TWI886056B - Line-scan chromatic confocal system having full-field deconvolution for reconstructing surface profile - Google Patents
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Abstract
Description
本發明為一種彩色共焦量測技術,特別是指具有反卷積演算以提升量測解析度的一種具有全域反捲積表面形貌重建的線掃描彩色共焦量測系統。 The present invention is a color confocal measurement technology, in particular, a line scanning color confocal measurement system with global deconvolution surface morphology reconstruction and deconvolution calculation to improve measurement resolution.
單色與彩色共焦系統自西元1961年至今經歷了相當成熟的發展過程,涵蓋了理論研究、工程實踐,甚至商業應用。這項技術已廣泛應用於生物醫學與工業檢測領域,成為微米級光學形貌重建的重要技術之一。 Monochromatic and color confocal systems have undergone a fairly mature development process since 1961, covering theoretical research, engineering practice, and even commercial applications. This technology has been widely used in the fields of biomedicine and industrial testing, and has become one of the important technologies for micron-level optical morphology reconstruction.
在彩色共焦技術的發展中,線形彩色共焦系統逐漸成為引人注目的焦點。首先,線形彩色共焦系統使用單軸掃描運動,無需進行複雜的雙軸掃描,使得其掃描速度更快。這不僅能夠快速獲取大範圍的共焦影像,還能在短時間內實現高效的量測。尤其對於工業檢測應用而言,線形掃描的優勢在於節省時間並提高生產效率。其次,由於線形彩色共焦只需要單軸掃描,相較於單點型單色共焦系統所需的三軸掃描,其掃描維度需求更低。光學配置和機械設 計也更加簡單,這些優勢共同支持了線形彩色共焦顯微術成為未來微米與次微米級非接觸式的線上量測方法的前景。 In the development of color confocal technology, the linear color confocal system has gradually become a focus of attention. First, the linear color confocal system uses a single-axis scanning motion, without the need for complex dual-axis scanning, making its scanning speed faster. This not only enables the rapid acquisition of a large range of confocal images, but also enables efficient measurement in a short time. Especially for industrial inspection applications, the advantage of linear scanning is that it saves time and improves production efficiency. Secondly, since the linear color confocal only requires single-axis scanning, compared to the three-axis scanning required by the single-point monochrome confocal system, its scanning dimension requirements are lower. The optical configuration and mechanical design are also simpler, and these advantages together support the prospect of linear chromatic confocal microscopy becoming the future non-contact online measurement method at the micron and sub-micron level.
儘管有前述的優點,但是線形彩色共焦系統也還有待解決的問題,例如:線方向的解析度相對較差,通常被稱為橫向交談或橫向干擾(crosstalk)。這可能導致在樣本表面形貌的量測中出現一些模糊或失真的情況,特別是在微小結構的量測對象中,這對於高精度工業檢測等應用來說是一個不容忽視的問題。 Despite the aforementioned advantages, linear chromatic confocal systems still have problems to be solved, such as relatively poor resolution in the line direction, which is usually called lateral crosstalk. This may cause some blur or distortion in the measurement of sample surface morphology, especially in the measurement of microstructures. This is a problem that cannot be ignored for applications such as high-precision industrial inspection.
最初的共焦系統具有優越的光學深度切層和橫向解析能力,然而受限於三軸掃描的需求,其量測速度相對較慢。為了克服這一缺陷,研究學者們提出了不同的光學架構:使用透鏡陣列、針孔陣列或縫隙取代傳統針孔,實現橫向平行量測;採用振鏡或空間光調製器替代傳統位移平台,提高共焦系統橫向掃描速度;發展彩色共焦技術,以製造軸向色散,免去軸向掃描的需要。儘管這些新架構各有其局限性,但這些研究推動了共焦顯微術的發展,將其應用領域擴展至高速生物醫學檢測和微結構量測,展現了巨大的潛力。 The original confocal system has excellent optical depth sectioning and lateral resolution capabilities, but its measurement speed is relatively slow due to the need for three-axis scanning. To overcome this shortcoming, researchers have proposed different optical architectures: using lens arrays, pinhole arrays or slits to replace traditional pinholes to achieve lateral parallel measurement; using galvanometers or spatial light modulators to replace traditional displacement platforms to increase the lateral scanning speed of the confocal system; developing color confocal technology to create axial dispersion and eliminate the need for axial scanning. Although these new architectures have their own limitations, these studies have promoted the development of confocal microscopy, expanding its application areas to high-speed biomedical detection and microstructure measurement, showing great potential.
