CN104748699A - 光学测量***及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学测量方法及***，该方法包含：提供待测物，其具有参考平面及待测平面；将第一光束进入第一光学单元，藉此该参考平面及该待测平面所反射的光束分别具有第一及第二光程；撷取该参考平面及该待测平面所反射的光束影像，以合成为第一影像；将第二光束进入第二光学单元，藉此该参考平面及该待测平面所反射的光束分别具有第三及第四光程；撷取该参考平面及该待测平面所反射的光束影像，以合成为第二影像；将该第一及第二影像进行影像处理，以产生干涉条纹影像；以及计算多条干涉条纹的偏移角度，以得知该待测平面相对该参考平面的垂直度的偏移角度。
Description
技术领域
本发明是关于一种光学测量***及方法，尤其是一种光学测量***及方法，包含数字影像处理技术，可获得品质较佳的干涉条纹影像，以得知待测平面相对该参考平面的垂直度的偏移角度。
背景技术
图1a至1c为现有垂直度偏移形态的立体示意图。图1a显示完全垂直，图1b显示前后偏移而具有一前后偏移角度θ1，且图1c显示左右偏移而具有一左右偏移角度θ2。当欲测量待测物的垂直度，目前通常以垂直角规、精密量表、三次元量床等工具进行测量，其精度约在3条(30μm)以内。若需以角度表示误差量，则需以三角函数换算而得知。
若以光学测量工具进行测量待测物的垂直度，则该光学测量工具通常是应用于大型工具机，且该光学测量工具的体积过于庞大，对微小待测物难以进行测量。
因此，便有需要提供一种光学测量***及方法，以解决上述的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非接触式光学测量***及方法，包含数字影像处理技术，可获得品质较佳的干涉条纹影像，以得知待测平面相对该参考平面的垂直度的偏移角度及偏移方向。
为达成上述目的，本发明提供一种光学测量方法，其包含：提供一待测物，其具有一参考平面及一待测平面；将一第一光束进入一第一光学单元，藉此该参考平面所反射的光束具有第一光程，且该待测平面所反射的光束具有第二光程；撷取具有一第一光程的该参考平面所反射的光束影像及具有第二光程的该待测平面所反射的光束影像，以合成为一第一影像；将一第二光束进入一第二光学单元，藉此该参考平面所反射的光束具有第三光程，且该待测平面所反射的光束具有第四光程，其中该第三光程等于第一光程，且该第四光程与该第二光程之间具有一光程差；撷取具有第三光程的该参考平面所反射的光束影像及具有第四光程的该待测平面所反射的光束影像，以合成为一第二影像；将该第一及第二影像进行影像处理，以产生一干涉条纹影像；以及计算多条干涉条纹的偏移角度及偏移方向，以得知该待测平面相对该参考平面的垂直度的偏移角度及偏移方向。
所述的光学测量方法，其中，该第一光束进入该第一光学单元的一分光镜，该分光镜将该第一光束的第一部分反射至该参考平面，该参考平面再将该第一光束的第一部分反射至该分光镜，然后该分光镜将该第一光束的第一部分的部分入射至一影像撷取单元；以及，该分光镜将该第一光束的第二部分入射至该待测平面，该待测平面再将该第一光束的第二部分反射至该分光镜，然后该分光镜将该第一光束的第二部分的部分反射至该影像撷取单元。
所述的光学测量方法，其中，该第二光束进入该第二光学单元的一分光镜，该分光镜将该第二光束的第一部分反射至该参考平面，该参考平面再将该第二光束的第一部分沿方向反射至该分光镜，然后该分光镜将该第二光束的第一部分的部分入射至该影像撷取单元；以及，该分光镜将该第二光束的第二部分经由一补偿片而入射至该待测平面，该待测平面再将该第二光束的第二部分经由该补偿片而反射至该分光镜，然后该分光镜将该第二光束的第二部分的部分反射至该影像撷取单元。
所述的光学测量方法，其中，将该第一及第二影像进行影像处理的步骤包含：先将该第一及第二影像进行数字化而获得该第一及第二影像的像素的灰阶值，然后将该第一及第二影像的相对处像素的灰阶值进行相减，以产生该干涉条纹影像。
所述的光学测量方法，其中，将该第一及第二影像进行影像处理的步骤包含：先将该第一及第二影像进行数字化而获得该第一及第二影像的像素的灰阶值，然后将该第一及第二影像的相对处像素的灰阶值进行相加，以产生该干涉条纹影像。
