三維測量裝置、三維測量方法及程序的製作方法

2023-05-24 00:40:21 2

專利名稱：三維測量裝置、三維測量方法及程序的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種能夠使用相移法(phase shift method)等對測量對象進行三維測量的三維測量裝置等的技術。
背景技術：
至今，作為檢查諸如配線基板的測量對象的質量的方法，已使用了分析對測量對象進行成像而獲得的圖像並檢查測量對象的質量的方法。在二維圖像分析中，難以檢測測量對象中高度方向上的諸如裂痕和空腔的缺陷。由此，近來已使用通過三維圖像分析來測量測量對象的三維形狀並且檢查測量對象的質量的方法。作為通過圖像分析來測量測量對象的三維形狀的方法，作為一種光切斷法的相移法(時間條紋分析法)被廣泛使用(例如，見日本未審查專利申請公開第2010-175554號(第
至
段)以及日本未審查專利申請公開第2009-204373號(第
至段))。以下描述相移法的原理。根據相移法，首先，投射裝置將亮度以正弦方式變化的條紋投射至測量對象。投射至測量對象的條紋的相位以預定相移量來改變。相位改變被重複多次(最少三次，通常四次以上)，直到條紋的相位移動了一個周期。當條紋的相位被改變時，成像裝置在每次相位被改變時對條紋被投射至其上的測量對象進行成像。例如，當相移量為/2 [rad]時，條紋的相位以O、Ji /2、Ji和3 Ji /2來改變，並且在各相位處拍攝測量對象的圖像。從而共拍攝四個圖像。當相位被改變四次時，可通過從四個圖像提取各像素的亮度值並將亮度值應用至以下等式(I)來計算坐標(X，y)處的相位Φ (X，y)。Φ (x, y) = TarT1Uw2U, y)-Iπ/2(χ, y)/{I0(X, y)-Ιπ (X, y)} · · ·⑴在此等式中，IQ(x,y) > Ill72(x, y) > Iii (x, y)和 Ι3π/2(χ，y)分別為位於坐標(x，y)處的像素在相位為O、Ji /2、和3 /2時的亮度值。當相位Φ (x,y)可被計算時，通過三角測量(triangulation)原理基於相位Φ (x,y)來獲取各坐標處的高度信息，並且可獲得測量對象的三維形狀。

發明內容
在相移法中，如等式⑴右側所表達的，當計算坐標(X，y)處的相位Φ (X，y)時，需要計算位於坐標U，y)處的像素的亮度值之間的差值。例如，當投射裝置的照明裝置太暗時，從四個圖像提取的亮度值之間的差值減小，因此相位Φ (X，y)不能正確地從等式(I)算出。結果，可能產生不能正確地測量測量對象的三維形狀的問題。相反地，當投射裝置的照明裝置太亮時，由於例如位於投射至測量對象的條紋的明亮部分中的像素的亮度值超過成像裝置的識別範圍的緣由，可能不能正確地算出亮度值之間的差值。因此，與投射裝置的照明裝置太暗的情況一樣，可能產生不能正確地測量測量對象的三維形狀的問題。期望提供一種三維測量裝置等的技術，能夠使用適當的測量照度對測量對象進行
三維測量。根據本發明的實施方式，提 供了一種三維測量裝置，其包括投射單元、成像單元和控制單元。投射單元包括能夠改變照度的照明裝置。投射單元利用來自照明裝置的光將條紋投射至測量對象，並且改變被投射至測量對象的條紋的相位。成像單元拍攝條紋被投射至其的測量對象的圖像。控制單元通過使投射單元多次改變被投射至測量對象的條紋的相位以使成像單元拍攝多個圖像，從所拍攝的多個圖像中提取亮度值，基於所提取的亮度值計算測量對象的三維測量中的錯誤率，通過改變照明裝置的照度來針對各照度計算錯誤率，並且基於所計算的各照度的錯誤率來確定用於三維測量測量對象的測量照度。三維測量裝置可通過改變照明裝置的照度來針對三維測量中的各照度計算錯誤率，並且可基於各照度的錯誤率來確定用於三維測量測量對象的測量照度。因此，當通過改變投射至測量對象的條紋的相位來對測量對象進行三維測量時，三維測量裝置可使用適當的測量照度(在該測量照度處，所算出的錯誤率小)對測量對象進行三維測量。在三維測量裝置中，測量對象可包括第一區域和錯誤率不同於第一區域的錯誤率的第二區域。