专利名称：三维形状计测装置及其方法、计算机可读取的记录介质的制作方法
技术领域：
本发明涉及三维形状计测装置，其通过分析投影到计测对象上的光图案，对计测对象的三维形状进行计测。
背景技术：
作为通过图像分析来获得对象物的三维形状信息的手段，有如下的方法。在存在于预定摄像视场内的计测对象上投影光图案，分析根据计测对象的三维形状变形的光图案的变形量。作为代表例，可以举出光切割法、空间编码法、条纹分析法等。这些全部都是依据三角测量的原理。其中，关于条纹分析法，已提出有空间条纹分析、时间条纹分析等多种方法，作为获得高计测精度的方法已为人知。
但是，通常，在这些方法中，在投影了光图案的计测对象的读取中使用区域照相机(area camera)。但是，若使用区域照相机，则会引起下述的问题。由于计测对象不能控制在1个摄像视场内，有时需要在纵向和横向的两个方向上移动区域照相机的同时逐个按照摄像视场分多次进行拍摄，从而导致拍摄时间增长。
作为对这种问题的解决对策，例如在专利文献1、2和非专利文献1中，替代区域照相机，提出了使用线传感器的三维形状计测方法。该计测方法按照如下的步骤执行。首先，用照相机拍摄投影了光图案的计测对象。接着，多次重复如下操作通过搬送计测对象，使投影的光图案的相位偏移，再用其它的线照相机拍摄投影了相位偏移的光图案的计测对象。然后，根据时间条纹分析法(相移法)分析所拍摄的多张图像中包含的光图案。由此，计测三维形状。
并且，在专利文献2的三维形状测定装置中，利用如下方法测定三维形状。该方法是利用设置在不同位置的2个线照相机分别拍摄投影了光图案的计测对象，根据立体法，分析所拍摄的2个图像。
专利文献1日本特开2002-286433号公报(平成14年(2002)10月3日公开)专利文献2日本特开2004-117186号公报(平成16年(2004)4月15日公开)非专利文献1藤垣ら「複数ライセンサによる連続物体形状計測における平行光格子投影手法」精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集pp.1061-1062，2004。
但是，上述现有技术还存在如下问题在配置线传感器方面有困难，或拍摄所需时间长。
例如，在专利文献1所述的技术中，作为条纹分析法，使用时间条纹分析法，该时间条纹分析法中，改变投影到计测对象上的光图案的相位的同时从同一角度多次拍摄计测对象的同一部分。此处，为了使用多个线传感器拍摄沿直线方向搬送的计测对象的同一部分，必须使所有的线传感器准确地平行配置。而且，还需要将所有的线传感器配置成从载置计测对象的基准面起的距离相同。而且，为了从相同角度进行拍摄，必须以相同的姿势配置所有的线传感器。例如，在专利文献1中，使用4根线传感器，但实际上难以如上述配置这些4根线传感器。
这样，专利文献1所述的技术存在线传感器的配置变困难的问题。而且，由于需要多个线传感器，所以还有可能导致计测装置的大型化、高价格化、或故障频率上升等。
并且，在使用时间条纹分析法时，还有替代使用多个线传感器，而使用1个线传感器来多次拍摄计测对象的方法。但是，该情况下，不能够进行并行处理，所以需要为拍摄分析所需张数的图像而使用多个线传感器时的几倍(例如拍摄4张图像时为4倍等)的时间。因此，产生计测所需时间增长的问题。
另一方面，在专利文献2所述的技术中，利用立体法根据2个线传感器所得到的2个图像计测三维形状，但为了根据立体法来计测三维形状，需要知道2个线传感器的精确的几何配置。而且，即使在该情况下，还需要精确配置2个线传感器，产生线传感器的配置变困难的问题。而且，专利文献2的方法使用立体法，所以还存在如下问题难以将三维形状的测定精度达到线传感器的像素以下的分辨率，并且，测定精度变差。
发明内容
本发明是鉴于上述课题而提出的，其目的在于，实现能够迅速且容易计测遍布广视场的计测对象的三维形状信息的三维形状信息计测装置和三维形状信息计测方法。
本发明的三维形状计测装置，该装置通过分析投影到计测对象的、亮度根据位置周期性地变化的光图案，对计测对象的三维形状进行计测，其特征在于，该三维形状计测装置包括线传感器，其用于将投影到计测对象的上述光图案作为图像读取；以及图像分析部，其根据上述图像中的像素及其周边像素的亮度值，计算上述线传感器所读取的图像中包含的某一上述像素的光图案的相位，根据计算出的相位，计算上述计测对象的高度信息。
根据上述结构，三维形状计测装置具有用于将投影到计测对象的光图案作为图像读取的线传感器。这样，能够使用线传感器而不是区域照相机来使摄像区域沿线传感器的长度方向(主扫描方向)延伸。因此，能够减少计测对象相对于线传感器沿主扫描方向相对移动的次数(优选为0)，并且以高分辨率拍摄计测对象。由此，能够迅速且高精度地计测三维形状信息。
三维形状计测装置通过分析投影到计测对象的光图案来计算计测对象的形状信息。该光图案的亮度根据位置周期性地变化，根据投影到计测对象的某一位置的光图案的相位从基准相位偏移的程度，能够计算计测对象在该位置上的高度。
此处，根据线传感器所拍摄的图像的亮度值，计算出投影到计测对象的各部分上的光图案的相位。即，根据投影了光图案的计测对象的某一位置所对应的像素(下面称为“关注像素”)的亮度值，计算该亮度值所对应的相位。但是，光图案的位置(即相位)和亮度值(即位移)利用具有周期性的连续函数来表示时，除去顶点，赋予了某一点的亮度值(位移)的相位在同一周期内最少存在2个。例如，由y＝sinθ表示的函数中，赋予了位移y＝0的相位θ存在0和π的2个。因此，不能仅根据关注像素的亮度值(位移)来将该亮度值所对应的相位确定为1个。
此时，在现有的技术中，通过使用时间条纹分析法来确定关注像素中的相位。该方法首先根据关注像素的亮度值将该亮度值所对应的相位圈定为2个。接着，根据偏移光图案的相位后所拍摄的另一图像中的对应像素的亮度值，将关注像素中的光图案的相位确定为1个值。为了进行该方法，拍摄了计测对象的同一部分的图像最少也需要2个，需要对计测对象的同一部分进行2次以上的延伸扫描次数。
相对于此，本发明的三维形状计测装置具有图像分析部，该图像分析部根据图像中的像素及其周边像素的亮度值，计算线传感器所读取的图像中包含的某一像素的光图案的相位。即，根据关注像素的亮度值来圈定关注像素中的光图案的相位，同时，根据关注像素的周边像素的亮度值来将像素中的光图案的相位确定为1个值。
说明该原理。在具有周期性的连续函数中，赋予了某一位移的相位在同一周期内存在至少2个。这2个相位的周边的位移在这2个相位之间不同。例如，在上述例子中，赋予了位移y＝0的相位θ存在0和π的2个。此处，关注像素中的相位为0时和为π时，周边像素的亮度值(位移)不同。若关注像素中的相位为0，例如存在于相位比关注像素稍小的一侧的周边像素的亮度值比关注像素的亮度值小。另一方面，关注像素中的相位为π时，存在于相位比关注像素稍小的一侧的周边像素的亮度值比关注像素的亮度值大。因此，能够根据关注像素的附近的像素的亮度值，将光图案的相位确定为1个。
