CN101960253B

CN101960253B - 三维形状测量装置及测量方法

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Publication number: CN101960253B
Application number: CN200980107016XA
Authority: CN
Inventors: 李承埈; 高光一; 全文荣; 尹相圭; 金弘珉; 许浈
Original assignee: Koh Young Technology Inc
Current assignee: Gaoying Technology Co ltd
Priority date: 2008-02-26
Filing date: 2009-02-25
Publication date: 2013-05-01
Anticipated expiration: 2029-02-25
Also published as: US20140354804A1; US20210207954A1; CN101960253A; CN103134446B; US20190293413A1; WO2009107981A2; US10359276B2; US20200141721A1; US9243900B2; US8854610B2; CN103134446A; US20110050893A1; US20170038197A1; US9488472B2; US20140354805A1; US10996050B2; WO2009107981A3; US10563978B2

Abstract

本发明公开一种可以提高测量精度的三维形状测量装置及测量方法。三维形状测量装置包含平台、至少一个照明部、多个摄像部以及控制部。平台支撑测量对象。照明部包含光源及光栅，以朝测量对象照射光栅图案光。摄像部在不同方向拍摄被测量对象反射的光栅图像。控制部使用摄像部拍摄的光栅图像，计算测量对象的三维形状。如此，通过主摄像部以及辅助摄像部拍摄光栅图像，可以更加迅速、精确地测定测量对象的三维形状。

Description

三维形状测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种三维形状测量装置及测量方法，尤其涉及一种能够提高测量对象的三维形状测量精度的三维形状测量装置及测量方法。

背景技术

通常，三维形状测量装置是朝测量对象照射光栅图案光，并从所述测量对象接收反射的光栅图像进行分析，以测定测量对象的三维形状的装置。

以往的三维形状测量装置包含用于朝测量对象照射光栅图案光的一个投影部和用于拍摄被测量对象反射的光栅图像的一个成像部。

如此，为了测定测量对象的三维形状，只在一侧照射光栅图案光时，因测量对象呈突出形状，光栅图像无法到达另一侧，产生光栅图像无法到达的影子区域而无法完全掌握测量对象的三维形状。为了改善此问题，旋转所述投影部将其移动到另一侧之后，再次照射光栅图案光来测定测量对象的三维形状，但是此方式存在测量时间较长的缺陷。

而且，使用一个成像部拍摄光栅图像时，因测量对象的镜面反射而无法准确获取镜面反射面的图像。为改善此问题，常使用通过滤光器或者光量的调节，减少镜面反射面的镜面反射度而获取图像的方法，但是此时镜面反射度高的立体面的光栅图像清晰，而周边区域的光栅图像不够清晰，以致发生测量精度降低的问题。

发明内容

技术问题

因此，本发明针对上述问题，提供一种三维形状测量装置及测量方法，提高测量对象的三维形状测量作业的生产率，并提高测量精度。

技术方案

根据本发明的一特征的三维形状测量装置包含：投影部，产生并照射光栅图案光；X-Y轴移动工作台，设置于所述投影部的下侧，移动测量对象；光束分离部，设置于所述投影部和所述X-Y轴移动工作台之间，分离被测量对象反射的光栅图像并使其透过；多个反射镜，在所述光束分离部的下侧，沿着圆周方向相隔设置，用于反射照射到所述反射镜的被测量对象反射的光栅图像；多个成像部，分别设置于所述光束分离部和所述多个反射镜的一侧，用以拍摄透过光束分离部的光栅图像和被多个反射镜反射的光栅图像。

根据本发明的一特征的三维形状测量方法，包括如下步骤：利用X-Y轴移动工作台将测量对象移动到测量位置；测量对象被移动至测量位置后，由光栅移动单元对光栅元件进行栅距(pitch)移动；对光栅元件进行栅距移动后，打开投影部的光源，朝测量对象照射光栅图案光；朝测量对象照射光栅图案光时，多个成像部拍摄通过多个反射镜而入射的被测量对象反射的光栅图像；多个成像部拍摄光栅图像后，关闭投影部的光源；关闭投影部的光源后，控制部确认光栅元件是否是第N+1次栅距移动；若光栅元件是第N+1次栅距移动，则打开第一圆型照明部或者第二圆型照明部后，由多个成像部拍摄测量对象；多个成像部拍摄测量对象之后，确认测量对象的测量是否结束；若测量对象的测量结束，则控制部使用打开第一圆型照明部或者第二圆型照明部后拍摄测量对象而获取的测量对象的图像和由多个成像部拍摄的光栅图像，计算测量对象的三维形状。

根据本发明的另一特征的三维形状测量装置，包含测量基底、工作平台、多个投影部、成像部及控制部。所述工作平台固定测量基底。所述多个投影部中的每个投影部包括光源、透射所述光源照射的光的光栅部以及将所述光栅部的光栅图案光成像于所述测量基底内的测量对象的投影透镜部，并分别从不同方向朝所述测量对象照射光。所述成像部接收被所述测量对象反射的所述光栅图案光。所述控制部根据所述测量对象的形状，选择打开/关闭所述多个投影部中的两个以上。这种三维形状测量装置利用所述成像部根据所述选择打开的两个以上的投影部而接收的光栅图像光，测量所述测量对象的三维形状。

