专利名称：图案光照射装置、三维形状计测装置以及图案光照射方法
技术领域：
本发明涉及向物体照射具有图案的光的图案光照射装置和图案光照射方法，以及使用该图案光照射装置的三维形状计测装置。
背景技术：
关于三维形状计测装置，具有如下的装置向作为计测对象的物体投影光图案，使用条纹分析法等相位分析方法来分析照射图案，从而得到对象的三维信息(高度信息)。对这种装置进行详细说明，首先，从光源通过图案形成板向计测对象照射光，从而在计测对象上投影图案形成板的像。而且，对投影了图案形成板的像的计测对像进行拍摄，得到图像。接着，将该图像中的图案形成板的像的图案，与未设置计测对象时(即，仅有基准平面时)的图案进行比较，根据因设置计测对象而产生的图案的偏移量(相位移位量)，计算高度信息。
此处，作为投影到计测物体上的图案，主要使用正弦波图案。这是因为，若使用矩形波图案，则只能用于计算亮部和暗部之间的边界部分的高度，与此相对，若使用正弦波图案，则能够根据波的任意部分来计算高度，从而可提高分辩率。
使用图11～图13来说明三维形状计测装置的测定方法的一例。图11(a)、图11(b)示出计测对象的一例，分别是从上面、侧面观看计测对象的图。若对这种计测对象照射正弦波图案的光，则成为如图12的左图所示。另外，在图中，不表现中间色调部分，利用黑或白的二值来表现条纹花样，但实际的条纹花样为具有亮度梯度的灰度。
如图12的左图所示，若向具有高度的物体照射正弦波图案的光，则正弦波的条纹花样根据物体的高度而变化。图12的右图是针对未设置物体的基准平面上的照射图案以及物体上的照射图案，示出图像中的左右方向的位置和亮度值之间的关系的曲线图。如该图所示，投影到具有高度的物体上的正弦波图案产生了相位偏移。根据该相位的偏移量，能够根据图13所示的三角测量的原理来计算高度。
在这种三维形状计测装置的图案光照射装置中，为了照射正弦波图案光，使用了如下所示的各种方法。首先，作为第一方法，可以举出向形成有用于投影正弦波图案的正弦浓淡图案的胶片照射光的方法。该方法中，为了形成正弦波图案光，在胶片上形成了层次(浓淡)。另外，浓淡的形成通过使用了卤化银等感光颗粒的感光或基于喷墨印刷机等的印刷来进行。
并且，作为第二方法，可以举出利用液晶投影仪照射正弦波状的光图案的方法。该方法中，利用液晶元件形成正弦浓淡图案，并且，利用投影仪将该浓淡图案投影到计测对象上。该情况下，通过调节各个液晶元件的透射率来表现浓淡。
而且，第三方法是通过对具有细微缝隙的衍射光栅照射光来照射正弦波图案光的方法。在该方法中，通过适当地调节缝隙的宽度、间隔，引起光的衍射，利用衍射的光的干涉作用，形成正弦波图案光。
并且，作为第四方法，是向计测对象扫描通过调制用信号而经时地对振幅(亮度)进行调制的光的方法。在该方法中，使光产生振幅调制，以便利用正弦函数来表示时间与亮度的关系，通过向计测对象扫描该光，从而向计测对象照射正弦波图案光。
专利文献1公开了如下的方法。在引用文献1中，记载了使用微透镜阵列的位置测定装置。该位置测定装置具备光源；用于使来自光源的光散射的散射板；选择性地使透过散射板的光透过的缝隙遮蔽部；设置在缝隙遮蔽部前方的透镜阵列。在该位置测定装置中，通过组合了缝隙和透镜阵列，使透镜阵列的各个透镜分别起到虚拟光源的作用。而且，通过适当地调节透镜阵列的透镜的焦点，使来自相邻的透镜的光重合，形成伪正弦波图案光。
专利文献1日本特开平8-313209号公报(平成8年(1996)11月29日公开)专利文献2日本特开平7-19825号公报(平成7年(1995)1月20日公开)但是，上述现有技术存在各种问题。例如，在向形成有浓淡图案的胶片照射光的方法中，由胶片构成的图案形成板的大小成为问题。对于此，在下面详细叙述。
近年来，这种三维形状计测装置多用于半导体的安装基板等的检查。该装置通过计测基板各部的高度，来检测部件的安装错误、焊锡不良等。此处，为了进行准确的检查，要求μm级别的高分辨率，为了提高分辨率，必须减小正弦波图案的间距(周期)。例如，考虑利用由上述的形成有浓淡图案的胶片构成的图案形成板，在一个视野区域内投影200周期的正弦波图案的情况。为了在胶片上形成正弦浓淡图案，需要用由感光颗粒或印刷用颗粒构成的点来表现浓淡。例如，一个颗粒的尺寸为5μm，用256灰度(8位灰度)来表现用于正弦波图案的浓淡时，正弦波的一个周期所需的胶片的尺寸为5(μm)×256(灰度)×2＝2560(μm)。
