CN101726261A - 使用多波长测量三维形状的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用多波长测量三维形状的设备和方法。所述设备包括传送台、第一投影仪、第二投影仪、相机单元和控制单元。传送台将测量对象传送到测量位置。第一投影仪沿第一方向向测量对象照射具有第一相等波长的第一图案光。第二投影仪沿第二方向向测量对象照射具有与第一相等波长不同的第二相等波长的第二图案光。相机单元拍摄当测量对象反射第一图案光时产生的第一图案图像和当测量对象反射第二图案光时产生的第二图案图像。控制单元控制第一投影仪和第二投影仪，并通过第一图案图像和第二图案图像对测量对象的三维形状进行测量。

Description

使用多波长测量三维形状的设备和方法

技术领域

本发明的示例性实施例涉及一种使用多波长测量三维形状的设备和方法。更具体地讲，本发明的示例涉及一种使用多波长测量三维形状的设备和方法。

背景技术

在对测量对象的三维形状进行测量的方法中，存在一种使用莫尔图(Moire pattern)的投影的方法。根据使用莫尔图的投影的方法，使用当测量对象反射图案光时形成的图案图像来获得测量对象的三维形状。在使用图案图像对测量对象的三维形状进行测量的方法中，存在一种相移方法(phaseshifting method)。

根据相移方法，移动参考面来获得根据干涉信号的测量对象的多个图案图像，并考虑干涉信号的形式和测量点的高度来分析所述多个图案图像，以对测量对象的三维形状进行测量。然而，相移方法有2π模糊问题。

当两个相邻测量点之间的高度差大于多个相等波长时，发生2π模糊，从而测量对象的测量范围受光栅的间距的限制。

因此，当根据传统的相移方法对测量对象的三维形状进行测量时，由于2π模糊，光栅应该被改变以与测量对象相应。

发明内容

本发明的示例性实施例提供了一种测量三维形状的设备和方法，所述设备和方法能够通过使用多波长对测量对象的三维形状进行测量来增大测量对象的最大高度。

本发明的示例性实施例还提供了一种测量三维形状的设备和方法，所述设备和方法通过将具有彼此不同的相等波长的第一图案光和第二图案光照射在测量对象上能够增大测量对象的最大高度，获得测量对象的弯曲信息，并能去除阴影区域。

本发明的其他特征在下面的描述中阐述，从描述中部分是清楚的，或者可通过实施本发明被获知。

本发明的示例性实施例公开了一种测量三维形状的设备。所述设备包括传送台、第一投影仪、第二投影仪、相机单元和控制单元。传送台将测量对象传送到测量位置。第一投影仪沿第一方向向测量对象照射具有第一相等波长的第一图案光。第二投影仪沿第二方向向测量对象照射具有与第一相等波长不同的第二相等波长的第二图案光。相机单元拍摄当测量对象反射第一图案光时产生的第一图案图像和当测量对象反射第二图案光时产生的第二图案图像。控制单元控制第一投影仪和第二投影仪，并通过第一图案图像和第二图案图像对测量对象的三维形状进行测量。

本发明的示例性实施例公开了一种测量三维形状的方法，所述方法包括：在移动第一投影仪的第一光栅的同时，通过多个第一图案图像获得第一相位，其中，当测量对象反射具有第一相等波长的第一图案光时产生所述多个第一图案图像；在移动第二投影仪的第二光栅的同时，通过多个第二图案图像获得第二相位，其中，当测量对象反射具有与第一相等波长不同的第二相等波长的第二图案光时产生所述多个第二图案图像；使用第一相等波长和第二相等波长获得第三相位；以及使用第一相位、第二相位和第三相位来获得统一的高度信息。

根据本发明，所述设备和方法能够增大测量对象的最大高度，获得测量对象的弯曲信息，并能通过将具有彼此不同的相等波长的第一图案光和第二图案光照射到测量对象上来去除阴影区域。

