TWI467236B - 三維形貌遙測系統及方法 - Google Patents

Description

三維形貌遙測系統及方法

本發明係有關於一種三維形貌遙測系統及方法，尤指一種結合平行四邊形稜鏡的角度感測器以及影像擷取單元、望遠鏡，可以對較遠的待測物量測其高度而得知三維形貌之技術。

目前觀察物體的形貌量測，大多偏向於顯微系統方面的量測，例如：生醫量測、半導體工業等，極力追求奈米等級之微觀世界，除了微觀需要物體形貌之量測外，其實相對的望遠系統之物體形貌的技術也是一門很重要的技術開發工程，望遠鏡系統於十七世紀初荷蘭眼鏡商人李波爾賽(Hans Lippershey)[附件4參考文獻1]偶然發現用兩塊鏡片可以看清遠處的景物，受此啟發，他製造了人類歷史第一架望遠鏡。而隔年天文學家伽利略(Galileo)[附件4參考文獻2]利用這種原理製作出一台天文望遠鏡，至此望遠鏡正式被廣泛運用在天文學上。

望遠鏡的作用是放大遠處物體的形貌，使人視覺能看清更小的細節，此外，望遠鏡是把物鏡收集到底瞳孔直徑大得多的光束送入人的眼睛，使觀測者看到原來看不到的暗弱物體。現在望遠鏡系統之技術繁多，包含有折射式(refractor)、牛頓式(Newtonian reflector)[附件4參考文獻3]、卡賽格林式(Cassegrain)[附件4參考文獻4]、施密特卡賽格林式(Schmidt-Cassegrain)[附件4參考文獻5]、馬克斯多夫式(Maksutov-Cassegrain)[附件4參考文獻6]等技術。各種望遠技術各有不同之優缺點，但其目的都是為了可以清晰的量測到遙遠的物體，但只能看到二維的圖像，無法測得物體的三維圖像及其高度。

本發明係利用光強度判斷物體形貌的測量裝置，可作三維量測，不同於既有二維的望遠鏡以及該專利申請案，本發明並可作為遠端監控，而以光電感測器作為接收器，以及採用反射率對高度轉換法，藉由電腦繪出三維形貌，不僅結構較為單純，更具有非接性、非破壞性及遠端測量等多元優點，是目前望遠鏡技術以及該專利申請案無法揭露本發明的整體技術特徵，同樣也無法達到本發明所達成的技術功效。

本發明主要目的，在於提供一種可遠距且準確量測待測物的三維形貌，可應用於各種辨識系統(例如監視系統之臉部辨識技術)的三維形貌遙測系統及方法。其原理係利用角度感測器的角度偏向原理，搭配望遠鏡、影像擷取單元及運算單元，測得位於遠距位置的待測物之高度，進一步獲得待測物三維形貌。

為達上述功效，本發明採用之技術手段係設計包括有偏極板、角度感測器、望遠鏡、濾波片、影像擷取單元及運算單元之系統。以該系統擷取待測物反射的光束。以偏極板改變光束之偏極方向。以平行四邊形稜鏡供光束在入射臨界角下作兩次反射。以望遠鏡遠距接收及放大光束。以濾波片濾除光束中不必要的波長。以影像擷取單元接收來自濾波片的光束而產生感測訊號。以運算單元接收及運算感測訊號，利用光束的角度偏向所產生的反射率變化計算出待測物表面高度，並將三維形貌圖示於顯示器上。

壹.本發明之技術概念

本發明主要是利用距離夠遠的待測物所反射出的測試光束，藉以投射於角度感測器，利用其角度感測器配合角度偏向技術，投射於望遠鏡來放大影像，復經由影像擷取單元擷取待測物影像，並由幾何光學成像將擷取影像換算為待測物的高度，進而達到準確遙測待測物三維形貌之效果。

貳.本發明之基本技術特徵

為了達到遙測待測物並準確描繪出待測物的三維形貌之目的，本發明特別設計一種三維形貌遙測系統，如圖6所示，其包括一偏極板10、一包括有平行四邊形稜鏡110及旋轉裝置111的角度感測器11、一望遠鏡12、一濾波片13、一影像擷取單元14及一運算單元15。其中，平行四邊形稜鏡110供測試光束入射作兩次內反射以提高靈敏度，旋轉裝置111用以旋轉平行四邊形稜鏡110，以調整測試光束相對平行四邊形稜鏡110的入射角度，使測試光束在該平行四邊形稜鏡110內的反射達全反射角及臨界角。濾波片13用以濾除測試光束中不必要的波長，減少因色散而引起之像差及感光誤差。

