TWI804128B - 量測物體三維複合表面輪廓之方法與裝置 - Google Patents

Abstract

一種量測物體三維複合表面輪廓之方法，包括：(a)透過至少一組投影單元，以投影一影像至一樣品；(b)透過一影像存取單元，以記錄樣品之反射光波前；(c)透過一數位全像重建方法，以重建樣品之鏡射表面反射光波前及其表面三維輪廓資訊；(d)透過一條紋投影分析方法，以重建樣品之漫射表面的相位影像及其表面三維輪廓資訊；以及(e)透過一影像貼合技術將鏡射表面與漫射表面之三維影像進行影像對位，以完成全幅的鏡射與漫射複合表面造影及其三維輪廓重建。

Description

量測物體三維複合表面輪廓之方法與裝置

本發明係關於物體表面之量測，特別係一種結合數位全像術舆條紋投影技術於單一光學量測系統，以重建數位全像(Digital Holography：DH)與條紋投影(Fringe Projection：FP)影像的物體三維複合表面輪廓分佈之裝置與方法。

現今的雷射光電科技日新月異且進步迅速，結合光電技術的生醫影像科技將成為未來廣受期待的新興產業。例如：透過對生醫細胞的造影研究，或是以雷射光束做為治療手段，皆有嶄新的突破。近十年來，脈衝雷射(pulsed laser)在脈衝寬度、脈衝能量及脈衝波長調諧範圍等方面的性能皆大幅提高，使得超短脈衝雷射(ultra-short pulsed laser)系統在整體穩定性和易操作性等方面，得到了巨大的改進。在生醫領域中也已發展出如雷射手術(Photodisruption)、光動力療法(Photodynamic therapy)以及光遺傳學(Optogenetics)等前瞻性應用。而為了提供更完整與精確的生醫影像資訊，三維成像技術成為了現今發展的一項考驗與發展趨勢。

此外，隨著科技之快速進展使得硬體設備之成本降低與計算機設 備之運算速度提升，產品之精準度與輪廓完整性日趨被重視，而光學三維成像為探討精密三維表面輪廓不可或缺的工具。有別於以探針接觸待测物表面以進行掃描之接觸式量测，條紋投影技術使用非接觸式及易操作之量測方式，使許多微型元件可避免因接觸式量測導致表面遭到破壞，再加上近年來高速影像感測器與數位科技之快速發展，使得條紋投影量測已成為三維表面量測使用最廣泛的技術之一。

然而，當量測具極高/弱漫射表面(diffused surface)時，因無法獲得正確的條紋形變資訊而無法精確的重建物體三維輪廓，降低了條紋投影技術之應用性。因此，許多研究團隊提出關於消除極高漫射表面之相位誤差的研究。舉例而言，在具有高反射表面之物體的表面噴灑薄層粉末使之反射率降低，藉此利於使用條紋投影技術進行三維表面量測。惟，這樣的程序耗時費力，且測量精確度會被塗層粉末厚度影響。

由於因量測過強/弱之漫射表面使系統無法獲得物體之完整條紋，而無法取得正確的相位資訊，且目前市面上尚無有效而可靠的量测法得以量測具有鏡射面(specular surface)與漫射面之複合表面物體。因此，本發明發展一種新穎的光學量測方法來解決與克服上述的問題。

鑑於具有鏡射面與漫射面之複合表面的物體難以同時量測；因此，本發明提出利用數位全像術結合條紋投影技術，以量測與重建複合表面物體 的影像。

本發明之三維複合表面成像與量測之方法可應用於微光學元件、光學元件、積體電路與光電半導體相關零組件、工業檢测、面板檢測、雷射加工...等三維輪廓檢測。相對於以接觸式工業檢測難以進行非破壞式、高精確度與高質量的全場三維複合表面成像與量測，顯示出本發明於新型態的科技應用與產業發展的重要性。

