TWI414750B - Dimensional shape measuring device, three-dimensional shape measurement method and three-dimensional shape measurement program - Google Patents

Dimensional shape measuring device, three-dimensional shape measurement method and three-dimensional shape measurement program Download PDF

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TWI414750B
TWI414750B TW99107371A TW99107371A TWI414750B TW I414750 B TWI414750 B TW I414750B TW 99107371 A TW99107371 A TW 99107371A TW 99107371 A TW99107371 A TW 99107371A TW I414750 B TWI414750 B TW I414750B
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Yuki Honma
Daisuke Mitsumoto
Sunao Takemura
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Omron Tateisi Electronics Co
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Description

三維形狀計測裝置、三維形狀計測方法及三維形狀計測程式
本發明係關於一種藉由對投影至計測對象之光圖案進行分析而對計測對象之三維形狀進行計測的三維形狀計測裝置、三維形狀計測方法及三維形狀計測程式。
作為利用圖像分析而獲得對象物之三維形狀資訊之方法則有如下方法：向存在於特定之攝像視場內之計測對象投影光圖案，並分析相應計測對象之三維形狀而變形之光圖案的變形量。作為代表性方法，可列舉光切法、空間編碼法、及條紋分析法等。該等方法均係依據三角測量之原理，其中，關於條紋分析法提出有空間條紋分析及時間條紋分析等多種方法，且作為獲得較高之計測精度之方法而眾所周知(專利文獻1~3、非專利文獻1)。
於使用上述方法之情形時，投影光圖案之投光裝置、作為載置計測對象之平面之基準面、及拍攝計測對象之攝影裝置之幾何形狀之位置關係，會對高度位置之測定精度產生影響。參照圖15，對該點進行說明。
圖15係表示三角測量之原理之圖。為簡化說明，而設想如下情形：藉由具有垂直於基準面P0之光軸之攝影裝置Cc，來觀測距離基準面P0之高度為h之平面Ph。又，將投光裝置Cp配置於自基準面P0觀察與攝影裝置Cc相同之高度處，並使光圖案朝向基準面P0上之點O之位置處投影。
於觀測與基準面P0平行且相距高度h之平面Ph之情形時，朝向點O之光圖案將與點P相交。此時，若自攝影裝置Cc觀察，則朝向基準面P0投影之光圖案將於與光軸(Z軸)相距距離PQ之位置P處被觀測到。光圖案係以該偏移量PQ成為光圖案之相位差而呈現。若可計算相位差，則可藉由下式(1)而計算高度h。
[數1]
(其中，係表示PQ間之距離、即相位差。又，d表示攝像部Cc與投光部Cp之於光軸中心間之距離，L表示攝像部Cc至基準面為止之距離，且均為已知值)。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2002-286433號公報(2002年10月03日公開)
[專利文獻2]日本專利特開2004-117186號公報(2004年04月15日公開)
[專利文獻3]日本專利特開2007-114071號公報(2007年05月10日公開)
[專利文獻4]日本專利特開2002-214147號公報(2002年07月31日公開)
[專利文獻5]日本專利特開2005-300512號公報(2005年10月27日公開)
[非專利文獻]
[非專利文獻1]藤垣等人「複數個線感測器之連續物體形狀計測中之平行光柵投影方法」，精密工學會秋季大會學術演講會演講論文集pp.1061-1062，2004。
然而，上述相位差通常係以原本之相位差除以2π所得之餘數計算。因此，可計測之相位差之範圍因受到2π限定，故可計測高度之範圍(計測範圍)受到限定。
因此，提出有幾種擴大可計測高度之方法。作為一種方法，可列舉延長光圖案週期之方法。若該週期變長，則與一個週期相對應之偏移量PQ變長，故上述計測範圍變大。
然而，於上述方法中，若上述相位差之分辨率相同，則偏移量PQ之分辨率(可辨識之最小值)變長，故上述高度之分辨率變長。即，上述高度之精度降低。為避免該問題，雖提高上述相位差之分辨率便可，但由此需要昂貴的光學系統，進而校正頗費工時。
作為其他方法可列舉：使用新的位移感測器對計測對象之輪廓形狀進行計測，並根據該形狀而變更上述計測範圍，藉此擴大可計測之高度。然而，於該情形時，必需設置新的位移感測器並進行校正，導致用於計測之成本及工時增加。
本發明係鑑於上述問題研製而成者，其目的在於提供一種可維持計測範圍且可簡便地擴大可計測之高度之三維形狀計測裝置等。
為解決上述問題，本發明之三維形狀計測裝置之特徵在於：其係藉由對投影於計測對象且亮度根據位置而週期性變化之光圖案進行分析，而計測上述計測對象之三維形狀，該三維形狀計測裝置包括：安裝台，其具有作為上述計測對象之高度基準之基準面，且安裝著上述計測對象；計測頭，其向上述計測對象及上述基準面投影上述光圖案，並拍攝所投影之光圖案；位移部，其使上述安裝台及上述計測頭中之至少一者向上述計測對象之高度方向位移；相位計算機構，其計算上述計測頭拍攝之圖像中所含之某個像素中之上述光圖案的相位；高度計算機構，其根據該相位計算機構所計算之相位，計算上述計測對象之高度；及位移部控制機構，其根據該高度計算機構所計算之上述計測對象之高度，控制上述位移部；且，上述高度計算機構係根據上述相位計算機構所計算之相位而計算高度，並根據因上述位移部而自上述安裝台之基準面至上述計測頭為止之高度之位移量，修正經計算之高度，藉此計算上述計測對象之高度。
又，為解決上述問題，本發明之三維形狀計測方法之特徵在於：其係對投影於計測對象且亮度根據位置而週期性變化之光圖案進行分析，藉此計測上述計測對象之三維形狀之三維形狀計測裝置的三維形狀計測方法，且該三維形狀計測方法之包括：相位計算步驟，其計算計測頭拍攝之圖像所含之某個像素中之上述光圖案之相位，上述計測頭係對上述計測對象及安裝著該計測對象之安裝台所具有之作為上述計測對象之高度基準的基準面投影上述光圖案，並拍攝所投影之光圖案；高度計算步驟，根據該相位計算步驟中計算之相位，計算上述計測對象之高度；及位移部控制步驟，根據該高度計算步驟中計算之上述計測對象之高度，對使上述安裝台及上述計測頭中之至少一者沿上述計測對象之高度方向進行位移的位移部進行控制；且，上述高度計算步驟係根據上述相位計算步驟中計算之相位計算高度，並根據因上述位移部而自上述安裝台之基準面至上述計測頭為止之高度之位移量，修正經計算之高度，藉此計算上述計測對象之高度。
根據上述構成及方法，藉由根據某個像素中之光圖案之相位計算高度，並根據因位移部而自安裝台之基準面至計測頭為止之高度之位移量，修正經計算之高度，而計算計測對象之高度。而且，根據經計算之上述計測對象之高度，使上述安裝台及上述計測頭中之至少一者沿上述計測對象之高度方向位移。
一般而言，為進行三維形狀計測裝置之校正，而可調整自上述安裝台之基準面直至上述計測頭為止之上述高度方向上之距離(高度)。即，一般係於三維形狀計測裝置中設置高度調整機構，其沿上述高度方向對上述計測頭及/或上述安裝台進行調整。
可藉由將該高度調整機構變更為根據上述計測對象之高度使上述計測頭及/或上述安裝台沿上述高度方向位移之位移部，而使計測範圍易於沿上述高度方向進行位移。又，上述位移部之校正可與先前之校正一併進行，故可抑制校正工時之增加。
而且，可藉由根據上述位移部之位移量，修正基於上述相位計算之高度，而不必設置用以計測高度之新的感測器，便可計算計測對象之準確高度。因此，根據本發明，可一面維持上述計測範圍，一面簡便地擴大可計測之高度。
再者，上述計測對象既可安裝於上述基準面上，亦可離開上述基準面而安裝。又，雖理想的是上述位移部使上述計測頭沿高度方向位移，但亦可使上述安裝台沿高度方向位移，而且亦可使上述計測頭及上述安裝台之兩者沿高度方向位移。
於本發明之三維形狀計測裝置中，上述位移部控制機構亦可於上述高度計算機構計算出上述計測對象之高度後，使上述位移部進行上述位移。於該情形時，雖然上述位移部進行上述位移之次數與計算上述計測對象之高度之次數成比正地增加，但無需判斷上述位移是否根據上述計測對象之高度而進行之處理。再者，上述位移部控制機構可於上述高度計算機構計算出上述計測對象之高度後，使上述位移部每次進行上述位移，亦可每隔一次、每隔兩次等間歇進行上述位移。
