是后一特定距离。同样地，如图4B所示，彩色感测单元26的光感测晶片260设置于第二滤波光911的聚焦焦点9110的位置上；而色彩感测单元25的光感测晶片250所设置的位置则可以在第一滤波光910的聚焦焦点9100前或者是后一特定距离。要说明的是，该色彩感测单元25与26可选择为线形的色彩感测单元或者是面形的色彩感测单元。该色彩感测单元可以是CCD感测器或者是CMOS感测器。再回到图1A所示，该彩色共焦显微系统2的信号处理单元27其可以接收该彩色感测单元25与26所感测的光强度信号并进行演算。该信号处理单元27具有一深度关系曲线，该信号处理单元27对该色彩感测单元25所感测的第一红光强度信号、第一绿光强度信号与第一蓝光强度信号以及该色彩感测单元26所感测的第二红光强度信号、第二绿光强度信号与第二蓝光强度信号进行演算，以得到一红光正规化聚焦比例指标、一绿光正规化聚焦比例指标以及一蓝光正规化聚焦比例指标，再由该红光正规化聚焦比例指标、该绿光正规化聚焦比例指标以及该蓝光正规化聚焦比例指标选出一最大比例指标，根据该深度关系曲线以及该最大比例指标决定出对应该面测物光所对应的待测物表面位置的高度。除了图1A的实施例外，彩色共焦显微系统2亦可以如图1B的配置。在图1B的实施例中，基本上与图1B类似，差异的是，在本实施例中，面测物光直接投射至该聚光与分光模块24中，再将该面测物光95分成一第一面测物光950以及一第二面测物光951，其于动作如前述的图1A的实施例所述，在此不作赘述。要说明的是，虽然在图1B的实施例中，有藉由聚焦于反射元件4将面测物光导引至该聚光与分光模块24中，但反射元件4为根据光路的设计而选择设置的元件，并非为本实施例的必要元件。另外，该反射元件4可以为反射镜或者是微阵列反射元件，例如，数字微型反射镜(digital micromirror device, DMD)或反身寸式娃基液晶(liquid crystal on silicon,LCoS)。该DMD反射元件可以通过电脑控制决定要反射的物光位置。如图1C与图1D所示，该图为DMD结构与控制反射示意图。在DMD中具有多个反射镜40 47与40’ 47’，每一个反射镜可以藉由电脑来控制开与关的方式，来控制不同位置物光的反射，再通过不同时间点的控制，将物光反射到CCD感测器上相对应的像素上。例如在图1C中，在第一时间点，控制反射镜40 47来反射对应反射镜位置的物光，而在第二时间点时，则如图1D的方式，控制反射镜40’ 47’来反射物光。藉由这两个时间点以让(XD可以完全感测由物体表面所反射的物光，如此可以避免相邻反射物光间的横向的干扰，进而可以提升后续反折积运算以消除横向干扰的效果。请参阅图5所示，该图为本发明的彩色共焦显微系统信号处理方法流程示意图。该方法3首先进行步骤30提供一彩色共焦显微系统2。该彩色共焦显微系统2为如图1A所示的结构，再此不作赘述，以下的出现的元件是根据图1A所示的元件进行标号。接着以步骤31建立关于该彩色共焦显微系统2的一深度关系曲线。该深度关系曲线为对于光信号强度与深度关系的曲线。如图6A所示，该图为本发明的建立深度关系曲线流程示意图。首先利用图1A所示的结构，以步骤310在位移平台29上设置一参考校正平面，对该参考校正平面进行一垂直扫描，使该面侦测光投射至该参考校正平面上的一位置而成多个分别聚焦至不同深度的校正面测物光。接着以步骤311使该第二光纤模块23对该校正面测物光进行空间滤波而得到一校正滤波光。该校正滤波光为对应参考校正平面的多波长聚失焦光。在本步骤中，由参考校正平面所反射的面侦测光会经过第二光纤模块23与分光镜28耦接的光纤接口单元230，由该光纤接口单元230内与阵列光纤会对该面侦测光进行空间滤波，使得只有具焦于光纤的光束才可以进入光纤内，其他无法聚焦的光会被滤除。