CN114746716A - 形状复原方法和图像测量装置 - Google Patents

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Abstract

照明装置110具有：光源部112；透镜部116，其将照明光以特定的照射立体角IS向被测定物W照射；滤光部114，其将特定的照射立体角IS内分离为具有彼此不同的光的波长区域R、G，B的多个立体角区域IS1、IS2、IS3；拍摄装置CM以规定的观察立体角DS接收照明光产生的被测定物W的物体光，拍摄装置CM的各像素能够彼此识别不同的光的波长区域R、G、B，处理装置120具备：计算部124，其从构成物体光的多个立体角区域RS1、RS2、RS3与规定的观察立体角DS之间的包含关系求出与各像素对应的被测定物W各点的法线向量Vn；形状复原部128，其对被测定物W的形状进行复原。由此，能够迅速地复原对被测定物进行了拍摄的图像内的被测定物各点的信息。

Description

形状复原方法和图像测量装置
技术领域
本发明涉及形状复原方法和图像测量装置，特别是涉及能够将对被测定物进行了拍摄的图像内的被测定物的各点的信息迅速地复原的形状复原方法和图像测量装置。
背景技术
以往，已知一种向被测定物照射照明光，对拍摄的图像进行处理而将被测定物的形状信息复原的图像测量装置。例如，利用远心成像光学系统对被测定物进行拍摄而测定被测定物的形状的图像测量装置就属于此类。由于在远心成像光学系统中，景深较深，具有即使在光轴方向上存在段差，图像的模糊也较少的特征，因而主要适用于对被测定物的表面的二维形状进行测定。但是，在远心成像光学系统中，由于难以检测被测定物的高度方向的信息，因而不适用于对被测定物的三维形状进行测定。
需要说明的是，近年来，如专利文献1所示，开发了一种通过使用特定的检查用照明装置，基于一个被拍摄的图像而能够得到被测定物各点的倾角信息的检查系统。根据该发明，能够提取被测定物的微小的凹凸或异物等缺陷的信息。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：(日本)特许第6451821号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，在专利文献1的检查系统中，虽然表示的是通过一次拍摄而能够得到被测定物各点的倾角信息的情况，但是并没有明确用于利用该简便性和快捷性的对被测定物各点的信息进行复原的具体的工序和构成。
本发明是为了解决上述现有的问题点而做出的，其所要解决的技术问题在于提供一种能够迅速复原对被测定物进行了拍摄的图像内的被测定物各点的信息的形状复原方法和图像测量装置。
用于解决技术问题的技术方案
本申请技术方案1的发明是一种对被测定物照射照明光，对拍摄的图像进行处理而对所述被测定物的形状进行复原的形状复原方法，包含：照明工序，其向所述被测定物照射具有特定的照射立体角的所述照明光，所述特定的照射立体角具备光属性彼此不同的多个立体角区域；拍摄工序，其以规定的观察立体角接收从通过所述照明光产生的来自所述被测定物的物体光而对所述图像进行拍摄；计算工序，其基于在该图像的各像素中被识别的该光属性，从构成所述物体光的所述多个立体角区域与所述规定的观察立体角之间的包含关系求出与所述各像素对应的所述被测定物的各点的法线向量；形状复原工序，其从该法线向量求出所述被测定物的各点的倾角信息而对所述被测定物的形状进行复原，由此解决上述技术问题。
本申请技术方案2的发明是使所述照射立体角相对于所述被测定物各点相同的发明。
本申请技术方案3的发明将所述多个立体角区域设置为围绕所述照明光的所述照射立体角的照射光轴。
本申请技术方案4的发明将所述光属性作为光的波长区域。
本申请的技术方案5的发明在所述照明工序的前段具有前段工序，在该前段工序中，使用所述被测定物自身或特定的样板来代替被测定物，进行所述照明工序和所述拍摄工序，另外，进行求出所述光属性与所述法线向量之间的对应关系的对应关系生成工序。
本申请技术方案6的发明使所述特定的样板为基准球或者基准平面。
本申请技术方案7的发明使所述对应关系作为对应表而构成。
本申请技术方案8的发明使所述对应关系作为互补函数而构成。
本申请技术方案9的发明将所述法线向量标准化。
本申请技术方案10的发明在所述多个立体角区域相对于所述观察立体角的观察光轴不旋转对称的情况下，在所述拍摄工序之后，进行使所述被测定物以规定的角度绕所述观察光轴旋转的旋转工序，将所述照明工序和所述拍摄工序进行规定次数之后进行所述计算工序。
本申请技术方案11的发明是对被测定物的形状进行测定的图像测量装置，具备：照明装置，其向被测定物照射照明光；拍摄装置，其对所述被测定物进行拍摄并输出图像；处理装置，其对该图像进行处理；所述照明装置具有：光源部，其射出所述照明光；透镜部，其将所述照明光以特定的照射立体角向所述被测定物照射；滤光部，其在所述光源部与所述透镜部之间，将所述特定的照射立体角内分离为光属性彼此不同的多个立体角区域；所述拍摄装置以规定的观察立体角接收通过所述照明光产生的来自所述被测定物的物体光，所述拍摄装置的各像素能够彼此识别所述不同的光属性；所述处理装置具备：计算部，其从构成所述物体光的所述多个立体角区域与所述规定的观察立体角之间的包含关系求出与所述各像素对应的所述被测定物的各点的法线向量；形状复原部，其从该法线向量求出所述被测定物的各点的倾角信息而对所述被测定物的形状进行复原。
本申请技术方案12的发明将所述滤光部配置于所述照明光的照射光轴上的所述透镜部的焦点距离附近。
本申请技术方案13的发明使所述滤光部具备绕该照射光轴彼此不同的滤光区域而使所述多个立体角区域绕所述照明光的照射光轴设置。