為了克服前述線形彩色共焦系統的橫向干擾的問題,本發明提供一種具有全域反捲積表面形貌重建的線掃描彩色共焦量測系統,其係採用空間光調製器(Spatial Light Modulator,SLM)例如:液晶覆矽Liquid Crystal On Silicon,LCoS)或者是多種不同尺寸的濾波元件組合以取代偵測端狹縫,以最直接地量測光譜端隨空間變異的點擴散函數。藉由量測到的空間變異點擴散函 數,結合基反卷積的演算,能夠有效地進行待測物表面影像還原,解決橫向交談的問題。 In order to overcome the lateral interference problem of the aforementioned linear color confocal system, the present invention provides a line scanning color confocal measurement system with global deconvolution surface morphology reconstruction, which uses a spatial light modulator (SLM) such as Liquid Crystal On Silicon (LCoS) or a combination of filter elements of various sizes to replace the detection end slit to most directly measure the point spread function of the spectral end with spatial variation. By measuring the spatially variable point spread function, combined with the calculation of the basis deconvolution, the surface image of the object to be measured can be effectively restored to solve the problem of lateral crosstalk.
在一實施例中,本發明提供一種具有全域反捲積表面形貌重建的線掃描彩色共焦量測系統,包括有產生線形偵測光的光源模組、第一空間濾波器、色散模組以及光譜分析裝置。第一空間濾波器將線形偵測光濾波成線形濾波光。色散模組將線形濾波光色散,以形成色散光投射至待測物上,再反射形成測物光。光譜分析裝置用以接收與解析測物光,光譜分析裝置更具有第二空間濾波器、光譜儀以及運算處理單元。第二空間濾波器對測物光進行濾波以形成濾波測物光。光譜儀接收濾波測物光以產生相應的光譜資訊。運算處理單元具有點擴散函數,運算處理單元接收光譜資訊,並將點擴散函數和光譜資訊進行反捲積演算,以重建該待測物之表面形貌影像。 In one embodiment, the present invention provides a line scanning color confocal measurement system with full-domain back-convolution surface morphology reconstruction, including a light source module that generates linear detection light, a first spatial filter, a dispersion module, and a spectrum analysis device. The first spatial filter filters the linear detection light into linear filtered light. The dispersion module disperses the linear filtered light to form dispersed light that is projected onto the object to be measured and then reflected to form measurement light. The spectrum analysis device is used to receive and analyze the measurement light, and the spectrum analysis device further has a second spatial filter, a spectrometer, and an operation processing unit. The second spatial filter filters the measurement light to form filtered measurement light. The spectrometer receives filtered object measurement light to generate corresponding spectral information. The computational processing unit has a point spread function, receives the spectral information, and performs a deconvolution operation on the point spread function and the spectral information to reconstruct the surface morphology image of the object to be measured.
2:線掃描彩色共焦量測系統 2: Line scanning color confocal measurement system
20:光源模組 20: Light source module
200:發光源 200: Light source
201:準直鏡 201: Collimator
202:調制鏡組 202: Modulation lens set
202a:擴束鏡組 202a: Beam expander set
202b:消色差鏡組 202b: Achromatic lens set
202c、202d:膠合凸透鏡 202c, 202d: laminated convex lens
220:準直鏡組 220: Collimator lens set
221:分光元件 221:Spectroscopic element
222:振鏡元件 222: Vibration mirror element
223:第一掃描鏡組 223: First Scanning Mirror Set
224:色散物鏡 224:Dispersive objective lens
225:第二掃描鏡組 225: Second scanning lens set
226:線性偏振片 226: Linear polarizer
21:第一空間濾波器 21: First Space Filter
22:色散模組 22:Dispersion module
23:光譜分析裝置 23: Spectral analysis device
24:圓柱凹透鏡 24: Cylindrical concave lens
25:擴散片 25: Diffusion film
230:偏極分光元件 230: Polarization beam splitter element
231、231a:第二空間濾波器 231, 231a: Second space filter
2310:濾波板 2310: Filter plate
2311:位置調整元件 2311: Position adjustment element
2312、2313:濾波結構 2312, 2313: Filter structure
2312a:第一針孔陣列 2312a: First pinhole array
2312b:第二針孔陣列 2312b: Second pinhole array
2313a:第一狹縫 2313a: The first narrow seam
2313b:第二狹縫 2313b: The second narrow seam
232:光譜儀 232: Spectrometer
233:運算處理單元 233: Operation processing unit
90:發射出光束 90:Emits a beam of light
91:線形偵測光 91: Linear detection light
92:線形濾波光 92: Linear filter light
93:測物光 93: Measuring object light
94:濾波測物光 94: Filtering the object measurement light
92a:線形色散光 92a: Linear scattered light
920~922:線形色散光 920~922: Linear scattered light
S:待測物 S: Object to be tested
SP:乘載台 SP: Platform
FP:前焦面 FP: front focal plane
4:方法 4: Methods
40~42:步驟 40~42: Steps
400~406:步驟 400~406: Steps
410~418:步驟 410~418: Steps
420~427:步驟 420~427: Steps
圖1為本發明之具有全域反捲積表面形貌重建的線掃描彩色共焦量測系統之一實施例示意圖。 FIG1 is a schematic diagram of an embodiment of the line scanning color confocal measurement system with full-area backconvolution surface topography reconstruction of the present invention.