接着在步骤312中，藉由该第二光纤模块导引该校正滤波光，进入该聚光与分光模块24。该聚光与分光模块24内的聚焦透镜240先对该校正滤波光聚焦，再经过该分光镜241将该校正滤波光分成一第一校正滤波光以及一第二校正滤波光。在步骤312中，该第一校正滤波光以及该第二校正滤波光分别具有一聚焦焦点。接着进行步骤313，使该组色彩感测单元25与26分别撷取关于不同扫描深度的该第一校正滤波光以得到一第一校正红光强度曲线、一第一校正绿光强度曲线与一第一校正蓝光强度曲线以及关于不同扫描深度的该第二校正滤波光以得到的一第二校正红光强度曲线、一第二校正绿光强度曲线与一第二校正蓝光强度曲线。如图7所示，该图为第一校正滤波光与第二校正滤波光所含的光强度信号不意图。其中曲线920、921与922分别代表对应不同深度的第一校正红光强度曲线、第一校正绿光强度曲线与第一校正蓝光强度曲线，而曲线930、931与932则分别代表对应不同深度的第二校正红光强度曲线、第二校正绿光强度曲线与第二校正蓝光强度曲线。接着进行步骤314分别对该对应不同深度的第一校正红光强度曲线与该第二校正红光强度曲线、该第一校正绿光强度曲线与该第二校正绿光强度曲线以及该第一校正蓝光强度曲线与该第二校正蓝光强度曲线进行一反折积演算与一正规化聚焦比例指标演算，以分别得到一红光深度关系曲线、一绿光深度关系曲线以及一蓝光深度关系曲线。为了避免待测物对于不同颜色反射率的影响，在本步骤中的正规化聚焦比例指标演算方式系为将色彩感测单元25与26所分别感测到的红光强度信号、蓝光强度信号以及绿光强度信号进行式⑴至⑶的演算，其中K、\与％分别代表待测物对于红光(R)、绿光(G)以及蓝光(B)三颜色的反射率，而1 、Ig(Z)与Ib(Z)则代表经过演算后对应不同深度的光强度。
1.(z)、I6tl4g(z)与I6tl4b (z)则代表色彩感测单元25所感测到的红光、绿光与蓝光强度信号；而I6tlfc(Z)、I6tl5g(z)与I6tl5b(Z)则代表色彩感测单元26所感测到的红光、绿光与蓝光强度信号。Ir(z) = (nr X I604r (z) -nr X I605r (z)) / (nr X I604r (z) +nr X I605r (z)) (I)Ig(z) = (ngX I604g (z) -ngX I605g (z)) / (ngX I604g (z) +ngX I605g (z)) ⑵Ib(z) = (nb X I604b (z) _nb X I605b (z) )/(nb X I604b (z)+nb X I605b (z)) (3)将方程式⑴至(3)进行简化之后，可以得到如⑷至(6)差动演算式所示的结果。Ir(z) = (I604r (z)-1605r (Z))/(I604r (z)+I605r (Z)) (4)Ig(z) = (I604g (z)-1605g (Z))/(I604g (z)+I605g (Z)) (5)Ib(Z) — (1604b (Z) _l605b (Z) ) / (1604b (Z)+I605b (Z) ) (6)经过简化的差动演算式⑷ (6)的方程式中，IJz)、Ig (Z)与Ib(Z)即代表各色光的正规化聚焦比例指标，也就是不会受到物体表面反射光强弱的影响，而可以正确反应出聚失焦因子的关系。根据上述，将如图7所示的关于各个光强度曲线带入至方程式(4) (6)中，以得到红光深度关系曲线、绿光深度关系曲线以及蓝光深度关系曲线。在步骤314中，以校正红光强度曲线为例，如图8A所示，曲线920代表色彩感测单元25所感测到的红光强度曲线，而曲线930则代表色彩感测单元26所感测到的红光强度曲线。将图8A中所有的值带入至方程式(4)中，即可得到如图SB所示的关系曲线图。