本申请技术方案14的发明作为所述光属性使所述滤光部使光的波长区域彼此不同。
本申请技术方案15的发明使所述处理装置具备对所述光属性和所述法线向量的对应关系进行存储的存储部，所述计算部基于该对应关系求出该法线向量。
本申请技术方案16的发明利用所述处理装置对所述法线向量进行标准化。
本申请技术方案17的发明具备能够使所述被测定物绕观察光轴旋转的旋转台。
本申请技术方案18的发明使所述计算部进一步具备整合判定部，该整合判定部将预先保存的所述被测定物的各点的所述法线向量与从新拍摄的所述被测定物求出的各点的所述法线向量进行比较，提取彼此不同的部分。
发明的效果
根据本发明，能够迅速地复原对被测定物进行了拍摄的图像内的被测定物各点的信息。
附图说明
图1是表示本发明第一实施方式的图像测量装置的示意图。
图2是表示图1的照明装置的主要部分的示意图。
图3是图1的照明装置中使用的滤光部和照射立体角的关系(与具备三个围绕照射光轴的滤光区域的滤光部(A)对应的照射立体角(E)、与在照射光轴中心具备一个和围绕照射光轴具备三个的滤光区域的滤光部(B)对应的照射立体角(F)、与具备四个呈同心圆状的滤光区域的滤光部(C)对应的照射立体角(G)、与具备三个分别围绕呈同心圆状的照射光轴的滤光区域的滤光部(D)对应的照射立体角(H))。
图4是表示图像测量装置中的照射立体角和反射立体角和观察立体角的关系的示意图(在被测定物的表面的法线向量与观察光轴一致的情况下的图(A)、被测定物的表面的法线向量与观察光轴错开情况下的图(B))。
图5是以往的照明光的照射立体角和本实施方式的照明光的照射立体角的比较示意图。
图6是图1的图像测量装置的处理框图。
图7是表示图1的图像测量装置中的形状复原程序的流程图。
图8是表示图7的前段工序内容的程序的流程图(前段工序的全体流程图(A)、图8(A)所示的前段对应关系生成工序的详细流程图(B))。
图9是表示在进行图8所示的前段工序时使用的基准球和求出的法线向量的倾角的范围的示意图。
图10是表示在图8所示前段工序中求出的光属性和法线向量的对应关系的对应图表的一个例子。
图11是表示本发明第二实施方式的图像测量装置的照明装置的主要部分的示意图。
图12是表示本发明第三实施方式的图像测量装置的照明装置与被测定物之间的关系的示意图。
图13是本发明第四实施方式的图像测量装置的处理框图。
图14是表示图13的图像测量装置中的形状复原程序的流程图。
图15是本发明第五实施方式的图像测量装置的处理框图。
具体实施方式
以下，使用图1至图10对本发明第一实施方式进行说明。需要说明的是，本发明并不限于以下实施方式所记载的内容。并且，以下记载的实施方式中的构成要件包含本领域技术人员容易想到的要件、实质上相同的要件，也就是包含等同范围的要件。另外，可以适当组合以下记载的实施方式中公开的构成要素，可以适宜选择使用。
图像测量装置100如图1所示，具备：照明装置110，其向被测定物W照射照明光；拍摄装置CM，其通过接受被测定物W的反射光，拍摄被测定物并输出图像；处理装置120，其对该图像进行处理；显示装置DD。处理装置120具备图像捕捉器IMC和图像处理装置IMP。通过该构成，图像测量装置100向被测定物W照射照明光，对拍摄的图像进行处理，能够测定被测定物的形状并且复原。需要说明的是，在本实施方式中，优选被测定物W即使表面形状复杂也接近光滑面。
以下，对各要素进行详细地说明。
所述照明装置110如图2所示，具有：光源部112，其射出照明光；滤光部114；透镜部116，其以特定的照射立体角IS将照明光向被测定物W照射；半反射镜118。
光源部112可以配置一个以上的贴片式LED的类型，也可以是从有机EL或从侧灯导向导光板的类型。光源部112能够沿着照射光轴L1移动。
滤光部114如图2所示，在光源部112与透镜部116之间，将特定的照射立体角IS内分离为彼此不同的光的波长区域(光属性)R、G、B(符号R为红色波长区域、符号G为绿色波长区域、符号B为蓝色波长区域)的多个立体角区域IS1、IS2、IS3(参照图3(E)。具体地说，滤光部114如图3(A)所示，具备：光圈，其以将多个立体角区域IS1、IS2、IS3设置为围绕照明光的照射立体角IS的照射光轴L1的方式，对从光源部112射出的光进行限制(开口半径R0)；彼此不同的滤光区域CF1、CF2、CF3，其围绕光圈内侧的照射光轴L1。需要说明的是，在本实施方式中，滤光区域CF1、CF2、CF3分别由120度的扇形的红色、绿色、蓝色的彩色滤光片构成。并且，滤光部114如图2所示，配置于照明光的照射光轴L1上的透镜部116的焦点距离f的附近。并且，滤光部114也能够沿着照射光轴L1移动。需要说明的是，在本实施方式中，滤光部114是使遮挡照明光的遮光罩即光圈和使光的波长区域变化的滤光片一体化的光学元件，但并不限于此，也可以分别设置。或者，可以在滤光部使用能够改变电透过率或颜色的液晶光阀等。并且，滤光部可以为透过型，也可以为反射型。
透镜部116如图2所示，以特定的照射立体角IS向被测定物W照射从光源部112射出并通过滤光部114的照明光。透镜部116例如为折射镜片，可以为单镜片，也可以通过多片镜片构成。透镜部116也能够沿着照射光轴L1移动。
半反射镜118如图2所示，以照射光轴L1与观察光轴L2一致、照射光同轴落射的方式配置。因此，照射立体角IS和观察立体角DS如图4(A)、(B)所示那样，成为相同方向。