於本發明之三維形狀計測裝置中，上述位移部控制機構亦可於上述高度計算機構所計算之上述計測對象之高度，到達與表示可取得上述相位之範圍的計測範圍相對應之高度方向上之範圍中的端部後，使上述位移部進行上述位移。
此處，通常可認為所謂上述計測對象之高度到達上述端部，係指上述計測對象之高度即將超出與上述計測範圍相對應之高度方向上之範圍。若超出上述範圍，則無法以上述方式計測準確之高度。
相對於此，根據本發明之上述構成，若上述計測對象之高度即將超出上述範圍，則上述位移部進行上述位移，故可防止上述計測對象之高度超出上述範圍，其結果為可計測準確之高度。又，與計算出上述計測對象之高度後使上述位移部進行上述位移之上述情形相比，雖需要判斷上述位移是否根據上述計測對象之高度而進行之處理，但可減少上述位移部進行上述位移之次數。
於本發明之三維形狀計測裝置中，上述位移部控制機構係於上述高度計算機構所計算之上述計測對象之高度，到達與上述計測頭之景深相對應之範圍之端部後，使上述位移部進行上述位移，且，上述三維形狀計測裝置亦可進而包括根據表示可獲得上述相位之範圍之計測範圍，修正上述相位計算機構所計算的相位之相位修正機構，而上述高度計算機構係根據上述相位修正機構所修正之相位計算高度，並根據上述位移量修正經計算之高度，藉此計算上述計測對象之高度，且，上述三維形狀計測裝置亦可進而包括根據上述相位修正機構所修正之相位與上述位移量，設定上述計測範圍之計測範圍設定機構。
此處，可認為所謂上述計測對象之高度到達上述端部，係指上述計測對象之高度即將超出與上述景深相對應之範圍。若超出上述範圍，則上述計測頭所拍攝之圖像將變成焦點模糊之圖像，故存在無法計測準確高度之虞。
相對於此，根據本發明之上述構成，若上述計測對象之高度即將超出上述範圍，則上述位移部進行上述位移，故可防止上述計測對象之高度超出上述範圍，其結果為可確實地計測準確之高度。又，上述景深較上述計測範圍更廣，故與根據上述計測範圍使上述位移部進行上述位移之上述情形相比，可進而減少上述位移部進行上述位移之次數。
然而，通常即便與距離基準面之高度相對應之相位差超過2π，附近之像素彼此之相位差超過2π之可能性亦較低。因此，根據本發明之上述構成，係基於計測範圍對某個像素修正相位，並根據所修正之相位及上述位移量，設定與其次所掃描之像素相關之計測範圍，故相位超出計測範圍之可能性較低。其結果為，可亦可應對與上述景深相對應之範圍內且原本之相位達到2π以上之情形。
再者，上述端部之大小可根據上述計測對象之斜度、及至其次掃描之位置為止之距離等而適當設定。又，上述端部之大小既可為特定之大小，亦可相應於例如上述計測對象之斜度而變化。
然而，對某個像素計測之高度中含有雜訊及誤差。因此，上述計測範圍之設定可根據與之前計測之一個像素相關之計算結果而進行，但理想的是根據與之前計測之複數個像素相關之計算結果設定上述計測範圍。又，理想的是，上述計測對象之高度是否到達上述端部之判斷亦以同樣之方式進行。
又，於上述設定中，既可將上述經修正之相位作為上述計測範圍之中央，亦可於計測對象之高度具有上升傾向時將上述經修正之相位作為上述計測範圍之下限，而且可於計測對象之高度具有下降傾向時將上述經修正之相位作為上述計測範圍之上限。同樣地，上述計測範圍既可將上述經設定之基準面作為中央，亦可於計測對象之高度具有上升傾向時將上述經設定之基準面作為下限，而且可於計測對象之高度具有下降傾向時將上述經設定之基準面作為上限。
然而，通常於將三維形狀計測裝置用於零件之檢查等時，因上述零件之大致尺寸經預先固定，故零件之各位置之計測範圍亦固定不變。
因此，亦可將上述計測對象之位置與計測範圍對應著記憶於記憶部中，確定與上述像素相對應之上述計測對象之位置，並自記憶部中讀出與所確定之位置相對應的計測範圍，根據讀出之計測範圍修正上述相位。於該情形時，由於對應於上述計測對象之位置而設定計測範圍，故相位超出計測範圍之可能性較低。其結果為，亦可應對原本之相位達到2π以上之情形。
然而，拍攝上述光圖案之圖像中不僅包含上述光圖案之圖像以外，而且包含上述計測對象自身之圖像作為背景成分。當難以區分上述光圖案與上述背景成分之情形時，上述相位計算機構所計算之上述光圖案之相位之誤差將增大，從而難以準確地計測上述計測對象之高度。
因此，於本發明之三維形狀計測裝置中，上述計測頭包括：第1線感測器，其拍攝上述計測對象中作為投影上述光圖案之區域之光圖案照射區域；及第2線感測器，其拍攝上述計測對象中作為未投影上述光圖案之區域之光圖案非照射區域；且，上述相位計算機構所利用之圖像係利用第2線感測器所拍攝的圖像，宜係自第1線感測器所拍攝之圖像中除去背景成分而成者。
於該情形時，可取得已除去上述背景成分之圖像，故上述相位計算機構可精度良好地計算上述光圖案之相位，從而可精度良好地計測上述計測對象之高度。又，由於以一次掃描除去上述背景成分，故可迅速地計測上述計測對象之高度。再者，第2線感測器亦可包含例如分別拍攝紅色、綠色、及藍色之3個線感測器。
再者，可藉由三維形狀計測程式，而使電腦執行上述三維形狀計測裝置之各步驟。進而，可藉由將上述三維形狀計測程式記憶於電腦可讀取之記錄媒體中，而於任意之電腦上執行上述三維形狀計測程式。
如上所示，本發明之三維形狀計測裝置係可藉由將先前之高度調整機構變更為根據計測對象之高度使計測頭及/或安裝台沿上述高度方向位移之位移部，而使計測範圍易於沿上述高度方向位移，從而可抑制校正工時之增加，並且藉由根據上述位移部之位移量修正根據相位所計算之高度，而無須設置用於計測高度之新的感測器，便可計算上述計測對象之準確高度，因此實現可一面維持上述計測範圍一面簡便地擴大可計測之高度的效果。
 [實施形態1]
參照圖1至圖11，對本發明之一實施形態進行說明。圖2係表示本發明一實施形態之三維形狀計測系統(三維形狀計測裝置)10之概略構成的圖。
如圖2所示，本實施形態之三維形狀計測系統10係自投光單元13對載置於搬送單元11之搬送平台41上之計測對象12投影光圖案14，且攝像單元(攝影裝置)15對投影於計測對象12上之光圖案14進行拍攝，控制單元16分析所拍攝之光圖案14之形狀，並利用搬送單元11移動計測對象12而重複上述動作，藉此對計測對象12整體之三維形狀進行計測。作為進行計測之三維形狀之例，可列舉設置於計測對象12之表面之凹部之深度或凸部之高度及其等之位置等。三維形狀計測系統10之使用用途並無特別限定，例如可應用於檢查封裝基板之裝置等。
再者，以下將搬送平台41之搬送方向(圖2之箭頭所示之方向)設為y軸方向，將與搬送平台41垂直之方向即高度方向設為z軸方向。
圖4係表示三維形狀計測系統10之主要構成之方塊圖。如圖2所示，三維形狀計測系統10包括搬送單元11、投光單元13、攝像單元15、及控制單元16。
投光單元13如上所述係用以向計測對象12之表面投影光圖案14者。又，如圖4所示，投光單元13包括鹵素燈或氙氣燈等之光源31、用以將由光源31照射之光之一部分轉換成具有圖案之光之圖案生成元件32、及微透鏡等之光學系統33。
作為所投影之光圖案14，可利用正弦波、三角波、或矩形波等根據位置而具有週期性且可確定相位之任意圖案，而本實施形態係使用有助於計測分析度提高之正弦波狀之光圖案14。又，作為圖案生成元件32，可使用包含液晶元件者、或加工玻璃或薄膜而成者等。
攝像單元15如上所述係讀取投影有光圖案14之計測對象12並取得其圖像者。又，如圖4所示，攝像單元15包括線感測器34、及微透鏡等之光學系統35。再者，本實施形態係利用四個線感測器34。
搬送單元11係用以使計測對象12水平移動於線感測器34之主掃描方向(長度方向)、及與該主掃描方向垂直之方向(以下稱作「副掃描方向」)上者。又，如圖4所示，搬送單元11包括用以載置計測對象12之搬送平台41、及驅動搬送平台41之伺服馬達42。再者，搬送單元11亦可包括檢測搬送平台41之位置之線性光學尺43等。
可藉由一面利用搬送單元11使計測對象12移動於副掃描方向一面利用線感測器34逐次拍攝該計測對象12，而對計測對象12整體之三維形狀進行計測。又，當計測對象12於主掃描方向上較線感測器34之攝像範圍更大之情形時，利用搬送單元11使計測對象12移動於主掃描方向上並利用線感測器34逐次拍攝該計測對象12即可。
控制單元16係全面控制三維形狀計測系統10之各種單元者。具體而言，控制單元16控制搬送單元11、投光單元13、及攝像單元15，並藉由條紋分析法而對攝像單元15所拍攝之圖像中包含的光圖案14進行分析，計算計測對象12之三維形狀。
進而，於本實施形態中，投光單元13及攝像單元15係作為計測頭17而一體設置，且設置有使計測頭17沿z軸方向(高度方向)移動之z軸傳送機構(位移部)18。而且，控制單元16係指示z軸傳送機構18，控制計測頭17之高度。
