专利名称：三维测量装置、三维测量方法及程序的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种能够使用相移法(phase shift method)等对测量对象进行三维测量的三维测量装置等的技术。
背景技术：
至今，作为检查诸如配线基板的测量对象的质量的方法，已使用了分析对测量对象进行成像而获得的图像并检查测量对象的质量的方法。在二维图像分析中，难以检测测量对象中高度方向上的诸如裂痕和空腔的缺陷。由此，近来已使用通过三维图像分析来测量测量对象的三维形状并且检查测量对象的质量的方法。作为通过图像分析来测量测量对象的三维形状的方法，作为一种光切断法的相移法(时间条纹分析法)被广泛使用(例如，见日本未审查专利申请公开第2010-175554号(第
至
段)以及日本未审查专利申请公开第2009-204373号(第
至段))。以下描述相移法的原理。根据相移法，首先，投射装置将亮度以正弦方式变化的条纹投射至测量对象。投射至测量对象的条纹的相位以预定相移量来改变。相位改变被重复多次(最少三次，通常四次以上)，直到条纹的相位移动了一个周期。当条纹的相位被改变时，成像装置在每次相位被改变时对条纹被投射至其上的测量对象进行成像。例如，当相移量为/2 [rad]时，条纹的相位以O、Ji /2、Ji和3 Ji /2来改变，并且在各相位处拍摄测量对象的图像。从而共拍摄四个图像。当相位被改变四次时，可通过从四个图像提取各像素的亮度值并将亮度值应用至以下等式(I)来计算坐标(X，y)处的相位Φ (X，y)。Φ (x, y) = TarT1Uw2U, y)-Iπ/2(χ, y)/{I0(X, y)-Ιπ (X, y)} · · ·⑴在此等式中，IQ(x,y) > Ill72(x, y) > Iii (x, y)和 Ι3π/2(χ，y)分别为位于坐标(x，y)处的像素在相位为O、Ji /2、和3 /2时的亮度值。当相位Φ (x,y)可被计算时，通过三角测量(triangulation)原理基于相位Φ (x,y)来获取各坐标处的高度信息，并且可获得测量对象的三维形状。
发明内容
在相移法中，如等式⑴右侧所表达的，当计算坐标(X，y)处的相位Φ (X，y)时，需要计算位于坐标U，y)处的像素的亮度值之间的差值。例如，当投射装置的照明装置太暗时，从四个图像提取的亮度值之间的差值减小，因此相位Φ (X，y)不能正确地从等式(I)算出。结果，可能产生不能正确地测量测量对象的三维形状的问题。相反地，当投射装置的照明装置太亮时，由于例如位于投射至测量对象的条纹的明亮部分中的像素的亮度值超过成像装置的识别范围的缘由，可能不能正确地算出亮度值之间的差值。因此，与投射装置的照明装置太暗的情况一样，可能产生不能正确地测量测量对象的三维形状的问题。期望提供一种三维测量装置等的技术，能够使用适当的测量照度对测量对象进行
三维测量。根据本发明的实施方式，提 供了一种三维测量装置，其包括投射单元、成像单元和控制单元。投射单元包括能够改变照度的照明装置。投射单元利用来自照明装置的光将条纹投射至测量对象，并且改变被投射至测量对象的条纹的相位。成像单元拍摄条纹被投射至其的测量对象的图像。控制单元通过使投射单元多次改变被投射至测量对象的条纹的相位以使成像单元拍摄多个图像，从所拍摄的多个图像中提取亮度值，基于所提取的亮度值计算测量对象的三维测量中的错误率，通过改变照明装置的照度来针对各照度计算错误率，并且基于所计算的各照度的错误率来确定用于三维测量测量对象的测量照度。三维测量装置可通过改变照明装置的照度来针对三维测量中的各照度计算错误率，并且可基于各照度的错误率来确定用于三维测量测量对象的测量照度。因此，当通过改变投射至测量对象的条纹的相位来对测量对象进行三维测量时，三维测量装置可使用适当的测量照度(在该测量照度处，所算出的错误率小)对测量对象进行三维测量。在三维测量装置中，测量对象可包括第一区域和错误率不同于第一区域的错误率的第二区域。在此情况下，控制单元通过改变照明装置的照度来针对各照度计算第一和第二错误率(分别为第一和第二区域的错误率)，并且基于所计算的各照度的第一和第二错误率来确定测量照度。因此，当对包括错误率彼此不同的多个区域的测量对象进行三维测量时，可确定适当的测量照度。在三维测量装置中，控制单元可针对各照度计算第一和第二错误率之和，并且基于各照度的第一和第二错误率之和来确定测量照度。在三维测量装置中，控制单元可确定第一和第二错误率之和小于预定阈值的照度范围，并且将该照度范围的中间值确定为测量照度。这样，可防止错误率具有急剧变化风险的值被用作测量照度。在三维测量装置中，控制单元可基于第一和第二错误率之和相对于照度的变化的变化率来确定测量照度。这样，可防止错误率具有急剧变化风险的值被用作测量照度。在三维测量装置中，控制单元可将第一和第二错误率之和最小的照度确定为测量照度。在三维测量装置中，控制单元可通过将第一和第二错误率中的至少一个乘以一权重系数来优先化第一和第二错误率中的一个，并且之后计算第一和第二错误率之和。这样，测量对象的多个区域中的错误率重要的那些区域的错误率可被优先化，可计算错误率之和，并且从而可基于错误率之和来确定测量照度。