这样，能够对光源部112、滤光部114和透镜部116的移动进行调节并且能够改变滤光部114的滤光区域，从而能够使光的波长区域任意变化，并且相对于被测定物W实现任意形状的照射立体角IS。另外，通过将滤光部114配置于透镜部116的焦点距离f附近，能够以全部相同的条件向拍摄装置CM所拍摄的被测定物W的整个视野范围的所有位置照射照射光。在这里，图5(A)表示在以一般的以往照明LS对被测定物W进行照射时，该被测定物W的不同位置P、P’中的不同的照射立体角IS、IS’。根据图5(A)，在位置P、P’，照射立体角IS、IS’的形状和照射光轴的方向彼此不同。但是，根据本实施方式的照明装置110，如图5(B)所示，能够在被测定物W的整个视野范围的所有位置，以全部相同的条件照射照射光。也就是说，照射立体角IS相对于被测定物W的各点是相同的。因此，本实施方式的照明装置110能够提取以往照明中不能够实现的微小的变化。
所述拍摄装置CM如图1所示，例如通过远心成像光学系统(也可以使用带AF功能的拍摄光学系统)以规定的观察立体角DS接收通过照明装置110的照明光而产生的来自所述被测定物的物体光，将二维图像作为彩色图像输出。也就是说，拍摄装置CM例如是CCD彩色相机或CMOS彩色相机，拍摄装置CM的各像素能够彼此识别不同的光属性。也就是说，在本实施方式中，不同的光属性是不同的光的波长区域R、G、B，例如各像素由分别带红色、绿色、蓝色的彩色滤光片的(由四个构成拜耳模板的)像素要素的组合构成。需要说明的是，彩色图像通过处理装置120处理。
所述处理装置120如图6所示，具备图像保持部122、计算部124、存储部126、形状复原部128，拍摄装置CM与显示装置DD连接。因此，处理装置120能够进行来自拍摄装置CM的图像的处理以及向显示装置DD的显示信号的输出。需要说明的是，显示装置DD基于形状复原部128的输出，能够显示所拍摄的彩色图像或三维图像、各种信息。
图像保持部122是图像捕捉器IMC内部的电路，能够以帧单位保持来自拍摄装置CM的图像。在本实施方式中，能够保持光的波长区域R、G、B各自的图像。
计算部124从构成被测定物W的物体光的多个立体角区域RS1、RS2、RS3和规定的观察立体角DS的包含关系求出与各像素对应的被测定物W各点的法线向量Vn。使用图4(A)、(B)对其原理进行说明。需要说明的是，实线描绘的是照射光形成的照射立体角IS和拍摄装置CM的观察立体角DS。虚线所描绘的是物体光形成的反射立体角RS。在这里，照射立体角IS的立体角区域IS1、IS2、IS3分别与反射立体角RS的立体角区域RS1、RS2、RS3对应(即，IS1＝RS1、IS2＝RS2、IS3＝RS3)。
首先，在被测定物W没有倾角的情况下，如图4(A)所示，成为反射光轴L3与观察光轴L2一致的状态。也就是说，将具有照射立体角IS的照明光向被测定物W照射，观察立体角DS中与物体光的反射立体角RS的立体角区域RS1、RS2、RS3对应的光的波长区域R、G、B的辉度Rc，Gc，Bc被同等检出。因此，基于该检测光的波长区域R、G、B的辉度Rc、Gc、Bc的比率，能够求出没有倾斜的法线向量Vn。
另一方面，在被测定物W存在倾角(角度
Figure BDA0003667216680000071
)的情况下，如图4(B)所示，成为反射光轴L3与观察光轴L2不一致的状态。也就是说，将具有照射立体角IS的照明光向被测定物W照射，在观察立体角DS的范围内，几乎接收不到与物体光的反射立体角RS的立体角区域RS1对应的光的波长区域R的辉度Rc的光。另一方面，与立体角区域RS2、RS3对应的光的波长区域G、B的辉度Gc、Bc被几乎同等地检出。因此，基于该检出的光的波长区域R、G、B的辉度Rc、Gc、Bc的比率，能够求出倾斜的法线向量Vn。
也就是说，计算部124能够基于光属性(在本实施方式中分别为光的波长区域R、G、B)与法线向量Vn之间的对应关系求出法线向量Vn。
需要说明的是，法线向量Vn以(Vnx，Vny，Vnz)表示，在计算部124进行标准化。即，值Vnx、Vny、Vnz的关系成为以下这样。
Vnx＊Vnx+Vny＊Vny+Vnz＊Vnz＝1(1)
需要说明的是，在本实施方式中，光的波长区域R、G、B与法线向量Vn之间的对应关系也通过计算部124求出。对应关系能够通过对应表和互补函数fx、fy求出。在本实施方式中，互补函数fx、fy旨在求出离散设置的对应表之间的法线向量Vn。
存储部126能够存储各种初始设定值、各种程序、各种表、各种函数和各种数据。例如，存储部126存储被测定物W的光的波长区域R、G、B和法线向量Vn的对应关系。在本实施方式中，光的波长区域R、G、B和法线向量Vn的对应关系作为图10所示那样的对应表而构成，该对应表存储于存储部126。需要说明的是，图10中的符号Rt、Gt、Bt是存储于对应表的光的波长区域R、G、B各自的辉度(0≤Rt、Gt、Bt≤100)。并且，符号Vtnx、Vtny分别是存储于对应表的标准化的法线向量Vtn的X成分、Y成分。需要说明的是，在本实施方式中，存储部126进一步存储从对应表求出的互补函数fx、fy。
形状复原部128从利用各像素求出的法线向量Vn求出被测定物W各点的倾角信息并对被测定物W的形状进行复原。具体地说，将法线向量Vn变换为各像素的倾角信息，通过将该倾角信息与像素间距结合来复原被测定物W的形状。将倾角信息和形状信息向显示装置DD输出，并且存储于存储部126。
接下来，使用图7和图8(A)、(B)，对图像测量装置100中的被测定物W的形状复原步骤进行以下说明。
首先，进行前段工序(图7，步骤S2)。
在这里，使用图8(A)、(B)对前段工序进行详细地说明。