圖2A為習用平場掃描透鏡光學成像示意圖。 Figure 2A is a schematic diagram of optical imaging using a flat-field scanning lens.
圖2B為F-θ掃描透鏡光學成像示意圖。 Figure 2B is a schematic diagram of optical imaging of the F-θ scanning lens.
圖3A為非平場非遠心光學架構示意圖。圖3B為平場非遠心光學架構示意圖。 Figure 3A is a schematic diagram of a non-flat field non-telecentric optical structure. Figure 3B is a schematic diagram of a flat field non-telecentric optical structure.
圖3C為本發明之色散物鏡在物端遠心光學架構示意圖。 Figure 3C is a schematic diagram of the telecentric optical structure of the dispersive objective lens of the present invention at the object end.
圖4係為本發明具有多種不同尺寸的濾波元件組合所形成的第二空間濾波器之一實施例示意圖。 FIG4 is a schematic diagram of an embodiment of the second spatial filter formed by combining filter elements of various sizes according to the present invention.
圖5A為本發明之線掃描彩色共焦量測方法之一流程示意圖。 Figure 5A is a schematic diagram of a process of the line scanning color confocal measurement method of the present invention.
圖5B為本發明之線掃描彩色共焦量測方法中取得響應曲線之一流程示意圖。 FIG5B is a schematic diagram of a process for obtaining a response curve in the line scanning color confocal measurement method of the present invention.
圖5C為本發明之線掃描彩色共焦量測方法中取得點擴散函數之一流程示意圖。 FIG5C is a schematic diagram of a process for obtaining a point spread function in the line scanning color confocal measurement method of the present invention.
圖6A至6D為本發明之進行點擴散函數取像時控制第二空間濾波器模擬不同針孔位置示意圖。 Figures 6A to 6D are schematic diagrams of controlling the second spatial filter to simulate different pinhole positions when performing point spread function imaging of the present invention.
圖7為本發明之具有全域反捲積表面形貌重建的線掃描彩色共焦量測方法之對待測物進行量測之一流程示意圖。 FIG7 is a schematic diagram of a process of measuring an object to be measured by the line scanning color confocal measurement method with full-area backconvolution surface morphology reconstruction of the present invention.
在下文將參考隨附圖式,可更充分地描述各種例示性實施例,在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而,本發明概念可能以許多不同形式來體現,且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言,提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整,且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。類似數字始終指示類似元件。以下將以多種實施例配合圖式來說明所述線掃描彩色共焦量測系統,然而,下述實施例並非用以限制本發明。 Various exemplary embodiments will be more fully described below with reference to the accompanying drawings, some of which are shown in the accompanying drawings. However, the concepts of the present invention may be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the exemplary embodiments described herein. Rather, these exemplary embodiments are provided so that the present invention will be detailed and complete and will fully convey the scope of the concepts of the present invention to those skilled in the art. Similar numbers always indicate similar elements. The line scan color confocal measurement system will be described below with a variety of embodiments in conjunction with the drawings, however, the following embodiments are not intended to limit the present invention.