在三维测量装置中，控制单元可计算从通过改变条纹的相位而拍摄的多个图像提取的并且对应于多个图像中的同一像素的多个亮度值之间的差，判断所计算的亮度值之间的差是否小于第一阈值，并且计算亮度值之间的差小于第一阈值的像素的比例作为错误率。这样，当照明装置太暗从而照明装置的照度不合适时，也可适当地计算错误率。在三维测量装置中，控制单元可判断从多个图像提取的并且对应于多个图像中的同一像素的多个亮度值中的至少一个是否等于或大于第二阈值，并且计算等于或大于第二阈值的亮度值的比例作为错误率。这样，当照明装置太亮从而照明装置的照度不合适时，也可适当地计算错误率。在三维测量装置中，控制单元可判断从通过改变条纹的相位而拍摄的多个图像提取的并且对应于多个图像中的同一像素的多个亮度值中的至少一个是否等于或大于预定 阈值，并且计算等于或大于该阈值的亮度值的比例作为错误率。这样，当照明装置太亮从而照明装置的照度不合适时，也可适当地计算错误率。根据本发明的另一实施方式，提供了一种三维测量方法，包括利用来自能够改变光的照度的照明装置的光将条纹投射至测量对象。通过多次改变投射至测量对象的条纹的相位来拍摄多个图像。从所拍摄的多个图像提取亮度值。基于所提取的亮度值计算测量对象的三维测量中的错误率。通过改变照明装置的照度来针对各照度计算错误率。基于所计算的各照度的错误率来确定用于三维测量测量对象的测量照度。根据本发明的又一实施方式，提供了一种程序，使三维测量装置执行利用来自能够改变光的照度的照明装置的光将条纹投射至测量对象。三维测量装置执行通过多次改变投射至测量对象的条纹的相位来拍摄多个图像。三维测量装置执行从所拍摄的多个图像提取亮度值。三维测量装置执行基于所提取的亮度值计算测量对象的三维测量中的错误率。三维测量装置执行通过改变照明装置的照度来针对各照度计算错误率。三维测量装置执行基于所计算的各照度的错误率来确定用于三维测量测量对象的测量照度。如上所述，根据本发明的实施方式，可提供一种三维测量装置等的技术，能够使用适当的测量照度对测量对象进行三维测量。
图I是示出根据本发明实施方式的三维测量装置的示图；图2是示出三维测量装置的操作的流程图；图3是示出显示在显示单元的屏幕上的基板的二维图像的实例的示图；图4是示出被投射至基板的条纹的照射状态的示图；图5是示出错误率的计算处理的流程图；图6是示出当投射至基板的条纹的相位为O、Ji /2、和3 /2时条纹和垂直方向上的亮度值的曲线图；图7是示出当投射至基板的条纹的相位为O、Ji /2、和3 /2时条纹和垂直方向上的亮度值的曲线图；图8是示出当投射至基板的条纹的相位为O、Ji /2、和3 /2时条纹和垂直方向上的亮度值的曲线图；图9是示出投射单元的测量照度的确定处理的流程图；图10是示出投射单元的照度与基板选择区域和焊料选择区域的错误率之间的关系的不图；图11是示出投射单元的照度、焊料选择区域的错误率、基板选择区域的错误率以及基板选择区域和焊料选择区域的错误率之和之间的关系的示图；图12是示出投射单元的照度与基板选择区域和焊料选择区域的错误率之间的关系的不图；图13是示出投射单元的照度、焊料选择区域的错误率、基板选择区域的错误率以及基板选择区域和焊料选择区域的错误率之和之间的关系的示图；图14是示出在避开具有错误率急剧变化的风险的值的情况下确定测量亮度的处理的流程图；以及图15是示出在避开具有错误率急剧变化的风险的值的情况下确定测量亮度的另一处理的流程图。
具体实施例方式下文中，将参照附图描述本发明的实施方式。三维测量装置的整体配置图I是示出根据本发明实施方式的三维测量装置100的示图。如图I中所示，三维测量装置100包括在其上放置测量对象I的镜台10、投射单元20、成像单元15、二维图像获取照明单元14、控制单元16、存储单元17、显示单元18以及输入单元19。镜台10连接至镜台移动机构11，该镜台移动机构被驱动以移动镜台10。镜台移动机构11电连接至控制单元16并响应于来自控制单元16的驱动信号在XYZ方向上移动镜台10。投射单元20包括用作能够改变照度的照明装置的光源21、会聚来自光源21的光的聚光透镜22、衍射由聚光透镜22会聚的光的衍射光栅23以及将由衍射光栅23衍射的光投射至测量对象I的投射透镜24。光源21的实例包括卤素灯、氙气灯、汞灯以及LED(发光二极管)，但光源21的种类并不受特别地限制。光源21电连接至照度调节机构25。照度调节机构25在控制单元16的控制下调节光源21的照度。包括多个狭缝的衍射光栅23衍射来自光源21的光，并将亮度按正弦变化的条纹投射至测量对象I。衍射光栅23设置有将衍射光栅23在垂直于形成狭缝的方向的方向上移动的光栅移动机构26。光栅移动机构26在控制单兀16的控制下移动衍射光栅23,并改变投射至测量对象I的条纹的相位。可以使用显示光栅状条纹的液晶光栅等来替代衍射光 栅23和光栅移动机构26。当成像单元15获取显示在显示单元18的屏幕上的测量对象I的二维图像时，二维图像获取照明单元14用光照射测量对象I。二维图像获取照明单元14包括两个照明装置，即，具有环形形状的上部照明装置12和下部照明装置13。成像单元15包括诸如CXD (电荷耦合器件)传感器或CMOS (互补金属氧化物半导体)传感器的成像元件和将来自测量对象I的光形成在成像元件的成像表面的光学系统(诸如成像透镜)。成像单元15对测量对象I (通过投射单元20将正弦条纹投射至该测量对象)进行成像，以三维地测量该测量对象I。在二维图像获取照明单元14用光照射测量对象I的同时，成像单元15对测量对象I进行成像以获取显示在显示单元18上的二维图像。例如,显示单元18由液晶显示器构成。显示单元18在控制单元16的控制下显示测量对象I的二维图像或三维图像。输入单元由键盘、鼠标、触摸面板等构成。输入单元19从用户输入指令。