前段工序是预先求出用于再现被测定物W的形状的光的波长区域R、G、B和法线向量Vn的对应关系的工序。前段工序如图8(A)所示，包含前段照明工序、前段拍摄工序、前段对应关系生成工序。需要说明的是，在本实施方式的前段工序中，使用基准球(特定的样板)来替代被测定物W。基准球是大小(半径r)被测定，其精度不受求出的法线向量的偏差影响的赋值球。需要说明的是，基准球的材质和表面处理期望与成为测定对象的被测定物W相同。
首先，进行前段照明工序(图8(A)，步骤S21)。前段照明工序通过照明装置110向基准球照射具有特定的照射立体角IS的照明光，该照射立体角IS具备光的波长区域R、G、B彼此不同的多个立体角区域IS1、IS2、IS3。需要说明的是，在本实施方式中，通过使用照明装置110，能够使照射立体角IS相对于基准球的各点相同。
接下来，进行前段拍摄工序(图8(A)，步骤S22)。前段拍摄工序以规定的观察立体角DS接收通过照明光产生的来自基准球的物体光并拍摄图像。
接下来，进行前段对应关系生成工序(图8(A)，步骤S23)。前段对应关系生成工序是利用计算部124求出光的波长区域R、G、B和法线向量Vn的对应关系的工序。前段对应关系生成工序包含范围设定工序、对应表生成工序、互补函数算出工序。
以下使用图8(B)、图9、图10对具体的步骤进行说明。
首先，进行范围设定工序(图8(B)，步骤S231)。范围设定工序如图9所示，计算能够从拍摄的基准球的图像JG-IMG求出法线向量Vn的方向的范围。例如，通过提取超过噪声电平的高辉度的像素区域或者通过照明装置110的ON/OFF的差异处理而从基准球的图像JG-IMG提取像素区域，求出基准球的物体光反射的范围L。并且，如果以基准球(半径r)中的最大表面倾角角度为符号θ，则能够如以下这样求出。
θ＝acos((L/2)/r)(2)
接下来，进行对应表生成工序(图8(B)，步骤S232)。对应表生成工序相对于基准球的图像JG-IMG内的物体光的能够测量测量范围的各像素，创建光的波长区域R、G、B和法线向量Vn的对应表。以基准球的图像JG-IMG上的球投影像中心为Cx、Cy，以物体光的能够测量范围的像素坐标为X、Y。接下来，以与基准球的图像JG-IMG的X、Y方向的像素尺寸对应的长度为Px、Py，则法线向量V(Vx，Vy，Vz)能够如以下这样求出。
Vx＝(X－Cx)＊Px(3)
Vy＝(Y－Cy)＊Py(4)
Vz＝sqrt(r*r-Vx*Vx-Vy*Vy)(5)
通过将它们标准化，而能够如以下这样求出法线向量Vn。
Vnx＝Vx/r(6)
Vny＝Vy/r(7)
Vnz＝sqrt(1-Vnx*Vnx-Vny*Vny)(8)
因此，能够通过相对于基准球的图像JG-IMG的图像坐标X、Y的光的波长区域R、G、B的辉度Rc、Gc、Bc而求出法线向量Vn的X成分Vnx和Y成分Vny来生成图10所示的对应表(在生成对应表时，分别将符号Rc、Gc、Bc、Vnx、Vny变更为符号Rt、Gt、Bt、Vtnx、Vtny)。
接下来，进行互补函数算出工序(图8(B)，步骤S233)。互补函数算出工序从对应表求出互补函数fx、fy。具体地说，首先，将对应表内的光的波长区域R、G、B的辉度Rt、Gt、Bt标准化，而使以下所示的变量为两个(例如，仅为辉度率Rn、Gn)。
Rn＝Rt/sqrt(Rt＊Rt+Gt＊Gt+Bt＊Bt)(9)
Gn＝Gt/sqrt(Rt＊Rt+Gt＊Gt+Bt＊Bt)(10)
Bn＝sqrt(1－(Rt＊Rt)/(Rt＊Rt+Gt＊Gt+Bt＊Bt)+(Gt＊Gt)/(Rt＊Rt+Gt＊Gt+Bt＊Bt))(11)
接下来，假定法线向量Vn的Z成分Vnz仅为正。在该条件下，为了求出对应表内的法线向量Vn的X成分Vtnx(Y成分Vtny)，求出辉度率Rn、Gn作为变量的互补函数fx(fy)。互补函数fx、fy例如能够通过使用拟合自由曲面的样条插值求出。需要说明的是，使用N个(N≥4)对应关系来求出互补函数fx、fy。求出的互补函数fx、fy存储于存储部126。
这样，前段对应关系生成工序结束，前段工序也结束。
接下来，回到图7，进行照明工序(图7，步骤S4)。在照明工序中，向被测定物W照射具有特定的照射立体角IS的照明光，该照射立体角IS具备多个彼此不同的光的波长区域R、G、B的立体角区域。需要说明的是，在本实施方式中，通过使用照明装置110，照射立体角IS相对于被测定物W的各点相同。
接下来，进行拍摄工序(图7，步骤S6)。在拍摄工序中，以规定的观察立体角DS接收照明光产生的被测定物W的物体光而对图像进行拍摄。
接下来，进行计算工序(图7，步骤S8)。在计算工序中，基于图像的各像素中识别的光的波长区域R、G、B，能够从构成物体光的多个立体角区域RS1(IS1)、RS2(IS2)、RS3(IS3)与规定的观察立体角DS之间的包含关系求出与各像素对应的被测定物W各点的法线向量Vn。
具体地说，从存储部126提取对应表，在识别的光的波长区域R、G、B的辉度Rc、Gc、Bc与对应表的光的波长区域R、G、B的辉度Rt、Gt、Bt一致的情况下，就这样将对应的法线向量Vn作为求出的法线向量。在不一致的情况下，将识别的光的波长区域R、G、B的辉度Rc、Gc、Bc标准化，求出辉度率Rn、Bn。接下来，从存储部126读取互补函数fx、fy，算出对应的法线向量Vn。
需要说明的是，可以不使用对应表，直接将识别的光的波长区域R、G、B的辉度Rc、Gc、Bc标准化而求出辉度率Rn、Bn。接下来，从存储部126读取互补函数fx、fy，算出对应的法线向量Vn。
或者，即使在不一致的情况下，也可以不使用互补函数fx、fy，而使用对应表的多个对应关系，近似地算出对应的法线向量Vn。以下对其进行说明。