所述的光学测量方法，其中，当该参考平面与该待测平面之间的夹角不是90度时，该干涉条纹影像定义有一画面垂直线，该干涉条纹影像具有两群类似同心圆的干涉条纹，一影像处理单元计算出该两群类似同心圆之间的轴线，而该轴线相对于该画面垂直线的偏移角度及偏移方向即为所述干涉条纹的偏移角度及偏移方向，以得知该待测平面相对该参考平面的垂直度的偏移角度及偏移方向。
所述的光学测量方法，其中，该参考平面与该待测平面之间的夹角为90度加上该偏移角度。
所述的光学测量方法，其中，当该参考平面与该待测平面之间的夹角为90度时，该干涉条纹影像定义有一画面垂直线，该干涉条纹影像只具有一群同心圆的干涉条纹，一影像处理单元计算出该群同心圆的轴线，而该轴线相对于该画面垂直线的偏移角度为零，以得知该待测平面相对该参考平面的垂直度的偏移角度为零。
为达成上述目的，本发明还提供一种光学测量***，其特征在于，包含：
一影像撷取单元；
一影像处理单元，电性连接于该影像撷取单元；
一激光光源，用以提供一光束；以及
一光学单元，包含一空间滤波器、第一及第二准直透镜、一分光镜及一补偿片，其中：
该激光光源的光束经由将该空间滤波器及第一准直透镜而形成平行光束；
该光束进入该分光镜，该分光镜将该光束的第一部分反射至一参考平面，该参考平面再将该光束的第一部分沿方向反射至该分光镜，然后该分光镜将该光束的第一部分的部分经由该第二准直透镜而入射至该影像撷取单元；以及
该分光镜将该光束的第二部分经由该补偿片而入射至一待测平面，该待测平面再将该光束的第二部分经由该补偿片而反射至该分光镜，然后该分光镜将该光束的第二部分的部分经由该第二准直透镜而反射至该影像撷取单元。
所述的光学测量***，其中，该光学测量***用以计算多条干涉条纹的偏移角度及偏移方向，以得知该待测平面相对该参考平面的垂直度的偏移角度及偏移方向。
本发明的光学测量***的体积小，可容易对微小待测物的参考平面与待测平面之间的夹角进行测量，取代现有的探垂直角规、精密量表、三次元量床等接触式测量方法。本发明的非接触式光学测量方法的测量时间快速，测量***操作容易，可大幅提升测量效率。本发明的光学测量方法简易，对操作人员的技术要求不高。本发明的光学测量方法的精度可达0.3μm，可符合大多数的使用场合。本发明的光学测量方法包含数字影像处理技术，可大幅降低数字光斑所造成的杂讯(noise)，获得品质较佳的干涉条纹影像，以得知该待测平面相对该参考平面的垂直度的偏移角度及偏移方向。
为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能更明显，下文将配合所附图示，作详细说明如下。
附图说明
图1a至1c为现有垂直度偏移形态的立体示意图；
图2本发明的一实施例的光学测量方法的流程图；
图3a及3b为本发明的一实施例的光学测量***的结构示意图，其显示参考平面与该待测平面之间的夹角为90度加上偏移角度θ；
图4a为本发明以影像相减方式作为影像处理所产生的干涉条纹影像的示意图，其显示多条干涉条纹的偏移角度为θ；
图4b为本发明以影像相加方式作为影像处理所产生的干涉条纹影像的示意图；
图5a及5b为本发明的一实施例的光学测量***的结构示意图，其显示参考平面与该待测平面之间的夹角为90度；
图6为本发明以影像相减方式作为影像处理所产生的干涉条纹影像的示意图，其显示多条干涉条纹的偏移角度为零。
其中，附图标记：
100 光学测量*** 102 待测物
104 参考平面 106 待测平面
110 第一光学单元 110’ 第二光学单元
111 激光光源 112 空间滤波器
113 第一准直透镜 114 第二准直透镜
115 分光镜 116 补偿片
120 影像撷取单元 130 影像处理单元
132 影像撷取卡 134 数字影像处理器
136 电脑
140 画面垂直线 142 轴线
150 第一光束 152 第二光束
160 方向 161 方向
162 方向 163 方向
164 方向 165 方向
166 方向 S202～S214 步骤
θ 偏移角度 θ1 偏移角度
θ2 偏移角度
具体实施方式
