CN100520286C - 三维形状测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供三维形状测量装置及方法，其装置包括：XY台、投影部、光路变换器和成像部，所述投影部包括：第一、第二照明；多个投影透镜；光栅板，设置在第一、第二照明和多个投影透镜之间，形成有多个光栅；投影部移送装置，用来将光栅板朝向与第一、第二照明照射光垂直的方向移动，所述光路变换器包括：多个反射镜；第一、第二滤光器，分别设置在多个反射镜的下侧，对经过多个反射镜的光的特性进行调节并透射其光；第三照明，设置在第一、第二滤光器之间，将光照射至检查对象物，所述成像部包括：第三滤光器；成像透镜；成像摄影机。通过使用多个照明和滤光器交替地扫描测量对象物的一侧和另一侧，能够去除在测量三维形状时产生的影子区域。

Description

三维形状测量装置及方法

技术领域

本分明涉及三维形状测量装置及方法，更具体地说，涉及使用多个照明和滤光器交替地扫描测量对象物的一侧和另一侧以能够去除在测量三维形状时产生的影子区域的三维形状测量装置及方法。

背景技术

下面，利用附有三维形状测量装置的图10进行说明。

图10所示的三维形状测量装置包括投影装置10、成像装置20、控制装置30和位移测量装置40。下面，概略地说明各结构。

投影装置10具有光栅(图中未示出)，从投影装置10产生的光透过光栅投影在测量物O的一侧。在通过格纹图案的光被照射在测量物O的一侧时，由成像装置20对其进行摄像。成像装置20对通过投影在测量物O上的光来形成的图像进行摄像，并将其传送给控制装置30，位移测量装置40对从成像装置20至测量物O的隔离距离的位移进行测量，将其传送给控制装置30。控制装置30利用从位移测量装置40传送的位移信息计算从成像装置20至测量物O的位移距离，并利用从成像装置20传送的图像计算高度，利用计算出的高度信息测定测量物O的三维形状。

发明内容

但是，上述的现有技术的三维形状测量装置由于仅在测量物的一侧上透射光以获得图像，所以在另一侧产生影子，因此具有不能正确地测定测量物的缺陷。

因此，本发明是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供一种三维形状测量装置及方法，在检查对象物的两侧上分别扫描通过格纹的光，获得由于测量对象物而变形的图像，以测量三维形状，由此能够去除影子区域。

本发明的另一目的在于提供一种三维形状测量装置及方法，能够利用多个滤光器，改变光的光学特性，获得更正确的图像，通过将光路变换器适用在三维形状测量装置上，使三维形状测量装置的结构更加小型化。

为了达到上述目的，本发明的三维形状测量装置包括XY台、投影部、光路变换器和成像部，所述XY台设有第一、第二电动机并安装有衬底部件，所述衬底部件形成有多个识别标志。投影部包括：能够产生光的第一照明和第二照明；第一和第二投影透镜，设置在所述第一照明和第二照明一侧；光栅板，设置在所述第一照明、第二照明和所述第一和第二投影透镜之间，形成有包括第一和第二光栅的多个光栅；投影部移送装置，用来将所述光栅板朝向与从所述第一照明和第二照明产生的光的照射方向垂直的方向移动。所述光路变换器包括：第一至第四反射镜，设置在所述投影部的一侧，相互隔开一定的间隔；第一滤光器和第二滤光器，分别设置在所述第三、第四反射镜的下侧，对经过所述第一至第四反射镜的光的特性进行调节而透射其光；第三照明，设置在所述第一滤光器和第二滤光器之间，对检查对象物照射光。所述成像部包括：第三滤光器；成像透镜，设置在所述第三滤光器的上侧，用来对经过所述第三滤光器的光进行成像；成像摄影机，设置在成像透镜的上侧，用来对透射所述成像透镜的图像进行摄像。

本发明的三维形状测量方法包括下述步骤：将衬底部件位于XY台的检查区域；在所述衬底部件位于检查区域时，通过光栅移送及照明控制装置，以事先设定的亮度、位置和角度打开第一照明；在所述第一照明被打开而从第一照明产生光时，使产生的光经过投影部的第一光栅、第一投影透镜和光路变换器的第一反射镜、第三反射镜和第一滤光器，投影在衬底部件上；在光投影在所述衬底部件上时，按照设定量来移动光栅移送操作装置，同时获得图像；在获得所述图像时，利用相移算法(bucket algorithm)获得对于第一照明的基准相位；在获得对于所述第一照明的基准相位期间，打开第二照明，按照上述方法通过投影部的第二光栅、第二投影透镜和光路变换器的第二反射镜、第四反射镜和第二滤光器，获得对于第二照明的基准相位；在获得对于所述第一照明和第二照明的基准相位时，将检查对象物置于衬底部件上的规定部位上；在所述检查对象物位于衬底部件上时，通过光栅移送及照明控制装置以设定的亮度打开第三照明和第四照明中的任一照明，检测第一识别标志和第二识别标志的位置，同时确认检查对象物的位置，并限定检查区域，以测量检查对象物；在确认所述检查对象物的位置时，利用第一电动机和第二电动机移动检查对象物；在移动所述检查对象物时，通过光栅移送及照明控制装置以设定的亮度打开第一照明，使产生的光经过投影部的第一光栅、第一投影透镜和光路变换器的第一反射镜、第三反射镜和第一滤光器，投影在检查对象物上；在从所述第一照明中产生的光投影在所述检查对象物上时，通过光路变换器的第三滤光器和成像部的成像摄影机获得从检查对象物反射的图像；在获得对于所述第一照明的光栅图像时，利用所述所获得的图像测量检查对象物的相位，然后，利用与基准相位之间的差来获得检查对象物的三维信息；在获得对于所述第一照明的检查对象物的三维信息时，按照利用由第一照明产生的光而获得图像的方法将由第二照明产生的光通过第二光栅、第二投影透镜、第二反射镜、第四反射镜和第二滤光器，以获得对于第二照明的检查对象物的三维信息；在获得对于所述第二照明的检查对象物的三维信息时，利用通过第一照明获得的图像的各成像摄影机的不同像素的灰度值的平均值，不需要其它照明地计算对于检查对象物的一张二维图像，利用灰色亮度值掌握影子位置和发亮的区域；将相当于对所述第一照明的影子位置的部分替换为由第二照明获得到的三维信息，利用由第二照明修正的三维信息最终获得检查对象物的三维信息。