考慮計測頭17之構成係於某個基體(未圖示)上設置投光單元13及攝像單元15，並藉由z軸傳送機構18而使該基體沿高度方向移動。於該情形時，理想的是上述基體具有沿高度方向移動時亦可保持投光單元13及攝像單元15之幾何形狀之位置關係之剛性。又，作為z軸傳送機構18，可利用螺桿傳送機構等使物體移動之公知之機構。
又，於本實施形態中，控制單元16根據z軸傳送機構18使計測頭17自某個基準位置起沿高度方向移動(位移)之量即傳送量(位移量)Δz，修正利用上述條紋分析法所計算之高度，藉此計算計測對象12之高度。而且，控制單元16根據經計算之計測對象12之高度，控制z軸傳送機構18，以使計測頭17沿高度方向移動。
因此，可藉由將先前設置之用以進行三維形狀計測裝置之校正之高度調整機構變更為z軸傳送機構18，而使計測範圍易於沿高度方向位移。又，z軸傳送機構18之校正可與先前之校正一併進行，故可抑制校正工時之增加。
而且，根據z軸傳送機構18之傳送量Δz修正利用上述條紋分析法所計算之高度，藉此無須設置用以計測高度之新的感測器，亦可計算計測對象之準確高度。其結果為，可一面維持上述計測範圍一面簡便地擴大可計測之高度。再者，控制單元16之詳細內容進行以下說明。
其次，對控制單元16之詳細內容進行說明。如圖4所示，控制單元16構成為包括圖像取得部44、主控制部45、記憶部46、輸入‧設定部47、搬送控制部48、投光控制部49、及z軸傳送控制部(位移部控制機構)50。
主控制部45係對搬送控制部48、投光控制部49、及z軸傳送控制部50進行各種指示者。主控制部45係藉由使CPU(Central Processing Unit，中央處理單元)執行各種控制程式而實現。或者亦可取而代之，藉由未圖示之DSP(Digital Signal Processor，數位信號處理器)、FPGA(Field Programmable Gate Array，場可程式化閘陣列)等而實現。再者，關於主控制部45之詳細內容將於下文進行說明。
記憶部46係記憶各種資訊者。記憶部46係藉由RAM(Random Access Memory，隨機存取記憶體)、ROM(Read Only Memory，唯讀記憶體)、外部記憶裝置等中之任一者或其等之組合而實現。再者，關於記憶部46中所記憶之資訊之詳細內容將於下文進行說明。
圖像取得部44係取得來自攝像單元15之圖像資訊者，且包括取板等。圖像取得部44將所取得之圖像資訊轉換成主控制部45可處理之圖像資料，並將其發送至主控制部45。
輸入‧設定部47係受理來自使用者之指示輸入、資訊輸入、設定輸入等各種輸入者，且包括例如鍵盤或按鈕等按鍵輸入裝置、及滑鼠等指向裝置等。再者，亦可代替輸入‧設定部47或與輸入‧設定部47一併，使用讀取經印刷之資訊之掃描儀裝置、經由無線或有線之傳輸媒體接收信號之接收裝置、使外部或自身裝置內之記錄媒體中記錄之資料再生的再生裝置等，受理來自外部之上述各種輸入。
搬送控制部48、投光控制部49、及z軸傳送控制部50根據來自主控制部45之指示，分別控制搬送單元11、投光單元13、及z軸傳送機構18。
以下以一例說明此種三維形狀計測系統10所具備之各部分之幾何形狀之位置關係，但本發明並不限定於此。
於本實施形態之三維形狀計測系統10中，攝像單元15之線感測器34係設置成其主掃描方向平行於搬送平台(安裝台)41之載置面(基準面)。可藉由使線感測器34之主掃描方向平行於搬送平台41之載置面，而以均勻之倍率拍攝計測對象12之上表面。又，由於線感測器34之主掃描方向與副掃描方向垂直，故包含一面搬送一面拍攝之複數個線影像之二維圖像中，係拍攝直角部分作為直角部分。
又，投光單元13係設置成其光軸相對於攝像單元15之光軸具有特定之角度。藉此，雖下文說明詳細內容，但可根據投影於計測對象12上之光圖案14之偏移，計算計測對象12之高度。再者，攝像單元15及投光單元13之幾何形狀之配置可於設置時預先計測，亦可藉由校正而計算。
對此種三維形狀計測系統10之動作之說明如下所示。
首先，進行各種設備之校正。例如，將校正用目標(未圖示)載置於搬送平台41上，攝像單元15拍攝載置後之校正用目標，控制單元16分析所拍攝之校正用目標之圖像，並計算攝像單元15之光軸之斜度Φ ，藉此進行攝像單元15之光軸之校正。
於各種校正結束之後，進行計測對象12之三維形狀之計測。首先，藉由來自控制單元16之搬送控制部48之指令，搬送單元11之伺服馬達42將搬送平台41設置於初始設定位置。該初始設定位置係決定攝像單元15拍攝計測對象12時之副掃描方向之攝像開始位置者，且宜為攝像單元15之攝像區域到達載置於搬送單元11之搬送平台41上之計測對象12之副掃描方向之端部的位置。
繼而，投光單元13對計測對象12投影光圖案14。攝像單元15對投影有光圖案14之計測對象12進行掃描，取得該計測對象12之圖像。藉由攝像單元15所取得之圖像被發送至控制單元16，並藉由控制單元16之圖像取得部44而轉換成數位資料。接著，控制單元16之主控制部45對光圖案14進行分析，藉此計算計測對象12之高度資訊。
此處，本實施形態之三維形狀計測系統10係於分析圖像中之光圖案14時，使用空間條紋分析法。藉此，可由攝像單元15所具備之四個線感測器34一次掃描所取得之4個線影像中，求出計測對象12之區域即攝像單元15之掃描區域(攝像區域)內之各位置上之高度。再者，關於空間條紋分析法之詳細內容將於下文進行說明。
繼而，搬送單元11藉由控制單元16之控制，而使計測對象12沿副掃描方向移動特定之距離。藉此，計測對象12中之攝像單元15之攝像區域與投光單元13所投影之光圖案14沿副掃描方向偏移特定之距離。之後，攝像單元15再次對計測對象12進行掃描，取得線影像。此處所得之線影像中包含計測對象12與之前之掃描區域相較沿副掃描方向偏移特定之距離的區域。所得之圖像同樣地被發送至控制單元16，從而求出新的掃描區域內之各位置上之三維資訊。
以此方式，藉由重複實施搬送單元11再次使計測對象12移動特定之距離，由攝像單元15拍攝計測對象12，且由控制單元16分析線影像之處理，而對計測對象12之整體之三維形狀進行計測。
再者，計測對象12之三維形狀資訊中之線感測器34之主掃描方向之長度及副掃描方向之長度資訊，可利用公知之方法進行計測。例如，計測對象12之主掃描方向之長度資 訊可根據線影像中所拍攝之計測對象之主掃描方向之長度進行計算。又，計測對象12之副掃描方向之長度資訊可根據搬送單元11之移動速度進行計算。可藉由以此方式求出計測對象12之主掃描方向及副掃描方向之長度資訊及高度資訊，而獲得計測對象12之三維形狀資訊。
再者，上述特定之距離與攝像單元15之攝像區域之副掃描方向上之長度宜相等。藉此，便可藉由上述步驟而無遺漏地對計測對象12之整個區域進行快速計測。
又，每一特定距離之攝像可藉由一面使搬送平台41以恆定速度移動一面使攝像單元15每隔固定時間進行拍攝而實現。於該情形時，搬送控制部48係經由圖像取得部44，於每一例如數KHz級之固定時間內對攝像單元15發送攝像驅動信號。攝像單元15將該驅動信號作為觸發信號，取得投影有光圖案14之計測對象12之圖像。另一方面，搬送控制部48亦對搬送單元11發送每一相同之固定時間內之搬送驅動信號。搬送單元11之伺服馬達42係將該搬送驅動信號作為觸發信號，以恆定速度驅動搬送平台41。藉此，可對每一特定之區域拍攝計測對象12。
又，亦可於每一特定之距離之攝像中使用線性光學尺43。於該情形時，如圖4所示，將線性光學尺43設置於搬送單元11上，每當搬送平台41移動特定之距離時，對搬送控制部48發送信號。而且，搬送控制部48收到該信號後，對攝像單元15之線感測器34發送攝像驅動信號。藉此，可不受搬送單元11之搬送速度不均等影響，精確地進行每一特定之距離之攝像，其結果三維計測之精度得以提高。
其次，對此種三維形狀計測系統10之優點進行說明。於本實施形態中，作為攝像單元15所含之讀取感測器係使用線感測器34。例如於使用主掃描方向之像素數為10000像素之線感測器34之情形時，可以約10 μm之分辨率拍攝主掃描方向之長度為100 mm之計測對象。相對於此，例如於使用橫向之像素數為640像素之面陣攝影機之情形時，僅能以約150 μm之分辨率拍攝橫向長度為100 mm之計測對象。
又，上述面陣攝影機為了以與線感測器34相同之分辨率進行拍攝，必需進行最少12組如下處理步驟：沿主掃描方向以特定之距離為單位移動繼而拍攝。於該情形時，為使攝像單元15沿主掃描方向移動進行拍攝而需要大量時間。
相對於此，本實施形態之三維形狀計測系統10則可藉由使用線感測器34，而以較高之分辨率對計測對象12進行高速攝像。
進而，本實施形態係構成為利用空間條紋分析法對攝像單元15所讀取之各線影像進行分析。空間條紋分析法係可由一個線影像中計算出光圖案14之相位偏移，並由該相位偏移計算出三維資訊。由此，對於計測對象12所需之總掃描次數僅一次即可，故與掃描次數需要複數次之構成相比，可高速地進行計測。
