專利名稱：三維形狀計測裝置、方法及程序的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過對投影到計測對象上的光圖案(photo pattern)進行分析，來計測計測對象的三維形狀的三維形狀計測裝置、三維形狀計測方法及三維形狀計測程序。
背景技術(shù)：
就通過圖像分析得出對象物的三維形狀信息的單元來說，存在這樣的方法將光圖案投影到存在于規(guī)定拍攝視場內(nèi)的計測對象上，對根據(jù)計測對象的三維形狀而變形的光圖案的變形量進行分析。就具有代表性的方法來說，可例舉光切斷法、空間編碼法及條紋分析法等。這些方法全部都是基于三角測量原理的方法，其中，關(guān)于條紋分析法，提出了空間條紋分析、時間條紋分析等多種方法，并視為能夠得到高計測精度的方法(專利文獻1 3， 非專利文獻1)。在上述的方法的情況下，對光圖案進行投影的投光單元、放置計測對象的平面即基準(zhǔn)面以及拍攝計測對象的拍攝單元之間的幾何學(xué)位置關(guān)系，會影響到高度位置的測定精度。參照圖15對該點進行說明。圖15是示出了三角測量原理的圖。為了簡化說明，考慮利用具有與基準(zhǔn)面PO垂直的光軸的拍攝單元Ce，來觀測從基準(zhǔn)面PO起高度為h的平面拖。另外，假設(shè)投光單元Cp 配置在從基準(zhǔn)面PO觀察時與拍攝單元Cc相同的高度上，并將光圖案向基準(zhǔn)面PO上的點0 的位置進行投影。在觀測與基準(zhǔn)面PO平行且與該基準(zhǔn)面PO分離相距距離為高度h的平面W1的情況下，朝向點0的光圖案與點P相交。此時，從拍攝單元Cc觀察時，能夠在從與光軸(Z軸) 到相距距離PQ的位置P上觀測到向基準(zhǔn)面PO投影的光圖案。該位置偏移PQ體表現(xiàn)為光圖案的相位差。只要能夠計算出相位差，就能夠利用下面的公式(1)來計算高度h。公式1h = ~.PQ... (1)
α(其中，歹^表示PQ之間的距離即相位差。另外，d表示拍攝部Cc和投光部Cp的光軸中心之間的距離，L表示從拍攝部Cc到基準(zhǔn)面為止的距離，且都是已知的值。)現(xiàn)有技術(shù)文獻專利文獻專利文獻1 日公開)”，專利文獻2 日公開)”，專利文獻3 日公開)”，專利文獻4日本公開專利公報“日本特開2002-286433號公報(2002年10月03 日本公開專利公報“日本特開2004-117186號公報(2004年04月15 日本公開專利公報“日本特開2007-114071號公報(2007年05月10日本公開專利公報“日本特開2002-214147號公報(2002年07月31
4日公開)”，專利文獻5 日本公開專利公報“日本特開2005-300512號公報(2005年10月27 日公開)”。非專利文獻非專利文獻1 “藤垣”等人，“基于多個線性傳感器的連續(xù)物體形狀計測的平行光格子投影方法”，精密工學(xué)會秋季大會學(xué)術(shù)演講會演講論文集PP. 1061-1062，2004。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的問題然而，一般來說，將原來的相位差除以而得到的余數(shù)，來作為計算出的上述相位差。因此，能夠計測的相位差的范圍限于2 π，導(dǎo)致能夠計測的高度的范圍(計測范圍 (Range))被限制。因此，提出了幾個擴展能夠計測的高度的方法。就一個方法來說，可例舉擴大光圖案的周期的方法。若擴大該周期，則與一個周期相對應(yīng)的位置偏移PQ變長，從而能夠擴展上述計測范圍。然而，在上述方法中，若上述相位差的分辨率相同，則位置偏移PQ的分辨率(可識別的最小值)變長，導(dǎo)致上述高度的分辨率變長(惡化)。即，上述高度的精度降低。為了避免該問題，只要提高上述相位差的分辨率即可，但這需要高價的光學(xué)系統(tǒng)，且對校正費工夫。就其他的方法來說，可例舉利用新的移位傳感器計測計測對象的大致的形狀，并基于該形狀來變更上述計測范圍，由此擴展(增大)能夠計測的高度的方法。然而，此時， 需要設(shè)置新的移位傳感器來進行校正，并增加用于計測的成本及工夫。本發(fā)明是鑒于上述的問題點而做出的，其目的在于，提高一種能夠在維持計測范圍的同時，簡便地擴展(增大)能夠計測的高度的三維形狀計測裝置等。