TWI296324B - - Google Patents

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1296324 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種三次元形狀計測裝置，其藉由對投影 於計測對象上之光圖案進行解析，從而對計測對象之三次 元形狀進行計測。 【先前技術】 作為藉由圖像解析而獲得對象物之三次元形狀資訊之方 ^有以τ之方法°該等方法係於存在於特定拍攝視野内 :測對象上投影光圖案，且對相應於計測對象之三次元 3狀而變形之光圖案的變形量加以解析者。作為代表例， ==光切斷法或空間碼法、及條紋解析法等。該等方法 、=於三角測量之原理。眾所周知，其中關於條紋解析 以 了空間條紋解析及時間條紋解析等多種方法，作 為獲得高計測精度之方法。 右=而’料等方法中，通常使用區域攝影機而讀取投影 案之相對象。然而，當使用區域攝影機時，將產 下述問題。為使計測對象不進人i攝像視野内，而常常必 面將區域攝影機於縱向及橫向兩個方向上移動，-面 : 次而對每1攝像視野進行拍攝，導致拍攝時間變 長。 作為如此之問題的解決餅繁 直4丨^ ^朿’例如於專利文獻1、2或非 專利文獻1中，提出了偵用錄武 -,u 、、友感測器代替區域攝影機之三次 3狀計測方法。該計測方法係藉由以下之步驟而施行。 耳无’使用線形攝影機斟招旦 械對技衫有光圖案之計測對象進行拍 1 i3808.doc 1296324 攝繼而，藉由搬送計測對象從而錯開所投影之光圖案之 相位，且使用另外之線形攝影機對投影已產生相位錯開之 光圖案的計測對象重複進行複數次拍攝操作。而且，根據 時間條紋解析法（相移法），對拍攝後之複數張圖像中所包含 的光圖案加以解析。藉此，計測三次元形狀。 又，專利文獻2之三次元形狀測定裝置係利用以下之方法 而測定二次元形狀。該方法係如下所述：藉由設置於不同 • 位置上之兩台線形攝影機，而分別對投影有光圖案之計測 對象進行拍攝，且根據所拍攝之兩張圖像，藉由立體法而 進行解析。 [專利文獻1]曰本專利特開2〇〇2_286433號公報（平* (2〇〇2)10月3日公開） 年 [專利文獻2]曰本專利特開2〇〇4_117186號公報（平成μ (2004)4月1 5曰公開） [非專利文獻1]藤垣等「藉由複數個線感測器而進行之連 • 績物體形狀計測之平行光晶格投影方法」，精密工學會秋季 大會學術講演會講演論文集ρρ·1〇61-1〇62, 2〇〇4 [發明所欲解決之問題] 羔而，上述先前之技術存在下述問題：線感測器之配置 存在困難，或攝像須要較長時間。 例如，專利文獻1所揭示之技術中，使用如下所述之時間 條、文解析法，作為條紋解析法，即，-面改變投影於計測 對象上之光圖案的相位，一面自相同角度對計測對象之相 同邛刀進行複數次拍攝。此處，為使用複數個線感測器對 113808.doc 1296324 沿直線方向搬送之斗 將全部線感測器精確:==分:行拍攝，而必須 測器，配置為距載置，：二配置。又’亦必須將全部線感 為自相同角度拍攝 象之基準面的距離相等。進而， 必須將全部線感測器以相同狀能配 置。例如，專利文獻 u狀u 甲，使用有四個線感測器，但實降上 難以將該等四個線傳感器如上述般配置。 $ 如上所述，專利文齡1 士 測器之問題。進而由揭示之技術存在難以配置線感 # , 由於須要複數個線感測器，故亦可能 導致計測裝置大型化 險。 “格化、·或故障頻率上升等之危 ^接當使㈣間條紋解析法時，亦存在使用—個線感測 W複數個線感測器而對計測對象進行複數次拍攝之方 法=而，於此情形時，由於無法進行並行處理，故而， ;、、、乂析所必/頁之張數的圖像進行拍攝，而須要數倍於（例 士於拍攝4張圖像之情形時為4倍等）使用複數個線感測器 之丨月形時的時間。因此，產生計測所須之時間變長之問題。 另方面，專利文獻2所揭示之技術中，係根據由兩個線 感測器所獲得之兩個圖像，且藉由立體法而計測三次元形 狀、仁為使用立體法計測三次元形⑻，必須預先瞭解兩個 線感测器之精確的幾何配置。因此，於此情形時亦必須精 確配置兩個線感測器，故產生線感测器之配置較困難的問 題進而，專利文獻2之方法，由於其係使用立體法，故難 以使三次元形狀之測定精度為線感測器之像素以下的分辨 率’因此亦存在測定精度較差之問題。 113808.doc 1296324 本發明係黎於上述問題研究而成者，其目的在於實現— 種三次元形狀計測裝置及三次元形狀計測方法，藉由节二 次元形狀計測裝置及三次元形狀計測方法可快速便: 對廣視野範圍内之計測對象的三次元形狀資訊進也 【發明内容】 本發明之一態樣，传拉士啡上 糸猎由對投影於計測對象上之亮产相 應於位置而週期性變化之氺 又仰

之^案加以解析，而計測出計測 對象之三次元形狀者，1牲 T ，、特说在於·包括線感測器，農 以讀取投影於計測對象上 /、 上述先圖案作為圖像；及圖像 解析部，其根據上述圖傻φ 义㈡像中之上述像素及其周邊像素之真 又值计算上述線感測器所讀 ϋ I w取之圖像中所包含之某 光圖案的相位，且根據所計算 ^ 象之高度資訊。 十-出之相位而“上述計測對

根據上述構成，：r H —人7^形狀計測裝置包括線感測器，用 以讀取投影於計測對象上之光圖案作為圖像。如此，不使 用區域攝影機而使用線感測器，藉此，可使攝 感測器之長度方向丨主# ^ ^ 门（主#描方向）延伸。因此，可減少 對象相對於線感測器而沿主 冲 知描方向相對移動之次數減少 (較好的是使次數為零）並且， 致成夕 — ;且了以问解像度對計測對象進行 拍攝。精此，可快速且高精度地計測三次元形狀資訊。 ^次元形狀計測裝置，係藉由對投影於計測對象上之光 圖案加以解析而計算計測對象次 豕之形狀貝讯。該光圖案係A 又相應於位置而週期性變化者， ’、儿 之某個位置上的光_之_^根據才又衫於計測對象 之相位偏離於作為基準之相位的程 113808.doc 1296324 度，而計算出計測對象於該位置之高度。 此處’根據由線感測器而拍攝之圖像的亮度值，計算出 投影於計測對象之i, 各4刀的光圖案之相位。即，根據與投 f彡有光圖案之計測對象的某個位置相對應之像素（以下成 :、觀測像素」）的免度值，而計算出對應於該亮度值之相 位然而，於藉由具有週期性之連續函數表示光圖案之位 _( p相位）及冗度值（即移位）之情形時，除頂點之外，於相

冋週期内’給出某-點之亮度值(移位)的相位最低存在兩 個例如，由y-sme所表示之函數中，使移位y=〇之相位θ 存在〇細該兩個。因& ’僅根據觀測像素之亮度值（移位）， 無法將與該亮度值相對應之相位確定為一個。 此時，先前技術中，係藉由使用時間條紋解析法而確定 觀測像素之相位。此方法中，首先，藉由觀測像素之亮度 值而將與該亮度值相對應之相位預先篩選為兩個。其次， 根，光圖案之相位錯開而拍攝之另外的圖像之對應的像 素壳度值，而將觀測像素之光圖案的相位確定為一個值。 使用此方法時，對計测對象之相同部分拍攝之圖像最少亦 必須兩個，且計測對象之相同部分之總掃描次數必須為兩 次以上。 、’a 於本發明之一態樣中，包括圖像解析部，根據該像素及 八周圍之像素之亮度值，而計算出由線感測器所讀取之圖 像中所包含之某像素之光圖案的相位。即，根據該像素之 亮度值而對觀測像素之光圖案的相位進行篩選，並且，希 據觀測像素周圍之像素的亮度值而將像素之光圖案的相^ U3808.doc 1296324 確定為一個值。 以下就該原理進行說明。具有週期性之連續函數中，於 相同週期内，給出某一個移位之相位至少存在兩個。該兩 個相位之間，該兩個相位周圍之移位互不相同。例如，上 =中，使移位"之相位0有。與π該兩個。此處，觀測像 (移之情形為仏情形時，周圍像素的亮度值 目同。饭设，於觀测像素之相位為〇之情形時， 例士存在於相位稍小於觀測像素之側的周圍像素之亮度 值：i、於觀測像素之亮度值。另一方面，於觀測像素：： 位為π之情料，存在於相㈣小於㈣像素之側的周圍像 2之免度值，大於觀測像素之亮度值。因此，根據觀測像 素附近之像素的亮度值，可將光圖案之相位衫為一個。 ;本土月之一 樣中，於欲將觀測像素之光圖案之相位 確定為^固時’係利用相同圖像中所含之觀測像素之周圍 象素的儿度值。因此，可僅根據一個圖像而求出各像素之 相位其結果是’可僅根據一個圖像而計算出計測對象之 各❹的高度。藉此，最低可將線感測器之總掃描次數減 少f —次’且/或最低可將線感測器之個數減少至-個。換 而吕之’可縮短掃描所須之時間’進而可縮短計測所須之 時間，且/或可減小配置線感測器之困難性。 所述’本發明之二次元形狀計測裝置，可快速且簡 便地計測廣視野範圍内之計測對象的三次元形狀資訊。 又，較好的是，上述圖像解析部包括設定部，其用以設 定計算上述錢案之相料所使用之上述周邊像素的數 113808.doc 1296324