应该明白，之前的大体描述和下面的详细描述是示例性和解释性的，意在提供对要求保护的发明的解释。

附图说明

包括了附图以提供对发明的进一步理解，附图合并在本说明书中，并构成说明书的一部分，附图示出了发明的实施例，并与说明书一起用于解释发明的原理。

图1是示出根据本发明示例性实施例的使用多波长测量三维形状的设备的示图。

图2是示出图1中的设备的平面图。

图3A是示出根据本发明的另一示例性实施例的使用多波长测量三维形状的设备的平面图。

图3B是示出根据本发明的再一示例性实施例的使用多波长测量三维形状的设备的平面图。

图4是示出根据本发明示例性实施例的使用多波长测量三维形状的方法的流程图。

图5A、图5B和图5C是示出根据本发明示例性实施例的使用多波长测量三维形状的方法的示图。

具体实施方式

以下，将参照附图更全面地描述发明，在附图中示出了本发明的实施例。然而，本发明可以以许多不同的形式被实施，不应该被解释为限于这里阐述的实施例。相反，提供这些示例性实施例以使本公开是彻底的，并将本发明的范围全面传达给本领域的技术人员。在附图中，为了清晰，可能放大层和区域的大小和相对大小。附图中的相同标号表示相同的元件。

应该理解，当元件或层被称作在另一元件或层“上”，或者被称作“连接到”另一元件或层时，该元件或层可以直接在另一元件或层上或直接连接到另一元件或层，或者也可以存在中间元件或中间层。相反，当元件被称作“直接”在另一元件“上”或“直接连接到”另一元件或层时，不存在中间元件或中间层。

图1是示出根据本发明示例性实施例的使用多波长测量三维形状的设备的示图，图2是示出图1中的设备的平面图。

参照图1和图2，根据本发明示例性实施例的使用多波长测量三维形状的设备包括传送台10、第一投影仪20、第二投影仪30、相机单元40和控制单元50。

传送台10包括：X/Y台11，支撑测量对象1；以及台传送器12，沿X/Y方向传送X/Y台11，以将测量对象1移动到测量位置。台传送器12根据控制单元50的台控制器52的控制沿X/Y方向移动测量对象1。

第一投影仪20位于传送台10的侧上方。第一投影仪20沿第一方向向测量对象1发出具有第一相等波长的第一图案光。第一投影仪20包括照明单元21、第一光栅单元22和聚光透镜23。

照明单元21包括用于发光的光源21a以及透镜21b和21c。第一光栅单元22从照明单元21接收光，以将光变换为具有第一相等波长的第一图案光。用于将来自照明单元21的光变换为第一图案光的第一光栅单元22可采用光栅平板模块22a和22b、液晶显示器以及数字镜之一。光栅平板模块22a和22b包括第一光栅22a和光栅传送器22b。第一光栅22a包括如图2所示的具有第一间距p1的多个第一图案20a，以将光变换为具有第一相等波长的第一图案光。可采用液晶显示器(未示出)代替光栅平板模块22a和22b。可选择地，包括具有反射面的微镜的数字镜(未示出)和用于向所述微镜照射光的光源单元可被采用。

光栅传送器22b连接到第一光栅22a，以将第一光栅22a传送第一距离。例如，当第一光栅22a的多个第一图案20a具有第一间距p1时，光栅传送器22b可将第一光栅22a传送第一间距p1的四分之一。如上所述，为了微小地传送第一光栅22a，可采用PZT(压电)致动器作为光栅传送器22b。聚光透镜23位于第一光栅单元22的下方。聚光透镜23沿第一方向朝向测量对象1会聚第一图案光。

第二投影仪30位于传送台10的侧上方，从而第二投影仪30与第一投影仪20相对。第二投影仪30沿第二方向向测量对象1发出具有与第一相等波长不同的第二相等波长的第二图案光。第二投影仪30包括照明单元31、第二光栅单元32和聚光透镜33。