根据本发明的上述结构，在将关注像素中的光图案的相位确定为1个时，利用同一图像中包含的关注像素的周边的像素的亮度值。因此，能够仅根据1个图像求出各像素的相位，其结果，能够仅根据一个图像来计算计测对象的各部分上的高度。由此，能够将线传感器进行的延伸扫描次数减少为最低1次，和/或能够将线传感器的根数减少为最低一根。换言之，能够缩短扫描所需的时间，甚至能够缩短计测所需的时间，和/或能够减少配置线传感器的困难性。
这样，本发明的三维形状计测装置能够迅速且容易地计测遍布广视场的计测对象的三维形状信息。
并且，上述图像分析部优选具备设定部，该设定部用于设定在计算上述光图案的相位时使用的上述周边像素的数量。
根据上述结构，三维形状计测装置能够利用设定部来调节在计算光图案的相位时使用的上述周边像素的数量。此处，若增加计算相位时使用的周边像素的数量，则根据更多的像素计算高度，从而能够提高高度信息的计算精度。相反，若减少计算相位时使用的周边像素的数量，则运算次数减少，因此高度信息的计算速度提高。并且，难以包含黑点等亮度不连续点，所以能够抑制不连续点引起的误差传播的影响。
为了解决上述课题，本发明的三维形状计测装置，该装置通过分析投影到计测对象的光图案，对计测对象的三维形状进行计测，其特征在于，该三维形状计测装置包括线传感器，其用于将投影到计测对象的光图案作为图像读取；以及图像分析部，其根据空间条纹分析法分析上述线传感器所读取的图像中的光图案，计算计测对象的高度信息。
根据上述结构，三维形状计测装置具有用于将投影到计测对象的光图案作为图像读取的线传感器。通过使用线传感器，能够将摄像区域沿线传感器的长度方向(主扫描方向)延伸。因此，能够减少计测对象相对于线传感器沿主扫描方向相对移动的次数(优选为0)，并且能够以高分辨率拍摄计测对象。由此，能够迅速且高精度地计测三维形状信息。
三维形状计测装置通过分析投影到计测对象的光图案来计算计测对象的形状信息。该光图案的亮度根据位置周期性地变化，根据投影到计测对象的某一位置的光图案的相位从基准相位偏移的程度，能够计算计测对象在该位置上的高度。
此处，根据线传感器所拍摄的图像的亮度值，计算出投影到计测对象的各部分上的光图案的相位。即，根据关注像素的亮度值，计算该亮度值所对应的相位。但是，光图案的位置(即相位)和亮度值(即位移)利用具有周期性的连续函数来表示时，赋予了某一点的亮度值(位移)的相位在同一周期内最少也存在2个。因此，不能仅根据关注像素的亮度值(位移)来将该亮度值所对应的相位确定为1个。
本发明的三维形状计测装置具有图像分析部，该图像分析部根据空间条纹分析法分析线传感器所读取的图像中的光图案。空间条纹分析法是根据存在于关注像素的附近的像素的亮度值来确定关注像素的相位的方法。因此，能够仅根据1个图像来求出各像素的相位，其结果，能够仅根据1个图像来计算计测对象的各部分上的高度。由此，能够将线传感器进行的延伸扫描次数减少到最低1次，和/或能够将线传感器的根数减少为最低一根。换言之，能够缩短扫描所需的时间，甚至能够缩短计测所需的时间，和/或能够减少配置线传感器尾随的困难性。
这样，本发明的三维形状计测装置能够迅速且容易地计测遍布广视场的计测对象的三维形状信息。
并且，上述图像分析部优选具备设定部，该设定部用于设定在上述空间条纹分析法中使用的滤波器的尺寸。
上述的滤波器用于指定在空间条纹分析法中计算关注的像素的相位时使用的关注的像素及其周边像素。此处，若通过增大滤波器的尺寸来增加计算相位时使用的像素的数量，则根据更多的像素计算高度，提高高度信息的计算高度。相反，若通过减小滤波器的尺寸来减少计算相位时使用的周边像素的数量，则运算次数减少，因此高度信息的计算速度提高。并且，难以包含黑点等亮度的不连续点，所以还能够抑制不连续点引起的误差传播的影响。
并且，上述三维形状计测装置优选还具有光图案投影部，该光图案投影部将上述线传感器所读取的上述光图案投影到上述计测对象上，上述光图案投影部将亮度变化的间距在上述线传感器的主扫描方向上为最小的上述光图案投影到上述计测对象上。
根据上述结构，光图案投影部将亮度变化的间距在线传感器的主扫描方向上为最小的光图案投影到计测对象上。若将在投影的光图案上光图案的亮度变化的间距最小的方向称为“最小间距方向”，则通过使线传感器的主扫描方向和光图案的最小间距方向一致，在线传感器所拍摄的图像中，光图案的亮度的间距最小。因此，能够以高计测精度对计测对象进行计测。
另外，在现有的技术中，需要使光图案的最小间距方向不同于线传感器的主扫描方向。其原因是，若该2个方向一致，则即使沿与线传感器的主扫描方向垂直的方向的搬送方向搬送计测对象，投影到计测对象的同一部分上的光图案的相位也不会偏移。其结果，在用多个线传感器拍摄的图像之间不产生相位差，不能够求出计测对象的高度。
相对于此，本发明的三维形状计测装置仅根据线传感器对投影了光图案的计测对象进行拍摄所得到的1个图像，就能够计算出计测对象的高度。因此，即使使光图案的最小间距方向与线传感器的主扫描方向一致，也不会发生任何问题。
并且，优选上述光图案投影部将会聚成沿上述线传感器的主扫描方向延伸的1轴的直线形状的上述光图案投影到上述计测对象上。
根据上述结构，通过构成为将光图案会聚成1轴，与向二维方向照射的情况相比，能够确保更多的光量，并且，能够抑制光源的功率。
另外，在现有的技术中，构成为用多个线传感器拍摄光图案的情况下，需要对多个线传感器的各个摄像区域投影光图案。此处，若在多个线传感器的各个上设置独立的专用投影部，则存在投影的光图案在每个投影部上产生偏差的问题。由于这样的问题，现有的装置构成为用1个投影部来投影能够覆盖多个线传感器的全部摄像区域的光图案。
但是，在本发明的三维形状计测装置中，能够构成为使用单个线传感器拍摄计测对象，所以投光部所投影的光图案若仅覆盖单个线传感器的摄像区域也是可以的。
并且，上述线传感器也可以分别将投影了上述光图案的状态和没有投影上述光图案的状态的2个状态的上述计测对象作为图像读取，并且，上述图像分析部根据在没有向计测对象投影光图案的状态下、上述线传感器所读取的图像的亮度，将在向上述计测对象投影了上述光图案的状态下、上述线传感器所读取的图像的亮度归一化，分析归一化后的亮度的图像中的光图案。
并且，上述三维形状计测装置也可以具有第一线传感器，其将投影了上述光图案的上述计测对象作为图像读取；以及第二线传感器，其将没有投影上述光图案的上述计测对象作为图像读取，上述图像分析部根据第二线传感器所读取的图像的亮度，将第一线传感器所读取的图像的亮度归一化，分析归一化后的亮度的图像中的光图案。
根据上述结构，在没有投影光图案的状态下拍摄计测对象，取得其图像(下面称为“对照图像”)。并且，图像分析部根据该对照图像将投影光图案后得到的计测对象的图像归一化，使用该归一化的图像进行分析。由此，即使在计测对象的各个部位的反射特性不同的情况下，也可以对计测对象的高度信息进行计测。
并且，优选上述三维形状计测装置还具有搬送部，该搬送部以预定的搬送速度沿着与上述线传感器的主扫描方向正交的副扫描方向搬送上述线传感器、上述计测对象中的至少一方，上述线传感器将投影到计测对象的上述光图案相对于计测对象沿上述副扫描方向移动的同时将上述光图案作为图像读取，上述图像分析部还根据上述图像中的上述主扫描方向的像素数，计算上述计测对象的上述主扫描方向的长度信息，并且，根据上述搬送速度，计算计测对象的上述副扫描方向的长度信息。