根據本發明之一觀點，提供一種量測物體三維複合表面輪廓之方法，包括底下步驟：透過至少一組投影單元，以投影一影像至一樣品；然後，透過一影像存取單元，以記錄該樣品之反射光；隨之，透過一數位全像重建方法，以重建該樣品之鏡射表面的反射光及其表面三維輪廓資訊；之後，透過一條紋投影分析方法，以重建該樣品之漫射表面的相位影像及其表面三維輪廓資訊；最後，透過一影像貼合方法，將該鏡射表面與漫射表面之三維影像進行影像對位，以重建該樣品複合表面之完整三維影像與輪廓資訊。

上述方法更包含於該條紋投影分析方法之中，透過數位全像重建之該樣品表面反射波前，以重建該樣品之漫射表面的相位影像及其表面三維輪廓資訊。

根據本發明之另一觀點，提供一種量測物體三維複合表面輪廓之方法，包括底下步驟：透過一投影單元，以將無條紋資訊光波入射至一樣品；然 後，打開一開關(快門)，透過一影像存取單元，以記錄從該樣品反射之物體光波與參考光波的干涉影像；隨之，透過一數位全像重建方法，以進行該樣品的數值重建，而獲得該樣品的第一三維影像；之後，透過該投影單元，以將條紋資訊光波入射至該樣品；接下來，關閉該開關(快門)，透過該影像存取單元，以記錄從該樣品反射之形變條紋的影像；接著，透過一條紋投影重建方法，以進行該樣品的數值重建，而獲得該樣品的第二三維影像；最後，透過一影像貼合方法，以將該第一三維影像與該第二三維影像進行影像對位，以重建該樣品複合表面之完整三維影像與輪廓資訊。上述投影單元包括投影機、空間光調制器、電控光反射鏡、液晶微型顯示器、光柵或數位微鏡裝置。

根據本發明之又一觀點，提供一種量測物體三維複合表面輪廓之方法，包括底下步驟：透過一投影單元，以將條紋資訊光波入射至一樣品；然後，打開一開關(快門)，透過一影像存取單元，以記錄從該樣品反射之帶有條紋資訊的物體光波與參考光波的干涉影像；隨之，透過一數位全像重建方法，以進行該樣品的數值重建，而獲得該樣品的第一三維影像；之後，透過一條紋投影重建方法，以進行該樣品的數值重建，而獲得該樣品的第二三維影像；最後，透過一影像貼合方法，以將該第一三維影像與該第二三維影像進行影像對位，以重建該樣品複合表面之完整三維影像與輪廓資訊。

根據本發明之一觀點，其中數位全像重建方法，包括傅立葉轉換法、摺積法、角頻譜法、菲涅耳繞射近似法或深度學習重建法；而條紋投影分析方法包含相移法、傅立葉轉換法或深度學習重建法。

此些優點及其他優點從以下較佳實施例之敘述及申請專利範圍將使讀者得以清楚了解本發明。

100:投影單元

102,514:全白影像

104,516:條紋分佈影像

106:偵測光束

108:分光元件

110:成像透鏡組

112,522:樣品

114:形變條紋影像

116:參考光束

118,534:快門

120:影像存取單元

202,204,206,208,210:步驟

302,304,306,308,310,312,314:步驟

402,404,406,408,410:步驟

502:發射光源

504,508,536,540:面鏡

505:光擴束器

506,530:偏振片

510,528,538:分光鏡

512:投影單元

518,520,524,526:透鏡

532:光偵測器陣列

如下所述之對本發明的詳細描述與實施例之示意圖，應使本發明更被充分地理解；然而，應可理解此僅限於作為理解本發明應用之參考，而非限制本發明於一特定實施例之中。

〔第一圖〕顯示根據本發明之一實施例之一量測物體三維複合表面輪廓之光學系統之示意圖；〔第二圖〕顯示根據本發明之一實施例之一量測物體三維複合表面輪廓之方法流程圖；〔第三圖〕顯示根據本發明之另一實施例之一量測物體三維複合表面輪廓之方法流程圖；〔第四圖〕顯示根據本發明之又一實施例之一量測物體三維複合表面輪廓之方法流程圖；〔第五圖〕顯示根據本發明之一量測物體三維複合表面輪廓之光 學系統之示意圖。

