TWI286598B - Pattern light irradiation device, three-dimensional shape measuring device, and method of pattern light irradiation - Google Patents

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1286598 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於將具有圖案之光照射物體之圖案光照射装 • 置及圖案光照射方法，以及使用該圖案光照射裝置之三次 元形狀計測裝置。 【先前技術】 於三次元形狀計測裝置，有藉由對於計測對象之物體投 Φ 影光圖案，將照射圖案使用條紋解析法等位相解析手法解 析付到對象之二次元資訊（咼度資訊）者。更詳細地說明如 此之裝置，則首先，藉由由光源經由圖案形成板向計測對 象照射光，對計測對象投影圖案形成板之像。然後，攝影 投影圖案形成板之像之計測對象，得到圖像。其次，將在 於圖像之圖案形成板之像之圖案，與未設置計測對象時 (即只有基準平面時）之圖案比較，基於設置計測對象而產 生的圖案之偏移量（位相變化量）算出高度資訊。 _ 在此，作為投影於計測物體之圖案，主要使用正弦波圖 案。此係，相對於使用矩形波圖案時只有明部與暗部之境 ” 2部分能使用於計算，使用正弦波圖案時，可基於波的任 意部分算出高度，可提升解析度。 Μ 使用圖11〜圖13說明三次元形狀計測裝置之測定方法之 例。圖11 (a)、圖11 (b)係表示計測對象之一例者，分別 將计測對象由上面、侧面所視之圖。對如此之計測對象照 射正弦波圖案光，則成如圖12之左圖。再者，於圖中，未 表現中間調部分以黑或白的2值表現條紋模樣，實際的條 113350 1286598 紋模樣係具有梯度的漸層。 如圖12之左圖所示，對有高度的物體照射正弦波圖案 光，則正弦波的條紋模樣將依照物體的高度而變化。圖12 之右圖，係表示在於未設置物體之基準平面之照射圖案， 及在於物體之照射圖案，於圖案之左右方向之位置與亮度 值之關係之圖表。如同圖所示，投影於具有高度之物體之 正弦波圖案，會產生位相偏移。由該位相偏移量，基於圖 13所示三角測量原理可算出高度。 於如此之三次元形狀計測裝置之圖案光照射裝置，為照 射正弦波圖案光使用如下所示之各種手法。首先，作為第 1手法，可舉將光照射為投影正弦波而形成有正弦濃淡圖 案之膜之手法。於該手法，於膜形成漸層（濃淡）以形成正 弦波圖案光。再者，濃淡的形成，係藉由使用齒化銀等感 光粒子之感光或以喷墨印表機等之印刷進行。 又，作為第2手法，可舉藉由液晶投影機照射正弦波之 光圖案之手法。於忒手法，藉由液晶元件形成正弦濃淡圖 案，並且藉由投影機將該濃淡圖案對計測對象投影。此 時，濃淡可藉由調節各個液晶元件之穿透率而實現。 然後，第3手法，係藉由對具有細微狹縫之繞射光柵昭 射光而照射正弦波圖案之手法。於該手法，藉由適當地調 節狹縫的寬度或間隔引起光的繞射’藉由繞射光之干涉作 用形成正弦波圖案光。 又’作為第四手法’以藉由變調用信號經時地使振幅 (亮度）產生變調之光掃描計測對象之手法。於該手法，使 113350 1286598 光產生振幅變調而使時間與亮度之關係以正弦函數顯示， 藉由以该光知描什測對象，對計測對象照射正弦波圖案。

於專利文獻1揭示有如下手法。於引用文獻1，記載有使 用微透鏡陣列之位置測定裝置。該位置測定裝置，包含： 光源；散射板，其係使來自光源之光散射；狹縫光罩，其 係使穿透散射板之光選擇性地穿透；及透鏡陣列，其係設 於狹縫光罩之前方。於該測定裝置，結由組合狹縫與透鏡 陣列，透鏡陣列之各個透鏡分別發揮虛擬光源之作用。然 後，藉由適當地調節陣列透鏡之焦點，使來自鄰接之透鏡 相互之光重疊形成虛擬正弦波圖案。 [專利文獻1]日本特開平8_313209號公報（平成8年〇996) 11月29日公開） [專利文獻2]日本特開平7-19825號公報（平成了年丨丨的勾j 月20曰公開） 但是’上述先前技術，有各種問題。例如，在對於形成 濃淡圖案之膜照射光之手法，ώ 接 丁古，甶膜構成之圖案形成板之大 小將成問題。