附图说明

图1为本发明的三维形状测量装置的立体图；

图2为图1所示的XY台的放大立体图；

图3为图1所示的投影部的立体图；

图4为图1所示的光路变换器的立体图；

图5为图4所示的光路变换器的另一实施例的立体图；

图6为图1所示的成像部的立体图；

图7为图6所示的成像部的另一实施例的立体图；

图8为详细表示控制图1所示的三维形状测量装置的多个控制部的结构的方框图；

图9为图8所示的多个三维形状测量装置的另一实施例的方框图；

图10为现有技术的三维形状测量装置的概略图。

附图标号

100  XY台

112、114  第一、第二识别标志

200  投影部

210、212  第一、第二照明

230、232  第一、第二光栅

250  光栅移送操作装置

256  反馈传感器

260、262  第一、第二投影透镜

300  光路变换器

310、312、320、322  第一至第四反射镜

340  第三照明

350  第四照明

360  光束分离器

400  成像部

440、450  第三、第四电动机

500  第一控制部

600  第二控制部

具体实施方式

下面，利用附图说明本发明的实施例。

图1为本发明的三维形状测量装置的立体图。如图所示，本发明的三维形状测量装置包括：XY台100，投影部200，光路变换器300，成像部400和第一控制部500、第二控制部600(参照图8和图9)。

首先，如图2所示，在XY台100的上侧设置有衬底部件110，在衬底部件110的上侧形成有第一、第二识别标志112、114。另外，在衬底部件110的中央装载有用来进行三维检查的检查对象物120。另外，XY台100通过分别设置在其一侧和另一侧的第一、第二电动机130、140能够向XY方向移动。

如图3所示，在投影部200中，散发光的第一、第二照明210、212相互隔离而设置，在第一、第二照明210、212的一侧分别设置有第一、第二聚光透镜220、222。第一、第二照明210、212通过光栅移送及照明控制装置270以选择性地打开/关闭的方式被控制。在第一、第二照明210、212的一侧分别设置有第一、第二投影透镜260、262，在第一、第二照明210、212和第一、第二投影透镜260、262之间设置有光栅板234。在光栅板234上形成有多个光栅230、232。即，多个光栅包括第一、第二光栅230、232，分别在光栅板234的长度方向的两侧隔开一定的间隔而形成。在设置有第一、第二光栅230、232的光栅板234的一侧设置有投影部移送装置。

投影部移送装置包括：投影部LM(Linear Motion)导向件240，设置在光栅板234一侧；投影部LM导轨242，其中安装投影部LM导向件240；光栅移送操作装置250，设置在投影部LM导向件240上，对投影部LM导向件240进行驱动。光栅移送操作装置250通过光栅移送及照明控制装置270被控制和驱动，通过光栅移送操作装置250的驱动，投影部LM导向件240沿着投影部LM导轨242朝向规定方向(上、下方向)移动，移送光栅板234。即，由于在投影部LM导向件240上连接有光栅板234，所以通过投影部LM导向件240的移动能够将光栅板234朝向规定方向移动。

另外，在光栅移送操作装置250的一侧设置有用来识别第一、第二光栅230、232的移送位置的反馈传感器256。作为反馈传感器256，可采用代表性的根据材质的伸缩具有不同的阻抗值的变形测量仪传感器，或者判断根据距离间隔而集中的电荷量之差的静电容量传感器。

如图4所示，光路变换器300设置在投影部200的一侧，用来对出自投影部200的光的通路进行改变。在光路变换器300中，隔离设置有用来将出自第一、第二投影透镜260、262的光进行反射的第一、第二反射镜310、312。第一、第二反射镜310、312朝向水平方向倾斜设置，其倾斜角优选为45度，根据不同的情况可以以不同的倾斜角度设置。

分别经过第一、第二反射镜310、312的光再经过第三、第四反射镜320、322以改变光路。该光路的改变使得光分别经过第一、第二滤光器330、332投射到检查对象物120上。设置在第三、第四反射镜320、322下侧的第一、第二滤光器330、332对通过第一、第二光栅230、232的光进行滤光，将滤过的光照射至衬底部件110，或者朝向检查对象物120的一侧和另一侧交替地扫描N次。第三、第四反射镜320、322朝向垂直方向倾斜设置，其倾斜角根据使用者的要求可以设置在20至80度的范围内。