存储单元17包括存储三维测量装置100的处理所需的各种程序的非易失性存储器(诸如ROM(只读存储器))和用作控制单元16的工作区域的易失性存储器(诸如RAM(随机存取存储器))。例如，控制单元16由CPU(中央处理单元)构成。控制单元16基于存储在存储单元17中的各种程序整体上控制三维测量装置100。例如，控制单元16控制照度调节机构25以调节投射单元20的照度或控制光栅移动机构26以改变投射至测量对象I的条纹的相位。控制单元16控制成像单元15从而使得成像单元15捕获测量对象I (在其上投射了条纹)的图像，并基于捕获的图像通过相移法来三维地测量测量对象I。随后将详细描述控制单元16的控制。在该实施方式中，将描述其上形成了用来焊接安装部件的焊料的基板I作为测量对象I的实例。用户通过使用三维测量装置100三维地测量基板I来检查形成在基板I上的焊料的印刷状态。操作的描述接下来，将描述三维测量装置100的操作。图2是示出三维测量装置100的操作的流程图。首先，三维测量装置100的控制单元16控制镜台移动机构11，使得镜台移动机构11将镜台10移动直至基板I的接收位置。镜台移动机构11从基板输送装置(未示出)接受基板1，并移动镜台10以移动基板I直至成像位置(SlOl)。接下来，控制单元16使得二维图像获取照明单元14照射基板1，并使得成像单元15在二维图像获取照明单元14照射基板I的同时对基板I进行成像(S102)。然后，控制单元16获取将要被显示的二维图像。当控制单元16获取二维图像时，控制单元16在显示单元18的屏幕上显示所获取的二维图像(S103)。图3是示出显示在显示单元18的屏幕上的二维图像的实例的示图。如图3所示，作为测量对象I的基板I具有基板区域2 (第一区域)和形成焊料的焊料形成区域3 (第二区域)。当二维图像显示在显示单元18上时，用户在观看显示在显示单元18上的图像的同时，通过输入单元在基板区域2和焊料形成区域3中指定基板选择区域4和焊料选择区域5。
这里，在单个焊料形成区域3很小的情况下，当仅选择焊料形成区域3时，像素的数量(其为随后在三维测量中计算错误率时的参数)减少。因此，当焊料形成区域3很小时，用户可以在焊料形成区域3密集的部分中指定将多个焊料形成区域3包围的焊料选择区域5。返回参照图2，当基板I的二维图像显示在显示单元18的屏幕上时，控制单元16 判断是否指定了基板选择区域4和焊料选择区域5 (S104)。当指定了选择区域时(S104中的“是”)，控制单元16判断用户是否通过输入单元19输入了确定照度的指令(S105)。当用户通过输入单元19输入了确定照度的指令时(S105中的“是”)，控制单元16控制照度调节机构25从而使得照度调节机构25将光源21的照度设定为初始值(例如，20)(S106)。当将光源21的照度设定为初始值时，投射单元20将条纹投射至基板I。接下来，控制单元16使得成像单元15捕获投射有条纹的基板I的图像(S107)。接下来，控制单元16控制光栅移动机构26，使得光栅移动机构26移动衍射光栅23，从而使得投射至基板I的条纹的相位以π/2 [rad]变化(S108)。当条纹的相位被改变了时，控制单元16随后确定是否以相同的照度捕获了四个图像(S109)。当没有以相同的照度捕获四个图像时(S109中的“否”)，控制单元16将处理返回至S107，并使得成像单元15对投射有条纹的基板I进行成像。通过这种方式，以相同的照度捕获了条纹的相位彼此不同的共四个图像。图4是示出条纹的照射状态的示图。图4示出了当条纹的相位从左侧开始顺次为
O、Ji /2、Ji和3 Ji /2时的条纹的照射状态。参考图2，当以相同照度来拍摄基板I的第四图像时(S109中的“是”)，控制单元16基于四个图像而通过相移法来计算该图像的各像素的高度(SllO)。在该情况下，控制单元16从四个图像中提取各像素(坐标(x，y))的亮度值，并且通过应用下面的等式(2)来计算各像素的相位Φ (x,y)。接下来，控制单元16基于所计算的各像素的相位Φ (x,y)而利用三角测量原理来计算各像素的高度。下述等式⑵与上述的等式(I)相同，并且当条纹的相位为O、π/2、π和3π/2时，Ι()(χ，y)、Ιπ/2(χ，y) > Ιπ (x，y)和 I311/2(χ，y)分别为像素(坐标)的亮度值。Φ (x, y) = Tan_1{I3lI/2(x γ)-Ιπ/2(χ y)}/ (I0 (χ Υ)_Ιπ (χ υ) I …⑵这里，当亮度值被转换为高度时，在预定条件下在像素中基于相位Φ (X，y)的高度转换是不可行的，则该像素被认为是错误。