對此詳述如下。 近年，此種三次元形狀計測裝置多㈣於半導體之構裝 基板等之檢查。此係，藉由斗| 一 由汁測各。p之向度，檢測出零件 的安裝錯誤或焊接不良等。於 ^ 於此，為作正確的檢查，需要 μηι等級的高解析度，惟為 捉同解析度，需要使正弦波圖 案的間距（週期）變小。例如， 亏慮由形成有上述濃淡之膜 所構成之圖案形成板，於1葙 电士 、 予内才又衫200週期的正弦波圖 累日守。為在膜上形成正弦遺* + μ /辰，炎圖案，需將濃淡以感光粒子 Π3350 1286598 或印刷用粒子構成之圖點表現。例如，1個粒子之尺寸 為5 μιη，將用於正弦波圖案之濃淡以256階調（8位元）表現 時，於1週期正弦波所需的膜尺寸將成為 . 5(μιη)χ256(階調）χ2=2560(μηι)。 • 然後，將此製作200週期分，則膜的尺寸需要 2560(μηι)χ200(週期）=512(mm)。 此，即，代表需要將通過膜之光以成像圈512 mm以上的 φ 透鏡聚光。如此之透鏡顯著地比使用於通常的35 mm底片 用相機的43 mm程度的成像圈的透鏡為大，而非常的高 價。因此，會增大圖案光照射裝置之成本。此，對藉由液 晶元件形成正弦濃淡圖案之手法亦相同。 又，使用繞射光栅照射正弦波圖案的方法，由於利用光 的繞射現象，光源需要是單一波長。即，需要特殊的光 源，故增大圖案光照射裝置之成本，且難以小型化。 另方面藉由變5周用彳§就使振幅經時地產生變化變調 • 《光掃描計測對象之手法，並不適於解析攝影之圖像。其 理由如下。於捕捉計測對象之某一瞬間之圖像只能攝影正 •弦波圖案的一部分，無法藉由一次的攝影所得之圖像算出 橫跨視野全體之高度。 又，於使用記載於專利文獻丨之微透鏡陣列之手法，則 由=用於微透鏡陣列之各透鏡限定於單板（單透鏡）構成， 故若光源並非單一波長時，依照由光源 離變化，或殘留色相差之影響…需要單一波長、= 源。因此，會產生與使用繞射光栅時同樣的問題。 113350 1286598 又’於制微透鏡陣列之手法，有無法容易地進行變更 照射圖案的形狀之問題°於通常的三次元形狀測定，為使 高度方向的解析度變化需要變化正弦波圖案的間距。又， 列全體更換。由於微透鏡陣列全懸之更換需要龐大的成 本，無法容易地進行照射圖案的變更。 想要與三次元形狀的測定’一起攝影對象物全體或一部分 與樣板圖像進行圖案比對時，不是圖案光，而需要照射具 有同樣亮度的《，即沒有圖案的光。如此地需要使圖案形 狀變化時，於使用微透鏡陣列之手法，則需要將微透鏡陣

本發明係有雲於上述問題點而完成者，解決先前技術所 具有的上述諸問題，實現以低成本可照射適於圖像處理之 正弦波圖案光之圖案光照射裝置。 【發明内容】 關於本發明之圖案光照射裝置，其特徵在於：其係用以 將具有圖案之光照射於對象物者，為解決上述課題，且包 含·圖案形成板，其設有複數開口部；光照射機構，其係 用以對上述圖案形成板照射光；及投影透鏡，其係用以將 由上述光照射機構照射且通過上述圖案形成板之開口部之 光一體地聚光，將聚光之光導向上述對象物，上述投影透 鏡配置成上述圖案形成板之像不成像於對象物而被投影為 正弦波圖案。 根據上述構成，對光照射機構藉由對具有開口部之圖案 形成板照射光，於圖案形成板之後方，藉由圖案形成板之 開口部與其以外之光罩部形成略圖案形成板之像。然後， 113350 -10- 1286598

形成之圖㈣成板之像，以投影透鏡聚光，投影於對象 物。在此，投影透鏡之位置，係使藉由圖案成形板所形成 之圖案形成板之像不成像於對象物地，由對焦之位置偏離 配置。藉此，像的輪摩’即圖案形成板之開口部與光罩部 之境界部分之對比變弱，像成由開口部中央像光罩部光的 亮度圓滑地降低。即，投影於對象物之開口部的像的亮 度，以開口部之中央為頂點之圓滑的山狀。再者，藉由適 當地設^開口部之間隔，通過鄰接之開口部之光束會相互 重疊’故光罩的亮度，成以光罩部之中央為底之圓滑的谷 狀。結果’使開口部之中央為最大，光罩部之中央為最 小，而可對對象物照射虛擬正弦波的圖案光。 如以上，於本發明，於再現正弦波圖案之濃度梯度時， 並未如使用±述之膜或⑨晶投影機《先前技術以離散化 (量子化）的圖點之濃淡（膜之情形為印刷用粒子、液晶投影 機之情形為液晶元件）表現，以焦點偏移之類比的手法再 現。