专利名称：三维形状计测装置、方法及程序的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过对投影到计测对象上的光图案(photo pattern)进行分析，来计测计测对象的三维形状的三维形状计测装置、三维形状计测方法及三维形状计测程序。
背景技术：
就通过图像分析得出对象物的三维形状信息的单元来说，存在这样的方法将光图案投影到存在于规定拍摄视场内的计测对象上，对根据计测对象的三维形状而变形的光图案的变形量进行分析。就具有代表性的方法来说，可例举光切断法、空间编码法及条纹分析法等。这些方法全部都是基于三角测量原理的方法，其中，关于条纹分析法，提出了空间条纹分析、时间条纹分析等多种方法，并视为能够得到高计测精度的方法(专利文献1 3， 非专利文献1)。在上述的方法的情况下，对光图案进行投影的投光单元、放置计测对象的平面即基准面以及拍摄计测对象的拍摄单元之间的几何学位置关系，会影响到高度位置的测定精度。参照图15对该点进行说明。图15是示出了三角测量原理的图。为了简化说明，考虑利用具有与基准面PO垂直的光轴的拍摄单元Ce，来观测从基准面PO起高度为h的平面拖。另外，假设投光单元Cp 配置在从基准面PO观察时与拍摄单元Cc相同的高度上，并将光图案向基准面PO上的点0 的位置进行投影。在观测与基准面PO平行且与该基准面PO分离相距距离为高度h的平面W1的情况下，朝向点0的光图案与点P相交。此时，从拍摄单元Cc观察时，能够在从与光轴(Z轴) 到相距距离PQ的位置P上观测到向基准面PO投影的光图案。该位置偏移PQ体表现为光图案的相位差。只要能够计算出相位差，就能够利用下面的公式(1)来计算高度h。公式1h = ~.PQ... (1)
α(其中，歹^表示PQ之间的距离即相位差。另外，d表示拍摄部Cc和投光部Cp的光轴中心之间的距离，L表示从拍摄部Cc到基准面为止的距离，且都是已知的值。)现有技术文献专利文献专利文献1 日公开)”，专利文献2 日公开)”，专利文献3 日公开)”，专利文献4日本公开专利公报“日本特开2002-286433号公报(2002年10月03 日本公开专利公报“日本特开2004-117186号公报(2004年04月15 日本公开专利公报“日本特开2007-114071号公报(2007年05月10日本公开专利公报“日本特开2002-214147号公报(2002年07月31
4日公开)”，专利文献5 日本公开专利公报“日本特开2005-300512号公报(2005年10月27 日公开)”。非专利文献非专利文献1 “藤垣”等人，“基于多个线性传感器的连续物体形状计测的平行光格子投影方法”，精密工学会秋季大会学术演讲会演讲论文集PP. 1061-1062，2004。
发明内容
发明要解决的问题然而，一般来说，将原来的相位差除以而得到的余数，来作为计算出的上述相位差。因此，能够计测的相位差的范围限于2 π，导致能够计测的高度的范围(计测范围 (Range))被限制。因此，提出了几个扩展能够计测的高度的方法。就一个方法来说，可例举扩大光图案的周期的方法。若扩大该周期，则与一个周期相对应的位置偏移PQ变长，从而能够扩展上述计测范围。然而，在上述方法中，若上述相位差的分辨率相同，则位置偏移PQ的分辨率(可识别的最小值)变长，导致上述高度的分辨率变长(恶化)。即，上述高度的精度降低。为了避免该问题，只要提高上述相位差的分辨率即可，但这需要高价的光学系统，且对校正费工夫。就其他的方法来说，可例举利用新的移位传感器计测计测对象的大致的形状，并基于该形状来变更上述计测范围，由此扩展(增大)能够计测的高度的方法。然而，此时， 需要设置新的移位传感器来进行校正，并增加用于计测的成本及工夫。本发明是鉴于上述的问题点而做出的，其目的在于，提高一种能够在维持计测范围的同时，简便地扩展(增大)能够计测的高度的三维形状计测装置等。