此處本發明將針對發明具體實施例及其觀點加以詳細描述，此類描述為解釋本發明之輪廓或步驟流程，其係供以說明之用而非用以限制本發明之申請專利範圍。因此，除說明書中之具體實施例與較佳實施例外，本發明亦可廣泛施行於其他不同的實施例中。

本發明揭露關於一種物體三維複合表面輪廓分佈之裝置與方法，其中結合數位全像術舆條紋投影技術於單一光學量測系統，以重建數位全像(Digital Holography：DH)與條紋投影(Fringe Projection：FP)影像的物體三維複合表面輪廓分佈之裝置與方法。實施例中指出本發明只需一次拍攝即可分別重建出數位全像與條紋投影的物體三維影像分佈，以達成高解析成像效果的影像。

本發明之物體三維複合表面輪廓分佈之裝置與方法係涉及使用以下幾種技術或方法：

(i)條紋投影技術：漫射表面樣品透過數位同調光條紋投影技術即時記錄並重建漫射表面樣品之三維表面輪廓。

(ii)數位全像術：鏡射表面樣品透過數位全像術即時記錄並重建鏡射表面樣本之三維表面輪廓。

(iii)複合表面合成：利用影像貼合技術分別將同調光條紋投影分析所得之漫射區塊及數位全像術所得之鏡射區塊的三维重建影像進行影像貼合，以 重建全場複合表面物體之三維立體輪廓分佈資訊。

(iv)一次拍攝：透過光學調製元件以產生週期性條紋並成像至物體表面上，使物體表面包含條紋影像資訊，並透過數位全像術記錄物體之複數波前資訊，此時振幅影像資訊包含物體本身影像資訊與條紋影像資訊，而相位資訊則只包含物體本身影像資訊；再透過全像波前重建以得到振幅影像(包含物體與條紋影像資訊)與相位(包含物體影像資訊)分佈；此時，若是鏡射面，則可透過相位影像資訊重建鏡射面之物體三維影像分佈，若是漫射面，則使用振幅影像資訊透過同調光條紋投影技術重建漫射面之物體三維影像分佈，再透過影像貼合技術使之完整重建物體複合表面之三維影像輪廓。

本發明提出僅使用一次拍攝之方式，透過數位全像術取得物體之波前複數資訊，並分別利用相位重建鏡射面之物體三维輪廓與利用振幅透過條紋投影技術重建漫射面之物體三維輪廓，再透過影像對位技術將鏡射面與漫射面之物體三維輪廓進行重組，以達到全場複合表面物體三維輪廓成像與量測。

第一圖顯示根據本發明實施例之一，其為量測物體三維複合表面輪廓之架構與流程示意圖。在本架構之中包含一光學系統，產生一偵測光束106與一參考光束(Reference Beam)116。舉例而言，光學系統包括一發射光源、至少一分光元件、一投影單元(波前操控元件)、至少一光偵測器陣列(例如：感光耦合元件(Charge-coupled Device；CCD)、互補式金屬氧化物半導體(CMOS)等影像感測器、光感測器(Photodetector)、數個成像透鏡、快門(shutter)以及數個面鏡。發 射光源包含但不限於垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser；VCSEL)、半導體雷射(Semiconductor laser)、固態雷射(Solid-state laser)、氣態雷射(Gas laser)、液體雷射(Dye laser)、光纖雷射(Fiber laser)或發光二極體(LED)。發射光源之光源形式包括線光源、平面光源或球面光源。發射光源之光源特性包括同調光源、低同調光源或非同調光源。此光學系統包括成像透鏡組110，用以收集樣品112之穿透或反射光的波前。此光學系統之光路經包含：雷射光源(例如：二極體雷射光源)產生一個具有中心波長的雷射光，該雷射光經過面鏡反射之後先通過光擴束器以產生一個擴束光，再入射至分光元件而分別輸出兩道光束。其中一道光束經過投影單元(波前操控元件)100之後即改變入射光的波前。入射光波前經分光元件108的分光之後產生光束轉折。其中，分光元件的位置與數量可以依據投影單元(波前操控元件)100而定。舉一實施例而言，投影單元(波前操控元件)100包括投影元件、投影機、空間光調制器(Spatial light modulator：SLM)、電控光反射鏡、液晶微型顯示器、光柵或數位微鏡裝置(Digital micromirror device：DMD)，以改變入射光之波前，而將全白(無條紋)的影像或者條紋分佈的影像進行投影。投影單元100可以提供全白影像102以及條紋分佈影像104。條紋分佈影像104的入射光經過成像透鏡組110將以一入射角度入射至樣品112，以形成形變條紋影像114。然後，於樣品112反射之光場進一步經過成像透鏡組110，之後經由分光元件108的分光以成像於影像存取單元120。另一道光束經過一面鏡反射之後作為參考光束116。而反射光束與參考光束116會於影像存取單元120形成干涉。干涉資訊經過影像存取單元120之記錄以取得數位全像記錄。舉例而言，影像存取單元120包含光偵測器陣列或影像感測器。快門118係配置於參考光束116行進的位置上。