第一、第二滤光器330、332是改变从第一、第二照明210、212入射到检查对象物120的照明的光学特性的部件，可选用频率滤光器、色彩滤光器、偏振光滤光器、光强度调节滤光器中的任一种。

频率滤光器使用用来去除400nm以下波长的紫外线去除滤光器、用来去除700nm以上波长的红外线去除滤光器，色彩滤光器为了通过可见光区域的特定频带使用红色、绿色和蓝色滤光器。例如，在检查PCB板时，主要使用对应于板的背景色的红色和绿色滤光器。即，在红色系列的PCB板上使用绿色滤光器，在绿色系列的PCB板上使用红色滤光器。另外，在使用光强度调节滤光器的情况下，为了将光强度的范围调节为100～50％范围而使用，作为光强度调节滤光器适用中性浓度滤光器，在使用偏振光滤光器的情况下，为了在检查对象物120上使入射光进行正反射以降低光在成像部400上映射的效果，使用线形偏振光滤光器。

被扫描在衬底部件110和检查对象物120上的光通过由检查对象物120变形而形成的光栅图案而形成图像，因该变形的光栅图案所形成的图像经过O形环状的第三照明340。在第三照明340中，多个LED元件342相互隔开一定的距离而设置。另外，在第三照明340的上侧，即在第一反射镜310和第二反射镜312之间，如图5所示地设置有分束器360，在该分束器360的一侧还设置有第四照明350。

第三照明340作为相对于成像部400的成像摄影机420的光轴倾斜而入射于物体的间接照明，如果在第一、第二识别标志112、114具有漫反射金属表面的性质时使用，则在成像摄影机420上观察第一、第二识别标志112、114时能够有效地识别第一、第二识别标志112、114。另一方面，第四照明350作为与成像摄影机420的光轴同轴地入射于物体的直接照明，如果在第一、第二识别标志112、114具有镜面反射金属表面的性质时使用，则在成像摄影机420上观察第一、第二识别标志112、114时能够有效地识别第一、第二识别标志112、114。

从第三照明340产生的光以相对较大的入射角入射到检查对象物120后，向检查对象物120的表面反射，并输入到成像部400中。另外，从第四照明350产生的光通过分束器360后变成与成像部400的光轴同轴的光，该光以狭窄的入射角入射到检查对象物120上，然后，从检查对象物120的表面反射，并输入到成像部400。第三照明340的入射角可以使用2～35度范围，第四照明350的入射角可以使用10度以内范围。在此，第三照明340的入射角适用5～20度范围，第四照明350的入射角适用5度以内的范围。

能够很好地对入射至上述的第一、第二识别标志112、114的光进行反射的第一、第二识别标志112、114根据其表面处理状态可以大体分为具有高漫反射性的种类和具有高镜面反射性的种类。第一、第二识别标志112、114使用比吸收光更具有反光特性的金属材质，该材质通过蚀刻方法加工，并根据被表面处理的金属材质的第一和第二识别标志112、114的表面粗度而具有不同的光反射性。

在表面粗糙度大的情况下，因为入射光在金属表面多次进行反射后，与入射光的方向无关地显示将反射光朝向多方向进行反射的特性，所以将其称为漫反射性的金属表面。在表面粗度微小的情况下，因为入射光在金属表面发生镜面反射，入射光与垂直于表面的法线以及该法线与反射光形成的角相同，显示入射光在表面上进行反射的性质，所以将其称为镜面反射性的金属表面。

如图6所示，成像部400在成像摄影机420的下侧设置有成像透镜410，在成像透镜410的下侧设置有第三滤光器402。在成像部400中，通过第三滤光器402的变形的图像通过成像透镜410后在成像摄影机420中被获得。第三滤光器402起到使从检查对象物120反射并输入至成像部400的光的光学特性变化的作用。在此，“光的光学特性变化”是指，对透过相应的滤光器的光的频率进行限制，或者使光通过，或者调节光的强度，或者限制光的偏振光方向，或者改变光的偏振光特性。而且，第三滤光器使用频率滤光器、色彩滤光器、偏振光滤光器、光强度调节滤光器中的任一种。

另一方面，作为成像部400的另一实施例，如图7所示，也可以以将成像透镜410和成像摄影机420相互移动的方式设置。成像透镜410和成像摄影机420分别设置在第一、第二成像部支撑部件412、422上，第一、第二成像部支撑部件412、422分别设置在第一、第二成像部LM导向件414、424上，在第一、第二成像部LM导向件414、424的各一侧上设置有第四、第三电动机450、440。分别设置有第四、第三电动机450、440的第一、第二成像部LM导向件414、424设置在成像部LM导轨430上。因此，能够通过第四电动机450和第三电动机440的动作将成像透镜410和成像摄影机420移动至规定位置上，因此能够起到成像部400的缩放功能。第三滤光器402优选使用上述的滤光器。

下面，利用图8和图9对全面控制本发明的三维形状测量装置的动作的多个控制部500、550、600、650的结构进行说明。

图8表示在本发明的三维形状测量装置中在成像部400上不使用第三电动机和第四电动机440、450，在光路变换器300上不使用第四照明350的情况下的多个控制部500、550、600、650的结构，图9所示的多个控制部500、550、600、650是在本发明的三维形状测量装置中在成像部400上使用第三电动机和第四电动机440、450，在光路变换器300上使用第四照明350的实施例。考虑这些点，如下说明多个控制部500、550、600、650的结构。