因此，於正弦波圖案1週期所需的圖案形成板之尺 寸，可以較利用印刷用粒子或液晶元件之濃淡之先前技術 對此詳細說明，則於本發明，於圖案形成板之開口部之 1間距相當於正弦波圖案的1週期。於此，由於圖案形成 板，係以開口部與光罩部之2值得區域形成，故較使用再 現上述濃淡之膜或液晶元件構成圖案形成板時，可容易地 使開口部的間距變小。藉此，可使形成所期望的波數的正 弦波圖案之圖案形成板之尺寸變小。結果，可使投影穿透 113350 1286598 圖案形成板之光之投影透鏡小型化，可抑制圖案光照射裝 置之製造成本。換言之，使用同-尺寸的投影透鏡時，; 照射含有較先前技術多的波數之正弦波圖案。 . 再者，由於係藉由類比的方法形成正弦波，可較利用離 . 散的圖點的濃淡之先前技術，形成接近原本的正弦波之極 細微的正弦波圖案。 又，本發明之構成，並非限定於如微透鏡陣列，投影透 • 境的構成以單板構成（單透鏡）者。因此，使用之光源並/非 限定於單一波長之光源，可容易地抑制照射正弦波圖案光 之装置之製造成本或小型化。 又，根據本發明之構成，與使用變調用信號時序列地進 行振幅（亮度）變調之光掃描對象物者相異，可對於對象物 一直投影正弦波圖案的全區域。藉此，將該圖案光照射裝 置使用於三次元形狀計測裝置等時，可基於某一瞬間攝影 之圖像，求得欲求之區域全體之高度資訊。即，攝影正弦 籲 波圖案之圖像時，可提高快門速度。因此，亦可適用於如 基板檢查裝置等，邊使對象物與攝影裝置相對地移動而計 • 測之情形，或計測形狀時時刻刻再變化之對象物時。 _ 如以上，根據本發明，可解決先前技術所具有之上述諸 問題，並且實現可以低成本將適於照射圖像處理之正弦波 圖案光之圖案光照射裝置。 又’上述圖案形成板鄰接之2個開口部之間隔較該開口 部之開口寬度為大為佳。 先則’如專利文獻2所示，使用於如此之裝置之光源， 113350 -12- 1286598 八光線之方向（指向性），並不一定有齊，投影之光罩部之 像中央4分的亮度，藉由由左右開口部繞進的光重疊而有 升的倾向。藉此，增加射圖案的暗部之亮度，引起照射 圖案的對比降低。因此，照射圖案的SN比降低，而產生使 十測精度降低之問題。該問題，係為增加照射圖案的往返 數，使開口部的間距變小地減少光罩寬度時將更佳顯著。 於本發明，使開口部的間隔（即光罩寬度）較開口寬度為 ^，即，藉由使光罩部的中央遠離開口部，可減少從開口 部^進光罩部的像的中央部分的光量。藉此，彳降低於光 罩部之像之中央之亮度。即，可降低正弦波圖案之最小亮 度值，藉此，增大正弦波圖案之振幅。此表示，正弦波圖 案的對比上升，SN比變大。因此，使用該正弦波測定對象 物之高度資訊，則可以高精度測定。 又上述投影透鏡係串聯設置複數單透鏡之複合透鏡為 佳。 ” 根據上述構成，藉由組合複數單透鏡，可減輕對應光波 長差之色相差。藉此，不依光的波長，可以一定的條件照 射正弦波圖案光。 又上述圖案形成板包含複數液晶元件，上述圖案形成 ，之開口部及由該開口部所夾之光罩部係由有無對上述液 晶凡件施加電壓所形成為佳。 根據上述構成，某液晶元件作為開口部作用或作為光罩 2作用，即使光穿透或遮斷係以對該元件有無施加電壓決 疋。因此，只要使施加電壓變化，即可容易地切換於該元 】】335〇 1286598 件由光源之光之穿透/遮斷。藉此，可簡便地進行，例如 為使解析度變化而變化圖案的間距，或將對象物全體攝影 與樣板圖像進行比對切換有無圖案。 又’上述光照射機構，最好是包含：光源，其係照射光 者，及聚光透鏡，其係聚集來自該光源之光，形成平行光 而導向圖案形成板者。 根據上述構成，由於藉由聚光透鏡將由光源之光聚光， 故可提高能量效率。再者，由於使用一般的光源與聚光透 鏡’可以低成本對圖案形成板照射平行光。 關於本發明之三次元形狀計測裝置，其特徵在於包含： 上述圖案光照射裝置；攝影裝置，其係拍攝以上述圖案光 照射裝置投射正弦波圖案之上述對象物；及圖像解析裝 置，其係解析由上述攝影裝置所拍攝之圖像中的正弦波圖 案’算出上述對象物之高度資訊。 根據上述構成，三次元形狀計測裝置具備上述圖案光照 射裝置。因此，解決先前技術所具有之上述諸問題，且可 測定三次元資訊（高度資訊）。 