用于解决问题的手段本发明的三维形状计测装置，通过对投影到计测对象上的其亮度根据位置而周期性地变化的光图案进行分析，来计测上述计测对象的三维形状，为了解决上述问题，该三维形状计测装置特征在于，具有安装台，其具有成为上述计测对象的高度的基准的基准面， 且上述计测对象安装在该安装台上，计测头，其将上述光图案投影到上述计测对象及上述基准面上，并拍摄所投影的光图案，移位部，其使上述安装台及上述计测头这两个构件中的至少一个构件，向上述计测对象的高度方向移位，相位计算单元，其对包含在由上述计测头所拍摄的图像中的某个像素的上述光图案的相位进行计算，高度计算单元，其基于由该相位计算单元计算出的相位，来计算上述计测对象的高度，移位部控制单元，其基于由该高度计算单元计算出的上述计测对象的高度，来控制上述移位部；上述高度计算单元，基于由上述相位计算单元计算出的相位来计算高度，并基于特定移位量来修正计算出的高度，由此计算上述计测对象的高度，所述特定移位量是指，由上述移位部使上述一个构件在从上述安装台的基准面到上述计测头为止的高度范围内移位的移位量。另外，本发明的三维形状计测方法，应用于三维形状计测装置，该三维形状计测装置通过对投影到计测对象上的其亮度根据位置而周期性地变化的光图案进行分析，来计测上述计测对象，该三维形状计测方法的特征在于，包括相位计算步骤，将上述光图案投影到上述计测对象和基准面上，并计算包含在由计测头拍摄到的图像中的某个像素的上述光图案的相位，其中，上述基准面是指，在安装有该计测对象的安装台上成为上述计测对象的高度的基准的基准面，上述计测头用于拍摄所投影的光图案，高度计算步骤，基于由该相位计算步骤计算出的相位，计算上述计测对象的高度，移位部控制步骤，基于由该高度计算步骤计算出的上述计测对象的高度，来使上述安装台及上述计测头这两个构件中的至少一个构件，向上述计测对象的高度方向移位；在上述高度计算步骤中，基于由上述相位计算步骤计算出的相位来计算高度，并基于特定移位量来修正计算出的高度，由此计算上述计测对象的高度，所述特定移位量是指，由上述移位部使上述一个构件在从上述安装台的基准面到上述计测头为止的高度范围内移位的移位量。若采用上述的结构及方法，则基于某像素的光图案的相位来计算高度，并基于由移位部使上述一个构件在从安装台的基准面到计测头为止的高度范围内移动的移位量，来修正计算出的高度，由此计算计测对象的高度。并且，基于计算出的上述计测对象的高度， 使上述安装台及上述计测头这两个构件中的至少一个构件在上述计测对象的高度方向上移位。一般来说，为了对三维形状计测装置进行校正，能够调整从上述安装台的基准面到上述计测头为止的上述高度方向的距离(高度)。即，一般来说，在三维形状计测装置上设有用于在上述高度方向上调整上述计测头及/或上述安装台的高度调整机构。通过将该高度调整机构变更为移位部，能够使计测范围在上述高度方向上容易地移位，所述移位部基于上述计测对象的高度来控制上述计测头及/或上述安装台，以使该计测头及/或上述安装台在上述高度方向上移位。另外，能够与以往的校正一起进行上述移位部的校正，因而能够抑制校正工夫(耗时)增加。并且，基于由上述移位部使该计测头及/或上述安装台移位的移位量，来修正基于上述相位计算出的高度，由此能够计算出计测对象的准确高度，而不需设置用于计测高度的新传感器。从而，若采用本发明，则能够在维持上述计测范围的同时，简便地扩展可计测的高度。此外，上述计测对象可以安装在上述基准面上，也可以以与上述基准面分离的方式安装。另外，优选上述移位部使上述计测头在高度方向上移位，但也可以使上述安装台在高度方向上移位，还可以使上述计测头及上述安装台的双方在高度方向上移位。此外，能够使计算机利用三维形状计测程序来执行上述三维形状计测装置的各步骤。进而，通过将上述三维形状计测程序存储在计算机能够读取的存储介质中，能够在任意的计算机上执行上述三维形状计测程序。发明效果如上所述，在本发明的三维形状计测装置中，通过将以往的高度调整机构变更为移位部，能够使计测范围在上述高度方向上容易地移位，且能够抑制校正工夫(耗时)的增加，并且，基于由上述移位部使计测头及/或上述安装台移位的移位量，来修正基于相位计算出的高度，能够计算出上述计测对象的准确高度，而不需设置用于计测高度的新传感器， 因而实现能够在维持上述计测范围的同时简便地扩展(增大)可计测的高度的效果，其中， 所述移位部用于，基于计测对象的高度来控制计测头及/或安装台，以使该计测头及/或上述安装台在上述高度方向上移位。基于下面的记载能够充分地了解本发明的其他的目的、特征及优点。另外，能够通过参照附图的下面的说明了解本发明的益处。
