TWI434021B - Non - contact optical composite measurement method and system - Google Patents

Description

非接觸式光學複合量測方法及系統

本發明是有關於一種光學量測方法及系統，特別是指一種非接觸式光學複合量測方法及系統。

量測一物體的表面輪廓，可分為接觸式與非接觸式兩種量測方法，其中，接觸式量測方法因為必須接觸到待量測的試件才能得到量測結果，而一旦有所接觸則必然會產生例如刮傷待量測的試件表面的風險，因此，表面精細度要求較高的試件量測並不適用；而利用如光學量測的非接觸式量測方法，則因為可避免接觸式量測方法的缺點，而廣泛用於表面精細度要求較高的試件量測中。

現行的非接觸式光學量測系統，多是單一功能設計，如Mirau干涉儀僅可量測待量測試件的表面輪廓、Michelson干涉儀或是相位移疊紋干涉儀僅可用於量測得知待量測試件受外力作用前後的變形量。

所以，若是要同時量測得到試件的表面輪廓與受外力作用前後的變形量，則需要同時準備兩種的量測系統，如此，除了費用的考量之外，兩種不同的量測系統的同時架設也會衍生出新的問題。由上述說明可知，目前的非接觸量測方法仍需要加以改進，俾便同時進行表面輪廓與變形量的量測。

因此，本發明之目的，即在提供一種可同時量測一試件的表面輪廓、變形量，與應變量的非接觸式光學複合量測方法。

另外，本發明之另一目的，即在提供一種可同時量測一試件的表面輪廓、變形量，與應變量的非接觸式光學複合量測系統。

於是，本發明一種非接觸式光學複合量測方法包含一光學檢測系統架設步驟、一干涉影像得到步驟，及一變形量得到步驟。

該光學檢測系統架設步驟將一光源、一準直透鏡組，及一第一分光鏡沿一第一光軸依序設置，並以該第一分光鏡為端點定義一異於該第一光軸的第二光軸，將一第一物鏡、一參考面鏡、一第二分光鏡、一第二物鏡，及一感光單元依序沿該第二光軸並遠離該第一分光鏡地設置，該光源發出的光線沿該第一光軸通過該準直透鏡組後產生一平行光束，該平行光束沿該第一、二光軸通過該第一分光鏡、該第一物鏡、該參考面鏡，與該第二分光鏡後聚焦於一待量測的試件，該平行光束經該第二分光鏡分為部分被該第二分光鏡反射至該參考面鏡後反射的一參考光，與部分穿透該第二分光鏡後該試件反射的一測試光，該參考光與該測試光經該第二物鏡聚焦在該感光單元。

該干涉影像得到步驟調整該參考面鏡相對該第二光軸的傾斜角度，使該參考光與該測試光經該第二物鏡聚焦在該感光單元後產生干涉影像，供該感光單元分別得到該試件的一第一干涉影像，及一第二干涉影像。

該變形量得到步驟用一影像處理裝置對該第一、二干涉影像進行剪影術得到該試件的變形量後，並經過該影像處理裝置計算干涉影像的條紋序數得到該試件的應變量。

另外，本發明一種非接觸式光學複合量測系統包含一平行光發出裝置、一光學檢測裝置，及一影像處理裝置。

該平行光發出裝置包括一光源，及一準直透鏡組，間隔地沿一第一光軸依序設置，使該光源發出的光線通過該準直透鏡組發散後成平行於該第一光軸的平行光束。

該光學檢測裝置包括一第一分光鏡、一第一物鏡、一參考面鏡、一第二分光鏡、一第二物鏡，及一感光單元，間隔地沿一第二光軸依序設置，將來自該平行光發出裝置的平行光束入射該第一分光鏡後依序通過該第一物鏡、該參考鏡面、該第二分光鏡聚焦於一待量測的試件上，該平行光束經該第二分光鏡分為部分被該第二分光鏡反射至該參考面鏡後反射的一參考光，與部分穿透該第二分光鏡後該試件反射的一測試光，該參考面鏡可相對該第二光軸調整傾斜角度，使該參考光與該測試光經該第二物鏡聚焦在該感光單元後產生干涉影像。

該影像處理裝置數位化該光學檢測裝置的感光單元擷取的干涉影像成數位資料後，運算處理該等數位資料得到該試件的表面輪廓、變形量，與應變量。

本發明之功效在於：藉由調整該參考面鏡相對該第二光軸的傾斜角度，與該影像處理裝置的配合，可同時得到該試件的表面輪廓與變形量，並可再由變形量換算得到應 變量，此外，該平行光發出裝置與該光學檢測裝置可相配合縮小改良成可攜式裝置，可直接對不方便自機台拆卸的試件進行量測，省去拆裝試件的時間以及再次定位試件的問題，有效提升量測的效率與精準度。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