根据上述结构，三维形状计测装置能够根据线传感器所得到的图像中的主扫描方向的像素数来对计测对象的主扫描方向的长度进行计测。并且，能够根据搬送速度来对计测对象的副扫描方向的长度信息进行计测。
而且，上述图像分析部可以由硬件来实现，也可以通过使计算机执行程序来实现。具体讲，本发明的程序是使计算机作为上述图像分析部工作的程序，在本发明的记录介质中记录有该程序。
若通过计算机来执行这些程序，则该计算机作为上述图像分析部工作。因此，使用了上述图像分析部的三维形状计测装置能够迅速且容易地计测遍布广视场的计测对象的三维形状信息。
本发明的三维形状计测方法为了解决上述课题，其特征在于，所述三维形状计测方法包括光图案投影步骤，将亮度根据位置周期性地变化的光图案投影到计测对象上；光图案读取步骤，利用线传感器将通过上述光图案投影步骤投影到计测对象的光图案作为图像读取；以及图像分析步骤，根据上述图像中的像素及其周边像素的亮度值，计算在上述光图案读取步骤中读取的图像中包含的某一上述像素的光图案的相位，根据计算出的相位，计算上述计测对象的高度信息。根据上述结构，能够迅速且容易地计测遍布广视场的计测对象的三维形状信息。
并且，优选上述图像分析步骤包括设定步骤，该设定步骤用于设定在计算上述光图案的相位时使用的上述周边像素的数量。根据上述结构，能够实现计算精度的提高、计算速度的提高、抑制不连续点引起的误差传播。
本发明的三维形状计测方法，其特征在于，包括光图案投影步骤，将亮度根据位置周期性地变化的光图案投影到计测对象上；光图案读取步骤，利用线传感器将通过上述光图案投影步骤投影到上述计测对象上的光图案作为图像读取；以及光图案分析步骤，根据空间条纹分析法分析在上述光图案读取步骤中读取的图像中的光图案，计算上述计测对象的三维形状信息。根据上述结构，能够迅速且容易地计测遍布广视场的计测对象的三维形状信息。
并且，优选上述光图案分析步骤还包括设定步骤，该设定步骤设定在上述空间条纹分析法中使用的滤波器的尺寸。根据上述结构，能够实现计算精度的提高、计算速度的提高、抑制不连续点引起的误差传播。
并且，优选在上述光图案投影步骤中，将亮度变化的间距在上述线传感器的主扫描方向上为最小的光图案投影到计测对象上。根据上述结构，能够以高计测精度对计测对象进行计测。
并且，优选在上述光图案投影步骤中，将会聚成沿上述线传感器的主扫描方向延伸的1轴的直线形状的光图案投影到计测对象上。根据上述结构，能够确保较多的光量，并且能够抑制光源的功率。
并且，上述三维形状计测方法也可以还包括对照读取步骤，利用线传感器将没有投影上述光图案的上述计测对象作为图像读取，在上述光图案分析步骤中，根据在上述对照读取步骤中读取的图像的亮度，将在上述光图案读取步骤中读取的图像的亮度归一化，分析归一化后的亮度的图像中的光图案。根据上述结构，即使在计测对象的每个部位的反射特性不同的情况下，也能够对计测对象的高度信息进行计测。
并且，优选在上述光图案读取步骤中，相对于上述计测对象以预定的速度沿着与上述线传感器的主扫描方向正交的副扫描方向移动该线传感器，并将上述光图案作为图像读取，在上述图像分析步骤中，还根据图像中的上述主扫描方向的像素数，计算计测对象的上述主扫描方向的长度信息，并且，根据上述预定的速度，计算计测对象的上述副扫描方向的长度信息。根据上述结构，能够对计测对象的主扫描方向和副扫描方向的长度进行计测。
能够迅速且容易地计测遍布广视场的计测对象的三维形状信息。
图1示出本发明的一实施方式，是示出三维形状计测装置的主要部分结构的方框图。
图2示出本发明的一实施方式，是示出三维形状计测装置进行的计测的情况的图。
图3是用于说明三角测量的原理的图。
图4示出本发明的一实施方式，是示出投光部投影的光图案的一例的图。
图5(a)是示出计测对象的形状的俯视图，图5(b)是示出计测对象的形状的侧视图。
图6是示出在图5的计测对象上投影了光图案时的投影在计测对象上的光图案的变形的图。
图7示出本发明的一实施方式，是图1所示的图像分析部的功能方框图。
图8示出本发明的一实施方式，是示出图1所示的图像分析部的处理步骤的流程图。
图9示出本发明的另一实施方式，是图1所示的图像分析部的功能方框图。
图10示出本发明的另一实施方式，是示出投光部投影的光图案的另一例的图。
图11示出本发明的另一实施方式，是示出对计测对象实施的校正图案的一例的图。
图12是示出线传感器和校正用图案的几何位置关系的一例的俯视图，图12(a)示出线传感器相对于副扫描方向倾斜的状态，图12(b)示出校正用图案相对于副扫描方向倾斜的状态。
图13是示出线传感器和校正用图案的几何位置关系的另一例的俯视图，示出线传感器和校正用图案双方相对于副扫描方向倾斜的状态。
图14是将图13的主要部分放大示出的图，图14(a)示出线传感器读取校正用图案的纵线时的纵线与线传感器之间的位置关系，图14(b)和(c)分别示出线传感器开始读取校正用图案的横线时，横线与线传感器之间的位置关系、以及纵线的间隔和线传感器之间的位置关系。
具体实施例方式
根据图1至图4如下说明本发明的一实施方式。图2是表示本发明的一实施方式的三维形状计测装置10的概要结构的图。并且，图1是表示三维形状计测装置10的主要部分结构的方框图。如图2所示，本实施方式的三维形状计测装置10是通过在计测对象20上投影光图案30，分析投影到计测对象20的光图案30的形状，从而对计测对象20的三维形状、例如设置在计测对象20表面上的凹部的深度、凸部的高度及它们的位置等进行计测的装置。三维形状计测装置10的使用用途没有特别限定，但例如能够用于检查安装基板的装置等中。
如图2所示，三维形状计测装置10具有摄像部1、图像分析/驱动控制部(图像处理部)2、投光部(光图案投影部)3、搬送部4。摄像部1读取投影了光图案30的计测对象20，取得其图像，如图1所示，具有1根线传感器16和微镜等光学系统15。
如图1所示，图像分析/驱动控制部2是具有CPU 23和RAM 24、以数字数据取入来自摄像部1的图像的捕获板(capture board)21、控制搬送部4的移动的控制器22等的计算机。图像分析/驱动控制部2作为图像分析部2a，利用条纹分析法分析摄像部1所拍摄的图像中包含的光图案30，计算计测对象20的三维形状。并且，另一方面，图像分析/驱动控制部2还起到控制搬送部4的驱动的驱动控制部2b的作用。当然，图像分析部2a和驱动控制部2b也可以由分别独立的计算机构成。
投光部3用于在计测对象20的表面上投影光图案30，投光部3具有卤灯或氙灯等光源11、用于使从光源11照射的光具有图案的图案生成元件13、以及微镜等光学系统12。作为投影的光图案，只要是根据位置具有周期性，且能够确定相位的图案即可，可以是正弦波、三角波或矩形波等任意波形。在本实施方式中，为了提高计测分辨率，使用正弦波状的光图案。并且，作为图案生成元件13可以使用由液晶元件构成的图案生成元件、或对玻璃或薄膜进行加工而成的图案生成元件等。
搬送部4用于使计测对象20沿与线传感器16的主扫描方向(长度方向)垂直的方向(下面称为“副扫描方向”)水平移动，具有用于载置计测对象20的搬送台17、驱动搬送台17的伺服电机18、检测搬送台17的位置的线性定标器19等。利用搬送部4使计测对象20沿副扫描方向移动的同时利用线传感器16逐次拍摄，从而可对计测对象20整体的三维形状进行计测。
