本發(fā)明涉及一種光學量測系統(tǒng)、提升光學量測系統(tǒng)的干涉圖像品質(zhì)的方法以及量測待測物的圓柱度的方法。

背景技術(shù)：

量測工件的表面起伏的方法及工具通常取決于工件所屬的環(huán)境以及工件的形狀及尺寸。以1μm至數(shù)個μm的表面高低差而言，通常會使用接觸式量測儀器(如探針式儀器)去進行量測。接觸式量測儀器是利用探針(stylus)接觸工件的表面，以固定的移動速率掃瞄工件的表面，來獲得表面的高度變化。此方法雖可準確量測表面的起伏程度，但其相當費時。此外，由于接觸式量測儀器的體積龐大且容易受到環(huán)境(如溫度)的影響(如熱漂移)，因此接觸式量測儀器不方便攜帶且必須擺設在穩(wěn)定(如恒溫)的環(huán)境中。另外，探針本身的硬度高，容易刮傷工件的表面，因此表面硬度相對低或價值高的工件并不適合此類型的量測方式。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種光學量測系統(tǒng)，其具有量測速度快、方便攜帶以及不會刮傷待測物的待測表面等優(yōu)點。

本發(fā)明提供一種提升上述的光學量測系統(tǒng)的干涉圖像品質(zhì)的方法，其有助于降低噪聲。

本發(fā)明提供一種量測待測物的圓柱度的方法，其可快速量測待測物的圓柱度。

本發(fā)明的一種光學量測系統(tǒng)，其包括光學量測單元以及圖像處理單元。光學量測單元朝向待測物的待測表面且包括光源、分光鏡、反射件以及光接收器。光源輸出光束。分光鏡位于光束的傳遞路徑上，其中分光鏡將光束的第一部分傳遞至待測表面且將光束的第二部分傳遞至反射件。待測表面將第 一部分反射回分光鏡，且反射件將第二部分反射回分光鏡。分光鏡將被待測表面反射的第一部分以及被反射件反射的第二部分合并且傳遞至光接收器。圖像處理單元耦接于光接收器并獲取因第一部分與第二部分相互干涉而產(chǎn)生的干涉圖像。在改變待測表面被第一部分照射的位置時，圖像處理單元獲取對應待測表面被第一部分照射的多個位置的多個干涉圖像，并依據(jù)各干涉圖像中干涉條紋的變化量去計算待測表面的位置的高低變化，從而推得待測物的圓柱度。

在本發(fā)明的一實施例中，上述的光學量測系統(tǒng)還包括承載體。承載體具有V型凹槽。待測物設置在V型凹槽中。

在本發(fā)明的一實施例中，上述的光源、光接收器以及反射件分別位于分光鏡相鄰的三側(cè)，且光源與反射件分別位于分光鏡的相對兩側(cè)。分光鏡將來自光源的第一部分反射，讓來自光源的第二部分穿透，讓來自待測表面的第一部分穿透，且將來自反射件的第二部分反射。

在本發(fā)明的一實施例中，上述的光學量測單元還包括空間濾波器。空間濾波器位于來自光源的光束的傳遞路徑上，且位于光源與分光鏡之間。

在本發(fā)明的一實施例中，上述的圖像處理單元還將各干涉圖像與起始干涉圖像進行絕對值相減，并依據(jù)相減后各干涉圖像中干涉條紋的變化量去計算待測表面的位置的高低變化。

本發(fā)明的一種提升上述的光學量測系統(tǒng)的干涉圖像品質(zhì)的方法，其包括以下步驟：令圖像處理單元獲取對應待測表面的起始位置的起始干涉圖像；以及令圖像處理單元將各干涉圖像與起始干涉圖像進行絕對值相減。

