专利名称：用于测量图像的设备和方法
技术领域：
本发明涉及光学图像测量设备和光学测量图像的方法，更具体地涉及用 于高速获得由光学系统采集的图像的图像测量设备及其方法。
背景技术：
电子和机械部件正大力地需要被制造得更小和更精确，且为了检查小型 电子和机械部件的处理和制造状况，它们的大小、形状、以及表面照明度必 须被精确测量。
例如，电子部件的大小、形状、激光标记的状态和表面照明度，即半导
体晶片和装配在半导体晶片上的集成电路的微单元(micro-pattern)不能被 传统的接触式测量设备测量。而且，在使用接触式表面照明度测量设备的情 况下，该测量设备使用接触探头，该接触探头的尖端在被测目标的表面产生 细微的划痕而且很难获得该目标区域的信息。
为了解决上述问题，使用光学显微镜的二维测量设备及其方法和三维测 量设备及其方法，已经被发展为通过将从光源发出的光线投射到被测目标 上，根据参考图案并将参考图案与由于目标形状而更改的光线进行比较，来 测量被测目标的形状。
作为三维形状测量方法，最近使用莫尔(Moire)图案的方法被广泛应 用。使用莫尔图案的形状测量方法形成干涉图案，该干涉图案的具有预定构 造的两个或者多个周期性的图案在被测目标(下面，被称为"目标")的表 面彼此重叠，并通过测量和分析干涉图案来获得关于该目标高度的信息。
图4是说明在传统光学形状测量设备中获得图像的过程的框图。
所述传统的形状测量设备包括CCD相机100，用于当触发信号从图像采集装置205中输入时采集目标的图像并输出图像，所述图像采集装置205 将在下面描述；安装在不同地方的多个灯400，用来调节被测目标部分的表 面照明度；以及照明控制器300，用来控制多个灯400。所述照明控制器300 根据由安装在计算机200内的所述图像采集装置205产生的触发信号来控制 所述灯400。
同时，所述安装在计算机200内的图像采集装置205执行采集从CCD 相机100输出的图像并将所述图像传输到图像信号处理器207的功能。所述 图像采集装置205产生并输出触发信号来使照明控制器300和CCD相机100 同步，以及采集从所述CCD相机100输出的图像。
这样，获得所述目标P的扫描区域中的多个高度来测量所述目标P的不 均匀度。
通过触发信号将所述灯打开且所述目标的图像必须在这个时候被采集， 因为采集的图像必须在开启所述灯400来获得被测目标的表面的图像时被获 得。
作为参考，图像信号处理器207接收所采集的图像并将所采集的图像处 理成在显示器209上显示的图像信号，以及当图像测量开始命令从数据输入 装置201输入时，控制器203将处理的图像信号传输到所述图像采集装置 205。
发明内容
在具有上述构造的传统的光学形状测量设备中，只要从所述图像采集装 置产生触发信号时，所述CCD相机采集并输出图像，以及置于该设备后侧 的图像采集装置采集从CCD相机输出的图像并传输该图像，之后再次产生 触发信号。因此，需要很长的时间来获得图像帧。
例如，如果用来采集单独图像帧所需要的时间是0.03秒，且传输该采集的图像所需要的时间是0.03秒，那么采集和传输总共十个图像帧所需要的时 间是(N+2) X0.03秒，也就是，12X0,06 = 0.72秒。
鉴于这个原因，由于传统的光学形状测量设备难以快速获得采集的图 像，因此不能縮短用于测试被测量目标的时间。
由此，在考虑到上述和/或其它问题做出了本发明，本发明的目的是提 供使用光学系统采集的图像来测量被测目标的三维图像的图像测量设备及 其方法，其中目标的图像被快速采集且所采集的图像被高速获得。
本发明的进一步的目的是提供用于消除在测量中产生的噪声以及消除 从边缘产生的高频分量的图像测量设备及其方法。
依照本发明，通过提供使用光学系统采集的图像来测量被测目标的三维 图像的设备能够实现上述和其它的目的，所述设备包括CCD相机，用于采 集目标并输出所采集的图像；灯，用于产生光线来照明目标的采集区域；照 明控制器，用来控制灯的开启；由光栅形成的投影光栅；投影光栅驱动单元， 用于调节投影光栅和目标之间的距离；图像采集装置，用于获得由CCD相 机采集的图像；驱动信号产生器，用于根据从CCD相机产生的启动信号将 驱动信号同时输出到照明控制器、投影光栅驱动单元、和图像采集单元；以 及图像信号处理器，用于根据从所述图像采集单元传输的数据估算所述目标 的三维图像。
