[发明专利]利用光学偏振特性的三维显微共焦测量系统与方法

说明书

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I291013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。

附图说明

图1A为本发明的三维显微共焦测量方法流程示意图。

图1B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。