透過打開或關閉快門118，以使得參考光束116繼續前行或擋住參考光束116。

上述面鏡係用於改變雷射光的光路徑。上述透鏡可以為其他可產生擴束波前之元件(平面與球面波)、或其他可產生平面、球面與具任意的曲面波前之元件。

如第二圖所示，顯示根據本發明之一實施例之一量測物體三維複合表面輪廓之流程圖。首先，執行步驟202，透過至少一組投影單元，以投影一影像至一樣品。於步驟202之中，第一圖之投影單元100投影全白(無條紋)影像102或條紋分佈影像104，經過成像透鏡組110以投影至一樣品112，其中樣品112包含有鏡射面和漫射面。接下來，執行步驟204，透過影像存取單元，以記錄樣品112之反射光波前。於步驟204之中，經由樣品112反射之光波會通過成像透鏡組110，再經由分光元件108的分光以成像於影像存取單元120之上。而透過影像存取單元，可以記錄樣品112之反射光的波前。然後，執行步驟206，透過數位全像重建方法，以重建樣品112之鏡射表面的反射光波前及其表面三維輪廓資訊。舉一實施例而言，數位全像重建方法包括但不限於傅立葉轉換法、摺積法、角頻譜法、菲涅耳繞射近似法或深度學習重建法。隨之，執行步驟208，透過條紋投影分析方法，以重建樣品112之漫射表面的相位影像及其表面三維輪廓資訊。於步驟208之中，更包含於條紋投影分析方法之中，透過數位全像重建之該樣品表面反射波前，以重建樣品112之漫射表面的相位影像及其表面三維輪廓資訊。舉一實施例 而言，條紋投影分析方法包括但不限於相移法、傅立葉轉換法或深度學習重建法。最後，執行步驟210，透過影像貼合方法將鏡射面與漫射面之表面三維影像進行影像對位，以重建物體樣品112複合表面之完整三維影像與輪廓資訊。舉一實施例而言，影像貼合方法包括影像對位技術。