本發(fā)明的一種量測待測物的圓柱度的方法，其包括以下步驟：提供光學量測系統(tǒng)，光學量測系統(tǒng)包括光學量測單元以及圖像處理單元，其中光學量測單元包括光源、分光鏡、反射件以及光接收器，光源輸出光束，分光鏡位于光束的傳遞路徑上，其中分光鏡將光束的第一部分傳遞至待測物的待測表面且將光束的第二部分傳遞至反射件，待測表面將第一部分反射回分光鏡，且反射件將第二部分反射回分光鏡，分光鏡將被待測表面反射的第一部分以及被反射件反射的第二部分合并且傳遞至光接收器，圖像處理單元耦接于光接收器并獲取因第一部分與第二部分相互干涉而產(chǎn)生的干涉圖像；改變待測表面被第一部分照射的位置；令圖像處理單元獲取對應待測表面被第一部分 照射的多個位置的多個干涉圖像；以及令圖像處理單元依據(jù)各干涉圖像中干涉條紋的變化量去計算待測表面在位置的高低變化，以獲得待測物的真圓度、真直度以及平行度。

在本發(fā)明的一實施例中，上述的量測待測物的圓柱度的方法還包括以下步驟：令待測物與光學量測單元的其中一個沿第一方向移動，以找出光接收器接收最大光干涉強度時待測表面對應的位置，并以所述位置作為待測表面的起始位置，其中第一方向垂直于待測物的軸心且平行于光接收器的光接收面；以及令圖像處理單元獲取對應待測表面的起始位置的起始干涉圖像，且在圖像處理單元獲取對應待測表面被第一部分照射的位置的干涉圖像之后，令圖像處理單元將各干涉圖像與起始干涉圖像進行絕對值相減，再依據(jù)相減后各干涉圖像中干涉條紋的變化量去計算待測表面在位置的高低變化，以獲得待測物的真圓度、真直度以及平行度。

在本發(fā)明的一實施例中，上述改變待測表面被第一部分照射的位置的方法包括以下步驟：令待測物沿待測物的軸心旋轉(zhuǎn)，以使圖像處理單元獲取對應待測表面的一圓周的多個位置的多個干涉圖像；令待測物與光學量測單元的其中一個沿平行于軸心的第二方向移動距離；以及在待測物與光學量測單元的其中一個沿第二方向移動距離后，令待測物沿軸心旋轉(zhuǎn)，以使圖像處理單元獲取對應待測表面的另一圓周的多個位置的多個干涉圖像。

基于上述，本發(fā)明的光學量測系統(tǒng)通過光干涉的方式量測待測物的待測表面的高度變化，因此除了可解決現(xiàn)有因探針接觸工件表面而損傷工件的問題之外，還可提升量測速度。此外，因光學量測系統(tǒng)可為一獨立的量測模塊，適于攜帶至所需量測的場合，故針對不方便取下的待測物，本發(fā)明的光學量測系統(tǒng)還可節(jié)省待測物拆裝的時間并保持待測物的完整性，大幅提升量測效率。另外，本發(fā)明的提升上述的光學量測系統(tǒng)的干涉圖像品質(zhì)的方法可通過數(shù)字圖像處理技術(shù)大幅降低光斑所造成的噪聲，而有助于獲得品質(zhì)較佳的干涉圖像。再者，本發(fā)明的量測待測物的圓柱度的方法可同時進行待測表面的真圓度、真直度以及平行度的量測，因此可快速量測待測物的圓柱度。