本發明遙測待測物並準確描繪出待測物的三維形貌之方法，係採用前述本發明的三維形貌遙測系統。利用偏極板10接收來自一待測物之光束，並改變光束之偏極方向而作為一測試光束。以平行四邊形稜鏡110供測試光束入射作兩次內反射，使測試光束在平行四邊形稜鏡110內的反射達全反射角及臨界角。利用望遠鏡12遠距接收測試光束並作放大。利用濾波片13接收由望遠鏡12所接收的測試光束，並濾除測試光束中不必要的波長。以影像擷取單元14接收來自濾波片13的測試光束而產生感測訊號。最後利用運算單元15接收感測訊號，藉由測試光束經過平行四邊形稜鏡110後的角度偏向所產生測試光束的反射率變化，再依其反射率變化計算求出待測物表面高度並圖示於一顯示器16上。其中，運算單元15係依據測試光束經平行四邊形稜鏡110後之全反射的光強度與臨界角的光強度變化，獲得反射率變化。

參．本發明具體實施例 3.1三維形貌遙測的方法

請配合參看圖6所示，本發明三維形貌遙測的方法，是以本發明所設計的系統擷取經自然光或白光照射之待測物20所反射出來的光束，光束投射於偏極板10以產生偏振光作為測試光束，使此偏振的測試光束由望遠鏡12放大，且在角度感測器11之平行四邊形稜鏡110內部經過至少兩次反射後得到反射率變化，依其反射率變化推導待測物20表面的高度變化，亦即藉由反射率的變化測得待測物20的表面高度。

3.2本發明的理論

本發明是基於角度感測器11的平行四邊形稜鏡110其外角與反射率之關係。請參看圖1所示，本發明實驗例中，是以S偏振光(其他偏振光也可以)作為測試光束。如圖2所示，當外部入射至平行四邊形稜鏡110的入射角度在5.71°附近，其反射率變化最為靈敏。由於這附近的角度變化非常靈敏適合量測微小的表面高度差變化，但是本發明依實驗所量測之物體之高度變化較大，所以取S偏極及取出某角度附近之平均斜率來當作量測時的斜率。

如圖1所示，光束於平行四邊形稜鏡110內部作兩次之反射。其中平行四邊形稜鏡110與其外部折射率分別為n ₁ 及n ₂ ，入射角為θ ₁ ，折射角為θ ₂ ，θ為入射平行四邊形稜鏡110第一面之入射角，之後由邊界條件以Fresnel formulae與Snell’s law求出兩次反射之反射率R 對外角θ之關係式，如式(1)、式(1-1)及式(1-2)所示：

其中，R _s 是S偏振光一次平行四邊形稜鏡110內反射之反射率，

由式(1)，可以利用MATLAB模擬出如圖3所示之結果，因此可以了解到最大的斜率約在5.71°(針對波長為550nm而言)，此角度為臨界角θ _C (此時角度是指外角θ)，該附近角度之反射率變化是最靈敏的。由於本發明架構所量測的物體高度變化較大，所以入射角θ會選擇在曲線較為平滑的角度範圍。

由圖4的模擬，可分析出外角變化量與反射率及光強度的關係。如圖4所示，我們可以得知以下關係式：

其中，

將(2-3)、(2-4)代入(2-1)式，可得到式(2-5)

將(2-5)代入(2-6)式得

由圖5所示得知，因光線投射待測物20表面時，其高度所產生的反射光角度變化。當傾角α很小時，Δh =tanα×Δx α×Δx (式(2-8))。其中α=，所以Δh =tan×Δx ×Δx (式(2-9))。若放大倍率為M，則在像平面的像素間隔相對於物平面上的間隔之關係為，M =，所以Δx =，Δh =(式(2-10))，得到Δh =×Δx (式(2-11))。令K =代入(式(2-11))，得到Δh =K ×(式(2-12))。