請參閱圖1所示,該圖為本發明之具有全域反捲積表面形貌重建的線掃描彩色共焦量測系統之一實施例架構示意圖。在本實施例中,線掃描彩色共焦量測系統2包括有光源模組20、第一空間濾波器21、色散模組22以及光譜分析裝置23。光源模組20包括有發光源200、準直鏡201以及調制鏡組202。在一實施例中,發光源200可以為寬頻光源包含氙燈(Xenon lamp)、發光二極體(light-emitting diode,LED)、鹵素燈(Halogen lamp)、LDLS(laser driven light source)、超連續雷射(super continuum laser),位於450nm~650nm可見光波段
頻譜分布平滑且均勻特性者為較優的光源選擇,但不以此為限制。
Please refer to FIG. 1, which is a schematic diagram of an embodiment of the line scanning color confocal measurement system with global backconvolution surface topography reconstruction of the present invention. In this embodiment, the line scanning color
發光源200發射出光束90先通過準直鏡201準直之後,再經過調制鏡組202,其係用以將準直光束調制成線形偵測光以及調制線形偵測光在線長方向的發散角,並聚焦至第一空間濾波器21。本實施例中,調制鏡組202更包括有擴束鏡組202a以及消色差鏡組202b,其中,通過準直鏡201的光束先通過擴束鏡組202a,再通過消色差鏡組202b以形成線形偵測光91,然後再往待測物方向的光路前進。在本實施例中,擴束鏡組202a為伽利略式擴束器,其係由兩組雙膠合凸透鏡202c、202d組成,用以將光束90直徑放大至量測所需的尺寸。消色差鏡組202b,在本實施例為圓柱透鏡,但不以此為限制。消色差鏡組202b將點光源能量分布調制成聚焦的線形偵測光91,然後導引聚焦線形偵測光91至第一空間濾波器21。在本實施例中,第一空間濾波器21之前更包括有圓柱凹透鏡24以及擴散片25,其中,圓柱凹透鏡24匹配成像所需的數值孔徑,擴散片25確保通過擴散片25之後在第一空間濾波器21上形成複數個具有特定數值孔徑的點光源,發散投射至色散模組22。
The
線形偵測光91通過第一空間濾波器21之後,變成線形濾波光92。在本實施例中,第一空間濾波器21為狹縫結構,但不以此為限制,其結構與形狀是根據量測需求而定。線形濾波光92經由色散模組22投射至待測物,然後反射形成測物光93,再沿著原來光路經由色散模組22導引至光譜分析裝置23。在本實施例中,色散模組22依序包括有準直鏡組220、分光元件221、振鏡元件(galvanometer element)222、第一掃描鏡組(scan lens)223以及色散物鏡224。本實施例中,線形濾波光92被準直鏡組220準直化之後,再被分光元件221分光。本實施例中,分光元件221為非偏極性的分光元件(Non-polarized beam splitter,
NPBS)。
After the linear detection light 91 passes through the first
被分光的線形偵測光再被振鏡元件222反射至第一掃描鏡組223。本實施例中,振鏡元件222透過轉動改變角度θ用以調整線形偵測光的反射角度,以改變投射至待測物S的位置。在本實施例中,振鏡元件222置於第一掃描鏡組223入瞳之處用以接收線形偵測光。振鏡元件222之鏡面大小須配合第一掃描鏡組223之入瞳。由於本實施例使用振鏡元件222,因此在振鏡元件222與色散物鏡224之間加上第一掃描鏡組223以將線形濾波光92聚焦於色散物鏡224之前焦面FP處,然後進入色散物鏡224。此第一掃描鏡組223可視為中繼透鏡(Relay Lens),增加共軛焦點,使系統不受空間限制,便於執行光束掃描。
The split linear detection light is then reflected by the
在本實施例中,第一掃描鏡組223為F-θ掃描透鏡(F-θ Scan Lens)同時具有消除色差與遠心特性的掃描鏡。如圖2A與圖2B所示,其中,圖2A為習用平場掃描透鏡光學成像示意圖;圖2B為F-θ掃描透鏡光學成像示意圖。相較於一般無畸變的平場掃描透鏡100,F-θ掃描透鏡223在設計時,使鏡組具有特定的畸變(Distortion),因此像高(h)變化從h=F * tan θ,變為像高與入射角度成線性關係h=F *θ,其中h為像高,F為掃描透鏡焦距,θ為掃描角度。由於習用平場掃描透鏡100具有平場焦面,但掃描角度與成像位置並不為線性,而是正切關係,h=F* tanθ,當使用一般平場掃描透鏡時,由於像高變化為非線性(F*tanθ),勻速的振鏡運動會造成曝光時間隨著掃描位置(像高)變化。因此,透過使用F-θ掃描透鏡可以解決習用利用平場掃描透鏡而曝光時間隨著掃描位置(像高)變化的問題。
In this embodiment, the first
再回到圖1所示,通過第一掃描鏡組223的線形偵測光,再通過色散物鏡224,使得線形濾波光92色散形成線形色散光92a,其係具有複數道
具有不同聚焦深度的線形色散光920~922投射到一待測物S上,並從該待測物S反射形成線形測物光93。在圖1A中以RGB三色光920~922為代表。在本實施例中,色散物鏡224為雙遠心架構的色散物鏡。在光學中遠心的定義為系統之入瞳或出瞳在無窮遠處,若為入瞳位於無窮遠處,此系統即為物端遠心;若出瞳於無窮遠處,即為像端遠心;兩者都位於無窮遠,則為雙遠心系統,亦即入射與出射光之主光線皆平行於光軸。物端遠心的特性,如圖3A至圖3C所示,其中圖3A為非平場非遠心光學架構示意圖;圖3B為平場非遠心光學架構示意圖;圖3C為本發明之色散物鏡在物端遠心光學架構示意圖。在圖3A中,從掃描透鏡進入色散物鏡224的線形偵測光產生場曲效應,使得線形偵測光上每一道相同波長的色光具有不同的聚焦深度,如圖3A中的曲線99。圖3B中的色散物鏡224雖然具有平場的效果,但是因為兩側離軸光92’因為相對於待測物S表面而言具有入射角度,使得反射測物光93並沒有辦法進入到色散物鏡224,造成量測光資訊的損失。如圖3C所示,本發明之色散物鏡224使所有深度的放大倍率皆相等,且離軸點的場曲的現象較小,因而降低全域式系統的量測誤差。此外,由於每一線性色散光920~922具有複數道子色散光,例如線性色散光920由子色散光9200,9201,9202所構成,線性色散光921由子色散光9210,9211,9212所構成,線性色散光922由子色散光9220,9221,9222所構成。每一子色散光都具有光軸SOA。本發明之色散物鏡,因為具有物端與像端遠心的特點,因此對於每一到子色散光9200~9202,9210~9212,9220~9222而言,其光軸SOA平行於色散物鏡224的中心光軸OA,使得反射自待測物S的測物光,能全部被色散物鏡所接收而返回光學系統內,增加了系統的光效率。