為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合附圖作詳細說明如下。

附圖說明

圖1A是依照本發(fā)明的一實施例的一種光學量測系統(tǒng)的示意圖；

圖1B是圖1A中圖像處理單元獲取的干涉圖像的一種示意圖；

圖2是依照本發(fā)明的一實施例的一種量測待測物的圓柱度的方法的流程示意圖；

圖3是依照本發(fā)明的一實施例的一種提升光學量測系統(tǒng)的干涉圖像品質(zhì)的方法的流程示意圖。

附圖標記說明：

100：光學量測系統(tǒng)；

110：光學量測單元；

111：光源；

112：分光鏡；

113：反射件；

114：光接收器；

115：空間濾波器；

120：圖像處理單元；

130：承載體；

132：V型凹槽；

B：光束；

B1：第一部分；

B2：第二部分；

BF：亮紋；

D1：第一方向；

D2：第二方向；

DF：暗紋；

O：待測物；

OA：軸心；

S：待測表面；

S100、S110、S120、S130、S200、S210：步驟；

S114：光接收面；

θ：底角。

具體實施方式

圖1A是依照本發(fā)明的一實施例的一種光學量測系統(tǒng)的示意圖。圖1B是圖1A中圖像處理單元獲取的干涉圖像的一種示意圖。請參照圖1A及圖1B，光學量測系統(tǒng)100適于量測待測物O(如具有軸心OA的圓柱體)的圓柱度。所述圓柱度包括真圓度、真直度以及平行度。

光學量測系統(tǒng)100包括光學量測單元110以及圖像處理單元120。光學量測單元110朝向待測物O的待測表面S，且光學量測單元110包括光源111、分光鏡112、反射件113以及光接收器114。光源111輸出光束B。舉例而言，光源111可為激光光源，例如是氦氖激光光源，但不以此為限。在其他實施例中，光源111可為微波光源或其他種類的光源。分光鏡112位于光束B的傳遞路徑上，且分光鏡112適于將光束B的第一部分B1傳遞至待測表面S且將光束B的第二部分B2傳遞至反射件113。待測表面S將第一部分B1反射回分光鏡112。也即，待測表面S具有將光束(第二部分B2)反射的特性，惟待測表面S的反射率不限于100％。反射件113將第二部分B2反射回分光鏡112。舉例而言，反射件113可以是反射鏡，但不以此為限。分光鏡112將被待測表面S反射的第一部分B1以及被反射件113反射的第二部分B2合并且傳遞至光接收器114。光接收器114可為電荷耦合元件(Charge-coupled Device,CCD)，但不以此為限。

在本實施例中，光源111、光接收器114以及反射件113分別位于分光鏡112相鄰的三側(cè)，且光源111與反射件113分別位于分光鏡112的相對兩側(cè)。分光鏡112將來自光源111的第一部分B1反射，使第一部分B1轉(zhuǎn)向并傳遞至待測表面S。待測表面S將第一部分B1反射，使第一部分B1再次轉(zhuǎn)向并傳遞回分光鏡112。分光鏡112讓來自待測表面S的第一部分B1穿透并傳遞至光接收器114。此外，分光鏡112讓來自光源111的第二部分B2穿透，使第二部分B2沿原傳遞方向傳遞至反射件113。反射件113將第二部分B2反射，使第二部分B2轉(zhuǎn)向并傳遞回分光鏡112。分光鏡112將來自反射件113的第二部分B2反射并傳遞至光接收器114。

依據(jù)不同的需求，光學量測單元110可進一步包括其他元件。舉例而言， 光學量測單元110可進一步包括空間濾波器115，以濾除光束B中較為發(fā)散的部分光束?？臻g濾波器115例如位于來自光源111的光束B的傳遞路徑上，且位于光源111與分光鏡112之間。

圖像處理單元120耦接于光接收器114并獲取因第一部分B1與第二部分B2相互干涉而產(chǎn)生的干涉圖像(如圖1B所示)。在改變待測表面S被第一部分B1照射的位置時，圖像處理單元120獲取對應待測表面S被第一部分B1照射的多個位置的多個干涉圖像，并依據(jù)各干涉圖像中干涉條紋(包括亮紋BF以及暗紋DF)的變化量去計算待測表面S被第一部分B1照射的位置的高低變化，從而推得待測物O的圓柱度。

