TWI500963B - An image capturing device and method - Google Patents

Description

一種取像裝置與方法

本發明係關於一種取像裝置與取像方法，尤指一種具有單色與彩色影像感測裝置，且可獲得待測物之單色或彩色立體輪廓圖與單色或彩色平面清晰圖像之取像裝置與取像方法。

習知技術之三維顯微取像通常是利用干涉系統來達成，然而，由於在取像時所得到之影像中會含有明顯的干涉條紋，因此雖然能夠藉由干涉系統來取得待測物的立體輪廓，但卻無法直接對含有干涉條紋的影像進行二維尺寸的量測與瑕疵檢測。

為了解決上述的問題，目前較為新穎的解決方式有兩種，一種係利用相移法，另一種則利用校正方法達成。請參閱第一圖，第一圖係為習知技術之影像擷取裝置結構。影像擷取裝置100係包含一光源11、分光單元12、干涉鏡組13、黑白相機14與致動器15，藉以對待測物200做垂直掃描。

光源11係可產生光束31。分光單元12係可反射光束31，以形成反射光束32。干涉鏡組13係可藉由反射參考面131將反射光束32調製成參考光束33以及量測光束34，量測光束34入射至待測物200上之表面，並反射至干涉鏡組13與參考光束33合光後形成干涉光束35，干涉光束35再穿透分光單元12至黑白相機14以產生影像。

在掃描的過程中，連結於干涉鏡組13之致動器15係帶動干涉鏡組13，藉以於不同的掃描高度對待測物200進行掃描，並因此得到一系列的干涉影像，這一系列的干涉影像可以藉由運算的方式獲得待測物200的立體圖像，然而清晰的二維圖像則必須依靠組合運算，取出影像中直流的成份後，以消除干涉條紋的影響，此即為相移法。然而藉由相移法所取得的二維圖像並沒有顏色的資訊，因此所求得之待測物200二維圖像係為黑白圖像，且由於顯微取像所取得之影像景深非常淺，因此所取得之二維圖像中，僅有對應到掃描高度處的待測物200輪廓是清楚的，其他地方則是模糊的。

而利用校正方法來取得清晰二維圖像的方式則是於黑白相機14上連結致動器16，並且在影像擷取裝置100完成一系列干涉影像的擷取動作，並得到待測物200的立體輪廓圖像後，再藉由致動器16移動黑白相機14以校正影像擷取裝置100的成像位置，藉以得到待測物200的清晰二維圖像。

由於利用校正方法來取得清晰二維圖像的方式必須將立體輪廓圖像與二維圖像分開擷取，因此會使整個取像過程增加多餘的動作，且二維圖像之景深過淺的問題以及沒有顏色資訊的問題亦同樣會發生在此取像方法中。

緣此，本發明之主要目的係提供一種取像裝置與取像方法，此取像裝置係具有一台單色影像感測裝置與另一台單色或彩色影像感測裝置，並可於取像過程中分別擷取單色干涉影像與清晰的無干涉影像，以透過本發明之取像方法於複數個掃描位置取像後，進行瑕疵檢測或得到彩色平面清晰圖像與彩色立體輪廓圖像。

一種取像裝置，係用以對待測物進行掃描，此取像裝置係包含光源、第一分光元件、顯微物鏡組、第二分光元件、單色影像感測裝置以及影像感測裝置。光源係用以發射照射光束；第一分光元件係用以反射照射光束；顯微物鏡組係設置於待測物之上方，包含反射參考面，並用以將照射光束調製成量測光束與參考光束，量測光束係投射至待測物之表面，並產生反射至顯微物鏡組之第一反射光束，參考光束係投射至反射參考面，並產生反射至顯微物鏡組之第二反射光束，且第一反射光束與第二反射光束係合成穿透第一分光元件之工作光束；第二分光元件係設置於第一分光鏡之上方，用以將工作光束分成第一子光束與第二子光束；單色影像感測裝置係設置於第一子光束之行進路線上，以接收第一子光束，並在第一子光束之第一干涉區域內，擷取單色干涉影像；影像感測裝置係設置於第二子光束之行進路線上，以接收第二子光束，並在第二子光束之第二干涉區域外，擷取無干涉影像。