而且，为了将胶片做成200周期所需的尺寸，胶片的尺寸必须为2560(μm)×200(周期)＝512(mm)。
这意味着需要用像圈为512mm以上的镜头来将通过了胶片的光聚光。这种透镜与在通常的35mm胶片用照相机中使用的、具有43mm左右的像圈的镜头相比，镜头要大得多，价格非常高。因此，导致图案光照射装置的成本增大。这对于利用液晶元件来形成正弦浓淡图案的方法也一样。
并且，在使用衍射光栅来照射正弦波图案光的方法中，由于利用光的衍射现象，因此需要单一波长的光源。即，由于需要特殊的光源，所以图案光照射装置的成本增大，且很难小型化。
另一方面，向计测对象扫描通过调制用信号而经时地进行振幅调制的光的方法不适合于分析所拍摄的图像。其理由如下。在捕捉了计测对象的某一瞬间的图像中只拍摄了正弦波图案的一部分，利用一次拍摄得到的图像，不能计算出整个视野区域上的高度。
并且，在使用专利文献1中记载的微透镜阵列的方法中，用于微透镜阵列的各透镜限于单板(单透镜)结构，所以当光源不是单一波长时，焦距根据来自光源的光的波长而改变，或残留色差的影响。因此，需要单一波长的光源。所以产生与使用衍射光栅时相同的问题。
并且，在使用微透镜阵列的方法中，还存在不能容易地进行照射图案的形状变更的问题。在通常的三维形状的测定中，为了改变高度方向的分辨率，需要改变正弦波图案的间距。并且，在与测定三维形状一起，还拍摄对象物的整体或一部分，进行与模板图像的图案匹配时，需要照射具有相同亮度的光、即没有图案的光，而不是图案光。这样，在需要改变图案的形状时，在使用微透镜阵列的方法中，必须更换微透镜阵列整体。更换微透镜阵列整体需要很高的成本，所以不能够容易地进行照射图案的形状变更。
发明内容
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于，解决现有技术所存在的上述各问题，实现能够以低成本照射适合于图像处理的正弦波图案光的图案光照射装置。
本发明的图案光照射装置，用于向对象物照射具有图案的光，为了解决上述问题，其特征在于，该图案光照射装置具备图案形成板，其设置有多个开口部；光照射单元，其用于向上述图案形成板照射光；以及投影镜头，其用于将由上述光照射单元照射的、通过了上述图案形成板的开口部的光一体地聚光，将聚光后的光引导到上述对象物，上述投影镜头配置成，不使上述图案形成板的像成像于对象物上，而把其作为正弦波图案来投影。
根据上述结构，光照射单元向具有开口部的图案形成板照射光，从而在图案形成板的后方，利用图案形成板的开口部和除此之外的遮蔽部形成大致为图案形成板的像。然后，利用投影镜头将所形成的图案形成板的像聚光，并被投影到对象物上。此处，投影镜头的位置被配置成偏离了对焦的位置，从而使利用图案形成板形成的图案形成板的像不成像于对象物上。由此，像的轮廓、即图案形成板的开口部和遮蔽部之间的边界部分上的对比度变弱，像成为光的亮度从开口部的中央向遮蔽部平滑降低的像。即，投影到对象物上的开口部的像的亮度成为以开口部的中央为顶点的平滑山状。而且，通过适当地设定开口部的间隔，使通过了相邻的开口部的光束彼此重合，所以遮蔽部的像的亮度成为以遮蔽部的中央为底点的平滑的谷状。其结果，能够向对象物照射开口部的中央最大、遮蔽部的中央最小的伪正弦波的图案光。
这样，本发明中在再现正弦波图案的浓度梯度时，不像上述的使用了胶片或液晶投影仪的现有技术那样，利用离散化(量子化)的点的浓度(胶片的情况下为印刷用颗粒，液晶投影仪的情况下为液晶元件)来表现，而是通过焦点偏移这样的模拟方法来表现。因此，正弦波图案的一个周期所需的图案形成板的尺寸比使用了基于印刷用颗粒或液晶元件的浓淡的现有技术时的尺寸小。
对此进行详细说明，在本发明中，图案形成板上的开口部的一个间距相当于正弦波图案的一个周期。此处，图案形成板由开口部和遮蔽部这样的二值区域形成，所以与上述的使用再现浓度的胶片或液晶元件来构成图案形成板的情况相比，容易减小开口部的间距。由此，能够缩小用于形成期望的波数的正弦波图案的图案像形成板的尺寸。其结果，能够将用于投影通过了图案形成板的光的投影镜头小型化，且能够抑制图案光照射装置的制造成本。换言之，在使用了相同尺寸的投影镜头的情况下，可照射包括有比现有技术多的波数的正弦波图案。