具體地，相鄰兩暗紋DF(或相鄰兩亮紋BF)之間的距離等于光束B的波長的四分之一，因此圖像處理單元120可通過相鄰兩暗紋DF之間的距離變化量或是相鄰兩亮紋BF之間的距離變化量去計算出待測表面S被第一部分B1照射的位置的高低變化，從而推得待測物O的圓柱度。

在本實施例中，光學量測系統(tǒng)100可進一步包括承載體130，以設置待測物O。承載體130具有V型凹槽132。待測物O設置在V型凹槽132中。V型凹槽132為左右對稱。如此，待測物O的軸心OA可自動對準V型凹槽132的中間，而可省略對位的步驟。V型凹槽132的底角θ可依據(jù)不同的需求改變。舉例而言，底角θ可為30度、45度或60度，但不以此為限。

以下以圖2說明量測待測物O的圓柱度的方法，且以圖3說明提升光學量測系統(tǒng)100的干涉圖像品質(zhì)的方法。圖2是依照本發(fā)明的一實施例的一種量測待測物的圓柱度的方法的流程示意圖。圖3是依照本發(fā)明的一實施例的一種提升光學量測系統(tǒng)的干涉圖像品質(zhì)的方法的流程示意圖。請參照圖1A至圖3，量測待測物O的圓柱度的方法包括以下步驟。首先，提供光學量測系統(tǒng)(如圖1A所示的光學量測系統(tǒng)100)，光學量測系統(tǒng)100包括光學量測單元110以及圖像處理單元120，其中光學量測單元110包括光源111、分光鏡112、反射件113以及光接收器114，光源111輸出光束B，分光鏡112位于光束B的傳遞路徑上，其中分光鏡112將光束B的第一部分B1傳遞至待測物O的待測表面S且將光束B的第二部分B2傳遞至反射件113，待測表面S將第一部分B1反射回分光鏡112，且反射件113將第二部分B2反射回分光鏡112，分光鏡112將被待測表面S反射的第一部分B1以及被反射件113反 射的第二部分B2合并且傳遞至光接收器114，圖像處理單元120耦接于光接收器114并獲取因第一部分B1與第二部分B2相互干涉而產(chǎn)生的干涉圖像(步驟S100)。

其次，改變待測表面S被第一部分B1照射的位置(步驟S110)，再令圖像處理單元120獲取對應待測表面S被第一部分B1照射的多個位置的多個干涉圖像(步驟S120)。具體地，待測物O配置在由第一方向D1以及第二方向D2所構(gòu)成的平面上，其中第一方向D1垂直于待測物O的軸心OA且平行于光接收器114的光接收面S114，而第二方向D2平行于待測物O的軸心OA。在本實施例中，改變待測表面S被第一部分B1照射的位置的方法可包括以下步驟。首先，令待測物O沿待測物O的軸心OA旋轉(zhuǎn)，以使圖像處理單元120獲取對應待測表面S的一圓周的多個位置的多個干涉圖像。其次，令待測物O與光學量測單元110的其中一個沿第二方向D2移動一距離，例如是令待測物O沿第二方向D2移動一距離，但不以此為限。接著，令待測物O沿軸心OA旋轉(zhuǎn)，以使圖像處理單元120獲取對應待測表面S的另一圓周的多個位置的多個干涉圖像。

然后，令圖像處理單元120依據(jù)各干涉圖像中干涉條紋的變化量去計算待測表面S在上述位置的高低變化，以獲得待測物O的真圓度、真直度以及平行度(步驟S130)。具體地，圖像處理單元120可依據(jù)待測表面S的一圓周的多個位置的高低變化獲得待測物O的真圓度，且圖像處理單元120可依據(jù)待測表面S在相同旋轉(zhuǎn)角度的多個位置(此些位置會位于沿第二方向D2延伸的一虛擬直線上)的高低變化獲得待測物O的真直度。另外，圖像處理單元120可依據(jù)待測表面S在兩虛擬直線上的多個位置的高低變化獲得待測物O的平行度。兩虛擬直線分別沿第二方向D2延伸且位于待測物O的直徑的相對兩端。