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2本发明的一实施例的光学测量方法的流程图。该光学测量方法包含：提供一待测物，其具有一参考平面及一待测平面(步骤S202)；将一第一光束进入一第一光学单元，藉此该参考平面所反射的光束具有第一光程，且该待测平面所反射的光束具有第二光程(步骤S204)；撷取具有第一光程的该参考平面所反射的光束影像及具有第二光程的该待测平面所反射的光束影像，以合成为一第一影像(步骤S206)；将一第二光束进入一第二光学单元，藉此该参考平面所反射的光束具有第三光程，且该待测平面所反射的光束具有第四光程，其中该第三光程等于第一光程，且该第四光程与该第二光程之间具有一光程差(步骤S208)；撷取具有第三光程的该参考平面所反射的光束影像及具有第四光程的该待测平面所反射的光束影像，以合成为一第二影像(步骤S210)；将该第一及第二影像进行影像处理，以产生一干涉条纹影像(步骤S212)；以及计算多条干涉条纹的偏移角度及偏移方向，以得知该待测平面相对该参考平面的垂直度的偏移角度及偏移方向(步骤S214)。
图3a及3b为本发明的一实施例的光学测量***的结构示意图。该光学测量***100包含一激光光源111、一第一光学单元110(或第二光学单元110’)、一影像撷取单元120及一影像处理单元130。该激光光源111用以提供一光束。该影像处理单元130电性连接于该影像撷取单元120。
在步骤S200，提供一待测物102，其具有一参考平面104及一待测平面106。在本实施例中，该参考平面104与该待测平面106之间的夹角不是90度。
在步骤S204，将一第一光束进入该第一光学单元，藉此使该参考平面所反射的光束具有第一光程，且该待测平面所反射的光束具有第二光程。详言之，请参考图3a，该第一光学单元110包含一空间滤波器112、第一及第二准直透镜113、114及一分光镜115。该激光光源111(例如氦氖激光)的第一光束150经由该空间滤波器112及第一准直透镜113而形成平行光束，该第一光束150沿方向160进入该第一光学单元110的分光镜115。该分光镜115将该第一光束150的第一部分沿方向161反射至该参考平面104，该参考平面104再将该第一光束150的第一部分沿方向162反射至该分光镜115，然后该分光镜115将该第一光束150的第一部分的部分沿方向163经由该第二准直透镜114而入射至该影像撷取单元120，藉此该第一光束150的第一部分的部分具有第一光程，亦即该参考平面104所反射的光束具有第一光程；又，该分光镜115将该第一光束150的第二部分沿方向164入射至该待测平面106，该待测平面106再将该第一光束150的第二部分沿方向165反射至该分光镜115，然后该分光镜115将该第一光束150的第二部分的部分沿方向166经由该第二准直透镜114而反射至该影像撷取单元120，藉此该第一光束150的第二部分的部分具有第二光程，亦即该待测平面106所反射的光束具有第二光程。
在步骤S206，撷取具有第一光程的该参考平面所反射的光束影像及具有第二光程的该待测平面所反射的光束影像。详言之，请再参考图3a，该影像撷取单元120撷取具有第一光程的该参考平面104所反射的光束影像及具有第二光程的该待测平面106所反射的光束影像，以合成为该第一影像。
在步骤S208，将一第二光束进入该第二光学单元，藉此该参考平面所反射的光束具有第三光程，且该待测平面所反射的光束具有第四光程，其中该第三光程等于第一光程，且该第四光程与该第二光程之间具有一光程差。详言之，请参考图3b，该第二光学单元110’除了包含该空间滤波器112、第一及第二准直透镜113、114及分光镜115之外，还包含一补偿片116。该激光光源111的第二光束152经由该空间滤波器112及第一准直透镜113而形成平行光束，该第二光束152沿方向160进入该第二光学单元110’的分光镜115。该分光镜115将该第二光束152的第一部分沿方向161反射至该参考平面104，该参考平面104再将该第二光束152的第一部分沿方向162反射至该分光镜115，然后该分光镜115将该第二光束152的第一部分的部分沿方向163经由该第二准直透镜114而入射至该影像撷取单元120，藉此该第二光束152的第一部分的部分具有第三光程，亦即该参考平面104所反射的光束具有第三光程，其中该第三光程等于第一光程；又，该分光镜115将该第二光束152的第二部分沿方向164经由该补偿片116而入射至该待测平面106，该待测平面106再将该第二光束152的第二部分沿方向165经由该补偿片116而反射至该分光镜115，然后该分光镜115将该第二光束152的第二部分的部分沿方向166经由该第二准直透镜114而反射至该影像撷取单元120，藉此该第二光束152的第二部分的部分具有第四光程，亦即该待测平面106所反射的光束具有第四光程，其中该第四光程与该第二光程之间具有一光程差可造成后续的干涉现象。