照明单元31包括用于发光的光源31a以及透镜31b和31c。光源31a与第一投影仪20的光源21a可以相同。例如，当第一投影仪20的光源21a使用发白光的光源时，第二投影仪30的光源31a也使用发白光的光源。第二光栅单元32从照明单元31接收光，以将光变换为具有第二相等波长的第二图案光。将来自照明单元31的光变换为第二图案光的第二光栅单元32包括第二光栅32a和光栅传送器32b。

第二光栅32a包括具有如图2所示的第二间距p2的多个第二图案30a，以将光变换为具有第二相等波长的第二图案光。光栅传送器32b连接到第二光栅32a，以将第二光栅32a传送第二距离。例如，当第二光栅32a的多个第二图案30a具有第二间距p2时，光栅传送器32b可将第二光栅32a传送第二间距p2的四分之一。如上所述，为了微小地传送第二光栅32a，可采用PZT(压电)致动器作为光栅传送器32b。聚光透镜33位于第二光栅单元32的下方。聚光透镜33沿第二方向朝向测量对象1会聚第二图案光。

相机单元40位于传送台10的上方，以顺序地拍摄当测量对象1反射第一图案光时产生的第一图案图像以及当测量对象1反射第二图案光时产生的第二图案图像。拍摄第一图案图像和第二图案图像的相机单元40包括滤波器41、成像透镜42和相机43。

滤波器41对测量对象1反射的第一图案图像和第二图案图像进行滤波。例如，可采用频率滤波器、滤色器、亮度调整滤波器等作为滤波器41。成像透镜42位于滤波器41的上方，以接收由滤波器41滤波的第一图案图像和第二图案图像，并形成图像。相机43位于成像透镜42的上方，以拍摄由成像透镜42形成的第一图案图像和第二图案图像。例如，可采用CCD相机或CMOS相机作为相机43。相机单元40还可包括用于二维检查的二维检查照明单元44。二维检查照明单元44可包括多个发光二极管或环形灯。二维检查照明单元44可用于二维摄影或特定形状的摄影。

控制单元50分别控制第一投影仪20和第二投影仪30，以使第一图案光沿第一方向照射到测量对象1上，或第二图案光沿第二方向照射到测量对象1上，控制单元50接收由相机单元40拍摄的、与第一图案光相应的第一图案图像，或与第二图案光相应的第二图案图像，以对测量对象1的三维形状进行测量。

控制单元50包括主控制器51、台控制器52、光栅控制器53、照明单元控制器54和图像获得部分55，以控制使用多波长测量三维形状的设备。

主控制器51控制台控制器52、光栅控制器53、照明单元控制器54和图像获得部分55对测量对象1的三维形状进行测量，台控制器52控制传送台10。光栅控制器53控制第一投影仪20的光栅传送器22b，以将第一光栅22a移动第一距离，或者光栅控制器53控制第二投影仪30的光栅传送器32b，以将第二光栅32a移动第二距离。照明单元控制器54控制第一投影仪20的照明单元21以开启/关闭照明单元21，或者照明单元控制器54控制第二投影仪30的照明单元31以开启/关闭照明单元31。图像获得部分55处理由相机单元40拍摄的第一图案图像或第二图案图像，以将处理后的第一图案图像或处理后的第二图案图像发送到主控制器51。

以下，将参照图3A和图3B解释根据另一示例性实施例的使用多波长测量三维形状的设备。

图3A是示出根据本发明的另一示例性实施例的使用多波长测量三维形状的设备的平面图，图3B是示出根据本发明的再一示例性实施例的使用多波长测量三维形状的设备的平面图。

参照图3A和图3B，根据本发明的另一示例性实施例的使用多波长测量三维形状的设备和再一示例性实施例的使用多波长测量三维形状的设备分别包括传送台10、多个第一投影仪20、多个第二投影仪30、相机单元40和控制单元50。