Returning to FIG. 1 , the linear detection light passing through the first
再回到圖1所示,自待測物反射的測物光93依序通過色散物鏡
224、第一掃描鏡組223、振鏡元件222、分光元件221、第二掃描鏡組225以及線性偏振片226。測物光93經過線偏振片226後,幾乎僅剩S偏振態測物光通過。之後,S偏振態測物光再進入光譜分析裝置23。在本實施例中,光譜分析裝置23更包括有偏極分光元件230、第二空間濾波器231、光譜儀232以及運算處理單元233。其中,偏極分光元件230將測物光偏極分光,並反射至第二空間濾波器231,用以對該測物光進行濾波以形成濾波測物光94。在本實施例中,第二空間濾波器231為液晶覆矽Liquid Crystal On Silicon,LCoS)。
Returning to FIG. 1 , the
由於S偏振態測物光垂直於偏極分光元件230的分光界面,而P偏振態測物光平行於分光界面,因此接著大部分的S偏振態測物光被偏極分光元件230反射至第二空間濾波器231,當第二空間濾波器231面板的像素單位處於關閉狀態時,自第二空間濾波器231的面板反射光偏振態不變,仍為S偏振態測物光,再次進入偏極分光元件230則大部分被分光界面反射,無法穿透偏極分光元件230進;反之當像素單位處於開啟狀態時,反射光的偏振態由於液晶排列變化,使其由S偏振態測物光轉為P偏振態測物光,同樣經過偏極分光元件230的分光界面後大部分的光將穿透,進入後續的光譜儀232。光譜儀232接收濾波測物光以產生相應的光譜資訊。在本實施例中,光譜儀232包括有導光元件2320將測物光反射至影像感測元件2321,產生相應的光譜影像傳輸給運算處理單元233。運算處理單元233具有點擴散函數,運算處理單元233接收光譜資訊,並將點擴散函數和光譜資訊進行反捲積演算,以重建該待測物之表面形貌影像。
Since the S-polarized object light is perpendicular to the beam splitting interface of the
要說明的是,第二空間濾波器231除了前述利用LCoS之外,也可以為如圖4所示的方式,其係由多種不同尺寸的濾波元件組合以取代偵測端狹縫,以最直接地量測光譜端隨空間變異的點擴散函數。藉由量測到的空間變異
點擴散函數,結合反卷積的演算,能夠有效地進行待測物表面影像還原,解決橫向交談的問題。在圖4中,第二空間濾波器231a包括有濾波板2310以及位置調整元件2311。濾波板2310具有複數種不同尺寸或形狀的濾波結構2312與2313,例如多種狹縫或者是多種不同直徑的針孔陣列。
It should be noted that, in addition to using LCoS as mentioned above, the second
在一實施例中,狹縫有第一狹縫2313a以及第二狹縫2313b,而針孔陣列,具有第一種孔徑尺寸的第一針孔陣列2312a以及第二種孔徑尺寸的第二針孔陣列2312b,其中第一狹縫2313a的尺寸和第一針孔陣列2312a相應,例如:狹縫寬度等於針孔直徑,第二狹縫2313b的尺寸和第二針孔陣列2312b相應,例如:狹縫寬度等於針孔直徑。在本實施例中,第一針孔陣列2312a具有三列,每個針孔對應一個感測單位,例如:至少一個像素所構成的感測單位,列與列之間錯開一個感測像素的距離;同理第二針孔陣列2312b具有二列,其針孔尺寸比第一針孔陣列2312a的針孔尺寸大,列與列之間錯開一個感測像素的距離。第一與第二針孔陣列2312a與2312b是用來得到線偵測光投射至待測物上時各個量測位置的點擴散函數。列數越多代表針孔孔徑越小,量測待測物表面的解析度就越大。圖4的針孔陣列的列數僅為實施例,並不以該列數為限制。
In one embodiment, the slits include a
而第一與第二狹縫2313a與2313b則是用來實際量測待測物時使用的狹縫。例如,使用第一針孔陣列2312a取得的點擴散函數適用於第一狹縫2313a進行量測時,使用第二針孔陣列2312b取得點擴散函數適用於第二狹縫2313b進行量測時。位置調整元件2311與濾波板2310連接,位置調整元件2311用以調整濾波板2310的位置,使濾波板2310上之其中一種濾波結構接收測物光。在本實施例中,該位置調整元件2311為線性滑軌。
The first and
由於LCoS在偏振態的轉換率未達百分之百,因此在單純的拍攝過 程中會引入額外的背景光。為了解決這個問題,在一實施例中,關閉LCoS進行背景拍攝。在相同的狀態下(即振鏡元件的轉角和掃描深度固定下),進行兩次拍攝。第一次拍攝是在LCoS開啟的狀態下獲取光譜影像,第二次則是將LCoS關閉,以拍攝相。最終,再將這兩者影像的資訊相減,以獲得最終的無背景光的光譜影像。這個步驟確保在進行量測或校正時,得到的光譜影像是不受背景光影響的。 Since the conversion rate of LCoS in polarization state is not 100%, additional background light will be introduced in the simple shooting process. To solve this problem, in one embodiment, the LCoS is turned off for background shooting. Two shots are taken in the same state (i.e., the rotation angle and scanning depth of the galvanometer element are fixed). The first shot is to obtain the spectral image with the LCoS turned on, and the second shot is to take the photo with the LCoS turned off. Finally, the information of the two images is subtracted to obtain the final spectral image without background light. This step ensures that the spectral image obtained is not affected by the background light when measuring or calibrating.