依照本发明，通过提供使用光学系统采集的图像来测量被测目标的三维 图像的方法能够实现上述和其它的目的，所述方法包括从CCD相机检测启 动信号；将驱动信号同时输出到用于开启灯以将光线投射到所述目标上的照 明控制器、用于调节所述目标和投影光栅之间距离的投影光栅控制器、以及 用于将所述CCD相机采集的图像传输到图像信号处理器的图像采集单元； 通过重复检测和输出来存储相移(phase-shifted)干涉图案；确定所述目标 的采集是否完成；以及当确定采集是否完成的结果是确定采集完成时使用多个存储的干涉图案信息来获得三维图像。
从以下实施方式的描述并结合附图，可以明显看出并更容易理解本发明 的所述和/或其他方面和优点，其中
图1是说明了根据本发明的图像测量设备的结构示意图2是说明了根据本发明的图像测量设备的框图3是说明了根据本发明的图像测量方法的流程图；以及
图4是说明了传统的光学形状测量设备中获取图像的过程的框图。
具体实施例方式
将参考附图对本发明的实施方式进行详细描述，从而使本领域的技术人 员可以充分的理解并获得本发明的思想。
图1是说明了根据本发明的图像测量设备的光学系统的构造的视图。所 述光学系统包括光学投影仪24，用于使用聚光透镜22汇聚从灯21产生的光 束并通过反射镜25穿过投影光栅23和投影透镜24将所述光束投射到目标P 上；以及第一光线光学接收器l，用于通过图像形成透镜12和CCD相机11 从目标P获得更改的光栅图案图像。
在所述投影光栅23的一侧，进一步提供投影光栅驱动单元26来调节所 述投影光栅23和所述目标P之间的距离。
此外，所述光学系统可以包括第二光线接收器3，用于通过图像形成透 镜32和立体视觉相机31获得所述目标P的立体图像。
图2是说明了根据本发明的图像测量设备的框图。根据本发明的高速图 像测量设备包括CCD相机11，用于采集所述目标P的图像并输出所采集的 图像；灯21，用于产生光线来照明所述目标P的采集区域；照明控制器4，用于控制所述灯21的开启；投影光栅23，其中形成有光栅；投影光栅驱动 单元26，用于调节所述投影光栅23和目标P之间的距离；图像采集装置6， 用于通过所述CCD相机11获得所采集的图像；驱动信号产生器5，用于根 据来自CCD相机1的启动信号，将驱动信号同时输出到所述照明控制器4、 投影光栅驱动单元、以及图像采集装置6;以及图像信号处理器71，用于根 据从所述图像采集装置6传输的数据估算所述目标的三维形状。
提供所述投影光栅驱动单元26用来调节所述投影光栅23和目标P之间 的距离，从而改变投射到目标P的光栅图案的相位。
所述驱动信号产生器5包括存储器51,该存储器51用于存储产生所述 驱动信号的控制所必需的参考数据；数模(D/A)转换器52;低通滤波器53， 用于从所述数模转换器52输出的信号和所述图像采集装置6获得的信号中 消除高频分量；以及驱动信号产生器54，用于产生驱动信号。
所述D/A转换器52被配置成减少计算机的操作时间，以及所述低通滤 波器53被配置成消除在所述目标P的高度信息的测量中所产生的噪声以及 消除在该信息边缘产生的高频分量。
所述图像信号处理器71接收所采集的图像并将其转换成在显示器72上 显示的图像信号来输出图像信号，以及当图像测量开始命令通过数据输入单 元73从测量器输入到控制器74上时所述控制器74将图像测量开始命令传 输到CCD相机上。
图3是说明了根据本发明的图像测量方法的流程图。在使用光学系统采 集的图像来测量目标的高度信息的方法中，当从所述CCD相机检测到启动 信号时(SIO)，所述驱动信号产生器5将图像获得驱动信号同时输出到所述 照明控制器4、投影光栅驱动单元26、和图像采集装置6，从而获得控制用 于采集相应图像帧所需的照明度的驱动信号和用于调节光栅位置的所采集 的图像并将其传输到所述图像信号处理器71 (S20)。接下来，当存储被传输到所述图像信号处理器71的所获得的干涉图案 信息和从CCD相机检测到的所述启动信号以获得相移干涉图案时，重复同 时输出所述图像获得驱动信号来获得用于采集相应图像帧所需的照明控制 以及用于调节所述光栅位置的所采集的图像的步骤(S10和S20) (S30)。
之后，当所述目标的采集结束(S40)，使用多个所述存储的干涉图案信 息来获得所述三维图像(S50)。