如图8和图9所示，多个控制部500、550、600、650大体包括第一、第二控制部500、600和第一、第二辅助控制部550、650。

第一辅助控制部550分别与投影部200和光路变换器300连接，以驱动投影部200的光栅移送操作装置250，选择性地打开/关闭光路变换器300的第一至第二照明210、212、340、350，第二辅助控制部650与XY台100连接，以驱动XY台100的第一、第二电动机130、140。第二辅助控制部650对在使用成像部移送装置的情况下分别对第一、第二成像部LM导向件414、424进行驱动的第三、第四电动机440、450进行控制，通过分别移送成像透镜410和成像摄影机420，以调整成像透镜410和成像摄影机420之间的间隔，或者调整缩放功能的倍率。另外，第二控制部600与第二辅助控制部650连接，以控制第二辅助控制部650，第一控制部500与第一辅助控制部550和第二控制部600连接，以分别控制第一辅助控制部550和第二控制部600。

下面，按顺序说明具有上述连接结构的多个控制部500、550、600、650的结构。

首先，第一控制部500为了全面对本发明的三维形状测量装置进行控制，包括图像获得卡280、串行通信装置520和第一中央控制装置530。

串行通信装置520为了与第一辅助控制部550进行串行通信而设置，给光栅移送及照明控制装置270输出第一主控制信号MAIN1_S，接收从光栅移送及照明控制装置270输出的位置信号POS_S而输出其信号。第一中央控制装置530接收从串行通信装置520输出的位置信号POS_S。

第一中央控制装置530在位置信号POS_S被接收时，利用该信号计算投影部200的光栅板234的移送位置，在照明的亮度和光栅移送间隔等被设定时，产生并输出第一主控制信号MAIN1_S，以分别选择性地对形成有分别包括在投影部200和光路变换器300上的第一、第二光栅230、232的光栅板234和第一至第三照明210、212、340进行控制，或者对第四照明350进行控制。而且，第一中央控制装置530产生并输出第二主控制信号MAIN2_S，以激活第一至第四电动机130、140、440、450中的至少两个电动机。

图像获得卡280与成像部400连接，接收从成像部400输出的图像，将其从模拟信号转换为数字信号而输出，产生用来选择性地将第一至第四照明210、212、340、350打开/关闭的照明启动信号EEN，在从光栅移送及照明控制装置270接收触发信号时，对成像部400进行控制，对图像进行拍摄，并将所拍摄的图像输出给第一中央控制装置530。第一中央控制装置530在从图像获得卡280中接收图像信号时，利用该图像信号计算衬底部件110和检查对象物120的相位，利用所计算出的相位计算检查对象物120的三维信息。

接收从第一控制部500输出的第一主控制信号MAIN1_S的第一辅助控制部550包括光栅移送驱动器252，和光栅移送及照明控制装置270。

光栅移送驱动器252接收移送控制信号MOVC_S，产生移送驱动信号MOVD_S，使投影部200的光栅移送操作装置250驱动，接收从反馈传感器256输出的位置信号POS_S，并将其输出。在接收从光栅移送驱动器252输出的位置信号POS_S时，光栅移送及照明控制装置270接收其信号，将其传送到串行通信装置520中。传送位置信号POS_S的光栅移送及照明控制装置270接收第一主控制信号MAIN1_S，产生移送控制信号MOVC_S，将其输出给光栅移送驱动器252。另外，光栅移送及照明控制装置270接收从图像获得卡280输出的照明启动信号EEN，选择性地打开/关闭投影部200的第一、第二照明210、212，或者选择性地打开/关闭光路变换器300的第三、第四照明340、350。在选择性地打开第一照明至第四照明210、212、340、350以使第一照明至第四照明210、212、340、350中任一照明打开时，产生触发信号，并将该信号输出给图像获得卡280，在图像获得卡280接收触发信号时，对成像部400的成像摄影机420的摄影的开始进行控制。

为了成像摄影机420对衬底部件110或检查对象物120进行测量，需要对XY台100进行驱动，为了驱动XY台100设置第二控制部600。第二控制部600与第一控制部500可利用串行或并行通信控制协议或TCP/IP(Transmission Control Protocol/Internet Protocol：传输控制协议/因特网协议)连接，其结构包括电动机控制装置610和第二中央控制装置630。

电动机控制装置610接收电动机旋转信息，给第二辅助控制部650的第一至第四电动机驱动器132、142、442、452产生并输出移送控制信号MOVC_S，且接收分别从第一至第四电动机驱动器132、142、442、452输出的位置信号POS_S，并将信号输出。从电动机控制装置610输出的位置信号POS_S被第二中央控制装置630接收，计算由第一、第二电动机130、140移送的XY台100的移送位置，或者计算由第三、第四电动机440、450移送的成像部400的成像摄影机420和成像透镜410的移送位置。另外，第二中央控制装置630接收从第一中央控制装置530输出的第二主控制信号MAIN2_S，产生并输出电动机旋转信号，以移送XY台100和成像部400的成像摄影机420及成像透镜410。