而且，由于是通过模拟方法形成正弦波图案，所以与利用离散化的点的浓淡的现有技术相比，能够形成极其接近原本的正弦波的精细的正弦波图案。
并且，本发明的结构不限于像微透镜阵列那样投影镜头的结构为单板(单透镜)结构。因此，所使用的光源不限于单一波长的光源，容易抑制用于照射正弦波图案光的装置的制造成本、实现小型化。
并且，根据本发明的结构，与向对象物扫描使用调制用信号来按时间序列地进行振幅(亮度)调制的光的技术不同，本发明能够始终向对象物投影正弦波图案的全部区域。由此，将该图案光照射装置用于三维形状计测装置等时，以某一瞬间拍摄到的图像为基础，能够求出希望求出的区域整体的高度信息。即，在拍摄正弦波图案的图像时，能够提高快门速度。因此，也能够适用于像基板检查装置等那样，使对象物和摄像装置相对移动的同时进行计测的情况、或计测形状时时刻刻变化的对象物的情况。
如上所述，根据本发明，能够解决上述现有技术所具有的上述各问题，同时能够以低成本实现可照射适合于图像处理的正弦波图案光的图案光照射装置。
并且，优选上述图案形成板的相邻的两个开口部的间隔比该开口部的开口宽度大。
以往，如专利文献2所示，用于这种装置的光源不限于其光线的方向(指向性)一致的光源，因从左右的开口部衍射的光重叠而使所投影的遮蔽部的像的中央部分的亮度具有上升的趋势。由此，照射图案的暗部的亮度增加，引起照射图案的对比度的降低。因此，照射图案的SN比(信噪比)降低，甚至产生计测精度降低的问题。在为了增加照射图案的反复次数而减小遮蔽宽度，使开口部的间距缩小的情况下，该问题变得更加显著。
本发明中，通过使开口部的间隔(即遮蔽宽度)比开口宽度大、即遮蔽部的中央远离开口部，从而能够减少从开口部向遮蔽部的像的中央部分衍射的光量。由此，能够降低遮蔽部的像的中央的亮度。即，能够降低正弦波图案中的最小亮度值，由此增大正弦波图案的振幅。这意味着正弦波图案的对比度上升，SN比增大。因此，如果使用该正弦波图案来测定对象物的高度信息，则能够高精度地进行测定。
并且，优选上述投影镜头是将多个单透镜串联设置的复合镜头。
根据上述结构，通过组合多个单透镜，能够减少光的波长不同引起的色差。由此，能够不取决于光的波长，在恒定的条件下照射正弦波图案光。
并且，优选上述图案形成板由多个液晶元件构成，上述图案形成板的开口部和被该开口部夹持的遮蔽部是通过对上述液晶元件的电压施加的有无来形成的。
根据上述结构，根据有无对该元件施加电压，来决定某液晶元件是起到开口部的作用还是起到遮蔽部的作用、即是使光透过还是将光遮挡。因此，仅改变施加电压，就能够容易地切换该元件上的来自光源的光的透过/遮挡。由此，能够简单地进行例如为了改变分辩率而改变图案的间距，或为了拍摄对象物整体来进行与模板图像的图案匹配而切换图案的有无。
并且，优选上述光照射单元具有光源，其照射光；以及聚光镜头，其将来自该光源的光聚光，形成为平行光并引导到图案形成板。
根据上述结构，利用聚光镜头将来自光源的光聚光，能够提高能量效率。而且，使用一般的光源和聚光镜头，所以能够以低成本向图案形成板照射平行光。
本发明的三维形状计测装置，其特征在于，该三维形状计测装置具备上述图案光照射装置；摄像装置，其对通过上述图案光照射装置被投影了正弦波图案的上述对象物进行拍摄；以及图像分析装置，其分析上述摄像装置所拍摄的图像中的正弦波图案，计算上述对象物的高度信息。
根据上述结构，三维形状计测装置具备上述的图案光照射装置。因此，能够解决现有技术所具有的上述各问题，同时可测定三维信息(高度信息)。
并且，本发明的图案光照射方法，该方法用于向对象物照射具有图案的光，为了解决上述问题，其特征在于，该方法包括光照射步骤，向设置有多个开口部的图案形成板照射光；以及投影步骤，通过投影镜头，将在上述光照射步骤中通过了上述图案形成板的光作为正弦波图案光照射到上述对象物上，该投影镜头被配置成使焦点偏移，以使上述图案形成板的像不成像于上述对象物上。