例如，首先，求出能够判断为识别的光的波长区域R、G、B的辉度Rc、Gc、Bc近似值的对应表内的M个(M组)辉度Rt、Gt、Bt和辉度Rc、Gc、Bc的辉度平方差之和SUM(M≥N≥4，需要说明的是，M可以为对应表内的全部)。
SUM＝(Rc－Rt)＊(Rc－Rt)+(Gc－Gt)＊(Gc－Gt)+(Bc－Bt)＊(Bc－Bt)(12)
接下来，以最接近辉度平方差之和SUM的顺序，选择N个(N组)辉度Rt、Gt、Bt。接下来，通过对应表求出与它们对应的N个法线向量Vn。
然后，可以通过对求出的N个法线向量Vn进行平均，相对于识别的光的波长区域R、G、B的辉度Rc、Gc、Bc求出法线向量。
然后，进行形状复原工序(图7，步骤S10)。形状复原工序从法线向量Vn求出被测定物W各点的倾角信息并考虑像素尺寸而对被测定物W的形状进行复原。
这样，在本实施方式中，向被测定物W照射具有特定的照射立体角IS的照明光，该照射立体角IS具备多个(三个)彼此不同的光的波长区域R、G、B的立体角区域IS1、IS2、IS3。然后，基于图像的各像素中识别的光的波长区域R、G、B，从构成物体光的多个立体角区域RS1、RS2、RS3与规定的观察立体角DS之间的包含关系求出与各像素对应的被测定物W各点的法线向量Vn。因此，通过能够在各像素中利用相应的辉度检出各波长区域R、G、B，从而能够求出稳定且精度高的法线向量Vn。同时，能够从法线向量Vn对被测定物W的形状进行复原，从而迅速且高精度地进行形状复原。
并且，在本实施方式中，将滤光部114配置于照射光轴L1上的透镜部116的焦点距离f附近，照射立体角IS相对于被测定物W各点相同。因此，能够将所有的被测定物W各点的均匀信息写入拍摄的图像。即，能够不依赖场所地将被测定物W表面的信息均等定量化并复原形状而进行评价。需要说明的是，并不限于此，也可以不将滤光部配置于照射光轴L1上的透镜部的焦点距离f附近。取决于被测定物W，也存在仅得到照射光轴L1的极其附近的被测定物W各点的高精度信息即可的情况。
并且，在本实施方式中，滤光部114为使多个立体角区域IS1、IS2、IS3围绕照明光的照射光轴L1设置，围绕照射光轴L1具备彼此不同的滤光区域CF1、CF2、CF3。因此，在以照射光轴L1为旋转轴而存在多个成为相同倾斜角的法线向量Vn时，能够在对它们区分的状态下将它们求出。即，能够从法线向量Vn忠实地再现被测定物表面的倾角(使照射光轴L1成为旋转轴的倾斜角的方向)。
需要说明的是，具体地说，在本实施方式中，使用了图3(A)所示的滤光部114，但并不限于此，也可以如图3(B)那样。在该情况下，滤光部114仅将照射光轴L1附近作为均匀的滤光区域CF4，除此之外，具备与图3(A)同样的滤光区域CF1、CF2、CF3。因此，通过使用该滤光部114，能够检出法线向量Vn的微小倾角并削减求出法线向量Vn的工作量，能够仅检出必要的倾角。
或者，也可以如图3(D)那样。在该情况下，滤光部114具备两个呈同心圆状的与图3(A)同样的构成。也就是说，该滤光部114围绕照射光轴L1具备彼此不同的滤光区域CF21、CF22、CF23，进一步在其外侧具备彼此不同的滤光区域CF11、CF12、CF13。因此，通过使用该滤光部114，能够与图3(A)的滤光部114相比更加精细地检出法线向量Vn的倾角。
当然，也可以如图3(C)那样。在该情况下，与图3(A)不同，滤光部114相对于照射光轴L1，呈同心圆状地具备彼此不同的滤光区域CF1、CF2、CF3、CF4。也就是说，对于该滤光部114来说，在存在多个相对于照射光轴L1成为相同倾斜角的法线向量时，在不对它们进行区分的状态下精细求出倾斜角度的陡度。因此，虽然没有照射光轴L1的旋转方向周围的信息，但是在判别被测定物W是否良好时，能够缩短形状复原时的处理时间且减少工作量，能够使该判别变得容易。
需要说明的是，图3(F)～图3(H)分别表示与图3(B)～图3(D)的滤光部114对应的照射立体角IS和立体角区域IS1、IS2、IS3、IS4、IS11、IS12、IS13、IS21、IS22、IS23。
并且，在本实施方式中，滤光部114使作为光属性的光的波长区域R、G、B彼此不同。因此，在法线向量Vn没有倾斜的状态(被测定物W没有倾角的状态)下成为白色光，能够在视觉上直观识别没有倾角的状态。并且，在没有倾角的状态下，由于是白色光，因此也能够容易地判别正对的被测定物W自身的色调。同时，能够在拍摄装置CM继续使用通常的C计测D彩色相机或CMOS彩色相机。因此，能够低成本且容易地实现光属性的识别。需要说明的是，并不限于此，光的波长区域可以不是R、G、B三个，是两个以上即可。并且，该颜色的波长区域也可以不是红色波长区域、绿色波长区域、蓝色波长区域，可以将别的颜色的波长区域组合使用。
需要说明的是，作为光属性，除了光的波长区域R、G、B以外，也包含偏光状态、辉度等。也就是说，例如能够以偏光状态为光属性。此时，例如在滤光部中使用使光的偏转状态变化的偏光板等。并且，可以在拍摄装置CM使用对应的偏光板来识别光属性。
并且，在本实施方式中，在照明工序的前段具有前段工序，在前段工序中，使用作为特定样板的基准球来替代被测定物W，进行前段照明工序和前段拍摄工序，另外，进行求出光的波长区域R、G、B和法线向量Vn的对应关系的前段对应关系生成工序。即，由于预先求出光的波长区域R、G、B和法线向量Vn的对应关系，因此能够迅速且稳定地进行被测定物W的拍摄从而测定并复原形状。同时，在求出光的波长区域R、G、B和法线向量Vn的对应关系时，除了将被测定物W变为特定的样板以外，能够继续在图像测量装置100中使用被测定物W的测定时的配置和构成。因此，能够高效地循序进行前段工序至形状复原工序。另外，由于特定的样板是基准球，因此能够只进行一次前段拍摄工序即可，并且能够容易且迅速地求出光的波长区域R、G、B与法线向量Vn之间的对应关系。