如图8所示，接收从电动机控制装置610输出的移送控制信号MOVC_S的第二辅助控制部650包括第一、第二电动机驱动器132、142。第一、第二电动机驱动器132、142分别接收移送控制信号MOVC_S，驱动XY台100的第一、第二电动机130、140，并接收从第一、第二电动机130、140输出的位置信号POS_S，即，接收输出给分别设置在第一、第二电动机130、140的编码器传感器(图中未示出)的位置信号POS_S，并将其信号输出给电动机控制装置610。

如图9所示，第二辅助控制部650的另一实施例包括第一至第四电动机驱动器132、142、442、452，第一、第二电动机驱动器132、142与图8所示的第二辅助控制部650的第一、第二电动机驱动器132、142起到相同的作用，第三、第四电动机驱动器442、452分别接收从第三、第四电动机440、450输出的位置信号POS_S，将信号输出给电动机控制装置610，且分别接收从电动机控制装置610输出的移送控制信号MOVC_S，使成像部400的第三、第四电动机440、450驱动，通过调整成像摄影机420和成像透镜410的位置，可起到能够调节成像摄影机420的倍率的缩放功能。

下面，对利用按照上述方式构成的本发明的三维形状测量装置的三维形状测量方法进行说明。

首先，将衬底部件110置于XY台100的检查区域I。在所述衬底部件110位于检查区域I时，通过光栅移送及照明控制装置270以事先设定的亮度、位置和角度打开第一照明210。在第一照明210被打开而从第一照明210产生光时，使产生的该光经过投影部200的第一光栅230、第一投影透镜260和光路变换器300的第一反射镜310、第三反射镜320和第一滤光器330，投影在衬底部件110上。

在光投影在衬底部件110上时，按照设定量移动光栅移送操作装置250，同时获得图像。在获得图像时，利用相移算法获得对于第一照明210的基准相位。在获得对于第一照明210的基准相位期间，打开第二照明212，按照上述方法通过投影部200的第二光栅232、第二投影透镜262和光路变换器300的第二反射镜312、第四反射镜322和第二滤光器332，获得对于第二照明212的基准相位。

在获得对于第一照明和第二照明的基准相位时，将检查对象物120置于衬底部件110上的规定部位上。在检查对象物120位于衬底部件110上时，通过光栅移送及照明控制装置270以设定的亮度打开第三照明340和第四照明350中的任一照明，检测第一识别标志112和第二识别标志114的位置，同时确认检查对象物120的位置，并限定检查区域，以测量检查对象物120。

在确认检查对象物120的位置时，利用第一电动机130和第二电动机140移动检查对象物120。在移动检查对象物120时，通过光栅移送及照明控制装置270以设定的亮度打开第一照明210，使产生的光经过投影部200的第一光栅230、第一投影透镜260和光路变换器300的第一反射镜310、第三反射镜320和第一滤光器330，投影在检查对象物120上。

在从第一照明210中产生的光投影在检查对象物120上时，通过光路变换器300的第三滤光器402和成像部400的成像摄影机420获得从检查对象物120反射的图像。在获得对于第一照明210的光栅图像时，利用所获得的图像测量检查对象物120的相位，然后，利用与基准相位之间的差来获得检查对象物120的三维信息。在获得对于第一照明210的检查对象物120的三维信息时，按照利用由第一照明210产生的光而获得图像的方法将由第二照明212产生的光通过第二光栅232、第二投影透镜262、第二反射镜312、第四反射镜322和第二滤光器332，以获得检查对象物120相对于第二照明212的三维信息。

在获得相对于第二照明212的检查对象物120的三维信息时，利用通过第一照明210获得的图像的各成像摄影机420的不同像素的灰度值的平均值，不需要其它照明地计算对于检查对象物的一张二维图像，利用灰色亮度值掌握影子位置和发亮的区域。将相当于对第一照明210的影子位置的部分替换为由第二照明212获得到的三维信息，利用由第二照明212补正的三维信息最终获得检查对象物120的三维信息。

在获得所述图像的步骤中，获得图像的时间根据成像摄影机420的图像获得速度而不同。因此，在获得图像时，成像摄影机420的曝光表(图中未示出)仅以预先在成像摄影机420中设定的时间曝光。另外，曝光的开始与触发信号同步动作。即，由于开始曝光的情况可通过触发信号知道，所以接收触发信号，避开设定的曝光时间，由光栅移送及照明控制装置270使光栅移送所需量。

另一方面，在通过第三滤光器402和成像部400的成像摄影机420获得图像时，利用从第一中央控制装置530输出的第一主控制信号MAIN1_S，使光栅移送操作装置250移动设定量，同时利用第四和第三电动机450、440调整光路变换器300的第三滤光器402和成像部400的成像透镜410及成像摄影机420，获得规定次数的图像。即，如图7所示，为了获得所需的图像，对成像透镜410和成像摄影机420的位置进行调整。

另外，在通过第三滤光器402和成像部400的成像摄影机420获得图像时，进一步包括在所获得的图像不合适的情况下，利用第三、第四电动机440、450对成像摄影机420或成像透镜410的位置进行调整，以调整当前倍率的步骤。通过进行这样的步骤，可调整当前倍率以获得令人满意的图像。

如上所述，本发明的三维形状测量装置具有如下优点：通过选择性地利用多个照明，同时利用多个滤光器，即使检查对象物的光学特性和几何模样变化多样，也可应对该变化测量三维形状。