參閱圖1、2，本發明非接觸式光學複合量測方法的一較佳實施例，包含一光學檢測系統架設步驟11、一表面輪廓得到步驟12、一干涉影像得到步驟13，及一變形量得到步驟14，用於量測一試件5的外形輪廓、變形量與應變量。

首先進行該光學檢測系統架設步驟11，建立一非接觸式光學複合量測系統，該非接觸式光學複合量測系統包含一平行光發出裝置2、一光學檢測裝置3，及一影像處理裝置4。

該平行光發出裝置2包括一光源21，及一準直透鏡組22，間隔地沿一第一光軸X1依序設置，使該光源21發出的光線通過該準直透鏡組22發散後成平行於該第一光軸X1的平行光束。在本實施例中，該光源21是一可發出雷射光線的雷射裝置，較佳地，該雷射裝置可發出氦-氖雷射，更佳地，還設置有一去除不必要的雜訊的空間濾波器(圖未示)，以濾除非所需波長的雜訊。

該光學檢測裝置3包括一第一分光鏡31、一第一物鏡32、一參考面鏡33、一第二分光鏡34、一第二物鏡35，及一感光單元36，間隔地沿一第二光軸X2依序設置，將來自該平行光發出裝置2的平行光束入射該第一分光鏡31後依序通過該第一物鏡32、該參考鏡面33、該第二分光鏡34聚焦於一待量測的試件5上，該平行光束經該第二分光鏡34分為部分被該第二分光鏡34反射至該參考面鏡33後反射的一參考光37，與部分穿透該第二分光鏡34後該試件5反射的一測試光38，該參考面鏡33可相對該第二光軸X2調整傾斜角度，使該參考光37與該測試光38經該第二物鏡35聚焦在該感光單元36後產生干涉影像。在本實施例中，該感光單元36是一電荷耦合元件；另外，該第一、二物鏡32、35可依該試件5的幾何外形、尺寸，及表面的精細程度，搭配不同倍數的光學鏡頭，以獲得更佳的量測結果。

該影像處理裝置4包括一影像擷取單元41，及一數位資料處理程式42，該影像擷取單元41數位化該光學檢測裝置3的感光單元36擷取的干涉影像成數位資料，該數位資料處理程式42運算處理該等數位資料得到該試件5的表面輪廓與變形量，再由該變形量得到應變量(此過程請容後再詳述)，在本實施例中，該影像處理裝置4為一具有該影像擷取單元41，及該數位資料處理程式42的電腦。

進行完該光學檢測系統架設步驟11即可進行該表面輪廓得到步驟12，開啟該平行光發出裝置2的光源21，發射 出氦-氖雷射後經該準直透鏡組22發散形成一平行光束，該平行光束入射該光學檢測裝置3後經該第二分光鏡34分為參考光37與測試光38，接著調整該參考面鏡33相對該第二光軸X2的傾斜角度，以改變參考光37與測試光38間的光程差，當光程差符合而干涉條紋出現時，紀錄該試件5表面的位置與該參考面鏡33的傾斜角度，經該影像處理裝置4計算消除因該參考面鏡33的傾斜角度帶來的高度影響後，即可得到該試件5表面的高度，之後再與該試件5表面的位置相配合即可描繪出該試件5的表面輪廓。

接下來進行該干涉影像得到步驟13，當該平行光發出裝置2的光源21發出的平行光束入射該光學檢測裝置3後，該平行光束經該第二分光鏡34分為參考光37與測試光38，調整該參考面鏡33相對該第二光軸X2的傾斜角度，使參考光37與測試光38經該第二物鏡35聚焦在該感光單元36後產生二不同時間點的干涉影像；在本例中，是調整該光學檢測裝置3的參考面鏡33相對該第二光軸X2的傾斜角度，分別由該感光單元36得到該試件5受熱或其它外力影響前的第一干涉影像，如附件1所示，以及該試件5受熱或其它外力影響後的第二干涉影像，如附件2所示。

之後進行該變形量得到步驟14，由該影像擷取單元41數位化該光學檢測裝置3的感光單元36擷取的第一、二干涉影像成數位資料後，再以該數位資料處理程式42進行剪影術，得到如附件3所示的影像相減圖，再計算得到的影像相減後的干涉條紋的分佈與數目，計算干涉條紋的序數 即可得到該試件的變形量，得到該變形量後，該變形量對選定方向進行偏微分計算，進而求出該試件5的應變量。