又，關於本發明之圖案光照射方法，其特徵在於··其係 用以將具有®案之光照射於對象㈣，為解決上述課題， 且包含··光照射步驟，其係對設有複數開口部之圖案形成 板照射光；及投影步驟，Α #脾 、 /列八係將於上述光照射步驟通過上 述圖案形成板之光，經由為了上诚 … 街句j上述圖案形成板之像不成像 於上述對象物而離焦地配置之投 , 且心仅衫透鏡，作為正弦波圖案 光照射於上述對象物。 八 113350 -14· 1286598 於上述構成，藉由於朵 成板照射光’於圖案形成板之彳==】口部之圖案形 口部及其以外之料部㈣ 从=成板之開 影步驟，藉由使焦點偏移之透子象物。於此’於投 投影到對象物。藉此，藉^ ^將圖案形成板之像 …會在對_像， ::::::一 尤皁。P先的焭度將圓滑地 部之亮度，係成❿部:二:頂:：對象物之開。 由適當地設定開口部的間隔，通過鄰接之開口部； ^束相互重疊，於光罩部的像的亮度，成以光罩部之中央 二底之，滑的谷狀。結果，可對對象物照射，以開口部之 央為最大’光罩部之中央為最小之虛擬正弦波圖案光。 乂上在於再現正弦波圖案的濃度梯度時，亦可藉由 焦點偏移之類比性手法再現。藉此’於1週期正弦波圖案 所需的圖案形成板之尺寸’可以較利用印刷用粒子或液晶 元件之濃淡之先前技術小即可。結果，可使為將通過圖案 $成板之光投影之投影透鏡小型化，可抑制圖案光照射裝 置之製造成本。換言之，使用同一尺寸的投影透鏡時，可 較先前技術照射包含較多波數的正弦波圖案。 又，本發明之構成，並非限定於如微透鏡陣列投影透鏡 之構成為單板（單透鏡）構成者。因此，使用之光源並非限 定於單一波長之光源，可使照射正弦波圖案光之裝置之製 113350 15 1286598 造成本之抑制或小型化容易。 又，根據本發明之構成，與使用變調用信號時序列地進 行振幅（亮度）變調之光掃描對象物者相異，可對於對象物 直扠衫正弦波圖案的全區域。藉此，使用該圖案光照射 名置於二次形狀計測裝置等時，可以某瞬間攝影的圖像 為基’求得欲求之區域全體之高度資訊。因此，可良好地 使用於如基板檢查裝置等，使對象物與攝影裝置相對移動 而計測之情形，或計測形狀時時刻刻變化之對象物之情 形。 如以上，根據本發明，可解決先前技術所具有的諸問 題，且可以低成本實現可照射適於圖像處理之正弦波圖案 光之圖案光照射方法。 又上述圖案形成板鄰接之2個開口部之間隔較該開口 部之開口寬度為大較佳。 根據上述構成，藉由使開口部之間隔（即光罩寬）較開口 寬度為大，即，使光罩部之中央由開口部遠離，可減少由 開口部繞入光罩部之像之中央部分之光量。藉此，可降低 光罩。卩之像之中央之亮度。即，可降低在於正弦波圖案之 最小凴度值，藉此可增大正弦波圖案之振幅。此係，代表 正弦波圖案之對比上升，SN比變大。因此，使用該正弦波 圖案測定對象物之高度資訊，可以高精度測定。 【貫施方式】 可解決先前技術所具有的諸問題，可奏以低成本照射適 於圖像處理之正弦波圖案光之效果。 113350 -16- 1286598 如下基於圖丨至圖17說明本發明之一實施形態。於本實 施形態，使用將本發明之圖案光照射裝置，適用在用於三 次元形狀計測裝置之圖案投影單元之例加以說明。惟，本 發明之圖案光照射裝置’並非限定於三次元形狀計測裝置 用者’只要是對物體照射正弦波圖案之裝置，可適用於任 何者。 圖2係表示三次元形狀計測裝置之全體構成之圖。三次 元形狀計測裝置⑽，係對成為計測對象之物體照射圖案 光藉由將才又衫於計測對象物之圖案以條紋解析法等位相 解析手法解析得到對象之三次元資訊(高度資訊)者。三次 兀形狀相裝置1〇〇，如圖2所#，包含：圖案投影單元 (圖案光照射裝置”、投影控制器2、攝影單元3、圖像收 集·處理單元4、台控制器5、及ΧΥ移動台6。 圖案投影年元1，係對計測對象2〇〇照射具有正弦波圖案 之光者„十測對象2〇〇，例如為半導體基板等，圖案投影 單元1’係由計測對象_之法線方向成角地設置。即，計 、'’于象0係由圖案投影單元1斜斜地照射圖案光。再 圖案杈衫單元1之詳細構成將於後述。 元^且H 2 ’係控制圖案投影單元1之光量者。攝影單 〃有未不於圖之照相機與透鏡。攝影單元3，將計測 次象2〇〇攝影，將投影於計測對象之正弦波圖案之亮度 I:以圖像取得。