需要说明的是，并不限于此，也可以没有前段工序。在该情况下，可以在计算工序中，求出光的波长区域R、G、B与法线向量Vn之间的对应关系而求出法线向量。或者，在识别光的波长区域R、G、B之后，操作者可以使用未图示的输入装置在任意一个最优位的光的波长区域中对法线向量进行直接指定，例如可以使用光线追踪法等模拟方法求出法线向量。或者，可以通过不同的构成或不同的手法进行前段工序。例如，可以使用与图像测量装置100不同的装置，也可以在图像测量装置100中使用不同的照明装置或拍摄装置CM。
或者，作为特定的样板，可以不是基准球而使用基准平面(需要说明的是，基准平面是指，表面的波纹和粗糙度相对于想要测定的法线向量的倾角能够无视状态的平面。并且，被测定物W可以是接下来进行测定的物体，可以是相同形状的其他物体，也可以是完全不同形状的物体)。
例如，如果将基准平面作为特定的样板使用，则进行以下这样的工序。
首先，利用照明装置110对基准平面进行照射而拍摄基准平面。此时，使基准平面相对于观察光轴L2倾斜的角度不同，而进行多次(N≥4)拍摄。之后，分别求出与倾斜的角度对应的法线向量Vn。之后，求出与各自的法线向量Vn对应的光的波长区域R、G、B的辉度Rc、Gc、Bc。此时的辉度Rc、Gc、Bc通过仅对拍摄的图像内的基准平面部分取平均而求出。由此，如图10所示，求出表示光的波长区域R、G、B与法线向量之间的对应关系的对应表。需要说明的是，这里说明的步骤表示除去图8(A)、(B)中步骤S233的工序。
当然，也可以继续使用被测定物W本身。在该情况下，进行以下工序。
首先，利用照明装置110照射被测定物W并决定假想基准平面。例如，该假想基准平面能够通过计算图像内的被测定物W部分中的光的波长区域R、G、B的辉度Rc、Gc、Bc的变化量，求出该变化量最少的区域来决定。决定了该假想基准平面之后，之后的工序与上述的使用基准平面的情况为相同的工序。因此，省略以后的说明。
并且，在本实施方式中，处理装置120具备存储光的波长区域R、G、B与法线向量Vn之间的对应关系的存储部126，计算部124基于该对应关系求出法线向量Vn。因此，即使该对应关系复杂，也能够在计算部124适当读取并使用该对应关系。并且，对应关系作为对应表而构成。因此，计算部124中所需的计算量变少，从而能够迅速地求出法线向量Vn。同时，对应关系作为互补函数fx、fy构成。因此，通过使用互补函数fx、fy，即使相对于对应表中没有对应的光的波长区域R、G、B的辉度Rc、Gc、Bc，也能够迅速地求出法线向量Vn。
需要说明的是，并不限于此，也可以没有存储部。在该情况下，也可以直接从外部将上述对应关系读取至计算部。或者，可以是在每次求出法线向量Vn时，都求出对应关系的构成。或者，可以不构成对应表，仅构成互补函数fx、fy。或者，可以构成对应表而不构成互补函数fx、fy。或者，可以不构成对应表也不构成互补函数。在该情况下，对于得到的光的波长区域R、G、B的辉度Rc、Gc、Bc，操作者可以直接决定法线向量。
并且，在本实施方式中，对法线向量Vn进行标准化。因此，能够使求出对光的波长区域R、G、B与法线向量Vn的对应关系进行规定的对应表和互补函数fx，fy时的参数减少。因此，能够减少对应表所需的存储容量，并且能够减少用于算出互补函数fx、fy的计算量。需要说明的是，并不限于此，也可以使用没有进行标准化的法线向量V。
即，在本实施方式中，能够迅速地复原对被测定物W进行了拍摄的图像内的被测定物W各点的信息。
需要说明的是，在第一实施方式中，照明装置110具备光源部112、滤光部114、透镜部116、半反射镜118，本发明并不限于此。例如，可以如图11所示的第二实施方式那样。在第二实施方式中，与第一实施方式不同，可以进一步在光源部212和滤光部214之间具备第二滤光部213。因此，对于第二滤光部213之外的要素，变更附图标记的第一位而省略说明。
在本实施方式中，第二滤光部213在照射光轴L1上配置配置在光源部212与滤光部214之间。第二滤光部213可以与滤光部214同样地具备对照明光进行遮光的光圈和使光属性变化的滤光区域。将第二滤光部213配置在该像在被测定物W的表面成像的焦点位置附近。因此，通过第二滤光部213，能够防止杂散光，并且能够进行照明光进一步的均匀化和复杂的光属性的变更等。
需要说明的是，在上述实施方式中，图像测量装置将被测定物W的反射光作为物体光接收而进行被测定物W的测定，但本发明并不限于此。例如，可以如图12所示的第三实施方式那样。在第三实施方式中，与上述实施方式不同，将透过被测定物W的光作为物体光接收而进行被测定物W的测定。因此，在本实施方式中，即使是被测定物W难以反射照明光而容易透过的材质，也能够对测定物W的形状进行测定和复原。
需要说明的是，在上述实施方式中，照射光轴L1和观察光轴L2为同轴，本发明并不限于此。例如，可以如图13、图14所示的第四实施方式那样。在第四实施方式中，与上述实施方式不同，是照射光轴L1和观察光轴L2在被测定物W的表面相交的构成。作为照射光轴L1和观察光轴L2在被测定物W的表面以角度ω相交构成的结构，对于变更、追加要素之外的要素来说，变更附图标记的第一位，而省略说明。