图1是示出了本发明的一实施方式即三维形状计测系统的控制单元的主要部分结构的框图。图2是示出了上述三维形状计测系统的概略结构的图，是示出了对计测对象进行计测的图。图3是放大示出了上述三维形状计测系统的主要部分的图。图4是示出了上述三维形状计测系统的主要部分结构的框图。图5是示出了上述三维形状计测系统的投光单元所投影的光图案的一例的图。图6是示出了计测对象的形状的图，(a)部分是俯视图，(b)部分则是侧视图。图7是示出了将光图案投影到上述计测对象上的情况下，投影到上述计测对象上的光图案失真(变形)的图，(a)部分是俯视图，(b)部分则是示出了在基准面上的亮度变动和在凸部上的亮度变动的波形图。图8的(a)部分是示出了投影了光图案的状态下的上述线性图像的一例的图，(b) 部分则是示出了上述对照线性图像的一例的图。图9是利用基板作为计测对象的例子示出了上述三维形状计测系统的计测头的动作的概要图。图10是上述基板的剖面图，(a)部分是示出了上述三维形状计测系统的计测范围 (Range)的变化的情况的图，(b)部分则是示出了以往的三维形状计测系统的计测范围的变化的情况的图。图11是示出了在计测模式中上述控制单元所进行的处理动作的流程图。图12是示出了本发明的另一实施方式即三维形状计测系统的控制单元的主要部分结构的框图。图13是上述基板的剖面图，是示出了上述三维形状计测系统的计测范围的变化的图。图14是示出了在计测模式中上述控制单元所进行的处理动作的流程图。图15是用于说明三角测量的原理的图。
具体实施例方式第一实施方式参照图1 图11，对本发明的一实施方式进行说明。图2是示出了本发明的一实施方式的三维形状计测系统(三维形状计测装置)10的概略结构的图。如图2所示，在本实施方式的三维形状计测系统10中，通过投光单元13将光图案14投影到放置在传送单元11的传送台41上的计测对象12上，并由拍摄单元(拍摄单元)15对投影到计测对象12上的光图案14进行拍摄，由控制单元16分析拍摄到的光图案 14的形状，由传送单元11移动计测对象12而重复以上的动作，由此计测计测对象12整体的三维形状。就被计测的三维形状的例子来说，可例举出设在计测对象12的表面的凹部的深度、凸部的高度及它们的位置等。不特别限定三维形状计测系统10的使用用途，但例如能够应用于检查安装基板的装置等。此外，在下面的说明中，将传送台41的传送方向(由图2的箭头示出的方向)设定为y轴方向，将垂直于传送台41的方向即高度方向设定为ζ轴方向。图4是示出了三维形状计测系统10的主要部分结构的框图。如图2所示，三维形状计测系统10具有传送单元11、投光单元13、拍摄单元15及控制单元16。如上所述，投光单元13用于将光图案14投影到计测对象12的表面。另外，如图 4所示，投光单元13具有卤素灯(halogen lamp)或氙灯(xenon lamp)等光源31 ；用于将从光源31照射出来的光的一部分转换成具有图案的光的图案生成元件32 ；超近摄镜头 (macro lens，又称微距镜头)等光学系统33。就投影的光图案14来说，能够使用正弦波、三角波或矩形波等，根据位置具有周期性且能够确定相位的任意的图案，但在本实施方式中，使用可对提高计测分辨率做出贡献的正弦波状的光图案14。另外，就图案生成元件32来说，能够使用由液晶元件构成的元件、加工玻璃或薄膜而成的元件等。如上所述，拍摄单元15用于读取投影到光图案14的计测对象12并取得该图像。 另外，如图4所示，拍摄单元15具有线性传感器34以及超近摄镜头等光学系统35。此外， 在本实施方式中，使用四个线性传感器34。传送单元11是用于使计测对象12在线性传感器34的主扫描方向(长度方向)以及与该主扫描方向垂直的方向(下面称“副扫描方向”)水平移动的装置。另外，如图4所示，传送单元11具有用于放置计测对象12的传送台41以及用于驱动传送台41的伺服电机42。