於本發明之—態樣中，係藉由對投影於計測對象上之光 圖案加以解析，而計測出對象之三次元形狀者，其特徵在 :包括：線1測器，其用以讀取投影於計測對象上之光圖 ”作為圖像，Α圖像解析部，其根據空間條紋解析法，分 析^述線感測器所讀取之圖像的光圖帛，而計算計測對象 之高度資訊。 於本發明之一態樣中，二^ m 却 一 _人凡形狀計測裝置可藉由設定 數旦而調節計算光®案之相料所使狀上述周邊像素的 ^此處’當增加計算相料所使用之周邊像素的數量 2關根誠多像素而計算高度^而計算高度資訊時 梯I又传到提问。反之，當減少相位計算時所使用之周邊 料的數量時，運算次數減少，故計算高度資訊時之速度 传到提面。又，由於難以包含黑點等亮度不連續點，故亦 可抑制由不連續點所引起之誤差傳播的影響。 ▲於本發明之-態樣中，包括線感測器，用以讀取投影於 。十則對象上之光圖案作為圖像。藉由線感測器，可使攝像 :域沿線感測器之長度方向(主掃描方向)延伸。因此，可減 =使計測對象相對於線感測器而沿主掃描方向相對移動之 :欠數（較好的是使其為零），並且可以高解像度對計測對象進 一攝藉此，可快速且高精度地計測三次元形狀資訊。 w於本發明之一態樣中，三次元形狀計測裝置係藉由對投 影於計_象上之光圖案加以解析，而計算計測對象之形 狀貝訊。該光圖案係亮度相應於位置而週期性變化者，且 H3808.doc -12- W6324 可根據投影於計測對象之某個 於作為基準之相位的程 以圖案之相位偏離 高度。 &而叶异出計測對象於該位置之 此處，投影於計測對象之各 根據藉由線感測器而拍攝像刀:光圖案的相位’係 根據觀測像素之亮度值，：::：度值而計算出。即’ 位。然而，於藉由μ… 與該亮度值相對應之相 給出某-點之亮度值(移位)之相位最小亦、目週期内’ 僅根據觀測像素之亮度值 乂 ’、子在兩個。因此’ 之相位確定為—個。7 )’無法將與該亮度值相對應 析:本態樣中’三次元形狀計測裝置包括圖像解 祈口P，其根據空間條紋解析 圖像的光圖宰加以解杯* 對由線感測器所讀取之 觀測像辛= 間條紋解析法，係根據存在於 因此，可僅i H象素的錢值，而確定觀測像素之相位。 可僅：攄^ —個圖像而求出各像素之相位，其結果是， 了僅根據一個圖像而計算出 此，爭彻Tώ 冲測對象之各部分的高度。藉 最低可將線感測器之總掃描次數減少至—次，且/或可 最低將線感測器之個數減少至— 一 描所須之時間，進而可縮頁、而言之’可縮短掃 線配置感測器之困難性。j所須之時間’且/或可降低 如上所述，本發明 二+ 便地計測廣視野範_5==測f置’可快速且簡 二 |叫對象的三次元形狀資訊。 又車乂好的疋，上述圖像解析部包括設定部，其設定上 113808.doc -13- 1296324 述空間條紋解析法中所使用之遽光器的尺寸。 的器，係指空紋解析法中對計算觀測像素 此處，$ < m ^ m及其周圍之像素進行指定者。 此處，當猎由擴大 用之像曰、之尺寸，而增加相位計算時所使 計瞀H * h根據更多像素而計算高度，故而 口t π同度資訊時之精 器之尺反之，#藉由縮小渡光 命 < 人寸而減少相位辞曾 運算次數減少，因此:二使用之周圍像素的數量時’ 由於難以包含黑點等算速度得到提高。又， 點所引起之誤差傳播的影響。^了抑制由不連績 於本發明之一態樣中， 上述二次元形狀計測裝置進一步 包括先圖案投影部，盆 、 ^ p, ^ ^ ，、、曰由上述線感測器所讀取之上述 又衫於上述計測對象上，且較好的是，上述光圖案 才又衫口 Ρ將上述線感測器 ^ L ^ σ之主知描方向上亮度變化間距最小 之上述光圖案’投料上㈣㈣象上。 。 構成’光圖案投影部將於線感測器之主掃描方 :上亮度變化間距最小之光圖案’投影於計測對象上。當 將經過投影之光圖案中 _ 田 Μ /、先圖案之壳度變化間距最小的方向 叹為丨最小間距方向主 — 與光圖案之使線感測器之主掃描方向 方向—致，而使得藉由線感測器而拍 ▲之圖像中’光圖案之亮度間距變為最小。因此，可以言 計測精度對計測對象進行計測。 ο 再者’先前之技術中，必須使光圖案之最小間距方向不 同於線感測器之主掃描方向。其原因在於，若使該等兩個 113808.doc 14 1296324 1296324 垂直於線感測器之主掃描方向的 方向上搬送計、>j # °、之主掃描方向的搬送 光㈣心投影於計_象之㈣部分上之 光圖案的相位亦無偏移。盆έ士果e * ^ II # Pi i ^ 八口疋，複數個線感測器所拍 攝之圖像間未產生相位差 與此相應之本發明之三—形求出計測對象之高度。 感測5!對f忠 人兀/狀叶測裝置，可根據由線 個圖像=案之計測對象進行拍攝後所獲得之一 生任何問題。 掐方向一致時，亦不會產 又’較好的是，上#出_ & ^ 測器之主m 先圖案技影部將聚光於沿上述線感 奮軸上的直線形狀的上述光圖 案，杈衫於上述計測對象上。 根據上述構成，藉由形成將 可確保光量多於向2次元方向昭射=先於:軸上之構成’ 源之功率。 ’，、、射之“，，並且，可控制光 a=攝ί::技術中’於具有使用複數個線感測器對光 圖案拍攝之構成之情形時，必須對複數 攝像區域投影光圖案。此處…… 之各個 置各自I用虽對複數個線感測器分別設 置各自專用之投影部時，將 案不均句的問題。此影部所投影之光圖 下之構成問題，先前之裝置形成為如 曰 個投影部，而投影可覆蓋複數個線戌測 器之全部攝像區域的光圖案。 艮这劂 然而，本發明之三次元形狀計測裝置中，由於形成 用单個線感測器而對計測對象拍攝之構成，故若投光部所 113808.doc 15 1296324 投影之光圖案僅覆盍早個線感測器之攝像區域亦無妨。 又，上述線感測器，對於投影有上述光圖案之狀態、及 未投影有光圖案之狀態的兩個狀態的上述計測對象，分別 讀取為圖像，且上述圖像解析部根據於計測對象上未投影 有光圖案之狀悲下由上述線感測器所讀取之圖像亮度，使 於上述計測對象上投影有上述光圖案之狀態下由上述線感 測器所讀取之圖像之亮度正規化，且圖像解析部亦可對經 正規化後之亮度之圖像的光圖案加以解析。 又，上述三次元形狀計測裝置包括兩個線感測器：第1 線感測器’其用以讀取投影有上述光圖案之上述計測對象 作為圖像；以及第2線感測器，其用以讀取未投影有上述光 圖案之上述計測對象作為圖像；且上述圖像解析部根據由 第2線感測器所讀取之圖像之亮度，使由p線感測器所讀 取=圖像之亮度正規化；且圖像解析部亦可對經正規化後 之梵度之圖像的光圖案加以解析。 根據上述構成，於未投影有光圖案狀態下對計測對象進 行拍攝’獲得其圖像（以下稱為「對照圖像」）。繼而，圖像 解析部，係藉由該對照圖像而對由投影光圖案所獲得之計 測對象的圖像進行正規化處理，且使用該經正規化處理之 圖像進行解析。藉此，於計測對象之各部位的反射特性不 同之情形時，亦可計測計測對象之高度資訊。 又，上述三次元形狀計測裝置進而較好的是，進一步包 括搬送部’其以較之搬送速度將上述線感測器、上述計 f J對象中之至少―方沿副掃描方向搬送，該副掃描方向係 113808.doc -16- 1296324 與上述線感測器之主播少+古 山 主拎描方向正父，且上述線感測器係使 杈〜於。十測對象上之上述光圖案一面相對於計測對象而沿 上述副掃描方向敕無 -y.上士 移動 面頃取作為圖像，且上述圖像解 析部根據上述圖像之上述主掃描方向的像素數，計算上述 叶測對象之上述主掃描方向之長度資訊，並且根據上述搬 运速度，計算計測對象於上述副掃描方向之長度資訊。 ^上述構成’三次元形狀計測裝置，可根據線感測器 又付之圖像之主掃描方向的像素數，而計測出計測對象 之主掃描方向上之長度。又，可根據 測對象之副掃描方向上之長度資訊。 十辑 =二述圖像解析部可藉由硬體而實現，亦可藉由於 電細上執仃程式而實現。具體 當藉由電腦而運行該等式 解析部而運行。故而# Μ 作為上述圖像 狀猜晋故而，使用有上述圖像解析部之三次元形 象的三^元形且簡便地計測廣視野範圍内之計測對 在發明之三次元形狀計测方法之特徵 置而週二Γ, 投影步驟’其將亮度相應於位 步驟，其利用夂線减t圖於計測對象上；光圖案讀取 影於計列對象上AJ益項取錯由上述光圖案投影步驟而投 根據上述圖像之圖像解析步驟，其 4像素及其周邊像素之亮度值計算上述 113808.doc -17- 1296324 象。 、又’、k好的是，上述光圖案投影步驟中，將聚光於沿上 =線咸測器之主掃描方向延伸之丄軸上的直線形狀光圖 案，投影於計測對象。根據上述構成，可確保較多之光量， 並且，可控制光源之功率。 又，上述三次元形狀計測方法進一步包括對照讀取步 驟，利用線感測器讀取未投影有上述光圖案之上述計測對 • 象作為圖像’於上述光圖案解析步驟中亦可為如下所述 者一根據上述對照讀取步驟中所讀取之圖像之亮度，使上 述光圖案讀取步驟中所讀取之圖像的亮度正規化，且對經 正規化之亮度之圖像的光圖案加以解析。根據上述構成， 於计測對象之各部位的反射特性不同之情形時，亦可計測 計測對象之高度資訊。 、車乂好的疋，於上述光圖案讀取步驟中，一面使上述 、本感測$相對於±料測對象而以特定速度沿與該線感測 •''之副掃描方向移動，一面讀取上述光圖案作為圖像，該 田w描方向係與該線感測器之主掃描方向正交，且於上述 圖像_步驟中’進而根據圖像之上述主掃描方向之像素 十开相對象於上述主掃描方向之長度資訊，並且根據 f述特定速度計算計測對象於上㈣掃描方向上之長度資 根據上述構成，可計測出計測對象之主掃描方向及副 掃描方向上之長度。 [發明之效果] 康本么明，可快速且簡便地計測廣視野範圍内之計測 H3808.doc 1296324 對象的三次元形狀資訊。 【實施方式】 如下所述，根據圖丄至圖14，就本發明之一實施形態進行 說明。圖2係表示本發明之一實施形態之三次元形狀計測裳 置10的概略構成之圖。又，W係表示三次元形狀計測裝置 10之主要部分構成的方塊圖。如圖2所示，本實施形態之三 次兀形狀計測震置10係如下所述之裝置：於計測對象加上 投影光圖案30,且對投影於計測對象2〇上之光圖案％之形 狀加以解析，藉此，對計測對象2〇之三次元形狀，例如广 设於計測對象20之表面之凹部的深度或凸部的高度、及其 等之^置等進行計測。