在本实施方式中，具备能够使被测定物W绕观察光轴L2旋转的旋转台RT。并且，处理装置420具备图像保持部422、计算部424、控制部425、存储部426、形状复原部428。在本实施方式中，由于在处理装置420中仅控制部425与上述实施方式不同，因此仅对控制部425进行说明。控制部425向旋转台RT输出控制旋转台RT的旋转驱动的信号。需要说明的是，旋转角的指示通过未图示的输入装置或者存储于存储部426的程序进行。并且，控制部425向计算部424输出旋转台RT的旋转角信号。计算部424将旋转台RT的旋转角信号与此时得到的图像关联，而从多个立体角区域IS1、IS2、IS3与规定的观察立体角DS之间的包含关系求出与各像素对应的被测定物各点的法线向量。
接下来，使用图14，对图像测量装置400中的被测定物W的形状复原的程序进行以下说明。需要说明的是，由于前段工序、照明工序、拍摄工序、计算工序和形状复原工序的详细情况与第一实施方式是同样的，因而省略说明。
首先，进行前段工序(图14，步骤S2)。接下来，进行照明工序(图14，步骤S4)。接下来，进行拍摄工序(图14，步骤S6)。
接下来，进行旋转工序(图14，步骤S7)。在本实施方式中，照明装置410的多个立体角区域IS1、IS2、IS3相对于观察立体角DS的观察光轴L2不旋转对称。因此，旋转工序在每一次拍摄工序，使被测定物W围绕观察光轴L2旋转规定的角度θ1。需要说明的是，该规定的角度θ1为将照明装置410的照射立体角IS向被测定物W的表面投射时所占的平面角度以下。该旋转工序在将上述照明工序和拍摄工序(只要照明条件经过旋转工序也不会变化，则仅拍摄工序即可)进行规定次数NN之后进行所述计算工序。需要说明的是，规定的次数NN满足以下的公式。
NN＝360/θ1(13)
接下来，进行计算工序(图14，步骤S8)。在计算工序中，在考虑照射光轴L1与观察光轴L2相交的角度ω以及规定的角度θ1的基础上，求出法线向量Vn。接下来，进行形状复原工序(图14，步骤S10)。
由此，在本实施方式中，即使在被测定物W的表面存在大的倾斜，也能够不依赖测定方向地对该倾角进行各向同性地测量、再现。
需要说明的是，该旋转台RT即使在照射光轴L1与观察光轴L2一致的同轴落射照明光的情况下也有效。例如，在滤光部的滤光区域围绕照射光轴L1不旋转对称的情况下，存在法线向量Vn的测定精度产生方向依存性的可能。因此，通过在第一实施方式的图像测量装置中使用这样的旋转台RT，能够改善法线向量Vn的测定精度的方向依存性。
需要说明的是，在上述实施方式的图像测量装置中，表示的是对被测定物W的图像进行处理，对所述被测定物的形状及进行测定，直至复原，但本发明并不限于此。例如，也可以如图15所示的第五实施方式那样。在第五实施方式中，与上述实施方式不同，计算部524具备进一步将与预先保存的被测定物W各点的法线向量Vnb与从新拍摄的被测定物W求出的各点法线向量Vn进行比较而提取出彼此不同部分的整合判定部524A。因此，对于与整合判定部524A的功能相关的计算部524、存储部526、形状复原部528以外的要素来说，变更附图标记的第一位，而省略说明。
在计算部524中，首先，针对被测定物W，求出全部的法线向量，使它们分别在二维(XY平面)与各像素关联(将它们称为法线向量群)。接下来，使该法线向量群例如以1deg为节点旋转360次而保存于存储部526。即，在存储部526存储有360个法线向量群(法线向量Vn预先标准化)。它们成为预先保存的被测定物W各点的法线向量Vn。
与此相对，在进行新的被测定物W的拍摄时，计算部524求出该被测定物W各点的法线向量Vn。之后，计算部524将它们在二维(XY平面)分别与各像素关联而构成法线向量群。之后，计算部524求出该法线向量群与预先存储于存储部526的360个法线向量群各自的平方差之和(模式匹配)，将该值最小的(最模式匹配情况的)一个法线向量群读取至整合判定部524A。之后，在整合判定部524A中，将从存储部526读出的最模式匹配的法线向量群与新求出的法线向量群比较。之后，在整合判定部524A中，求出法线向量Vn彼此不同的部分，计算该不同部分的法线向量的差。在该差为某一阈值以上的情况下，整合判定部524A添加该位置为缺陷的信息(将此称为缺陷信息)。之后，整合判定部524A将缺陷信息和新求出的法线向量群向形状复原部528输出。
形状复原部528基于整合判定部524A的输出，在添加缺陷信息的状态下对被测定物W的形状进行复原。或者，将存在缺陷信息的部分和该缺陷信息进行复原。
这样，在本实施方式中，通过具备整合判定部524A，能够在被测定物W中判别不同的部分，能够容易地进行缺陷的检出。
工业实用性
本发明能够在向被测定物照射照明光，对拍摄的图像进行处理，对所述被测定物的形状进行复原的形状复原方法和利用该方法的图像测量装置中广泛使用。
附图标记说明
100、400、500…图像测量装置；
110、210、310、410、510…照明装置；
112、212、312…光源部；
114、214、314…滤光部；
116、216、316…透镜部；
118、218…半反射镜；
120、420、520…处理装置；
122、422、522…图像保持部；
124、424、524…计算部；
126、426、526…存储部；
128、428、528…形状复原部；
213…第二滤光部；
425…控制部；
524A…整合判定部；
B、G、R…波长区域；
Bc、Bt、Gc、Gt、Rc、Rt…辉度；
Bn、Gn、Rn…辉度率；
CF1、CF2、CF3、CF4、CF11、CF12、CF13、CF21、CF22、CF23…滤光区域；
CM…拍摄装置；
Cx、Cy…球投影像中心；
DD…显示装置；
DS…观察立体角；
DS1、DS2、DS3、IS1、IS2、IS3、IS4、IS5、IS11、IS12、IS13、IS21、IS22、IS23、RS1、RS2、RS3…立体角区域；
f…焦点距离；
fx、fy…互补函数；
IMC…图像捕捉器；