当各像素的亮度值被转换为各坐标的高度时，控制单元16随后计算基板选择区域4和焊料选择区域5中的高度转换不可行的像素的比率(错误率)(Slll)。下文将详细地描述基于相位Φ (X，y)的高度转换不可行的条件或者计算高度转换不可行的像素的比率(错误率)的方法。当计算了错误率时，控制单元16随后确定现在的投射单元20的照度是否为最大值(例如，240) (SI 12)。当投射单元20的照度不是最大时(SI 12中的“否”)，控制单元16改变投射单元20的照度(例如，照度+20) (S113)。然后，控制单元16将处理返回至S107，并且通过对以改变的照度投射了条纹的基板I成像而再次拍摄基板I的四个图像。当拍摄了四个图像时，利用相移法来计算各像素(各坐标)的高度，并且通过改变的照度来计算错误率。重复一系列处理直到投射单元20的照度变得最大。当投射单元20的照度最大时(S112中的“是”)，控制单元16基于各照度下选择区域4和5中的错误率来确定三维测量中的测量照度。在该情况下，例如，选择区域4和5的错误率最小时的照度被确定为测量照度。此外，下文中，将详细的描述确定测量照度的方法。当确定了测量照度时，控制单元16将测量照度存储在存储单元17中。当确定了测量照度时，所确定的测量照度可以被显 示在显示单元18上。由此，使用者可以观看最佳照度以三维地测量基板I。用户通过输入单元19将显示在显示单元18上的照度输入至三维测量装置100，以设定投射单元20的照度。当确定了测量照度时，控制单元16可以自动地设定所确定的测
量照度。为了获取基板I的在第二图像以后的并且具有与基板I的第一图像的构造相同的构造的图像，投射单元20以所确定的测量照度将条纹投射至基板I。基于以该照度所拍摄的四个图像来计算关于基板I的三维信息，并且将基板I的三维图像显示在显示单元18的屏幕上。用户观看显示在显示单元18的屏幕上的三维图像，并且检查形成在基板I上的焊料的印刷状态。参考图2，已经描述了一种情况，其中，用户在观看显示在显示单元18的屏幕上的基板I的图像的同时来指定基板选择区域4和焊料选择区域5。然而，该处理可以由控制单元16自动执行。也就是，控制单元16可以分析在S103中获得的二维图像，并且可以确定基板区域2和焊料形成区域3，以及可以根据基板区域2和焊料形成区域3来指定基板选择区域4和焊料选择区域5。参考图2，已经描述了一种情况，其中，投射单元的照度的初始值被设定为20，该照度每次改变+20，并且改变照度直至最大值240。另一方面，重复的步长起初可以被设定得较大(例如，+50)，照度的初始值和最大值可以在错误率可能减小的部分附近被重置，并且步长可被减小(例如+50 — +10 — +1)。这样，可以有效且详细地确定测量照度。错误率的计算方法接下来，将详细描述基于相位Φ (X，y)的高度转换不可行(错误)并且在图2的SllO和Slll中描述的条件，或者高度转换不可行的像素的比率(错误率)的计算方法。图5是示出错误率的计算处理的流程图。图6、图7和图8是示出当被投射至基板I的条纹的相位为O、31/2、31和3 31/2时条纹和垂直方向上的亮度值的曲线图。图6示出了投射单元20的照度适当的情况的实施例。图7示出了投射单元20的照度太小的情况的实施例。图8示出了投射单元20的照度太大的情况的实施例。如图5所示，控制单元16在以相同照度拍摄的并且条纹的相位在其中彼此不同的四个图像中提取各个像素(各个坐标(x，y))和IW2 (x，y) (S201)。这里，可以从所有的所拍摄的图像中提取亮度值或者可以从所有的基板选择区域4和焊料选择区域5中提取亮度值(参见图3)。接下来，控制单元16输入对应于基板选择区域4和焊料选择区域5中的一个像素的亮度值 I()(x，y) > Ιπ/2(χ, y) > I11 (x, y)和 Ι3π/2(χ，y) (S202)。
接下来，控制单元16在选择区域4和5中的一个像素中计算条纹的相位为O时的图像(第一图像)的亮度值I。U，y)与条纹的相位为η时的图像(第三图像)的亮度值
I,(X，y)之间的差的绝对值(S203)。同样地，控制单元16在选择区域4和5中的一个像素中计算条纹的相位为π/2时的图像(第二图像)的亮度值Ιπ/2(χ，y)与条纹的相位为3π/2时的图像(第四图像)的亮度值I3n/2(x，y)之间的差的绝对值(S203)。 接下来,控制单元16确定这两个绝对值(也就是，亮度值Itl(X，y)与Ιπ (X，y)之间的差的绝对值和I /2(x，y)与I3 /2(x，y)之间的差的绝对值)中的较大值是否小于第一阈值 Thl (S205)。在S205中，控制单元16确定这两个绝对值是否均小于第一阈值Thl。例如，第一阈值Thl为15 (参见图6至图8)。当这两个绝对值中的较大值小于第一阈值Thl时(S205中的“是”)，控制单元16确定利用相移法进行高度转换在该像素中是不可行的(错误)(S208)。然后，控制单元16使处理继续进行至S209。另一方面，当这两个绝对值中的较大值大于等于第一阈值Thl (S205中的“否”)，控制单元16使处理继续进行至S206。