用于解決問題的手段本發(fā)明的三維形狀計測裝置，通過對投影到計測對象上的其亮度根據(jù)位置而周期性地變化的光圖案進行分析，來計測上述計測對象的三維形狀，為了解決上述問題，該三維形狀計測裝置特征在于，具有安裝臺，其具有成為上述計測對象的高度的基準(zhǔn)的基準(zhǔn)面， 且上述計測對象安裝在該安裝臺上，計測頭，其將上述光圖案投影到上述計測對象及上述基準(zhǔn)面上，并拍攝所投影的光圖案，移位部，其使上述安裝臺及上述計測頭這兩個構(gòu)件中的至少一個構(gòu)件，向上述計測對象的高度方向移位，相位計算單元，其對包含在由上述計測頭所拍攝的圖像中的某個像素的上述光圖案的相位進行計算，高度計算單元，其基于由該相位計算單元計算出的相位，來計算上述計測對象的高度，移位部控制單元，其基于由該高度計算單元計算出的上述計測對象的高度，來控制上述移位部；上述高度計算單元，基于由上述相位計算單元計算出的相位來計算高度，并基于特定移位量來修正計算出的高度，由此計算上述計測對象的高度，所述特定移位量是指，由上述移位部使上述一個構(gòu)件在從上述安裝臺的基準(zhǔn)面到上述計測頭為止的高度范圍內(nèi)移位的移位量。另外，本發(fā)明的三維形狀計測方法，應(yīng)用于三維形狀計測裝置，該三維形狀計測裝置通過對投影到計測對象上的其亮度根據(jù)位置而周期性地變化的光圖案進行分析，來計測上述計測對象，該三維形狀計測方法的特征在于，包括相位計算步驟，將上述光圖案投影到上述計測對象和基準(zhǔn)面上，并計算包含在由計測頭拍攝到的圖像中的某個像素的上述光圖案的相位，其中，上述基準(zhǔn)面是指，在安裝有該計測對象的安裝臺上成為上述計測對象的高度的基準(zhǔn)的基準(zhǔn)面，上述計測頭用于拍攝所投影的光圖案，高度計算步驟，基于由該相位計算步驟計算出的相位，計算上述計測對象的高度，移位部控制步驟，基于由該高度計算步驟計算出的上述計測對象的高度，來使上述安裝臺及上述計測頭這兩個構(gòu)件中的至少一個構(gòu)件，向上述計測對象的高度方向移位；在上述高度計算步驟中，基于由上述相位計算步驟計算出的相位來計算高度，并基于特定移位量來修正計算出的高度，由此計算上述計測對象的高度，所述特定移位量是指，由上述移位部使上述一個構(gòu)件在從上述安裝臺的基準(zhǔn)面到上述計測頭為止的高度范圍內(nèi)移位的移位量。若采用上述的結(jié)構(gòu)及方法，則基于某像素的光圖案的相位來計算高度，并基于由移位部使上述一個構(gòu)件在從安裝臺的基準(zhǔn)面到計測頭為止的高度范圍內(nèi)移動的移位量，來修正計算出的高度，由此計算計測對象的高度。并且，基于計算出的上述計測對象的高度， 使上述安裝臺及上述計測頭這兩個構(gòu)件中的至少一個構(gòu)件在上述計測對象的高度方向上移位。一般來說，為了對三維形狀計測裝置進行校正，能夠調(diào)整從上述安裝臺的基準(zhǔn)面到上述計測頭為止的上述高度方向的距離(高度)。即，一般來說，在三維形狀計測裝置上設(shè)有用于在上述高度方向上調(diào)整上述計測頭及/或上述安裝臺的高度調(diào)整機構(gòu)。通過將該高度調(diào)整機構(gòu)變更為移位部，能夠使計測范圍在上述高度方向上容易地移位，所述移位部基于上述計測對象的高度來控制上述計測頭及/或上述安裝臺，以使該計測頭及/或上述安裝臺在上述高度方向上移位。另外，能夠與以往的校正一起進行上述移位部的校正，因而能夠抑制校正工夫(耗時)增加。并且，基于由上述移位部使該計測頭及/或上述安裝臺移位的移位量，來修正基于上述相位計算出的高度，由此能夠計算出計測對象的準(zhǔn)確高度，而不需設(shè)置用于計測高度的新傳感器。從而，若采用本發(fā)明，則能夠在維持上述計測范圍的同時，簡便地擴展可計測的高度。此外，上述計測對象可以安裝在上述基準(zhǔn)面上，也可以以與上述基準(zhǔn)面分離的方式安裝。另外，優(yōu)選上述移位部使上述計測頭在高度方向上移位，但也可以使上述安裝臺在高度方向上移位，還可以使上述計測頭及上述安裝臺的雙方在高度方向上移位。此外，能夠使計算機利用三維形狀計測程序來執(zhí)行上述三維形狀計測裝置的各步驟。進而，通過將上述三維形狀計測程序存儲在計算機能夠讀取的存儲介質(zhì)中，能夠在任意的計算機上執(zhí)行上述三維形狀計測程序。發(fā)明效果如上所述，在本發(fā)明的三維形狀計測裝置中，通過將以往的高度調(diào)整機構(gòu)變更為移位部，能夠使計測范圍在上述高度方向上容易地移位，且能夠抑制校正工夫(耗時)的增加，并且，基于由上述移位部使計測頭及/或上述安裝臺移位的移位量，來修正基于相位計算出的高度，能夠計算出上述計測對象的準(zhǔn)確高度，而不需設(shè)置用于計測高度的新傳感器， 因而實現(xiàn)能夠在維持上述計測范圍的同時簡便地擴展(增大)可計測的高度的效果，其中， 所述移位部用于，基于計測對象的高度來控制計測頭及/或安裝臺，以使該計測頭及/或上述安裝臺在上述高度方向上移位。基于下面的記載能夠充分地了解本發(fā)明的其他的目的、特征及優(yōu)點。另外，能夠通過參照附圖的下面的說明了解本發(fā)明的益處。