在步骤S210，撷取具有第三光程的该参考平面所反射的光束影像及具有第四光程的该待测平面所反射的光束影像，以合成为一第二影像。详言之，请再参考图3b，该影像撷取单元120撷取具有第三光程的该参考平面104所反射的光束影像及具有第四光程的该待测平面106所反射的光束影像，以合成为该第二影像。
在步骤S212，将该第一及第二影像进行影像处理，以产生一干涉条纹影像。详言之，该影像处理单元130包含一影像撷取卡(image grabber)132、一数字影像处理器134及一电脑136。该影像处理单元130接收该第一及第二影像，并将该第一及第二影像进行影像处理，以产生该干涉条纹影像。
在本实施例中，以影像相减(image subtraction)方式作为影像处理，该影像相减方式是指先将该第一及第二影像进行数字化而获得该第一及第二影像的像素的灰阶值，然后将该第一及第二影像的相对处像素的灰阶值进行相减，以产生清晰的干涉条纹影像，如图4a所示。
在另一实施例中，以影像相加(image addition)方式作为影像处理，该影像相加方式是指先将该第一及第二影像进行数字化而获得该第一及第二影像的像素的灰阶值，然后将该第一及第二影像的相对处像素的灰阶值进行相加，以产生该干涉条纹影像，如图4b所示。
在步骤S214，计算多条干涉条纹的偏移角度及方向，以得知该待测平面相对该参考平面的垂直度的偏移角度及偏移方向。详言之，请再参考图4a，该干涉条纹影像定义有一画面垂直线140。该干涉条纹影像具有两群类似同心圆的干涉条纹，该影像处理单元130计算出该两群类似同心圆之间的轴线142，而该轴线142相对于该画面垂直线140的偏移角度θ及偏移方向即为这些干涉条纹的偏移角度及偏移方向，以得知该待测平面106相对该参考平面104的垂直度的偏移角度θ及偏移方向，亦即该参考平面104与该待测平面106之间的夹角为90度加上该偏移角度θ。
请参考图5a及5b，在另一实施例中，当该参考平面104与该待测平面106之间的夹角为90度时，本发明的光学测量方法的步骤S202～S214可计算得知这些干涉条纹的偏移角度为零。详言之，在步骤S212，该影像处理单元130接收该第一及第二影像，并将该第一及第二影像进行影像处理，以产生该干涉条纹影像，如图6所示。在步骤S214，该干涉条纹影像定义有一画面垂直线140。该干涉条纹影像只具有一群同心圆的干涉条纹，该影像处理单元130计算出该群同心圆的轴线142，而该轴线142相对于该画面垂直线140的偏移角度为零(这些干涉条纹的偏移角度为零)，以得知该待测平面104相对该参考平面的垂直度的偏移角度为零，亦即该参考平面104与该待测平面106之间的夹角为90度。
本发明的光学测量***的体积小，可容易对微小待测物的参考平面与待测平面之间的夹角进行测量，取代现有的探垂直角规、精密量表、三次元量床等接触式测量方法。本发明的非接触式光学测量方法的测量时间快速，测量***操作容易，可大幅提升测量效率。本发明的光学测量方法简易，对操作人员的技术要求不高。本发明的光学测量方法的精度可达0.3μm，可符合大多数的使用场合。本发明的光学测量方法包含数字影像处理技术，可大幅降低数字光斑所造成的杂讯，获得品质较佳的干涉条纹影像，以得知该待测平面相对该参考平面的垂直度的偏移角度。
综上所述，乃仅记载本发明为呈现解决问题所采用的技术手段的实施方式或实施例而已，并非用来限定本发明专利实施的范围。即凡与本发明专利申请范围文义相符，或依本发明专利范围所做的均等变化与修饰，皆为本发明专利范围所涵盖。
Claims (10)
1.一种光学测量方法，其特征在于，包含下列步骤：
提供一待测物，其具有一参考平面及一待测平面；
将一第一光束进入一第一光学单元，藉此该参考平面所反射的光束具有第一光程，且该待测平面所反射的光束具有第二光程；