在S206中，控制单元16确定四个亮度值IQ(x，y)、Ιπ/2(Χ，Υ)、Iu (x，y)和1^/2 (x，y)中的至少一个是否大于等于第二阈值Th2。第二阈值Th2为256(参见图6和图7)。当这四个亮度值中的至少一个大于等于第二阈值Th2时(S206中的“是”)，控制单元16确定基于亮度值转换为高度是不可行的(错误的)(S208)，并且处理继续进行至S209。当四个亮度值均小于第二阈值Th2时(S206中的“否”)，控制单元确定基于亮度值转换为高度是可行的(S207)，并且处理继续进行至S209。在S209中，控制单元16判断是否在基板选择区域4和焊料选择区域5中的所有像素上执行了错误确定。当在基板选择区域4和焊料选择区域5中还有未确定的像素时(S209中的“否”)，控制单元16使处理返回至S202，并且重复S202至S209的处理。另一方面，当在包含于基板选择区域4和焊料选择区域5中的所有像素上执行了确定时(S209中的“是”)，控制单元16计算基板选择区域4和焊料选择区域5中的每一个中的错误率(S210)。在该情况下，控制单元16可以通过用基板选择区域4中发生错误的像素数除以整个基板选择区域4中的像素数来计算基板选择区域4的错误率(第一错误率)。同样地，控制单元16可以通过用焊料选择区域5中发生错误的像素数除以整个焊料选择区域5中的像素数来计算焊料选择区域5的错误率(第二错误率)。一旦改变投射单元20的照度，就执行S201至S210的处理。因此，针对各照度通过这些处理来计算各选择区域的错误率。图6示出了投影单元20的照度合适的情况的实例。图6所示的实线表示在亮度值Itl(X，y)和亮度值Iπ (X，y)之间的差的绝对值与亮度值Ιπ/2(Χ，y)和亮度值Ι3π/2(χ，y)之间的差的绝对值之间的较大值。此外，在实线中，当四个亮度值中的至少一个等于或大于第二阈值Th2时，亮度值为O。如图6的实线所示,在整个区域中，两个绝对值中的较大值等于或大于第一阈值Thl (15)(见S205)。而且，如图6的实线所示，在整个区域中，四个亮度值小于第二阈值Th2(256)(见S206)。因此，在图6所示的实例中，由于投影单元20的照度合适，且亮度值之间的差很大，所以在整个区域中，可以转换成高度(见S207)。在图6所示的实例中，错误
率为0%。图7示出了投影单元20的照度太小的情况的实例。如图7的实线所示，在整个区域中，两个绝对值中的较大值小于第一阈值Thl (见S205)。因此，在图7所示的实例中，由于投影单元20的照度太小，且亮度值之间的差很小，所以在整个区域中，转换成高度是不可行的(错误)(见S208)。在图7所示的实例中，错误率为100%。图8示出了投影单元20的照度太大的情况的实例。如图8的实线所示，在由A所示的区域中，两个绝对值中的较大值等于或大于第一阈值(见S205)。此外，在由A所示的区域中，四个亮度值中的至少一个值不等于大于第二阈值Th2 (见S206)。因此，在位于由A所示的范围内的像素中，可基于亮度值转换成高度(见S207)。 另一方面，在由B所示的范围中，四个亮度值中的至少一个值等于或大于第二阈值Th2 (见S206)。因此，在位于由B所示的范围内的像素中，不能基于亮度值转换成高度(见S208)。而且，当四个亮度值中的至少一个值等于或大于第二阈值Th2时，亮度值超过了成像单元15的识别范围，因此，由实线所示的亮度值为O。如图5至图8所示，在本实施方式中，可通过利用第一和第二阈值来适当地计算当照度太暗或太亮且因此照度不合适时的错误率。投影单元20的照度的确定方法接下来，将对如图2的S114所述的投影单元20的测量照度的确定方法进行详细描述。图9是示出投影单元20的测量照度的确定处理的流程图。如图9所示，控制单元16为每个照度计算基板选择区域4的错误率(第一错误率)和焊料选择区域5的错误率(第二错误率)之和。当控制单元16为每个照度计算出选择区域4和选择区域5的错误率的和时，控制单元16确定错误率总和最小的照度作为投影单元20的测量照度(S302)。图10是示出投影单元20的照度与基板选择区域4和焊料选择区域5的错误率之间的关系的曲线图。图11是示出投影单元20的照度、焊料选择区域5的错误率、基板选择区域4的错误率以及基板选择区域4和焊料选择区域5的错误率之和之间的关系的图表。图10和图11示出了基板I (白色基板I)(其中，基板区域2是白色的)被用作测量对象I的情况的实例。在白色基板I的情况下，如图11所示，当照度为80时错误率之和为4. 02%，是最小值。因此，在该情况下，80被选作测量照度(见S302)。图12是示出投影单元20的照度与基板选择区域4和焊料选择区域5的错误率之间的关系的示图。图13是示出投影单元20的照度、焊料选择区域5的错误率、基板选择区域4的错误率以及基板选择区域4和焊料选择区域5的错误率之和之间的关系的示图。图12和图13示出了基板I (蓝色基板I)(其中，基板区域2是蓝色的)被用作测量对象I的情况的实例。在蓝色基板I的情况下，如图13所示，当照度为240时错误率之和为4. 88%，是最小值。因此，在该情况下，240被选作测量照度(见S302)。