於本發明之一較佳實施例中，取像裝置更包含致動器，此致動器係耦接於顯微物鏡組。

於本發明之另一較佳實施例中，取像裝置更包含反射元件，用以將該第二分光元件所分出之該第二子光束反射至影像感測裝置。

於本發明之另一較佳實施例中，影像感測裝置係具有延伸環，藉以調整彩色影像感測裝置之取像焦點。

於本發明之另一較佳實施例中，影像感測裝置係可以為彩色影像感測裝置。

本發明更揭露一種取像方法，係利用如上所述之取像裝置對待測物進行垂直掃描，此取像方法係包括以下步驟：將顯微物鏡組依序垂直移動至複數個掃描位置；由單色影像感測裝置接收第一子光束，以對應上述掃描位置而得到待測物一序列之單色干涉影像；由影像感測裝置接收第二子光束，以對應上述掃描位置而得到待測物一序列之無干涉影像；對一序列之單色干涉影像進行表面輪廓還原運算，以得到待測物之單色立體輪廓圖像；對一序列之無干涉影像進行清晰度聚焦運算，將該序列之無干涉影像中之複數個清晰部份擷取出，藉以合成待測物之平面清晰圖像。

於本發明之一較佳實施例中，影像感測裝置可以是彩色影像感測裝置，且取像方法更可以包括自平面清晰圖像擷取顏色-位置資訊，並利用顏色-位置資訊對單色立體輪廓圖像進行顏色套用運算，以得到彩色立體輪廓圖像。

相較於習知之取像裝置與取像方法，本發明藉由設置單色影像感測裝置與彩色影像感測裝置，並藉由第二分光元件使單色影像感測裝置與彩色影像感測裝置能夠同時分別擷取單色干涉影像與彩色影像，因此能夠在複數個掃描位置取像後，同時得到彩色平面清晰圖像與彩色立體輪廓圖像。

換以言之，其可以在不增加取像動作的前提下，取得具有彩色資訊的立體輪廓圖像，並得到具有彩色資訊且景深較深的彩色平面清晰圖像。

本發明所採用的具體實施例，將藉由以下之實施例及圖式作進一步之說明。

本發明係關於一種取像裝置與取像方法，尤指一種具有單色與彩色影像感測裝置，且可同時獲得待測物之彩色平面清晰圖像與彩色立體輪廓圖像之取像裝置與取像方法。以下茲列舉一較佳實施例以說明本發明，然熟習此項技藝者皆知此僅為一舉例，而並非用以限定發明本身。有關此較佳實施例之內容詳述如下。

請參閱第二圖與第三圖，第二圖係為本發明之取像裝置示意圖，第三圖係為係為本發明之取像裝置機構圖。本發明之取像裝置400，係用以對待測物200進行掃描，取像裝置400係包含光源41、第一分光元件42、顯微物鏡組43、第二分光元件44、單色影像感測裝置45以及影像感測裝置46。光源41係用以發射照射光束51；第一分光元件42係用以反射照射光束51。

顯微物鏡組43係設置於待測物200之上方，包含反射參考面431，並用以將照射光束51調製成量測光束52與參考光束53，量測光束52係投射至待測物200之表面，並產生反射至顯微物鏡組43之第一反射光束54，參考光束53係投射至反射參考面431，並產生反射至顯微物鏡組43之第二反射光束55，且第一反射光束54與第二反射光束55係合成穿透第一分光元件42之工作光束56；其中，取像裝置400更可以包含致動器47，此致動器47係耦接於顯微物鏡組43，藉以改變顯微物鏡組43之掃描位置；此外，顯微物鏡組43可以是由干涉顯微物鏡以及一般的顯微物鏡所組成，然此結構係為一般取像裝置所慣用之結構，因此在本發明中不多加限制與贅述。

第二分光元件44係設置於第一分光元件42之上方，用以將工作光束56分成第一子光束57與第二子光束58；單色影像感測裝置45係設置於第一子光束57之行進路線上，以接收第一子光束57，並在第一子光束57之第一干涉區域內，擷取單色干涉影像；其中，所謂第一干涉區域係特指能夠使第一反射光束54與第二反射光束55產生干涉的取像區域。

影像感測裝置46係設置於第二子光束58之行進路線上，以接收第二子光束58，並在第二子光束58之第二干涉區域外，擷取無干涉影像；其中，所謂第二干涉區域係特指能夠使第一反射光束54與第二反射光束55產生干涉的取像區域；其中，於本發明之一較佳實施例中，取像裝置400更可以包含反射元件48，用以將第二分光元件44所分出之第二子光束58反射至影像感測裝置46；除此之外，影像感測裝置46更可以具有延伸環(圖未示)，藉以調整影像感測裝置46之取像焦點；更進一步，於本發明之較佳實施例中，影像感測裝置46可以是彩色影像感測裝置亦可以是單色影像感測裝置，藉以分別擷取彩色或單色的無干涉影像。