取得之圖I，以攝影單元3轉換成電子 _貝料’傳送至圖像收集.處理單元4。 圖像收集·處理單元4,係取入攝影單元3所攝影之圖像 Π3350 1286598 之電子資料’藉錢像處理計測計測對象之三次元形狀 U度）。再者，於以圖像處理之三次元形狀計測方法，可 使用習知之各種技術。 η移動台6,錢置計測對象200之卜Χγ移動台6, 係藉由未示於圖之馬達等，可使計測對象2〇〇在水平方向 移動。此時’ΧΥ移動台6’將包含水平方向之面為ΧΥ平面 時，可於X軸方向及Υ轴方向的雙方移位。藉此，可使計 々了圃茶叔衫早兀1及攝影單元3之雙方移 動。 台控制器5’係藉由對上述χγ移動台6之馬達通電流， 停止而使ΧΥ移動台6移動者，，台控制器5如何使χγ 移動台6移動’係藉由接收上述圖像收集處理單元4之指 令而決定。 八人°兒明圖案投影單元1之詳細的構造。圖案投影單 元（圖案光照射裝置）i，如圖i所示，包含：光源10、聚光 透鏡11技衫圖案（圖案形成板）12、及投影透鏡丨3。 又於光源1〇,可使用LED、齒素燈、或氙燈等各種光源。 聚光透鏡11 ’係將由光源1〇所照射之光聚光成平行光之透 鏡。 技影圖案12，如圖3所示，係將分別具有特定寬度之長 方形（矩开y狀）之開口部及光罩部之組複數平行地，及排列 成格子狀者。換言之，透影圖案12,亦可說是具有特定開 寬之開口：以特定間隔複數設置者。於此，開口部是作 為讓光通過（穿透）之區域，而光罩部是作為不讓光通過（穿 113350 -18 - 1286598 透）之區域作用。如此地，本實施形態之圖案投影單元1， 亦可為並非具有正弦濃淡之投影圖案，而使用開口部及光 罩部之2值的區域排列成格子狀之投影圖案。 作為投影圖案12之製造方法並無特別限定者，例如，如 圖4所示，可藉由於印刷膜之表面上（印刷）油墨成格子狀而 製作’或者，亦可如圖5所示，藉由於玻璃基板上將蒸鍍 鉻以格子狀進行而製造。於本實施形態，作為更佳的形 % 悲，以矩陣狀排列之液晶元件構成投影圖案12。 使用液晶元件之投影圖案12之例示於圖6。此時，圖案 投衫單το 1，如圖6及圖7所示，進一步包含液晶圖案控制 器丨4，其係連接於液晶元件所構成之投影圖案12之各個電 極。然後，藉由液晶控制器14控制對各個液晶元件之施加 電壓之開/關，形成投影圖案丨2之開口部及光罩部。如此 地藉由液晶元件構成投影圖案12，藉由液晶圖案控制器Μ 變更對液晶元件之施加電壓之開/關，可簡便地切換對計 • 冑對象200投影之圖案。再者，作為切換圖案之場面，可 舉例如由需要正弦波光之三次元計測切換到需要均一的亮 .如以取得圖案比對用圖像之計測時，或按照計測對象 2 0 0之細微度切換圖案週期時等。 ’投料鏡13,係料案12之平行光__體聚光,照射計 測對象200之透鏡。藉此，投影圖案12之像，即包含％ 口 部及光罩部之圖案，投影到計測對象200。於此，本實施 形態之圖案投影單元i，如圖2及圖7所示，藉由投影透鏡 m吏投影計測對象細之投影_ 12之像不㈣於計測對 113350 1286598 象200地’由焦點對準之位置偏離配置投影透鏡丨3。 再者，投影透鏡13，可以僅具有1個單透鏡之單透鏡構 成’作為本實施形態之較佳形態，將2個單透鏡於光路方 向串列排列成複數透鏡之構成。再者，投影透鏡13所具有 的單透鏡數並非限定於2個，亦可為3個以上。如此地，藉 由使投影透鏡13為複合透鏡構成，即使由光源1 〇照射之光 並非單一波長的光時，可減輕因波長相異之色相差。 於如此之圖案投影單元1，由光源1〇照射之光，為提高 能量效率以聚光透鏡11聚光，照射投影圖案12。結果，藉 由照射於投影圖案12之開口部之光源樣通過，而照射於光 軍部之光被遮斷，於投影圖案12之後方形成開口部及光罩 部之像（即，圖案）。 然後’通過投影圖案12之光，藉由投影透鏡13照射計測 對象。於此’投影透鏡丨3，由於如上所述偏離焦點配置， 故通過投影透鏡13之圖案光，於計測對象2〇〇之照射面上 投影正弦波圖案。對於該原理詳述如下。 首先，投影透鏡13之焦點對準時，考慮通過投影圖案12 之光為理想的（完全的）平行光時。此時，投影圖案12之像 成像於計測對象2〇〇，投影於計測對象200之圖案之亮度， 成如圖8之實線之圖表。