传送台10将测量对象传送到测量位置。所述多个第一投影仪20位于传送台10的侧上方，并将具有第一相等波长的第一图案光照射在测量对象1上。所述多个第一投影仪20彼此相邻。所述多个第二投影仪30位于传送台10的侧上方，以使所述多个第二投影仪30与所述多个第一投影仪20相对，并将具有与第一相等波长不同的第二相等波长的第二图案光照射在测量对象1上。所述多个第二投影仪30彼此相邻，并与所述多个第一投影仪20相对。例如，如图3A和图3B所示，当所述多个第一投影仪20中的一个投影仪沿第一方向将第一图案光照射在测量对象1上，所述多个第二投影仪30中的与多个第一投影仪20中的所述一个投影仪相对的一个投影仪沿第二方向将第二图案光照射在测量对象1上。

相机单元40位于传送台10的上方，以顺序地拍摄当测量对象1反射第一图案光时产生的第一图案图像和当测量对象1反射第二图案光时产生的第二图案图像。控制单元50控制所述多个第一投影仪20，以使第一图案光照射在测量对象1上，并且控制单元50接收由相机单元40拍摄的与所述第一图案光相应的多个第一图案图像，以对测量对象1的三维形状进行测量；或者控制单元50控制所述多个第二投影仪30，以使第二图案光照射在测量对象1上，并且控制单元50接收由相机单元40拍摄的与所述第二图案光相应的多个第二图案图像，以对测量对象1的三维形状进行测量。

以下，将参照附图解释根据本发明示例性实施例的使用多波长测量三维形状的方法。

图4是示出根据本发明示例性实施例的使用多波长测量三维形状的方法的流程图。

参照图4，在根据本发明示例性实施例的使用多波长测量三维形状的方法中，当第一投影仪20的数量和第二投影仪30的数量均是一个时(如图2所示)，选择第一投影仪20或第二投影仪30。然而，当第一投影仪20的数量和第二投影仪30的数量均是多个时(如图3A和图3B所示)，选择多个第一投影仪20中的一个或多个第二投影仪30中的一个(步骤S10)。

当选择了第一投影仪20时，沿第一方向将具有第一相等波长的第一图案光照射在测量对象1上，逐步移动第一投影仪20的第一光栅，并获得多个第一图案图像，以使用N桶算法(N-bucket algorithm)通过所述多个第一图案图像获得第一相位(步骤S20)。

为了获得第一相位，可顺序地开启所述多个第一投影仪20(步骤S21)。然后，获得多个第一图案图像(S22)，当沿第一方向将具有第一相等波长的第一图案光照射在测量对象1上、移动所述多个第一投影仪20中的开启的投影仪的第一光栅时，形成所述多个第一图案图像。当获得多个第一图案图像时，使用N桶算法通过所述多个第一图案图像来获得第一相位(步骤S23)。

当获得了第一相位时，沿第二方向将具有与第一相等波长不同的第二相等波长的第二图案光照射在测量对象1上，逐步移动第二投影仪30的第二光栅，并获得多个第二图案图像，以使用N桶算法通过所述多个第二图案图像获得第二相位(步骤S30)。

为了获得第二相位，可顺序地开启所述多个第二投影仪30(步骤S31)。然后，获得多个第二图案图像(S32)，当沿第二方向将具有第二相等波长的第二图案光照射在测量对象1上、移动所述多个第二投影仪30中的开启的一个投影仪的第二光栅时，形成所述多个第二图案图像。当获得多个第二图案图像时，使用N桶算法通过所述多个第二图案图像来获得第二相位(步骤S33)。

当获得了第一相位和第二相位时，根据第一相等波长和第二相等波长的成拍(beat)来获得第三相位(步骤S40)。在获得第三相位的步骤中，使用表达式

其中，

是第三相位，

是第一相位，

是第二相位，h(x，y)是测量点的高度，λ12是成拍的相等波长。当第一相等波长是578μm并且第二相等波长是713μm时，通过使用上面的表达式获得成拍的相等波长λ12为3321μm。

当获得了第三相位时，使用第三相位获得第一相位的第一度数和第二相位的第二度数(步骤S50)。这里，当第一度数是M并且第二度数是N时(如图5A和图5B所示)，使用表达式