另外，在本实施方式中，构成为使计测对象20移动，但也可以构成为替代移动计测对象20，使摄像部1和投光部3沿副扫描方向移动。即，只要使搬送部4相对于摄像部1和投光部3相对移动即可。
对于这样的三维形状计测装置10所具备的各部的几何位置关系，使用一个例子如下进行说明，但本发明不限于此。本实施方式的三维形状计测装置10中，摄像部1的线传感器16设置成其主扫描方向的轴与搬送台17的载置面平行且与搬送方向垂直。通过使线传感器16的光轴与搬送台17的载置面平行，能够以均匀的倍率拍摄计测对象20的上表面。并且，通过使线传感器16的光轴与搬送方向垂直，在由一边搬送一边拍摄的多张线图像组成的二维图像上，直角部分可作为直角部分拍摄。
并且，投光部3设置成其光轴与摄像部1的光轴成预定角度。由此，详细叙述虽将在后面进行，根据投影到计测对象20的光图案的偏移，能够计算出计测对象20的高度。另外，摄像部1和投光部3的几何配置可以在设置时预先计测，也可以利用被称为标定(calibration)的方法进行计算。
如下说明这种三维形状计测装置的动作。首先，根据来自图像分析/驱动控制部2的命令，搬送部4的伺服电机18将搬送台17设定在初始设定位置。该初始设定位置用于确定摄像部1拍摄计测对象20时的副扫描方向的摄像开始位置，优选承载于搬送部4的搬送台17上的计测对象20的副扫描方向中的端部位于摄像部1的摄像区域要来的位置。
而且，投光部3将光图案投影到计测对象20上。摄像部1对投影了光图案的计测对象20进行扫描，取得该计测对象20的图像。摄像部1所取得的图像被发送到图像分析/驱动控制部2，利用图像分析/驱动控制部2的捕获板21转换成数字数据。然后，由图像分析/驱动控制部2的CPU 23分析光图案，从而计算计测对象20的高度信息。
此处，本实施方式的三维形状计测装置10构成为，在分析图像中的光图案时，使用空间条纹分析法。由此，根据摄像部1所具备的1根线传感器16进行1次扫描所取得的1个线图像，能够求出计测对象20的、摄像部1的扫描区域(摄像区域)内的各位置上的高度。另外，对于空间条纹分析法的详细，将在后面叙述。
而且，搬送部4通过图像分析/驱动控制部2的控制将计测对象20沿副扫描方向移动预定距离。由此，计测对象20上的摄像部1的摄像区域和投光部3所投影的光图案30在副扫描方向偏移预定距离。之后，再次由摄像部1扫描计测对象20，取得线图像。在此得到的线图像中包含计测对象20的、与刚才的扫描区域相比在副扫描方向偏移了预定距离的区域。所得到的图像同样地被发送到图像分析/驱动控制部2，求出在新的扫描区域内的各位置上的三维信息。
这样，搬送部4再次将计测对象20移动预定距离，摄像部1拍摄计测对象20，图像分析/驱动控制部2分析线图像，重复上述处理，从而对计测对象20整体的三维形状进行计测。
计测对象20的主扫描方向的长度信息也可以根据在线图像上拍摄的计测对象的主扫描方向的长度来计算。另一方面，计测对象20的副扫描方向的长度信息也可以根据搬送部4的搬送速度来计算。这样求出计测对象20的主扫描方向和副扫描方向的长度信息和高度信息，从而能够得到计测对象20的三维形状信息。
另外，上述预定距离是指优选在摄像部1的摄像区域的副扫描方向上长度相等。由此，通过上述步骤，能够迅速地对计测对象20的整体区域进行计测，而不会发生遗漏。
并且，每个预定距离的拍摄能够通过以一定速度移动搬送台17的同时、每相隔一定时间使摄像部1进行拍摄来实现。该情况下，图像分析/驱动控制部2的控制器22通过捕获板21，每相隔例如几KHz级的一定时间，向摄像部1发送摄像驱动信号。摄像部1将该驱动信号作为触发，取得投影了光图案的计测对象20的图像。另一方面，图像分析/驱动控制部2的控制器22还将同样的相隔每一定时间的搬送驱动信号发送给搬送部4。搬送部4的伺服电机18以该搬送驱动信号作为触发，按照一定速度驱动搬送台17。由此，能够按照预定区域拍摄计测对象20。
并且，每个预定距离的拍摄也可以利用线性定标器19。该情况下，如图1所示，线性定标器19设置在搬送部4上，在搬送台17每移动预定距离时，对图像分析/驱动控制部2的控制器22发送信号。而且，若图像分析/驱动控制部2的控制器22接收到该信号时，对摄像部1的线传感器16发送摄像驱动信号。由此，可以精确地进行每个预定距离的摄像，而不会受到搬送部4的搬送速度缺陷等影响，其结果，三维计测的精度提高。
而且，说明这种三维形状计测装置的优点。本实施方式中，作为摄像部1包含的读取传感器，构成为使用线传感器。例如，使用主扫描方向的像素数为7500像素的线传感器时，能够以约13μm的分辨率拍摄主扫描方向的长度为100mm的计测对象。相对于此，例如使用横方向的像素数为640像素的区域照相机时，只能够以约150μm的分辨率来拍摄横方向的长度为100mm的计测对象。
并且，为了使上述的区域照相机以与线传感器相同的分辨率进行拍摄，需要进行至少12次沿主扫描方向每次移动预定距离之后进行拍摄的处理步骤。该情况下，为了使摄像部沿主扫描方向移动需要大量的时间。并且，搬送部需要使搬送台17沿主扫描方向和副扫描方向的两个方向移动，所以存在如下问题驱动部的结构和控制变复杂，装置大型化，故障频率上升。
相对于此，在本实施方式的三维形状计测装置中，通过使用线传感器16，能够以高分辨率高速拍摄计测对象20。并且，搬送部4仅使搬送台17沿副扫描方向移动即可，所以能够实现装置的简单化。
而且，本实施方式中，构成为利用空间条纹分析法来分析摄像部1所读取的各线图像，能够由1个线图像根据光图案的相位偏移来计算出三维信息。因此，由于对计测对象20所需的延伸扫描次数为1次，所以能够将线传感器的数量设定为1根。由此，与平行设置多个线传感器的结构相比，容易进行线传感器的设置。并且，与用1根线传感器进行多次操作的结构相比，能够高速进行计测。
而且，能够仅根据1次扫描所取得的1个线图像来计测高度，所以可在扫描的同时计测三维形状。由此，例如进行基板检查的情况等，在作为计测对象的基板上发现了某种制造上的不良时，无需将摄像处理重复到最后，能够立即中断计测，能够将基板的检查迅速化。
接着，说明图像分析/驱动控制部2进行的图像分析的详细。首先，说明本实施方式的图像分析方法的原理。
图像分析部2a根据空间条纹分析法分析投影了光图案的计测对象20的线图像。空间条纹分析法是基于上述的三角测量的原理的方法。下面，依次说明三角测量的原理、条纹分析法、空间条纹分析法。
首先，说明三角测量的原理。图3是示出三角测定的原理的图。为了简单说明，考虑如下情况利用具有与基准面垂直的光轴的摄像部Cc，观测从基准面起的高度为h的平面Ph。并且，投光部Cp配置成从基准面看去与摄像部Cc高度相同，投光部Cp朝向基准面P0上的点O的位置投影光图案。
观测与基准面平行且相隔了高度h的平面Ph时，朝向点O的光图案与点P相交。此时，从摄像部Cc观看时，在原本应观测到的位置O(即位置P)偏离了距离PQ的位置观测到向基准面P0投影的光图案。将该位置偏移PQ称为相位差。