本發明之使用料並非僅限定於上 述内容，例如亦可應用於檢查實裝基板等裝置中。 如圖2所示，三次元形狀計測裝置1〇包括攝像部丨、圖像 广驅動控制部(圖像處理部)2、投光部(光圖案投影 部）3、以及搬送部4。攝像部丨對投影有光圖案3〇之計測對 象20進行讀取，以此獲得其圖像，且如_所示，攝像部1 具備—個線感測器16、及微距鏡頭等光學系統15。。 如圖1所示，圖像解析、驅動控制部2係包括下述部件之 電腦，即，包括CPU(Centrai Processing Unh，中央處理器）23 與RAM(Random Access Mem〇ry，隨機存取記憶體加，以 數位貝料之方式而將來自攝像部1之圖像取入的擷取板 2 1，以及控制搬送部4之移動的控制器22等。圖像處理•控 制部2,作為圖像解析部仏’根據條紋解析法，對藉由攝= 部1而拍攝之圖像中所包含的光圖案3 〇加以解析，且計算出 113808.doc -20- 1296324 計測對象20之三次元形狀…另一方面，圖像處理·栌 制部2亦作為控制搬送部4之驅動的驅動控制料而發揮: 用。當然，圖像解析部2a及驅動控制部2b亦可藉由不 電腦而構成。 投光部3係用以將光圖案3〇投影於計測對象2〇之表面 者，其具備齒素燈或氣氣燈等光源u，用以使由光源^所 照射之光具有圖案的圖案產生元件13，以及微距鏡頭等光 學系統12。作為投影之光圖案，可為正弦波、三角波、或 矩形波等相應於位置而具有週射生’且可確定相位的圖二 中之任意-種。本實施形態中，使用有助於提高計測分辨 率之正弦波形光圖案。χ ’作為圖案產生元件Η，可使用 包括液晶元件者，或加工玻璃或薄膜而形成者等。 搬送部4係用以使計測對象2()沿垂直於線感測器μ之主 掃描方向（長度方向）的方向（以下稱為「副掃描方向」）水平 移動者’其包括用以載置計測對象2〇之搬送台…驅動搬 送台17之伺服電動機18，以及檢測搬送台17位置之線性定 標器19等° —面使用搬送部4而使計測對象20沿副掃描方向 移動’-面藉由線感測器16逐次進行拍攝，藉此，可計測 出計測對象20整體之三次元形狀。 再者，於本實施形態中，形成使計測對象2〇移動之構成， 但亦可形成為代替使計測對象2〇移動而使攝像部！及投光 部4沿副掃描方向移動之構n亦可為下述構成：搬送 部4使計測對象20對於攝像部}及投光部々相對移動。 以下’利用一例就如此之三次元形狀計測裝置！0所具備 113808.doc •21 - 1296324 之各部分的幾何位置關係進行說明，但本發明並不限定於 此。本貫施形態之三次元形狀計測裝置1〇中，攝像部1之線 感測器16以其主掃描方向之軸與搬送台17之載置面平行且 與搬送方向垂直之方式而設置。藉由使線感測器16之光轴 與搬送台17之載置面平行，而可以均句之放大率對計測對 象20之上表面進行拍攝。又，藉由使線感測器以光轴盘 搬送方向相垂直，而使得一面進行搬送一面進行攝影之多、 個線圖像所構成之2次元圖像中的直角部分可拍攝為直角 部分。 用 又’投光部3係以其光軸相對於攝像部！之光轴具有特定 2度之方式而設置。藉此’可根據投影於計測對象20上之 =之偏移，而計算出計測對象2〇之高度，詳細内容下 ，中：相關敍述。再者’攝像部1及投光部3之幾何配置， 可於设置時預先進行計測 t · 算出。 丁相亦可措由稱為校準之方法而計 ❿ 以下，就如此之三次元形狀計 首先，搬送部4之飼服電動播ί8，/置之動作進行說明。 ^ ，根據來自圖像解析、驅動 令而將搬送台17設置於初始設 疋，该初始設定位置，係 夏早又好的 攝時副掃描方向上之攝;用起=疋攝像部1對計測對㈣拍 …之攝像區域，：達:置起::置者 幻達放置於搬送部4之搬 對象20之副掃描方向上的端部。 、口 Π上之計測 繼而’投光部3將光圖案投影於計 掃描投影有光圖案之計測對象 0上。攝像部1， 于6亥叶测對象20之圖 】I3808.doc • 22 - 1296324 部2且所獲得之圖像，搬送至圖像解析、驅動控制 數猎由圖像解析、驅動控制部2之掏取板加轉換成 貝料。繼而’圖像解析、驅動控制部2之咖23對光圖 解析’藉此’計算出計測對象20之高度資訊。 此處’本實施形態之三次元形狀計測裝置_，形成解 中之光圖案時使用空間條紋解析法之構成。藉此， 戶^ f由攝像部1所具備之—個線感測㈣進行-次掃描 所^又传之一個線圖像，而炎 域)内計測對象2。於各位置 ° : f描區域(攝像區 ㈣細内容於下文_":度。再者’空間條紋解析 繼而，搬送部4，根據圖像解析、驅動控制部2之押制， 而使計測對象20沿副掃描方向移動特定距離。藉此， 對象20之攝像部〗的攝像區域、及由投光部3所投影之光圖 案3〇’沿副掃描方向移動特定距離。其後，攝像部蹲 描計測對象20’獲得線圖像。此處所獲得之線圖像中，勺 含計測對㈣之相對於之前之掃描區域沿副掃描方向上= 移特定距離的區域。所獲得之圖像，同樣地搬送至圖像解 析 '驅動控制部2 ’求出新的掃描區域内之各、_ 資訊。 人几 如此，藉由重複進行下述之處理，即，搬送部4再次將計 測對象20務動特定距離，攝像部丨對計測對象2〇進行拍攝， 圖像解析、驅動控制部2對線圖像加以解析之處理，而計測 出计測對象2 0整體之三次元形狀。 、 計測對象20之主掃描方向上之長度資訊，亦可根據拍攝 113808.doc -23- 1296324 為線圖像之計泡I # & 彳對象之主掃描方向上的長度而計算出 4測對象20之副掃描方向上之 據搬送部4之搬详$命▲ μ 亦可根 、速度而叶算出。如此，藉由求出計 20之主掃描方向 ΐ ~對象 及田i %描方向上的長度資訊及高 可獲得計測對㈣之三次元形狀資訊。 … ::奴好的疋’上述特定距離係與攝像部^之 之副掃描方向上之4^ 、一…… 错此’可藉由上述步驟而無 逍"’、相對象20之所有區域進行快速計測。 又，針對各個特定距離而進行之拍攝，可藉由於使搬送 以固定速度移動之同時，使攝像部i以固定時間為單位 進订拍攝而實現。於此情形時，圖像解析、驅動控制部2之 ，制器22’經由擷取板21，以例如數κΗζ級之固定時間為 單位❿將攝像驅動訊號搬送至攝像部i。攝像部卜以該 驅動m為觸發，而獲得投影有光圖案之計測對象的 圖像3 #面，圖像處理•驅動控制部2之控制器，亦 將同樣之以固定時間為單位的搬送驅動訊號搬送至搬送部 4搬运σρ 4之伺服電動機！ 8，以該搬送驅動訊號作為觸發， 而以固定速度驅動搬送台17。藉此，可以特定區域為單位 而逐次對計測對象2〇進行拍攝。 又’亦可利用線性定標器19而針對各個特定距離進行拍 攝於此情形時’如圖1所示，線性定標器i 9係設置於搬送 邛1且每备使搬送台17移動特定距離時，則其對圖像解 析、驅動控制部2之控制器22搬送訊號。繼而，圖像解析、 驅動控制部2之控制器22,冑接收到該訊號時，其對攝像部 113808.doc •24- 1296324 1之線感測器職送攝像驅動訊號。藉此，可不受搬逆立 之搬送速度不均^的影響1精確地針對各個特定Y離4 進行拍攝’其結果是’三次元計測之精度得到提高。 繼而’就如此之三次元形狀計測裝置之優點進行說明。 本實施形態中，形成為使用線感測器作為包含於攝像部u 之讀取感測器之構成。例如’於使用主掃描方向上之像素 數為7500像素的線感測器之情形時’可以約13 之分辨 率’而對主掃描方向上之長度為⑽随之計測對象進行拍 攝。與此相對，於使用例如橫方向上之像素數為6利像素的 區域攝影機之情形時，則僅可以約15〇 μπΐ2分辨率對橫方 向上之長度為100 mm之計測對象進行拍攝。 又，為使上述區域攝影機以與線感測器相同之分辨率進 行拍攝，最低必須進行12組下述之處理步驟，即，以特定 距離為單位而逐次沿主掃描方向移動從而進行拍攝之處= 步驟。於此情形時，為使攝像部沿主掃描方向移動，而須 要大量時間。又，由於搬送部必須使搬送台17沿主掃描/方 向及副掃描方向之兩個方向移動，故亦會產生驅動部2構 造或控制變得複雜、裝置大型化、或故障頻率上升之問題。 與此相對，本實施形態之三次元形狀計測裝置中，藉由 使用線感測器16，而可以高分辨率對計測對象2〇進行高速 拍攝。又，由於搬送部4僅使搬送台17沿副掃描方向移動即 可’故可實現裝置之簡單化。 進而，本實施形態中，形成為，根據空間條紋解析法而 對攝像部1所讀取之各線圖像加以解析之構成，可根據光圖 113808.doc -25· 1296324 案與一個線圖像間之相 此 相位偏移而什异出三次元資訊。因 ' 0所須要之總掃描次數為一次即可，故線减 測器之數量亦可描迕 1 艾踝a ^ w ，、，、一個。藉此，與複數個線感測器平行 2由_ “比，線感測器之設置之構成更為容易。又， 1祕個線感測11而進行複數次操作之構成相比，能夠更 间速地進行計測。 =而’由於可僅根據由—次掃描所獲得之—個線圖像而 =測* 出高度’故可於進行掃描之同時進行三次元形狀之計 ^㈣’於例如進行基板檢查等之 計測對象之基板上存在某種f造上之^克作為 子禋表W上之缺點時，可直至最後 不重複進行拍攝處理，而立中 查快速化。 4斷相，故亦可使基板檢 其次’就藉由圖像解析、驅動控制部2而進行之圖像解析 的詳細内容進行說明。首先，就本實施形態之圖像解析方 法的原理進行說明。 圖像解析部2a’係根據空間條紋解析法，而對投影有光 圖案之計測對象20的線圖像加以解析。所謂空間條紋解析 法，係指如上所述之基於二备、、甜丨旦 丞於一角，則里之原理的方法。以下， 就三角測量之原理、條紋解析法、空間條紋解析法依次進 行說明。 首先’就三角測量之原理進行說明。圖3係表示三角測量 之原理的圖。為便於說明，而考慮自具有與基準垂直之光 軸的攝像部Cc’而觀測距離基準之高度為h的平面抑之情 形。又，投光部CP，配置於自基準面看與攝像部&高度相 -26- 113808.doc 1296324 同處，且朝向基準P0上之點0的位置處投影光圖案。 、於對於與基準面平行、且距離基準面之高度為h的平面Ph 進仃觀測之情形時，朝向點〇之光圖案與點p相交。此時， 自攝像部Cc看，朝向基準㈧所投影之光圖案，可於自原本 可觀測到之位置〇(即’位置P)偏移距離PQ的位置處觀測 到。該位置偏移PQ稱為相位差。 ' 當可計算出相位差時，可藉由下述之式〇)