請參考第四圖，第四圖係為本發明之取像方法步驟圖。本發明更揭露一種取像方法，係利用如上所述之取像裝置400對待測物200進行相對位置掃描，此取像方法係包括以下步驟：

S101：將顯微物鏡組43依序移動至複數個掃描位置；接著，由單色影像感測裝置45接收第一子光束57，以對應上述掃描位置而得到待測物200一序列之單色干涉影像；同時，由影像感測裝置46接收第二子光束58，以對應上述掃描位置而得到待測物200一序列之無干涉影像。

S103：對所取得之一序列之單色干涉影像進行表面輪廓還原運算，以得到待測物200之單色立體輪廓圖像；此步驟所得到之單色立體輪廓圖像即為習知技術之取像方法所能取得的單色立體輪廓圖像。

S105：對所取得之一序列之無干涉影像進行清晰度聚焦運算，將該序列之無干涉影像中之複數個清晰部份擷取出，藉以合成待測物200之平面清晰圖像；其中，由於影像感測裝置46是在第二子光束58之第二干涉區域外擷取無干涉影像，因此每一張無干涉影像都不具有干涉條紋，而所謂清晰度聚焦運算則是對每一張無干涉影像做處理，將每一張無干涉影像於景深內之清晰部份擷取出，藉以合成一張景深較深的平面清晰圖像。

S107：當影像感測裝置46是彩色影像感測裝置時，本發明之取像方法更可以自平面清晰圖像中擷取顏色-位置資訊，並利用顏色-位置資訊對單色立體輪廓圖像進行顏色套用運算，以得到彩色立體輪廓圖像。

請繼續參閱第五圖、第六圖與第七圖，第五圖係為本發明實際單色干涉影像之取像結果圖，第六圖係為本發明實際無干涉影像之取像結果圖，第七圖係為本發明還原待測物之立體結果圖，可以清楚發現，相較於習知之取像裝置100與取像方法，本發明藉由設置單色影像感測裝置45與影像感測裝置46，並藉由第二分光元件44使單色影像感測裝置45與影像感測裝置46能夠同時分別擷取單色干涉影像與無干涉影像，因此能夠在複數個掃描位置取像後，同時得到平面清晰圖像與單色立體輪廓圖像，且當影像感測裝置46是彩色影像感測裝置時，更可以獲得彩色平面清晰圖像與彩色立體輪廓圖像。

換以言之，本發明可以在不增加取像動作的前提下，同時取得具有彩色資訊的立體輪廓圖像，以及具有彩色資訊且景深較深的彩色平面清晰圖像，相較於習知之取像裝置100與取像方法，能夠獲得更多關於待測物200之參考資訊。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。

100．．．影像擷取裝置

11．．．光源

12．．．分光單元

13．．．干涉鏡組

131．．．反射參考面

14．．．黑白相機

15．．．致動器

16．．．致動器

200．．．待測物

31．．．光束

32．．．反射光束

33．．．參考光束

34．．．量測光束

35．．．干涉光束

400．．．取像裝置

41．．．光源

42．．．第一分光元件

43．．．顯微物鏡組

431．．．反射參考面

44．．．第二分光元件

45．．．單色影像感測裝置

46．．．影像感測裝置

47．．．致動器

48．．．反射元件

51．．．照射光束

52．．．量測光束

53．．．參考光束

54．．．第一反射光束

55．．．第二反射光束

56．．．工作光束

57．．．第一子光束

58．．．第二子光束

第一圖係為習知技術之影像擷取裝置結構；

第二圖係為本發明之取像裝置示意圖；

第三圖係為本發明之取像裝置機構圖；

第四圖係為本發明之取像方法步驟圖。

第五圖係為本發明實際單色干涉影像之取像結果圖

第六圖係為本發明實際無干涉影像之取像結果圖

第七圖係為本發明還原待測物之立體結果圖

200．．．待測物

400．．．取像裝置

41．．．光源

42．．．第一分光元件

43．．．顯微物鏡組

431．．．反射參考面

44．．．第二分光元件

45．．．單色影像感測裝置

46．．．影像感測裝置

47．．．致動器

48．．．反射元件

51．．．照射光束

52．．．量測光束

53．．．參考光束

54．．．第一反射光束

55．．．第二反射光束

56．．．工作光束

57．．．第一子光束

58．．．第二子光束

Claims (7)