撷取具有一第一光程的该参考平面所反射的光束影像及具有第二光程的该待测平面所反射的光束影像，以合成为一第一影像；
将一第二光束进入一第二光学单元，藉此该参考平面所反射的光束具有第三光程，且该待测平面所反射的光束具有第四光程，其中该第三光程等于该第一光程，且该第四光程与该第二光程之间具有一光程差；
撷取具有第三光程的该参考平面所反射的光束影像及具有第四光程的该待测平面所反射的光束影像，以合成为一第二影像；
将该第一及第二影像进行影像处理，以产生一干涉条纹影像；以及
计算多条干涉条纹的偏移角度及偏移方向，以得知该待测平面相对该参考平面的垂直度的偏移角度及偏移方向。
2.根据权利要求1所述的光学测量方法，其特征在于，该第一光束进入该第一光学单元的一分光镜，该分光镜将该第一光束的第一部分反射至该参考平面，该参考平面再将该第一光束的第一部分反射至该分光镜，然后该分光镜将该第一光束的第一部分的部分入射至一影像撷取单元；以及，该分光镜将该第一光束的第二部分入射至该待测平面，该待测平面再将该第一光束的第二部分反射至该分光镜，然后该分光镜将该第一光束的第二部分的部分反射至该影像撷取单元。
3.根据权利要求1所述的光学测量方法，其特征在于，该第二光束进入该第二光学单元的一分光镜，该分光镜将该第二光束的第一部分反射至该参考平面，该参考平面再将该第二光束的第一部分沿方向反射至该分光镜，然后该分光镜将该第二光束的第一部分的部分入射至该影像撷取单元；以及，该分光镜将该第二光束的第二部分经由一补偿片而入射至该待测平面，该待测平面再将该第二光束的第二部分经由该补偿片而反射至该分光镜，然后该分光镜将该第二光束的第二部分的部分反射至该影像撷取单元。
4.根据权利要求1所述的光学测量方法，其特征在于，将该第一及第二影像进行影像处理的步骤包含：先将该第一及第二影像进行数字化而获得该第一及第二影像的像素的灰阶值，然后将该第一及第二影像的相对处像素的灰阶值进行相减，以产生该干涉条纹影像。
5.根据权利要求1所述的光学测量方法，其特征在于，将该第一及第二影像进行影像处理的步骤包含：先将该第一及第二影像进行数字化而获得该第一及第二影像的像素的灰阶值，然后将该第一及第二影像的相对处像素的灰阶值进行相加，以产生该干涉条纹影像。
6.根据权利要求1所述的光学测量方法，其特征在于，当该参考平面与该待测平面之间的夹角不是90度时，该干涉条纹影像定义有一画面垂直线，该干涉条纹影像具有两群类似同心圆的干涉条纹，一影像处理单元计算出该两群类似同心圆之间的轴线，而该轴线相对于该画面垂直线的偏移角度及偏移方向即为所述干涉条纹的偏移角度及偏移方向，以得知该待测平面相对该参考平面的垂直度的偏移角度及偏移方向。
7.根据权利要求6所述的光学测量方法，其特征在于，该参考平面与该待测平面之间的夹角为90度加上该偏移角度。
8.根据权利要求1所述的光学测量方法，其特征在于，当该参考平面与该待测平面之间的夹角为90度时，该干涉条纹影像定义有一画面垂直线，该干涉条纹影像只具有一群同心圆的干涉条纹，一影像处理单元计算出该群同心圆的轴线，而该轴线相对于该画面垂直线的偏移角度为零，以得知该待测平面相对该参考平面的垂直度的偏移角度为零。
9.一种光学测量***，其特征在于，包含：
一影像撷取单元；
一影像处理单元，电性连接于该影像撷取单元；
一激光光源，用以提供一光束；以及
一光学单元，包含一空间滤波器、第一及第二准直透镜、一分光镜及一补偿片，其中：
该激光光源的光束经由将该空间滤波器及第一准直透镜而形成平行光束；
该光束进入该分光镜，该分光镜将该光束的第一部分反射至一参考平面，该参考平面再将该光束的第一部分沿方向反射至该分光镜，然后该分光镜将该光束的第一部分的部分经由该第二准直透镜而入射至该影像撷取单元；以及
该分光镜将该光束的第二部分经由该补偿片而入射至一待测平面，该待测平面再将该光束的第二部分经由该补偿片而反射至该分光镜，然后该分光镜将该光束的第二部分的部分经由该第二准直透镜而反射至该影像撷取单元。
10.根据权利要求9所述的光学测量***，其特征在于，该光学测量***用以计算多条干涉条纹的偏移角度及偏移方向，以得知该待测平面相对该参考平面的垂直度的偏移角度及偏移方向。
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