根据本发明的另一特征的三维形状测量装置，包含工作平台、多个投影部、致动器、成像部以及控制部。所述工作平台固定支撑测量对象的测量基底。所述多个投影部每个包含光源和透射所述光源照射的光的光栅元件以及投影透镜部，其中投影透镜部将所述光栅元件的光栅图案光成像于所述测量基底内的测量对象，且为了在互不相同的方向对所述测量对象进行光栅图像照射，在多边形的各顶点处排列投影透镜部，且从所述光源照射的光的前进方向与所述测量基底的法线形成预定的角度。

根据本发明的又一个特征的三维形状测量装置包含平台、一个以上照明部、多个摄像部以及控制部。所述平台支撑测量对象。所述照明部包含光源及光栅，朝所述测量对象照射光栅图案光。所述摄像部在互不相同方向拍摄所述测量对象反射的光栅图像。所述控制部使用所述摄像部拍摄的所述光栅图像，以计算所述测量对象的三维形状。所述摄像部包含主摄像部和辅助摄像部。主摄像部垂直于所述平台的基准面。所述辅助摄像部相对所述平台的基准面按预定角度倾斜布置，且沿着以所述主摄像部为中心的圆周方向相隔布置。所述控制部匹配所述主摄像部以及辅助摄像部拍摄的所述光栅图像的坐标系，并计算每个匹配的所述光栅图像的可见度(visibility)后，对计算的可见度附加权重，计算所述测量对象的三维形状。

根据本发明的再一个特征的三维形状测量装置包含平台、至少一个照明部、主摄像部、至少一个辅助摄像部以及控制部。所述平台支撑测量对象。所述照明部朝所述测量对象照射光栅图案光。所述主摄像部拍摄所述光栅图案光被所述测量对象反射出来的光栅图像中的主图像。所述辅助摄像部，拍摄辅助图像，该辅助图像是所述光栅图案光被测量对象反射出来的光栅图像中，被所述测量对象镜面反射之后，没能进入主摄像部的光栅图像。所述控制部，使用由所述主摄像部和所述辅助摄像部拍摄的所述主图像和所述辅助图像，计算所述测量对象的三维形状。所述控制部匹配所述主摄像部以及辅助摄像部拍摄的所述主图像和所述辅助图像的坐标系，且计算对于每个匹配的所述主图像和所述辅助图像的可见度(visibility)后，对计算的可见度附加权重，计算所述测量对象的三维形状。

根据本发明的另一个特征的三维形状测量方法，首先通过平台的移动，将测量对象移动到测量位置。然后，通过至少一个照明部，朝所述测量对象照射光栅图案光。多个摄像部在互不相同方向上拍摄通过所述光栅图案光的照射后被所述测量对象反射出来的光栅图像。之后，使用所述摄像部拍摄的所述光栅图像，计算所述测量对象的三维形状。拍摄所述光栅图像的过程可以包含：通过主摄像部拍摄被所述测量对象反射的所述光栅图像中的主图像的过程，其中主摄像部垂直于所述平台的基准面；拍摄所述主图像的同时通过多个辅助摄像部拍摄辅助图像的过程，其中辅助摄像部与所述平台的基准面形成预定角度而倾斜布置，且沿着以所述主摄像部为中心的圆周方向相隔布置，且辅助图像是从测量对象反射出来的光栅图像中，被所述测量对象镜面反射之后，没能进入主摄像部的光栅图像。计算所述测量对象的三维形状的过程是，匹配所述主摄像部以及辅助摄像部拍摄的所述主图像以及所述辅助图像的坐标系，然后对每个匹配的所述主图像以及所述辅助图像进行可见度计算，并对计算的可见度附加权重，映射附加权重的数据以计算出三维形状。

有益效果

根据此三维形状测量装置及测量方法，使用多个投影部或者多个成像部测定测量对象的三维形状，可以缩短测量时间并提高测量精度。

附图说明

图1是示出根据本发明第一实施例的三维形状测量装置的结构的组成图；

图2是图1中示出的投影部的平面图；

图3是图1中示出的第二及第三光源的平面图；

图4是示出根据本发明第一实施例的三维形状测量方法的流程图；

图5是根据本发明第二实施例的三维形状测量装置的概略侧视图；

图6是根据图5示出的三维形状测量装置的一实施方式的概略侧视图；

图7是根据图5所示的三维形状测量装置的另一实施方式的概略侧视图；

图8及图9是说明构成图6及图7示出的光栅部的液晶显示面板动作的平面图；

图10是根据图5所示的三维形状测量装置的又一个实施方式的概略平面图；

图11是根据图5所示的三维形状测量装置的再一个实施例的概略平面图；

图12是示出根据本发明第三实施例的三维形状测量装置的概略图；

图13是图12示出的三维形状测量装置的平面图；

图14是为了说明对图12示出的测量对象的三维形状进行测量的过程而放大测量对象的放大图；

图15是示出根据本发明第三实施例的三维形状测量方法的流程图。

具体实施方式

第一实施例

图1是示出根据本发明第一实施例的三维形状测量装置的结构的组成图，图2是图1中示出的投影部的平面图，图3是图1中示出的第二及第三光源的平面图。在此，图1示出第一圆型照明部60或者第二圆型照明部70各自的侧剖面状态，且图3示出第一圆型照明部60或者第二圆型照明部70各自的平剖面状态。