1. 一種取像裝置，係用以對一待測物進行掃描，該取像裝置係包含：一光源，係用以發射一照射光束；一第一分光元件，係用以反射該照射光束；一顯微物鏡組，係具有一干涉鏡組，且該顯微物鏡組係在複數個掃描位置間可調整地設置於該待測物之上方，包含一反射參考面，並用以將該照射光束調製成一量測光束與一參考光束，該量測光束係投射至該待測物之表面，並產生反射至該顯微物鏡組之第一反射光束，該參考光束係投射至該反射參考面，並產生反射至該顯微物鏡組之第二反射光束，且該第一反射光束與該第二反射光束係合成一穿透該第一分光元件之工作光束；一第二分光元件，係設置於該第一分光元件之上方，用以將該工作光束分成一第一子光束與一第二子光束；一單色影像感測裝置，係設置於該第一子光束之行進路線上，以接收該第一子光束，並在該第一子光束之一第一干涉區域內，擷取一具有干涉條紋之單色干涉影像，該第一干涉區域係對應於該顯微物鏡組位於該些掃描位置其中之一第一掃描位置；以及一影像感測裝置，係設置於該第二子光束之行進路線上，以接收該第二子光束，並在該第二子光束之一第二干涉區域外，擷取一不具有干涉條紋之無干涉影 像，該第二干涉區域係對應於該顯微物鏡組位於該些掃描位置其中之一第二掃描位置。
2. 如申請專利範圍第1項所述之取像裝置，更包含一致動器，該致動器係耦接於該顯微物鏡組。
3. 如申請專利範圍第1項所述之取像裝置，更包含一反射元件，用以將該第二分光元件所分出之該第二子光束反射至該影像感測裝置。
4. 如申請專利範圍第1項所述之取像裝置，其中，該影像感測裝置係具有一延伸環，藉以調整該影像感測裝置之取像焦點。
5. 如申請專利範圍第1項所述之取像裝置，其中，該影像感測裝置係為一單色影像感測裝置與一彩色影像感測裝置中之任意一者。
6. 一種取像方法，係利用如申請專利範圍第1項所述之取像裝置對該待測物進行相對位置掃描，該取像方法係包括以下步驟：製備一取像裝置，包含：一光源，係用以發射一照射光束；一第一分光元件，係用以反射該照射光束；一顯微物鏡組，係具有一干涉鏡組，且該顯微物鏡組係在複數個掃描位置間可調整地設置於該待測物之上方，包含一反射參考面，並用以將該照射光束調製成一量測光束與一參考光束，該量測光束係投射至該待測物之表面，並產生反射至該顯微物鏡組之 第一反射光束，該參考光束係投射至該反射參考面，並產生反射至該顯微物鏡組之第二反射光束，且該第一反射光束與該第二反射光束係合成一穿透該第一分光元件之工作光束；一第二分光元件，係設置於該第一分光元件之上方，用以將該工作光束分成一第一子光束與一第二子光束；一單色影像感測裝置，係設置於該第一子光束之行進路線上，以接收該第一子光束，並在該第一子光束之一第一干涉區域內，擷取一具有干涉條紋之單色干涉影像，該第一干涉區域係對應於該顯微物鏡組位於該些掃描位置其中之一第一掃描位置；以及一影像感測裝置，係設置於該第二子光束之行進路線上，以接收該第二子光束，並在該第二子光束之一第二干涉區域外，擷取一不具有干涉條紋之無干涉影像，該第二干涉區域係對應於該顯微物鏡組位於該些掃描位置其中之一第二掃描位置；將該顯微物鏡組依序移動至複數個掃描位置；由該單色影像感測裝置接收該第一子光束，以對應該等掃描位置而得到該待測物一序列之單色干涉影像；由該影像感測裝置接收該第二子光束，以對應該等掃描位置而得到該待測物一序列之無干涉影像；對該序列之單色干涉影像進行一表面輪廓還原運算，以得到該待測物之一單色立體輪廓圖像； 對該序列之無干涉影像進行一清晰度聚焦運算，將該序列之無干涉影像中之複數個清晰部份擷取出，藉以合成一平面清晰圖像。
7. 如申請專利範圍第6項所述之取像方法，當該影像感測裝置為一彩色影像感測裝置時，該取像方法更包括自該平面清晰圖像擷取一顏色-位置資訊，並利用該顏色-位置資訊對該單色立體輪廓圖像進行一顏色套用運算，以得到一彩色立體輪廓圖像。