如第三圖所示，顯示根據本發明之另一實施例之一量測物體三維複合表面輪廓之流程圖。在本實施例之中，進行樣品之多次拍攝，其分別進行數位全像術與條紋投影術的記錄與重建。首先，在數位全像術的記錄與重建之中，執行步驟302，透過投影單元，以將全白(無條紋)資訊光波入射至一樣品。於步驟302之中，第一圖之投影單元100投影全白影像102，經過成像透鏡組110以投影至一樣品112，其中樣品112包含有鏡射面和漫射面。於記錄數位全像術時，將全白的投影影像透過投影單元(例如：投影機、空間光調制器)進行投影，此時帶有全白資訊的光波經過一或多個透鏡之後，以與物體樣品的法線有一夾角之傾斜角度入射至樣品112。接下來，執行步驟304，打開快門(開關)，透過影像存取單元，以記錄從樣品反射之物體光波與參考光波的干涉影像。於步驟304之中，開啟配置於參考光束行進位置上的快門。經由樣品112反射之光波會通過成像透鏡組，再經由分光元件的分光以成像於影像存取單元之上。而透過影像存取單元，可以記錄樣品112反射之物體光波與參考光波的干涉影像。舉例而言，從樣品112反射之物體光波資訊再經由一或多個透鏡，並傳播至影像感測器所在的平面上，同時打開位於參考光位置的快門，使參考光入射至影像感測器所在的平面上，此時物體光與參考光會發生干涉並產生干涉條紋，透過影像感測器記錄其干涉的影像(此干涉影像稱為數位全像片)。然後，執行步驟306，透過數位全像重建方 法，以進行樣品的數值重建，而獲得樣品的第一三維影像(包含振幅、相位與高度)。於步驟306之中，此第一三維影像(數位全像片)傳輸至電腦，並透過程式軟體建立(撰寫)一數位全像重建演算法，以進行樣品的數值重建。舉一實施例而言，數位全像重建方法包括但不限於傅立葉轉換法、摺積法、角頻譜法、菲涅耳繞射近似法或深度學習重建法。例如，上述程式軟體建立的程序至少包含，於數位全相片擷取之後進行：傅立葉轉換、圈選一階項、反傅立葉轉換、傾斜/球面修正、取得振幅相位影像。

隨之，在條紋投影術的記錄與重建之中，執行步驟308，透過投影單元，以將條紋資訊光波入射至一樣品。於步驟308之中，於記錄條紋投影術時，將透過程式軟體產生弦波條紋影像，並透過投影單元(例如：投影機、空間光調制器)進行投影，此時帶有條紋資訊的光波經過一或多個透鏡後，以與樣品112的法線有一夾角之傾斜角度入射至樣品112。接下來，執行步驟310，關閉快門，透過影像存取單元，以記錄從樣品反射之形變條紋的影像。於步驟310之中，從物體樣品112反射之帶有樣品的形變條紋資訊經過一或多個透鏡，並傳播至影像存取單元所在的平面上，此時關閉位於參考光位置的快門，透過影像存取單元記錄形變條紋的影像。然後，執行步驟312，透過條紋投影重建方法，以進行樣品的數值重建，而獲得樣品的第二三維影像(包含振幅、相位與高度)。於步驟312之中，將第二三維影像傳輸至電腦，並透過程式軟體建立(撰寫)一條紋投影重建演算法，以進行樣品的數值重建。舉一實施例而言，條紋投影重建(分析)方法包括但不限於相移法、傅立葉轉換法或深度學習重建法。例如，上述程式軟體建立的程序至少包含，於形變條紋擷取之後進行：四步法重建、振幅相位影像、相位轉 換至實際相位、相位轉高度，以取得高度影像。最後，於步驟314之中，透過影像貼合(融合)方法將第一三維影像與第二三維影像進行影像對位，以重建樣品複合表面之完整三維影像與輪廓資訊。舉一實施例而言，影像貼合方法包括影像對位技術。例如，上述影像貼合(融合)程式軟體建立的程序至少包含：數位全像影像算表面高度、條紋投影高度影像、進行影像融合。

如第四圖所示，顯示根據本發明之又一實施例之一量測物體三維複合表面輪廓之流程圖。在本實施例之中，進行樣品之單次拍攝，其同時進行數位全像術與條紋投影術的記錄與重建。首先，在數位全像術的記錄與重建之中，執行步驟402，透過投影單元，以將條紋資訊光波入射至一樣品。於步驟402之中，第一圖之投影單元100條紋分佈影像104，經過成像透鏡組110以投影至一樣品112，其中樣品112包含有鏡射面和漫射面。於記錄數位全像術時，將具有條紋分佈的投影影像透過投影單元(例如：投影機、空間光調制器)進行投影，此時帶有條紋資訊的光波經過一或多個透鏡之後，以與物體樣品的法線有一夾角之傾斜角度入射至樣品112。接下來，執行步驟404，打開快門(開關)，透過數位全像存取單元，以記錄從樣品反射之帶有條紋資訊的物體光波與參考光波的干涉影像。於步驟404之中，從物體樣品反射之帶有樣品的形變條紋資訊經過一或多個透鏡，並傳播至影像存取單元所在的平面上，同時開啟配置於參考光束行進位置上的快門，使參考光入射至影像存取單元所在的平面上，此時帶有條紋資訊的物體光波與參考光波會發生干涉並產生干涉條紋，透過影像存取單元記錄其干涉的影像(此干涉影像稱為數位全像片)。亦即，透過影像存取單元，可以記錄樣品112反射之物體光波與參考光波的干涉影像。