而图SC所示，即为红光、绿光以及蓝光的深度关系曲线940、941与942。要说明的是，虽然前述利用面侦测光建立深度关系曲线，但是亦可利用线侦测光来建立。此外，在另一实施例中，为了增加量测表面形貌的范围，可以将式(5)进行调整，以形成如下式(7)所示:Ig(z) = (I605g (z)-1604g (Z))/(I604g (z)+I605g (Z)) (7)在式(7)中，所计算出来的深度关系曲线为如图8D所示的状态。因为，在式(7)中的分子为色彩感测单元26所感测到的光强度信号减去色彩感测单元25所感测到的光强度信号的差值，其与式(5)相反。 因此可以得到如图8D的深度关系曲线943。将根据式(4)、(6)与(7)式所计算出的各色光的深度曲线组合，以形成如图SE的状态。其中曲线940，942，943分别代表根据式(4)、(6)与(7)所计算的结果。接着，将红光与蓝光深度关系曲线的线性区段映射所得的映射线性区段再与该绿光深度关系曲线的线性区段衔接组合以得到大量测范围的深度关系曲线。接着进一步说明组合的方式，如图8E所示，首先找出红光深度曲线与绿光深度曲线的焦点C与绿光深度曲线与蓝光深度曲线的交点C’。然后如图8F所示，撷取线性区段CB与线性区段C’B’以及线性区段CC’。再将红光深度曲线上交点C以上的线性区段CB进行上下映射翻转以及对蓝光深度曲线在交点C’以下的线性区段C’ B’进行上下映射翻转，最后将其组合以形成如图SG所示的深度关系曲线95。要说明的是，不论是图8D或图SG所示的深度关系曲线，都可以代表整个彩色共焦显微系统的深度关系曲线。不过在另一实施例中，可以将该参考校正平面分成多个对应色彩感测单元的感测像素的垂直扫描区域，然后利用前述的方法，通过改变该线或面侦测光投射至该参考校正平面的深度位置，然后建立对应每一个感测像素所具有的深度关系曲线。例如,如果色彩感测单元的解析度为640x480个像素的话，即可建立出307，200个深度关系曲线。另外，要说明的是图6A的所示的建立深度关系曲线流程为使用图1A的光学系统结构来实施。在另一实施例中，建立深度关系曲线流程亦可以使用如图1B的光学系统结构来实施，其流程如图6B配合图1B所示。基本上图6B的实施例流程中，步骤310a与图6A的步骤310相同。在步骤31 Ia中，使该校正面测物光聚焦至一反射元件4，而反射至一聚光与分光模块24。接着，进行步骤312a，该聚光与分光模块24内的聚焦透镜先对该校正测物光聚焦，再经过该分光镜将该校正测物光分成一第一校正测物光以及一第二校正测物光。然后，以步骤313a，使该组色彩感测单元25与26分别截取关于不同扫描深度的该第一校正测物光，而得到一第一校正红光强度曲线、一第一校正绿光强度曲线与一第一校正蓝光强度曲线以及关于不同扫描深度的该第二校正测物光，而得到一第二校正红光强度曲线、一第二校正绿光强度曲线与一第二校正蓝光强度曲线。最后再以步骤314a，分别对该对应不同深度的第一校正红光强度曲线与该第二校正红光强度曲线、该第一校正绿光强度曲线与该第二校正绿光强度曲线以及该第一校正蓝光强度曲线与该第二校正蓝光强度曲线进行一反折积演算与一正规化聚焦比例指标演算，以分别得到一红光深度关系曲线、一绿光深度关系曲线以及一蓝光深度关系曲线。再回到图1A与图5所示，建立深度关系曲线之后，以步骤32使一侦测光经由该第一光纤模块21的调制以形成一面侦测光，而投射至待测物8上而成一面测物光。接着进行步骤33，使该第二光纤模块23对该面测物光进行空间滤波而得到一滤波光。本步骤中，对应该待测物8表面的每一个位置的滤波光成分，都含有色彩强度的资讯。接着，再以步骤34将该滤波光分成一第一滤波光以及一第二滤波光，并使该第一滤波光以及该第二滤波光分别聚焦至一聚焦焦点。