此外，传送单元11也可以具有用于检测传送台41的位置的线位移传感器(linear scale) 43 等。一边利用传送单元11在副扫描方向上移动计测对象12，一边利用线性传感器34 逐次拍摄，由此能够计测计测对象12整体的三维形状。另外，与线性传感器34的拍摄范围相比，计测对象12在主扫描方向上的范围更宽的情况下，只要利用传送单元11在主扫描方向上移动计测对象12的并且利用线性传感器34逐次拍摄即可。控制单元16用于整体控制三维形状计测系统10的各种单元。具体而言，控制单元16通过控制传送单元11、投光单元13及拍摄单元15，利用条纹分析法对由拍摄单元15 拍摄得到的图像所含的光图案14进行分析，并计算计测对象12的三维形状。进而，在本实施方式中，以一体方式设置投光单元13及拍摄单元15来作为计测头 17，并设有使计测头17在ζ轴方向(高度方向)上移动的ζ轴进给机构(移位部)18。并且，控制单元16通过指示ζ轴进给机构18，来控制计测头17的高度。就计测头17的结构来说，可考虑将投光单元13及拍摄单元15设在某一基体(未图示)上，并由ζ轴进给机构18使该基体在高度方向上移动的结构。此时，优先上述基体具有刚性，即使在高度方向上移动该基体，也能够保持投光单元13及拍摄单元15的几何学位置关系。另外，就ζ轴进给机构18来说，能够利用螺旋进给机构等使物体移动的公知的机构。另外，在本实施方式中，控制单元16基于由ζ轴进给机构18使计测头17从某一
8基准位置开始在高度方向上移动(移位)的量即进给量(移位量)Δζ，来修正利用上述条纹分析法计算出的高度，由此计算计测对象12的高度。并且，控制单元16基于计算出的计测对象12的高度，来控制ζ轴进给机构18，以使计测头17在高度方向上移动。从而，通过将以往设置的用于对三维形状计测装置进行校正的高度调整机构，变更为ζ轴进给机构18，能够使计测范围在高度方向上容易地移位。另外，由于对ζ轴进给机构18的校正处理能够与以往的校正处理一起进行，因而能够抑制校正的工夫(耗时)的增加。并且，通过由ζ轴进给机构18基于进给量Δ ζ来修正利用上述条纹分析法计算出的高度，能够计算计测对象的准确的高度，而不需设置用于计测高度的新的传感器。其结果，能够在保持上述计测范围的同时，简便地扩展(扩大)可计测的高度。此外，在后面详细阐述控制单元16。接着，对控制单元16进行详细的说明。如图4所示，控制单元16具有图像取得部 44、主控制部45、存储部46、输入/设定部47、传送控制部48、投光控制部49及ζ轴进给控制部(移位部控制单元)50。主控制部45用于对传送控制部48、投光控制部49及ζ轴进给控制部50进行各种指示。主控制部45通过使CPU (Central Processing Unit:中央处理单元)执行各种控制程序来实现功能。或者，也可以通过未图示的DSP(Digital Signal I^rocessor 数字信号处理器)、FPGA (Field Programmable Gate Array 现场可编程门阵列)等来实现功能，以代替上述的CPU。此外，在后面详细阐述主控制部45。存储部46用于存储各种信息。存储部46通过RAM (Random Access Memory 随机存取存储器)、ROM (Read Only Memory :只读存储器)及外部存储装置等中的某一个装置或者它们的组合来实现功能。此外，在后面详细阐述存储在存储部46中的信息。图像取得部44用于取得来自拍摄单元15的图像信息，由采集卡(capture board) 等构成。图像取得部44通过主控制部45将取得的图像信息转换成能够处理的图像数据， 并将其发送至主控制部45。输入/设定部47用于接受来自用户的指示输入、信息输入、设定输入等各种输入 (信息)，例如由键盘或按钮等键输入设备、鼠标等指示设备(pointing device)等构成。此外，也可以与输入/设定部47 —起或者代替输入/设定部47，利用以下的装置接受来自外部的上述各种输入，这些装置是用于读取印刷信息的扫描装置；用于经由无线或有线的传送介质接收信号的接收装置；用于再现记录在外部或自身装置内的存储介质中的数据的再现装置等。