如图1至图3，根据本实施例的三维形状测量装置由投影部10、X-Y轴移动工作台20、光束分离部30、多个反射镜40以及多个成像部50组成，各组成要素说明如下。

投影部10产生并照射光栅图案光，X-Y轴移动工作台20位于投影部10的下侧，以移动测量对象P。光束分离部30设置于投影部10和X-Y轴移动工作台20之间，分离出从测量对象P反射的光栅图像使其通过。多个反射镜40在光束分离部30的下侧，相互沿着圆周方向分开设置，当从测量对象P反射的光栅图像照射到反射镜40时，对其进行反射。多个成像部50分别设置于光束分离部30和多个反射镜40的一侧，拍摄通过光束分离部30的光栅图像和从多个反射镜40反射的光栅图像。

构成本实施例的三维形状测量装置的投影部10、X-Y轴移动工作台20、光束分离部30、多个反射镜40以及多个成像部50的详细结构说明如下。

投影部10由光源11、光栅元件12、光栅移动单元13、投影透镜14以及投影透镜滤光器15组成。

投影部10的光源11产生并照射光，光栅元件12设置于光源11的下侧，将光源11发出的光变为光栅图案光而将其照射。将光变为光栅图案光的光栅元件12的倾斜角g如图2所示，设置为在X-Y平面以Y轴方向为基准倾斜45度。光栅移动单元13用压电致动器(PZT)，并设置于光栅元件12而移动光栅元件12，投影透镜14设置于光栅元件12的下侧，投影光栅图案光。投影透镜滤光器15设置于投影透镜14的下侧，并过滤通过投影透镜14照射的光栅图案光而将其照射。

X-Y轴移动工作台20具备电机21，用于将X-Y轴移动工作台20沿X轴方向移动，还具备电机22，用于将X-Y轴移动工作台20沿着Y轴方向移动，据此对测量对象P进行对准或者将其移动到测量位置。

光束分离部30使用分束器(beam splitter)，用于将根据投影部10产生的光栅图像或者在第一圆型照明部60或者第二圆型照明部70产生的光照射到测量对象P而反射的图像照射到多个成像部50设置于光束分离部30的一侧的一个成像部50。

多个反射镜40为了将被测量对象P反射的光栅图像照射到除了设置于光束分离部30的成像部50以外的其他多个成像部50，朝X轴方向倾斜设置，并且相互沿着圆周方向相隔设置。即，多个反射镜40如图3所示，沿着圆相互之间以等间距分开设置。

多个成像部50同时拍摄从反射镜40反射的光栅图像，并分别由相机滤光器51，成像透镜52及相机53组成。相机滤光器51过滤从反射镜40反射的光栅图像，并照射到成像透镜52。过滤光栅图像的相机滤光器51可由频率滤光器，颜色滤光器以及光强度调节滤光器中的某一个构成。成像透镜52设置于相机滤光器51的一侧，对透过相机滤光器的光栅图像进行成像，由相机53拍摄在成像透镜52成像而照射的光栅图像。相机53设置于成像透镜52的一侧，以拍摄从成像透镜52照射的光栅图像。

根据本实施例的具有上述结构的三维形状测量装置为了拍摄用于抽取测量对象P的特异形状的二维图像，即照明图像，增设了第一圆型照明部60以及第二圆型照明部70。此外还具备用于控制上述组成的控制部80。

下面，对根据本实施例的三维形状测量装置所增设的第一圆型照明部60、第二圆型照明部70进行说明。

第一圆型照明部60设置于光束分离部30的下侧，为了使测量对象P反射照明图像，将自身产生的光照射到测量对象P。第二圆型照明部70设置于多个反射镜40的下侧，为了使测量对象P反射照明图像，产生针对测量对象P的光，照射到测量对象P。朝测量对象P照射光的第一圆型照明部60和第二圆型照明部70分别由圆环部件61、71和多个发光元件62、72组成。

圆环部件61、71为了使光栅图案光或者光栅图像通过，具备贯通口61a、71a。在此，第二圆型照明部70的贯通口71a直径大于第一圆型照明部60的贯通口61a的直径，以使第一圆型照明部60照射的光照射于测量对象P，或者从测量对象P反射的光栅图像照射于多个反射镜40。多个发光元件62、72设置于圆环部件61、71下侧，以产生光。

当第一圆型照明部60或者第二圆型照明部70产生的光照射于测量对象P时，从测量对象P反射的照明图像照射于光束分离部30和多个反射镜40。照射到光束分离部30和多个反射镜40的照明图像分别由多个成像部50进行拍摄。