接下來，執行步驟406，透過數位全像重建方法，以進行樣品的數值重建，而獲得樣品的第一三維影像(包含振幅、相位與高度)。於步驟406之中，此第一三維影像(數位全像片)傳輸至電腦，並透過程式軟體建立(撰寫)一數位全像重建演算法，以進行樣品的數值重建。此時，第一三維影像之振幅影像將同時含有物體樣品的資訊與形變條紋資訊。舉一實施例而言，數位全像重建方法包括但不限於傅立葉轉換法、摺積法、角頻譜法、菲涅耳繞射近似法或深度學習重建法。隨之，執行步驟408，透過條紋投影重建方法，以進行樣品的數值重建，而獲得樣品的第二三維影像(包含振幅、相位與高度)。於步驟408之中，將第二三維影像之振幅影像傳輸至電腦，並透過程式軟體建立(撰寫)一條紋投影重建演算法，以進行樣品的數值重建。舉一實施例而言，條紋投影重建(分析)演算法包括但不限於相移法、傅立葉轉換法或深度學習重建法。最後，執行步驟410，透過影像貼合方法將第一三維影像與第二三維影像進行影像對位，以重建樣品複合表面之完整三維影像與輪廓資訊。舉一實施例而言，影像貼合方法包括影像對位技術。

上述樣品特性：複合表面材質(鏡射面、漫射面)、階高樣品。

第五圖顯示根據本發明之一實施例之一量測物體三維複合表面輪廓之光學系統之示意圖。本實施例之光學系統包括一發射光源502、一光擴束器(Beam expander；BE)505、三個分光鏡(Beam Splitter)510、528與538、一投影單元512、一光偵測器陣列532(例如：感光耦合元件(Charge-coupled Device； CCD)、互補式金屬氧化物半導體(CMOS)影像感測器、光感測器(Photodetector))、四個透鏡(Lens)518、520、524與526、四個面鏡(Mirror)504、508、536與540、二個偏振片(Polarizer)506與530、快門534。發射光源502包括垂直共振腔面射型雷射(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser；VCSEL)、半導體雷射(Semiconductor laser)、固態雷射(Solid-state laser)、氣態雷射(Gas laser)、液體雷射(Dye laser)、光纖雷射(Fiber laser)或發光二極體(LED)。發射光源502之光源形式包括線光源、平面光源或球面光源。發射光源502之光源特性包括同調光源、低同調光源或非同調光源。上述四個面鏡504、508、536與540僅用於改變雷射光的光路徑。

在本實施例之中，發射光源502採用波長為532nm(奈米)的半導體泵浦固體雷射(Diode-Pumped Solid-State Laser：DPSS Laser)。光學系統之光路經包含：二極體雷射502光源產生一個具有中心波長為532nm的雷射光，該雷射光經過面鏡504反射之後先通過光擴束器505，將雷射光束擴束並校準直為平行光後，以產生一個擴束光；然後，光束經過偏振片506而產生偏振光，再經由面鏡508反射，透過一分光鏡510將光束分為物體光(Object beam)與參考光(Reference beam)兩道光束；其中物體光的光束經由投影單元(例如數位微鏡裝置：DMD)512以將全白影像514或者條紋分佈影像516進行投影。