根据上述结构，优选通过在光照射步骤中向具有开口部的图案形成板照射光，从而在图案形成板的后方，利用图案形成板的开口部和除此之外的遮蔽部形成图案形成板的像。在投影步骤中将所形成的图案形成板的像投影到对象物上。此处，在投影步骤中，通过焦点偏移的投影镜头，将图像形成板的像投影到对象物上。由此，使由图案形成板形成的图案形成板的像不成像于对象物上，像的轮廓、即图案形成板的开口部和遮蔽部之间的边界部分上的对比度变弱，像上的光的亮度从开口部的中央向遮蔽部平滑地降低。即，照射到对象物上的开口部的像的亮度成为以开口部的中央为顶点的平滑的山状。而且，通过适当地设定开口部的间隔，使通过了相邻的开口部的光束彼此重合，遮蔽部的像的亮度成为以遮蔽部的中央为底点的平滑的谷状。其结果，能够向对象物照射开口部的中央最大、遮蔽部的中央最小的伪正弦波的图案光。
这样，在再现正弦波图案的浓度梯度时，也可以通过焦点偏移这样的模拟方法来表现。由此，正弦波图案的一个周期所需的图案形成板的尺寸比使用了基于印刷用颗粒或液晶元件的浓淡的现有技术时的尺寸小。其结果，能够将用于投影通过了图案形成板的光的投影镜头小型化，能够抑制图案光照射装置的制造成本。换言之，在使用了相同尺寸的投影镜头的情况下，可照射包括有比现有技术多的波数的正弦波图案。
并且，本发明的结构不限于像微透镜阵列那样投影镜头的结构为单板(单透镜)结构。因此，所使用的光源不限于单一波长的光源，容易抑制用于照射正弦波图案光的装置的制造成本、实现小型化。
并且，根据本发明的结构，与向对象物扫描使用调制用信号来按时间序列地进行振幅(亮度)调制的光的技术不同，本发明能够始终向对象物投影正弦波图案的全部区域。由此，将该图案光照射装置用于三维形状计测装置等时，以某一瞬间拍摄到的图像为基础，能够求出希望求出的区域整体的高度信息。即，在拍摄正弦波图案的图像时，能够提高快门速度。因此，也能够适用于像基板检查装置等那样，使对象物和摄像装置相对移动的同时进行计测的情况、或计测形状时时刻刻变化的对象物的情况。
如上所述，根据本发明，能够解决现有技术所具有的上述各问题，同时以低成本实现能够照射适合于图像处理的正弦波图案光的图案光照射方法。
并且，优选上述图案形成板的相邻的两个开口部的间隔比该开口部的开口宽度大。
根据上述结构，通过使开口部的间隔(即遮蔽宽度)比开口宽度大、即遮蔽部的中央远离开口部，从而能够减少从开口部向遮蔽部的像的中央部分衍射的光量。由此，能够降低遮蔽部的像的中央的亮度。即，能够降低正弦波图案中的最小亮度值，由此增大正弦波图案的振幅。这意味着正弦波图案的对比度上升，SN比增大。因此，如果使用该正弦波图案来测定对象物的高度信息，则能够高精度地进行测定。
本发明能够解决现有技术所具有的各问题，并且能够以低成本照射适合于图像处理的正弦波图案光。
图1示出本发明的一个实施方式，是示出图案投影单元的主要结构的图。
图2示出本发明的一个实施方式，是示出三维形状计测装置的主要结构的图。
图3示出本发明的一个实施方式，是示出设置于投影图案中的图案形状的平面图。
图4示出本发明的一个实施方式，是示出投影图案的构成例的侧视图。
图5示出本发明的另一个实施方式，是示出投影图案的构成例的侧视图。
图6示出本发明的一个实施方式，是示出投影图案的构成例的平面图。
图7示出本发明的另一个实施方式，是示出图案投影单元的主要结构的图。
图8是示出投影到计测对象上的投影图案的像的开口部和遮蔽部的亮度的图。
图9是示出投影到计测对象上的投影图案的像的开口部和遮蔽部的亮度的图。
图10示出本发明的一个实施方式，是示出设置于投影图案中的开口宽度和遮蔽宽度之比的平面图。
图11(a)是示出计测对象的形状的俯视图，(b)是示出计测对象的形状的侧视图。
图12是示出向图11的计测对象照射正弦波图案光时形成的图案的图。
图13是说明三角测量原理的图。
图14示出本发明的一个实施例，是示出图案投影单元的结构的图。
图15示出本发明的一个实施例，是形成有正弦波图案的样子的图。
图16示出本发明的一个实施例，是示出投影镜头的焦点偏移时和未偏移时的、投影到照射面上的图案的比较结果的图。
图17示出本发明的一个实施例，是示出将开口宽度和遮蔽宽度之比设定为1∶1.7时和设定为1∶1时的、投影到照射面上的图案的比较结果的图。