利用圖1的線掃描彩色共焦量測系統進行線掃描彩色共焦量測方法的流程。如圖5A所示,該圖為本發明之線掃描彩色共焦量測方法之一流程示意圖。在本實施例的方法4中,利用圖1所示的系統,首先進行步驟40,建立全域校正光譜。要說明的是,因為真實系統內光學元件之距離、傾斜、對心等並非完美,遠心性與場曲等像差的產生為必然,因此量測可視範圍(field of view,FOV)的光學表現並非一致,針對不同量測點之全域校正為必然的手段。因此,透過步驟40以鏡面作為待測物,可以建立不同深度下全域校正光譜。
The process of performing the line scan color confocal measurement method using the line scan color confocal measurement system of FIG1. As shown in FIG5A, the figure is a schematic diagram of a process of the line scan color confocal measurement method of the present invention. In
在步驟40的一實施例中,流程係如圖5B所示。在圖5B中,首先進行步驟400,使第二空間濾波器231調制成狹縫結構。在本步驟中,因為第二空間濾波器採用LCoS,因此可以透過訊號控制讓第二空間濾波器231模擬出狹縫結構,亦即狹縫區域的像素單位為開,其餘地方的像素單位為關閉的狀態。之後,進行步驟401,使乘載待測物的乘載台SP移動到一深度。然後,進行步驟402對待測物進行掃描,取得對應深度下,對應不同掃描位置的多張掃描影像,每一張掃描影像具有相應該掃描位置的光譜資訊。在步驟402中,待測物為鏡面結構,而控制掃描的位置的方式為改變振鏡元件222的角度,使得線形色散光92a對待測物進行掃描,每一個掃描位置都可以取得一張掃描影像。因此進行待測
物S的平面掃描之後,可以得到多張掃描影像。之後,進行步驟403,取得在該深度下,對應不同掃描位置的多張背景光譜影像,這是由於LCoS利用偏振態分光的效果有限,將引入的雜散光與背景光,因此需記錄當狹縫關閉時的訊號並與原影像作相減,得到理論背景灰階值為0的影像。在步驟403中,首先控制第二空間濾波器231關閉狹縫,然後改變振鏡元件222的角度,使得線形色散光92a對待測物進行掃描,以獲得多張不同掃描位置的背景光譜影像。
In an embodiment of
之後,進行步驟404,取得在該深度下不同掃描位置去背之後去背光譜影像。在步驟404中,是將步驟402的對應不同掃描位置的多張掃描影像的光譜資訊以及步驟403中對應不同掃描位置的多張背景光譜影像的背景光譜資訊相減,以得到多張對應不同掃描位置的多張去背光譜影像。例如,在一實施例中,步驟402得到對應位置A~C的三張掃描影像,步驟403也得到對應位置A~C的三張背景光譜影像,則在步驟404中,將對應位置A的掃描影像與背景光譜影像相減,得到對應位置A的去背光譜影像,同理,位置B與位置C也是同樣處理,因此在步驟404中就可以得到對應位置A~C的三張去背光譜影像。之後進行步驟405,確認是否完成深度掃描,如果沒有,則進行步驟406改變至下一深度,然後再重複進行步驟401~步驟405,反覆進行至完成所有深度掃描為止。要說明的是,系統的校正流程以鏡面作為待測物,在圖5B的流程之下,可以得到不同深度下,全域校正光譜影像蒐集。
Then, step 404 is performed to obtain the background-removed spectral images at different scanning positions at the depth. In
再回到步驟圖5A所示,步驟40之後,進行步驟41,建立關於第二濾波器上每一感測位置的點擴散函數。點擴散函數獲取流程是透過第二空間濾波器231(本實施例為LCoS)模擬演針孔陣列的角色,以面鏡作為待測物來進行。在步驟41中,如圖5C所示,該圖為本發明之建議點擴散函數之一實施例流程示
意圖。在本實施例中,首先進行步驟410,使第二空間濾波器231虛擬出針孔陣列。步驟410的實施例中,如圖6A所示,第二空間濾波器231根據控制訊號模擬出一維針孔陣列,本實施例為16個針孔,但不以此為限制。接著進行步驟411,控制第二空間濾波器231從針孔陣列中打開多個針孔,其中任兩個開啟的針孔之間具有至少一個關閉的針孔。在步驟411中,如圖6B所示,先打開編號位置1、4、7、10、13、16的針孔。
Returning to step 5A, after
接著進行步驟412,移動鏡面至初始的深度,然後進行步驟413,擷取該深度下的測試光譜影像,其中每一測試光譜影像係為將對應步驟411的針孔陣列的影像以及關閉步驟411的針孔得到的背景光譜影像相減之後所得到的影像。在本步驟中,包含了(1)透過圖1的光學系統中的線形色散光92a投射到鏡面待測物上,形成的測物光進入到如圖6B所示的第二空間濾波器231,再被光譜儀23進行取像。之後,再進行(2)關閉圖6B的針孔得到相應的背景光譜影像。在另一實施例中,可以進行前述(1)與(2)的程序複數次,然後每次的(1)與(2)所得的影像的光譜資訊相減之後,形成多組測試光譜影像,最後再將多組測試光譜影像進行平均,作為步驟413的測試光譜影像。步驟413之後,進行步驟414,確認是否完成所有針孔的測試光譜影像。如果還沒有,則進行步驟415改變針孔的位置,再重複前述步驟413~414。在本步驟中,如圖6C與圖6D所示,透過變更針孔的位置,可以得到全部針孔關於點擴散函數的測試光譜影像。
Then, step 412 is performed to move the mirror to the initial depth, and then step 413 is performed to capture the test spectrum image at the depth, wherein each test spectrum image is obtained by subtracting the image of the pinhole array corresponding to step 411 and the background spectrum image obtained by closing the pinhole in
要說明的是,前述步驟413是以LCoS做為第二空間濾波器時的例子,在另一實施例中,如果是使用圖4的方式,進行步驟413時,以圖4的第一針孔陣列2312a為例,先將第一針孔陣列2312a的第一列R1移到感測位置,然後進行(1)透過圖1的光學系統中的線形色散光92a投射到鏡面待測物上,形成的測物