在此情況下，控制單元通過改變照明裝置的照度來針對各照度計算第一和第二錯誤率(分別為第一和第二區域的錯誤率)，並且基於所計算的各照度的第一和第二錯誤率來確定測量照度。因此，當對包括錯誤率彼此不同的多個區域的測量對象進行三維測量時，可確定適當的測量照度。在三維測量裝置中，控制單元可針對各照度計算第一和第二錯誤率之和，並且基於各照度的第一和第二錯誤率之和來確定測量照度。在三維測量裝置中，控制單元可確定第一和第二錯誤率之和小於預定閾值的照度範圍，並且將該照度範圍的中間值確定為測量照度。這樣，可防止錯誤率具有急劇變化風險的值被用作測量照度。在三維測量裝置中，控制單元可基於第一和第二錯誤率之和相對於照度的變化的變化率來確定測量照度。這樣，可防止錯誤率具有急劇變化風險的值被用作測量照度。在三維測量裝置中，控制單元可將第一和第二錯誤率之和最小的照度確定為測量照度。在三維測量裝置中，控制單元可通過將第一和第二錯誤率中的至少一個乘以一權重係數來優先化第一和第二錯誤率中的一個，並且之後計算第一和第二錯誤率之和。這樣，測量對象的多個區域中的錯誤率重要的那些區域的錯誤率可被優先化，可計算錯誤率之和，並且從而可基於錯誤率之和來確定測量照度。在三維測量裝置中，控制單元可計算從通過改變條紋的相位而拍攝的多個圖像提取的並且對應於多個圖像中的同一像素的多個亮度值之間的差，判斷所計算的亮度值之間的差是否小於第一閾值，並且計算亮度值之間的差小於第一閾值的像素的比例作為錯誤率。這樣，當照明裝置太暗從而照明裝置的照度不合適時，也可適當地計算錯誤率。在三維測量裝置中，控制單元可判斷從多個圖像提取的並且對應於多個圖像中的同一像素的多個亮度值中的至少一個是否等於或大於第二閾值，並且計算等於或大於第二閾值的亮度值的比例作為錯誤率。這樣，當照明裝置太亮從而照明裝置的照度不合適時，也可適當地計算錯誤率。在三維測量裝置中，控制單元可判斷從通過改變條紋的相位而拍攝的多個圖像提取的並且對應於多個圖像中的同一像素的多個亮度值中的至少一個是否等於或大於預定 閾值，並且計算等於或大於該閾值的亮度值的比例作為錯誤率。這樣，當照明裝置太亮從而照明裝置的照度不合適時，也可適當地計算錯誤率。根據本發明的另一實施方式，提供了一種三維測量方法，包括利用來自能夠改變光的照度的照明裝置的光將條紋投射至測量對象。通過多次改變投射至測量對象的條紋的相位來拍攝多個圖像。從所拍攝的多個圖像提取亮度值。基於所提取的亮度值計算測量對象的三維測量中的錯誤率。通過改變照明裝置的照度來針對各照度計算錯誤率。基於所計算的各照度的錯誤率來確定用於三維測量測量對象的測量照度。根據本發明的又一實施方式，提供了一種程序，使三維測量裝置執行利用來自能夠改變光的照度的照明裝置的光將條紋投射至測量對象。三維測量裝置執行通過多次改變投射至測量對象的條紋的相位來拍攝多個圖像。三維測量裝置執行從所拍攝的多個圖像提取亮度值。三維測量裝置執行基於所提取的亮度值計算測量對象的三維測量中的錯誤率。三維測量裝置執行通過改變照明裝置的照度來針對各照度計算錯誤率。三維測量裝置執行基於所計算的各照度的錯誤率來確定用於三維測量測量對象的測量照度。如上所述，根據本發明的實施方式，可提供一種三維測量裝置等的技術，能夠使用適當的測量照度對測量對象進行三維測量。


圖I是示出根據本發明實施方式的三維測量裝置的示圖；圖2是示出三維測量裝置的操作的流程圖；圖3是示出顯示在顯示單元的屏幕上的基板的二維圖像的實例的示圖；圖4是示出被投射至基板的條紋的照射狀態的示圖；圖5是示出錯誤率的計算處理的流程圖；圖6是示出當投射至基板的條紋的相位為O、Ji /2、和3 /2時條紋和垂直方向上的亮度值的曲線圖；圖7是示出當投射至基板的條紋的相位為O、Ji /2、和3 /2時條紋和垂直方向上的亮度值的曲線圖；圖8是示出當投射至基板的條紋的相位為O、Ji /2、和3 /2時條紋和垂直方向上的亮度值的曲線圖；圖9是示出投射單元的測量照度的確定處理的流程圖；圖10是示出投射單元的照度與基板選擇區域和焊料選擇區域的錯誤率之間的關係的不圖；圖11是示出投射單元的照度、焊料選擇區域的錯誤率、基板選擇區域的錯誤率以及基板選擇區域和焊料選擇區域的錯誤率之和之間的關係的示圖；圖12是示出投射單元的照度與基板選擇區域和焊料選擇區域的錯誤率之間的關係的不圖；圖13是示出投射單元的照度、焊料選擇區域的錯誤率、基板選擇區域的錯誤率以及基板選擇區域和焊料選擇區域的錯誤率之和之間的關係的示圖；圖14是示出在避開具有錯誤率急劇變化的風險的值的情況下確定測量亮度的處理的流程圖；以及圖15是示出在避開具有錯誤率急劇變化的風險的值的情況下確定測量亮度的另一處理的流程圖。