图18示出现有技术，是示出设置于投影图案中的开口宽度和遮蔽宽度之比的平面图。
图19是说明通过了开口部的光射入遮蔽部的像的现象的图。
符号说明1图案投影单元(图案光照射装置)；3摄像单元(摄像装置)；4图像收集/处理单元(图像分析装置)；10光源(光照射单元)；11聚光镜头(光照射单元)；12投影图案；13投影镜头；100三维形状计测装置；200计测对象(对象物)。
具体实施例方式
根据图1至图17，如下说明本发明的一个实施方式。在本实施方式中，使用将本发明的图案光照射装置应用于在三维形状计测装置中使用的图案投影单元的例子进行说明。其中，本发明的图案光照射装置不限于用在三维形状计测装置上，只要是向物体照射正弦波图案光的装置，即可适用于任何装置。
图2是示出三维形状计测装置的整体结构的图。三维形状计测装置100通过向作为计测对象的物体照射图案光，使用条纹分析法等相位分析方法来分析投影到计测对象上的图案，从而得到对象的三维信息(高度信息)。如图2所示，三维形状计测装置100具有图案投影单元(图案光照射装置)1、投影控制器2、摄像单元3、图像收集/处理单元4、台控制器5以及XY移动台6。
图案投影单元1用于向计测对象200照射具有正弦波图案的光。计测对象200是例如半导体基板等，图案投影单元1被设置成与计测对象200的表面的法线方向具有角度。即，从图案投影单元1倾斜地向计测对象200照射图案光。另外，对于图案投影单元1的详细结构，将在后面叙述。
投影控制器2用于控制图案投影单元1的光量。摄像单元3具有未图示的照相机和镜头。摄像单元3拍摄计测对象200，把投影到计测对象200上的正弦波图案的亮度信息取作图像。所取得的图像通过摄像单元3转换为电子数据，发送给图像收集/处理单元4。
图像收集/处理单元4取入摄像单元3所拍摄的图像的电子数据，通过图像处理对计测对象的三维形状(高度信息)进行计测。另外，基于图像处理的三维形状的计测方法，可以使用公知的各种技术。
XY移动台6是设置计测对象200的台。XY移动台6能够利用未图示的电机等使计测对象200沿水平方向移动。此时，在将包含水平方向的面作为XY平面时，XY移动台6可在X轴方向和Y轴方向的两个方向上移位。由此，能够使计测对象200相对于图案投影单元1和摄像单元3双方相对移动。
台控制器5用于通过向上述的XY移动台6的电机流入电流或停止流入电流，从而使XY移动台6移动。另外，对于台控制器5使XY移动台6如何移动，是通过接收来自上述图像收集/处理单元4的指令来决定的。
接着，说明图案投影单元1的详细结构。如图1所示，图案投影单元(图案光照射装置)1具有光源10、聚光镜头11、投影图案(图案形成板)12以及投影镜头13。
光源10能够使用LED、卤灯或氙灯等各种光源。聚光镜头11是用于将从光源10照射的光聚光成平行光的镜头。
如图3所示，投影图案12是通过将分别具有预定宽度的长方形(矩形状)的开口部和遮蔽部的组平行排列多个、即排列成格子状而成的。换言之，可以说投影图案12是将具有预定开口宽度的开口部以预定间隔设置多个而成的。此处，开口部作为使光通过(透过)的区域，遮蔽部作为不使光通过(透过)的区域。这样，在本实施方式的图案投影单元1中，不使用具有正弦浓淡图案的投影图案，而可以使用将开口部和遮蔽部的二值区域排列成格子状的投影图案。
作为投影图案12的制造方法，没有特别限定，例如，如图4所示，可以通过在印刷胶片的表面将墨水喷(印刷)成格子状来制造，或者，如图5所示，也可以在玻璃基板上格子状地进行铬蒸镀来制造。作为本实施方式中的优选方式，利用排列成矩阵状的液晶元件来构成投影图案12。
图6示出使用了液晶元件的投影图案12的例子。该情况下，如图6和图7所示，图案投影单元1还具有液晶图案控制器14，该液晶图案控制器14与由液晶元件构成的投影图案12的各个电极连接。而且，通过由液晶图案控制器14对施加给各个液晶元件的施加电压进行接通/断开控制，从而形成投影图案12的开口部和遮蔽部。这样由液晶元件构成投影图案12，通过液晶图案控制器14变更施加给液晶元件的施加电压的接通/断开，能够简单地切换投影到计测对象200上的图案。另外，作为切换图案的情况，可以举出例如，从需要正弦波图案光的三维计测切换到用于取得需要一样亮度的光的图案匹配用图像的计测时；根据计测对象200的精细度，切换图案周期时等。