圖1是示出了本發(fā)明的一實施方式即三維形狀計測系統(tǒng)的控制單元的主要部分結(jié)構(gòu)的框圖。圖2是示出了上述三維形狀計測系統(tǒng)的概略結(jié)構(gòu)的圖，是示出了對計測對象進行計測的圖。圖3是放大示出了上述三維形狀計測系統(tǒng)的主要部分的圖。圖4是示出了上述三維形狀計測系統(tǒng)的主要部分結(jié)構(gòu)的框圖。圖5是示出了上述三維形狀計測系統(tǒng)的投光單元所投影的光圖案的一例的圖。圖6是示出了計測對象的形狀的圖，(a)部分是俯視圖，(b)部分則是側(cè)視圖。圖7是示出了將光圖案投影到上述計測對象上的情況下，投影到上述計測對象上的光圖案失真(變形)的圖，(a)部分是俯視圖，(b)部分則是示出了在基準(zhǔn)面上的亮度變動和在凸部上的亮度變動的波形圖。圖8的(a)部分是示出了投影了光圖案的狀態(tài)下的上述線性圖像的一例的圖，(b) 部分則是示出了上述對照線性圖像的一例的圖。圖9是利用基板作為計測對象的例子示出了上述三維形狀計測系統(tǒng)的計測頭的動作的概要圖。圖10是上述基板的剖面圖，(a)部分是示出了上述三維形狀計測系統(tǒng)的計測范圍 (Range)的變化的情況的圖，(b)部分則是示出了以往的三維形狀計測系統(tǒng)的計測范圍的變化的情況的圖。圖11是示出了在計測模式中上述控制單元所進行的處理動作的流程圖。圖12是示出了本發(fā)明的另一實施方式即三維形狀計測系統(tǒng)的控制單元的主要部分結(jié)構(gòu)的框圖。圖13是上述基板的剖面圖，是示出了上述三維形狀計測系統(tǒng)的計測范圍的變化的圖。圖14是示出了在計測模式中上述控制單元所進行的處理動作的流程圖。圖15是用于說明三角測量的原理的圖。
具體實施例方式第一實施方式參照圖1 圖11，對本發(fā)明的一實施方式進行說明。圖2是示出了本發(fā)明的一實施方式的三維形狀計測系統(tǒng)(三維形狀計測裝置)10的概略結(jié)構(gòu)的圖。如圖2所示，在本實施方式的三維形狀計測系統(tǒng)10中，通過投光單元13將光圖案14投影到放置在傳送單元11的傳送臺41上的計測對象12上，并由拍攝單元(拍攝單元)15對投影到計測對象12上的光圖案14進行拍攝，由控制單元16分析拍攝到的光圖案 14的形狀，由傳送單元11移動計測對象12而重復(fù)以上的動作，由此計測計測對象12整體的三維形狀。就被計測的三維形狀的例子來說，可例舉出設(shè)在計測對象12的表面的凹部的深度、凸部的高度及它們的位置等。不特別限定三維形狀計測系統(tǒng)10的使用用途，但例如能夠應(yīng)用于檢查安裝基板的裝置等。此外，在下面的說明中，將傳送臺41的傳送方向(由圖2的箭頭示出的方向)設(shè)定為y軸方向，將垂直于傳送臺41的方向即高度方向設(shè)定為ζ軸方向。圖4是示出了三維形狀計測系統(tǒng)10的主要部分結(jié)構(gòu)的框圖。如圖2所示，三維形狀計測系統(tǒng)10具有傳送單元11、投光單元13、拍攝單元15及控制單元16。如上所述，投光單元13用于將光圖案14投影到計測對象12的表面。另外，如圖 4所示，投光單元13具有鹵素?zé)?halogen lamp)或氙燈(xenon lamp)等光源31 ；用于將從光源31照射出來的光的一部分轉(zhuǎn)換成具有圖案的光的圖案生成元件32 ；超近攝鏡頭 (macro lens，又稱微距鏡頭)等光學(xué)系統(tǒng)33。就投影的光圖案14來說，能夠使用正弦波、三角波或矩形波等，根據(jù)位置具有周期性且能夠確定相位的任意的圖案，但在本實施方式中，使用可對提高計測分辨率做出貢獻的正弦波狀的光圖案14。另外，就圖案生成元件32來說，能夠使用由液晶元件構(gòu)成的元件、加工玻璃或薄膜而成的元件等。如上所述，拍攝單元15用于讀取投影到光圖案14的計測對象12并取得該圖像。 另外，如圖4所示，拍攝單元15具有線性傳感器34以及超近攝鏡頭等光學(xué)系統(tǒng)35。此外， 在本實施方式中，使用四個線性傳感器34。傳送單元11是用于使計測對象12在線性傳感器34的主掃描方向(長度方向)以及與該主掃描方向垂直的方向(下面稱“副掃描方向”)水平移動的裝置。另外，如圖4所示，傳送單元11具有用于放置計測對象12的傳送臺41以及用于驅(qū)動傳送臺41的伺服電機42。此外，傳送單元11也可以具有用于檢測傳送臺41的位置的線位移傳感器(linear scale) 43 等。一邊利用傳送單元11在副掃描方向上移動計測對象12，一邊利用線性傳感器34 逐次拍攝，由此能夠計測計測對象12整體的三維形狀。