進而，由於可僅根據由一次掃描所取得之線影像計測高度，故亦可於掃描之同時進行三維形狀之計測。藉此，例如於進行基板之檢查之情形時等，當於作為計測對象12之基板上發現一些製造方面之不良狀態時，可無須將攝像處理重複至最後為止，而立即中斷計測，從而亦可加快基板之檢查。
其次，對控制單元16之主控制部45之圖像分析之詳細情況進行說明。首先，參照圖5~圖8，對本實施形態之圖像分析方法之原理進行說明。
主控制部45根據空間條紋分析法，對投影有光圖案14之計測對象12之線影像進行分析。如上所述，空間條紋分析法係基於三角測量之原理者。關於三角測量之原理已參照圖15進行了上述說明，故以下依序對條紋分析法及空間條紋分析法進行說明。
首先，對條紋分析法進行說明。於本實施形態中，如上所述，作為投影於計測對象12之光圖案14係使用正弦波狀之光圖案。所謂正弦波狀之光圖案，係指具有亮度由正弦函數表現之階度之圖案。換言之，將位置與亮度之關係由正弦函數表現之光圖案稱作正弦波狀之光圖案。圖5表示正弦波狀之光圖案之一例。
於將此種光圖案投影於圖6(a)及(b)所示之計測對象12之情形時，若俯視觀察則投影之光圖案如圖7(a)所示。即，自斜向投影之光圖案於具有高度之凸部產生扭曲。若藉由攝像單元15之線感測器34來掃描以此方式投影光圖案之計測對象12，則掃描位置與亮度之關係為圖7(b)所示。
如圖7(b)之上段所示，投影於無凸部之基準面之光圖案之亮度始終以固定之週期變化。相對於此，如圖7(b)之下段所示，投影於凸部上之光圖案因凸部之傾斜而使亮度之週期產生變化，其結果為，相對於投影於基準面之光圖案而言產生相位之偏移。由此，若求出將光圖案實際投影於計測對象12上而拍攝之圖像(線影像)中所含之某個位置之像素中之光圖案的相位、與光圖案投影於基準面時之相同像素之相位(基準相位)之差，則可根據上述三角測量之原理，求出與該像素相應之位置上之計測對象12的高度。
當計算上述相位差時，基準相位可藉由將光圖案投影於基準面上進行拍攝等而預先求出。另一方面，將光圖案實際投影於計測對象12上而拍攝之圖像(線影像)中所含之各位置之像素中之光圖案之相位的求解方法大致有兩種。空間條紋分析法與時間條紋分析法之不同之處在於該相位之求解方法。
如圖7(b)所示，於正弦函數中，於一個週期內存在兩個賦予某一個位移之相位。例如，於由y=sinθ表示之函數中，賦予位移y=0之相位θ之解為0及π此兩個。又，賦予位移y=1/2之相位θ之解為π/6及5π/6此兩個。根據如此之原因，於所拍攝之圖像中，無法僅由單一像素之亮度值(相當於正弦函數之位移)，求出該像素中之光圖案之相位。
此處，先前一直使用之方法即時間條紋分析法(相位移法)係將相位偏移特定量之至少三個光圖案投影於計測對象12上而拍攝計測對象12，並分析所得之圖像，藉此決定一個相位。因此，於使用時間條紋分析法之情形時，即便計測對象12之反射特性嚴格相同，亦必需最少拍攝三次計測對象12。
另一方面，空間條紋分析法係根據求解相位之像素(以下稱作「可辨像素」)及其鄰近像素之亮度，計算可辨像素中之相位。例如，於上述例中賦予位移y=0之相位θ有0及π此兩個，但此處可辨像素之相位為0之情形與為π之情形時，鄰近像素之亮度不同。於可辨像素中之相位為0之情形時，例如存在於相位略小於可辨像素之側之鄰近像素之亮度值，小於可辨像素之亮度值。另一方面，於可辨像素之相位為π之情形時，存在於相位略小於可辨像素之側之鄰近像素之亮度值則大於可辨像素之亮度值。因此，可根據可辨像素附近之像素，決定一個光圖案之相位。如此，根據存在於可辨像素附近之像素之亮度值，決定可辨像素中之相位係空間條紋分析法之特徵。
以下，詳細說明本實施形態之三維形狀計測系統10中所用之空間條紋分析法之具體處理步驟，但本發明並不限定於此，只要基於上述條紋分析法之原理，則可為任意者。
於本實施形態中，由所拍攝之線影像，虛擬地製作光圖案移相90°而成之移相光圖案。此處，所投影之光圖案設為下式(2)，
[數2]
I (x )=B (x )sin(Φ (x ))　...(2)
(其中，I(x)表示位置x上之亮度值，B(x)表示任意之函數，Φ(x)表示位置x上之相位)
則該光圖案移相90°而成之移相光圖案可以下式(3)表示，
[數3]
(其中，(x)表示移相光圖案之位置x上之亮度值)。因此，位置x上之像素之相位Φ (x)可藉由下式(4)
[數4]
此處，I(x)之值係主掃描方向之位置x上之像素之亮度值。另一方面，為計算(x)(以下，為方便起見將附有^之I(x)以此方式表示)之值，而使用Hilbert(希伯特)轉換。即，移相光圖案之位置x上之亮度值(x)以下式(5)，
[數5]
表示。此處，可取得之亮度資料係每個像素之資料、即係離散性資料，故上述式(5)近似於下式(6)，
[數6]
(其中，h(x)係由表示之函數，且表示Hilbert轉換之時間區域特性)。可藉由該式(6)，而求出(x)值。
據以上所述，若取得亮度值I(x)，則可由上述式(6)求出(x)值，並由上述式(4)求出相位Φ(x)。而且，可藉由所求出之相位Φ(x)與基準面上之相位Φ0(x)之相位差ΔΦ(x)，而基於上述三角測量之原理，計算出位置x上之高度z。
高度z具體而言係作為與基準面相距之距離而計算，可藉由下式(7)
[數7]
而求出。再者，於上述式(7)中，A(x、z)及B(x、z)係依存於圖案週期及相機至基準面為止之距離、圖案之投影角度等幾何形狀之配置而由每個像素決定之函數。其中，該等函數係未知數z之函數，故難以計算出嚴格之形狀。因此，本實施形態係觀測高度已知之校正用目標，對每一像素x計算出A(x、z)及B(x、z)之值，並使用該值以直線近似法或樣條函數近似法而推測z之函數形式。
再者，於本實施形態中，由於計測頭17係沿高度方向位移，故上述基準面亦進行位移。因此，計測對象12之高度係對由上述式(7)計算之高度z加上傳送量Δz而得者。
其次，對主控制部45之構成進行說明。圖1表示控制單元16之主要構成，特別表示主控制部45之主要構成。主控制部45包括背景除去部72、Hilbert轉換部74、相位計算部(相位計算機構)75、相位差計算部76、高度計算部(高度計算機構)77、及傳送量計算部(位移部控制機構)78。又，於控制單元16之記憶部46中存在有反正切DB(Database，資料庫)62、基準相位DB63、函數DB61、三維形狀DB64、及傳送量DB65。
反正切DB62係表示由y=tan-1 x表示之函數中之y與x之對應的資料庫，且預先對應儲存有x值與tan-1 x之值。藉此，可根據x值檢索該反正切之值y。
基準相位DB63係預先儲存有拍攝投影有光圖案之基準面(高度始終為0之平面)所得之線影像之各像素中之光圖案之相位(以下稱作「基準相位」)的資料庫。於基準相位DB63中，對應著儲存有線影像所含之像素之主掃描方向之位置x、與上述像素之基準相位Φ0(x)。藉此，可根據線影像中所含之像素之位置x之資訊，檢索上述像素之基準相位Φ0(x)。再者，基準相位DB63於校正模式下預先儲存於記憶部46中或於記憶部46中進行更新為佳。
函數DB61係預先儲存有上述式(7)所含之函數A(x、z)及函數B(x、z)之資料庫。於函數DB61中，對應著儲存有線影像所含之像素之主掃描方向之位置x、與觀測校正用目標而推測之上述像素中之函數A(x、z)及函數B(x、z)。藉此，可根據線影像中所含之像素之位置x之資訊，檢索上述像素中之函數A(x、z)及函數B(x、z)。
三維形狀DB64係用以儲存藉由計測而得之計測對象12之三維形狀資訊的資料庫。於該三維形狀DB64中，對應著儲存有確定計測對象12之表面上之點的x座標(相當於主掃描方向)、y座標(相當於副掃描方向)、z座標(相當於高度)。藉此，可於計測結束後，根據計測對象12之x座標及y座標，檢索該位置上之高度(z座標)。
傳送量DB65係用以儲存z軸傳送機構18使計測頭17自某個基準位置沿高度方向移動之量即傳送量Δz之資料庫。再者，於傳送量DB65中，可對應著儲存傳送量Δz與y座標。
背景除去部72係自圖像取得部44取得線影像，並自所得線影像中除去背景成分者。背景除去部72係將已除去背景成分之線影像發送至Hilbert轉換部74及相位計算部75。具體而言，背景除去部72取得於投影光圖案之狀態下拍攝計測對象12所得之線影像、與未投影光圖案而照射相同亮度之光之狀態下拍攝計測對象12所得的對照線影像，並將投影光圖案之狀態下之線影像中之各像素之亮度值，除以上述對照線影像所對應之像素之亮度值。
圖8(a)表示投影光圖案之狀態下之上述線影像之一例，圖8(b)表示上述對照線影像之一例。如圖8(b)所示，可理解即便對計測對象12照射相同亮度之光，所拍攝之圖像上亦會產生不均(亮斑)。其原因在於計測對象12之各部位中之反射特性之不同。如圖8(a)所示，上述不均亦產生於投影光圖案之狀態下之線影像中，導致使用上述線影像所計算之相位中產生誤差。
投影光圖案之狀態下之上述線影像之亮度值gl(x)係由下式(8)