传送控制部48、投光控制部49及ζ轴进给控制部50基于来自主控制部45的指示，分别控制传送单元11、投光单元13及ζ轴进给机构18。下面利用一例，对这样的三维形状计测系统10所具备的各部的几何学位置关系进行说明，但本发明并不限定于此。在本实施方式的三维形状计测系统10中，拍摄单元15的线性传感器34设置为， 其主扫描方向与传送台(安装台)41的放置面(基准面)平行。通过使线性传感器34的主扫描方向与传送台41的放置面平行，能够以均勻的倍率拍摄计测对象12的上表面。另外，由于线性传感器34的主扫描方向与副扫描方向垂直，因而在由一边传送一边拍摄的多个线性图像构成的二维图像中，直角部分被拍摄成直角部分。另外，投光单元13被设置为，其光轴相对于拍摄单元15的光轴具有规定的角度。 由此，如在后面的详细阐述，能够基于投影到计测对象12上的光图案14的偏移，来计算出计测对象12的高度。此外，可以在设置时预先计测拍摄单元15及投光单元13的几何学配置，也可以通过校正来计算。对这样的三维形状计测系统10的动作进行说明如下。首先，对各种设备进行校正。例如，将校正用靶(未图示)放置在传送台41上，并由拍摄单元15拍摄放置的校正用靶，再由控制单元16分析拍摄到的校正用靶的图像，由此通过计算拍摄单元15的光轴的倾斜度9，来对拍摄单元15的光轴进行校正。各种校正结束后，对计测对象12的三维形状进行计测。首先，根据来自控制单元 16的传送控制部48的命令，传送单元11的伺服电机42将传送台41设定在初始设定位置上。该初始设定位置用于决定由拍摄单元15拍摄计测对象12时的在副扫描方向上的拍摄开始位置，优选地，该初始设定位置是，拍摄单元15的拍摄区域到达转载在传送单元11的传送台41上的计测对象12在副扫描方向上的端部的位置。然后，投光单元13将光图案14投影到计测对象12上。拍摄单元15扫描投影到光图案14的计测对象12，并取得该计测对象12的图像。将由拍摄单元15取得的图像发送至控制单元16，并由控制单元16的图像取得部44将其转换成数字数据。然后，通过由控制单元16的主控制部45分析光图案14，来计算计测对象12的高度信息。在这里，在本实施方式的三维形状计测系统10中，对图像中的光图案14进行分析时，采用空间条纹分析法。由此，能够根据由拍摄单元15所具备的四个线性传感器34扫描一次而取得的四个线性图像，求出计测对象12的区域即拍摄单元15的扫描区域(拍摄区域)内的各位置的高度。此外，在后面详细阐述空间条纹分析法。并且，传送单元11根据控制单元16的控制，使计测对象12向副扫描方向仅移动规定距离。由此，由拍摄单元15拍摄计测对象12的拍摄区域和由投光单元13投影的光图案14，在副扫描方向上偏移规定距离。此后，再次由拍摄单元15扫描计测对象12，并取得线性图像。在这里得到的线性图像中，包括计测对象12的特定区域，该特定区域是指，在副扫描方向上比先前的扫描区域仅偏移规定距离的区域。同样地，将得到的图像发送至控制单元16，由此求出新扫描区域内的各位置的三维信息。这样，通过重复以下的处理，来计测计测对象12的整体的三维形状，这些处理是指，传送单元11再次使计测对象12仅移动规定距离，并由拍摄单元15拍摄计测对象12，再由控制单元16分析线性图像。此外，能够利用公知的方法，在计测对象12的三维形状信息中，对线性传感器34 的在主扫描方向上的长度及在副扫描方向上的长度信息进行计测。例如，能够基于拍摄到线性图像中的计测对象在主扫描方向上的长度，来计算计测对象12在主扫描方向上的长度信息。另外，能够基于传送单元11的移动速度，来计算计测对象12的在副扫描方向上的长度信息。这样，能够通过求出计测对象12在主扫描方向及副扫描方向上的长度信息和高度信息，来得到计测对象12的三维形状信息。此外，优选地，上述规定距离与在拍摄单元15的拍摄区域在副扫描方向上的长度相等。由此，通过上述工序能够迅速地进行计测，而不遗漏计测对象12的全部区域。