3.3三維形貌遙測系統

基於前述的概念及理論基礎，請參看圖6及7所示，本發明三維形貌遙測系統係包括偏極板10、角度感測器11、望遠鏡12、濾波片13、影像擷取單元14及運算單元15。角度感測器11包括平行四邊形稜鏡110及旋轉裝置111，在臨界角附近可做微小角度感測之用，用以將待測物20反射出的測試光束投射出去，透過旋轉裝置111以調整測試光束入射至平行四邊形稜鏡110的入射角度。偏極板10改變來自待測物20之光束的偏極方向。望遠鏡12用以遠距遙測並且放大待測物20的外觀形貌。濾波片13用以取出某一波長的光作為量測，並減少色散和影像誤差。影像擷取單元14為線性或矩陣式光電感測器，具體實施例為電荷耦合元件(Charge-coupled Device，CCD)或網路攝影機(Web Cam)可連接電腦網路的攝影機裝備，可自動連續獲取影像，用以接收待測物20影像。運算單元15可為個人電腦，用以接收影像擷取單元14的感測訊號(即影像訊號)，並將感測訊號處理運算結果，並可以圖示、數字來顯示運算結果。

如圖6所示，本發明三維形貌遙測系統的架構，係包括偏極板10、平行四邊形稜鏡110、望遠鏡12、濾波片13、影像擷取單元14及運算單元15。平行四邊形稜鏡110接續設置在偏極板10之後，望遠鏡12接續設置在平行四邊形稜鏡110之後，濾波片13接續設置在望遠鏡12之後。

如圖7所示，本發明三維形貌遙測系統的架構，係包括偏極板10、平行四邊形稜鏡110、望遠鏡12、濾波片13、影像擷取單元14及運算單元15。望遠鏡12接續設置在偏極板10之後，平行四邊形稜鏡110接續設置在望遠鏡12之後，濾波片13接續設置在平行四邊形稜鏡110之後。本圖示例的架構，為適用大口徑之望遠鏡12的實施例。

肆．本發明之實驗例 4.1以白光為光源的量測實驗例

請配合參看圖6所示，本發明實驗例採用中心波長為550nm的白光作為光源30投射至距離夠遠的待測物20。偏極板10轉至90°以確保產生的測試光束均為S偏振光。讓測試光束入射至角度感測器11的平行四邊形稜鏡110，藉旋轉裝置111轉動平行四邊形稜鏡110，讓測試光束在平行四邊形稜鏡110內部作兩次反射，直到所需要的全反射與小於臨界角之角度狀態，得到反射率曲線，也就是反射率的差值變化。本實驗使用的待測物為10元硬幣之人頭像，量測的距離為1.5公尺，白光光源30投射至待測物的距離約為3公尺。依據景深公式推導出在量測距離1.5公尺時，景深約為3.41mm。先用游標卡尺測量待測物之寬度與厚度，其寬度為26mm，厚度為1.8mm。本實驗例中，臨界角取6.7°與7.2°，拍得的待測物分別如附件1圖1及圖2所示。將小於臨界角之6.7°之光強度設為I ₁ ，小於臨界角之7.2°之光強度設為I ₂ 利用式(2-12)，將兩光強度相減I ₂ -I ₁ 而得到△I ，此時旋轉平行四邊形稜鏡110會造成目標物體微小的位移，需要將影像完全重疊才能得到適合的數值。於拍攝前須調整望遠鏡12使其影像達最清晰的情況下，而望遠鏡12有一景深之限制，故我們所量測之物體範圍不超過此景深限制以降低量測時所產生的誤差。入射角選定兩個範圍θ=6.7°以及θ=7.2°反射變化率ΔR_S2 約為0.4左右，可以根據(2-12)式推算出K值為4.5mm利用Matlab程式計算並繪出待測物的三维形貌圖形如圖8及圖9所示。

4.2以自然光為光源的量測實驗例

本實驗例採用的系統、基本條件及做法流程大致上與前段的實驗例相同，只是將白光光源30改為自然光做測量。本實驗例，也是臨界角取6.7°與7.2°，拍得的待測物分別如附件2圖1及圖2所示。入射角選定兩個範圍θ=6.7°以及θ=7.2°反射變化率ΔR_S2 約為0.4左右，可以根據(2-12)式推算出K值為4.5mm利用Matlab程式計算並繪出待測物的三维形貌圖形如圖10及圖11所示。