以这种方式，在根据本实施方式的三维测量装置100中，所确定的白色基板I的测量照度不同于蓝色基板I。即，在本实施方式中，由于测量对象I的错误率被实际进行了计算，且可基于错误率确定测量照度，所以可针对各种(颜色的)基板I来确定基于基板I的种类的适当的测量照度。在图9的S301中，描述了简单计算两个选择区域4和5的错误率之和的情况。另一方面，控制单元16可通过将至少一个错误率与权重系数相乘，来优先化基板选择区域4和焊料选择区域5的错误率之一，从而可计算出第一与第二错误率之和。此处，三维测量中的测量对象不是基板区域2而是焊料形成区域3。焊料选择区域5的错误率对测量精度具有显著影响。而且，在三维测量中从基板区域2获取数据的原因在于确定焊料形成区域3的高度的基准。因此，在基板区域2中，获得平面的高度的平均值或仅仅用于计算倾斜度所需的数据就足够了。因此，当使用权重系数时，焊料选择区域5的错误率一般优先于基板选择区域4的错误率。例如，焊料选择区域5:基板选择区域4的权重系数的比为6 4、7 3等。然而，如图10和图11所示，当测量对象I是白色基板I时,其中选择区域4和选择区域5的错误率之和是最小值的照度为80。另一方面，当照度为100时，基板选择区域4的错误率急剧增加，且选择区域4和选择区域5的错误率之和也因此急剧增大。因此，当80被确定为测量照度时，错误率之和可能在测量照度略微偏离的情况下急剧增大。因此，控制单元16可在避开具有错误率急剧变化的风险的值的情况下确定测量照度。图14是示出在避开具有错误率急剧变化的风险的值的情况下确定测量照度的处理的流程图。如图14所示，控制单元16为各照度计算基板选择区域4的错误率(第一错误率)和焊料选择区域5的错误率(第二错误率)的和(S401)。在该情况下，如上所述，控制单元16可将基板选择区域4和焊料选择区域5的错误率中的至少一个与权重系数相乘，并随后可计算出错误率之和。接下来，控制单元16确定选择区域4和选择区域5的错误率之和小于预定阈值Th3(例如，15%)的照度范围(S402)。之后，控制单元16从错误率之和小于阈值Th3的照度范围中计算出中间值，并将该中间值确定为测量照度(S403)。例如，将对测量对象I是白色基板I且计算如图10和图11所示的错误率的情况进行描述。在该情况下，选择区域4和选择区域5的错误率之和小于阈值Th3(15%)的照度范围为40至80 (S402)。由于40至80的照度范围的中间值为60，因此控制单元16将60确定为测量照度(S403)。通过图14所示处理，可在避开了具有错误率急剧变化的风险的值的情况下确定测量照度。另一方面，在测量对象I是蓝色基板I且计算了图12和图13所示的错误率的情况下，其中选择区域4和选择区域5的错误率之和小于阈值Th3 (15% )的照度范围为80至240(S402)。由于80至240的照度范围的中间值为160，所以控制单元16将160确定为测 量照度(S403)。当测量对象I是蓝色基板I时，错误率之和随着测量照度单调减小。然而，当照度进一步增加或成像单元15的曝光时间被延长时，基板选择区域4和焊料选择区域5的错误率均会增大。因此，存在错误率之和会急剧增加的可能性。因此，不仅在测量对象I是白色基板I的情况下而且在测量对象I是蓝色基板I的情况下，都能有效执行图14所示的处理。如上所述，作为防止具有错误率急剧变化的风险的值被用作测量照度的一种方法，至此已描述了使用错误率之和小于阈值Th3的照度的中间值的情况。另一方面，作为防止具有错误率急剧变化的风险的值被用作测量照度的另一种方法，可使用错误率之和相对于照度变化的变化率。
图15是示出利用错误率的变化率的另一处理的流程图。如图15所示，控制单元16对每个照度计算基板选择区域4和焊料选择区域5的错误率之和(S501)。接着，控制单元16确定错误率之和最小的照度。接着，控制单元I6计算错误率之和的最小值与比错误率之和为最小值的照度低一个等级的照度(例如，-20)的错误率之和之间的差值。即，控制单元16计算错误率之和最小的照度与比错误率之和最小的照度低一个等级的照度之间的错误率之和的差值。接着，控制单元16判断错误率之和的最小值与比错误率之和为最小值的照度低一个等级的照度的错误率之和之间的差值是否小于预定阈值Th4(S503)。例如，阈值Th4在约5%至约10%的范围内。当错误率之和的最小值与低一个等级的照度的错误率之和之间的差值小于预定阈值Th4时(S503中的“是”)，控制单元16使处理进行至S504。在S504中，控制单元16计算错误率之和的最小值与比错误率之和为最小值的照度高一个等级的照度(例如，+20)的错误率之和之间的差值。即，控制单元16计算错误率之和最小的照度与比错误率之和最小的照度高一个等级的照度之间的错误率之和的差值。接着，控制单元16判断错误率之和的最小值与高一个等级的照度的错误率之和之间的差值是否小于预定阈值Th4。当错误率之和的最小值与高一个等级的照度的错误率之和之间的差值小于预定阈值Th4时(S504中的“是”)，控制单元16确定错误率之和最小的照度作为测量照度(S505)。在S503中，当错误率之和的最小值与比错误率之和为最小值的照度低一个等级的照度的错误率之和之间的差值等于或大于预定阈值Th4时(S503中的“否”)，控制单元16使处理进行至S506。