專利名稱：多彩離軸數(shù)字全像系統(tǒng)及其成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多彩離軸數(shù)字全像系統(tǒng)及其成像方法，特別是涉及一種以 紅色、綠色、藍(lán)色三發(fā)光二極管作為光源，并搭配彩色取像組件的全像系統(tǒng)及 其成像方法。
背景技術(shù)：
光學(xué)測(cè)量具有非接觸性以及高分辨率的特性，在檢測(cè)相關(guān)工程應(yīng)用上扮演 著相當(dāng)重要的角色，而數(shù)字全像術(shù)為光學(xué)測(cè)量其中一種方式；數(shù)字全像術(shù)使用 CCD(Charge Coupled device,電荷耦合組件)做為記錄影像的工具，僅需拍攝 一張圖像即可記錄拍攝物體信息，免除了傳統(tǒng)全像術(shù)底片沖洗復(fù)雜過(guò)程，再搭 配計(jì)算機(jī)高速計(jì)算能力，可快速分析全像片得到重建結(jié)果，進(jìn)而得知物體的三 維表面輪廓；此外，數(shù)字全像術(shù)可以改善傳統(tǒng)光學(xué)測(cè)量需要逐點(diǎn)掃瞄(SEM)或 逐層掃描(白光干涉儀)所花費(fèi)的時(shí)間，因此非常適合于工廠生產(chǎn)在線的測(cè)量。
數(shù)字全像術(shù)可分為兩種架構(gòu)， 一為同軸數(shù)字全像，另一種為離軸數(shù)字全像， 兩種共同處為使用CCD做為記錄圖像裝置，將全像片利用程序重建，重建后圖 像包含了實(shí)像、虛像與參考光直流項(xiàng)(DC term);同軸數(shù)字全像大多是使用相 移法將虛像及直流項(xiàng)移除，再代入重建程序中，但因?yàn)橄嘁品ㄐ柘扰牡萌龔堃?上的全像片，造成測(cè)量時(shí)花費(fèi)的時(shí)間變長(zhǎng)；而離軸數(shù)字全像則是利用參考光與 光軸呈一夾角，拍攝一張全像片代入重建程序中，因?yàn)閵A角的關(guān)系會(huì)造成重建 后實(shí)像、虛像和直流項(xiàng)會(huì)分開(kāi)，與同軸相比僅需要一張全像片即可口用程序重 建，但參考光夾角參數(shù)正確與否會(huì)影響重建結(jié)果，且參考光夾角受限于CCD 像素大小(Pixel size)。
再有，公知數(shù)字全像術(shù)均采用單波長(zhǎng)光源作為照明，使得數(shù)字重建時(shí)有其 高度限制，也就是，若待測(cè)物體高度超出光源波長(zhǎng)一半時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生相位混淆 的狀況；再由于采用單色CCD， 一次僅能記錄一張全像片，因此必須分別針對(duì) R、 G、 B三色記錄三張全像片，再將三張不同波長(zhǎng)全像片重建后帶入算法以消除相位混淆，其處理步驟不僅復(fù)雜與困難，也使得測(cè)量速度無(wú)法有效提升。
已公開(kāi)文獻(xiàn)及公知專利，例如，2003年MyungL Kim和S. De Nicola等 人提出論文，其使用兩個(gè)以上波長(zhǎng)做為光源，用于離軸數(shù)字全像術(shù)或數(shù)字全像 顯微術(shù)上，記錄得到兩張以上的全像圖形，利用兩張以上全像圖形經(jīng)由數(shù)值運(yùn) 算降低相位混淆的現(xiàn)象，增加不會(huì)產(chǎn)生相位混淆的物體表面深度變化范圍。
2004年Lingfeng Yu和M. K. Kim等人提出論文，其使用三色LED做為光 源采用同軸數(shù)字全像顯微術(shù)，利用phase shifting方式重建物體輪廓并實(shí)際 用于生物細(xì)胞的測(cè)量上。
2007年MyungK. Kim和N. Warnasooriya等人提出論文，其使用多波段 的LED作為全像照明光源，并且經(jīng)由兩次合成波長(zhǎng)運(yùn)算后，軸向深度可以達(dá)到 7.84微米而不產(chǎn)生相位混淆。
此夕卜，美國(guó)發(fā)明專利6809845號(hào)"Phase imaging using multi-wavelength digital holography"，該案揭露一種雙波長(zhǎng)激光光全像術(shù)，可增大軸向測(cè)量 距離，并減少因子值運(yùn)算降低相位混淆時(shí)的噪聲。
