物体表面三维形貌量测方法和系统技术方案

一种物体表面三维形貌量测方法，用于量测一物体表面的三维形貌，该物体表面具有复数物点，其特征是：该方法包括下列步骤：　　　　（ａ）．经由一图案投射装置，投射一图案于该待测物体表面上；　　　（ｂ）．利用一多线结构的光电感测元件取像系统，接收和储存一多线影像；　　　　（ｃ）．该物体相对于一相移装置系统做移动，该相移装置系统包括该条纹投射装置与该多线结构的光电感测元件取像系统；　　　　（ｄ）．重复步骤ａ至ｃ，直到该物体表面的所有物点都被该多线阵列光电取像系统取过像为止；以及　　　　（ｅ）．对该物体表面的所有物点的取像分别做一运算以决定每一物点的一相位值大小，并经由适当的一三角几何关系及校正，把该相位值转换成一高度以显示在一显示器上。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术有关于一种物体表面三维形貌量测方法和系统，特别有关一种能在量测物体表面三维形貌同时增快量测精度与量测速度的方法和系统。
技术介绍
利用非接触式光学的方法来量测物体表面的高低起伏，可以大量的被运用在工业自动化的检测及品质管制上。在这些利用投射周期性条纹来量测物体表面三维形貌的方法中，叠纹干涉法(Moiré Interferometry)，是被最常拿来使用的方法。(请参考D.M.Meadows，W.O.Johnson and J.B.Allen，Appl.Opt.9,942(1970)；H.Takasaki，Appl.Opt.9，1467(1970)；P.Benoit，E.Mathieu，J.Hormiere and A.Thomas，Nouv.Rev.Opt.6，67(1975)；T.Yatagai，M.Idesawa，and S Saito，Proc.Soc.Photo-Opt.Instrum.Eng.361，81(982)；G.I ndebetouw，Appl.Opt.17，2930(1978)；D.T.Moore and B.E.Truax，Appl.Opt.18，91(1979)这些论文)。然而阴影式叠纹(Shadow Moiré)的方法其缺点便是其光栅须贴近待测物表面，解析度愈高，光栅愈密，贴的也愈近；而投射式叠纹(Projection Moiré)的方法，虽其光栅不须贴近待测物表面，但其缺点是需要另一参考光栅，藉以产生所谓的叠纹(Moiré Fringe Patterns)，才能解调(Demolutation)出投射条纹因物体高低起伏而产生的条纹扭曲变化。除了叠纹干涉的方法的外，干涉条纹投射法(Fringe Projection)，亦可不须使用参考光栅，而直接求出因物体高低起伏而导致条纹扭曲的相位。至于求取相位的方法，常见的有利用光强度的分析方法(Intensity Based Analysis Methods)以及快速傅立叶的分析方法。(请参考M.Takeda，H.Ina，and S.Kobayashi，J.Opt.Soc.Am.72，156(1982)；M.Takeda and K.Mutoh，Appl.Opt.22，3977(1983)这些论文)。但是光强度的分析方法有精确度不够高的问题，而快速傅立叶的分析方法又有无法测太陡或阶梯状物体形貌的问题。所以为了解决上述的问题，的后便又有人提出利用相移干涉术(Phase ShiftInterferometry)的方法来求得相位(请参考J.H.Bruning，D.R.Herriott，J.E.Gallagher，D.P.Rosenfeld，A.D.White and D.J.Brangaccio，Appl.Opt.13，2693(1974)；J.C.Wyant，Appl.Opt.14，2622(1975)；Robinson，David W.and Reid，Graeme T.，“Interferogram Analysis，Digital Fringe Pattern Measurement Techniques”，Institute of PhysicsPublishing，Ltd.1993，pp.94-193等资料)。