只要能够计算出相位差，就能够利用下述式(1)来计算高度h。
数学式1h=Ld.pQ‾...(1)]]>(其中， 表示PQ间的距离，即相位差。并且，d表示摄像部Cc和投光部Cp的光轴中心间的距离，L表示从摄像部Cc到基准面之间的距离，均为已知的值。)接着，说明条纹分析法。本实施方式中，作为投影到计测对象20上的光图案，使用正弦波状的光图案。正弦波状的光图案是指用具有由正弦函数表示亮度的浓淡的图案。换言之，利用正弦函数来表示位置和亮度之间的关系的光图案称为正弦波状的光图案。图4示出正弦波状的光图案的一例。
将这样的光图案投影到图5(a)、图5(b)所示的计测对象20上的情况下，从上面观测所投影的光图案时，如图6的左图所示。即，从倾斜方向投影的光图案在具有高度的凸部上产生变形。利用摄像部1的线传感器16来扫描这样投影了光图案的计测对象20时，扫描位置和亮度之间的关系如图6的右图所示。
如图6的右图，投影到没有凸部的基准面上的光图案的亮度始终以一定的周期变化。相对于此，投影到凸部的光图案与没有凸部的基准面相比，亮度的周期变化，相对于投影到基准面上的光图案产生相位偏移。实际上，只要求出在计测对象20上投影光图案后进行拍摄的图像(线图像)中包含的某一位置的像素中的光图案的相位与在基准面上投影了光图案时的相同像素的相位(基准相位)之差，就能够根据上述三角测量的原理求出该像素所对应的位置上的计测对象20的高度。
计算上述相位差时，基准相位能够通过对在基准面上投影光图案后进行拍摄等来预先求出。另一方面，实际上求出在计测对象上投影光图案后拍摄的图像(线图像)中包含的各位置的像素中的光图案的相位的方法大体分为2种。空间条纹分析法和时间条纹分析法的不同之处在于该相位的求出方式。
如图6的右图所示，在正弦函数中，在1个周期内存在2个赋予了某一位移的相位。例如，在由y＝sinθ表示的函数中，赋予了位移y＝0的相位θ存在0和π的两个。并且，在赋予了位移y＝1/2的相位θ存在π/6和5π/6的两个。根据该理由，在所拍摄的图像中，不能够仅根据单一像素的亮度值(相当于正弦函数的位移)来求出该像素的光图案的相位。
另一方面，空间条纹分析法中，根据求出相位的像素(下面称为“关注像素”)及其周边像素的亮度，计算关注像素中的相位。例如，在上述例子中，赋予位移y＝0的相位θ存在0和π的两个，此处，关注像素中的相位为0时和π时，周边像素的亮度不同。若关注像素中的相位为0，则例如存在于相位比关注像素稍小的一侧的周边像素的亮度值比关注像素的亮度值小。另一方面，关注像素中的相位为π时，存在于相位比关注像素稍小的一侧的周边像素的亮度值比关注像素的亮度值大。因此，根据关注像素的附近的像素，能够将光图案的相位确定为1个。这样，根据存在于关注像素的附近的像素的亮度值来确定关注像素中的相位是空间条纹分析法的特征。即，上述“周边像素的亮度不同”还可以表现为“周边像素的亮度梯度不同”。
下面详细说明本实施方式的三维形状计测装置中使用的空间条纹分析法的具体处理步骤，但本发明不限于此，只要是根据上述的空间条纹分析法进行的，则什么都可以。
本实施方式中，根据所拍摄的线图像，假想制作光图案相移了90°的相移光图案。此处，将投影的光图案设为下述式(2)所示时， I(x)＝B(x)sin(φ(x))… (2)(其中，I(x)表示位置x上的亮度值，B(x)表示任意的函数，φ(x)表示位置x上的相位)，该光图案相移了90°的相移光图案由下述式(3)表示，[数学式3]I^(x)=B(x)sin(φ(x)+π2)...(3)]]>＝B(x)cos(φ(x))(其中， 表示相移光图案的位置x上的亮度值。)因此，位置x上的像素的相位φ(x)能够根据下述式(4)求出。
φ(x)=tan-1I(x)I^(x)...(4)]]>此处，I(x)的值是主扫描方向的位置x的像素的亮度值。另一方面，在计算I^(x)(下面将带有帽子的I(x)简单这样记述)的值时，使用Hilbert转换。即，相移光图案的位置x的亮度值I^(x)由下述式(5)表示。
I^(x)=1π∫-∞∞I(τ)x-τdτ...(5)]]>此处，可以取得的亮度数据为各个像素的数据，即离散数据，所以将上述式(5)近似为下述式(6)。
I^(x)=Σk=-NNh(x-k)I(k)...(6)]]>(其中，h(x)是用h(x)＝1/πx表示的函数，表示Hilbert转换的时间区域特性。)可以根据该式(6)求出I^(x)的值。
接着，说明图像分析部2a的结构。图7是图像分析部2a的功能方框图。图像分析部2a具有亮度取得部41、Hilbert转换部42、相位计算部43、相位差计算部44、高度计算部45，这些各部使CPU(中央处理器)23执行各种控制程序来实现。或者，替代此，通过未图示的DSP(数字信号处理器)来实现。
并且，图像分析部2a具有存储部50，存储部50通过RAM 24、ROM、外部存储装置等的任意一个或它们的组合来实现。存储部50中存在反正切DB 51、基准相位DB 52以及三维形状DB 53。
反正切DB 51是示出y＝tan-1x所表示的函数中的y和x的对应的数据库，x的值和tan-1x的值被预先关联起来存储。由此，根据x的值，能够检索该反正切的值y。
基准相位DB 52是预先存储了对投影了光图案的基准面(高度始终为0的平面)进行拍摄的线图像的各像素中的光图案的相位(下面称为“基准相位”)的数据库，线图像中包含的像素的主扫描方向的位置x和该像素中的基准相位φ0(x)被关联起来存储。由此，根据线图像中包含的像素的位置x的信息，能够检索该像素中的基准相位φ0(x)。
三维形状DB 53是用于存储计测所得到的计测对象20的三维形状信息的数据库。该三维形状DB 53中将确定计测对象20的表面上的点的x坐标(相当于主扫描方向)、y坐标(相当于副扫描方向)、z坐标(相当于高度)关联起来存储。由此，计测结束后，根据计测对象20的x坐标和y坐标，能够检索该位置的高度(z坐标)。
接着，说明图像分析部2a的图像分析步骤。具有线传感器16的摄像部1所拍摄的、发送给图像分析部2a的线图像是像素沿线传感器16的主扫描方向连续排列的图像。在该像素排列成直线状的线图像中，图像分析部2a从其一个端部朝向另一端部(终端)依次计算高度。因此，首先，将主扫描方向上的像素的位置x设定为0(步骤S1)。
接着，亮度取得部41根据线图像数据，取得位置x上的像素的亮度值I(x)(步骤S2)。所取得的亮度值发送至相位计算部43。接着，Hilbert转换部42由线图像数据，根据上述式(6)，计算位置x上的相移光图案的像素的亮度值I^(x)(步骤S3)。计算出的亮度值发送给相位计算部43。
接收到位置x上的像素的亮度值I(x)和位置x上的像素的相移光图案的亮度值I^(x)的相位计算部43，由这2个值，根据上述式(4)计算位置x上的光图案的相位(步骤S4)。另外，相位计算部43是I(x)除以I^(x)之后，通过参照反正切DB 51来求出其反正切的值。计算出的相位发送给相位差计算部44。
接收了位置x上的光图案的相位的相位差计算部44参照基准相位DB 52，取得位置x上的光图案的基准相位，并且，从相位计算部43接收到的相位减去基准相位，从而计算位置x上的相位差(相位偏移)Δφ(x)(步骤S5)。计算出的相位差发送给高度计算部45。