另外，與線性傳感器34的拍攝范圍相比，計測對象12在主掃描方向上的范圍更寬的情況下，只要利用傳送單元11在主掃描方向上移動計測對象12的并且利用線性傳感器34逐次拍攝即可?？刂茊卧?6用于整體控制三維形狀計測系統(tǒng)10的各種單元。具體而言，控制單元16通過控制傳送單元11、投光單元13及拍攝單元15，利用條紋分析法對由拍攝單元15 拍攝得到的圖像所含的光圖案14進行分析，并計算計測對象12的三維形狀。進而，在本實施方式中，以一體方式設(shè)置投光單元13及拍攝單元15來作為計測頭 17，并設(shè)有使計測頭17在ζ軸方向(高度方向)上移動的ζ軸進給機構(gòu)(移位部)18。并且，控制單元16通過指示ζ軸進給機構(gòu)18，來控制計測頭17的高度。就計測頭17的結(jié)構(gòu)來說，可考慮將投光單元13及拍攝單元15設(shè)在某一基體(未圖示)上，并由ζ軸進給機構(gòu)18使該基體在高度方向上移動的結(jié)構(gòu)。此時，優(yōu)先上述基體具有剛性，即使在高度方向上移動該基體，也能夠保持投光單元13及拍攝單元15的幾何學(xué)位置關(guān)系。另外，就ζ軸進給機構(gòu)18來說，能夠利用螺旋進給機構(gòu)等使物體移動的公知的機構(gòu)。另外，在本實施方式中，控制單元16基于由ζ軸進給機構(gòu)18使計測頭17從某一
8基準(zhǔn)位置開始在高度方向上移動(移位)的量即進給量(移位量)Δζ，來修正利用上述條紋分析法計算出的高度，由此計算計測對象12的高度。并且，控制單元16基于計算出的計測對象12的高度，來控制ζ軸進給機構(gòu)18，以使計測頭17在高度方向上移動。從而，通過將以往設(shè)置的用于對三維形狀計測裝置進行校正的高度調(diào)整機構(gòu)，變更為ζ軸進給機構(gòu)18，能夠使計測范圍在高度方向上容易地移位。另外，由于對ζ軸進給機構(gòu)18的校正處理能夠與以往的校正處理一起進行，因而能夠抑制校正的工夫(耗時)的增加。并且，通過由ζ軸進給機構(gòu)18基于進給量Δ ζ來修正利用上述條紋分析法計算出的高度，能夠計算計測對象的準(zhǔn)確的高度，而不需設(shè)置用于計測高度的新的傳感器。其結(jié)果，能夠在保持上述計測范圍的同時，簡便地擴展(擴大)可計測的高度。此外，在后面詳細(xì)闡述控制單元16。接著，對控制單元16進行詳細(xì)的說明。如圖4所示，控制單元16具有圖像取得部 44、主控制部45、存儲部46、輸入/設(shè)定部47、傳送控制部48、投光控制部49及ζ軸進給控制部(移位部控制單元)50。主控制部45用于對傳送控制部48、投光控制部49及ζ軸進給控制部50進行各種指示。主控制部45通過使CPU (Central Processing Unit:中央處理單元)執(zhí)行各種控制程序來實現(xiàn)功能?；蛘?，也可以通過未圖示的DSP(Digital Signal I^rocessor 數(shù)字信號處理器)、FPGA (Field Programmable Gate Array 現(xiàn)場可編程門陣列)等來實現(xiàn)功能，以代替上述的CPU。此外，在后面詳細(xì)闡述主控制部45。存儲部46用于存儲各種信息。存儲部46通過RAM (Random Access Memory 隨機存取存儲器)、ROM (Read Only Memory :只讀存儲器)及外部存儲裝置等中的某一個裝置或者它們的組合來實現(xiàn)功能。此外，在后面詳細(xì)闡述存儲在存儲部46中的信息。圖像取得部44用于取得來自拍攝單元15的圖像信息，由采集卡(capture board) 等構(gòu)成。圖像取得部44通過主控制部45將取得的圖像信息轉(zhuǎn)換成能夠處理的圖像數(shù)據(jù)， 并將其發(fā)送至主控制部45。輸入/設(shè)定部47用于接受來自用戶的指示輸入、信息輸入、設(shè)定輸入等各種輸入 (信息)，例如由鍵盤或按鈕等鍵輸入設(shè)備、鼠標(biāo)等指示設(shè)備(pointing device)等構(gòu)成。此外，也可以與輸入/設(shè)定部47 —起或者代替輸入/設(shè)定部47，利用以下的裝置接受來自外部的上述各種輸入，這些裝置是用于讀取印刷信息的掃描裝置；用于經(jīng)由無線或有線的傳送介質(zhì)接收信號的接收裝置；用于再現(xiàn)記錄在外部或自身裝置內(nèi)的存儲介質(zhì)中的數(shù)據(jù)的再現(xiàn)裝置等。傳送控制部48、投光控制部49及ζ軸進給控制部50基于來自主控制部45的指示，分別控制傳送單元11、投光單元13及ζ軸進給機構(gòu)18。