投影镜头13是用于将通过了投影图案12的平行光一体地聚光，照射到计测对象200的镜头。由此，投影镜头12的像、即由开口部和遮蔽部构成的图案投影到计测对象200。此处，如图1和图7所示，在本实施方式的图案投影单元1中，为了不使通过投影镜头13投影到计测对象200上的投影图案12的像在计测对象200上成像，偏离对焦位置来配置投影镜头13。
另外，投影镜头13可以是仅具有一个单透镜的单透镜结构，但本实施方式中的优选方式为将两个单透镜沿光路方向串联排列的复合镜头结构。另外，投影镜头13所具有的单透镜的数量不限于两个，也可以是三个以上。这样，通过使投影镜头13为复合镜头结构，即使在从光源10照射的光不是单一波长的光的情况下，也能够减少因波长的不同引起的色差。
在这样的图案投影单元1中，从光源10照射的光，被用于提高能量效率的聚光镜头11聚光，照射到投影图案12。其结果，照射到投影图案12的开口部的光直接通过，照射到遮蔽部的光被遮挡，从而在投影图案12的后方形成开口部和遮蔽部的像(即图案)。
然后，通过了投影图案12的光通过投影镜头13照射到计测对象。此处，如上所述，偏移焦点来配置投影镜头13，因此，通过了投影镜头13的图案光以正弦波图案形式投影到计测对象200的照射面上。下面将详细叙述该原理。
首先，考虑投影镜头13对焦的情况下，通过投影图案12的光为理想(完全)的平行光的情况。该情况下，投影图案12的像在计测对象200上成像，投影到计测对象200上的图案的亮度，为图8的实线所示的曲线图。即，像在开口部始终显示出最大亮度，在开口部和遮蔽部的边界，亮度从最大值减小到最小值，而且，在遮蔽部始终显示出最小亮度。
但是，实际上通过投影图案12的光不是理想的平行光，所以如图8的虚线所示，在开口部和遮蔽部之间的边界部分产生模糊。即，像的亮度在开口部的中央最大，在开口部和遮蔽部之间的边界附近减小，在遮蔽部的离开口部最远的位置上达到最小。
此处，本实施方式中，通过使投影镜头13的焦点偏移，如图8的点划线所示，从开口部的中央到遮蔽部的亮度的梯度进一步变缓和。而且，通过调节该遮蔽部的间隔、即开口部和开口部之间的距离，使从相邻的开口部衍射的光重合。图9是示出此时的像的亮度的曲线图。如图9所示，上述的亮度(点划线)和从相邻的开口部衍射的光引起的亮度(双点划线)重合，成为伪正弦波形状的亮度(实线)。这样，在计测对象200的照射面上形成在开口部的中央亮度最大且在遮蔽部的中央亮度最小的正弦波图案。
但是，在上述的说明中，虽未特别提及投影图案12的开口部和遮蔽部的宽度之比，但优选遮蔽部的宽度比开口部的宽度大。下面将对此进行说明。
如图19所示，从光源10照射并通过聚光镜头11聚光的光线包含具有各种波长的光，所以不会成为完全的平行光，而成为具有大角度θ的光线。另外，该大角度θ也适用于通过聚光镜头11的镜头面的任意位置的光线。由此，照射到投影图案12上的光线并不是全部都垂直于投影图案12的图案形成面(即以0°)射入，而是以0°以上θ°以下的焦度射入。由此，如上所述，产生光衍射。
即，为理想的平行光的情况下，在遮蔽部的后面形成完全没有光线照射到的阴影，而实际上如图19所示，从开口部的与遮蔽部的边界附近朝向遮蔽部以θ°以下角度射入的光衍射到遮蔽部的后面。由此，在亮度最小的遮蔽部的像的中央部分也发生光衍射，遮蔽部的中央亮度上升。该遮蔽部的中央亮度上升意味着正弦波图案的亮度的最小值上升，所得到的正弦波图案的亮度的对比度降低。由此，所得到的正弦波图案的SN比降低，成为防碍精确测定三维信息的原因。
为了解决这样的问题，在本实施方式的图案投影单元1中，与图18所示的现有结构(开口宽度遮蔽宽度＝1∶1)不同，如图10所示，设计成投影图案12的遮蔽部的宽度大于开口部的宽度。通过这种设计，使遮蔽部的中央离开了开口部。因此，衍射到遮蔽部的像的中央的光线量减少，能够使遮蔽部的像的中央的亮度降低。其结果，所得到的正弦波图案的亮度的对比度上升，可以精确测定三维信息。