多个成像部50拍摄的光栅图像或者照明图像发送到控制部80。控制部80接收光栅图像或者照明图像时，利用其算出测量对象P的三维形状。计算出测量对象P的三维形状的控制部80全盘控制本实施例的三维形状测量装置，包括投影部10、X-Y轴移动工作台20、多个成像部50、第一圆型照明部60以及第二圆型照明部70等。

对利用具有上述组成的、利用本实施例的三维形状测量装置的三维形状测量方法参照图1及图4进行如下说明。

如图1及图4所示，本实施例的三维形状测量方法首先通过X-Y轴移动工作台20将测量对象P移动到测量位置(S10)。测量对象P移动到测量位置之后，使用光栅移动单元13对光栅元件12进行栅距(pitch)移动(以栅距为单位移动)(S20)。光栅元件12进行栅距移动之后，打开投影部10的光源11，朝测量对象P照射光栅图案光(S30)。

朝测量对象P照射光栅图案光时，从测量对象P反射的光栅图像经多个反射镜40入射，从而由多个成像部50进行拍摄(S40)。拍摄光栅图像时，多个成像部50同时进行拍摄。由多个成像部50拍摄光栅图像之后，关闭投影部10的光源11(S50)。

关闭投影部10的光源11之后，控制部80确认光栅元件12是否是第N+1次栅距移动(S60)。在该确认是否是第N+1次栅距移动的步骤(S60)中，如果光栅元件12不是第N+1次栅距移动则返回到对光栅元件12进行栅距移动步骤(S20)。即，利用四级桶算法(4-bucket algorithm)计算测量对象P的三维形状时，依照光栅元件12的栅距间隔，移动四次。

如果光栅元件12是第N+1次栅距移动，则打开第一圆型照明部60或者第二圆型照明部70之后，由多个成像部50拍摄测量对象P(S70)。即，拍摄作为测量对象P的二维图像的照明图像。

下面更加详细地说明拍摄照明图像的方法。首先，如果光栅元件12是第N+1次栅距移动，则打开第一圆型照明部60(S71)。打开第一圆型照明部60之后，由多个成像部50拍摄测量对象P(S72)。多个成像部20拍摄完测量对象P之后，关闭第一圆型照明部60(S73)。关闭第一圆型照明部60之后，打开第二圆型照明部70(S74)。打开第二圆型照明部70之后，由多个成像部50拍摄测量对象P(S75)。多个成像部50拍摄完测量对象P之后，关闭第二圆型照明部70(S76)。如此，根据第一圆型照明部60或者第二圆型照明部70所产生的光，由多个成像部50拍摄照明图像，因而可以在多个方向上更加迅速地拍摄测量对象P。

拍摄照明图像，并由多个成像部50拍摄测量对象P之后，确认测量对象P的测量是否结束(S80)。确认测量对象P的测量结束与否的步骤(S80)中，若测量对象P的测量尚未结束，则返回到将测量对象P移动到测量位置的步骤。相反，若测量对象P的测量结束，则控制部80利用打开第一圆型照明部60或者第二圆型照明部70之后拍摄测量对象P的测量对象P图像和由多个成像部50拍摄的光栅图像计算出测量对象P的三维形状(S90)。

如此，利用多个成像部同时拍摄测量对象来计算出测量对象的三维形状，因此可以减少测量对象的三维形状测量作业时间。

实施例2

图5是根据本发明第二实施例的三维形状测量装置的概略侧视图。

参照图5，根据本实施例的三维形状测量装置100包含作业平台(work-stage)130、多个投影部110、成像部150以及控制部140。

所述作业平台130固定测量基底120。所述测量基底120包含测量对象A。

所述作业平台130沿着X轴方向或者Y轴方向移动以及固定所述测量基底120。在所述控制部140的控制下移动以及固定所述测量基底120之后，第一辅助光源160以及第二辅助光源170朝测量对象A照射光，并利用表示在测量基底120上的识别标志，设定测量基底120的整个测量区域。

所述多个投影部110布置为相对所述测量基底120的法线按预定角度照射光。而且，多个投影部110相对所述法线对称排列。

所述多个投影部110朝所述测量对象A照射光栅图案光。为此，所述多个投影部分别包含光源111、使所述光源111照射的光透过的光栅部112以及将所述光栅部112的光栅图案光聚集在所述测量对象A上成像的投影透镜部113。

透过所述光栅部112的光形成光栅图案光。为此，所述光栅部112包含阻光区(未示出)和透光区(未示出)。阻光区阻挡光源111发出的光，所述透光区透射光。所述光栅部112可以由各种形式实现。对于所述光栅部112，稍后进行说明。

所述投影透镜部113例如可以由多个透镜组合形成，以聚焦通过所述光栅部112形成的光栅图案光，而在布置于所述测量基底120上侧的测量对象A上成像。

所述成像部150接收由所述测量对象A反射的光栅图像。例如，所述成像部50包含相机151以及聚光透镜部152。由所述测量对象A反射的光栅图像经过所述聚光透镜部152，被所述相机151捕获。