虽然相位移动(Phase Shift)的方法可大幅度的提高精确度至100～1000倍，但是因同一个物点要数个干涉条纹影像(至少三个，常用者为四或五个，更多个亦可)，才能用以重建物体因高低起伏而造成的相位变化，所以速度非常慢，只能在实验室里使用，而无法广泛的在要求速度的工业界上使用。虽然M.Halious等人于1987年US Patent 4641972与4657394中提出一种物体表面三维形貌量测系统和方法，图1表示在此专利中所提的物体表面三维形貌量测系统之一系统架构图。参阅图1，光栅投射器和相移装置10向物体11表面投射出具正弦强度变化图案的入射光束，并且由投射器和相移装置10改变上述入射光束的空间相位，再由线型阵列相机13接收和储存上述入射光束的不同相位在物体11表面的成像，而处理器16经由模拟数字转换器14连结到线性阵列相机13，利用上述储存的成像计算该物点的相位值。利用扫描装置12移动物体11使光栅投射器和相移装置10能向物体11表面的不同物点投射上述具正弦强度变化图案的入射光束，并由线性阵列相机13接收这些物点上的成像，最后经由处理器16计算出物体11表面所有物点相对于某一参考平面的相位值，并经由适当的三角几何关系及校正，把相位转换成高度而在显示器18上显示。在此专利中，其正弦强度条纹的相位移动，是靠着一个四分之一波长板(A Quarter Wave Plate)加上一个可旋转的线性偏振片所达成，虽然已比其他相位移动的方法要好，但仍有下列两个缺点一.相位调变仍不够快且条纹相位移动的线性度堪虑；二.此相位调变装置只适用于雷射为光源的情形下，对于一般常用的用白光照明系统把光栅的像成在物体表面上的方法来讲，并不适用。所以干涉条纹投射法(Fringe Projection)搭配相移干涉术(PhaseShift Interferometry)，虽然精确度高，但因相移装置要做到针对任何投光系统使其投射条纹相对于物体的微量移动，要精确又要快速这是不容易的；且用此系统测量一个物体的表面三维形貌量也耗费相当多的时间(需分别对物体上的每一物点多次投射具不同空间相位的入射光束)，因此无法实际的应用在须快速且即时的工业量测仪器上。
技术实现思路
有鉴于此，所以本专利技术主要的目的，即在于提供了一种新的快速且又精确的干涉条纹投射法(Fringe Projection)搭配相移干涉术(Phase ShiftInterferometry)而形成的物体表面三维形貌量测方法和系统，其利用固定间距且多线的光电成像系统，例如多线型电荷耦合元件相机(Multi-LineCCD Camera)，加上传统线型电荷耦合元件相机的扫描方式，最后再搭配适当的演算方法，即可达成等效于传统所使用的相移式条纹投射干涉术，以求得相位的相同结果，但是在实际的应用上却更为方便，且所花的时间也更为缩短，因此能应用在快速且即时的工业量测仪器上。根据上述目的，本专利技术提出了一种结合了干涉条纹投射法(FringeProjection)搭配相移干涉术(Phase Shift Interferometry)而形成的高精确度而且又快速的物体表面三维形貌量测方法和系统。其中最大的突破即是不再把图1中的光栅投射器和相移装置10与线型阵列光电取像装置13当成独立的个体来看，而是把扫描取像和投射出的正弦干涉条纹平移当作一个整体来看。并且利用固定间距且多线的光电成像系统，所造成的视差，例如多线型电荷耦合元件相机(Multi-Line CCD Camera)，加上传统线型光电成像系统的扫描方式，最后再搭配适当的演算方法，即可达成等效于传统所使用的相移式条纹投射干涉术，以求得相位的相同结果。除了扫描方式对于多线的光电取像系统可造成相移外，其他如物体上下的微量运动或其它方向的运动，皆可因多线的光电取像系统而造成其视差效果，亦即有相移现象。但是在实际的应用上却仍以扫描方式为最方便，且不管是以雷射本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宋新岳，田立芬，
申请(专利权)人：财团法人工业技术研究院，
类型：发明
国别省市：