依據(jù)上述文獻(xiàn)及專利可知，公知應(yīng)用于測(cè)量方面的多彩數(shù)字全像技術(shù)，其 目的均在于解決相位混淆問(wèn)題，且由于均使用黑白CCD，因此一次僅能記錄一 張?zhí)囟úㄩL(zhǎng)的全像片，因此必須重復(fù)拍攝不同波長(zhǎng)的全像片，導(dǎo)致處理步驟復(fù) 雜困難，測(cè)量速度也無(wú)法有效提升。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種多彩離軸數(shù)字全像系統(tǒng)及其成像方法，每拍攝 一張照片即可包含三種不同波長(zhǎng)的全像片，可有效解決相位混淆問(wèn)題，提升測(cè) 量速度。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種多彩離軸數(shù)字全像系統(tǒng)及其成像方 法，該系統(tǒng)包含數(shù)個(gè)發(fā)光二極管、 一干涉物鏡組、 一彩色取像組件及一處理單 元；該數(shù)個(gè)發(fā)光二極管可提供R(紅色)、G(綠色)及B(藍(lán)色)光束；該干涉物鏡 組可接收R、 G、 B光束形成帶有干涉信號(hào)的光束；該彩色取像組件可接收該帶 有干涉信號(hào)的光束并于彩色取像組件表面形成全像干涉，由該彩色取像組件記 錄為全像片后傳送至處理單元；由處理單元對(duì)全像片作補(bǔ)零處理并作重建，分 別得到R、 G、 B的相位；將R、 G相位信息及波長(zhǎng)代入計(jì)算成為合成波長(zhǎng)RG
5的三維表面輪廓；將G、 B的相位信息及波長(zhǎng)帶入計(jì)算成為合成波長(zhǎng)GB的三維 表面輪廓；再將合成波長(zhǎng)RG及其相位，與合成波長(zhǎng)GB及其相位帶入計(jì)算，即 可得到合成波長(zhǎng)的表面三維輪廓。
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本發(fā)明的 限定。


圖1為本發(fā)明的多彩離軸數(shù)字全像系統(tǒng)的一實(shí)施例的架構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明的多彩離軸數(shù)字全像成像方法的流程圖； 圖3為本發(fā)明的多彩離軸數(shù)字全像系統(tǒng)另一實(shí)施例的架構(gòu)示意圖。 其中，附圖標(biāo)記
10、 30-多彩離軸數(shù)字全像系統(tǒng)
11、 31-紅色發(fā)光二極管
12、 32-綠色發(fā)光二極管
13、 33-藍(lán)色發(fā)光二極管
14、 34-干涉物鏡組 141a 141c、 341a 341d-分光鏡
142、 342-物鏡
143、 343a、 343b-反射鏡
15、 35-彩色取像組件
16、 36-處理單元
161- 屏幕
162- 鍵盤(pán)
17、 37-樣本
2廣25-多彩離軸數(shù)字全像成像方法步驟
Ll-物光
L2-參考光
L3-帶有干涉信號(hào)的光束實(shí)施方式
請(qǐng)參考圖1,為本發(fā)明提供的多彩離軸數(shù)字全像系統(tǒng)的一實(shí)施例的架構(gòu)，
該系統(tǒng)IO包含數(shù)個(gè)發(fā)光二極管11、 12、 13、 一干涉物鏡組14、 一彩色取像組 件15及一處理單元16;該數(shù)個(gè)發(fā)光二極管ll、 12、 13分別為-一紅色發(fā)光二 極管11、綠色發(fā)光二極管12及藍(lán)色發(fā)光二極管13，可分別提供R(紅色)、G(綠 色)及B(藍(lán)色)光束；該干涉物鏡組14包括三分光鏡141a 141c、 一物鏡142 以及一反射鏡143，該三分光鏡141a 141c用以接收該R、 G及B光束，并提 供分光作用以形成物光Ll及參考光L2;該物鏡142用以接收該物光Ll并投 射于一樣本17上，由樣本17產(chǎn)生散射物光再通過(guò)該物鏡142;該反射鏡143 用以接收該參考光L2并產(chǎn)生反射光，該反射光可前述該由樣本17產(chǎn)生的散射 物光會(huì)合形成帶有干涉信號(hào)的光束L3投射至該彩色取像組件15，該彩色取像 組件15可為彩色CCD (Charge Coupled Device,電荷耦合組件)或彩色CMOS (互 補(bǔ)氧化金屬半導(dǎo)體)圖像感測(cè)組件，用以接收該帶有干涉信號(hào)的光束并在該彩 色取像組件15表面形成全像干涉，該彩色取像組件15將全像干涉記錄為全像 片，必須強(qiáng)調(diào)的是，由于該彩色取像組件15分別取得R、 G、 B全像片，因此 必須將R、 G、 B全像片傳送至該處理單元16進(jìn)行重建計(jì)算；通常，該處理單 元16為一計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，搭配有屏幕161用以顯示處理狀態(tài)，及鍵盤(pán)162 作為輸入裝置用以輸入控制指令。