在此光學系統中，數位全像術與條紋投影術的物體光光路相同，主要是透過數位微鏡裝置(DMD)512以調控振幅，其例如提供像素大小7.6×7.6μm²、像素數量684×608的影像以分別投影不同的電腦全像片(Computer-generated hologram：CGH)以用於數位全像術與條紋投影術的記錄與重建。光束 經過DMD反射之後，此時光波帶有CGH的資訊並透過由透鏡518(焦距f=100mm)與透鏡520(焦距f=250mm)組成的成像放大系統，入射至樣品522，其入射角例如為22.5度，而在反射角一樣為22.5度的方向，再通過透鏡524(焦距f=200mm)與透鏡526(焦距f=200mm)組成的一比一成像系統，經由分光鏡528及偏振片530而於光偵測器陣列532成像；透過此成像系統將帶有物體波前的資訊成像至影像感測器上532之上，例如成像為像素大小5.2×5.2μm²、像素數量1280×1024的影像。

在上述光學系統中，當要進行樣品522的多次拍攝時，分成數位全像術與條紋投影術進行操作。於記錄數位全像術的過程中，透過DMD 512以投影全白的CGH與打開位於參考光位置的快門534而使參考光通過，參考光經過面鏡536的反射、分光鏡538的拉光程與分光鏡528的反射之後，物體光再與參考光產生干涉並透過影像感測器記錄干涉條紋資訊。之後將干涉條紋影像資訊傳輸至電腦，再透過數位全像重建演算法(例如：角頻譜法)，以重建獲得樣品522的三維影像(包含振幅、相位與高度)。另外，於記錄條紋投影術的過程中，DMD 512投影透過程式軟體產生的弦波條紋影像，並關閉位於參考光位置的快門534，透過影像感測器記錄形變條紋影像，再透過程式軟體撰寫條紋投影重建演算法(例如：傅立葉轉換法)，以重建獲得樣品522的三維影像(包含振幅、相位與高度)。

在上述光學系統中，當要進行樣品522的單次拍攝時，將同時進行數位全像術與條紋投影術的記錄與重建。此時DMD 512投影透過程式軟體產生的弦波條紋影像，並打開位於參考光位置的快門534而使參考光通過，則含有形 變條紋資訊的物體光與參考光將產生干涉，並透過影像感測器以記錄干涉條紋資訊；之後將干涉條紋影像資訊傳輸至電腦，透過數位全像重建演算法(例如：角頻譜法)，以重建獲得樣品522的三維影像(包含振幅、相位與高度)。其中，振幅影像將同時含有物體樣品522資訊與形變條紋資訊，再將此振幅影像透過程式軟體所撰寫的條紋投影重建演算法(傅立葉轉換法)，以進行樣本的數值重建，最終重建以獲得樣品522的三維影像(包含振幅、相位與高度)。

綜合上述，本發明之特徵與優點包括：

(1)本發明提出利用數位全像術結合條紋投影技術，可量測與重建複合表面物體，並提出僅使用一次拍攝之方式，透過數位全像術取得物體之波前複數資訊。

(2)本發明分別利用相位重建鏡射面之物體三维輪廓與利用振幅透過條紋投影技術重建漫射面之物體三維輪廓，再透過影像對位技術將鏡射面與漫射面之物體三維輪廓進行重組，以達到全場複合表面物體三維輪廓成像與量測。

(3)本發明所提供之方法可透過光學非破壞性方式即時獲得複合物體表面三維輪廓分佈，並得以量化分析方法具體呈現物體三维表面輪廓。

(4)本發明所提供之方法可同時量測具有鏡射面與漫射面之複合表面物體。

(5)為了能達到大面積而高傳真度的量測目的，本發明之數位全像波前記錄與重建單元係結合波前記錄與重建，以提升光學系統中光偵測器陣列之等效解析度以達成廣視野(wide-field)高解析成像效果。

(6)經實驗結果驗證，本發明配合上述數位全像、條紋影像的波前記錄與重 建方法與裝置所取得的高傳真影像，可以準確地達成複合表面物體的影像之量測目的。

除描述於此之外，可藉由敘述於本發明中之實施例及實施方式所達成之不同改良方式，皆應涵蓋於本發明之範疇中。因此，揭露於此之圖式及範例皆用以說明而非用以限制本發明，本發明之保護範疇僅應以列於其後之申請專利範圍為主。