即，像於開口部一直顯示最大亮 度’於開口部與光罩部之境界則由最大值減少為最小值， 然後，於光罩部一值顯示最小亮度。 r、、：而貫際上由於通過圖案12之光並非理想的平行光， 如圖8的虛線所示，開口部與光罩部之境界部分會產生模 113350 -20 - 1286598 口部之中央成最大’於開σ部與光 於光罩部離開口部最遠之位置成最 於此’於本實施形態’藉由使投影透鏡13之焦點偏移， 如圖8之-點虛線所示，由開口部中央到光罩部之_之 梯度變的更緩和。然後，該光罩部的間隔，即，藉二 開口部與開口部之間之距離，可使由鄰接之開口部繞入： 光重疊。圖9係表示此時之亮度之圖表。如圖9所示，將上 述亮度(-點鎖線），與由鄰接之開口繞入之光之亮度（兩點 鎖線）重疊，成為虛擬的正弦波形狀之亮度（實線卜如此 地’亮度於開口部之中央為最大，光罩部之中央成最小的 正弦波圖案形成於計測對象200之照射面上。 ^而，於上述說明，並未提及投影圖案12之開口部與光 罩部之寬度比，而光罩部的寬度較開口部的寬度寬為佳。 對此說明如下。

糊。即’像的亮度在開 單部之境界附近減少， /J、〇 如圖19所示，由光源10照射，藉由聚光透鏡丨丨聚光之光 線，由於包含具有各種波長的光，故無法成為完全平行 光，將成具有擴散角Θ之光線。再者，該擴散角Θ之光 線’對通過聚光透鏡11之透鏡面之任何位置之光線均適 用。藉此，照射於投影圖案12之光線，並非全部對投影圖 案12之圖案形成面垂直（即，以〇。）插入，成以〇。以上〇0以 下插入。藉此，產生如上鎖樹脂光的繞入。 即’理想的平行光時，於光罩部後面完全會照射光線而 成影’但實際上，如圖1 9所示，由開口部之與光罩部之境 113350 21 1286598 界附近向光罩部以Θ。以下插入之光，繞入光罩部之後面。 藉此，亮度成最小之光罩部之像之中央部份亦有光繞入’ 使光罩部中央之亮度上升。該光罩部之中央之亮度上升， 代表將正弦波圖案之免度之最小值之上升，將使所得正弦 ，波圖案之亮度之對比降低。藉此，所得之正弦波圖案2Sn 比降低，成妨礙精確的三次元資訊之測定之要因。 對對應如此之問題，於本實施形態之圖案投影單元i， • 如圖18所示與先前之構成（開口寬：光罩部=1:1)不同，如圖 W所示，將投影圖案12之光罩部之寬度設計成較開口部之 寬度為寬。因此，繞入光罩部之像的中央之光線量減少， 可降低於光罩部之像的中央之亮度。結果，所得正弦波圖 案之壳度對比上升，可測定精確的三次元資訊。 然而，如此地投影正弦波圖案之計測對象200，將藉由 攝影單70 3攝影。然後，藉由攝影所得之圖像，作為數位 貧料傳送至圖像收集·處理單元4。其次，圖像收集·處 _ 料it 4，II由解析於收信之圖案之正㈣圖案測定計測 對象200之高度資訊。此時之解析方法可使用習知的條紋 解析手法，例如武田們之論文（j· 〇pt· s〇c. Am :美國光學 協會誌，P.72〜Pl56，1982)所記載之方法。因此，在此僅 簡單地說明條紋解析法。 例如，對上面圖以圖丨丨（a)，側面圖以圖11 (b)所示之計 測對象200照射正弦波圖案時，於計測對象2〇〇之表面上形 成之圖案，成如圖12之左圖所示。再者，於途中，雖未表 現中間調部分僅以黑或白之2值表現條紋模樣，惟實際的 113350 -22- 1286598 模樣係具有亮度梯度之漸層。 圖12之左圖所示，對有高度的物體照射正弦波圖案，則 正弦波的條文會按照物體的高度變化。圖12之右圖，係沒 有凸部之基準平面之圖案亮度，或於凸部之圖案亮度，與 掃描方向之位置之關係之圖表。如同圖所示，投影於具有 高度之物體（凸部）之正弦波圖案，會產生位相偏移。該偏 移係依存於物體之高度，藉由計測該偏移可得物體高度之 資訊。 於圖13表示高度計測原理（三角測量原理）。計測對象 2〇〇之高度係由基準平面之距離計算。於圖13，為使說明 簡單表示計測由基準平面之高度為h之平面之情形。由圖 案投影單元1投影之圖案向基準平面上的點〇之位置照射。 將圖案才又〜單it 1與攝影單元3之方向保持該狀態而計測僅 離n度h之平面時，圖案將投影於點p。即，由攝影單元3 所視’則比基帛面之攝影時’計測圖帛僅偏移距離^之 處。此相當於圖12之圖案之偏移。 