借助上述本發(fā)明所提供的多彩離軸數(shù)字全像系統(tǒng)10，可歸納出多彩離軸 數(shù)字全像成像方法流程20，如圖2所示，其包含以下步驟
步驟21:由彩色取像組件分別得到R、 G、 B的全像片；借助圖一所示該 多彩離軸數(shù)字全像系統(tǒng)10即可完成本步驟，由該彩色取像組件15取得R、 G、 B全像片；
步驟22:對(duì)R、 G、 B全像片作補(bǔ)零處理；
步驟23:分別對(duì)補(bǔ)零后的R、 G、 B全像片作重建，并分別得到R、 G、 B 的相位；
步驟24:將R、 G重建后的相位信息及波長(zhǎng)帶入計(jì)算成為合成波長(zhǎng)RG的 三維表面輪廓；將G、 B重建后的相位信息及波長(zhǎng)帶入計(jì)算成為合成波長(zhǎng)GB 的三維表面輪廓；
步驟25:將合成波長(zhǎng)RG及其相位，與合成波長(zhǎng)GB及其相位帶入計(jì)算，得到合成波長(zhǎng)的表面三維輪廓。
以下再分別針對(duì)步驟22進(jìn)行的補(bǔ)零處理、步驟23進(jìn)行的重建，以及步驟 24、 25進(jìn)行的表面三維輪廓成型作進(jìn)一步說(shuō)明。
該步驟22進(jìn)行的補(bǔ)零處理，由于重建圖像的分辨率會(huì)隨波長(zhǎng)與重建距離 不同而改變，為了將不同波長(zhǎng)重建圖形的分辨率固定為一值，其演算方法如下
設(shè)定一重建距離，對(duì)于不同波長(zhǎng)八與^的光束
<formula>formula see original document page 8</formula>......(1)
其中，
int代表取整數(shù)；
N1*M1為波長(zhǎng)義的全像片的像素；
波長(zhǎng)、的全像片需經(jīng)由補(bǔ)零將圖片像素?cái)U(kuò)大為N2*M2，得到新的全像片 再代入重建公式進(jìn)行重建；經(jīng)補(bǔ)零處理后，波長(zhǎng)^^的重建圖像分辨率與波長(zhǎng)的重建圖像分辨率幾乎相同。
以下舉例說(shuō)明，假設(shè)使用兩波長(zhǎng)做為光源，其分別為紅光625mn和綠光 525nm，彩色取像組件的像素為1024*1024;為使重建后分辨率相同，必須將 紅光的全像片補(bǔ)零，使得全像片像素?cái)?shù)由1024*1024擴(kuò)大為1219*1219，再代 入重建下列公式(2)進(jìn)行重建。
該歩驟23依據(jù)以下數(shù)字全像的重建公式進(jìn)行重建:
<formula>formula see original document page 8</formula> (2)
其中
J為重建距離；
/Z7、 /7、 A、 2為CCD像素?cái)?shù)目(Pixel number);A f二A "二Ao/Z為重建后分辨率，其中Z為彩色取像組件尺寸;
△ z、 A/為彩色取像組件像素尺寸(Pixel size); /Nexp(di a/A)為復(fù)數(shù)常數(shù)；
FFT{}:表示對(duì)括號(hào)內(nèi)的信息進(jìn)行傅立葉運(yùn)算(Fourier operator); 義Z)
^i士fV^"院竑 閂的^iik終銣培偷氛
為參考光；
力,&"為全像片。
該步驟24及步驟25為解決相位混淆問(wèn)題；假設(shè)4^為紅光波長(zhǎng)入的重建 相位函數(shù)，cK.為綠光波長(zhǎng)U勺重建相位函數(shù)，(K為藍(lán)光波長(zhǎng)A^的重建相位 函數(shù)，則夂與A,.的表面輪廓函數(shù)Z '恥.，A,.與義,,的表面輪廓函數(shù)7 ' ^為
A船二 (A *義G)/義R -義G
其中當(dāng)^G〈0則W船二P船+2" 當(dāng)〉"貝U ^ G = Wi G _ 2"z =
AGB 二(義G *^)/義G -^ 其中當(dāng)仍7S〈0則^^=^^+2"
當(dāng)&s > 7T則= %B - 2;r
其中 建高度Z