[數8]
g 1 (x )=A (x )I 0 {1+B sin[kx +Φ(x )]}　(8)
表示。此處，A(x)係計測對象12之反射率，I0 係照射於計測對象12上之光之平均強度，B係光圖案之振幅，k係光圖案之頻率，且Φ係計測對象12之高度引起之相位調變。
另一方面，上述對照線影像之亮度值g2(x)係由下式(9)
[數9]
g 2 =A (x )I 0 　(9)
表示。
若將上述式(8)除以上述式(9)，則為下式(10)
[數10]
從而將依存於計測對象12之各部位之反射率A(x)除去。
於本實施形態中，攝像單元15中設置有用以取得上述線影像之第1線感測器、及用以取得上述對照線影像之第2線感測器。
圖3係表示三維形狀計測系統10之主要構成。圖3(a)表示設置於攝像單元15中之線感測器34之詳細情況。如圖所示，本實施形態係利用拍攝黑白成分(亮度成分)之線感測器34k、分別拍攝藍色成分、紅色成分、及綠色成分之線感測器34b‧34r‧34g此四個線感測器。再者，以下於統稱線感測器34k‧34b‧34r‧34g時記載為「線感測器34」。
圖3(b)係表示於計測對象12中分別拍攝照射光圖案14、及線感測器34k‧34b‧34r‧34g之區域即攝影區域34k'‧34b'‧34r'‧34g'。如圖所示，照射光圖案14之區域中包含拍攝黑白成分之攝影區域34k'，未照射光圖案14之區域中包含分別拍攝藍色成分、紅色成分、及綠色成分之攝影區域34b'‧34r'‧34g'。即，線感測器34k相當於第1線感測器，線感測器34b‧34r‧34g相當於第2線感測器。
因此，本實施形態係對計測對象12僅進行一次掃描便可由線感測器34k之攝影圖像取得上述線影像，且可由線感測器34b‧34r‧34g之攝影圖像取得計測對象12之彩色圖像。而且，可藉由將該彩色圖像轉換成亮度圖像，而取得上述對照線影像。可由所取得之上述線影像及上述對照線影像中，利用上述式(8)~(10)，取得僅光圖案14之圖像。因此，對計測對象12僅進行一次掃描，便可計算出計測對象12之高度，故可迅速地對計測對象12之三維形狀進行計測。
Hilbert轉換部74係根據應用上述式(10)之上述式(6)，對來自背景除去部72之線影像資料、即已除去背景成分之線影像資料進行Hilbert轉換者。Hilbert轉換部74係將經Hilbert轉換之線影像資料發送至相位計算部75。
相位計算部75係使用由背景除去部72除去背景成分所得之線影像資料、及進而由Hilbert轉換部74進行Hilbert轉換之線影像資料，計算位置x上之光圖案之相位。具體而言，相位計算部75係根據應用上述式(10)之上述式(4)，計算位置x上之光圖案之相位Φ(x)(=kx+Φ(x))。相位計算部75係將經計算之相位Φ(x)發送至相位差計算部76。再者，本實施形態中，相位計算部75係藉由參照反正切DB62而求出上述式(4)中之反正切之值，但亦可藉由數值運算而求出。
相位差計算部76係計算位置x上之相位差(相位之偏移)ΔΦ(x)者。相位差計算部76將經計算之相位差ΔΦ(x)發送至高度計算部77。具體而言，相位差計算部76首先自相位計算部75接收位置x上之光圖案之相位Φ(x)，並且參照基準相位DB63，取得位置x上之光圖案之基準相位Φ0(x)(=kx)。繼而，相位差計算部76藉由將上述相位Φ(x)減去上述基準相位Φ0(x)，而計算出位置x上之相位差ΔΦ(x)(=Φ(x))。
高度計算部77係計算位置x上之計測對象12之高度z者。高度計算部77係將經計算之高度z與主掃描方向之座標x及副掃描方向之座標y對應著儲存於三維形狀DB64中，並且將其發送至傳送量計算部78。
具體而言，高度計算部77首先自相位差計算部76接收位置x上之相位差ΔΦ(x)，並且參照函數DB61，取得位置x上之函數A(x、z)及函數B(x、z)。繼而，高度計算部77係由上述相位差ΔΦ(x)、上述函數A(x、z)、及上述函數B(x、z)，根據上述式(7)計算出高度z。接著，高度計算部77係藉由將經計算之高度z加上來自傳送量DB65之傳送量Δz，而修正上述經計算之高度z。該經修正之高度z成為位置x上之計測對象12之高度z。
傳送量計算部78係對部分或所有之位置x，計算來自高度計算部77之計測對象12之高度z之平均值，並計算出經計算之平均值成為下一次掃描之計測範圍之中心的傳送量Δz，再將經計算的傳送量Δz發送至z軸傳送控制部50，並且將其儲存於傳送量DB65中。藉此，z軸傳送控制部50以計測頭17之位移量成為來自傳送量計算部78之傳送量Δz之方式，控制z軸傳送機構18使計測頭17進行位移。再者，不僅可使用平均值，而且可使用眾數值、中間值等統計量。
圖9係表示上述構成之三維形狀計測系統10中之計測頭17之動作的一例。於圖示之例中，作為計測對象12之基板12a係以朝上凸起之方式翹曲，且沿y軸方向進行搬送。於該情形時，計測頭17自圖9之左側起開始掃描，且計測頭17對應著基板12a之翹曲移動至上方之後，向下方移動。
如此，於對應著基板12a之翹曲使計測頭17位移之情形時，將未配置有零件之位置x作為計算傳送量Δz之對象即可。再者，通常基板12a之顏色為茶色‧綠色等預先決定者，故可藉由自第2線感測器所取得之彩色圖像，而容易地判斷基板12a上是否配置有零件。
圖10係沿y軸方向剖開圖9所示之基板12a，並自x軸方向進行觀察之圖。圖10(a)係表示本實施形態之三維形狀計測系統10之計測範圍之變化情況。又，圖10(b)係將先前之三維形狀計測系統之計測範圍之變化情況作為比較例加以表示者。
參照圖10(b)，可知於先前例中計測範圍為固定不變，故僅可計測基板12a及配置於基板12a上之零件之一部分，剩餘部分則無法計測。相對於此，參照圖10(a)，可知於本實施例中，每次掃描時，均以基板12a之高度z成為下一次掃描之計測範圍之中心之方式，使計測頭17位移，故可對基板12a及所有上述零件進行計測。
其次，對上述構成之三維形狀計測系統10之處理動作進行說明。三維形狀計測系統10首先轉移至校正模式進行校正之後，再轉移至計測模式對計測對象12之三維形狀進行計測。再者，校正模式下之處理係與先前相同，故省略其說明。
圖11係表示於計測模式下控制單元16所進行之處理。控制單元16係於直線狀排列有像素之線影像中自其一端部起朝向另一端部依序計算高度。因此，首先將主掃描方向上之像素之位置x置零(步驟S11)。
其次，控制單元16取得位置x上之相位Φ(x)(步驟S12)。具體而言，首先Hilbert轉換部74根據應用上述式(10)之上述式(6)，對由背景除去部72除去背景成分之線影像資料進行Hilbert轉換。繼而，相位計算部75使用由背景除去部72除去背景成分所得之線影像資料、及由Hilbert轉換部74進行Hilbert轉換所得之線影像資料，根據應用上述式(10)之上述式(4)，計算出位置x之光圖案之相位Φ(x)。
其次，相位差計算部76係將相位計算部75所計算之位置x上之相位Φ(x)減去參照基準相位DB63而取得之位置x上之基準相位Φ0(x)，藉此計算出位置x上之相位差ΔΦ(x)(步驟S13)。
其次，高度計算部77係由相位差計算部76所計算之相位差ΔΦ(x)、及參照函數DB61而取得之位置x上之函數A(x、z)及函數B(x、z)中，根據上述式(7)計算出位置x上之高度z。接著，高度計算部77將經計算之高度z加上傳送量DB65中儲存之傳送量Δz，藉此對高度z進行修正(步驟S14)。繼而，高度計算部77係將經修正之高度z作為計測對象12之高度z，將主掃描方向之座標x及副掃描方向之座標y對應著儲存於三維形狀DB64中(步驟S15)。
其次，傳送量計算部78以根據修正後之高度z使計測對象12移動之方式，經由z軸傳送控制部50控制z軸傳送機構18(步驟S15)。具體而言，傳送量計算部78係對部分或所有之位置x，計算出來自高度計算部77之計測對象12之高度z之平均值，並以經計算之平均值成為下一次之掃描之計測範圍之中心的方式計算傳送量Δz，再將經計算之傳送量Δz發送至z軸傳送控制部50，並且將其儲存於傳送量DB65中。
繼而，主控制部45判定位置x是否為直線狀之線影像之末端(步驟S16)。此處，於位置x為線影像之末端之情形時，結束處理。另一方面，於位置x並非線影像之末端之情形時，為使可辨像素之位置沿主掃描方向偏移1個像素，而將x值增加1(步驟S17)。繼而，返回步驟S12中。
藉由重複上述步驟S12~步驟S17之處理，而於三維形狀DB64中儲存計測對象12之沿主掃描方向之各位置上的高度資訊。又，一面搬送單元11與上述圖像分析處理同時地使計測對象12沿副掃描方向偏移，一面由攝像單元15再次拍攝計測對象12。繼而，根據藉由攝像所得之線影像而再次進行上述圖像分析處理。藉此，於三維形狀DB64中亦依序儲存沿副掃描方向之各位置之高度資訊，最終儲存計測對象12整體之三維形狀資訊。再者，亦可於上述圖像分析處理結束之後，藉由搬送單元11使計測對象12沿副掃描方向偏移，並由攝像單元15再次拍攝計測對象12。