另外要說明的是，本步驟還可藉由裝設一液晶相位調變器，導入相位移法，以提升計算干涉條紋的精準度，此外，熟悉影像處理技術的人士也可以應用現有的影像處理技巧增強影像，使得到的干涉條紋的清晰度增加，以更精確地計算干涉條紋序數，由於此等影像處理的技巧並非本發明的創作重點所在，故不就此詳加贅述。

由上述說明可知，本發明是以平行光發出裝置2與光學檢測裝置3配合待量測的試件5在感光單元36上形成干涉影像，且光路徑並無特殊的長度限制，再以影像處理裝置4計算得到的干涉影像，進而得知試件的外形輪廓、變形量與應變量，所以，該平行光發出裝置2與該光學檢測裝置3可以因應實際需要設計成攜帶式的小型光學量測設備，而可直接至試件作業現場架設以即時量測、即時同步得知試件5於加工作業中的外形輪廓、變形量與應變量。

要說明的是，該試件5的表面輪廓與變形量可依需求擇一量測或同時量測，即是，在該光學檢測系統架設步驟11完成後，執行該表面輪廓得到步驟12，得到該試件5的表面輪廓，或是執行該干涉影像得到步驟13與該變形量得到步驟14，得到該試件5因受熱或其它外力影響前後的變形量，或是依序執行該表面輪廓得到步驟12、該干涉影像得到步驟13，與該變形量得到步驟14，同時得到該試件5的表面輪廓與變形量，再由該變形量得到應變量。

綜上所述，本發明之非接觸式光學複合量測方法，為供同時量測該試件5表面輪廓與變形量的光學量測方法，並應用現有的影像處理技巧增強影像，使得到的干涉條紋的清晰度增加，若該試件5需要更精細的量測精度需求，在導入相位移法後，可大幅提升量測精度，以更精確地計算干涉條紋序數，並依該試件5的實際量測需求，同時得到該試件5的表面輪廓與變形量，或表面輪廓與變形量二者擇一量測，並非只能針對該試件5的表面輪廓或變形量進行量測，而不需再架設另一光學系統。

本發明之非接觸式光學複合量測系統藉著調整該參考面鏡33相對該第二光軸X2的傾斜角度，達到與現有的Mirau干涉儀一樣的效果，即量測一待量測的試件5的表面輪廓；另外，分別由該感光單元36得到該試件5受熱或其它外力影響前後的第一、二干涉影像，再透過該影像處理裝置4進行影像處理後計算該待量測的該試件5的變形量，再由該變形量求得應變量，以單一非接觸式光學複合量測系統同時達到量測得知該試件5的表面輪廓、變形量與應變量。

再者，由上述說明可知，本發明之非接觸式光學複合量測系統因光路徑無特殊的長度限制，且整個量測過程並不需要移動或接觸到待量測試件，所以可因應實際需要設計成攜帶式的小型光學量測設備，直接至試件作業現場架設以即時量測、即時同步得知試件於加工作業中的外形輪廓、變形量與應變量，對於不方便自機台拆卸的試件，省 去拆裝試件的時間及再次定位試件的問題，有效提升量測的效率與精準度，故確實能達成本發明之目的。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

11‧‧‧光學檢測系統架設步驟

12‧‧‧表面輪廓得到步驟

13‧‧‧干涉影像得到步驟

14‧‧‧變形量得到步驟

2‧‧‧平行光發出裝置

21‧‧‧光源

22‧‧‧準直透鏡組

3‧‧‧光學檢測裝置

31‧‧‧第一分光鏡

32‧‧‧第一物鏡

33‧‧‧參考面鏡

34‧‧‧第二分光鏡

35‧‧‧第二物鏡

36‧‧‧感光單元

4‧‧‧影像處理裝置

41‧‧‧影像擷取單元

42‧‧‧數位資料處理程式

5‧‧‧試件

X1‧‧‧第一光軸

X2‧‧‧第二光軸

圖1是一流程圖，說明本發明非接觸式光學複合量測方法的一較佳實施例；及圖2是一示意圖，說明本發明較佳實施例實施時的一非接觸式光學複合量測系統。

【附件簡單說明】

附件1是一影像圖，說明一試件變形前的第一干涉影像；附件2是一影像圖，說明該試件變形後的第二干涉影像；及附件3是一影像圖，說明以剪影術進行該試件第一、二干涉影像相減後的結果。