在S506中，控制单元16判断错误率之和的最小值与比错误率之和为最小值的照度高一个等级的照度的错误率之和之间的差值是否小于预定阈值Th4。当错误率之和的最小值与高一个等级的照度的错误率之和之间的差值等于或大于预定阈值Th4时(S506中的“否”)，控制单元16确定错误率之和最小的照度作为测量照度(S505)。另一方面，当错误率之和的最小值与比错误率之和为最小值的照度高一个等级的照度的错误率之和之间的差值小于预定阈值Th4时(S506中的“是”)，控制单元16使处理进行至S507。在S507中，控制单元16计算比错误率之和最小的照度高一个等级的照度的错误率之和与高两个等级(例如，+40)的照度的错误率之和之间的差值。接着，控制单元16判断高一个等级的照度的错误率之和与高两个等级的照度的错误率之和之间的差值是否小于阈值Th4。当高一个等级的照度的错误率之和与高两个等级的照度的错误率之和之间的差值等于或大于阈值Th4时(S507中的“否”)，控制单元16确定错误率之和最小的照度作为测量照度(S505)。另一方面，当高一个等级的照度的错误率之和与高两个等级的照度的错误率之和之间的差值小于阈值Th4时(S507中的“是”)，控制单元16确定比错误率之和最小的照度高一个等级的照度作为测量照度(S508)。在S504中，当错误率之和的最小值与比错误率之和为最小值的照度高一个等级的照度的错误率之和之间的差值等于或大于预定阈值Th4时(S504中的“否”)，控制单元16将处理进行至S509。在S509中，控制单元16计算比错误率之和最小的照度低一个等级的照度的错误率之和与低两个等级的照度(例如，-40)的错误率之和之间的差值。接着，控制单元16判断低一个等级的照度的错误率之和与低两个等级的照度的错误率之和之间的差值是否小于阈值Th4。当低一个等级的照度的错误率之和与低两个等级的照度的错误率之和之间的差值等于或大于阈值Th4时(S509中的“否”)，控制单元16确定错误率之和最小的照度作为测量照度(S505)。另一方面，当低一个等级的照度的错误率之和与低两个等级的照度的错误率之和之间的差值小于阈值Th4时(S509中的“是”)，控制单元16确定比错误率之和最小的照度低一个等级的照度作为测量照度(S510)。由于通过图14所示的处理基于错误率之和相对于照度的变化的变化率来确定测量照度，因此能够避免采用具有错误率急剧变化的风险的值作为测量照度。作用如上所述，根据实施方式的三维测量装置100在通过改变投影单元20的照度来进行的三维测量方式中能够对每个照度计算错误率，并且能够基于算得的每个照度的错误率来确定用于三维测量测量对象I的测量照度。因此，根据实施方式的三维测量装置100能够用合适的测量照度对测量对象I进行三维测量，使得对测量对象I进行三维测量时，错误率较小(无错误的有效像素数量大)。在该实施方式中，由于测量对象I的错误率能够被实际地算得并且能够基于错误率确定测量照度，所以对于各种测量对象I能够确定适合于该种测量对象I的测量照度。例如，如上所述，能够确定适合于白色基板I和蓝色基板I中的每一个的测量照度。在该实施方式中，能够基于两个错误率来确定测量照度，即，基板选择区域4的错误率(第一错误率)以及焊料选择区域5的错误率(第二错误率)。因此，在该实施方式中，当测量对象I具有错误率彼此不同的多个区域时，能够根据各错误率确定适当的测量照度。各种变形例至此已经描述了其上形成有用于焊接装配部件的焊料的基板I (白色基板I和蓝色基板I)用作测量对象I 的示例。然而，测量对象I并不局限于此。测量对象I的另一示例包括其上形成有用于粘合装配部件的粘合剂的基板。此外，测量对象I的示例包括形成有配线图案的配线基板、形成有连接盘的基板、印制有玻璃的基板以及印制有荧光物质的基板。此外，测量对象I的示例包括印制有诸如纳米银油墨、聚酰亚胺油墨、碳纳米管油墨等的油墨的基板、执行丝网印刷的基板以及形成有铝电极的玻璃基板(被用作TFT(薄膜晶体管))。上述测量对象I的另一示例包括具有基板区域2 (第一区域)以及错误率不同于基板区域2的错误率的另一区域(第二区域)(例如，形成有粘合剂、配线图案、连接盘、玻璃、油墨等的区域)的基板。三维测量装置100能够基于两个错误率(即，从基板区域2指定的基板选择区域4的错误率和从基板区域2以外的区域指定的选择区域的错误率)确定测量照度。至此，已经描述了基于两个不同的错误率来确定测量照度的情况。当然，三维测量装置100可基于从错误率彼此不同的三个以上区域指定的三个以上选择区域的错误率来确定测量照度。至此，已经描述了条纹的相位改变四次以获得四个图像并应用相移法的情况。然 而，当相位改变的次数以及图像的个数为三以上时,也可应用本发明的实施方式。当控制单元16计算基板选择区域4的错误率、焊料选择区域5的错误率等时，控制单元16可将图10至图13所示出的图示或表显示在显示单元18上。此外，当控制单元16确定了测量照度时，控制单元16可执行突出显示与图示或表中的该测量照度相对应的部分的处理。因此，当用户观看显示在显示单元18上的图示和表时，用户能够容易地识别出测量照度。本发明包含于2011年2月I日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP2011-019794中所公开的相关主题，其全部内容通过引证结合于此。本领域技术人员应理解，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合以及替换，其均在所附权利要求或其等同物的范围内。