光進入到如圖4所示的第二空間濾波器231a的第一針孔陣列2312a的第一列R1,再被光譜儀23進行取像。之後,再進行(2)關閉圖4的針孔,例如將圖4中第二空間濾波器231a上沒有針孔的區域移動到感測位置,以得到相應的背景光譜影像。在另一實施例中,可以進行前述(1)與(2)的程序複數次,然後每次的(1)與(2)所得的影像的光譜資訊相減之後,形成多組測試光譜影像,最後再將多組測試光譜影像進行平均,作為步驟413的測試光譜影像。步驟413之後,進行步驟414,確認是否完成所有針孔的測試光譜影像。如果還沒有,則進行步驟415改變針孔的位置,也就是將第一針孔陣列2312a的第二列R2移動到感測位置,再重複前述步驟413~414。接著,進行步驟415改變針孔的位置,也就是將第一針孔陣列2312a的第三列R3移動到感測位置,再重複前述步驟413~414,得到全部針孔關於點擴散函數的測試光譜影像。
It should be noted that the
如果步驟414中確認已經完成了所有針孔的測試光譜影像,則進行步驟416,確認是否完成所有深度的取像,如果還沒有,則進行步驟417改變鏡面待測物至下一個深度,然後再回到步驟413。要說明的是在步驟416中,因為要取得在新的深度下,相應該深度的測試光譜影像,因此第二空間濾波器231的針孔會從新變更到如圖6B的狀態,然後重新進行步驟413-415取像。反之,如果在步驟416確認已經完成所有的深度,則進行步驟418完成所有在不同深度下關於點擴散函數的取像,並儲存所有的測試光譜影像。要說明的是,前述取得點擴散函數的實施例,係以同一深度上的待測物表面上的一維方向的量測位置取得的多個點擴散函數作為不同掃描位置的點擴散函數,這種方式是可以減少演算需要的資源以及減少演算所需的時間,加快量測速度。不過,如果考慮到不同掃描線上可能因為離軸而影響點擴散函數而影響量測精度,因此,在另一
實施例中,在步驟415與416之間,更可以包括改變振鏡元件222的角度,將線形偵測光調整到不同掃描位置,然後重複進行前述步驟413-415取得二維的點擴散函數,如此可以增加量測表面形貌的精度。
If it is confirmed in
再回到圖5A所示,取得針孔陣列的點擴散函數影像之後,則進行步驟42,對待測物進行量測。在步驟42的一實施例中,流程係如圖7所示。在圖7中,首先進行步驟420,使第二空間濾波器231調制成狹縫結構。在本步驟中,因為第二空間濾波器採用LCoS,因此可以透過訊號控制讓第二空間濾波器231模擬出狹縫結構。之後,進行步驟421對待測物進行掃描,取得目前掃描位置的掃描影像。接下來進行步驟422,取得目前位置的背景光譜影像。在步驟422中,運算處理單元233控制第二空間濾波器231關閉狹縫,使得光譜儀感測到當前位置的背景光譜影像。之後,進行步驟423,取得在當位置的去背光譜影像。在步驟423中,是將步驟421的的掃描影像以及步驟422中對應掃描位置背景光譜影像相減,以得到對應當前掃描位置的去背光譜影像。
Returning to FIG. 5A , after obtaining the point spread function image of the pinhole array,
之後進行步驟424,確認是否完成深度掃描,如果沒有,則進行步驟425改變至下一掃描位置,然後再重複進行步驟421~步驟423,反覆進行至完成所有深度掃描為止。要說明的是,在步驟425中,控制掃描的位置的方式為改變振鏡元件222的角度,使得線形色散光92a對待測物進行掃描。當步驟424確定已經完成所有掃描之後,進行步驟426,運算處理單元將前面步驟對待測物表面掃描所得到的多張去背光譜影像與步驟41所得到的對應不同針孔位置的測試光譜影像進行反摺積演算,再進行步驟427根據步驟40的響應曲線,決定出待測物的表面形貌。
Then, step 424 is performed to confirm whether the depth scan is completed. If not, step 425 is performed to change to the next scanning position, and then steps 421 to 423 are repeated until all depth scans are completed. It should be noted that in
綜合上述,本發明採用空間光調製器,例如:液晶覆矽或者是多 種不同尺寸的濾波元件組合,以取代偵測端狹縫,以最直接地量測光譜端隨空間變異的點擴散函數。藉由量測到的空間變異點擴散函數,結合基反卷積的演算,能夠有效地進行待測物表面影像還原,解決橫向交談的問題。 In summary, the present invention uses a spatial light modulator, such as liquid crystal on silicon or a combination of filter elements of various sizes, to replace the detection end slit to most directly measure the point spread function of the spectral end that varies with space. By combining the measured spatially varied point spread function with the calculation of the basis deconvolution, the surface image of the object to be tested can be effectively restored to solve the problem of lateral crosstalk.