接收到相位差的高度计算部45根据上述的三角测量的原理，计算位置x上的计测对象20的高度z(步骤S6)。具体讲，高度z是作为从基准面起的距离计算出，利用下述式(7)求出。
数学式7z=f(Δφ(x))=Δφ(x)A(x,z)Δφ(x)+B(x,z)...(7)]]>另外，在上述式(7)中，A(x，z)以及B(x，z)是图案周期、从照相机到基准面的距离、图案的投影角度等取决于几何配置的、对各像素确定的函数。其中，这些函数是未知数z的函数，所以难以计算严密的形态。因此，预先观测多个距离已知(Z0，Z1，…，zK)的目标，对各个像素x计算{A(x，z0)，B(x，z0)}、{A(x，z1)，B(x，z1)}…{A(x，zK)，B(x，zK)}的值，使用它们以直线近似或曲线函数近似来推测z的函数形式。
高度计算部45将这样计算出的高度z与主扫描方向的坐标x和副扫描方向的坐标y关联起来，存储到三维形状DB 53中(步骤S7)。
接着，判断位置x是否在直线状的线图像的终端(步骤S8)。此处，位置x在线图像的终端时，结束图像分析处理。另一方面，位置x没有位于线图像的终端时，为了将关注像素的位置沿主扫描方向错开1个像素，将x的值加1(步骤S9)。然后，返回到步骤S2。
重复上述的从步骤S2到步骤S9的处理，从而在三维形状DB 53上存储沿计测对象20的主扫描方向的各位置上的高度信息。并且，结束上述图像分析处理时，搬送部4使计测对象20沿副扫描方向偏移，之后，摄像部1再次拍摄计测对象20，根据拍摄得到的线图像，再次进行上述的图像分析处理。由此，在三维形状DB 53上还依次蓄积沿副扫描方向的各位置上的高度信息，最终，蓄积计测对象20整体的三维形状信息。
另外，在上述的步骤S3中，根据式(6)求出位置x上的相移光图案的亮度值时，优选将式(6)的参数N的值设为可变。这意味着，计算位置x上的相移光图案的亮度时使用的关注像素附近的像素的数为可变。或者，利用空间条纹分析法将所使用的滤波器的尺寸设定为可变。
该情况下，例如图7所示，还在图像分析部2a上设置输入/设定部(设定部)42，该输入/设定部42具有用于输入式(6)中的参数N的值的输入功能和将所输入的参数N的值设定在Hilbert转换部42上的设定功能。由此，根据用户等输入的参数N的值(即，计算中使用的附近像素的数量)，由Hilbert转换部42计算出相移光图案的亮度值I^(x)。
此处，增大N的值(即，增大滤波器的尺寸)时，根据更多的像素计算相位，最终所求出的高度信息的计算精度提高。相反，减小N的值(即，减小滤波器的尺寸)时，I^(x)的计算所需的运算次数减少，计算速度提高。并且，在关注像素附近的像素中很难含有黑点等亮度的不连续点，所以能够抑制不连续点引起的误差传播的影响。
除此之外，还可以在发送到亮度取得部41和Hilbert转换部42之前，对摄像部1拍摄的线图像进行前处理。作为前处理的内容，例如可以举出去除线图像中包含的噪声或线图像的归一化等。
线图像的归一化可以如下进行另外取得在不投影光图案而照射相同亮度的光的状态下拍摄计测对象20的对照线图像，使用该对照线图像，校正在投影了光图案的状态下拍摄的线图像。具体讲，可以由在投影了光图案的状态下拍摄的线图像中的各像素的亮度值除以对照线图像所对应的像素的亮度值。若这样进行图像的归一化，则能够减少计测对象20的各部位的反射特性的差异引起的计算相位的误差。
在进行线图像的归一化时，摄像部1可以构成为在投影了光图案的状态和没有投影光图案的状态进行2次扫描，也可以构成为进一步设置与摄像部1相同的第二摄像部，由该第二摄像部取得对照线图像。而且，如图9所示，图像分析部2a上还设置接收投影了光图案的状态的线图像和对照线图像的归一化部47，使归一化部47进行上述处理。然后，将归一化部47归一化后的图像发送给亮度取得部41和Hilbert转换部42，亮度取得部41和Hilbert转换部42根据归一化后的线图像计算高度信息。
另外，在摄像部1进行投影了光图案的状态和没有投影光图案的状态的两次扫描时，优选由液晶元件来构成投光部3所具备的图案生成元件13。由此，能够容易地切换光图案的接通/断开。或者，在玻璃或薄膜的表面上制作具有形成了光图案的区域和没有形成光图案的区域的图案生成元件13，通过使玻璃或薄膜偏移来切换有无图案。
进一步，在相位计算部43计算出相位之后，对所计算出的相位进行后处理。例如，可以举出在相位计算部43和相位差计算部44之间设置PLL(锁相环Phase Locked Loop)部，来减少噪声引起的误差等。
另外，上述的前处理可以在图8所示的步骤S2之前进行，另一方面，上述的后处理也可以在图8所示的步骤S5和步骤S6之间进行。由此，图像分析部2a根据摄像部1所拍摄的线图像，能够计算出计测对象20的三维形状。
间距越小，计测精度越高。而且，线传感器16所拍摄的线图像中光图案的亮度的间距进一步变小是指，光图案的最小间距方向与线传感器16的主扫描方向一致的情况。因此，在本实施方式的三维形状计测装置10中，对计测对象20投影的光图案的最小间距方向优选与线传感器16的主扫描方向平行(一致)。
但是，在现有的装置中，由于用多个线传感器来拍摄光图案，所以需要向多个线传感器的各个摄像区域投影光图案。此处，在多个线传感器的每个上设置独立的专用投影部时，产生所投影的光图案在每个投影部存在偏差的问题。因为这样的问题，所以通常将投影部设定为1个。此处，为了将投影部设定为1个，需要投影能够覆盖多个线传感器的全部摄像区域的光图案。
但是，在本实施方式的三维形状计测装置10中，由于使用单个线传感器16来拍摄计测对象20，所以投光部3所投影的光图案只要覆盖单个线传感器16的摄像区域即可。因此，在本实施方式的三维形状计测装置10中，投影的图案可以不像图4那样向二维方向扩展。
此时，为了提高光图案的能量效率，优选投光部3投影会聚的光图案。具体讲，如图10所示，优选投光部3将会聚成沿线传感器16的主扫描方向延伸的1轴的直线形状的光图案(严谨地说，是在副扫描方向上具有微小有限宽度)投影到计测对象20上。该情况下，如图1所示，投光部3具有用于将光图案会聚成1轴的1轴聚光元件14，利用该1轴聚光元件14将光图案会聚成沿主扫描方向延伸的直线形状。该直线形状的光图案投影成覆盖线传感器16的摄像区域。
另外，作为该1轴聚光元件14的具体例，可以举出菲涅耳透镜和圆筒形透镜等。将这些透镜配置在图案生成元件13和计测对象20之间，就能够对计测对象20投影会聚成1轴的光图案。
接着，说明为了调节摄像部1和搬送部4的几何位置关系，计测摄像部1相对于搬送部4的搬送方向的倾斜的方法的一例。摄像部1和搬送部4的搬送方向之间的位置关系的计测通过如下步骤来进行使搬送部4搬送实施了校正用图案的计测对象，摄像部1的线传感器16依次拍摄该计测对象，图像分析/驱动控制部2分析由所拍摄的多个线图像构成的图像。该情况下，分析所使用的图像是包括实施了校正用图案的计测对象整体的、沿主扫描方向和副扫描方向扩展的二维图像。