ARC、 A 為分別跑兩個(gè)潴長(zhǎng)估笪出的合成波長(zhǎng)。
再將、 ％G 、 ACT 、 做計(jì)算以求得更佳的表面輪廓重
例如，當(dāng)^627醒、U0nm、 A^470nm時(shí)，八肌=3. 426 u隊(duì)A p4. 152 "ffl，而A^Fl9.593u歷，換言之，重建后可以達(dá)到19. 593 u/77而不產(chǎn)生相位 混淆。
請(qǐng)參考圖3所示本發(fā)明提供的多彩離軸數(shù)字全像系統(tǒng)另一實(shí)施例的架構(gòu)， 該系統(tǒng)30包含一紅色發(fā)光二極管31、綠色發(fā)光二極管32及藍(lán)色發(fā)光二極管 33、 一千涉物鏡組34、 一彩色取像組件35及一處理單元36;本實(shí)施例與圖一 該實(shí)施例的不同點(diǎn)在于，該干涉物鏡組34包括四分光鏡341a 341d、 一物鏡 342以及二反射鏡343a、 343b，其中該分光鏡341a 341c用以接收該R、 G及 B光束，并提供分光作用以形成物光L1及參考光L2;該二反射鏡343a、 343b 用以分別接收該物光L1及參考光L2;其中，該物光Ll可通過(guò)該物鏡342投 射于樣本37上，由樣本37產(chǎn)生散射物光再通過(guò)該物鏡342;而該反射鏡343b 接收該參考光L2并產(chǎn)生反射光再通過(guò)該物鏡342，該反射光可前述該由樣本 37產(chǎn)生的散射物光會(huì)合形成帶有干涉信號(hào)的光束L3投射至該彩色取像組件
1035，由該彩色取像組件35將全像千涉記錄為R、 G、 B全像片，再傳送至該處 理單元36進(jìn)行重建計(jì)算，關(guān)于該重建計(jì)算的流程與圖1所示該實(shí)施力所實(shí)行 的流程相同，不再予以贅述。
綜上所述，本發(fā)明所提供的多彩離軸數(shù)字全像顯微鏡，以R、 G、 B三色發(fā) 光二極管作為照明光源，R、 G、 B三色混合于同一光路中，并搭配彩色彩色取 像組件記錄全像片，每拍攝一張照片即可包含三種不同波長(zhǎng)的全像片，達(dá)到實(shí) 時(shí)測(cè)量且提升重建速度等目的，且可避免激光所造成的光斑噪聲及重建誤差； 再有，使用多波長(zhǎng)作為照明光源，利用不同波長(zhǎng)照明重建后的相位，以算法重 新計(jì)算其等效波長(zhǎng)及相位以產(chǎn)生新的表面三維輪廓，可有效改善重建高度的限 制以及相位混淆問(wèn)題。
當(dāng)然，本發(fā)明還可有其他多種實(shí)施例，在不背離本發(fā)明精神及其實(shí)質(zhì)的情 況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這 些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1、一種多彩離軸數(shù)字全像系統(tǒng)，其特征在于，包含數(shù)個(gè)發(fā)光二極管，用以提供R(紅色)、G(綠色)、B(藍(lán)色)光束；一干涉物鏡組，用以接收該R、G、B光束，并形成帶有干涉信號(hào)的光束；一彩色取像組件，用以接收該帶有干涉信號(hào)的光束，并在該彩色取像組件表面形成全像干涉，再由該彩色取像組件記錄為全像片；一處理單元，用以接收該全像片并進(jìn)行重建計(jì)算。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多彩離軸數(shù)字全像系統(tǒng)，其特征在于，該干涉物鏡組包含三分光鏡，用以接收該R、 G、 B光束，并提供分光作用以形成物光及參考光；一物鏡，用以接收該物光并投射于一樣本上，由樣本產(chǎn)生散射物光再通過(guò) 該物鏡；一反射鏡，用以接收該參考光并產(chǎn)生反射光；該反射光可與前述該散射物 光會(huì)合形成帶有干涉信號(hào)的光束。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多彩離軸數(shù)字全像系統(tǒng)，其特征在于，該干涉 物鏡組包含四分光鏡，包括三用以接收該R、 G、 B光束，并提供分光作用以形成物光 及參考光；二反射鏡，分別用以接收該物光及參考光；一物鏡，用以接收該物光并投射于一樣本上，由樣本產(chǎn)生散射物光再通過(guò) 該物鏡。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多彩離軸數(shù)字全像系統(tǒng)，其特征在于，該彩色 取像組件可為彩色電荷耦合組件或彩色互補(bǔ)氧化金屬半導(dǎo)體圖像感測(cè)組件。