[數1] ⑴ (其中，每係表示pQ間之距離，即相位差。X，d係攝像部 Cc與投光部Cp之光軸中心間之距離’[係表示自攝像部Cc 至基準面間之距離，且其等均係已知值。） 而計算出高度h。 /、人万尤條紋解析法進行說明。本實施形態中，作為投 〜於相對象2G上之光圖案，可使用正弦波形之光圖案。 所謂正弦波形之光圖牵 一 口茶係指壳度猎由正弦函數而進行表 示且具有階度之圖幸。搞二^ 口系換而s之，將位置與亮度之關係藉 由正弦函數表示之朵圓安 一 固案，稱作正弦波形之光圖案。圖4表 示正弦波形之光圖案的—例。 於將如此之光圖幸，扭 4又影於如圖5(a)、圖5(b)所示之計測 對象20上之情形時，自 9上表面觀測所投影之光圖案，如圖6 之左圖所示。即，自倆 貞斜方向所投影之光圖案於具有高度 之凸部產生變形。當蕤出媒# 稽由攝像部1之線感測器16，對以如此 113808.doc -27- 1296324 之方^而投影有光圖案之計測對象20進行掃描時，掃描位 置與焭度之關係如圖6之右圖所示。 如圖6之右圖所示，投影於不具有凸部之基準面上之光圖 案的冗度始終按照固定之週期而變化。與此相對，投影於 凸部之光圖案，與不且右| 基4面相比較，其亮度週 二艾’故相對於投影於基準上之光圖案產生相位偏移。 將光圖案實際投影於計測對象2〇上而拍攝之圖像 (線圖=中所包含的某位置上之像素的光圖案相位、與將光 於基準面上之情形時之同像素的相位（基準相位） 間之差時，可根據上述三角測 、里之原理，而求出計測對象 2〇於與該像素相對應之位置上的高度。 當計算上述相位差時，基準加 A ^ ^ L 暴羊相位可藉由將光圖案投影於 基準面上而拍攝等方法而預先 ^ m ^ r 出另一方面，將光圖案 只際投影於計測對象上而拍攝 狗攝之圖像（線圖像）中所包含的 *弓之”的光圖案相位的求出方法，大致有兩種。 解析法及時間條紋解析法之不同之處在於該相位 水出方法。 如圖6之右圖所示，正弦 中1週期内給出某一移位 之相位存在兩個。例如，藉 7 sinu而表不之函數中，佶 移位y=0之相位Θ存在❹及兀兩 尨 又，使移位y=i/2之相位θ 存在兀/6及571/6之兩個。根據如 没加# w G之理由，拍攝之圖像中， 僅根據早個像素之亮度值（相卷 田於正弦函數之移位），無法求 出該像素之光圖案之相位。 … 另一方面，空間條紋解柄、、表 ' ’根據欲求出其相位之像 113808.doc -28- 1296324 素(以下，稱為「觀測像素」)及 觀測像素之相位。例如，於上述射圍像^；度’而計鼻 存在〇及冗該兩個，秋而，#_ 使移位y=0之相位Θ 時及為π之情形時，：周圍= 像素之相位為0時，例如相位稍之儿度不同。假設，當觀測 专的耸产伯 '、於觀測像素之側之周圍像 素的儿度值，小於觀測像素之 琴 像素之相位為π之情形時，4 7 ；；又值另一方面，於觀測 像辛的；*产# 、目立稍小於觀測像素之側之周圍 像常的冗度值，大於觀测像素之韋 測像素附近之像素，而、儿又。此，可根據觀 … 光圖案之相位確定為-個。如此， 二間條紋解析法之特徵 像f的京声# , 於根據存在於觀測像素附近之 像素的4值，而衫_像素之純 圍像素之亮唐不η ★ 上4所明周 同」。 不同」’亦可表述為「周圍像素之亮度梯度不 7 W於本實施形離 =Α — ^ ^ m # ^ ^ ^ 4, "—久70形狀計測裝置中所使用 之二間條紋解析法的具體處