校正用图案是为了进行线传感器的校正而对计测对象实施的各种图案。图11示出本实施方式的校正用图案111。如图所示，校正用图案111是利用激光或印刷等实施了1根横线130和与横线130正交的2根纵线131/131，纵线131/131的间隔L为已知。另外，该校正用图案111示出最小结构，实际的校正用图案优选将图11所示的校正用图案111分别在纵向和横向排列多个。
本实施方式中，将搬送部4的搬送台的移动方向(搬送方向、副扫描方向)作为基准，计测线传感器16和校正用图案111的倾斜程度。
图12(a)示出线传感器16和校正用图案111的几何位置关系的一例。图示的例子中，线传感器16的主扫描方向从垂直于副扫描方向(搬送方向)的方向倾斜，另一方面，校正用图案111的横线130与副扫描方向垂直，纵线131与副扫描方向平行。
该情况下，即使计测对象移动，线传感器16的图像传感器获取来自纵线131的光的位置也不变化。因此，在所读取的校正用图案111的图像中纵线131为纵线。
另一方面，线传感器16不只获取一次来自横线130的光，而是随着计测对象移动，从一端向另一端(图示的情况下从左端向右端)逐次获取。因此，在所读取的校正用图案111的图像中，横线130倾斜。因此，在上述校正用图案111的图像中，只要能够求出横线130的倾斜角，由此即可调节线传感器16的倾斜。
图12(b)表示线传感器16和校正用图案111的几何位置关系的另一例子。在图示的例子中，线传感器16的主扫描方向垂直于副扫描方向，另一方面，校正用图案111的横线130从垂直于副扫描方向的方向倾斜，纵线131从与副扫描方向平行的方向倾斜。
该情况下，线传感器16的图像传感器获取来自纵线131的光的位置随着计测对象移动向某个方向(图示情况下为右方向)变化。因此，在所读取的校正用图案111的图像中，纵线131倾斜。
另一方面，线传感器16不只获取一次来自横线130的光，而是从一端向另一端(图示的情况下从右端向左端)逐次获取。因此，在所读取的校正用图案111的图像中，横线130倾斜。
因此，上述校正用图案111的图像成为纵方向和横方向的双个方向倾斜的图像。但是，线传感器16不倾斜，所以在上述校正用图案111的图像中，只要能够求出纵线131和横线130的任意一方的倾斜角，就能够获得另一方的倾斜角，可以调节计测对象的倾斜。
图13示出将图12(a)、(b)所示的情况进一步一般化的情况、即线传感器16和校正用图案111均相对于副扫描方向(搬送方向)倾斜的情况，示出从上方看到的校正用图案111和线传感器16的位置关系。在图示中，α表示线传感器16从垂直于副扫描方向的方向沿逆时针旋转倾斜的角度(下面称为“倾斜”。)。并且，β表示校正用图案111的横线130从垂直于副扫描方向的方向沿时针旋转方向倾斜的角度，即校正用图案111的纵线131从副扫描方向沿时针旋转方向倾斜的角度(下面称为“偏斜角”。)。
图14放大示出图13的主要部分。图14(a)示出线传感器16读取校正用图案111的纵线131的定时上的、纵线131和线传感器16之间的位置关系。并且，图14(b)示出线传感器16开始读取校正用图案111的横线130的定时上的、横线130和线传感器16之间的位置关系，图14(c)示出纵线131的间隔和线传感器16之间的位置关系。
在上述校正用图案111的图像中，纵线131为斜线，具有图像上的横方向的长度(下面称为“x成分”)和纵方向的长度(下面称为“y成分”)。此处，将图像上的纵线131的x成分设为x1，将y成分设为y1。此时，图像上的纵线131上的x成分x1和y成分y1之间的关系，如图14(a)所示，由下述式(8)表示。
数学式8tan(π/2-β)＝(v×y1+m×x1×sinα)/(m×x1×cosα)＝(v×k1)/(m×cosα)+tanα…(8)此处，v是线传感器16的移动速度(标量)，m是表示图像和实物的尺寸比的转换倍率。并且，k1是k1＝y1/x1，即图像上的纵线131的斜率。
同样地，在上述校正用图案111的图像中，横线130成倾斜，具有图像上的x成分和y成分。此处，将图像上的横线130的x成分设为x2，将y成分设为y2。此时，图像上的横线130上的x成分x2和y成分y2之间的关系，如图14(b)所示，由下述式(9)表示。
tonβ＝(v×y2-m×x2×sinα)/(m×x2×cosα)＝(v×k2)/(m×cosα)-tanα…(9)此处，k2是k2＝y2/x2，即图像上的横线130的斜率。
而且，实际的纵线131的间隔L和图像上的纵线131的间隔上的x成分x3之间的关系如图14(c)所示，由下述式(10)表示。
L×cosβ＝m×x3×cosα…(10)通过对上述式(8)～式(10)进行求解，能够如下式(11)～(13)求得转化倍率m、线传感器16的倾斜角α以及计测对象的偏斜角β。
m＝(L2/×32-k1×k2×v2)1/2…(11)sinα＝v×(k2-k1)/(L2/×32-k1×k2×v2)1/2…( 12)sinβ＝x3×v×(k1+k2)/(2×L)…(13)作为本实施方式的三维形状计测装置10的变形例，摄像部1可以具有多个线传感器16。通过具有多个线传感器，能够统计性地去除线传感器的亮度噪声，能够提高三维形状计测的稳定性。或者，可以构成为通过多次拍摄计测对象20的同一部分来去除噪声。
并且，仅用一根线传感器不能覆盖计测对象20的主扫描方向时，还可以构成为沿主扫描方向移动。或者，构成为使摄像部1和投光部3沿主扫描方向移动。
图像分析部2a的各功能模块，具体讲亮度取得部41、Hilbert转换部42、相位计算部43、相位差计算部44以及高度计算部45可以由硬件逻辑构成，也可以如下使用CPU利用软件来实现。
即，图像分析部2a具有执行实现各功能的控制程序的命令的CPU(中央处理器)、存储了上述程序的ROM(只读存储器)、展开上述程序的RAM(随机访问存储器)、存储上述程序和各种数据的存储器等存储装置(记录介质)等。而且，通过向上述图像分析部2a提供以计算机可读取的方式记录了实现上述功能的软件即图像分析部2a的控制程序的程序码(执行形式程序、中间码程序、源程序)的记录介质，由该计算机(或CPU、MPU)读取记录介质中记录的程序码并执行，从而也可以完成本发明的目的。
作为上述记录介质，可以使用例如磁带或盒式磁带等带类，包括软盘(注册商标)/硬盘等磁盘或CD-ROM/MO/MD/DVD/CD-R等光盘的盘类，IC卡(包括存储卡)/光卡等卡类，或Mask ROM/EPROM/EEPROM/flash ROM等半导体存储器类等。
并且，也可以使图像分析部2a与通信网络连接，通过通信网络提供上述程序码。作为该通信网络，没有特别限定，可以举出例如因特网、内部网、extra net、LAN、ISDN、VAN、CATV通信网、虚拟专用网(virtualprivate network)、电话线路网、移动体通信网、卫星通信网等。并且，作为构成通信网络的传送介质，没有特别限定，可以举出例如IEEE1394、USB、电线传送、电缆TV线路、电话线、ADSL线路等有线，也可以是IrDA或遥控器那样的红外线，蓝牙(注册商标)、802.11无线、HDR、移动电话网、卫星线路、地上波数字网等无线，等等。另外，本发明是以上述程序码以电子传送具体化的、嵌入在载波中的计算机数字信号的形式来实现。