获得第一度数M，使用表达式

获得第二度数N，这里，λ1是第一图案光的第一相等波长，h1是与λ1相应的测量点的高度，λ2是第二图案光的第二相等波长，h2是与λ2相应的测量点的高度。

然后，使用第一度数和第二度数以及第一相位和第二相位来获得第一高度信息和第二高度信息(步骤S60)。如上所述，通过在获得了第一度数和第二度数之后通过第一相位和第二相位获得第一高度信息和第二高度信息，去除了2π模糊，以增大测量对象的能够被测量的最大高度。这里，使用表达式

来获得最大高度。即，当如图5A和图5B所示获得了成拍的相等波长λ12的第P＝0的度数中的第一相等波长的第一度数M＝-2、-1、0、1、2，以及成拍的相等波长λ12的第P＝0度数中的第二相等波长的第二度数N＝-1、0、1时，去除了根据每一度数的2π模糊。

当获得了第一高度信息和第二高度信息时，使用第一度数和第二度数以及第一高度信息和第二高度信息来对测量对象1的三维形状进行测量(步骤S70)。为了对测量对象1的三维形状进行测量，在使用第一度数和第二度数以及第一高度信息和第二高度信息去除了图5B中的阴影区域1c和噪声之后，获得统一的高度信息(步骤S71)。

当获得了统一的高度信息时，使用所述统一的高度信息获得测量对象1的参考面的高度信息，并使用参考面的高度信息获得测量对象1的弯曲信息(步骤S72)。即，通过使用成拍的相等波长λ12，能够被测量的最大高度变大，从而即使如图5C中的虚线所示测量对象1被凹陷地弯曲或凸出地弯曲，由于测量对象在+λ12/2至-λ12/2的范围内，所以也可对测量对象1的高度进行测量。因此，可获得测量对象1的整体弯曲信息。以上，测量对象1是如图5A和图5B所示的用于对测量对象1测量高度的目标部分1b和基底1a，参考面被设置为基底1a的底面。

如上所述，当获得了参考面的弯曲信息和高度信息时，使用参考面的弯曲信息和高度信息来获得测量对象1的高度信息(步骤S73)。因此，对测量对象1的三维形状进行了测量。

可将使用多波长测量三维形状的设备和方法应用于测量印刷电路板、焊球或电子元件等的三维形状。

本领域的技术人员将明白，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可对本发明进行各种修改和改变。因此，本发明意在覆盖落入权利要求及其等同物的范围内的提供的对本发明的修改和改变。

Claims (21)

1.一种测量三维形状的设备，所述设备包括：

传送台，将测量对象传送到测量位置；

第一投影仪，沿第一方向向测量对象照射具有第一相等波长的第一图案光；

第二投影仪，沿第二方向向测量对象照射具有与第一相等波长不同的第二相等波长的第二图案光；

相机单元，拍摄当测量对象反射第一图案光时产生的第一图案图像和当测量对象反射第二图案光时产生的第二图案图像；和

控制单元，控制第一投影仪和第二投影仪，并通过第一图案图像和第二图案图像对测量对象的三维形状进行测量。

2.如权利要求1所述的设备，其中，第一投影仪包括：

照明单元，发光；和

第一光栅单元，将光变换为具有第一相等波长的第一图案光，第一光栅单元包括第一光栅和光栅传送器，所述第一光栅包括具有第一间距的多个第一图案，以将光变换为具有第一相等波长的第一图案光，所述光栅传送器连接到第一光栅，以将第一光栅传送第一距离。

3.如权利要求2所述的设备，其中，第一投影仪还包括用于会聚第一图案光的聚光透镜。

4.如权利要求2所述的设备，其中，第一光栅单元包括光栅平板模块、液晶显示器以及数字镜之一。

5.如权利要求1所述的设备，其中，第二投影仪包括：

照明单元，发光；和

第二光栅单元，将光变换为具有第二相等波长的第二图案光，第二光栅单元包括第二光栅和光栅传送器，所述第二光栅包括具有第二间距的多个第二图案，以将光变换为具有第二相等波长的第二图案光，所述光栅传送器连接到第二光栅，以将第二光栅传送第二距离。