4.3白光與自然光適用的分析及結果

從圖8至11來比較分析得出，在白光實驗中，投射光強較高取ΔI 時環境的因素影響很大，如圖9之Y-Z視角圖可以看出，相對的在自然光投射下，物體所反射之光強較弱，若使用兩個近臨界角6.7°與7.2°之光強度相減，會因為光強差異過小反而會造成環境的影響加大，所以這兩種方式分別適用不同情況下的待測物，例如白光投射適合拍攝星體或會自發光的物體，或者在光線不足下利用外來光源投射進行拍攝，而自然光投射適合在光線充足的環境下對遠距離物體的拍攝。不論在白光投射或自然光投射的兩種量測下，除了在光源的穩定度會影響其縱向解析度外，環境因素也會影響，而縱向解析度的分析將在系統分析中做比較。白光光源投射實驗：因投射距離不夠遠，雖光強度可以自行控制但仍使得光強在全反射時過強，若使用全反射之光強與臨界角之光強相減會因為在全反射時光強太強會有光暈的現象，而造成量測上的誤差，因此在實驗時，選用兩近臨界角分別為6.7°與7.2°做光強度的相減來降低量測時的誤差。而在自然光源投射實驗中，因投射光源改為室內日光燈光源，不用在暗房中進行實驗，又因為如此除了需要考慮日光燈本身光源的穩定度，還需考慮系統接收由各方所反射而來的雜散光，又因為光源投射距離較遠光強較弱，可使用全反射的光強與臨界角的光強相減，如果使用兩臨界角之光強度相減會因為光強差值過小導致環境因素的擾動加大，會造成量測上的誤差。白光、自然光與游標卡尺的比較如附件3的表1及表2所示，其相較之誤差百分比都在5%以內。

伍．結論

因此，藉由上述技術特徵的設置，本發明確實具有下列的特點：

1.本發明可以達成遠距測量待測物之三維形貌的效果，完全不同於望遠鏡只是觀測物體的二維形貌。

2.本發明是利用光強度變化，轉換成反射率，再由反射率轉換用以量測出待測物的高度，進而得到待測物的三維形貌，所以本發明是非接觸式、非干涉式、非破壞式的光學測量方法與系統。

3.本發明由於是非接觸式、非干涉式、非破壞式的光學測量方法，所以可作為遠端圖像辨識或形變或形貌特徵的測量，比如可適用人臉部輪廓的測量。

4.本發明可應用在短程(數十公尺以內)、中程(100公尺以上)、遠程(數公里以上)之測量；其中，短程測量可用於工廠生產線的品質瑕疵監控，在人工篩選前預先測知以利品質掌控；而中程測量方面，則可用於測量建築物於地震後所產生的裂縫，有效輔助提早發現建築物的危險程度；至於遠程測量則可用於地形、地貌的凹凸變化形貌、天文星體觀察，因此本發明適用性很廣泛。

以上所述，僅為本發明之一可行實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列請求項所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。本發明所具體界定於請求項之結構特徵，未見於同類物品，且具實用性與進步性，已符合發明專利要件，爰依法具文提出申請，謹請　鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。