所述控制部140可以包含动作控制部141以及形状检测部142。所述控制部140控制所述作业平台130、所述投影部110以及所述成像部150，所述形状检测部142检测位于所述测量基底120上的测量对象A的形状。而且，若事先就有可以知道测量基底120上的测量对象A的形状的数据信息，可以不进行所述测量对象A的形状检测，而直接利用此信息。

所述控制部140可以选择开启偶数个所述投影部110，这时所开启的偶数个投影部110可以以所述测量对象为中心互相对称排列。因测量对象A是突出的立体形状，因此只在一侧捕获光栅图像时，测量对象A的另一侧产生光栅图像无法照射到的区域，故无法准确测量三维形状。所以在相反侧再次测量，由此可以测量出更加准确的三维形状。

例如，所述形状检测部142检测到所述测量对象A为四角形时，所述控制部140可以开启两个投影部110，所述形状检测部142检测到所述测量对象A为椭圆体形状时，所述控制部140可以在多个投影部110中开启50％以上。

根据本实施例的三维形状测量装置100，多个投影部110布置为相互对称，相比现有三维形状测量装置中移动投影部来捕获相反侧的光栅图像，可以缩短测量所需要的时间，因而提高了检查的效率。

图6是根据图5示出的三维形状测量装置的一实施方式的概略平面图，图7是根据图5所示的三维形状测量装置的另一实施方式的概略平面图。

参照图5、图6以及图7，投影部110布置成正多边形。例如，所述投影部110可以布置成正四边形(图6)、正六边形(图7)等。

在本实施例中，图5示出的光栅部112可以使用液晶显示面板112a。利用所述液晶显示面板112a形成光栅图案光时，还可以包含控制所述液晶显示面板112a的光栅图像的图形卡(未图示)以及向所述液晶显示面板112a供电的电源供给部(未图示)。比起使用实际的光栅，使用所述液晶显示面板时无需具备用于移动光栅的致动器(actuator)。

图8及图9是说明构成图6及图7示出的光栅部的液晶显示面板动作的平面图。

参照图8，液晶显示面板102显示有阻光区401以及透光区402。阻光区401用于阻挡光，而透光区402用于透射光，由此将光栅图案光投射到所述测量对象A。

为了精确测量三维形状，按照将栅距P进行n等分得到的值进行移动，将光栅图案光投射于所述测量对象A(例如在图9中按照4级，即按照对栅距P进行4等分得到的值移动阻光区401以及透光区402)。

因此，投影部无需具备用于移动光栅的致动器。

图10是根据图5所示的三维形状测量装置的又一个实施方式的概略平面图，图11是根据图5所示的三维形状测量装置的再一个实施方式的概略平面图。图10及图11所示的三维形状测量装置与图6及图7分别所示的三维形状测量装置相比，形成于投影部的光栅部用光栅112b替代了液晶显示面板112a，还包含驱动该光栅112b的致动器601，除此之外与图6及图7所示的三维形状测量装置实质相同。所以，相同或者相似的组成要素采用同样的符号标记，并省略重复的说明。

参照图10及图11，与具备使用液晶显示面板112a的光栅部112的图6或图7所示的三维形状测量装置不同，根据本发明示例性实施例的三维形状测量装置采用光栅112b。例如，所述光栅112b可以通过在玻璃板上印刷光栅图像而形成阻光区和透光区来构成。所述玻璃板上可以同时形成两个光栅，以供相邻的投影部使用。

如此，使用光栅112b时，需形成用于精密移动所述光栅112b的致动器601。

根据本实施例的三维形状测量装置包含布置于正多边形的顶点处的多个投影部，形成于相邻的两个投影部的光栅112b由一个致动器601移动。作为所述致动器601可以使用PZT。

这时，优选地所述多个投影部中相邻的投影部依次被驱动时，所述致动器601的驱动方向朝相反方向。更详细的，朝箭头a方向移动①号光栅112b并将光栅图案光投射到所述测量对象A之后，对于相邻投影部的②号光栅112b则将其朝箭头b方向移动并投射光栅图案光。

更详细的，通过①号光栅112b将光栅图案光照射于测量对象A，成像部接收由所述测量对象A反射的光栅图像的过程进行根据光栅的预定次数(例如四次)。然后，通过②号光栅112b将光栅图案光照射于测量对象A，而成像部接收由所述测量对象A反射的光栅图像的过程进行根据光栅的预定次数(例如四次)。同样的，③以及④号光栅也进行相同操作。控制部使用接收的总计十六次的光栅图像，计算出补偿影子区域(因测量对象具有立体形状，从测量对象的一个侧面投射光栅图案光时，光栅图案光无法到达的相反侧区域)的测量对象的准确的三维形状。例如，使用①号及③号光栅图像值补偿①号及③号影子区域，利用②号及④号光栅图像值补偿②号及④号区域的影子区域值。影子区域值的补偿由对面区域的相应值代替。