藉由重複上述步驟S12至步驟S17之處理，而於三維形狀DB64中儲存計測對象12之沿主掃描方向之各位置上的高度資訊。又，若上述處理結束，則搬送單元11使計測對象12沿副掃描方向偏移，其後，攝像單元15再次拍攝計測對象12，並根據藉由攝像所得之線影像再次進行上述圖像分析處理。藉此，於三維形狀DB64中亦依序儲存沿副掃描方向之各位置上之高度資訊，且最終儲存計測對象12整體之三維形狀資訊。
再者，Hilbert轉換部74於根據式(6)求出位置x之移相光圖案之亮度值時，宜可經由輸入‧設定部47，而使式(6)之參數N之值可變更。此係表示使計算位置x上之移相光圖案之亮度時使用之可辨像素附近之像素數可變化。或者，亦可謂使空間條紋分析法所用之濾鏡之尺寸可變化。
此處，若增大N之值(即增大濾鏡之尺寸)，則可根據更多之像素計算相位，使得最終求出之高度資訊之計算精度得以提高。另一方面，若減小N之值(即減小濾鏡之尺寸)，(x)計算所需之運算次數變少，從而提高計算速度。又，由於可辨像素附近之像素不易含有黑點等亮度非連續點，故亦可抑制非連續點引起之誤差傳送之影響。
又，背景除去部72亦可對於由攝像單元15所拍攝之線影像，進行除去背景成分之處理以外之預處理。作為預處理之內容，例如可列舉線影像所含之雜訊之除去等。進而，相位計算部75亦可於計算出相位之後，對經計算之相位進行後處理。例如可列舉於相位計算部75與相位差計算部76之間進而設置PLL(Phase Locked Loop，鎖相迴路)部，以減少因雜訊引起之誤差等。
再者，上述預處理只要先於圖11所示之步驟S12進行即可。另一方面，上述後處理只要於圖11所示之步驟S12與步驟S13之間進行即可。
藉由以上處理，控制單元16係於高度計算部77計算出計測對象12之高度z後，由傳送量計算部78計算適當之傳送量Δz，並以計測頭17移動經計算之傳送量Δz之方式，經由z軸傳送控制部50控制z軸傳送機構18。於該情形時，z軸傳送機構18使計測頭17移動之次數與計算計測對象12之高度z之次數成正比地增加，但無須實施對是否根據計測對象12之高度z而控制z軸傳送機構18使計測頭17移動進行判斷之處理。
再者，於本實施形態中，傳送量計算部78係於每一次掃描時計算傳送量Δz，並經由z軸傳送控制部50而控制z軸傳送機構18，但於計測對象12之高度z之變化率較低之情形時，亦可每隔一次掃描、每隔兩次掃描等間歇進行控制。於該情形時，可減少z軸傳送機構18使計測頭17移動之次數。
又，傳送量計算部78亦可於高度計算部77所計算之計測對象12之高度z到達與上述計測範圍相對應之高度方向之範圍內的端部時，計算傳送量Δz，並經由z軸傳送控制部50而控制z軸傳送機構18。此處，可認為所謂計測對象12之高度z到達上述端部，通常係指計測對象12之高度z即將超出上述範圍。若超出上述範圍，則無法以上述方式計測準確之高度。
相對於此，根據上述構成，於計測對象12之高度z即將超出上述範圍時使計測頭17移動，故可防止計測對象12之高度z超出上述範圍，其結果為可適當地對計測對象12之高度z進行計測。又，與本實施形態之情形相比，雖需要對是否根據計測對象12之高度z使計測頭17移動進行判斷之處理，但可減少使計測頭17移動之次數。
又，傳送量計算部78係利用此次之掃描中計算之計測對象12之高度z而計算傳送量Δz，但亦可利用之前之掃描中計算的計測對象12之高度z。例如，於圖9所示之基板12a之情形時，有時無法藉由掃描零件密集之區域而精度良好地計測基板12a之高度z。此時，利用此次及之前之掃描中計算之基板12a之高度z，計算傳送量Δz，則可提高計測精度。
其次，對投影於計測對象12之光圖案之較佳變形例進行說明。
本實施形態之三維形狀計測系統10、及上述專利文獻1或非專利文獻1之裝置(以下稱作「先前之裝置」)係構成為投影於計測對象12之光圖案之亮度沿線感測器34之主掃描方向而變化。此處，於先前之裝置中，為了於投影於計測對象之狀態下拍攝相位偏移最少之三種光圖案，而必需使光圖案之亮度變化之間距最小的方向(以下稱作「最小間距方向」)不同於線感測器之主掃描方向。其原因在於若使其等兩個方向一致，則即便沿與線感測器之主掃描方向垂直之方向之搬送方向上搬送計測對象，投影於計測對象之同一部分上之光圖案的相位亦不會偏移。
另一方面，本實施形態之三維形狀計測系統10係可僅根據由線感測器34拍攝投影有光圖案之計測對象12所得之一個線影像，計算出光圖案之相位，進而計算出相位差。因此，即便使光圖案之最小間距方向與線感測器34之主掃描方向一致亦不會產生任何問題。
此處，於藉由線感測器34所拍攝之線影像中，光圖案之亮度之間距成為於進行高度計測中決定計測精度之重要因子。具體而言，間距越小則計測精度越高。而且，於線感測器34所拍攝之線影像中光圖案之亮度之間距變得最小者，係光圖案之最小間距方向與線感測器34之主掃描方向一致之情形。因此，於本實施形態之三維形狀計測系統10中，對計測對象12投影之光圖案之最小間距方向與線感測器34之主掃描方向平行(一致)為佳。
又，光圖案之亮度之間距越小則計測精度越高，但高度之計測範圍亦變小，於計測範圍固定之先前之方法中，可測定之高度變小。相對於此，本實施形態之三維形狀計測系統10係根據計測對象12之高度z，使計測頭17沿高度方向移動，藉此變更計測範圍，並且根據計測頭17之傳送量Δz修正經計算之高度，藉此適當地計算出計測對象12之高度z，因此能夠增大可測定之高度之範圍。
於先前之裝置中，係藉由複數個線感測器來拍攝光圖案，故必需對複數個線感測器之各攝像區域投影光圖案。此處，於複數個線感測器上分別設置單獨之專用投光單元之情形時，會產生每個投光單元中經投影之光圖案出現不均之問題。由於此種問題，投光單元通常設置一個。然而，投光單元設置一個時必需投影可覆蓋複數個線感測器之所有攝像區域之光圖案。
然而，本實施形態之三維形狀計測系統10係構成為由一個線感測器34拍攝計測對象12之整個區域，故藉由投光單元13所投影之光圖案只要覆蓋一個線感測器34(拍攝亮度成分之線感測器34k)之攝像區域即可。由此，於本實施形態之三維形狀計測系統10中，所投影之光圖案亦可並非沿二維方向擴展。
於該情形時，宜於提高光圖案之能量效率之同時投光單元13投影經聚光之光圖案。具體而言，如圖2及圖3所示，投光單元13將聚光於沿線感測器34之主掃描方向延伸之1軸上之直線形狀之光圖案(嚴格而言於副掃描方向上具有微小有限寬度)宜投影於計測對象12上。於該情形時，投光單元13只要具備用以使光圖案單軸聚光之單軸聚光元件，並藉由該單軸聚光元件而使光圖案聚光成沿主掃描方向延伸之直線形狀即可。該直線形狀之光圖案係以覆蓋線感測器34之攝像區域之方式進行投影。
再者，作為上述單軸聚光元件之具體例，可列舉菲涅耳透鏡或柱狀透鏡等。只要將該等透鏡配置於光源31與圖案生成元件32之間，便可對計測對象12投影經單軸聚光之光圖案。
其次，對本實施形態之三維形狀計測系統10之變形例進行說明。於上述說明中，攝像單元15係構成為具備四個線感測器34，但本發明並不限定於此，亦可具備追加之線感測器。可藉由具備追加之線感測器，而統計性除去線感測器之亮度雜訊，從而可提高三維形狀計測之穩定性。
又，於本實施形態中，三維形狀計測系統10係為各自構成，但亦可使該等之構成之一部分或全部為一體性構成。又，本實施形態係根據空間條紋分析法分析線影像，但亦可根據時間條紋分析法進行分析。
[實施形態2]
其次，參照圖12~圖14對本發明之其他實施形態進行說明。圖12表示本實施形態之三維形狀計測系統10之控制單元16之主要構成，特別表示主控制部45之主要構成。本實施形態之三維形狀計測系統10與圖1~圖11所示之三維形狀計測系統10相比，不同之處在於：於主控制部45中設置傳送判定部(位移部控制機構)81而取代傳送量計算部78，且設置相位差計算部(相位修正機構)82而取代相位差計算部76，及追加計測範圍變更部(計測範圍設定機構)83及計測範圍DB66，除此之外為相同之構成。再者，對與上述實施形態所說明之構成具有相同功能之構成標註相同符號，並省略其說明。
傳送判定部81係判定是否應根據高度計算部77所計算之計測對象12之高度z而使計測頭17移動者。於判定應使計測頭17移動之情形時，傳送判定部81計算出傳送量Δz，將經計算之傳送量Δz發送至z軸傳送控制部50及計測範圍變更部83，並且將其儲存於傳送量DB65中。藉此，z軸傳送控制部50以計測頭17之位移量成為來自傳送判定部81之傳送量Δz之方式，控制z軸傳送機構18使計測頭17位移。
具體而言，傳送判定部81之上述判定係以如下方式進行：對部分或所有之位置x，計算來自高度計算部77之計測對象12之高度z之平均值，並判定經計算之平均值是否已到達與計測頭17之景深相對應之範圍之端部。又，傳送量Δz係使上述經計算之平均值成為下一次掃描之景深之中心之量。再者，除了使用平均值以外，亦可使用眾數值、中間值等之統計量。