如此，根据本发明，当所述CCD相机的启动信号被检测到，控制所述 照明度和光栅以及获得所述图像并传输，从而减少获得图像所需要的时间且 能够高速测量所述目标的三维图像。
例如，如果用于采集单个图像帧的时间是0.03秒且用于传输所述采集的 图像的时间是0.03秒，那么用于采集和传输总共IO个图像帧的时间是(10 + 1.5) X0.03二0.345秒。
换句话说，因为采集N个图像需要的时间即为(N+1.5) X(用于采集单 个图像帧的时间)，和传统的方法比较，当N大于2时可以进行高速测量。 更详细地说，根据传统的方法，当N是1，需要(1X2X0.03) =0.06秒。 然而，根据本发明，因为需要(1 + 1.5) X0.03二0.075秒，所以当N大于2 时可以进行高速测量。
而且，根据本发明，当最终的图像进入相机时，在所述采集的图像被传 输到所述图像信号处理器之前，产生表示图像获得已完成的信号。因此，由 于所述图像和最终图像的获得同时被传输，可以节省用于传输最终图像的单 独帧的时间，从而根据所使用的测量模块，当获得N个图像时，使得高速测 量只需要的时间为(N+0.5) X (采集单个图像帧的时间)。
工业实用性
如上所述，根据本发明，因为当检测到所述CCD相机的启动信号时， 同时将驱动信号输出到灯和的图像采集装置来采集相应帧，因此可以高速获得所采集的图像。
而且，在所述驱动信号产生器中提供D/A转换器来减少计算机的运行时 间并提供所述低通滤波器来消除当测量目标的图像时所产生的噪声以及消 除在图像的边缘所产生的高频分量，从而改善所采集的图像的精确度。
尽管为了说明的目的公开了本发明的优选实施方式，然而本领域技术人 员可以理解，在不脱离所附的权利要求公开的本发明的范围和实质的基础 上，可以做出各种修改、增加和替换。
权利要求
1、一种使用由光学系统采集的图像来测量被测目标的三维图像的设备，该设备包括CCD相机，用于采集目标并输出所采集的图像；灯，用于产生光线来照明所述目标的采集区域；照明控制器，用来控制灯的开启；由光栅形成的投影光栅；投影光栅驱动单元，用于调节所述投影光栅与目标之间的距离；图像采集装置，用于获得由所述CCD相机采集的图像；驱动信号产生器，用于根据从所述CCD相机产生的启动信号，同时将驱动信号输出到所述照明控制器、投影光栅驱动单元和图像采集单元；以及图像信号处理器，用于根据从所述图像采集单元传输的数据来估算所述目标的三维图像。
2、 根据权利要求1所述的测量被测目标的三维图像的设备，其中所述 驱动信号产生器包括存储器，用于存储控制所述驱动信号的产生所必需的参考数据； 数模转换器；低通滤波器，用于从所述数模转换器输出的信号以及由所述图像釆集装 置获得的信号中消除高频分量；以及驱动信号产生器，用于产生驱动信号。
3、 一种使用由光学系统采集的图像来测量被测目标的三维图像的方法， 该方法包括从CCD相机检测启动信号；将驱动信号同时输出到用于开启灯以将光线投射到所述目标上的照明控制器、用于调节所述目标和投影光栅之间距离的投影光栅控制器、以及用于将所述CCD相机采集的图像传输到图像信号处理器的图像采集单元； 通过重复检测和输出来存储相移干涉图案； 确定所述目标的采集是否完成；以及当确定所述采集是否完成的结果是确定采集完成时，使用多个所存储的 干涉图案信息来获得所述三维图像。
全文摘要
公开了一种用于获得由光学系统采集的图像的图像测量设备及其方法。所述设备包括用于采集目标并输出所采集的图象的CCD相机，用于产生光线来照明目标的采集区域的灯，用于控制所述灯的开启的照明控制器，由光栅形成的投影光栅，用于调节所述投影光栅与目标之间的距离的投影光栅驱动单元，用于获得由CCD相机采集的图像的图像采集装置，用于根据从CCD相机产生的启动信号将驱动信号同时输出到所述照明控制器、投影光栅驱动单元、和图像采集单元的驱动信号产生器，以及用于根据从所述图像采集单元传输的数据估算所述目标的三维图像的图像信号处理器。
文档编号H04N5/335GK101292359SQ200680039122
公开日2008年10月22日 申请日期2006年10月16日 优先权日2005年10月19日
发明者姜珉求, 崔二培, 李相允, 林双根 申请人:英泰克普拉斯有限公司