6.如权利要求5所述的设备，其中，第二投影仪还包括用于会聚第二图案光的聚光透镜。

7.如权利要求5所述的设备，其中，第二光栅单元包括光栅平板模块、液晶显示器以及数字镜之一。

8.如权利要求1所述的设备，其中，相机单元包括：

成像透镜，接收第一图案图像或第二图案图像，以形成图像；和

相机，接收由成像透镜形成的图像，其中，相机是CCD相机或CMOS相机。

9.如权利要求1所述的设备，其中，相机单元还包括用于测量对象的二维检查的二维检查照明单元，所述二维检查照明单元包括多个发光二极管或环形灯。

10.一种测量三维形状的设备，所述设备包括：

传送台，将测量对象传送到测量位置；

多个第一投影仪，分别向测量对象照射具有第一相等波长的第一图案光；

多个第二投影仪，分别向测量对象照射具有与第一相等波长不同的第二相等波长的第二图案光；

相机单元，拍摄当测量对象反射第一图案光时产生的第一图案图像和当测量对象反射第二图案光时产生的第二图案图像；和

控制单元，单独地控制所述多个第一投影仪和所述多个第二投影仪，以向测量对象照射多个第一图案光和多个第二图案光，并从相机单元接收第一图案图像和第二图案图像，以对测量对象的三维形状进行测量。

11.如权利要求10所述的设备，其中，所述多个第一投影仪彼此相邻。

12.如权利要求10所述的设备，其中，所述多个第一投影仪与所述多个第二投影仪相对。

13.一种测量三维形状的方法，所述方法包括：

在移动第一投影仪的第一光栅的同时，通过多个第一图案图像获得第一相位，其中，当测量对象反射具有第一相等波长的第一图案光时产生所述多个第一图案图像；

在移动第二投影仪的第二光栅的同时，通过多个第二图案图像获得第二相位，其中，当测量对象反射具有与第一相等波长不同的第二相等波长的第二图案光时产生所述多个第二图案图像；

使用第一相等波长和第二相等波长获得第三相位；以及

使用第一相位、第二相位和第三相位来获得统一的高度信息。

14.如权利要求13所述的方法，其中，通过第一相位和第二相位之间的相对差来获得第三相位。

15.如权利要求14所述的方法，还包括：通过使用第三相位获得第一相位的第一度数和第二相位的第二度数。

16.如权利要求15所述的方法，还包括：通过使用第一相位的第一度数和第二相位的第二度数来获得第一高度信息和第二高度信息。

17.如权利要求16所述的方法，其中，在通过使用第一度数和第二度数以及第一高度信息和第二高度信息去除了阴影区域或噪声之后，执行获得统一的高度信息的步骤。

18.如权利要求13所述的方法，其中，获得第一相位的步骤包括：

开启第一投影仪；

在移动第一投影仪的第一光栅的同时，获得多个第一图案图像，其中，当测量对象反射具有第一相等波长的第一图案光时产生所述多个第一图案图像；以及

通过利用所述多个第一图案图像使用N桶算法获得第一相位。

19.如权利要求13所述的方法，其中，获得第二相位的步骤包括：

开启第二投影仪；

在移动第二投影仪的第二光栅的同时，获得多个第二图案图像，其中，当测量对象反射具有第二相等波长的第二图案光时产生所述多个第二图案图像；以及

通过利用所述多个第二图案图像使用N桶算法获得第二相位。

20.如权利要求13所述的方法，还包括：

通过使用统一的高度信息获得测量对象的参考面的高度信息；以及

通过使用测量对象的参考面的高度信息来获得测量对象的弯曲信息。

21.如权利要求20所述的方法，还包括：通过使用参考面的弯曲信息和高度信息来获得测量对象的高度信息。

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