另外，使传送台41以恒定速度移动的同时，使拍摄单元15每隔规定时间进行拍摄，由此能够实现以规定距离为单位的拍摄。此时，传送控制部48每隔例如数KHz数量级 (order)的规定时间经由图像取得部44将拍摄驱动信号发送至拍摄单元15。拍摄单元15 以该驱动信号作为触发，取得投影到光图案14的计测对象12的图像。另一方面，传送控制部48每隔同样的规定时间还将传送驱动信号发送至传送单元11。传送单元11的伺服电机 42以该传送驱动信号作为触发，以恒定速度驱动传送台41。由此，能够逐个针对规定区域拍摄计测对象12。另外，在以规定距离为单位的拍摄过程中，也可以使用线位移传感器43。此时，如图4所示，线位移传感器43设在传送单元11上，每当在传送台41仅移动规定距离时，将信号发送至传送控制部48。并且，传送控制部48若接收到该信号，则将拍摄驱动信号发送至拍摄单元15的线性传感器34。由此，能够精确地以规定距离为单位进行拍摄，而不会被传送单元11的传送速度不均勻等现象影响，其结果，能够提高三维计测的精度。接着，对这样的三维形状计测系统10的优点进行说明。在本实施方式中，采用了使用线性传感器；34作为包含在拍摄单元15中的读取传感器的结构。例如，在主扫描方向上使用像素数为10000像素的线性传感器34的情况下，能够以约10 μ m的分辨率拍摄在主扫描方向上的长度为IOOmm的计测对象。与此相对，例如，在使用横方向的像素数为640像素的区域照相机的情况下，只能以约150 μ m的分辨率拍摄在横方向上的长度为IOOmm的计测对象。另外，为了使上述的区域照相机以与线性传感器34相同的分辨率进行拍摄，需要在主扫描方向上逐个规定距离移动拍摄单元15，并且，最少需要进行12套(set)拍摄的处理工序。此时，为了在主扫描方向上移动拍摄单元15来进行拍摄，需要很长时间。与此相对，在本实施方式的三维形状计测系统10中，通过使用线性传感器34，能够以高分辨率高速地对计测对象12进行拍摄。进而，在本实施方式中，利用空间条纹分析法对由拍摄单元15读取的各线性图像进行分析。在空间条纹分析法中，能够根据一个线性图像来计算光图案14的相位偏移，并根据该相位偏移来计算三维信息。因此，由于对计测对象12所需的总计扫描次数为一次即可，因而与需要多次扫描次数的结构相比，能够高速地进行计测。进而，能够仅基于通过一次扫描取得的线性图像来计测高度，从而能够在扫描的同时进行三维形状的计测。由此，例如在对基板进行检查的情况等下，在作为计测对象12 的基板上发现了某个制造上的缺陷时，能够直接中断计测，而不需重复拍摄处理至最后为止，从而能够迅速地对基板进行检查。接着，对控制单元16的主控制部45的图像分析进行详细的说明。首先，参照图 5 图8，对本实施方式的图像分析方法的原理进行说明。主控制部45基于空间条纹分析法对投影到光图案14的计测对象12的线性图像进行分析。空间条纹分析法是指，如上述那样基于三角测量的原理的分析法。由于在上面参照图15对三角测量原理进行了阐述，因而，下面对条纹分析法及空间条纹分析法依次进行说明。首先，对条纹分析法进行说明。如上所述，在本实施方式中，使用正弦波状的光图案，来作为向计测对象12投影的光图案14。正弦波状的光图案是指，由正弦函数表示的亮度渐变(Gradation)的图案。换言之，将由正弦函数表示位置和亮度关系的光图案称为正弦波状的光图案。图5示出了正弦波状的光图案的一例。将这样的光图案投影到如图6的(a)部分及(b)部分示出那样的计测对象12上的情况下，若从上面(上方)观测投影的光图案，则如图7的(a)部分所示。即，从倾斜方向投影的光图案，在具有高度的凸部上产生失真。若利用拍摄单元15的线性传感器34扫描这样投影到光图案的计测对象12，则扫描位置和亮度的关系如图7的(b)部分所示。如图7的(b)部分的上段所示，在投影到没有凸部的基准面上的光图案中，亮度始终以恒定的周期变化。与此相对，如图7的(b)部分的下段所示，在投影到凸部上的光图案中，亮度的周期基于凸部的倾斜度而变化，其结果，相对于投影到基准面上的光图案而产生相位的偏移。因此，只要求出实际将光图案投影到计测对象12上而拍摄到的图像(线性图像)中所含的某一位置的像素的光图案的相位，和将光图案投影到基准面时的同一像素的相位(基准相位)之差，就能够基于上述的三角测量原理来求出与该像素相对应的位置上的计测对象12的高度。