Ba - ,fc ^ 乂騾進仃砰細說明，但本發 明並非限定於此，只要為根 个〜 實施者^。 纟上3^間條紋解析法之原理 根據所拍攝之線圖 像，而假想製成將光 ’當將所投影之光圖 本實施形態中 圖案移相90°後之移相光圖案。此處 案，設為下述式（2) [數2] 表示任意函數，多(x) /(x) = 5(x)sin(^(x)) (其中，/(X)表示位置x上之亮度值， 表示位置X上之相位） 113808.doc -29- 1296324 時’將該光圖案移相90。後之移相光圖 [數3] = ^(x)sin φ(χ) + - =^(^)cos(^(x)) (其中，ί(χ)表示移相光圖案之位置文上之亮度值） 因此’位置X上之像素的相位外χ)，可駐 [數4] 猎由下述式（4)

案如下述式（3)所示 2 ^) = tan"iW ( Ι(χ) ·，·(4) 而求出。 此處，I(X)之值係主掃描方向之位置 佶。2 + 、 罝x上之像素的亮度 —面，為計算出Γ(χ)(以下，為方便起見，而以此 式表述標有帽狀物之Ι(χ))之值，而使用希耳伯特轉換。 即，移相光圖案之位置χ上之亮度值Γ(χ)，可由下述 [數5]

進仃表不。此處，可獲得之亮度資料係對應於各像素之資 料，即離散資料，故上述式（5)與下述式（6) [數6] 知神） …⑷ (其中，如)係藉由心)=士而表示之函數，表示希耳伯特轉 換之時間區域特性） 近似。根據該式（6)，可求出r(x)之值。 H3808.doc •30- 1296324 其次’就圖像解析部2a之構成進行說明。圖7係圖像解析 ° a之功能方塊®。圖像解析部2a包括亮度獲得部化 耳伯，轉換部42、相位計算部43、相位差計算部44、及言 度计异部45，且該等各部，藉由於cpu(Ce刺…％ 明中運订各種控制程式而實現。或亦可代替其而藉由 2圖示之聰陶talSignalPr。⑽。r，數位訊號處 而貫現。 / 又，圖像解析部2a包括儲存部5〇，且儲存部5〇係藉由 =細24、ROM(Read_〇nly Mem〇ry，唯讀記憶體）、外部存 六装置等之任意一個或其等之組合而實現。儲存部50中， 子在反正切DB51、基準相位DB52、及三次元形狀DBM。 反正切_，係、表示由y=tan-】x所表示之函數中之 之對應關係的資料庫，其預先使χ之值與_、之值相關聯 且進订保存。藉此’可根動之值’檢索出其反正切值ρ 基準相位DB52，係下述之資料庫，即，預先將對投影有 先圖案之基準面(高度始終為〇之平面)進行拍攝後之線圖像 之各像素的光圖案之相位（以下稱為「基準相位」）保存於立 中之資料庫，且其使線圖像中所包含之像素的主掃描方向 上的位置X’與該像素之基準相位峰)_聯並進行保存。 :此：可根據線圖像中所包含之像素之位置χ的資訊，而檢 索出该像素之基準相位φ〇(χ)。 三次元形狀DB53,係用以保存經計測而獲得之計測對象 %之二h形狀資訊的資料庫。該三:支元形狀DB52中，使 指定計測對象20之表面上之點的父座標（相當於主掃描方 113808.doc -31 · 1296324 向）、y座標（相當於）副掃描方向、z座標（相當於高度）相關 聯且進行保存。藉此，計測結束後，可根據計測對象別之X 座標及y座標，而檢索出該位置上之高度（z座標）。 繼而，就圖像解析部2a之圖像解析步驟進行說明。藉由 •具備線感測器丨6之攝像部丨而拍攝、且搬送至圖像解析部〜 •⑽圖像，係像素連續排列於線感測器丨6之主掃描方向上 的圖像。於像素排列成直線形之該線圖像中，圖像處理部 • 以自其一端部開始朝向另一端部（終端）而依次計算高度。因 此，首先將主掃描方向上之像素的位置乂設為〇(步驟。 其次，亮度獲得部41根據線圖像資料，而獲得位置义上之 像素的亮度值I(X)(步驟S2)。將所獲得之亮度值，搬送至相 位计异部43。繼而，希耳伯特轉換部42根據線圖像資料， 藉由上述式（6)，計算出位置U移相光圖案之像素的亮度值 I (x)(步驟S3)。將所計异出之亮度值，搬送至相位計算部们。 已接收位置X上之像素的亮度值Ι(χ)、及位置χ上之像素之 • 淨多相光圖案的亮度值1»之相位計算部43，根據該等兩個 值、且利用上述式（4)，計算出位置χ上之光圖案的相位（步 驟S4)。再者，亦可於相位計算部43將1〇〇除以之後， 藉由參照反正切DB51，而求出其反正切值。將所計算出之 相位，搬送至相位差計算部44。 已接收位置χ上之光圖案之相位的相位差計算部44，參照 基準相位DB52而獲得位置χ上之光圖案的基準相位，並 且，自相位計算部43所接收之相位減去基準相位，藉此， 计算出位置χ之相位差（相位之偏移）Δφ(χ)(步驟S5)。將計算 113808.doc -32- 1296324 出之相位差，搬送至高度計算部45。 理接收相位差之咼度計算部45，根據上述三角測量之原 。十^出位置x上之計測對象2〇的高度z(步驟％)。高度z， 一體而"係作為與基準面間之距離而計算出，且其可藉 由下述式（7) [數7] = 一 △沴(f)___ ^(χ5ζ)Δ^(χ) + 5(χ5ζ) …⑺ 而求出。再者，於上述式⑺中，Α&，ζ)及，幻，係依 賴於圖案週期或自攝影機至基準面間之距離、及圖案之投 影角度等幾何配置’且針對各像素而決定之函數。但，由 於該等函數係未知數z之函數，故難以計算出精密之形狀。 因此，較好的是，預先觀測複數個距離為已知（z〇，Z1，...， zK)之目標函數，且針對各像素χ而計算出α(χ，ζ〇)，Β(χ， z0)}、{A(x，zl)，B(x，ζ1)}···{Α(χ，zK)，Β(χ，ζκ)}之值， 且使用該等值，根據直線近似或樣條函數近似而推斷出ζ之 函數形狀。 鬲度計算部45，使以如此之方式而計算出之高度ζ，與主 掃描方向之座標X及副掃描方向之座標y相關聯，且將其保 存於三次元形狀DB53中（步驟S7)。 繼而，判定位置X是否為直線形線圖像之終端（步驟S8)。 此處，於位置X為線圖像之終端之情形時，則結束圖像解析 處理。另一方面，於位置X並非線圖像之終端之情形時，則 為使觀測像素之位置沿主掃描方向上移動！像素，而增加二 個X值（步驟S9)。繼而，返回步驟S2。 H3808.doc -33- 1296324 藉由重複實施上述步驟S2至步驟S9之處理，沿著計測對 象20之主掃描方向上之各位置的高度資訊積累於三次元形 狀DB53中。又’當上述圖像解析處理結束時，搬送部4使 計測對象20沿副掃描方向上移動，其後，攝像則再次對計 測對象20進行拍攝，且根據藉由拍攝而獲得之線圖像，再 次進行域圖像解析處理。藉此，沿著副掃描方向之各位 置上的高度資訊亦依次積累於三次元形狀DB53中，最終， 計測對象20整體之三次元形狀資訊積累於三次元形狀 DB53 中。 者上述步驟S3中，當根據式（6)而求出位置χ上之移 相光圖案的亮度值時’較好的是，使式（6)之參數N之值為 可變。此意味著’使計算位置χ上之移相光圖案之亮度時所 使用的觀測像素附近的像素之數量為可變。或者，亦表示 使於空間條紋解析法中所使用之遽光器的尺寸為可變。 於此情形時，例如圖7所示，可進一步於圖像解析部㈣ 設置輸入、設定部（設定部）46,其具備用於輪入式（6)之參 數Ν之值的輸入功能'以及用於在希耳伯特轉換部C中設定 之參數Ν之值的μ功能。藉此，希耳伯特轉換部 根據使用者等所輸人之參數Ν之值（即，計算中所使用 之附，像素之數量），而計算出移相光圖案之亮度值Γ(χ)。 增大Ν之值（即，增大滤光器之尺寸）時，則意味 Κ夕像素而計算相位’故最終所求出之高度資气之 計算精度得到据古 g 2 之尺寸當減小Ν之值(即，減小遽光器 、 貝1思味著計算1Λ(χ)時所必須之運算次數減少， 113808.doc -34- 1296324 故計算速度得到提高。又，由於觀測像素附近之像素中難 以包έ黑點等亮度不連續點，故亦可抑制不連續點之誤差 傳播的影響。 除此以外，對於藉由攝像部1而拍攝之線圖像，可於將其 搬送至亮度獲得部41及希耳伯特轉換部42之前，對其進行 前處理。作為前處理之内容，可列舉例如去除線圖像中所 包含之雜訊、或對線圖像進行正規化處理等。