具體實施例方式下文中，將參照附圖描述本發明的實施方式。三維測量裝置的整體配置圖I是示出根據本發明實施方式的三維測量裝置100的示圖。如圖I中所示，三維測量裝置100包括在其上放置測量對象I的鏡臺10、投射單元20、成像單元15、二維圖像獲取照明單元14、控制單元16、存儲單元17、顯示單元18以及輸入單元19。鏡臺10連接至鏡臺移動機構11，該鏡臺移動機構被驅動以移動鏡臺10。鏡臺移動機構11電連接至控制單元16並響應於來自控制單元16的驅動信號在XYZ方向上移動鏡臺10。投射單元20包括用作能夠改變照度的照明裝置的光源21、會聚來自光源21的光的聚光透鏡22、衍射由聚光透鏡22會聚的光的衍射光柵23以及將由衍射光柵23衍射的光投射至測量對象I的投射透鏡24。光源21的實例包括滷素燈、氙氣燈、汞燈以及LED(發光二極體)，但光源21的種類並不受特別地限制。光源21電連接至照度調節機構25。照度調節機構25在控制單元16的控制下調節光源21的照度。包括多個狹縫的衍射光柵23衍射來自光源21的光，並將亮度按正弦變化的條紋投射至測量對象I。衍射光柵23設置有將衍射光柵23在垂直於形成狹縫的方向的方向上移動的光柵移動機構26。光柵移動機構26在控制單兀16的控制下移動衍射光柵23,並改變投射至測量對象I的條紋的相位。可以使用顯示光柵狀條紋的液晶光柵等來替代衍射光 柵23和光柵移動機構26。當成像單元15獲取顯示在顯示單元18的屏幕上的測量對象I的二維圖像時，二維圖像獲取照明單元14用光照射測量對象I。二維圖像獲取照明單元14包括兩個照明裝置，即，具有環形形狀的上部照明裝置12和下部照明裝置13。成像單元15包括諸如CXD (電荷耦合器件)傳感器或CMOS (互補金屬氧化物半導體)傳感器的成像元件和將來自測量對象I的光形成在成像元件的成像表面的光學系統(諸如成像透鏡)。成像單元15對測量對象I (通過投射單元20將正弦條紋投射至該測量對象)進行成像，以三維地測量該測量對象I。在二維圖像獲取照明單元14用光照射測量對象I的同時，成像單元15對測量對象I進行成像以獲取顯示在顯示單元18上的二維圖像。例如,顯示單元18由液晶顯示器構成。顯示單元18在控制單元16的控制下顯示測量對象I的二維圖像或三維圖像。輸入單元由鍵盤、滑鼠、觸摸面板等構成。輸入單元19從用戶輸入指令。
存儲單元17包括存儲三維測量裝置100的處理所需的各種程序的非易失性存儲器(諸如ROM(只讀存儲器))和用作控制單元16的工作區域的易失性存儲器(諸如RAM(隨機存取存儲器))。例如，控制單元16由CPU(中央處理單元)構成。控制單元16基於存儲在存儲單元17中的各種程序整體上控制三維測量裝置100。例如，控制單元16控制照度調節機構25以調節投射單元20的照度或控制光柵移動機構26以改變投射至測量對象I的條紋的相位。控制單元16控制成像單元15從而使得成像單元15捕獲測量對象I (在其上投射了條紋)的圖像，並基於捕獲的圖像通過相移法來三維地測量測量對象I。隨後將詳細描述控制單元16的控制。在該實施方式中，將描述其上形成了用來焊接安裝部件的焊料的基板I作為測量對象I的實例。用戶通過使用三維測量裝置100三維地測量基板I來檢查形成在基板I上的焊料的印刷狀態。操作的描述接下來，將描述三維測量裝置100的操作。圖2是示出三維測量裝置100的操作的流程圖。首先，三維測量裝置100的控制單元16控制鏡臺移動機構11，使得鏡臺移動機構11將鏡臺10移動直至基板I的接收位置。鏡臺移動機構11從基板輸送裝置(未示出)接受基板1，並移動鏡臺10以移動基板I直至成像位置(SlOl)。