权利要求
1.一种三维测量装置，包括 投射单元，包括能够改变照度的照明装置，所述投射单元利用来自所述照明装置的光将条纹投射至测量对象，并且改变被投射至所述测量对象的所述条纹的相位； 成像单元，拍摄其上被投射了所述条纹的所述测量对象的图像；以及 控制单元，通过使所述投射单元多次改变被投射至所述测量对象的所述条纹的相位以使所述成像单元拍摄多个图像，从所拍摄的所述多个图像中提取亮度值，基于所提取的亮度值计算所述测量对象的三维测量中的错误率，通过改变所述照明装置的照度来针对各照度计算错误率，并且基于所计算的各照度的错误率来确定用于三维测量所述测量对象的测量照度。
2.根据权利要求I所述的三维测量装置， 其中，所述测量对象包括第一区域和错误率不同于所述第一区域的错误率的第二区域，并且 其中，所述控制单元通过改变所述照明装置的照度来针对各照度计算第一错误率和第二错误率，并且基于所计算的各照度的所述第一错误率和所述第二错误率来确定所述测量照度，其中，所述第一错误率和所述第二错误率分别为所述第一区域和所述第二区域的错误率。
3.根据权利要求2所述的三维测量装置，其中，所述控制单元针对各照度计算所述第一错误率与所述第二错误率之和，并且基于各照度的所述第一错误率与所述第二错误率之和来确定所述测量照度。
4.根据权利要求3所述的三维测量装置，其中，所述控制单元确定所述第一错误率与所述第二错误率之和小于预定阈值的照度范围，并且将该照度范围的中间值确定为所述测量照度。
5.根据权利要求3所述的三维测量装置，其中，所述控制单元基于所述第一错误率与所述第二错误率之和相对于照度的变化的变化率来确定所述测量照度。
6.根据权利要求3所述的三维测量装置，其中，所述控制单元将所述第一错误率与所述第二错误率之和最小的照度确定为所述测量照度。
7.根据权利要求3所述的三维测量装置，其中，所述控制单元通过将所述第一错误率和所述第二错误率中的至少一个乘以权重系数来优先化所述第一错误率和所述第二错误率中的一个，并且之后计算所述第一错误率与所述第二错误率之和。
8.根据权利要求I所述的三维测量装置，其中，所述控制单元计算从通过改变所述条纹的相位而拍摄的所述多个图像提取的并且对应于所述多个图像中的同一像素的多个亮度值之间的差，判断所计算的亮度值之间的差是否小于第一阈值，并且计算亮度值之间的差小于所述第一阈值的像素的比例作为所述错误率。
9.根据权利要求8所述的三维测量装置，其中，所述控制单元判断从所述多个图像提取的并且对应于所述多个图像中的同一像素的多个亮度值中的至少一个是否等于或大于第二阈值，并且计算等于或大于所述第二阈值的亮度值的比例作为所述错误率。
10.根据权利要求I所述的三维测量装置，其中，所述控制单元判断从通过改变所述条纹的相位而拍摄的所述多个图像提取的并且对应于所述多个图像中的同一像素的多个亮度值中的至少一个是否等于或大于预定阈值，并且计算等于或大于该阈值的亮度值的比例作为所述错误率。
11.一种三维测量方法，包括 利用来自能够改变光的照度的照明装置的光将条纹投射至测量对象； 通过多次改变投射至所述测量对象的所述条纹的相位来拍摄多个图像； 从所拍摄的所述多个图像提取亮度值； 基于所提取的亮度值计算所述测量对象的三维测量中的错误率； 通过改变所述照明装置的照度来针对各照度计算所述错误率；以及 基于所计算的各照度的所述错误率来确定用于三维测量所述测量对象的测量照度。
12.—种程序，使三维测量装置执行 利用来自能够改变光的照度的照明装置的光将条纹投射至测量对象； 通过多次改变投射至所述测量对象的所述条纹的相位来拍摄多个图像； 从所拍摄的所述多个图像提取亮度值； 基于所提取的亮度值计算所述测量对象的三维测量中的错误率； 通过改变所述照明装置的照度来针对各照度计算所述错误率；以及 基于所计算的各照度的所述错误率来确定用于三维测量所述测量对象的测量照度。
全文摘要
本发明提供了一种三维测量装置、三维测量方法及程序。该三维测量装置包括投射单元，包括能够改变照度的照明装置，投射单元利用来自照明装置的光将条纹投射至测量对象，并且改变被投射至测量对象的条纹的相位；成像单元，拍摄其上被投射了条纹的测量对象的图像；以及控制单元，通过使投射单元多次改变被投射至测量对象的条纹的相位以使成像单元拍摄多个图像，从所拍摄的多个图像中提取亮度值，基于所提取的亮度值计算测量对象的三维测量中的错误率，通过改变照明装置的照度来针对各照度计算错误率，并且基于所计算的各照度的错误率来确定用于三维测量测量对象的测量照度。
文档编号G01B11/25GK102628678SQ20121002262
公开日2012年8月8日 申请日期2012年2月1日 优先权日2011年2月1日
发明者木村匠 申请人:索尼公司