由于光學量測系統(tǒng)100容易受光斑的影響而生成噪聲，因此本實施例的量測待測物O的圓柱度的方法可進一步包括圖3所示的步驟，以提升光學量測系統(tǒng)100的干涉圖像品質(zhì)。具體地，提升光學量測系統(tǒng)100的干涉圖像品質(zhì)的方法可包括以下步驟。首先，令圖像處理單元120獲取對應待測表面S的起始位置的起始干涉圖像(步驟S200)。其次，令圖像處理單元將各干涉圖像與起始干涉圖像進行絕對值相減(步驟S210)。

進一步而言，本實施例可先令待測物O與光學量測單元110的其中一個沿第一方向D1移動，例如令待測物O沿第一方向D1移動，以找出光接收器114接收最大光干涉強度時待測表面S對應的位置，并以所述位置作為待測表面S的起始位置。其次，令圖像處理單元120獲取對應待測表面S的起始位置的起始干涉圖像。然而再接續(xù)步驟S110以及步驟S120。并且，在圖像處理單元120獲取對應待測表面S被第一部分B1照射的位置的干涉圖像(步驟S120)之后，可令圖像處理單元120將各干涉圖像與起始干涉圖像進行絕對值相減，再依據(jù)相減后各干涉圖像中干涉條紋的變化量去計算待測表面S在上述位置的高低變化，以獲得待測物O的真圓度、真直度以及平行度。

通過將各干涉圖像與起始干涉圖像進行絕對值相減，可大幅降低光斑所造成的噪聲，而有助于獲得品質(zhì)較佳的干涉圖像。所述絕對值相減是利用式(1)的運算法則。通過在運算式中加入絕對值，可避免“暗的干涉圖像減去亮的干涉圖像”無法判讀的情形。具體地，在運算式中加入絕對值后，當干涉圖像的亮度不同時，“暗的干涉圖像減去亮的干涉圖像”會等于“亮的干涉圖像減去暗的干涉圖像”。因此，當干涉圖像與起始干涉圖像為不同圖像時，例如圖像的亮度或干涉條紋的距離不同時，絕對值相減后的畫面仍會是干涉圖形(如圖1B所示)，從而圖像處理單元120仍可依據(jù)相減后各干涉圖像中干涉條紋的變化量去計算待測表面S在上述位置的高低變化。另一方面，當干涉圖像與起始干涉圖像為相同圖像時，絕對值相減后的畫面為黑畫面，即第一部分B1照射的位置與起始位置具有相同的高度。是以，通過此運算法則，本實施例可有效判別待測表面S是否有高低差以及高低差的大小。

|A-B|＝|B-A| 式(1)

綜上所述，本發(fā)明的光學量測系統(tǒng)通過光干涉的方式量測待測物的待測表面的高度變化，因此除了可解決現(xiàn)有因探針接觸工件表面而損傷工件的問題之外，還可提升量測速度。此外，光學量測系統(tǒng)可達約0.15μm的精度(即光源所輸出的光束的波長的四分之一)，符合大多數(shù)的量測所需。另外，因光學量測系統(tǒng)可為一獨立的量測模塊，適于攜帶至所需量測的場合，故針對不方便取下的待測物，本發(fā)明的光學量測系統(tǒng)還可節(jié)省待測物拆裝的時間并保持待測物的完整性，大幅提升量測效率。另外，本發(fā)明的提升上述的光學量測系統(tǒng)的干涉圖像品質(zhì)的方法可通過數(shù)字圖像處理技術(shù)大幅降低光斑所造成 的噪聲，而有助于獲得品質(zhì)較佳的干涉圖像。再者，本發(fā)明的量測待測物的圓柱度的方法可同時進行待測表面的真圓度、真直度以及平行度的量測，因此可快速測得待測物的圓柱度。

最后應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領域的普通技術(shù)人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的范圍。