下面利用一例，對這樣的三維形狀計測系統(tǒng)10所具備的各部的幾何學(xué)位置關(guān)系進行說明，但本發(fā)明并不限定于此。在本實施方式的三維形狀計測系統(tǒng)10中，拍攝單元15的線性傳感器34設(shè)置為， 其主掃描方向與傳送臺(安裝臺)41的放置面(基準(zhǔn)面)平行。通過使線性傳感器34的主掃描方向與傳送臺41的放置面平行，能夠以均勻的倍率拍攝計測對象12的上表面。另外，由于線性傳感器34的主掃描方向與副掃描方向垂直，因而在由一邊傳送一邊拍攝的多個線性圖像構(gòu)成的二維圖像中，直角部分被拍攝成直角部分。另外，投光單元13被設(shè)置為，其光軸相對于拍攝單元15的光軸具有規(guī)定的角度。 由此，如在后面的詳細(xì)闡述，能夠基于投影到計測對象12上的光圖案14的偏移，來計算出計測對象12的高度。此外，可以在設(shè)置時預(yù)先計測拍攝單元15及投光單元13的幾何學(xué)配置，也可以通過校正來計算。對這樣的三維形狀計測系統(tǒng)10的動作進行說明如下。首先，對各種設(shè)備進行校正。例如，將校正用靶(未圖示)放置在傳送臺41上，并由拍攝單元15拍攝放置的校正用靶，再由控制單元16分析拍攝到的校正用靶的圖像，由此通過計算拍攝單元15的光軸的傾斜度9，來對拍攝單元15的光軸進行校正。各種校正結(jié)束后，對計測對象12的三維形狀進行計測。首先，根據(jù)來自控制單元 16的傳送控制部48的命令，傳送單元11的伺服電機42將傳送臺41設(shè)定在初始設(shè)定位置上。該初始設(shè)定位置用于決定由拍攝單元15拍攝計測對象12時的在副掃描方向上的拍攝開始位置，優(yōu)選地，該初始設(shè)定位置是，拍攝單元15的拍攝區(qū)域到達轉(zhuǎn)載在傳送單元11的傳送臺41上的計測對象12在副掃描方向上的端部的位置。然后，投光單元13將光圖案14投影到計測對象12上。拍攝單元15掃描投影到光圖案14的計測對象12，并取得該計測對象12的圖像。將由拍攝單元15取得的圖像發(fā)送至控制單元16，并由控制單元16的圖像取得部44將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。然后，通過由控制單元16的主控制部45分析光圖案14，來計算計測對象12的高度信息。在這里，在本實施方式的三維形狀計測系統(tǒng)10中，對圖像中的光圖案14進行分析時，采用空間條紋分析法。由此，能夠根據(jù)由拍攝單元15所具備的四個線性傳感器34掃描一次而取得的四個線性圖像，求出計測對象12的區(qū)域即拍攝單元15的掃描區(qū)域(拍攝區(qū)域)內(nèi)的各位置的高度。此外，在后面詳細(xì)闡述空間條紋分析法。并且，傳送單元11根據(jù)控制單元16的控制，使計測對象12向副掃描方向僅移動規(guī)定距離。由此，由拍攝單元15拍攝計測對象12的拍攝區(qū)域和由投光單元13投影的光圖案14，在副掃描方向上偏移規(guī)定距離。此后，再次由拍攝單元15掃描計測對象12，并取得線性圖像。在這里得到的線性圖像中，包括計測對象12的特定區(qū)域，該特定區(qū)域是指，在副掃描方向上比先前的掃描區(qū)域僅偏移規(guī)定距離的區(qū)域。同樣地，將得到的圖像發(fā)送至控制單元16，由此求出新掃描區(qū)域內(nèi)的各位置的三維信息。這樣，通過重復(fù)以下的處理，來計測計測對象12的整體的三維形狀，這些處理是指，傳送單元11再次使計測對象12僅移動規(guī)定距離，并由拍攝單元15拍攝計測對象12，再由控制單元16分析線性圖像。此外，能夠利用公知的方法，在計測對象12的三維形狀信息中，對線性傳感器34 的在主掃描方向上的長度及在副掃描方向上的長度信息進行計測。例如，能夠基于拍攝到線性圖像中的計測對象在主掃描方向上的長度，來計算計測對象12在主掃描方向上的長度信息。另外，能夠基于傳送單元11的移動速度，來計算計測對象12的在副掃描方向上的長度信息。這樣，能夠通過求出計測對象12在主掃描方向及副掃描方向上的長度信息和高度信息，來得到計測對象12的三維形狀信息。此外，優(yōu)選地，上述規(guī)定距離與在拍攝單元15的拍攝區(qū)域在副掃描方向上的長度相等。由此，通過上述工序能夠迅速地進行計測，而不遺漏計測對象12的全部區(qū)域。