Claims (25)

1.一种三维形状测量装置，其特征在于，包括：

XY台，设有第一和第二电动机并且安装有衬底部件，所述衬底部件形成有多个识别标志；

投影部，包括：发光的第一、第二照明；第一和第二投影透镜，设置在所述第一、第二照明一侧；光栅板，设置在所述第一、第二照明和所述第一和第二投影透镜之间，形成有第一和第二光栅；投影部移送装置，用来将所述光栅板朝向与从所述第一、第二照明产生的光的照射方向垂直的方向移动；

光路变换器，包括：第一至第四反射镜，设置在所述投影部的一侧，相互隔开一定的间隔；第一、第二滤光器，分别设置在所述第三、第四反射镜的下侧，对经过第一至第四反射镜的光的特性进行调节而进行光的透射；第三照明，设置在所述第一、第二滤光器之间，将光照射给检查对象物中；

成像部，包括：第三滤光器；成像透镜，设置在所述第三滤光器的上侧，用来对经过所述第三滤光器的光进行成像；成像摄影机，设置在成像透镜的上侧，用来对透过所述成像透镜的图像进行摄影。

2.根据权利要求1所述的三维形状测量装置，其特征在于，所述投影部移送装置包括：

投影部LM导向件，设置在所述光栅板一侧；

投影部LM导轨，其中安装有所述投影部LM导向件；

光栅移送操作装置，设置在所述投影部LM导向件上，对投影部LM导向件进行驱动。

3.根据权利要求2所述的三维形状测量装置，其特征在于，在所述光栅移送操作装置中设置有检测所述光栅板的移送位置的反馈传感器。

4.根据权利要求1所述的三维形状测量装置，其特征在于，在所述光路变换器的第一至第四反射镜中，所述第一、第二反射镜朝向水平方向倾斜设置，所述第三、第四反射镜分别设置在所述第一、第二反射镜的外侧，且朝向垂直方向倾斜设置。

5.根据权利要求4所述的三维形状测量装置，其特征在于，所述光路变换器在所述第一反射镜和第二反射镜之间设置有分束器，且进一步包括设置在所述分束器一侧且用来将光照射检查对象物的第四照明。

6.根据权利要求1所述的三维形状测量装置，其特征在于，所述光路变换器的第一、第二滤光器和所述成像部的第三滤光器分别为频率滤光器、色彩滤光器、偏振光滤光器、光强度调节滤光器中的任一种。

7.根据权利要求5所述的三维形状测量装置，其特征在于，所述光路变换器的所述第三照明具有2～35度的入射角范围，且在第一、第二识别标志具有漫反射金属表面性质时使用，在所述光路变换器的第一反射镜和第二反射镜之间设置且设置在光束分离器一侧用来给检查对象物照射光的第四照明具有10度以内的入射角范围，且在第一、第二识别标志具有镜面反射金属表面性质时使用。

8.根据权利要求1所述的三维形状测量装置，其特征在于，所述成像部进一步包括成像部移送装置，以将成像透镜和成像摄影机朝向垂直方向移动。

9.根据权利要求8所述的三维形状测量装置，其特征在于，所述成像部移送装置包括：

第一成像部支撑部件，其中设置有成像透镜；

第一成像部LM导向件，其中设置有所述第一成像部支撑部件；

第四电动机，设置于所述第一成像部LM导向件；

第二成像部支撑部件，其中设置有成像摄影机；

第二成像部LM导向件，其中设置有所述第二成像部支撑部件；

第三电动机，设置于所述第二成像部LM导向件；

成像部LM导轨，其中分别安装所述第一、第二成像部LM导向件，所述第四电动机使所述第一成像部LM导向件沿着所述成像部LM导轨移动，所述第三电动机使所述第二成像部LM导向件沿着所述成像部LM导轨移动。

10.根据权利要求1所述的三维形状测量装置，其特征在于，所述投影部移送装置包括光栅移送操作装置，在所述投影部和所述光路变换器连接有第一辅助控制部，分别选择性地对第一至第三照明打开/关闭以控制投影部的光栅移送操作装置，在所述XY台上连接有驱动第一、第二电动机的第二辅助控制部，所述第二辅助控制部与第二控制部连接，所述第一辅助控制部和所述第二控制部分别与第一控制部连接。

11.根据权利要求10所述的三维形状测量装置，其特征在于，所述第一辅助控制部包括：

光栅移送驱动器，接收移送控制信号，产生移送驱动信号，驱动投影部的光栅移送操作装置，且接收从光栅移送操作装置设置的反馈传感器输出的位置信号，输出所述位置信号；

光栅移送及照明控制装置，接收来自第一控制部的第一主控制信号，产生所述移送控制信号，将所述移送控制信号输出给所述光栅移送驱动器，且接收并输出所述位置信号，并且接收照明启动信号，以选择性地打开/关闭投影部的第一、第二照明，或者选择性地打开/关闭光路变换器的第三照明，在打开第一照明至第三照明的任一照明时，产生并输出触发信号。

12.根据权利要求11所述的三维形状测量装置，其特征在于，所述第二辅助控制部包括第一、第二电动机驱动器，所述第一、第二电动机驱动器接收移送控制信号，以驱动XY台的第一、第二电动机，并接收从第一、第二电动机输出的位置信号，输出其信号。