線圖像之正規化處理，可以下述方式而進行：另外獲得 於未投影有光圖案且照射有同樣亮度之光之狀態下，對計 測對象20進行拍攝後之對照線圖像，且使用該對照線圖 像，對於投影有光圖案之I態下所拍攝之線圖像進行補 正。具體而言，可將於投影有光圖案之狀態下所拍攝之線 圖像亡之各像素的亮度值，除以對照線圖像中之相應之像 素的亮度值。若如此般㈣對圖像進行正規化處理，則可 減少由於計測對象20之各部位之反射特性的不同而引起之 相位計算的誤差。 於對線圖像進行正規化處理之情料，可構成為使攝像 部1於投影有光圖案之狀態及未投影有光圖案之狀態下進 行兩次掃描，亦可使其為下述構成1，進而設置與攝像 部1同樣之第2攝像部，且該第2摄禮都從π 弟2攝像σ卩獲侍對照線圖像。繼 而，如圖9所示，可於圖像解析 啊以a肀，進一步設置有正規 化部47，用於接收投影有光 口茶之狀恶下的線圖像及對照 線圖像，且使正規化部47進行 仃上述處理。繼而，正規化部 47將經正規化處理之圖像搬 、主儿度獲仔部41及希耳伯特 113808.doc -35- 1296324 轉換部42’且亮度獲得部41及希耳伯特轉換部仰據經正 規化處理之線圖像，而計算出高度資訊。 "再者，於攝像部〗進行投影有光圖案之狀態、及未投影有 光圖案之狀態的兩次掃描之情形時，較好的是，投光部3中 所具備之圖案產生元件13由液晶元件構成。藉此，可易於 進仃光圖案之接通/斷開。或者，可於玻璃或薄膜之表面， 預先製作具有形成有圖案之區域及未形成有圖案之區域的 圖案產生元件13，且藉由移動玻璃或薄膜，而對圖案之有 無進行切換。 進而，可於相位計算部43計算出相位之後，對所計算出 相位進行後處理。該後處理，例如可進而於相位計算部 43與相位差計算部44之間設置ριχ(ρι^ L〇cked L〇〇p，相 位閉鎖迴路）部，以此可減輕由雜訊所引起之誤差等。 再者，上述前處理，可於圖8所示之步驟S2之前進行，另 方面，上述後處理，可於圖8所示之步驟§5及步驟％之間 進仃。根據以上所述，圖像解析部2a可根據由攝像部丨所拍 攝之線圖像，而計測出計測對象2〇之三次元形狀。 =越使間距縮小則越可提高計測精度。繼而，於光圖案之 最小間距方向與線感測器16之主掃描方向一致之情形時， 於線感測器16所拍攝之線圖像中，光圖案之亮度間距達到 最】因此，較好的是，本實施形態之三次元形狀計測裝 置10中，對計測對象20所投影之光圖案的最小間距方向， 與線感測器1 6之主掃描方向平行（一致）。 ^而先則之装置中，由於使用複數個線感測器而對光 113808.doc -36- 1296324 圖案進行拍攝，故必須對複數個線感測器之各個的攝像區 域投影光圖案。此處，於對複數個線感測器分別設置各自 專用之投影部之情形時，將產生各個投影部所投影之光圖 案不均勻的問題。根據如此之問題，通常設置一個投影部。 此處，為設置一個投光部，必須投影可覆蓋複數個線感測 益之全部攝像區域的光圖案。

然而，本貫施形態之三次元形狀計測裝置丨〇中，由於形 成為使用單個線感測器丨6而對計測對象2〇進行拍攝之構 成:。故而藉由投光部3而投影之光圖案，可僅覆蓋單個線感 測器16之攝像區域。因&，本實施形態之三次元形狀計測 裝置10中，所投影之光圖案，亦可不為如圖4般向二次元= 向擴展者。

，〜么/八丁々 w叩=，罕父奸JL 投光部3投影經聚光之光圖案。具體而言，較好的是，如圖 10所不，投光部3將聚光於沿線感測器16之主掃描方向上延 伸之1軸上的直線形狀的光圖案（精確而言，於副掃描方向 上具有微小且有限之寬度）投影於計_象20上。於此h 時’如圖!所示’投光部3可具備i軸聚光元件i4，用以：： 圖案聚光於1轴上，且藉由該1轴聚光元件U而將光圖案聚 年成直線形狀’且該直線形狀係沿主掃描方向上延伸。將 式而投影。 ；之方 再者作為”亥】軸聚光兀件14之具 鏡或柱面透鏡等。每將兮幻牛夫祐奈透 兄寻田將该專透鏡配置於圖案產生元 113808.doc -37- !296324 計測對象20之間眭7也 圖案。 、，可對計測對象20投影聚光於1軸上之光 而叶測攝1:為调郎攝像部1與搬送部4之幾何位置關係， =賴像部1相對於搬送部4之搬送方向的斜度的計測方 關係的:力:以說明。攝像部1與搬送部4之搬送方向的位置 關係的計測，伤茲& _、,、 案之計測斜象^ U式而進行=將施加有修正用圖 刊對W ^至搬送部4，攝像部1之線感測器16對該 什對象依次進行拍攝，且圖像解析、驅動控制部2對包括 經拍攝之複數個錄m你二 T ^ ^ 數個線圖像的圖像加以解析。於此情形時，解 析中所使用之圖像，#句人 冢係包3施加有修正用圖案之計測對象 U ’且係沿主掃描方向及副掃描方向擴展之2次元圖像。 修正用圖案’係為進行線感測器之修正而施加於計測對 象上之各種圖案°圖11表示本實施形態之修正用圖案⑴。 圖斤π纟正用圖案! η，係藉由雷射或列印機等，而施 加有-根横線130，及與橫線13〇正交之兩根縱線⑶· 131 ’且縱線131 · 131之間距L為已知。再者，該修正用圖 案⑴表示最小構成’實際之修正用圖案較理想的是，於縱 向及横向上分別排列複數個圖11所示之修正用圖案1U而 形成者。 本實施形態中，以搬送部4之搬送台之移動方向（搬送方 向、曰！1知描方向）作為基準，而計測線感測器16及修正用圖 案111之傾斜程度0 θ 圖12(a)表示線感測器16與修正用圖案U1之幾何位置關 係的-例。圖示之例中，線感測器16之主掃描方向自相對 113808.doc -38- 1296324 而傾斜，另一方面，修 方向垂直，縱線13 1相 於副掃描方向（搬送方向）垂直之位置 正用圖案111之橫線13〇相對於副掃描 對於副知描方向平行。 彳=斗當計測對象移動日夺，線感測器16之影像感 接收來自縱線131之光的位置亦不變化。故而，於所讀 取之^正用圖案lu之圖像中，縱線i3i亦為縱線。 面對於來自橫線130之光，線感測器16並非一次