而且，利用摄像单元3对被这样投影了正弦波图案的计测对象200进行拍摄。然后，通过拍摄得到的图像被作为数字数据发送到图像收集/处理单元4。接着，图像收集/处理单元4对所接收到的图像中的正弦波图案进行分析，从而测定计测对象200的高度信息。此时的分析方法可以使用公知的条纹分析方法、例如武田等人的论文(J.Opt.Soc.Am，P.72～P.156，1982)中记载的方法。因此，此处对条纹分析方法进行简单说明。
例如，对俯视图为图11(a)、侧视图为图11(b)所示的计测对象200照射正弦波图案光时，在计测对象200的表面上形成的图案，如图12的左图所示。另外，在图中，没有表现出中间色调部分，是利用黑或白的二值来表现条纹花样，但实际的条纹花样为具有亮度梯度的灰度。
如图12的左图所示，若对具有高度的物体照射正弦波图案光，则正弦波的条纹花样根据物体的高度而变化。图12的右图示出了没有凸部的基准平面上的图案的亮度或凸部上的图案的亮度、与扫描方向上的位置之间的关系的曲线图。如该图所示，投影到具有高度的物体(凸部)上的正弦波图案产生相位偏移。该偏移取决于物体的高度，通过计测该偏移，能够得到物体的高度信息。
图13示出高度计测的原理(三角测量的原理)。计测对象200的高度作为距基准平面的距离来计算。图13中，为了便于说明，示出计测从基准平面起的高度为h的平面的情况。向基准平面上的点O的位置照射从图案投影单元1投影的图案。在将图案投影单元1和摄像单元3的朝向保持在该状态下计测距离为高度h的平面时，图案被投影到点P。即，从摄像单元3侧观看，与拍摄基准平面时相比，计测出图案偏移了距离PQ。这相当于图12中的图案的偏移。
使用该位置偏移PQ，利用基于图13所示的三角测量的原理的公式(1)，可计算高度h。其中，d是摄像单元3和图案投影单元1的光轴中心之间的距离，L是从摄像单元3到基准平面的距离，这些是已知值。另外，由于上述的图案的位置偏移是正弦波那样的具有周期性的图案上的位置偏移，因此被称为相位差。
这样测定的计测对象200的高度信息(三维形状信息)与XY平面坐标对应起来，可读取地存储到设置在图像收集/处理单元4的未图示的存储部中的数据库中。然后，用户能够通过与图像收集/处理单元4连接的未图示的显示器，阅览数据库中存储的计测对象200的三维形状信息。
实施例接着，使用图15至图17，说明本发明的实施例。在本实施例中，作为投影图案12，使用了排列成矩阵状的液晶元件。而且，将投影图案12的开口部的间距(即，从某一开口部的中央到与其相邻的开口部的中央的距离)设定为100μm。这相当于10LP(Line Pair)/mm，是在由液晶元件构成时，无需使用特别的技术即可容易地制造的值。根据该结构，在一个视野区域内投影200周期的正弦波图案所需的尺寸为100(μm)×200(周期)＝20(mm)。
因此，是能够用通常的35mm胶片照相机等中使用的镜头充分应对的尺寸。
开口部的宽度和遮蔽部的宽度设定为1∶1.7。另一方面，聚光镜头、投影图案、投影镜头以及照射面的配置如图14所示。具体讲，聚光镜头使用焦距为80mm、摄影倍率为0.3倍的镜头，聚光镜头和投影图案之间的距离为约25mm，从投影图案到投影镜头的主点的距离为约50mm，从投影镜头的主点到照射面的距离为约270mm。由此，摄影图案的像不在照射面上成像，成为焦点模糊的像。
图15是示出利用这样的图案投影单元投影的图案的一个周期的亮度的曲线图。如图15所示，通过了某一开口部1的光在照射面上形成的亮度，如虚线所示。而且，由通过了与开口部1相邻的开口部2的光在照射面上形成的亮度，如点划线所示。实际上，形成于照射面上的亮度为使上述两个亮度重合的实线所示。如图15所示，验证了如下情况将开口部的像中央的亮度设为1时，遮蔽部的像中央的亮度为约0.5，像的亮度从开口部的中央向遮蔽部的中央平缓地减小，从遮蔽部的中央到相邻的其它开口部的中央平缓地增大，形成伪正弦波图案。
并且，图16示出使摄影镜头的焦点偏移时和对焦时的比较结果。在图16中，将从利用摄像单元对实际投影到基准平面上的图案进行拍摄得到的图像得到的亮度值作为纵轴，将摄像单元的像素号作为横轴。而且，示出用实线表示焦点偏移时(即本实施例)、用虚线表示对焦时(即比较例)的曲线图。此处，除了焦点以外的条件相同。如图16所示，在对焦时，从开口部的像到遮蔽部的像的亮度的梯度增大，显示出发生了从正弦波走样的情况。相对于此，本实施例中，形成了接近正弦波的图案。根据该结果，验证了与对比例相比，将投影镜头的焦点偏移来进行配置的本实施例的结构，能够投影更接近正弦波的形状的图案。