13.根据权利要求12所述的三维形状测量装置，其特征在于，所述成像部还包括第一、第二成像部移送装置，所述第二辅助控制部还包括第三、第四电动机驱动器，所述第三、第四电动机驱动器接收移送控制信号，以驱动设置在第一、第二成像部移送装置上的第三、第四电动机，并接收和输出从第三、第四电动机输出的位置信号。

14.根据权利要求13所述的三维形状测量装置，其特征在于，所述第二控制部包括：

电动机控制装置，接收电动机旋转信息，给所述第一至第四电动机驱动器产生并输出移送控制信号，且接收从第二辅助控制部的第一至第四电动机驱动器输出的位置信号，并输出其信号；

第二中央控制装置，接收来自所述第一控制部的第二主控制信号，产生并输出所述电动机旋转信息，且接收从所述电动机控制装置输出的位置信号，计算由第一、第二电动机移送的XY台的移送位置，或者计算由第三、第四电动机移送的成像部的成像摄影机和成像透镜的移送位置。

15.根据权利要求13所述的三维形状测量装置，其特征在于，所述第一控制部包括：

串行通信装置，给所述光栅移送及照明控制装置输出第一主控制信号，接收从光栅移送及照明控制装置输出的位置信号，并输出其信号；

图像获得卡，与成像部连接，接收从成像部输出的图像，将其从模拟信号转换为数字信号而输出，产生用来选择性地将第一至第四照明打开/关闭的照明启动信号，在从光栅移送及照明控制装置接收触发信号时，对成像部进行控制，对图像进行拍摄，并输出所拍摄的图像；

第一中央控制装置，产生并输出用来移送光栅板的第一主控制信号，且接收从所述串行通信装置接收的位置信号，计算投影部的光栅板的移送位置，以产生并输出第二主控制信号，以激活第一至第四电动机中的至少两个电动机。

16.一种三维形状测量装置，其特征在于，包括：

XY台，其中安装有衬底部件，所述衬底部件形成有多个识别标志的通过第一、第二电动机能够朝向XY方向移动；

投影部，包括：发光的第一、第二照明；第一、第二聚光透镜，设置在所述第一、第二照明一侧；第一、第二投影透镜，设置在所述第一、第二聚光透镜一侧；光栅板，设置在所述第一、第二照明和所述第一、第二投影透镜之间，形成第一、第二光栅；投影部移送装置，用来将所述光栅板朝向与从所述第一、第二照明产生的光的照射方向垂直的方向移动；

光路变换器，包括：第一至第四反射镜，位于所述投影部的投影透镜的前面，相互隔开一定的间隔；第一、第二滤光器，分别设置在所述第三、第四反射镜的下侧，对经过所述第一至第四反射镜的光的特性进行调节而透射其光；第三照明，设置在所述第一、第二滤光器之间，将光照射至检查对象物；第四照明，设置在光束分离器的一侧，将光照射至检查对象物，在所述第一、第二反射镜之间设置有所述光束分离器；

成像部，包括：第三滤光器；成像透镜，设置在所述第三滤光器的上侧，用来对经过所述第三滤光器的光进行成像；成像摄影机，设置在所述成像透镜的上侧，用来对透过所述成像透镜的图像进行摄像；成像部移送装置，分别设置在所述成像透镜和所述成像摄影机的一侧，移送所述成像透镜和所述成像摄影机，

所述投影部和所述光路变换器与第一辅助控制部连接，所述第一辅助控制部分别选择性地对第一至第四照明打开/关闭，以控制投影部移送装置，所述XY台与驱动第一、第二电动机的第二辅助控制部连接，所述第二辅助控制部与第二控制部连接，所述第一辅助控制部和所述第二控制部分别与第一控制部连接。

17.根据权利要求16所述的三维形状测量装置，其特征在于，所述投影部移送装置包括：

投影部LM导向件，设置在所述光栅板一侧；

投影部LM导轨，其中安装所述投影部LM导向件；

光栅移送操作装置，设置在所述投影部LM导向件上，对投影部LM导向件进行驱动。

18.根据权利要求16所述的三维形状测量装置，其特征在于，所述成像部移送装置包括：

第一成像部支撑部件，其中设置有成像透镜；

第一成像部LM导向件，其中设置有所述第一成像部支撑部件；

第四电动机，设置于所述第一成像部LM导向件；

第二成像部支撑部件，其中设置有成像摄影机；

第二成像部LM导向件，其中设置有所述第二成像部支撑部件；

第三电动机，设置于所述第二成像部LM导向件；

成像部LM导轨，其中分别安装所述第一、第二成像部LM导向件，

所述第四电动机使所述第一成像部LM导向件沿着所述成像部LM导轨移动，所述第三电动机使所述第二成像部LM导向件沿着所述成像部LM导轨移动。

19.根据权利要求17所述的三维形状测量装置，其特征在于，所述第一辅助控制部包括：

光栅移送驱动器，接收移送控制信号，产生移送驱动信号，驱动所述光栅移送操作装置，且接收从光栅移送操作装置设置的反馈传感器输出的位置信号，并输出所述位置信号；

光栅移送及照明控制装置，接收来自所述第一控制部的第一主控制信号，产生所述移送控制信号，将所述移送控制信号输出给所述光栅移送驱动器，且接收并输出所述位置信号，并接收照明启动信号，以选择性地打开/关闭投影部的第一、第二照明，或者选择性地打开/关闭光路变换器的第三、第四照明，在打开第一照明至第四照明的任一照明时，产生并输出触发信号。