本发明不限于上述的实施方式，可以在方案所示的范围内进行各种变更。即，对于将在方案所示的范围内进行适当变更的技术手段组合来得到的实施方式也包括在本发明的技术范围内。
根据本发明，能够对计测对象的三维形状进行计测，所以能够适用于例如检查安装基板的装置等。
权利要求
1.一种三维形状计测装置，该装置通过分析投影到计测对象的、亮度根据位置周期性地变化的光图案，对计测对象的三维形状进行计测，其特征在于，该三维形状计测装置包括线传感器，其用于将投影到计测对象的上述光图案作为图像读取；以及图像分析部，其根据上述图像中的像素及其周边像素的亮度值，计算上述线传感器所读取的图像中包含的某一上述像素的光图案的相位，根据计算出的相位，计算上述计测对象的高度信息。
2.根据权利要求1所述的三维形状计测装置，其特征在于，上述图像分析部具备设定部，该设定部用于设定在计算上述光图案的相位时使用的上述周边像素的数量。
3.一种三维形状计测装置，该装置通过分析投影到计测对象的、亮度根据位置周期性地变化的光图案，对计测对象的三维形状进行计测，其特征在于，该三维形状计测装置包括线传感器，其用于将投影到计测对象的光图案作为图像读取；以及图像分析部，其根据空间条纹分析法分析上述线传感器所读取的图像中的光图案，计算上述计测对象的高度信息。
4.根据权利要求3所述的三维形状计测装置，其特征在于，上述图像分析部具备设定部，该设定部用于设定在上述空间条纹分析法中使用的滤波器的尺寸。
5.根据权利要求1或3所述的三维形状计测装置，其特征在于，所述三维形状计测装置还具有光图案投影部，该光图案投影部将上述线传感器所读取的上述光图案投影到上述计测对象上，上述光图案投影部将亮度变化的间距在上述线传感器的主扫描方向上为最小的上述光图案投影到上述计测对象上。
6.根据权利要求1或3所述的三维形状计测装置，其特征在于，上述光图案投影部将会聚成沿上述线传感器的主扫描方向延伸的1轴的直线形状的上述光图案投影到上述计测对象上。
7.根据权利要求1或3所述的三维形状计测装置，其特征在于，上述线传感器分别将投影了上述光图案的状态和没有投影上述光图案的状态的2个状态的上述计测对象作为图像读取，并且，上述图像分析部根据在没有向计测对象投影光图案的状态下、上述线传感器所读取的图像的亮度，将在向上述计测对象投影了上述光图案的状态下、上述线传感器所读取的图像的亮度归一化，分析归一化后的亮度的图像中的光图案。
8.根据权利要求1或3所述的三维形状计测装置，其特征在于，所述三维形状计测装置具有第一线传感器，其将投影了上述光图案的上述计测对象作为图像读取；以及第二线传感器，其将没有投影上述光图案的上述计测对象作为图像读取，上述图像分析部根据第二线传感器所读取的图像的亮度，将第一线传感器所读取的图像的亮度归一化，分析归一化后的亮度的图像中的光图案。
9.根据权利要求1或3所述的三维形状计测装置，其特征在于，所述三维形状计测装置还具有搬送部，该搬送部以预定的搬送速度沿着与上述线传感器的主扫描方向正交的副扫描方向搬送上述线传感器、上述计测对象中的至少一方，上述线传感器将投影到计测对象的上述光图案相对于计测对象沿上述副扫描方向移动的同时将上述光图案作为图像读取，上述图像分析部还根据上述图像中的上述主扫描方向的像素数，计算上述计测对象的上述主扫描方向的长度信息，并且，根据上述搬送速度，计算计测对象的上述副扫描方向的长度信息。
10.一种计算机可读取的记录介质，该记录介质中记录有用于使三维计测装置的图像分析部动作的程序，该程序用于使计算机作为上述图像分析部工作，所述三维计测装置具有线传感器，其用于将投影到计测对象的、亮度根据位置周期性地变化的光图案作为图像读取；以及图像分析部，其根据上述图像中的像素及其周边像素的亮度值，计算上述线传感器所读取的图像中包含的某一上述像素的光图案的相位，根据计算出的相位，计算上述计测对象的高度信息。
11.一种三维形状计测方法，其特征在于，所述三维形状计测方法包括光图案投影步骤，将亮度根据位置周期性地变化的光图案投影到计测对象上；光图案读取步骤，利用线传感器将通过上述光图案投影步骤投影到计测对象的光图案作为图像读取；以及图像分析步骤，根据上述图像中的像素及其周边像素的亮度值，计算在上述光图案读取步骤中读取的图像中包含的某一上述像素的光图案的相位，根据计算出的相位，计算上述计测对象的高度信息。
12.根据权利要求11所述的三维形状计测方法，其特征在于，上述图像分析步骤包括设定步骤，该设定步骤用于设定在计算上述光图案的相位时使用的上述周边像素的数量。
13.一种三维形状计测方法，其特征在于，所述三维形状计测方法包括光图案投影步骤，将亮度根据位置周期性地变化的光图案投影到计测对象上；光图案读取步骤，利用线传感器将通过上述光图案投影步骤投影到上述计测对象上的光图案作为图像读取；以及光图案分析步骤，根据空间条纹分析法分析在上述光图案读取步骤中读取的图像中的光图案，计算上述计测对象的高度信息。
14.根据权利要求13所述的三维形状计测方法，其特征在于，上述光图案分析步骤还包括设定步骤，该设定步骤设定在上述空间条纹分析法中使用的滤波器的尺寸。
15.根据权利要求11或13所述的三维形状计测方法，其特征在于，在上述光图案投影步骤中，将亮度变化的间距在上述线传感器的主扫描方向上为最小的光图案投影到计测对象上。
16.根据权利要求11或13所述的三维形状计测方法，其特征在于，在上述光图案投影步骤中，将会聚成沿上述线传感器的主扫描方向延伸的1轴的直线形状的光图案投影到计测对象上。
17.根据权利要求11或13所述的三维形状计测方法，其特征在于，所述三维形状计测方法还包括对照读取步骤，利用线传感器将没有投影上述光图案的上述计测对象作为图像读取，在上述光图案分析步骤中，根据在上述对照读取步骤中读取的图像的亮度，将在上述光图案读取步骤中读取的图像的亮度归一化，分析归一化后的亮度的图像中的光图案。
18.根据权利要求11或13所述的三维形状计测方法，其特征在于，在上述光图案读取步骤中，相对于上述计测对象以预定的速度沿着与上述线传感器的主扫描方向正交的副扫描方向移动该线传感器，并将上述光图案作为图像读取，在上述图像分析步骤中，还根据图像中的上述主扫描方向的像素数，计算计测对象的上述主扫描方向的长度信息，并且，根据上述预定的速度，计算计测对象的上述副扫描方向的长度信息。
全文摘要
本发明提供三维形状计测装置及其方法、计算机可读取的记录介质。其中，三维形状计测装置(10)是通过分析投影到计测对象(20)的光图案(30)来对计测对象(20)的三维形状进行计测的装置。此处，三维形状计测装置(10)具有线传感器(16)，其用于将投影了光图案(30)的计测对象(20)作为图像读取；以及图像分析部，其根据空间条纹分析法分析线传感器(16)所读取的图像中的光图案(30)，计算计测对象(20)的三维形状信息。
文档编号G01B11/00GK1952595SQ200610135780
公开日2007年4月25日 申请日期2006年10月19日 优先权日2005年10月20日
发明者诹访正树, 村田芳郎, 光本大辅, 吉野政直, 小板桥宏礼, 麻生川佳诚 申请人:欧姆龙株式会社