随后，进行步骤35，以该组色彩感测单元25与26分别撷取该第一滤波光中所包含的对应待测物不同位置的一第一红光强度信号、一第一绿光强度信号与一第一蓝光强度信号以及该第二滤波光包含之一第二红光强度信号、一第二绿光强度信号与一第二蓝光强度信号。例如:假设色彩感测单元25具有640x480的像素解析度。则该第一滤波光中即含有640x480组第一红光强度信号、第一绿光强度信号与第一蓝光强度信号。同理，对色彩感测单元26而言，该第二滤波光中也含有640x480组第二红光强度信号、第二绿光强度信号与第二蓝光强度信号。接着进行步骤36，对该多组第一红光强度信号、第一绿光强度信号与第一蓝光强度信号以及多组第二红光强度信号、第二绿光强度信号与第二蓝光强度信号进行演算，以得到一红光正规化聚焦比例指标、一绿光正规化聚焦比例指标以及一蓝光正规化聚焦比例指标。在本步骤中，演算的方式，为将对应相同像素位置的第一红光强度信号、第一绿光强度信号与第一蓝光强度信号以及第二红光强度信号、第二绿光强度信号与第二蓝光强度信号带入式(4)、(6)与(7)中。即可得到多个关于待测物表面不同位置(或者是对应感测像素位置)的红光正规化聚焦比例指标、绿光正规化聚焦比例指标以及蓝光正规化聚焦比例指标。最后，再由步骤37由对待测物表面的每一个不同位置所具有的该红光正规化聚焦比例指标、该绿光正规化聚焦比例指标以及该蓝光正规化聚焦比例指标中，选出一最大比例指标，作为关于该位置深度的光强度序号，再根据图8D或图SG所示的深度关系曲线该最大比例指标决定出对应该面测物光所对应的待测物表面位置的高度。由于图8D与图8G的深度关系曲线为光强度与深度之间的关系，而在步骤37中已经得知最大比例指标，因此可以经由对应而找出该比例信号所对应的深度位置。要说明的是，使用图8D或者是图SG的深度关系曲线可以有两种态样，第一种为不管是对应色彩感测单元哪一个像素，都是使用同一个深度关系曲线来进行。而第二种使用方式为先建立关于每一像素的深度关系曲线，然后视像素位置，选择对应该像素位置的深度关系曲线来找出每一个像素位置所对应的待测物表面位置的深度。要说明的是，虽然前述利用面侦测光来量测物体表面深度，但不以面侦测光为限制，例如利用线侦测光来进行扫描量测亦可以利用前述之方式来完成物体表面形貌的量测。另外，在另一实施例中，如图9所示，该图为本发明的彩色共焦显微系统信号处理方法另一实施例流程示意图。在本实施例中的信号处理方法7中的步骤70 75，基本上与图5的实施例类似，差异的是在步骤76的过程中，有对步骤75中的两组光强度进行去除横向干扰的处理。在步骤75中的去除横向干扰方式可以有很多种，本实施例以反折积的方式来进行处理。以面光源来说， 量测系统采用面型CCD装置来进行反射光源的接收，由于各个反射光点在CCD上聚焦时，并不是完全的单一聚焦点，因此CCD上的各个像素感测器之间所接收到的光强信号，将有相邻像素间信号产生横向干扰的问题，而影响到每一个像素感测影像的解析度与品质。如图13所示，该图为CCD感测器中每一个感测像素的横向干扰示意图。图13中，CXD感测器5具有多个像素感测器50 54。不过实际上，反射的物光投射到该CCD感测器时，对于每一个像素感测器50 54而言，其可以感测到多个对应不同光强的光束,每一个光束具有一点扩散函数(Point spread function, PSF)。例如以像素感测器52为例，其可以感测分别对应不同光纤所发出的光束60 62。其中光束60为对应像素感测器52的光纤所发出的光束所具有的点扩散函数。由于面型CCD所取得的影像是原始影像经过点扩散函数折积演算与无用信号干扰后所得到的资讯，如下式(8)所示。r(A,v) = h(v) I(A,v)(8)其中，V为横向位置(lateral position)为折积运算,面型CCD感测器所接收到的反射光强信号I'(入，V)，原始光强分布I(X，V)与点扩散方程式h(e，V)。而接收反射光强信号I' O，V)则分别代表每一组光强度信号中的其中的一色光强度信号,例如:第一红光强度信号、第一绿光强度信号与第一蓝光强度信号、第二红光强度信号、第二绿光强度信号与第二蓝光强度信号。横向干扰的问题通常会以点扩散的方式将光强分布到CCD的水平空间上，如图10所示，其光强分布扩散可表示如下式(9)所示。