曰使用該位置之偏移PQ，則可藉由圖13所示基於三角測 量原理之式⑴’算丨高度h。惟，d係攝影單元3與圖案投 衫單兀1之光軸中心間之距離，丄係由攝影單元3至基準平 面之距離’该等為已知值。再者，上述圖案之位置偏移， 由於疋如正弦波之有週期性之圖案之位置偏移，故稱為位 相差。 如此測疋之計測對象200之高度資訊（三次元形狀資 Λ)與XY平面座標作對應，可存取地記憶於設於圖像收 113350 -23- 1286598 集處理單元4之未示於圖之記憶部之資料庫。然後，用 戶，可藉由連接於圖像收集.處理單元4之未示於圖之顯 示器，瀏覽§己憶於資料庫之計測對象之三次元形狀資訊。

其次，使用圖15製圖17說明本發明之實施例。於本實施 例，作為投影圖案12，使用矩陣狀排列之液晶元件。然 後，投影圖案12之開口部之間距（即，由某開口部之中要 至鄰接此之開口部之中央之距離）為1〇〇微米。此係，相當 於l〇LP (Line Pair:對線）/mm，構成液晶元件上無需使用 特別的技術可容易地製造之值。藉由該構成，於丨視野内 投影200週期之正弦波圖案所需之尺寸為， 100(μιη)χ200(週期）=20(mm)。 因此，是使用於通常35 mm底片照相機等之透鏡即可充分 對應之尺寸。 〆、 v 一 Α·，~刀一万曲，眾 光透鏡，投影圖案，投影透鏡，及照射面之配置，如圖14 所不。具體而言，於聚光透鏡使用焦點距離8〇 ，攝影 倍率0.3倍者，使聚光透鏡與投影圖案間之距離為約乃 由投影圖案置投影透鏡之主點之距離為約5〇 mm，由投影 透鏡之主點至照射面之距離為約2 7〇 mm。藉此，投影圖 案之像，不在照射面成像而成焦點模糊之像。 表示藉由如此之圖案投影單元投影之投案之1週期分之 亮度之圖表為圖15。如圖15所示，籍由通過某開口部 光形成於照射面之党度’成如虛線。然後，藉由通過鄰接 開口部1之開口部2之光形成於照射面之亮度，成如一點鎖 113350 -24- 1286598 線。實際上於照射面形成之亮度，係成重疊該2個亮度之 實線。如圖15所示，使開口部像之中央亮度為】時，光軍 部像之中央亮度成約0.5，驗證到像之亮度，由開口部之 中央至光罩部之中央緩和地減少，由光罩部之中央至開口 部之中央緩和地增加，形成虛擬的正弦波圖案。 又，於圖16表示使投影透鏡之焦點偏移時與對準焦點時 之比較結果。於圖16,將實際投影於基準平面之圖案以攝 影f元攝影之圖像之亮度值為絲，攝影單A之像素號碼 為杈軸。然後，實線為焦點偏移時（即，本實施例），虛線 為焦點對準時（即’對照例）之圖表。於此，焦點以外為同 一條件。如圖16所示，以對準焦點之情形，由開口部之像 到光罩部之像亮度的梯度變大，有由正弦波產生走樣。對 此’於本實施例’形成接近正弦波之圖案。由該結果，驗 證了將投影透鏡之焦點偏移之配置之本實_之構成朗 照例’可投影接近正弦波之形狀之圖案。 、 最後，於圖17表示使開口部之寬度（開口寬度）與光罩部 之寬度（光罩寬度）變化時之比較結果。於圖17，將實際二 :於基準平面之圖案以攝影單元攝影之圖像之亮度值：： 攝影單元之像素號碼為橫軸。然後，實線為開口寬声 :==广.7之情形(即’本實施例)，虛線“ 寬度與先罩寬度之比為1:1之情形（即， 對照例）之圖表。 於此，開口寬度與光罩寬度之比以外為 俗一 q u條件。如圖17 ::於本實施例與對照例’開口部之像之中央之亮度值 冗度值)為大致同一之值。對此’光罩部之像之中樣 ]1335〇 -25- Ϊ286598 約50，而對照 ，即，將光罩 弦波的正幅變 的亮度值（最小亮度值），相對於本實施例為 例為約80。如以上，驗證了本實施例之構成 寬度較開口寬度為大時，投影於照射面之正 的較大，可提升對比。 本發明並非限定於上述實施形態及實施例者，於請求項 :示範圍之内可有各種變更。即，請求項所示範圍：合適 宜變更之技術性機冑而得之實施形態亦包含以發明之