202:步驟

204:步驟

206:步驟

208:步驟

210:步驟

Claims (10)

1. 一種量測物體三維複合表面輪廓之方法，包括：透過至少一組投影單元，以投影至少一組影像至一樣品；透過一影像存取單元，分別對數位全像與同調光條紋投影進行該樣品的單次拍攝，以記錄該樣品之反射光；透過一數位全像重建，以相位影像資訊重建該樣品之鏡射表面的反射光波前及其表面三維輪廓資訊；透過一同調光條紋投影分析重建該樣品之漫射表面的相位影像及其表面三維輪廓資訊；以及透過一影像貼合將該鏡射表面與該漫射表面之三維影像進行影像對位，以重建該樣品複合表面之完整三維影像與輪廓資訊。
2. 如請求項1所述之量測物體三維複合表面輪廓之方法，更包含於該同調光條紋投影分析步驟中，透過數位全像以重建該樣品鏡射表面反射波前，並重建該樣品之漫射表面的相位影像及其表面三維輪廓資訊。
3. 如請求項1所述之量測物體三維複合表面輪廓之方法，其中該數位全像重建方法，包括傅立葉轉換法、摺積法、角頻譜法、菲涅耳繞射近似法或深度學習重建法。
4. 如請求項1所述之量測物體三維複合表面輪廓之方法，其中該條紋投影分析方法包含相移法、傅立葉轉換法或深度學習重建法。
5. 一種量測物體三維複合表面輪廓之方法，包括：透過一投影單元，以將無條紋資訊光波入射至一樣品；打開一開關，透過一影像存取單元，以記錄從該樣品反射之物體光波與參考光波的干涉影像；透過一數位全像重建進行該樣品的數值重建，獲得該樣品的第一三維影像；透過該投影單元，以將條紋資訊光波入射至該樣品；關閉該開關，透過該影像存取單元，以記錄從該樣品反射之形變條紋的影像；透過一條紋投影重建進行該樣品的數值重建，而獲得該樣品的第二三維影像；以及透過一影像貼合將該第一三維影像與該第二三維影像進行影像對位，以重建該樣品複合表面之完整三維影像與輪廓資訊。
6. 如請求項5所述之量測物體三維複合表面輪廓之方法，其中該投影單元包括投影機、空間光調制器、電控光反射鏡、液晶微型顯示器、光柵或數位微鏡裝置。
7. 如請求項5所述之量測物體三維複合表面輪廓之方法，其中該數位全像重建方法，包括傅立葉轉換法、摺積法、角頻譜法、菲涅耳繞射近似法或深度學習重建法。
8. 如請求項5所述之量測物體三維複合表面輪廓之方法，其中該條 紋投影分析方法包含相移法、傅立葉轉換法或深度學習重建法。
9. 一種量測物體三維複合表面輪廓之方法，包括：透過一投影單元，以將條紋資訊光波入射至一樣品，進行該樣品的單次拍攝；打開一開關，透過一影像存取單元，以記錄從該樣品反射之帶有條紋資訊的物體光波與參考光波的干涉影像；透過一數位全像重建，以相位影像資訊進行該樣品的鏡射表面的反射光波前之數值重建，而獲得該樣品的第一三維影像，該相位影像資訊包含該樣品影像資訊；以振幅影像資訊透過一同調光條紋投影分析重建進行該樣品的漫射表面之數值重建，而獲得該樣品的第二三維影像，其中該振幅影像資訊包含該樣品影像資訊與條紋影像資訊；以及透過一影像貼合將該第一三維影像與該第二三維影像進行影像對位，以於該單次拍攝中重建該樣品複合表面之完整三維影像與輪廓資訊。
10. 如請求項9所述之量測物體三維複合表面輪廓之方法，其中該數位全像重建方法，包括傅立葉轉換法、摺積法、角頻譜法、菲涅耳繞射近似法或深度學習重建法；該條紋投影分析方法包含相移法、傅立葉轉換法或深度學習重建法。

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