权利要求
1.一种彩色共焦显微系统，其特征在于，包括: 一光源模块，其提供一线或面侦测光； 一色散物镜，其使该线或面侦测光产生轴向色散以形成多个聚焦至不同深度的子光场，该多个子光场经由一待测物反射而形成一线或面测物光； 一聚光与分光模块，其将该线或面测物光分成一第一测物光以及一第二测物光； 一组色彩感测单元，其分别感测该第一测物光以及该第二测物光，而分别产生聚焦位置相互偏移的两组三色光强度信号，其中一组三色光强度信号包含有一第一红光强度信号、一第一绿光强度信号与一第一蓝光强度信号，而另一组三色光强度信号则包含有一第二红光强度信号、一第二绿光强度信号与一第二蓝光强度信号；以及 一信号处理单元，其分别对该组色彩感测单元所感测到的该第一红光、该第一绿光与该第一蓝光强度信号以及该第二红光、该第二绿光与该第二蓝光强度信号进行反折积运算消除横向干扰，该信号处理单兀再对消除完横向干扰的该第一红光、该第一绿光与该第一蓝光强度信号以及该第二红光、该第二绿光与该第二蓝光强度信号进行演算，以得到一红光正规化聚焦比例指标、一绿光正规化聚焦比例指标以及一蓝光正规化聚焦比例指标。
2.如权利要求1的彩色共焦显微系统，其特征在于，其中的一色彩感测单元设置于该第一测物光的聚焦焦点之前，另一色彩感测单元设置于该第二测物光的聚焦焦点之后。
3.如权利要求1的彩色共焦显微系统，其特征在于，该信号处理单元演算后，由该红光、该绿光以及该蓝光的正规化聚焦比例指标选出一最大比例指标，根据该最大比例指标以及其对应的深度关系曲线，以决定出待测物表面位置的高度。
4.如权利要求1的彩色共焦显微系统，其特征在于，该色散物镜包括两个以上的色差透镜，该色散物镜使该线或面侦测光产生轴向色散。
5.如权利要求1的彩色共焦显微系统，其特征在于，该光源模块更包括有: 一光源；以及 一第一光纤模块，其具有至少一条呈一维阵列排列的第一光纤，以将光源提供的光调制成该线或面侦测光。
6.如权利要求5的彩色共焦显微系统,其特征在于,在该色散物镜与该聚光与分光模块之间更具有一第二光纤模块，其具有至少一条呈一维阵列排列的第二光纤，该至少一条第二光纤分别与该至少一条第一光纤呈共轭对应，以对该线或面测物光进行空间滤波。
7.如权利要求1的彩色共焦显微系统，其特征在于，更包括有一反射元件，其中，该色散物镜将该线或面测物光聚焦于该反射元件上，该反射元件再将该线或面测物光反射至该聚光与分光模块上。
8.如权利要求7的彩色共焦显微系统，其特征在于，该反射元件为一微阵列反射元件。
9.一种彩色共焦显微系统的信号处理方法，其特征在于，包括有下列步骤: 提供一彩色共焦显微系统，其具有一色散物镜以及一组色彩感测单元； 建立关于该彩色共焦显微系统的一深度关系曲线； 利用该色散物镜系使一线或面侦测光产生轴向色散以形成多个聚焦至不同深度的子光场，该多个子光场经由一待测物反射而形成一线或面测物光； 将该线或面测物光分成一第一测物光以及一第二测物光，并使该第一测物光以及该第二测物光分别聚焦至一聚焦焦点；以该组色彩感测单元分别撷取关于该第一测物光以及该第二测物光，而分别产生聚焦位置相互偏移的两组三色光强度信号，其中一组三色光强度信号包含有一第一红光强度信号、一第一绿光强度信号与一第一蓝光强度信号以及另一组三色光强度信号包含有一第二红光强度信号、一第二绿光强度信号与一第二蓝光强度信号； 