10．．．偏極板

11．．．角度感測器

110．．．平行四邊形稜鏡

111．．．旋轉裝置

12．．．望遠鏡

13．．．濾波片

14．．．影像擷取單元

15．．．運算單元

16．．．顯示器

20．．．待測物

30．．．光源

圖1係本發明光線於平行四邊形稜鏡內作兩次反射示意圖。

圖2為本發明兩次P偏光S偏光反射之反射率對外角的變化模擬圖。

圖3為本發明MALAB程式模擬兩次S偏光反射率。

圖4為本發明兩次S偏光反射不同入射角時之反射率變化示意圖。

圖5為本發明光線投射待測物時，其高度所產生的反射光角度變化示意圖。

圖6為本發明小口徑望遠鏡系統架構圖。

圖7為本發明大口徑望遠鏡系統架構圖。

圖8為本發明白光投射十元硬幣頭像之三維形貌圖。

圖9為本發明白光投射十元硬幣於Y-Z視角圖。

圖10為本發明自然光投射十元硬幣頭像之三維形貌圖。

圖11為本發明自然光投射十元硬幣頭像於Y-Z視角圖。

附件1：圖1為本發明白光投射十元硬幣於臨界角6.7°時的CCD拍攝圖；圖2為本發明白光投射十元硬幣於臨界角7.2°時的CCD拍攝圖。

附件2：圖1為本發明自然光投射十元硬幣於臨界角6.7°時的CCD拍攝圖；圖2為本發明自然光投射十元硬幣於臨界角7.2°時的CCD拍攝圖。

附件3：表1為本發明白光投射實驗結果與游標卡尺量測比較表；表2為本發明自然光投射實驗結果與游標卡尺量測比較。

附件4：參考文獻。

10．．．偏極板

11．．．角度感測器

110．．．平行四邊形稜鏡

111．．．旋轉裝置

12．．．望遠鏡

13．．．濾波片

14．．．影像擷取單元

15．．．運算單元

16．．．顯示器

20．．．待測物

30．．．光源

Claims (10)

1. 一種三維形貌遙測系統，其包括：一偏極板，其設置在該系統的最前端，用以接收來自一待測物之光束，並改變該光束之偏極方向而作為一測試光束；一角度感測器，其包括一平行四邊形稜鏡及一旋轉裝置，該平行四邊形稜鏡供該測試光束入射作兩次內反射以提高靈敏度，該旋轉裝置用以旋轉該平行四邊形稜鏡，以調整該測試光束相對該平行四邊形稜鏡的入射角度，使該測試光束在該平行四邊形稜鏡內的反射達全反射角及臨界角；一望遠鏡，用以遠距接收該測試光束；一濾波片，用以接收由該望遠鏡所接收的該測試光束，以濾除該測試光束中不必要的波長，減少因色散而引起之像差及感光誤差；一影像擷取單元，其用以接收來自該濾波片的該測試光束，而產生感測訊號；及一運算單元，用以接收該感測訊號，並對該感測訊號運算出該待測物的表面高度並圖示於一顯示器上。
2. 如請求項1所述之三維形貌遙測系統，其中，該平行四邊形稜鏡接續設置在該偏極板之後，該望遠鏡接續設置在該平行四邊形稜鏡之後，該濾波片接續設置在該望遠鏡之後。
3. 如請求項1所述之三維形貌遙測系統，其中，該望遠鏡接續設置在該偏極板之後，該平行四邊形稜鏡接續設置在該望遠鏡之後，該濾波片接續設置在該平行四邊形稜鏡之後。
4. 如請求項1所述之三維形貌遙測系統，其中，該其影像擷取單元為一網路攝影機(Web Cam)，其包括電荷耦合元件(CCD)或其他光電感測器。
5. 如請求項1所述之三維形貌遙測系統，其中，該測試光束的波長介於紫外線與紅外線之間。
6. 一種三維形貌遙測方法，其包括：提供一如請求項1所述之三維形貌遙測系統；以該偏極板接收來自一待測物之光束，並改變該光束之偏極方向而作為一測試光束；以該平行四邊形稜鏡供該測試光束入射作兩次內反射，使該測試光束在該平行四邊形稜鏡內的反射達全反射角及臨界角；以該望遠鏡遠距接收該測試光束以作放大；以該濾波片接收由該望遠鏡所接收的該測試光束，並濾除該測試光束中不必要的波長；以該影像擷取單元接收來自該濾波片的該測試光束而產生感測訊號；及以該運算單元接收該感測訊號，利用該測試光束經過該平行四邊形稜鏡後的角度偏向所產生該測試光束的反射率變化，再依其反射率變化計算求出該待測物表面高度並圖示於一顯示器上。
7. 如請求項第6項所述之方法，其中，該運算單元係依據該測試光束經該平行四邊形稜鏡後之全反射的光強度與臨界角的光強度變化，獲得該反射率變化。
8. 如請求項6所述之方法，其中，該平行四邊形稜鏡接續設置在該偏極板之後，該望遠鏡接續設置在該平行四邊形稜鏡之後，該濾波片接續設置在該望遠鏡之後。
9. 如請求項6所述之方法，其中，該望遠鏡接續設置在該偏極板之後，該平行四邊形稜鏡接續設置在該望遠鏡之後，該濾波片接續設置在該平行四邊形稜鏡之後。
10. 如請求項6所述之三維形貌遙測系統，其中，該測試光束的波長介於紫外線與紅外線之間。