以上所述,乃僅記載本發明為呈現解決問題所採用的技術手段之較佳實施方式或實施例而已,並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符,或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾,皆為本發明專利範圍所涵蓋。 The above only records the preferred implementation methods or examples of the technical means adopted by the present invention to solve the problem, and is not used to limit the scope of implementation of the present invention. That is, all equivalent changes and modifications that are consistent with the scope of the patent application of the present invention or made according to the scope of the patent of the present invention are covered by the scope of the patent of the present invention.
2:線掃描彩色共焦量測系統 2: Line scanning color confocal measurement system
20:光源模組 20: Light source module
200:發光源 200: Light source
201:準直鏡 201: Collimator
202:調制鏡組 202: Modulation lens set
202a:擴束鏡組 202a: Beam expander set
202b:消色差鏡組 202b: Achromatic lens set
202c、202d:膠合凸透鏡 202c, 202d: laminated convex lens
220:準直鏡組 220: Collimator lens set
221:分光元件 221:Spectroscopic element
222:振鏡元件 222: Vibration mirror element
223:第一掃描鏡組 223: First Scanning Mirror Set
224:色散物鏡 224:Dispersive objective lens
225:第二掃描鏡組 225: Second scanning lens set
226:線性偏振片 226: Linear polarizer
21:第一空間濾波器 21: First Space Filter
22:色散模組 22:Dispersion module
23:光譜分析裝置 23: Spectral analysis device
230:偏極分光元件 230: Polarization beam splitter element
231:第二空間濾波器 231: Second Space Filter
232:光譜儀 232: Spectrometer
233:運算處理單元 233: Operation processing unit
24:圓柱凹透鏡 24: Cylindrical concave lens
25:擴散片 25: Diffusion film
90:發射出光束 90:Emits a beam of light
91:線形偵測光 91: Linear detection light
92:線形濾波光 92: Linear filter light
93:測物光 93: Measuring object light
94:濾波測物光 94: Filtering the object measurement light
92a:線形色散光 92a: Linear scattered light
920~922:線形色散光 920~922: Linear scattered light
S:待測物 S: Object to be tested
SP:乘載台 SP: Platform
FP:前焦面 FP: Front focal plane
Claims (8)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW113137337A TWI886056B (en) | 2024-09-30 | 2024-09-30 | Line-scan chromatic confocal system having full-field deconvolution for reconstructing surface profile |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW113137337A TWI886056B (en) | 2024-09-30 | 2024-09-30 | Line-scan chromatic confocal system having full-field deconvolution for reconstructing surface profile |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| TWI886056B true TWI886056B (en) | 2025-06-01 |
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ID=97227491
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| TW113137337A TWI886056B (en) | 2024-09-30 | 2024-09-30 | Line-scan chromatic confocal system having full-field deconvolution for reconstructing surface profile |
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|---|---|
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20190319036A1 (en) * | 2005-10-11 | 2019-10-17 | Apple Inc. | Method and system for object reconstruction |
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2024
- 2024-09-30 TW TW113137337A patent/TWI886056B/en active
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