IMP…图像处理装置；
IS、IS’…照射立体角；
JG…基准球；
JG-IMG…基准球的图像；
L…范围；
L1…照射光轴；
L2…观察光轴；
L3…反射光轴；
LS…以往照明；
M、NN、N…次数；
P、P’…位置；
r、R0…半径；
RS…反射立体角；
RT…旋转台；
V、Vn、Vnb、Vtn…法线向量；
Vnx、Vtnx、Vx…X成分；
Vny、Vtny、Vy…Y成分；
Vnz、Vtnz、Vz…Z成分；
W…被测定物；
θ、θ1、
Figure BDA0003667216680000191
ω…角度。

Claims (18)

1.一种形状复原方法，向被测定物照射照明光，对拍摄的图像进行处理而对所述被测定物的形状进行复原，其特征在于，包含：
照明工序，其向所述被测定物照射具有特定的照射立体角的所述照明光，所述特定的照射立体角具备光属性彼此不同的多个立体角区域；
拍摄工序，其以规定的观察立体角接收通过所述照明光产生的来自所述被测定物的物体光而对所述图像进行拍摄；
计算工序，其基于在该图像的各像素中识别的该光属性，从构成所述物体光的所述多个立体角区域与所述规定的观察立体角之间的包含关系求出与所述各像素对应的所述被测定物的各点的法线向量；
形状复原工序，其从该法线向量求出所述被测定物的各点的倾角信息而对所述被测定物的形状进行复原。
2.根据权利要求1所述的形状复原方法，其特征在于，
所述照射立体角相对于所述被测定物的各点相同。
3.根据权利要求1或2所述的形状复原方法，其特征在于，
所述多个立体角区域绕所述照明光的所述照射立体角的照射光轴设置。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的形状复原方法，其特征在于，
所述光属性为光的波长区域。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的形状复原方法，其特征在于，
在所述照明工序的前段具有前段工序，
在该前段工序中，使用所述被测定物自身或特定的样板来代替所述被测定物，进行所述照明工序和所述拍摄工序，另外，进行求出所述光属性与所述法线向量之间的对应关系的对应关系生成工序。
6.根据权利要求5所述的形状复原方法，其特征在于，
所述特定的样板为基准球或基准平面。
7.根据权利要求5或6所述的形状复原方法，其特征在于，
所述对应关系作为对应表而构成。
8.根据权利要求5至7中任一项所述的形状复原方法，其特征在于，
所述对应关系作为互补函数而构成。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的形状复原方法，其特征在于，
所述法线向量进行了标准化。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的形状复原方法，其特征在于，
在所述多个立体角区域相对于所述观察立体角的观察光轴不旋转对称的情况下，在所述拍摄工序之后，进行使所述被测定物以规定的角度绕所述观察光轴旋转的旋转工序，在进行规定次数的所述照明工序和所述拍摄工序之后进行所述计算工序。
11.一种图像测量装置，对被测定物的形状进行测定，具备：照明装置，其向被测定物照射照明光；拍摄装置，其对所述被测定物进行拍摄而输出图像；处理装置，其对该图像进行处理；所述图像测量装置的特征在于，
所述照明装置具有：光源部，其射出所述照明光；透镜部，其以特定的照射立体角将所述照明光向所述被测定物照射；滤光部，其在所述光源部与所述透镜部之间，将所述特定的照射立体角内分离为具有彼此不同的光属性的多个立体角区域，
所述拍摄装置以规定的观察立体角接收通过所述照明光产生的来自所述被测定物的物体光，所述拍摄装置的各像素能够彼此识别所述不同的光属性，
所述处理装置具备：计算部，其从构成所述物体光的所述多个立体角区域与所述规定的观察立体角之间的包含关系求出与所述各像素对应的所述被测定物的各点的法线向量；形状复原部，其从该法线向量求出所述被测定物的各点的倾角信息而对所述被测定物的形状进行复原。
12.根据权利要求11所述的图像测量装置，其特征在于，
所述滤光部配置于所述照明光的照射光轴上的所述透镜部的焦点距离附近。
13.根据权利要求11或12所述的图像测量装置，其特征在于，
所述滤光部具备绕该照射光轴彼此不同的滤光区域而使所述多个立体角绕所述照明光的照射光轴设置。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的图像测量装置，其特征在于，
作为所述光属性，所述滤光部使光的波长区域彼此不同。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的图像测量装置，其特征在于，
所述处理装置具备对所述光属性和所述法线向量的对应关系进行存储的存储部，所述计算部基于该对应关系求出该法线向量。
16.根据权利要求11至15中任一项所述的图像测量装置，其特征在于，
所述处理装置对所述法线向量进行标准化。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的图像测量装置，其特征在于，
具备旋转台，该旋转台能够使所述被测定物围绕观察光轴旋转。
18.根据权利要求11至17中任一项所述的图像测量装置，其特征在于，
所述计算部进一步具备整合判定部，该整合判定部对预先保存的所述被测定物的各点的所述法线向量与从新拍摄的所述被测定物求出的各点的所述法线向量进行比较，提取彼此不同的部分。
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