根据本实施例的三维形状测量装置采用的致动器601同时驱动形成于相邻的两个投影部的光栅112b。因此，可以将致动器601的数量减少到投影部数量的一半。而且，相邻的投影部依次驱动时，所述致动器601的移动方向使所述光栅112b的方向朝相反方向，因此可以减少驱动所需的时间。

实施例3

图12是示出根据本发明第三实施例的三维形状测量装置的概略图，图13是图12示出的三维形状测量装置的平面图。

参照图12及图13，根据本实施例的三维形状测量装置300包含支撑测量对象310的平台320、至少一个照明部330、多个摄像部340以及控制部350。

平台320支撑测量对象310，并根据控制部350的控制而沿着X轴以及Y轴移动，从而将测量对象310移动到测量位置。

照明部330朝固定于平台320的测量对象310照射光栅图案光410。照明部330布置成相对平台320的基准面倾斜预定的角度。另外，为了提高测量精度，三维形状测量装置300可以包含多个照明部330。例如，如图13所示的三维形状测量装置300可以包含四个照明部330。这时，照明部330沿着以主摄像部340a为中心的圆周方向相隔布置，所述主摄像部340a相对平台320的基准面垂直布置。特别是，照明部330相对平台320基准面的法线可以对称布置。由此，多个照明部330隔着预定的时间间隔，从不同的方向向测量对象310照射光栅图案光410。另外，三维形状测量装置300可以包含两个、三个或者六个等多种数量的照明部330。

每个照明部330包含光源332以及光栅334。另外，每个照明部330还可以包含光栅移动装置336以及投影透镜部338。

光源332朝测量对象310照射光。光栅334将从光源332发出的光转换成按照光栅图像的光栅图案光410。光栅334为了产生相位偏移的光栅图案光410，通过压电致动器(piezo actuator：PZT)等光栅移动装置336，按每次2π/n移动n次。在此，n是2以上的自然数。投影透镜部338将通过光栅334形成的光栅图案光410投影到测量对象310。例如，投影透镜338部可以由多个透镜组合形成，聚焦通过光栅334形成的光栅图案光410，经此投影于测量对象310。因此，每个照明部330中光栅334移动n次，每次移动时朝测量对象310照射光栅图案光410。

本实施例的三维形状测量装置300包含多个摄像部340，用以从不同方向拍摄由照明部330发出的光栅图案光410被测量对象310反射而生成的光栅图像420。

具体地，三维形状测量装置300包含主摄像部340a和多个辅助摄像部340b，主摄像部340a在平台320的上侧垂直布置于平台320的基准面，多个辅助摄像部340b倾斜布置于平台320，与平台320的基准面形成预定的角度。例如，如图13所示，三维形状测量装置可以包含四个辅助摄像部340b。这时，辅助摄像部340b以主摄像部340a为中心，沿着圆周方向相隔布置。尤其，辅助摄像部340b可以相对平台320基准面的法线对称布置。由此，主摄像部340a和辅助摄像部340b根据各个照明部330的动作，在不同的方向同时拍摄被测量对象310反射的光栅图像。另外，三维形状测量装置300可以包含两个、三个或者六个等多种数量的辅助摄像部340b。

主摄像部340a以及辅助摄像部340b分别可以包含相机342以及成像透镜部344，以拍摄光栅图像420。相机342可以使用CCD或者CMOS相机。因此，从测量对象310反射的光栅图像420经过成像透镜部344成像，再由相机342拍摄。

另外，照明部330和辅助摄像部340b可以布置于以主摄像部340a为中心的同一个同心圆上。与此相反，照明部330和辅助摄像部420a也可以布置于不同的同心圆上。另外，照明部330和辅助摄像部340b可以设置于不同高度，或者同一高度。照明部330可以分别布置于辅助摄像部420b之间。于此不同，当照明部330与辅助摄像部340b设置于不同高度时，照明部330与辅助摄像部340b可以设置于同一个位置。

控制部350全面控制包含于三维形状测量装置300的各组成要素的动作。控制部350控制平台320的移动，以将测量对象310布置于测量位置。控制部350依次驱动多个照明部330，使每个照明部330的光栅334移动n次，每次移动时都控制照明部300将光栅图案光410照射于测量对象310。控制部350控制多个摄像部340，使其同时拍摄测量对象310反射的光栅图像420。

控制部350使用主摄像部340a以及辅助摄像部340b拍摄的光栅图像420，计算出测量对象310的三维形状。例如，控制部350匹配主摄像部340a及辅助摄像部340b拍摄的光栅图像420的坐标系。并且，控制部350使用主摄像部340a以及每个辅助摄像部340b通过n-桶(bucket)算法测定n次的值，利用下述数学式一及二算出对每个光栅图像420的可见度(visibility)，对算出的五个可见度分别附加权重(weight)后，再映射附加权重的数据以得出最终的测量值。

数学式一

I_{0} = \frac{I_{1} + I_{2} + I_{3} + I_{4}}{4}

数学式二

V = \frac{\sqrt{{(I_{4} - I_{2})}^{2} + {(I_{1} - I_{3})}^{2}}}{2 I_{0}}

数学式一及二中，I₁、I₂、I₃、I₄表示各摄像部对一个地点通过4级桶算法而测量四次光栅图像的强度(intensity)，V表示据此计算的各摄像部所测量的光栅图像的可见度。