另外，使傳送臺41以恒定速度移動的同時，使拍攝單元15每隔規(guī)定時間進行拍攝，由此能夠?qū)崿F(xiàn)以規(guī)定距離為單位的拍攝。此時，傳送控制部48每隔例如數(shù)KHz數(shù)量級 (order)的規(guī)定時間經(jīng)由圖像取得部44將拍攝驅(qū)動信號發(fā)送至拍攝單元15。拍攝單元15 以該驅(qū)動信號作為觸發(fā)，取得投影到光圖案14的計測對象12的圖像。另一方面，傳送控制部48每隔同樣的規(guī)定時間還將傳送驅(qū)動信號發(fā)送至傳送單元11。傳送單元11的伺服電機 42以該傳送驅(qū)動信號作為觸發(fā)，以恒定速度驅(qū)動傳送臺41。由此，能夠逐個針對規(guī)定區(qū)域拍攝計測對象12。另外，在以規(guī)定距離為單位的拍攝過程中，也可以使用線位移傳感器43。此時，如圖4所示，線位移傳感器43設(shè)在傳送單元11上，每當(dāng)在傳送臺41僅移動規(guī)定距離時，將信號發(fā)送至傳送控制部48。并且，傳送控制部48若接收到該信號，則將拍攝驅(qū)動信號發(fā)送至拍攝單元15的線性傳感器34。由此，能夠精確地以規(guī)定距離為單位進行拍攝，而不會被傳送單元11的傳送速度不均勻等現(xiàn)象影響，其結(jié)果，能夠提高三維計測的精度。接著，對這樣的三維形狀計測系統(tǒng)10的優(yōu)點進行說明。在本實施方式中，采用了使用線性傳感器；34作為包含在拍攝單元15中的讀取傳感器的結(jié)構(gòu)。例如，在主掃描方向上使用像素數(shù)為10000像素的線性傳感器34的情況下，能夠以約10 μ m的分辨率拍攝在主掃描方向上的長度為IOOmm的計測對象。與此相對，例如，在使用橫方向的像素數(shù)為640像素的區(qū)域照相機的情況下，只能以約150 μ m的分辨率拍攝在橫方向上的長度為IOOmm的計測對象。另外，為了使上述的區(qū)域照相機以與線性傳感器34相同的分辨率進行拍攝，需要在主掃描方向上逐個規(guī)定距離移動拍攝單元15，并且，最少需要進行12套(set)拍攝的處理工序。此時，為了在主掃描方向上移動拍攝單元15來進行拍攝，需要很長時間。與此相對，在本實施方式的三維形狀計測系統(tǒng)10中，通過使用線性傳感器34，能夠以高分辨率高速地對計測對象12進行拍攝。進而，在本實施方式中，利用空間條紋分析法對由拍攝單元15讀取的各線性圖像進行分析。在空間條紋分析法中，能夠根據(jù)一個線性圖像來計算光圖案14的相位偏移，并根據(jù)該相位偏移來計算三維信息。因此，由于對計測對象12所需的總計掃描次數(shù)為一次即可，因而與需要多次掃描次數(shù)的結(jié)構(gòu)相比，能夠高速地進行計測。進而，能夠僅基于通過一次掃描取得的線性圖像來計測高度，從而能夠在掃描的同時進行三維形狀的計測。由此，例如在對基板進行檢查的情況等下，在作為計測對象12 的基板上發(fā)現(xiàn)了某個制造上的缺陷時，能夠直接中斷計測，而不需重復(fù)拍攝處理至最后為止，從而能夠迅速地對基板進行檢查。接著，對控制單元16的主控制部45的圖像分析進行詳細(xì)的說明。首先，參照圖 5 圖8，對本實施方式的圖像分析方法的原理進行說明。主控制部45基于空間條紋分析法對投影到光圖案14的計測對象12的線性圖像進行分析。空間條紋分析法是指，如上述那樣基于三角測量的原理的分析法。由于在上面參照圖15對三角測量原理進行了闡述，因而，下面對條紋分析法及空間條紋分析法依次進行說明。首先，對條紋分析法進行說明。如上所述，在本實施方式中，使用正弦波狀的光圖案，來作為向計測對象12投影的光圖案14。正弦波狀的光圖案是指，由正弦函數(shù)表示的亮度漸變(Gradation)的圖案。換言之，將由正弦函數(shù)表示位置和亮度關(guān)系的光圖案稱為正弦波狀的光圖案。圖5示出了正弦波狀的光圖案的一例。將這樣的光圖案投影到如圖6的(a)部分及(b)部分示出那樣的計測對象12上的情況下，若從上面(上方)觀測投影的光圖案，則如圖7的(a)部分所示。即，從傾斜方向投影的光圖案，在具有高度的凸部上產(chǎn)生失真。若利用拍攝單元15的線性傳感器34掃描這樣投影到光圖案的計測對象12，則掃描位置和亮度的關(guān)系如圖7的(b)部分所示。如圖7的(b)部分的上段所示，在投影到?jīng)]有凸部的基準(zhǔn)面上的光圖案中，亮度始終以恒定的周期變化。與此相對，如圖7的(b)部分的下段所示，在投影到凸部上的光圖案中，亮度的周期基于凸部的傾斜度而變化，其結(jié)果，相對于投影到基準(zhǔn)面上的光圖案而產(chǎn)生相位的偏移。因此，只要求出實際將光圖案投影到計測對象12上而拍攝到的圖像(線性圖像)中所含的某一位置的像素的光圖案的相位，和將光圖案投影到基準(zhǔn)面時的同一像素的相位(基準(zhǔn)相位)之差，就能夠基于上述的三角測量原理來求出與該像素相對應(yīng)的位置上的計測對象12的高度。在計算上述的相位差時，能夠通過將光圖案投影到基準(zhǔn)面上進行拍攝等來預(yù)先求出基準(zhǔn)相位。