接收’而是隨著計測對象移動，自—端向另—端（圖示之情 形中為自左端向右减^ ^ )依—人接收。因此，於所讀取之修正用 ®t 像中’橫線13()為傾斜的。因此，於上述修正 用圖案111之圖像中，若可求出橫線13G之傾斜角，則可藉 此調部線感測器16之傾斜度。 / 12(b)表示線感測器16與修正用圖案m之幾何位置關 係的其匕。圖不之例中，線感測器16之主掃描方向相對 於田J^方向垂直’另_方φ ’修正用目案工i i之橫線咖 Μ目tHij掃方向垂直之位置傾斜，縱線i 3 i自相對於副 掃描方向平行之位置傾斜。 於此情形時，線感測器16之影像感測器接收來自縱線131 之光的位置，伴隨計測對象移動，而向某一方向（圖示之情 形中為右方向）變化。因此，於所讀取之修正用圖案ill之 圖像中’縱線1 3 1為傾斜的。 另一方面，對來自橫線130之光，線感測器16並非一次接 收’而疋自一端向另一端（圖示之情形中為自右端向左端） 依次接收。因此，於所讀取之修正用圖案丨i i之圖像中，橫 113808.doc -39- 1296324 線13 0為傾斜的。 因上述修正用圖案lu之圖像係縱向及橫向 向傾斜的圖像。然而，由於 瓦A州态16不傾斜，故而，於 上述修正用圖案U1之圖像中， 右了求出縱線131與橫線13〇 甲4思一者的傾斜角，則可雜 測對象之傾斜度。 傾斜角，且可調節計

圖:3表不將圖12⑷· (b)所示之情形進—步普遍化之 形’即線感測器16及修正用圄宏M

Ha 肖W案111均傾斜於副掃描方向 运肖）之情形，且表示自上方觀測時修正用圖案⑴及 線感測器16間之位置關係。圖” 古认口 丁 Τ α表不線感測器16自垂 直於騎描方向的方向逆時針旋轉㈣斜之角 為「傾斜度」）。又，β砉干攸 牙冉 亩#-,卢 β不修正用圖案111之橫線130自垂 倏知描方向的方向順時針旋轉而傾斜之角度，即表亍 =圖案11之縱線131自副掃描方向順時針旋轉而= 之角度（以下稱為「斜角」）。 、斜 圖14係將圖1 3之主要部分擔女而士 _ 示線感測器一用圖案 =與線感測器16間之位置關係。又，圖14_示線二 益16開始讀取修正關案⑴之橫線咖之時序下，橫線⑼ 與線感測器16間之位置關待·円〗4 γ、主- ' 線感測器16之關係。 (—線131之間距與 =上述修正用圖案U1之圖像中，縱線ΐ3ι變為斜線，且 八圖像上之橫方向之長度（以下稱為「x要素 向之長度(以下稱為「y要素」)。此處，將圖像丄之縱= 113808.doc 1296324 之x要素設為xl，y要素設為”。此時，如圖l4(a)所示，圖 像上之縱線131的X要素xl&y要素yl之關係可由下述式 tan(7i/2-p) =(vxy 1 + mxxl xsina)/(mxxl xcosa) =(vxkl)/(mxcosa)+tana …（8) 而表示。 此處，v係線感測器16之移動速度（標量），m係表示圖像 與實物之尺寸比的轉換放大率。又，kl=:yl/xl，即^係圖 像上之縱線13 1之斜度。 同樣地，於上述修正用圖案U1之圖像中，橫線13〇變為 斜線，且具有圖像上之x要素及y要素。此處，將圖像上之 橫線130之X要素設為χ2，y要素設為y2。此時，如圖14(匕） 所示，圖像上之橫線130之X要素x^y要素yl之關係，可由 下述式（9) tanp = (vxy2-mxx2xsina)/(mxx2xcosa) =(vxk2)/(mxcosa)-tana …（9) 而表示。此處，k2=y2/x2,即k2係圖像上之橫線13〇之斜度。 進而，如圖14(c)所示，實際之縱線131的間距L、與圖像 上之縱線131的間距之x要素x3的關係，可由下述式（ι〇) Lxcosp=mxx3 xcosa …（10) 而表示0 藉由解出上述式（8)〜式（10)，可利用下述式（11)〜（13)而求 出轉換放大率m、線感測器16之斜度a、及計測對象之斜交 角β， m=(L2/x32-klxk2xv2)1/2 ··· (11) 113808.doc -41 - Ϊ296324 sina=Vx(k2-kl)/(L2/x32-klxk2xv2)i/2 …〇2) sinp-x3xvx(kl + k2)/(2xL)…（"）。 作為本實施形悲之三次元計測裝置1〇的變形例，攝像部^ 可具備複數個線感測H 16。藉由具備複數個線感測器，可 、、先汁地去除線感測器之亮度雜訊，故可提高三次元形狀計 =之穩定性。$，亦可形成為藉由對計測對象別之相同部 刀進行複數次拍攝，而去除雜訊之構成。

又，當僅以一個線感測器無法覆蓋計測對象2〇之主掃描 方向之情形時，可形成為亦沿主掃描方向移動之構成。^ 者，亦可形成為使攝像部1及投光部3沿主掃描方向移動之 構成。 圖像解析部2a之各功能區塊，具體而言，即亮度獲得部 4 1、希耳伯特轉換部42、相位計算部43、相位差計算部44、 及同度汁异部45，可藉由硬體邏輯而構成，亦可如下所述 使用CPU且藉由軟體而實現。

即，圖像解析部2a包括：運行實現各功能之控制程式之 才曰7的CPU(Central Processing Unit，中央處理器）、保存有 上述私式之R〇M(Read 〇niy Memory，唯讀記憶體）、展開 上it程式之RAM(Random Access Memory，隨機存取記憶 體）、以及保存上述程式及各種資料之記憶體等存儲裝置（記 錄媒體）4。繼而，本發明之目的亦可藉由如下方式而實 現’即’將以電腦可讀取之方式，而記錄有作為實現上述 功旎之軟體的圖像解析部2a之控制程式的程式碼（運行形 式程式、中間碼程式、及源程式）的記錄媒體，供給至上述 113808.doc -42- 1296324 圖像解析部2a，且該電腦（或CPU、MPU(Microprocessing Unit，微處理單位））讀出記錄於記錄媒體中之程式碼並運 行。

作為上述記錄媒體，例如，可使用磁帶或卡式磁帶等磁 帶系；包括Floppy(註冊商標）碟/硬碟等磁碟，或 CD-ROM/MO/MD/DVD/CD-R等光碟之光碟系；1C卡（包含 記憶卡）/光卡等卡系；或Mask ROM(Mask Read Only Memory，光罩式只讀記憶體）/EPROM(Erasable Programmable Read Only Memory，可抹除可編程唯讀記憶體）/EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，電 子可擦可程序唯讀記憶體）/快閃記憶體/ROM等半導體記憶 體系等。 又，圖像解析部2a可與通信網路相連接，且介由通信網 路而供給上述程式碼。作為該通信網路，並無特別限定， 例如，可列舉網際網路、内部網路、外部網路，LAN(Local Area Network，區域網路）、ISDN(Integrated Services Digital Network，整體服矛务數位網路）、VAN(Value Added Network， 加值網路）、CATV通信網路、虛擬專用網路（Virtual Private Network)、電話線網路、行動通信網路、及衛星通信網路 等。又，作為構成通信網路之傳輸媒體，並無特別限定， 例如，可列舉IEEE 1394、USB、電線搬送、有線TV線、電 話線、ADSL(Asymmetric Digital Subscriber Line，非對稱 數位用戶線）線等有線，以及如IrDA(Infrared Data Association，紅外線數據協定）或遙控之類的紅外線、 113808.doc •43- 1296324 註冊商標）、獻11無線、HDR(HighDataRate， 尚速行動數據通信)、行動電話網路、衛星通信線路、地波 數字網絡等無線^再者，本發明於下述電 形態下亦可實現上述程式碼藉由電子傳輸而= 被嵌入搬送波中之電腦資料訊號之形態。 本發明並非限定於上述實施形態者，可於請求項所干之 範圍内進行各種變更1，對於請求項所示之範圍内經適 當變更之技術的方法加以組合而獲得之實施形態，亦包括 於本發明之技術的範圍中。 [產業上之可利用性] 根據本發明，可計測出計測對象之三次元形狀，故可較 好地應用於例如檢查實裝基板等裝置中。 【圖式簡單說明】 圖1係表示本發明之-實施形態之圖，且係表示三次元形 狀計測裝置之主要部分之構成的方塊圖。 圖2係表示本發明之-實施形態之圖，且係表示三次元形 狀計測裝置之計測態樣的圖。 圖3係用以說明三角測量之原理的圖。 且係表示投光部所投 圖4表示本發明之一實施形態之圖 影之光圖案之一例的圖。 之形狀的上表面圖；圖5(b)係表示 圖5 (a)係表不計測對象 計測對象之形狀之側面圖 投影於計 ，圖6係表示於圖5之計測對象上投影光圖案時 測對象上之光圖案的變形之圖。 113808.doc -44- 1296324 圖7係表示本發明之一實施形態之圖，且係圖1所示之圖 像解析部之功能方塊圖。 圖8係表示本發明之一實施形態的圖，且係表示圖1所示 之圖像解析部之處理步驟的流程圖。 圖9表示本發明之其它實施形態的圖，且係圖丨所示之圖 像解析部的功能方塊圖。