在计算上述的相位差时，能够通过将光图案投影到基准面上进行拍摄等来预先求出基准相位。另一方面，对于求出实际将光图案投影到计测对象12上而拍摄到的图像(线性图像)中所含的各位置的像素的光图案的相位的方法，大体分为两个方法。空间条纹分析法和时间条纹分析法的不同点在于该相位的求出方法。如图7的(b)部分所示，在正弦函数中，在一个周期内存在两个用于赋予某一移位的相位。例如，在由y = Sin θ所示的函数中，赋予移位y = 0的相位θ的解是0及π两个。另外，赋予移位y= 1/2的相位θ的解是π/6及5π/6两个。基于这样的理由，在拍摄到的图像中，仅根据单一的像素的亮度值(相当于正弦函数的移位)，不能求出该像素的光图案的相位。在这里，在以往利用的方法即时间条纹分析法(移向法)中，将仅移动规定量相位的至少三个光图案投影到计测对象12上并拍摄计测对象12，并通过分析得到的图像，来决定一个相位。从而，在利用时间条纹分析法的情况下，即使计测对象12的反射特性严格地保持不变，也最少需要拍摄三次计测对象12。另一方面，在空间条纹分析法中，基于将要求出的相位的像素(下面称“关注像素”)以及其周围的像素的亮度，来计算关注像素的相位。例如，在上述例子中施加移位y = 0的相位θ是0及π两个，在这里，在关注像素的相位是0的情况和π的情况下，其亮度与周围像素的亮度不同。在关注像素的相位是0的情况下，例如在比关注像素相位稍小的一侧存在的周围像素的亮度值，比关注像素的亮度值小。另一方面，在关注像素的相位是η 的情况下，在比关注像素相位稍小一侧存在的周围像素的亮度值，比关注像素的亮度值大。 从而，能够基于关注像素附近的像素，将光图案的相位决定为一个相位。这样，空间条纹分析法的特征是，基于存在于关注像素附近的像素的亮度值来决定关注像素的相位。对于用在本实施方式的三维形状计测系统10中的空间条纹分析法的具体的处理工序，在下面进行详细的阐述，但本发明并不限定于此，只要是基于上述的条纹分析法的原理的方法即可，可以是任一种方法。在本实施方式中，假定生成从拍摄得到的线性图像将光图案移相了 90°的移相光图案。在这里，若将投影的光图案设定为下面的公式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)任意的函数，φ(X)表示位置χ上的相位。)则由下面的公式(3)表示将该光图案移相了 90°的移相光图案。公式权利要求
1.一种三维形状计测装置，通过对投影在计测对象上且亮度根据位置而周期性地变化的光图案进行分析，来计测上述计测对象的三维形状，该三维形状计测装置的特征在于，具有安装台，其具有成为上述计测对象的高度的基准的基准面，并且上述计测对象安装在该安装台上，计测头，其将上述光图案投影到上述计测对象及上述基准面上，并拍摄所投影的光图案，移位部，其使上述安装台及上述计测头这两个构件中的至少一个构件向上述计测对象的高度方向移位，相位计算单元，其对包含在由上述计测头拍摄得到的图像中的某个像素的上述光图案的相位进行计算，高度计算单元，其基于由该相位计算单元计算出的相位，来计算上述计测对象的高度， 移位部控制单元，其基于由该高度计算单元计算出的上述计测对象的高度，来控制上述移位部；上述高度计算单元，基于由上述相位计算单元计算出的相位来计算高度，并基于特定移位量来修正计算出的高度，由此计算上述计测对象的高度，所述特定移位量是指，上述移位部使上述一个构件在从上述安装台的基准面到上述计测头为止的高度范围内移位的移位量。
2.根据权利要求1记载的三维形状计测装置，其特征在于，若由上述高度计算单元计算出上述计测对象的高度，则上述移位部控制单元使上述移位部进行上述移位。
3.根据权利要求1记载的三维形状计测装置，其特征在于，若由上述高度计算单元计算出的上述计测对象的高度到达特定范围的端部，则上述移位部控制单元使上述移位部进行上述移位，所述特定范围是指，与表示上述相位的取值范围的计测范围相对应的高度方向上的范围。