更具體而言，上述端部之上側係與上述景深相對應之範圍之上限值、與自該上限值起與上述計測範圍相對應之範圍之一半之下方之值之間的範圍。又，上述端部之下側係與上述景深相對應之範圍之下限值、與自該下限值起與上述計測範圍相對應之範圍之一半之上方之值之間的範圍。再者，上述端部之大小可根據計測對象12之高度z之變化率、與下一次掃描之位置相距之距離等而適當地設定。又，上述端部之大小可為特定之大小，亦可相應例如上述變化率而變化。
計測範圍DB66係用以儲存計測範圍的資料庫，該計測範圍表示可取得與分析中之像素相對應之位置x之相位Φ(x)之範圍。具體而言，計測範圍係可取得位置x之原本之相位之範圍之上限值及下限值之群組。再者，並不限定於此，計測範圍亦可為上述下限值、與該下限值至上述上限值為止之大小之群組、或上述範圍之中央、與該中央至上限值或下限值為止之差量之群組。藉此，可檢索與分析中之像素相對應之位置x之計測範圍。
相位差計算部82係自相位計算部75接收位置x之光圖案之相位Φ(x)，並且參照基準相位DB63，取得位置x之光圖案之基準相位Φ0(x)。其次，相位差計算部82將光圖案之相位Φ(x)減去基準面之相位Φ0(x)，而計算出修正前相位差ΔΦp(x)。
其次，相位差計算部82參照計測範圍DB66而取得計測範圍λ。繼而，求出相位差ΔΦp(x)+2kπ取計測範圍λ之範圍內之值的整數k，將所求出之整數k代入至相位差ΔΦp(x)+2kπ中，從而將所得之值作為修正相位差ΔΦ(x)。相位差計算部82係將修正相位差ΔΦ(x)作為經計算之相位差ΔΦ(x)發送至高度計算部77及計測範圍變更部83。
計測範圍變更部83係將計測範圍DB66中儲存之計測範圍進行變更者。具體而言，計測範圍變更部83首先自相位差計算部82接收位置x之修正相位差ΔΦ(x)。計測範圍變更部83使用修正相位差ΔΦ(x)計算出其次需要分析之像素、即下一次掃描中對應之位置的計測範圍，並以經計算之計測範圍更新計測範圍DB66。
然而，若計測頭17位移，則計測範圍亦位移。因此，計測範圍變更部83自傳送判定部81接收傳送量Δz時，根據所接收之傳送量Δz而變更計測範圍，並以經變更之計測範圍更新計測範圍DB66。
此處，可認為計測對象12之高度z到達上述端部，係指計測對象12之高度z即將超出與景深相對應之範圍。若超出上述範圍，則計測頭17所拍攝之圖像將變成焦點模糊之圖像，故無法計測準確之高度。
相對於此，於本實施形態中，若計測對象12之高度z即將超出上述範圍，則使計測頭17移動，從而防止計測對象12之高度z超出上述範圍。其結果為，可對計測對象12之高度進行準確計測。又，景深較計測範圍更大，故與根據計測範圍而使計測頭17移動之情形相比，可減少移動之次數。
然而，通常即便與距離基準面之高度相對應之相位差超過2π，鄰近像素彼此之相位差超過2π之可能性亦較低。因此，於本實施形態中，相位差計算部82係對某個像素根據計測範圍修正相位差，並根據所修正之相位差、及傳送量Δz而設定與其次需要掃描之像素相關之計測範圍，故相位差超出計測範圍之可能性較低。其結果為，亦可於與景深相對應之範圍內，應對原本之相位成為2π以上之情形。
圖13係沿y軸方向剖開圖9所示之基板12a，並沿x軸方向進行觀察之圖，且表示本實施形態之三維形狀計測系統10之景深及計測範圍之變化情況。於圖13中，較長之粗線表示景深，細線表示計測範圍。又，較短之粗線表示景深中之上述端部以外之範圍。
因此，如圖13所示，於基板12a之高度z為較短之粗線之範圍內的情形時，可藉由變更計測範圍來應對，而另一方面，若基板12a之高度z超出較短之粗線之範圍，則藉由使計測頭17移動而變更景深及計測範圍來應對。其結果為，於圖13之例中，計測頭17之移動僅為5次即可。
其次，對上述構成之三維形狀計測系統10之計測模式之處理動作進行說明。圖14係表示於計測模式下控制單元16所進行之處理。首先，判斷是否所有線之計測均結束(步驟S21)。於結束之情形時結束處理。
另一方面，於未結束之情形時，各區塊選擇用以計算計測對象12之高度z之參數即各種高度參數(步驟S22)。例如，於相位差計算部82之情形時，自計測範圍DB66取得計測範圍。
其次，進行掃描，計測單線之各位置x中之高度z(步驟S23)。具體而言，進行圖11所示之步驟S11~S17中使計測頭17移動之處理以外的處理。
其次，高度計算部77根據上述彩色圖像之顏色，判定單線之各位置x是否為基準面、即計測對象12中作為基準之面(於圖13之例中為基板12a之表面)(步驟S24)。接著，高度計算部77計算判定為基準面之位置x中之高度z之平均值(步驟S25)。
其次，傳送判定部81判斷經計算之基準面之高度之平均值是否為上述端部之上側，即判斷是否大於(與景深相對應之範圍之上限值)-(與計測範圍相對應之範圍之一半)(步驟S26)。於大於之情形時進入步驟S27，於此外之情形時進入步驟S28。
於步驟S27中，傳送判定部81經由z軸傳送控制部50而控制z軸傳送機構18，以上述基準面之高度之平均值成為景深之中心之方式使計測頭17移動至上方。其後，返回步驟S21中，並重複進行上述動作。
於步驟S28中，傳送判定部81判斷經計算之基準面之高度之平均值是否為上述端部之下側，即判斷是否小於(與景深相對應之範圍之下限值)+(與計測範圍相對應之範圍之一半)。於小於之情形時進入步驟S29，於此外之情形時則進入步驟S21，並重複進行上述動作。
於步驟S29中，傳送判定部81經由z軸傳送控制部50而控制z軸傳送機構18，以上述基準面之高度之平均值成為景深之中心之方式使計測頭17移動至下方。其後，返回步驟S21中，並重複進行上述動作。
本發明並不現定於上述實施形態，可於請求項所示之範圍內進行各種變更。即，將於請求項所示之範圍內進行適當變更所得之技術手段加以組合而獲得之實施形態亦屬於本發明之技術範圍。
例如，上述實施形態係將搬送平台41之上表面作為基準面，並於該基準面上載置計測對象12。然而，計測對象12中亦存在不適於上述載置者。於該情形時，可使計測對象12與上述基準面分離後進行安裝。
作為此種計測對象12之一例，可列舉於兩面封裝有多個電子零件之電路基板。於該情形時，於搬送平台41上設置保持構件即可，該保持構件係於與搬送平台41之上表面分離之狀態下可裝卸地保持上述電路基板之基板部分之兩端。此時，可藉由預先確定搬送平台41之上表面(基準面)至無翹曲時之上述電路基板之上表面為止的距離，而計算出上述電路基板之實際高度。
又，上述實施形態係構成為搬送單元11使計測對象12移動，但亦可構成為使計測頭17沿副掃描方向移動、進而沿主掃描方向移動，而取代使計測對象12移動。即，搬送單元11只要使計測對象12相對計測頭17移動即可。
又，上述實施形態係使計測頭17沿z軸方向移動，但亦可使搬送平台41沿z軸方向移動，而且可使兩者沿z軸方向移動。又，上述實施形態係於攝像單元15中採用線感測器34，但亦可使用面陣攝影機而取代線感測器。
最後，控制單元16之各功能區塊、尤其主控制部45既可包含硬體邏輯，亦可以下述方式使用CPU藉由軟體而實現。
即，控制單元16包括執行實現各功能之控制程式之指令之CPU、儲存有上述程式之ROM、展開上述程式之RAM、儲存上述程式及各種資料之記憶體等記憶裝置(記錄媒體)等。而且，將記錄有實現上述功能之軟體即控制單元16之控制程式之程式碼(執行格式程式、中間碼程式、源程式)的電腦可讀取之記錄媒體供給至上述控制單元16，並由上述電腦(或者CPU或MPU)將記錄媒體中所記錄之程式碼讀出後執行，藉此可達成本發明之目的。
作為上述記錄媒體，例如可使用磁帶或卡式磁帶等帶系、包含軟(註冊商標)碟/硬碟等之磁碟或CD-ROM(Compact-Disk Read-Only-Memory，緊密光碟-唯讀記憶體)/MO(Magneto-Optical，磁光碟)/MD(Magnetic Disk，磁盤)/DVD(digital versatile disc，數位多功能光碟)/CD-R(Compact Disk-Recordable，可記錄之壓縮光碟)等光碟之碟片系、IC(Integrated Circuit，積體電路)卡(包含記憶卡)/光卡等之卡片系、或者罩幕式ROM/EPROM(Erasable Programmable Read-Only-Memory，可擦可程式化唯讀記憶體)/EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，電子可擦可程式化唯讀記憶體)/快閃ROM等之半導體記憶體系等。