另一方面，對于求出實際將光圖案投影到計測對象12上而拍攝到的圖像(線性圖像)中所含的各位置的像素的光圖案的相位的方法，大體分為兩個方法?？臻g條紋分析法和時間條紋分析法的不同點在于該相位的求出方法。如圖7的(b)部分所示，在正弦函數(shù)中，在一個周期內(nèi)存在兩個用于賦予某一移位的相位。例如，在由y = Sin θ所示的函數(shù)中，賦予移位y = 0的相位θ的解是0及π兩個。另外，賦予移位y= 1/2的相位θ的解是π/6及5π/6兩個。基于這樣的理由，在拍攝到的圖像中，僅根據(jù)單一的像素的亮度值(相當(dāng)于正弦函數(shù)的移位)，不能求出該像素的光圖案的相位。在這里，在以往利用的方法即時間條紋分析法(移向法)中，將僅移動規(guī)定量相位的至少三個光圖案投影到計測對象12上并拍攝計測對象12，并通過分析得到的圖像，來決定一個相位。從而，在利用時間條紋分析法的情況下，即使計測對象12的反射特性嚴(yán)格地保持不變，也最少需要拍攝三次計測對象12。另一方面，在空間條紋分析法中，基于將要求出的相位的像素(下面稱“關(guān)注像素”)以及其周圍的像素的亮度，來計算關(guān)注像素的相位。例如，在上述例子中施加移位y = 0的相位θ是0及π兩個，在這里，在關(guān)注像素的相位是0的情況和π的情況下，其亮度與周圍像素的亮度不同。在關(guān)注像素的相位是0的情況下，例如在比關(guān)注像素相位稍小的一側(cè)存在的周圍像素的亮度值，比關(guān)注像素的亮度值小。另一方面，在關(guān)注像素的相位是η 的情況下，在比關(guān)注像素相位稍小一側(cè)存在的周圍像素的亮度值，比關(guān)注像素的亮度值大。 從而，能夠基于關(guān)注像素附近的像素，將光圖案的相位決定為一個相位。這樣，空間條紋分析法的特征是，基于存在于關(guān)注像素附近的像素的亮度值來決定關(guān)注像素的相位。對于用在本實施方式的三維形狀計測系統(tǒng)10中的空間條紋分析法的具體的處理工序，在下面進行詳細(xì)的闡述，但本發(fā)明并不限定于此，只要是基于上述的條紋分析法的原理的方法即可，可以是任一種方法。在本實施方式中，假定生成從拍攝得到的線性圖像將光圖案移相了 90°的移相光圖案。在這里，若將投影的光圖案設(shè)定為下面的公式0)，
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公式2I(x) = B(χ) sin( Φ (χ))— (2)(其中，I(X)是位置χ上的亮度，B(x)任意的函數(shù)，φ(X)表示位置χ上的相位。)則由下面的公式(3)表示將該光圖案移相了 90°的移相光圖案。公式權(quán)利要求
1.一種三維形狀計測裝置，通過對投影在計測對象上且亮度根據(jù)位置而周期性地變化的光圖案進行分析，來計測上述計測對象的三維形狀，該三維形狀計測裝置的特征在于，具有安裝臺，其具有成為上述計測對象的高度的基準(zhǔn)的基準(zhǔn)面，并且上述計測對象安裝在該安裝臺上，計測頭，其將上述光圖案投影到上述計測對象及上述基準(zhǔn)面上，并拍攝所投影的光圖案，移位部，其使上述安裝臺及上述計測頭這兩個構(gòu)件中的至少一個構(gòu)件向上述計測對象的高度方向移位，相位計算單元，其對包含在由上述計測頭拍攝得到的圖像中的某個像素的上述光圖案的相位進行計算，高度計算單元，其基于由該相位計算單元計算出的相位，來計算上述計測對象的高度， 移位部控制單元，其基于由該高度計算單元計算出的上述計測對象的高度，來控制上述移位部；上述高度計算單元，基于由上述相位計算單元計算出的相位來計算高度，并基于特定移位量來修正計算出的高度，由此計算上述計測對象的高度，所述特定移位量是指，上述移位部使上述一個構(gòu)件在從上述安裝臺的基準(zhǔn)面到上述計測頭為止的高度范圍內(nèi)移位的移位量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1記載的三維形狀計測裝置，其特征在于，若由上述高度計算單元計算出上述計測對象的高度，則上述移位部控制單元使上述移位部進行上述移位。