4.根据权利要求1记载的三维形状计测装置，其特征在于，若由上述高度计算单元计算出的上述计测对象的高度到达与上述计测头的景深相对应的范围的端部，则上述移位部控制单元使上述移位部进行上述移位；该三维形状计测装置还具有相位修正单元，该相位修正单元基于表示上述相位的取值范围的计测范围，来修正由上述相位计算单元计算出的相位；上述高度计算单元基于由上述相位修正单元修正后的相位来计算高度，并基于上述移位量来修正所计算出的高度，由此计算上述计测对象的高度；该三维形状计测装置还具有计测范围设定单元，该计测范围设定单元基于上述移位量和由上述相位修正单元修正后的相位，来设定上述计测范围。
5.根据权利要求1至4中的任一项记载的三维形状计测装置，其特征在于， 上述计测头具有第一线性传感器，其用于拍摄光图案照射区域，该光图案照射区域为上述计测对象上的投影有上述光图案的区域，第二线性传感器，其用于拍摄光图案非照射区域，该光图案非照射区域为上述计测对象上的未投影有上述光图案的区域；上述相位计算单元所使用的图像是，利用由第二线性传感器拍摄得到图像，从由第一线性传感器拍摄得到的图像中除去背景成分后的图像。
6.一种三维形状计测方法，应用于三维形状计测装置，该三维形状计测装置通过对投影在计测对象上且亮度根据位置而周期性地变化的光图案进行分析，来计测上述计测对象，该三维形状计测方法的特征在于，包括相位计算步骤，将上述光图案投影到上述计测对象和基准面上，并计算包含在由计测头拍摄得到的图像中的某个像素的上述光图案的相位，其中，上述基准面是指，安装有该计测对象的安装台所具有的面，且成为上述计测对象的高度的基准的面，上述计测头用于拍摄所投影的光图案，高度计算步骤，基于由该相位计算步骤计算出的相位，计算上述计测对象的高度，移位部控制步骤，基于由该高度计算步骤计算出的上述计测对象的高度来控制位移部，该位移部使上述安装台及上述计测头这两个构件中的至少一个构件向上述计测对象的高度方向移位；在上述高度计算步骤中，基于由上述相位计算步骤计算出的相位来计算高度，并基于特定移位量来修正计算出的高度，由此计算上述计测对象的高度，所述特定移位量是指，上述移位部使上述一个构件在从上述安装台的基准面到上述计测头为止的高度范围内移位的移位量。
7.—种三维形状计测程序，用于使三维形状计测装置进行动作，该三维形状计测装置通过对投影在计测对象上且亮度根据位置而周期性地变化的光图案进行分析，来计测上述计测对象的三维形状，该三维形状计测程序的特征在于，使计算机执行以下的各步骤相位计算步骤，将上述光图案投影到上述计测对象和基准面上，并计算包含在由计测头拍摄得到的图像中的某个像素的上述光图案的相位，其中，上述基准面是指，安装有该计测对象的安装台所具有的面，且成为上述计测对象的高度的基准的面，上述计测头用于拍摄所投影的光图案，高度计算步骤，基于由该相位计算步骤计算出的相位，计算上述计测对象的高度，移位部控制步骤，基于由该高度计算步骤计算出的上述计测对象的高度来控制位移部，该位移部使上述安装台及上述计测头这两个构件中的至少一个构件向上述计测对象的高度方向移位；在上述高度计算步骤中，基于由上述相位计算步骤计算出的相位来计算高度，并基于特定移位量来修正计算出的高度，由此计算上述计测对象的高度，所述特定移位量是指，上述移位部使上述一个构件在从上述安装台的基准面到上述计测头为止的高度范围内移位的移位量。
全文摘要
一种在维持计测范围的同时简便扩展可计测高度的三维形状计测系统，对投影到计测对象上的亮度因位置而周期性变化的光图案进行分析来计测上述计测对象的三维形状，在三维形状计测系统中，计测对象安装在具有计测对象的高度基准面的安装台上，由计测头将光图案投影到计测对象及基准面上，由移位部使计测头向高度方向移位。由相位计算部(75)计算拍摄到的图像中的某个像素的光图案的相位，由高度计算部(77)基于计算出的相位来计算计测对象的高度，由进给量计算部(78)基于计算出的高度来计算使移位部应当移位的移位量。高度计算部(77)基于由相位计算部(75)计算出的相位来计算高度，并基于移位量来修正计算出的高度，由此计算计测对象的高度。
文档编号G01B11/25GK102365522SQ20108001410
公开日2012年2月29日 申请日期2010年3月26日 优先权日2009年4月3日
发明者光本大辅, 本间友纪, 竹村素直 申请人:欧姆龙株式会社