另外，控制部350只使用主摄像部340a和与动作中的照明部330相邻而布置的一个至两个辅助摄像部340b中测量的光栅图像420，也可以算出测量对象310的三维形状。

图14是为了说明对图12示出的测量对象的三维形状进行测量的过程而放大测量对象的放大图。

参照图12及图14，测量对象310可以包含电路板312和电子元件316，所述电子元件通过焊料(solder)314结合到电路板312上。

照明部330照射光栅图案光410，则被测量对象310反射而生成光栅图像420。这时，将电子元件316连接于电路板312的焊料314具有镜面特性，因此在焊料314部分发生镜面反射。因此，焊料314区域中从一部分区域反射出的光栅图像420往上反射，入射到主摄像部340a，而从其余的区域反射的光栅图像420按预定角度倾斜反射，而无法入射到主摄像部340a。相应的，辅助摄像部340b拍摄从测量对象310按预定角度倾斜反射的光栅图像420。即，光栅图案光410从测量对象310反射出来的光栅图像420中，主摄像部340a拍摄往上侧方向反射的主图像，从测量对象310反射出来的光栅图像420中，在测量对象310上按预定角度倾斜发生镜面反射而无法进入主摄像部340a的辅助图像由至少一个辅助摄像部340b拍摄。因此，适当地合成主摄像部340a拍摄的主图像和辅助摄像部340b拍摄的辅助图像，可以准确地测量包含焊料314区域的整个测量对象310的三维形状。

图15是示出根据本发明实施例的三维形状测量方法的流程图。

参照图12及图15，为了测定测量对象310的三维形状，控制部350移动平台320，将测量对象310移动至测量位置(S310)。

将测量对象310布置于测量位置后，通过至少一个照明部330朝测量对象310照射光栅图案光410(S200)。例如，依次驱动多个照明部330以依次照射光栅图案光410，其中照明部330与相对平台320的基准面倾斜预定角度，并沿着以主摄像部340a为中心的圆周方向相隔布置。这时，每个照明部330中将光栅334移动n次，且每次移动时朝测量对象310照射光栅图案光410。

朝测量对象310照射光栅图案光410之后，通过多个摄像部340在不同方向拍摄从测量对象310反射出来的光栅图像420(S300)。具体的，通过主摄像部340a拍摄主图像，其中主摄像部340a相对平台320基准面垂直配置，主图像是从测量对象310反射出来的光栅图像420中朝上侧方向反射的部分。于此同时，通过辅助摄像部340b拍摄辅助图像，其中辅助摄像部340b相对平台320的基准面倾斜成预定角度且沿着以主摄像部340a为中心的圆周方向相隔布置，且辅助图像是指从测量对象310反射出来的光栅图像420中，从测量对象310镜面反射但没有进入主摄像部340a的、倾斜预定角度而反射的部分。

之后，控制部350匹配分别在主摄像部340a以及辅助摄像部340b拍摄的所述主图像以及所述辅助图像的坐标系(S400)。即，从测量对象310反射的光栅图像420到达主摄像部340a以及辅助摄像部340b时产生路径差，因该路径差主摄像部340a以及辅助摄像部340b所拍摄的光栅图像420之间会产生偏差。因此，补偿因路径差而产生的光栅图像420之间的偏差，从而使所述主图像以及所述辅助图像的坐标系相一致。

之后，控制部350以进行匹配的所述主图像及辅助图像各自的可见度(visibility)为基底，映射所述主图像以及所述辅助图像而形成测量对象310的三维形状(S500)。例如，控制部350使用所述数学式一和数学式二计算出对于所述主图像和所述辅助图像的可见度(visibility)，且对于算出的五个可见度分别附加权重(weight)，并使用附加权重的数据，计算出对于测量对象310的测量区域的三维形状。比如，计算出的五个可见度中，超过特定值的图像赋予较大的权重，特定值以下的图像赋予较小的权重或者除去，从而可以提高最终测量值的可靠度。

如此，每次照明部330照射光栅图案光410时反复进行通过主摄像部340a和辅助摄像部340b拍摄光栅图像420的过程，控制部350使用经过反复的拍摄而获取的图像，最终测量出测量对象的三维形状。

如上所述，增设主摄像部340a和辅助摄像部340b，可以更加精确地测量测量对象310的三维形状，其中主摄像部340a用于拍摄从测量对象310反射的光栅图像420中的主图像，子拍摄部340b用于拍摄从测量对象310镜面反射且无法由主摄像部340a拍摄的辅助图像。

在前面对本发明的详细说明中，参照本发明的优选实施例进行了说明，但是本技术领域的熟练的技术人员或者具有该技术领域的通常知识的人可以在不超出记载于权利要求的本发明的思想及技术领域的范围内，对本发明进行多种修改以及变更。所以，前面的说明以及后面的附图不是对本发明的技术思想的限定，而只是对本发明的示例性解释。