3.根據(jù)權(quán)利要求1記載的三維形狀計測裝置，其特征在于，若由上述高度計算單元計算出的上述計測對象的高度到達特定范圍的端部，則上述移位部控制單元使上述移位部進行上述移位，所述特定范圍是指，與表示上述相位的取值范圍的計測范圍相對應(yīng)的高度方向上的范圍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1記載的三維形狀計測裝置，其特征在于，若由上述高度計算單元計算出的上述計測對象的高度到達與上述計測頭的景深相對應(yīng)的范圍的端部，則上述移位部控制單元使上述移位部進行上述移位；該三維形狀計測裝置還具有相位修正單元，該相位修正單元基于表示上述相位的取值范圍的計測范圍，來修正由上述相位計算單元計算出的相位；上述高度計算單元基于由上述相位修正單元修正后的相位來計算高度，并基于上述移位量來修正所計算出的高度，由此計算上述計測對象的高度；該三維形狀計測裝置還具有計測范圍設(shè)定單元，該計測范圍設(shè)定單元基于上述移位量和由上述相位修正單元修正后的相位，來設(shè)定上述計測范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中的任一項記載的三維形狀計測裝置，其特征在于， 上述計測頭具有第一線性傳感器，其用于拍攝光圖案照射區(qū)域，該光圖案照射區(qū)域為上述計測對象上的投影有上述光圖案的區(qū)域，第二線性傳感器，其用于拍攝光圖案非照射區(qū)域，該光圖案非照射區(qū)域為上述計測對象上的未投影有上述光圖案的區(qū)域；上述相位計算單元所使用的圖像是，利用由第二線性傳感器拍攝得到圖像，從由第一線性傳感器拍攝得到的圖像中除去背景成分后的圖像。
6.一種三維形狀計測方法，應(yīng)用于三維形狀計測裝置，該三維形狀計測裝置通過對投影在計測對象上且亮度根據(jù)位置而周期性地變化的光圖案進行分析，來計測上述計測對象，該三維形狀計測方法的特征在于，包括相位計算步驟，將上述光圖案投影到上述計測對象和基準(zhǔn)面上，并計算包含在由計測頭拍攝得到的圖像中的某個像素的上述光圖案的相位，其中，上述基準(zhǔn)面是指，安裝有該計測對象的安裝臺所具有的面，且成為上述計測對象的高度的基準(zhǔn)的面，上述計測頭用于拍攝所投影的光圖案，高度計算步驟，基于由該相位計算步驟計算出的相位，計算上述計測對象的高度，移位部控制步驟，基于由該高度計算步驟計算出的上述計測對象的高度來控制位移部，該位移部使上述安裝臺及上述計測頭這兩個構(gòu)件中的至少一個構(gòu)件向上述計測對象的高度方向移位；在上述高度計算步驟中，基于由上述相位計算步驟計算出的相位來計算高度，并基于特定移位量來修正計算出的高度，由此計算上述計測對象的高度，所述特定移位量是指，上述移位部使上述一個構(gòu)件在從上述安裝臺的基準(zhǔn)面到上述計測頭為止的高度范圍內(nèi)移位的移位量。
7.—種三維形狀計測程序，用于使三維形狀計測裝置進行動作，該三維形狀計測裝置通過對投影在計測對象上且亮度根據(jù)位置而周期性地變化的光圖案進行分析，來計測上述計測對象的三維形狀，該三維形狀計測程序的特征在于，使計算機執(zhí)行以下的各步驟相位計算步驟，將上述光圖案投影到上述計測對象和基準(zhǔn)面上，并計算包含在由計測頭拍攝得到的圖像中的某個像素的上述光圖案的相位，其中，上述基準(zhǔn)面是指，安裝有該計測對象的安裝臺所具有的面，且成為上述計測對象的高度的基準(zhǔn)的面，上述計測頭用于拍攝所投影的光圖案，高度計算步驟，基于由該相位計算步驟計算出的相位，計算上述計測對象的高度，移位部控制步驟，基于由該高度計算步驟計算出的上述計測對象的高度來控制位移部，該位移部使上述安裝臺及上述計測頭這兩個構(gòu)件中的至少一個構(gòu)件向上述計測對象的高度方向移位；在上述高度計算步驟中，基于由上述相位計算步驟計算出的相位來計算高度，并基于特定移位量來修正計算出的高度，由此計算上述計測對象的高度，所述特定移位量是指，上述移位部使上述一個構(gòu)件在從上述安裝臺的基準(zhǔn)面到上述計測頭為止的高度范圍內(nèi)移位的移位量。
全文摘要
一種在維持計測范圍的同時簡便擴展可計測高度的三維形狀計測系統(tǒng)，對投影到計測對象上的亮度因位置而周期性變化的光圖案進行分析來計測上述計測對象的三維形狀，在三維形狀計測系統(tǒng)中，計測對象安裝在具有計測對象的高度基準(zhǔn)面的安裝臺上，由計測頭將光圖案投影到計測對象及基準(zhǔn)面上，由移位部使計測頭向高度方向移位。由相位計算部(75)計算拍攝到的圖像中的某個像素的光圖案的相位，由高度計算部(77)基于計算出的相位來計算計測對象的高度，由進給量計算部(78)基于計算出的高度來計算使移位部應(yīng)當(dāng)移位的移位量。高度計算部(77)基于由相位計算部(75)計算出的相位來計算高度，并基于移位量來修正計算出的高度，由此計算計測對象的高度。
文檔編號G01B11/25GK102365522SQ20108001410
公開日2012年2月29日 申請日期2010年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者光本大輔, 本間友紀(jì), 竹村素直 申請人:歐姆龍株式會社