最后，图17示出改变开口部的宽度(开口宽度)和遮蔽部的宽度(遮蔽宽度)时的比较结果。在图17中，将由通过摄像单元对实际投影到基准平面上的图案进行拍摄得到的图像得到的亮度值设为纵轴，将摄像单元的像素号设为纵轴。而且，示出了实线表示开口宽度与遮蔽宽度之比为1∶1.7的情况(即本实施例)，虚线表示开口宽度与遮蔽宽度之比为1∶1的情况(即对比例)的曲线图。此处，除了开口宽度与遮蔽宽度之比以外，其它条件相同。如图17所示，在本实施例和对比例中，开口部的像的中央的亮度值(最大亮度值)大致为相同值。相对于此，在本实施例中，遮蔽部的像的中央的亮度值(最小亮度值)为约50，而对比例中为约80。如上所述，验证了本实施例的结构、即遮蔽宽度大于开口宽度时，投影到照射面上的正弦波图案的振幅增大，对比度提高。
本发明不限于上述的实施方式和实施例，在权利要求所示的范围内，可以进行各种变更。即，将在权利要求所示的范围内进行了适当变更的技术手段组合得到的实施方式，也包括在本发明的技术范围中。
并且，除了本说明书中示出的数值范围以外，只要是在不违反本发明宗旨的合理范围内，自不必说，也包括在本发明内。
本发明的图案光照射装置是用于向对象物照射具有正弦波图案的光的图案光照射装置，例如能够适用于三维形状计测装置的图案投影装置等。
权利要求
1.一种图案光照射装置，该图案光照射装置用于向对象物照射具有图案的光，其特征在于，该图案光照射装置具备图案形成板，其设置有多个开口部；光照射单元，其用于向上述图案形成板照射光；以及投影镜头，其用于将由上述光照射单元照射的、通过了上述图案形成板的开口部的光一体地聚光，将聚光后的光引导到上述对象物，上述投影镜头配置成，不使上述图案形成板的像成像于对象物上，而把其作为正弦波图案来投影。
2.根据权利要求1所述的图案光照射装置，其特征在于，上述图案形成板的相邻的两个开口部的间隔比该开口部的开口宽度大。
3.根据权利要求1所述的图案光照射装置，其特征在于，上述投影镜头是将多个单透镜串联设置的复合镜头。
4.根据权利要求1所述的图案光照射装置，其特征在于，上述图案形成板由多个液晶元件构成，上述图案形成板的开口部和被该开口部夹持的遮蔽部是通过对上述液晶元件的电压施加的有无来形成的。
5.根据权利要求1所述的图案光照射装置，其特征在于，上述光照射单元具有光源，其照射光；以及聚光镜头，其将来自该光源的光聚光，形成为平行光并引导到图案形成板。
6.一种三维形状计测装置，其特征在于，该三维形状计测装置具备权利要求1所述的图案光照射装置；摄像装置，其对通过上述图案光照射装置被投影了正弦波图案的上述对象物进行拍摄；以及图像分析装置，其分析上述摄像装置所拍摄的图像中的正弦波图案，计算上述对象物的高度信息。
7.一种图案光照射方法，该方法用于向对象物照射具有图案的光，其特征在于，该方法包括光照射步骤，向设置有多个开口部的图案形成板照射光；以及投影步骤，通过投影镜头，将在上述光照射步骤中通过了上述图案形成板的光作为正弦波图案光照射到上述对象物上，该投影镜头被配置成使焦点偏移，以使上述图案形成板的像不成像于上述对象物上。
8.根据权利要求7所述的图案光照射方法，其特征在于，上述图案形成板的相邻的两个开口部的间隔比该开口部的开口宽度大。
全文摘要
本发明提供图案光照射装置、三维形状计测装置以及图案光照射方法。一种图案光照射装置，该图案光照射装置用于向对象物照射具有图案的光，其特征在于，该图案光照射装置具备图案形成板，其设置有多个开口部；光照射单元，其用于向上述图案形成板照射光；以及投影镜头，其用于将由上述光照射单元照射的、通过了上述图案形成板的开口部的光一体地聚光，将聚光后的光引导到上述对象物，上述投影镜头配置成，不使上述图案形成板的像成像于对象物上，而把其作为正弦波图案来投影。
文档编号G01B11/24GK1936496SQ20061013893
公开日2007年3月28日 申请日期2006年9月21日 优先权日2005年9月21日
发明者吉野政直, 伊东芳郎, 麻生川佳诚 申请人:欧姆龙株式会社