術性範圍。 又，即使在於本說明書所示之數值範圍以外，只要不違 反本發明之趣旨之合理範圍，則當然包含於本發明。 [產業上利用的可能性] 本發明之圖案光照射裝置係為對對象物照射具有正弦波 圖案之光者，可良好地使用於例如三次元形狀計測裝置之 圖案投影單元等。 【圖式簡單說明】 圖1係表示本發明之一實施形態者，表示圖案投影單元 之要部構成之圖。 圖2係表示本發明之一實施形態者，表示三次元計測裝 置之要部構成之圖。 圖3係表示本發明之一實施形態者，表示設於投影圖案 之圖案形狀之平面圖。 圖4係表示本發明之一實施形態者，表示投影圖案之構 成例之侧面圖。 圖5係表示本發明之其他實施形態者，表示投影圖案之 113350 -26 - 1286598 構成例之側面圖。 一實施形態者’表示投影圖案之構 圖6係表示本發明之 成例之平面圖。 表示圖案投影單 圖7係表示本發明之其他實施形態者， 元之要部構成之圖。 圖8係表示投影於計測對象之投影圖案之像之開口 光罩部之亮度之圖。 及 • 圖9係表示投影於計測對象之投影圖案之像之開口 光罩部之亮度之圖。 " 圖10係表示本發明之一實施形態者，表示設於投影圖案 之開口寬度與光罩寬度之比之平面圖。 y ^ 圖uu)係表示計測對象之形狀之上面圖，（b)係表示▲ 測對象之形狀之側面圖。 丁 °十 圖12係表示對圖丨丨之計測對象之照射正弦波圖案光時所 形成之圖案之圖。 _ 圖13係說明三角測量原理之圖。 圖14係表示本發明之一實施形態者，表示圖案投影單元 之構成之圖。 圖1 5係表示本發明之一實施形態者，表示形成正弦波圖 案之樣子之圖。 圖16係表示本發明之一實施形態者，表示使投影透鏡之 焦點偏移之情形與未偏移之情形，對照射面投影之圖案之 比較結果之圖。 圖1 7係表示本發明之一實施形態者，表示使開口寬声與 113350 -27- 1286598 光罩寬度之比為1:1·7之情形與1:1之情形，對照射面投影 之圖案之比較結果之圖。 & 圖1 8係表示先前技術者，表示設於投影圖案之開口寬度 與光罩寬度之比之平面圖。 圖19係說明通過開口部之光，插入光罩部之像之現象之 圖。 【主要元件符號說明】 1 3 4 10 11 12 13 100 200 圖案投影單元（圖案光照射裝置） 攝影單元（攝影裝置） 圖像收集·處理單元（圖像解析裝置） 光源（光照射機構） 聚光透鏡（光照射機構） 投影圖案 投影透鏡 三次元形狀計測裴置 計測對象（對象物） 113350 -28-

Claims (1)

1286598 十、申請專利範圍： 圖案光照射裝置’其特徵在於：其係用以將具有圖 案之光照射於對象物者，且包含： 圖案形成板，其設有複數開口部； 2射機構’其係用以對上述圖案形成板照射光；及 、又◊透鏡，其係用以將由上述光照射機構所照射且通 過上述圖案形成板之開口部之光一體地聚光，將聚光之 光導向上述對象物； W ^又影透鏡配置成使上述圖案形成板之像不成像於 對象物而被投影為正弦波圖案。 女吻求項1之圖案光照射裝置，其中上述圖案形成板鄰 接之2個開口部之間隔係較該開口部之開口寬度為大。 3·如請求項1之圖案光照射裝置，其中上述投影透鏡係串 聯設置有複數單透鏡之複合透鏡。 月长員1之圖案光照射裝置，其中上述圖案形成板包 含複數液晶元件； /上述圖案形成板之開口部及由該開口部所夾之光罩部 係由有無對上述液晶元件施加電壓所形成。 5 ·如睛求項1之圖亲伞44* a士 w ^ , 八、/ 固茶先照射裝置，其中上述光照射機構包 :"光源’其係照射光者m透鏡，其係聚集來自 °亥光源之光’形成平行光而導向圖案形成板者。 6·種一人疋形狀計測震置，其特徵在於包含： 如請求項1之圖案光照射裝置； 攝〜裝置，其係拍攝以上述圖案光照射裝置投影正弦 113350.doc 1286598 波圖案之上述對象物；及 圖像解析裝置’其係解析由上述攝影裝置所拍攝之圖 像中的正弦波圖案，算出上述對象物之高度資訊。 • 7’ -種圖案光照射方法，其特徵在於：其係用以將具有圖 * 案之光照射於對象物者，且包含·· ^射步驟’其係對設有複數開口部之圖案形成板照 射光；及 ^ &影步驟，其係將於上述光照射步驟通過上述圖案形 成板之光，經由為了使上述圖案形成板之像不成像於上 述對象物而離焦地配置之投影透鏡，作為正弦波圖案光 照射於上述對象物。 8·如請求項7之圖案光照射方法，其中上述圖案形成板鄰 接之2個開口部之間隔係較該開口部之開口寬度為大。

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