分别以反折积演算法消除该组色彩感测单元所感测到的该第一红光、该第一绿光与该第一蓝光强度信号以及该第二红光、该第二绿光与该第二蓝光强度信号的横向干扰； 对已消除横向干扰的该第一红光、该第一绿光与该第一蓝光强度信号以及该第二红光、该第二绿光与该第二蓝光强度信号进行演算，以得到一红光正规化聚焦比例指标、一绿光正规化聚焦比例指标以及一蓝光正规化聚焦比例指标，再由该红光正规化聚焦比例指标、该绿光正规化聚焦比例指标以及该蓝光正规化聚焦比例指标选出一最大比例指标；以及 根据该深度关系曲线以及该最大比例指标决定出该待测物表面位置的高度。
10.如权利要求9的彩色共焦显微系统的信号处理方法，其特征在于，建立该深度关系曲线更包括有下列步骤: 对一参考校正平面进行一垂直扫描，使该线或面侦测光投射至该参考校正平面上的一位置而成多个分别聚焦至不同深度的校正线或面测物光； 将该校正线或面测物光分光以形成一第一校正测物光以及一第二校正测物光，使该组色彩感测单元分别撷取 关于不同扫描深度的该第一校正测物光，以得到一第一校正红光强度曲线、一第一校正绿光强度曲线与一第一校正蓝光强度曲线以及关于不同扫描深度的该第二校正测物光，以得到一第二校正红光强度曲线、一第二校正绿光强度曲线与一第二校正蓝光强度曲线；以及 分别对该第一校正红光强度曲线与该第二校正红光强度曲线、该第一校正绿光强度曲线与该第二校正绿光强度曲线以及该第一校正蓝光强度曲线与该第二校正蓝光强度曲线进行一反折积演算与一正规化聚焦比例指标演算，以分别得到一红光深度关系曲线、一绿光深度关系曲线以及一蓝光深度关系曲线。
11.如权利要求10的彩色共焦显微系统的信号处理方法，其特征在于，该位置对应该色彩感测单元内的一像素，建立该深度关系曲线更包括有改变该线或面侦测光投射至该参考校正平面的深度位置，然后建立关于该色彩感测单元内每一个像素的深度关系曲线。
12.如权利要求10的彩色共焦显微系统之信号处理方法，其特征在于，该正规化聚焦比例指标演算的方式为分别对不同扫描深度所具有的该第一校正红光强度曲线减去该第二校正红光强度曲线的差值除以第一校正红光强度曲线与该第二校正红光强度曲线的和值、该第一校正绿光强度曲线减去该第二校正绿光强度曲线的差值除以第一校正绿光强度曲线与该第二校正绿光强度曲线的和值，以及该第一校正蓝光强度曲线减去该第二校正蓝光强度曲线的差值除以该第一校正蓝光强度曲线与该第二校正蓝光强度曲线的和值。
13.如权利要求10的彩色共焦显微系统的信号处理方法，其特征在于，更包括有撷取红光深度关系曲线、该绿光深度关系曲线以及该蓝光深度关系曲线的线性区段并重组以得到该深度关系曲线的一步骤。
14.如权利要求13的彩色共焦显微系统的信号处理方法，其特征在于，演算的方式为分别对不同扫描深度所具有的该第一校正红光强度曲线减去该第二校正红光强度曲线的差值除以第一校正红光强度曲线与该第二校正红光强度曲线的和值、该第二校正绿光强度曲线减去该第一校正绿光强度曲线的差值除以第一校正绿光强度曲线与该第二校正绿光强度曲线的和值以及该第一校正蓝光强度曲线减去该第二校正蓝光强度曲线的差值除以该第一校正蓝光强度曲线与该第二校正蓝光强度曲线的和值。
15.如权利要求14的彩色共焦显微系统的信号处理方法，其特征在于，得到该深度关系曲线的方法更包括有将红光与蓝光深度关系曲线的线性区段映射所得的映射线性区段，再与该绿光深度关系曲线的线性区段衔接组合以得到该深度关系曲线的步骤。
16.如权利要求9的彩色共焦显微系统的信号处理方法，其特征在于，该彩色共焦显微系统更包括有一第一光纤模块，其具有至少一条呈一维阵列排列的第一光纤以将一光源所产生的光调制该线或面侦测光以及一第二光纤模块，其具有至少一条呈一维阵列排列的第二光纤，该多条第二光纤系分别与该多条第一光纤呈共轭对应，以对该线或面测物光进行空间滤波。