圖10係表示本發明之其它實施形態的圖，且係表示投光 部所投影之光圖案之其它例的圖。 又 圖11係表示本發明之一實施形態的圖，且係表示施加於 計測對象上之修正圖案之一例的圖。 圖12係表示線感測器與修正用圖案間之幾何位置關係之 一例的平關，同圖⑷表示線感測器傾斜於_描方向之 狀態’同圖（b)表示修正用圖案傾斜於副掃描方向之狀態。 圖13係表示線感測器與修正用圖案間之幾何位置關=之 其它例的平面目，且表示線感測器及修正用圖案之兩者傾 斜於副掃描方向之狀態。 、 【主要元件符號說明】 、圖14係將圖13之主要部分擴大表示的圖，同圖⑷表示線 感測器讀取修正關案之縱線之情形時，縱線與線感測器 間之位置關係，同圖（b)及同圖⑷，分別表示線感測器開始 讀取修正用圖案之橫線時，橫線與線感測器間之位 係，及縱線之間距與線感測器之位置關係。 圖像解析、驅動控制部（圖像解析部） 投光部（光圖案投影部） 113808.doc -45- 1296324

ίο 三次元形狀計測裝置 16 線感測器 20 計測對象 46 輸入、設定部（設定部） 113808.doc •46-

Claims (1)

1. 卜"月w日修(更)正 9^5)^324:28 !轉利申請案 中文申凊專利範圍替換本(96年11月） 十、申請專利範圍： 一種三次元形狀計測裝置，其特徵在於·· 其係藉由對投影於計測對象上之亮度相應於位置而週 d性隻化之光圖案加以解析，而計測出計測對象之三次 元形狀者，且包括： 線感測器’其用以讀取投影於計測對象上之上述光圖 案作為圖像；及 圖像解析部，其根據上述圖像之上述像素及其周邊像 素的贵度值計算由上述線感測器所讀取之圖像中所包含 之某像素的光圖案的相位，且根據所計算出之相位計算 上述計測對象之高度資訊。 2.如請求们之三次元形狀計測裝置，其中上述圖像解析部 包括設定部m設定計算上述光圖案之相位時所使 用之上述周邊像素的數量。 3· 一種三次元形狀計測裝置，其特徵在於·· 其係藉由對投景彡於相對象上之亮度相應於位置而週 期性變化的光圖案加以解析，而計測出計測對象之三次 元形狀者，且包括： 線感測器 為圖像；及 X、用以"貝取投影於計測對象上之光圖案作 圖像解析部’其根據m紋解析法（啊―如叫 隱lys順由上述線感測器所讀取之圖像之光圖案加r 解析，而計算上述計測對象之高度資訊。 4.如請求項3之三次元形狀計測襄置，其中上述圖像解析苟 113808-961120.doc 1296324 W年//月>/日修(更)正替換頁 、 R σΡ ’其設定上述空間條紋解析法中所使用之濾 无斋的尺寸。 5.如請求項】或3之三次元形狀計測裝置，其中進一步包括 光圖案投影部’其將由上述線感測器所讀取之上述光圖 案投影於上述計測對象上； 上述光圖案投影部將上述線感測器之主掃描方向上亮 度變化間距最小的上述光圖案投影於上述計測對象上。 # 6•如請求項1或3之三次元形狀計測裝置，其中上述光圖案 奴影部將聚光於沿上述線感測器之主掃描方向延伸之工 軸上的直線形狀之上述光圖案投影於上述計測對象上。 7·:請求項1或3之三次元形狀計測裝置，其中上述線感測 器分別讀取投影有上述光圖案之狀態及未投影有上述光 圖案之狀態的兩個狀態下的上述計測對象作為圖像，並且 上述圖像解析部根據於計測對象上未投影有光圖案之 狀態下由上述線感測器所讀取之圖像的亮度，使於上述 瞻 計測對象上投影有上述光圖案之狀態下由上述線感測器 所讀取之圖像的亮度正規化，且對經正規化後之亮度之 圖像的光圖案加以解析。 8·如請求項1或3之三次元形狀計測裝置，其中包括兩個線 感測器：第1線感測器，其用以讀取投影有上述光圖案之 上述計測對象作為圖像；及第2線感測器，其用以讀取未 投影有上述光圖案之上述計測對象作為圖像； 上述圖像解析部根據由第2線感測器所讀取之圖像的 亮度，使由第1線感測器所讀取之圖像的亮度正規化，且 113808-961120.doc .9- 1296324 月V/日it tML替換頁 對經正規化後之加以解析。 9.如請求項1或3之三次元形狀計測裝置，其中進一牛 搬送部，其以特定搬送速度將 匕 斟务* s , 砍測态、上述計测 對象之至少-方沿與上述線感測器之主掃描方向正 副掃描方向搬送； 述線感測器係使投影於計測對象上之上述光圖案一

   面相對於計測對象而沿上述副掃描方二 作為圖像； 面項取 上述圖像解析部進而根據上述圖像之上述主掃描方向 ，像素數，計算上述計義象之上述主掃描方向的長度 1訊，並且根據上述搬送速度，計算計測對象之上述= 掃描方向的長度資訊。 田 !〇· -種電腦可讀取記錄媒體’其記錄有下述程式，即用以 使--人7L相裝置之圖像解析部動作且用以使電腦作為 上述圖像解析部而發揮功能之程式； 旦/上述三次元計測裝置包括：線感測器，其用以讀取投 衫於相對象上之亮度相應於位置而週期性變化的光圖 案作為圖像；及 圖像解析部，其根據上述圖像之上述像素及其周邊像 素之冗度值計算由上述線感測器所讀取之圖像中所包含 之某像素的光圖案的相位，且根據所計算出之相位計算 上述計測對象之高度資訊。 11· 一種三次元形狀計測方法，其特徵在於包括下述步驟·· 光圖案投影步驟，其將亮度相應於位置而週期性變化 H3808-961120.doc

   1296324 之光圖案投影於計測對象上； 光圖案讀取步驟，其利用線感測器讀取藉由上述光圖 案投影步驟而投影於計測對象上之光圖案作為圖像；及 圖像解析步驟，其根據上述圖像之上述像素及其周邊 像素之7C度值計算上述光圖案讀取步驟中讀取之圖像中 所包，的某像素之光圖案的相位，且根據所計算出之相 位計算上述計測對象之高度資訊。 3长項1 1之二次$形狀計測方法，其中上述圖像解析 步驟包含設定步驟’其用以狀計算上述光圖案之相位 時所使用之上述周邊像素的數量。 13· -種三次元形狀計測方法，其特徵在於包括下述步驟： 光圖案投影步驟，其將亮度相應於位置而週期性變化 之光圖案投影於計測對象上； 光圖案讀取步驟，其利用線感測器讀取藉由上述光圖 案投影步驟而投影於上述計測對象上的光圖案作為圖 像；及 #田 光圖案解析步驟，其根據空間條紋解析法對於上述光 圖案讀取步驟中所讀取之圖像的光圖案進行解析，而計 算上述計測對象之高度資訊。 14. 如請求項13之三次元形狀計測方法，其中，上述光圖案 斤v驟進一步包括没定步驟，其設定上述空間條紋解 析法中所使用之濾光器的尺寸。 15. 如請求項丨丨或^之三次元形狀計測方法，其中於上述光 圖案投影步驟中，其上述線感測器之主掃描方向上亮度 113808-961120.doc 1296324 ‘ —__________________— 卜年"月修(更)正替^頁 變化間距最小的光圖案投影於計測對象上。 16·如請求項11或13之三次元形狀計測方法，其中於上述光 圖案投影步驟中，將聚光於沿上述線感測器之主掃描方 向延伸之1軸上的直線形狀光圖案投影於計測對象上。 17·如請求項Π或13之三次元形狀計測方法，其中進一步包 括對照讀取步驟，其藉由線感測器讀取未投影有上述光 圖案的上述計測對象作為圖像； 於上述光圖案解析步射，根據上述對照讀取步驟中 所讀取之圖像的亮度，使於上述光圖案讀取步驟中所讀 取之圖像的亮度正規化，且對經正規化後之亮度之圖偉 的光圖案加以解析。 如睛f項Ustl3之三次元形狀計測方法，纟中於上述光 圖案讀取步驟中，一面使上述線感初器相對於上述計測 對象而以特定速度沿與該線感測器之主掃描方向正交的 副掃描方向移動，—面讀取上述光圖案作為圖像； =上述圖像解析步驟中，進而根據圖像之上述主掃描 。的像素數計算相對象之上述主掃描方向的長 =，並且根據上述特定速度計算計測對象之上述副ς描 方向上的長度資訊。 113808-961120.doc