5、 一種多彩離軸數(shù)字全像成像方法，其特征在于，包含以下步驟A. 由彩色取像組件分別得到R、 G、 B的全像片；B. 對(duì)R、 G、 B的全像片作補(bǔ)零處理；C. 分別對(duì)補(bǔ)零后的R、 G、 B全像片作重建，并各別得到R、 G、 B的相位；D. 將紅色、綠色重建后的相位信息及波長(zhǎng)帶入計(jì)算成為合成波長(zhǎng)RG的三維表面輪廓；將綠色、藍(lán)色重建后的相位信息及波長(zhǎng)帶入計(jì)算成為合成波長(zhǎng) GB的三維表面輪廓；E.將合成波長(zhǎng)RG及其相位，與合成波長(zhǎng)GB及其相位，帶入計(jì)算得到合成 波長(zhǎng)的表面三維輪廓。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的多彩離軸數(shù)字全像成像方法，其特征在于，該 歩驟A通過(guò)一多彩離軸數(shù)字全像系統(tǒng)達(dá)成，該多彩離軸數(shù)字全像系統(tǒng)包含數(shù)個(gè)發(fā)光二極管，用以提供紅色、綠色及藍(lán)色光束；一干涉物鏡組，用以接收該紅色、綠色及藍(lán)色光束，并形成帶有千涉信號(hào) 的光束；一彩色取像組件，用以接收該帶有干涉信號(hào)的光束，并于該彩色取像組件 表面形成全像干涉，再由該彩色取像組件記錄為全像片； 一處理單元，用以接收該全像片并進(jìn)行重建計(jì)算。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多彩離軸數(shù)字全像成像方法，其特征在于，該 干涉物鏡組包含三分光鏡，用以接收該紅色、綠色及藍(lán)色光束，并提供分光作用以形成物 光及參考光；一物鏡，用以接收該物光并投射于一樣本上，由樣本產(chǎn)生散射物光再通過(guò) 該物鏡；一反射鏡，用以接收該參考光并產(chǎn)生反射光；該反射光可與前述該散射物 光會(huì)合形成帶有干涉信號(hào)的光束。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多彩離軸數(shù)字全像成像方法，其特征在于，該干涉物鏡組包含四分光鏡，包括三用以接收該紅色、綠色及藍(lán)色光束，并提供分光作用以 形成物光及參考光；二反射鏡，分別用以接收該物光及參考光；一物鏡，用以接收該物光并投射于一樣本上，由樣本產(chǎn)生散射物光再通過(guò) 該物鏡。
9、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的多彩離軸數(shù)字全像成像方法，其特征在于，該 彩色取像組件可為彩色電荷耦合組件或彩色互補(bǔ)氧化金屬半導(dǎo)體圖像感測(cè)組 件。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種多彩離軸數(shù)字全像系統(tǒng)及其成像方法，該系統(tǒng)包含數(shù)個(gè)發(fā)光二極管、一干涉物鏡組、一彩色取像組件及一處理單元；該數(shù)個(gè)發(fā)光二極管可提供R(紅色)、G(綠色)及B(藍(lán)色)光束；該干涉物鏡組可接收R、G、B光束形成帶有干涉信號(hào)的光束；該彩色取像組件可接收該帶有干涉信號(hào)的光束并在彩色取像組件表面形成全像干涉，記錄為全像片后傳送至處理單元；處理單元對(duì)全像片作補(bǔ)零處理并重建，分別得到R、G、B的相位；將R、G和G、B相位信息及波長(zhǎng)帶入計(jì)算成為合成波長(zhǎng)RG和GB的三維表面輪廓；再將合成波長(zhǎng)RG及其相位，與合成波長(zhǎng)GB及其相位帶入計(jì)算，即可得到合成波長(zhǎng)的表面三維輪廓。
文檔編號(hào)G03H1/08GK101477325SQ20081000017
公開(kāi)日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2008年1月2日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月2日
發(fā)明者梁仁德, 蘇哲暐, 郭世炫, 陳政雄 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院