20.根据权利要求19所述的三维形状测量装置，其特征在于，所述第二辅助控制部包括第一、第二电动机驱动器，所述第一、第二电动机驱动器接收移送控制信号，以驱动XY台的第一、第二电动机，并接收和输出从第一、第二电动机输出的位置信号。

21.根据权利要求20所述的三维形状测量装置，其特征在于，所述成像部还包括第一、第二成像部移送装置，所述第二辅助控制部包括第三、第四电动机驱动器，所述第三、第四电动机驱动器接收移送控制信号，以驱动设置在成像部的第一、第二成像部移送装置上的第三、第四电动机，并接收和输出从第三、第四电动机输出的位置信号。

22.根据权利要求21所述的三维形状测量装置，其特征在于，所述第二控制部包括：

电动机控制装置，接收电动机旋转信息，给所述第一至第四电动机驱动器产生并输出移送控制信号，且接收并输出从第二辅助控制部的第一至第四电动机驱动器输出的位置信号；

第二中央控制装置，接收来自所述第一控制部的第二主控制信号，产生并输出所述电动机旋转信息，且接收从所述电动机控制装置输出的位置信号，计算由第一、第二电动机移送的XY台的移送位置，以及计算由第三、第四电动机移送的成像部的成像摄影机和成像透镜的移送位置。

23.根据权利要求21所述的三维形状测量装置，其特征在于，所述第一控制部包括：

串行通信装置，给所述光栅移送及照明控制装置输出第一主控制信号，接收从光栅移送及照明控制装置输出的位置信号；

图像获得卡，与成像部连接，接收从成像部输出的图像，将其从模拟信号转换为数字信号而输出，产生用来选择性地将第一至第四照明打开/关闭的照明启动信号，在从光栅移送及照明控制装置接收触发信号时，对成像部进行控制，拍摄并输出图像；

第一中央控制装置，产生并输出用来移送光栅板的第一主控制信号，且接收从所述串行通信装置接收的位置信号，计算投影部的光栅板的移送位置，以产生并输出第二主控制信号，激活第一至第四电动机中的至少两个电动机。

24.一种三维形状测量方法，包括下述步骤：

将衬底部件置于XY台的检查区域；

在所述衬底部件位于检查区域时，通过光栅移送及照明控制装置以事先设定的亮度、位置和角度打开第一照明；

在所述第一照明被打开而从第一照明产生光时，使产生的光经过投影部的第一光栅、第一投影透镜和光路变换器的第一反射镜、第三反射镜和第一滤光器，投影在衬底部件上；

在光投影在所述衬底部件上时，按照设定量移动光栅移送操作装置，同时获得图像；

在按照设定量移动光栅移送操作装置获得所述图像时，利用相移算法获得对于第一照明的基准相位；

在获得对于所述第一照明的基准相位期间，打开第二照明，按照上述方法通过所述投影部的第二光栅、第二投影透镜和光路变换器的第二反射镜、第四反射镜和第二滤光器，获得对于第二照明的基准相位；

在获得对于所述第一、第二照明的基准相位时，将检查对象物置于衬底部件上的规定部位上；

在所述检查对象物位于衬底部件上时，通过光栅移送及照明控制装置以设定的亮度打开第三照明和第四照明中的任一照明，检测第一识别标志和第二识别标志的位置，同时确认检查对象物的位置，并限定检查区域，以测量检查对象物；

在确认所述检查对象物的位置时，利用第一电动机和第二电动机移动检查对象物；

在移动所述检查对象物时，通过光栅移送及照明控制装置以设定的亮度打开第一照明，使产生的光经过投影部的第一光栅、第一投影透镜和光路变换器的第一反射镜、第三反射镜和第一滤光器，投影在检查对象物上；

在从所述第一照明中产生的光投影在所述检查对象物上时，通过光路变换器的第三滤光器和成像部的成像摄影机获得从检查对象物反射的图像；

在获得对于所述第一照明的光栅图像时，利用所述所获得的从检查对象物反射的图像测量检查对象物的相位，然后，利用与基准相位之间的差来获得检查对象物的三维信息；

在获得检查对象物相对于所述第一照明的三维信息时，按照利用由第一照明产生的光而获得图像的方法将由第二照明产生的光通过第二光栅、第二投影透镜、第二反射镜、第四反射镜和第二滤光器，以获得检查对象物相对于第二照明的三维信息；

在获得检查对象物相对于所述第二照明的三维信息时，利用通过第一照明获得的图像的各成像摄影机的不同像素的灰度值的平均值，不需要其它照明地计算对于检查对象物的一张二维图像，利用灰色亮度值掌握影子位置和发亮的区域；

将与相对于所述第一照明的影子位置相应的部分替换为由第二照明得到的三维信息，利用由第二照明修正的三维信息最终获得检查对象物的三维信息。

25.根据权利要求24所述的三维形状测量方法，其特征在于，在将所述光栅移送操作装置移动设定量的同时获得图像的步骤，和通过光路变换器的第三滤光器和成像部的成像摄影机获得从所述检查对象物反射的图像的步骤中，分别在所获得的图像不合适的情况下，对成像透镜或成像摄影机的位置进行调整来获得图像。

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