2．．．平行光發出裝置

21．．．光源

22．．．準直透鏡組

3．．．光學檢測裝置

31．．．第一分光鏡

32．．．第一物鏡

33．．．參考面鏡

34．．．第二分光鏡

35．．．第二物鏡

36．．．感光單元

4．．．影像處理裝置

41．．．影像擷取單元

42．．．數位資料處理程式

5．．．試件

X1．．．第一光軸

X2．．．第二光軸

Claims (9)

1. 一種非接觸式光學複合量測方法，包含：一光學檢測系統架設步驟，將一光源、一準直透鏡組，及一第一分光鏡沿一第一光軸依序設置，並以該第一分光鏡為端點定義一異於該第一光軸的第二光軸，將一第一物鏡、一參考面鏡、一第二分光鏡、一第二物鏡，及一感光單元依序沿該第二光軸並遠離該第一分光鏡地設置，該光源發出的光線沿該第一光軸通過該準直透鏡組後產生一平行光束，該平行光束沿該第一、二光軸通過該第一分光鏡、該第一物鏡、該參考面鏡，與該第二分光鏡後聚焦於一待量測的試件，該平行光束經該第二分光鏡分為部分被該第二分光鏡反射至該參考面鏡後反射的一參考光，與部分穿透該第二分光鏡後該試件反射的一測試光，該參考光與該測試光經該第二物鏡聚焦在該感光單元；一干涉影像得到步驟，調整該參考面鏡相對該第二光軸的傾斜角度，使該參考光與該測試光經該第二物鏡聚焦在該感光單元後產生干涉影像，供該感光單元分別得到該試件的一第一干涉影像，及一第二干涉影像；及一變形量得到步驟，用一影像處理裝置對該第一、二干涉影像進行剪影術得到該試件的變形量後，並經過該影像處理裝置計算干涉影像的條紋序數得到該試件的應變量。
2. 根據申請專利範圍第1項所述的非接觸式複合量測方法 ，其中，該光學檢測系統架設步驟使用的光源是一可發出雷射光線的雷射裝置。
3. 根據申請專利範圍第1項所述的非接觸式複合量測方法，其中，該光學檢測系統架設步驟使用的感光單元是一電荷耦合元件。
4. 根據申請專利範圍第1項所述的非接觸式複合量測方法，其中，該變形量得到步驟使用的影像處理裝置具有一數位化該感光單元擷取的影像成數位資料的影像擷取單元，及一運算處理數位資料以得到該試件的表面輪廓、變形量，與應變量的數位資料處理程式。
5. 根據申請專利範圍第1項所述的非接觸式複合量測方法，還包含一表面輪廓得到步驟，根據該感光單元得到的干涉影像，在消除因該參考面鏡的傾斜角度所造成的高度差後得到該試件的表面輪廓。
6. 一種非接觸式光學複合量測系統，包含：一平行光發出裝置，包括一光源，及一準直透鏡組，間隔地沿一第一光軸依序設置，使該光源發出的光線通過該準直透鏡組發散後成平行於該第一光軸的平行光束；一光學檢測裝置，包括一第一分光鏡、一第一物鏡、一參考面鏡、一第二分光鏡、一第二物鏡，及一感光單元，間隔地沿一第二光軸依序設置，將來自該平行光發出裝置的平行光束入射該第一分光鏡後依序通過該第一物鏡、該參考鏡面、該第二分光鏡聚焦於一待量測的 試件上，該平行光束經該第二分光鏡分為部分被該第二分光鏡反射至該參考面鏡後反射的一參考光，與部分穿透該第二分光鏡後該試件反射的一測試光，該參考面鏡可相對該第二光軸調整傾斜角度，使該參考光與該測試光經該第二物鏡聚焦在該感光單元後產生干涉影像；及一影像處理裝置，數位化該光學檢測裝置的感光單元擷取的干涉影像成數位資料後，運算處理該等數位資料得到該試件的表面輪廓、變形量，與應變量。
7. 根據申請專利範圍第6項所述的非接觸式光學複合量測系統，其中，該平行光發出裝置的光源是一可發出雷射光線的雷射裝置。
8. 根據申請專利範圍第6項所述的非接觸式光學複合量測系統，其中，該光學檢測裝置的感光單元是一電荷耦合元件。
9. 根據申請專利範圍第6項所述的非接觸式光學複合量測系統，該影像處理裝置具有一數位化該感光單元擷取的影像成數位資料的影像擷取單元，及一運算處理數位資料得到該試件的表面輪廓、變形量，與應變量的數位資料處理程式。