产业上的可利用性

本发明的三维形状测量装置及测量方法可以适用于如印刷电路板或者焊料(solder)等测量对象的三维形状测量领域。

Claims

1.一种三维形状测量装置，其特征在于包含：

工作平台，固定测量基底；

多个投影部，每个投影部包含光源和透射从所述光源照射的光的光栅以及投影透镜部，其中投影透镜部将所述光栅的光栅图案光成像于所述测量基底内的测量对象，多个投影部在分别从不同的方向朝所述测量对象照射光栅图案光；

成像部，接收被所述测量对象反射的光栅图像；

控制部，根据所述测量对象的形状，选择所述多个投影部中的一部分投影部，其中选择两个以上的投影部并将其打开/关闭，

利用所述成像部根据所述被选择而打开的两个以上的投影部而接收的光栅图像，测量所述测量对象的三维形状，

并且所述控制部利用通过所述成像部接收的所述光栅图像，为了补偿所述测量对象的影子区域，属于所述影子区域的测量值用对面的值代替。

2.根据权利要求1所述的三维形状测量装置，其特征在于所述测量对象为椭圆形状时，所述控制部打开所述多个投影部中50％以上的投影部。

3.一种三维形状测量装置，其特征在于包含：

工作平台，固定测量基底；

多个投影部，每个投影部包含光源和透射从所述光源照射的光的光栅以及投影透镜部，其中投影透镜部将所述光栅的光栅图案光成像于所述测量基底内的测量对象，为了从互不相同方向对所述测量对象进行光栅图案光照射，多个投影部排列成多边形形式，且所述光源发出的光前进的方向和所述测量基底的法线形成预定的角度；

光栅致动器，控制所述多个投影部中相邻的两个投影部的所述光栅的移动；

成像部，接收被所述测量对象反射的所述光栅图案光；

利用所述成像部根据所述被选择而打开的两个以上的投影部所接收的光栅图像，测量所述测量对象的三维形状，

并且所述控制部利用通过所述成像部接收的所述光栅图案光，为了补偿所述测量对象的影子区域，用对面的值代替属于所述影子区域的测量值。

4.根据权利要求3所述的三维形状测量装置，其特征在于所述致动器同时移动相邻的两个投影部的光栅。

5.一种三维形状测量装置，包含：

平台，支撑测量对象；

至少一个照明部，照明部包含光源及光栅，朝所述测量对象照射光栅图案光；

多个摄像部，在互不相同方向同时拍摄从所述测量对象反射的光栅图像；以及

控制部，使用所述摄像部拍摄的所述光栅图像，计算所述测量对象的三维形状，

其中，所述摄像部包含：

主摄像部，相对所述平台的基准面垂直布置；以及

多个辅助摄像部，相对所述平台的基准面按预定角度倾斜布置，沿着以所述主摄像部为中心的圆周方向相隔布置。

6.根据权利要求5所述的三维形状测量装置，其特征在于所述控制部匹配所述主摄像部以及辅助摄像部拍摄的所述光栅图像的坐标系，且计算对于匹配的每个所述光栅图像的可见度后，对计算的可见度附加权重，而计算所述测量对象的三维形状。

7.一种三维形状测量装置，包含：

平台，支撑测量对象；

至少一个照明部，朝所述测量对象照射光栅图案光；

主摄像部，拍摄所述光栅图案光被所述测量对象反射出来的光栅图像中的主图像；

至少一个辅助摄像部，拍摄辅助图像，其中辅助图像是所述光栅图案光被所述测量对象反射出来的光栅图像中，被所述测量对象镜面反射之后，没能入射所述主摄像部的光栅图像；

控制部，使用由所述主摄像部和所述辅助摄像部拍摄的所述主图像和所述辅助图像，计算所述测量对象的三维形状。

8.一种三维形状测量方法，包括如下步骤：

通过平台的移动，将测量对象移动到测量位置；

通过至少一个照明部，朝所述测量对象照射光栅图案光；

通过多个摄像部，从互不相同方向同时拍摄被所述测量对象反射的光栅图像；以及

使用所述摄像部拍摄的所述光栅图像，计算所述测量对象的三维形状，

其中，所述拍摄光栅图像的步骤包括如下步骤：

通过相对所述平台的基准面垂直布置的主摄像部，拍摄从所述测量对象反射的所述光栅图像中的主图像；以及

拍摄所述主图像的同时，通过相对所述平台的基准面倾斜预定角度的、沿着以所述主摄像部为中心的圆周方向相隔布置的多个辅助摄像部，拍摄从所述测量对象反射的所述光栅图像中被所述测量对象镜面反射但没有入射所述主摄像部的辅助图像。

9.根据权利要求8所述的三维形状测量方法，其特征在于计算所述测量对象的三维形状步骤包括如下步骤：

匹配所述主图像以及所述辅助图像的坐标系，所述主图像以及所述辅助图像分别由所述主摄像部以及所述辅助摄像部拍摄；以及

分别计算对匹配的所述主图像和所述辅助图像的可见度，且对计算出的可见度附加权重，映射附加权重的数据。