17.如权利要求16的彩色共焦显微系统的信号处理方法，其特征在于，建立该深度关系曲线更包括有下列步骤: 对一参考校正平面进行一垂直扫描，使该线或面侦测光投射至该参考校正平面上的一位置而成多个分别对应不同深度的校正线或面测物光； 使该第二光纤模块对该校正线或面测物光进行空间滤波而得到一校正滤波光； 将该校正滤波光分成一第一校正滤波光以及一第二校正滤波光； 使该组色彩感测单元分别撷取关于不同扫描深度的该第一校正滤波光，以得到一第一校正红光强度曲线、一第一校正绿光强度曲线与一第一校正蓝光强度曲线以及关于不同扫描深度的该第二校正滤波光以得到一第二校正红光强度曲线、一第二校正绿光强度曲线与一第二校正蓝光强度曲线；以及 分别对该对应不同深度的第一校正红光强度曲线与该第二校正红光强度曲线、该第一校正绿光强度曲线与该第二校正绿光强度曲线以及该第一校正蓝光强度曲线与该第二校正蓝光强度曲线进行一反折积演算与一正规化聚焦比例指标演算，以分别得到一红光深度关系曲线、一绿光深度关系曲线以及一蓝光深度关系曲线。
18.如权利要求17的彩色共焦显微系统的信号处理方法，其特征在于，该位置对应该色彩感测单元内的一像素，建立该深度关系曲线更包括有改变该线或面侦测光投射至该参考校正平面的深度位置，然后建立关于该色彩感测单元内每一个像素的深度关系曲线。
19.如权利要求17的彩色共焦显微系统的信号处理方法，其特征在于，该正规化聚焦比例指标演算的方式为分别对不同扫描深度所具有的该第一校正红光强度曲线减去该第二校正红光强度曲线的差值除以第一校正红光强度曲线与该第二校正红光强度曲线的和值、该第一校正绿光强度曲线减去该第二校正绿光强度曲线的差值除以第一校正绿光强度曲线与该第二校正绿光强度曲线的和值以及该第一校正蓝光强度曲线减去该第二校正蓝光强度曲线的差值除以该第一校正蓝光强度曲线与该第二校正蓝光强度曲线的和值。
20.如权利要求17的彩色共焦显微系统的信号处理方法，其特征在于，更包括有撷取红光深度关系曲线、该绿光深度关系曲线以及该蓝光深度关系曲线的线性区段并重组以得到该深度关系曲线的一步骤。
21.如权利要求20的彩色共焦显微系统的信号处理方法，其特征在于，该正规化聚焦比例指标演算的方式为分别对不同扫描深度所具有的该第一校正红光强度曲线减去该第二校正红光强度曲线的差值除以第一校正红光强度曲线与该第二校正红光强度曲线的和值、该第二校正绿光强度曲线减去该第一校正绿光强度曲线的差值除以第一校正绿光强度曲线与该第二校正绿光强度曲线的和值以及该第一校正蓝光强度曲线减去该第二校正蓝光强度曲线的差值除以该第一校正蓝光强度曲线与该第二校正蓝光强度曲线的和值。
22.如权利要求21的彩色共焦显微系统的信号处理方法，其特征在于，得到该深度关系曲线的方法更包括有将红光与蓝光深度关系曲线的线性区段映射所得的映射线性区段，再与该绿光深 度关系曲线的线性区段衔接组合以得到该深度关系曲线的步骤。
全文摘要
本发明提供一种彩色共焦显微系统及其信号处理方法，其利用第一光纤模块将一侦测光调制成侦测光并经过色散物镜而形成多个子色散光场，再聚焦至待测物上。由该待测物反射的测物光经过与该第一光纤模块共轭的第二光纤模块以形成一滤波光。该滤波光经过分光之后分别投射至一组色彩感测单元以分别感测被分光的两道滤波光，而分别产生聚焦位置相互错位的两组三色光强度信号。再对该两组三色光强信号进行演算以得到三个分别对应不同色光的强度信号比例。最后由最大强度信号比例以及一深度关系曲线得到对应该待测物的表面形貌。本发明的系统不仅可取得待测物的表面轮廓资讯，同时具有单点共焦的高解析效果。
文档编号G01B9/04GK103162617SQ20111042404
公开日2013年6月19日 申请日期2011年12月9日 优先权日2011年12月9日
发明者陈亮嘉, 张奕威 申请人:陈亮嘉