又，亦可構成為控制單元16可與通信網路連接，且經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，例如可利用網際網路、內部網路、商際網路、LAN(local area network，區域網路)、ISDN(integrated services digital network，整體服務數位網路)、VAN(value-Added Network，加值網路)、CATV(cable television，有線電視)通信網、虛擬專用網路(virtual private network)、電話線路網、移動通信網、衛星通信網等。又，作為構成通信網路之傳輸媒體並無特別限定，例如可利用IEEE(Institue of Electrical and Electronics Engin，電機電子工程師學會)1394、USB(Universal Serial Bus，通用串列匯流排)、電力線載波、電纜TV(TeleVision)線路、電話線、ADSL(asymmetric digital subscriber line，非對稱數位用戶線)線路等之有線、及如IrDA(infrared data association，紅外線數據協定)或遙控之紅外線、Bluetooth(藍牙)(註冊商標)、802.11無線、HDR(High Data Rate，高資料速率)、行動電話網、衛星線路、地面數位網等之無線。再者，本發明亦可以藉由電子傳輸而實現之嵌入載波之電腦資料信號的形態，而實現上述程式碼。
[產業上之可利用性]
根據本發明，可一面維持計測範圍一面簡便地擴大可計測之高度，故可較佳用於檢查例如封裝基板之圖像檢查裝置等。
10．．．三維形狀計測系統(三維形狀計測裝置)
11．．．搬送單元
12．．．計測對象
13．．．投光單元
14．．．光圖案
15．．．攝像單元
16．．．控制單元
17．．．計測頭
18．．．z軸傳送機構(位移部)
31．．．光源
32．．．圖案生成元件
33．．．光學系統
34．．．線感測器
35．．．光學系統
41．．．搬送平台(安裝台)
42．．．伺服馬達
43．．．線性光學尺
44．．．圖像取得部
45．．．主控制部
46．．．記憶部
47．．．輸入‧設定部
48．．．搬送控制部
49．．．投光控制部
50．．．z軸傳送控制部(位移部控制機構)
72．．．背景除去部
74．．．Hilbert轉換部
75．．．相位計算部(相位計算機構)
76．．．相位差計算部
77．．．高度計算部(高度計算機構)
78．．．傳送量計算部(位移部控制機構)
81．．．傳送判定部(位移部控制機構)
82．．．相位差計算部(相位修正機構)
83．．．計測範圍變更部(計測範圍設定機構)
圖1係表示本發明一實施形態之三維形狀計測系統之控制單元之主要構成的方塊圖；
圖2係表示上述三維形狀計測系統之概略構成之圖，且係表示計測對象進行計測之情況的圖；
圖3(a)、(b)係將上述三維形狀計測系統之主要部分放大表示之圖；
圖4係表示上述三維形狀計測系統之主要構成之方塊圖；
圖5係表示上述三維形狀計測系統之投光單元所投影之光圖案之一例的圖；
圖6係表示計測對象之形狀之圖，圖6(a)為俯視圖，圖6(b)為側視圖；
圖7係表示對上述計測對象投影光圖案時投影於上述計測對象上之光圖案之扭曲的圖，圖7(a)為俯視圖，圖7(b)為表示基準面上之亮度變動及凸部上之亮度變動的波形圖；
圖8(a)係表示投影光圖案之狀態下的上述線影像之一例之圖，圖8(b)係表示上述對照線影像之一例之圖；
圖9係以基板為計測對象之例，表示上述三維形狀計測系統之計測頭之動作的概要圖；
圖10係上述基板之剖面圖，圖10(a)係表示上述三維形狀計測系統中之計測範圍之變化情況之圖，圖10(b)係表示先前之三維形狀計測系統中之計測範圍之變化情況之圖；
圖11係表示計測模式下上述控制單元所進行之處理動作的流程圖；
圖12係表示本發明其他實施形態之三維形狀計測系統中之控制單元之主要構成的方塊圖；
圖13係上述基板之剖面圖，且係表示上述三維形狀計測系統中之計測範圍之變化情況之圖；
圖14係表示計測模式下上述控制單元所進行之處理動作之流程圖；及
圖15係用以說明三角測量原理之圖。
16．．．控制單元
44．．．圖像取得部
45．．．主控制部
46．．．記憶部
47．．．輸入‧設定部
50．．．z軸傳送控制部
61．．．函數DB
62．．．反正切DB
63．．．基準相位DB
64．．．三維形狀DB
65．．．傳送量DB
72．．．背景除去部
74．．．Hilbert轉換部
75．．．相位計算部
76．．．相位差計算部
77．．．高度計算部
78．．．傳送量計算部

Claims (4)

  1. 一種三維形狀計測裝置，其特徵在於：其係藉由對投影於計測對象上且亮度根據位置而週期性變化之光圖案進行分析，而計測上述計測對象之三維形狀，且包括：安裝台，其具有作為上述計測對象之高度基準之基準面，且安裝著上述計測對象；計測頭，其向上述計測對象及上述基準面投影上述光圖案，並拍攝所投影之光圖案；位移部，其使上述安裝台及上述計測頭中之至少一者向上述計測對象之高度方向位移；相位計算機構，其計算上述計測頭拍攝之圖像中所含之某個像素中之上述光圖案的相位；相位修正機構，其係修正上述相位計算機構所計算的相位，使其成為對應上述計測頭之景深之範圍內，且設定有自與上述光圖案之相位的關係預先可取得的範圍之計測範圍之範圍內的值；位移部控制機構，其係於上述計測範圍到達與上述計測頭之景深相對應之範圍之端部後，重新計算因上述位移部而自上述安裝台之基準面至上述計測頭為止之高度之位移量，根據該計算之位移量，控制上述位移部；計測範圍設定機構，其根據上述相位修正機構所修正之相位、及根據上述位移部控制機構所計算之位移量，為了修正下一次分析之像素之上述光圖案的相位，將上述計測範圍之與上述計測頭之景深相對應之範圍之高度 位置，設定於自該範圍之端部離開之位置；及高度計算機構，其根據該相位修正機構所修正之相位，計算上述計測對象之高度，並根據上述位移量，修正經計算之高度，藉此計算上述計測對象之高度。
  2. 如請求項1之三維形狀計測裝置，其中上述計測頭包括：第1線感測器，其拍攝上述計測對象中作為投影上述光圖案之區域之光圖案照射區域；及第2線感測器，其拍攝上述計測對象中作為未投影上述光圖案之區域之光圖案非照射區域；且，上述相位計算機構所利用之圖像係利用第2線感測器所拍攝的圖像，自第1線感測器所拍攝之圖像中除去背景成分而成者。
  3. 一種三維形狀計測方法，其特徵在於：其係對投影於計測對象且亮度根據位置而週期性變化之光圖案進行分析，藉此計測上述計測對象之三維形狀之三維形狀計測裝置的三維形狀計測方法，且包括：相位計算步驟，其計算計測頭拍攝之圖像所含之某個像素中之上述光圖案之相位，上述計測頭係對上述計測對象及安裝著該計測對象之安裝台所具有之作為上述計測對象之高度基準的基準面投影上述光圖案，並拍攝所投影之光圖案；相位修正步驟，其係修正上述相位計算機構所計算的相位，使其成為對應上述計測頭之景深之範圍內，且設 定有自與上述光圖案之相位的關係預先可取得的範圍之計測範圍之範圍內的值；位移部控制步驟，其係於上述計測範圍到達與上述計測頭之景深相對應之範圍之端部後，重新計算因使上述安裝台及上述計測頭之至少一方朝上述計測對象之高度方向位移之位移部而自上述安裝台之基準面至上述計測頭為止之高度之位移量，根據該計算之位移量，控制上述位移部；計測範圍設定步驟，其根據上述相位修正步驟所修正之相位、及根據上述位移部控制步驟所計算之位移量，為了修正下一次分析之像素之上述光圖案的相位，將上述計測範圍之上述計測頭之景深相對應之範圍之高度位置，設定於自該範圍之端部離開之位置；及高度計算步驟，其根據該相位修正步驟所修正之相位，計算上述計測對象之高度，並根據上述位移量，修正經計算之高度，藉此計算上述計測對象之高度。
  4. 一種三維形狀計測程式，其特徵在於：其係用以使藉由對投影於計測對象且亮度根據位置而週期性變化之光圖案進行分析而計測上述計測對象之三維形狀之三維形狀計測裝置動作者，且用以使電腦執行以下之各步驟：相位計算步驟，其計算計測頭拍攝之圖像所含之某個像素中之上述光圖案之相位，上述計測頭係對上述計測對象及安裝著該計測對象之安裝台所具有之作為上述計測對象之高度基準的基準面投影上述光圖案，並拍攝所 投影之光圖案；相位修正步驟，其係修正上述相位計算機構所計算的相位，使其成為對應上述計測頭之景深之範圍內，且設定有自與上述光圖案之相位的關係預先可取得的範圍之計測範圍之範圍內的值；位移部控制步驟，其係於上述計測範圍到達與上述計測頭之景深相對應之範圍之端部後，重新計算因使上述安裝台及上述計測頭之至少一方朝上述計測對象之高度方向位移之位移部而自上述安裝台之基準面至上述計測頭為止之高度之位移量，根據該計算之位移量，控制上述位移部；計測範圍設定步驟，其根據上述相位修正步驟所修正之相位、及根據上述位移部控制步驟所計算之位移量，為了修正下一次分析之像素之上述光圖案的相位，將上述計測範圍之上述計測頭之景深相對應之範圍之高度位置，設定於自該範圍之端部離開之位置；及高度計算步驟，其根據該相位修正步驟所修正之相位，計算上述計測對象之高度，並根據上述位移量，修正經計算之高度，藉此計算上述計測對象之高度。
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