接下來，控制單元16使得二維圖像獲取照明單元14照射基板1，並使得成像單元15在二維圖像獲取照明單元14照射基板I的同時對基板I進行成像(S102)。然後，控制單元16獲取將要被顯示的二維圖像。當控制單元16獲取二維圖像時，控制單元16在顯示單元18的屏幕上顯示所獲取的二維圖像(S103)。圖3是示出顯示在顯示單元18的屏幕上的二維圖像的實例的示圖。如圖3所示，作為測量對象I的基板I具有基板區域2 (第一區域)和形成焊料的焊料形成區域3 (第二區域)。當二維圖像顯示在顯示單元18上時，用戶在觀看顯示在顯示單元18上的圖像的同時，通過輸入單元在基板區域2和焊料形成區域3中指定基板選擇區域4和焊料選擇區域5。
這裡，在單個焊料形成區域3很小的情況下，當僅選擇焊料形成區域3時，像素的數量(其為隨後在三維測量中計算錯誤率時的參數)減少。因此，當焊料形成區域3很小時，用戶可以在焊料形成區域3密集的部分中指定將多個焊料形成區域3包圍的焊料選擇區域5。返回參照圖2，當基板I的二維圖像顯示在顯示單元18的屏幕上時，控制單元16 判斷是否指定了基板選擇區域4和焊料選擇區域5 (S104)。當指定了選擇區域時(S104中的「是」)，控制單元16判斷用戶是否通過輸入單元19輸入了確定照度的指令(S105)。當用戶通過輸入單元19輸入了確定照度的指令時(S105中的「是」)，控制單元16控制照度調節機構25從而使得照度調節機構25將光源21的照度設定為初始值(例如，20)(S106)。當將光源21的照度設定為初始值時，投射單元20將條紋投射至基板I。接下來，控制單元16使得成像單元15捕獲投射有條紋的基板I的圖像(S107)。接下來，控制單元16控制光柵移動機構26，使得光柵移動機構26移動衍射光柵23，從而使得投射至基板I的條紋的相位以π/2 [rad]變化(S108)。當條紋的相位被改變了時，控制單元16隨後確定是否以相同的照度捕獲了四個圖像(S109)。當沒有以相同的照度捕獲四個圖像時(S109中的「否」)，控制單元16將處理返回至S107，並使得成像單元15對投射有條紋的基板I進行成像。通過這種方式，以相同的照度捕獲了條紋的相位彼此不同的共四個圖像。圖4是示出條紋的照射狀態的示圖。圖4示出了當條紋的相位從左側開始順次為
O、Ji /2、Ji和3 Ji /2時的條紋的照射狀態。參考圖2，當以相同照度來拍攝基板I的第四圖像時(S109中的「是」)，控制單元16基於四個圖像而通過相移法來計算該圖像的各像素的高度(SllO)。在該情況下，控制單元16從四個圖像中提取各像素(坐標(x，y))的亮度值，並且通過應用下面的等式(2)來計算各像素的相位Φ (x,y)。接下來，控制單元16基於所計算的各像素的相位Φ (x,y)而利用三角測量原理來計算各像素的高度。下述等式⑵與上述的等式(I)相同，並且當條紋的相位為O、π/2、π和3π/2時，Ι(χ，y)、Ιπ/2(χ，y) > Ιπ (x，y)和 I311/2(χ，y)分別為像素(坐標)的亮度值。Φ (x, y) = Tan_1{I3lI/2(x γ)-Ιπ/2(χ y)}/ (I0 (χ Υ)_Ιπ (χ υ) I …⑵這裡，當亮度值被轉換為高度時，在預定條件下在像素中基於相位Φ (X，y)的高度轉換是不可行的，則該像素被認為是錯誤。當各像素的亮度值被轉換為各坐標的高度時，控制單元16隨後計算基板選擇區域4和焊料選擇區域5中的高度轉換不可行的像素的比率(錯誤率)(Slll)。下文將詳細地描述基於相位Φ (X，y)的高度轉換不可行的條件或者計算高度轉換不可行的像素的比率(錯誤率)的方法。當計算了錯誤率時，控制單元16隨後確定現在的投射單元20的照度是否為最大值(例如，240) (SI 12)。當投射單元20的照度不是最大時(SI 12中的「否」)，控制單元16改變投射單元20的照度(例如，照度+20) (S113)。然後，控制單元16將處理返回至S107，並且通過對以改變的照度投射了條紋的基板I成像而再次拍攝基板I的四個圖像。當拍攝了四個圖像時，利用相移法來計算各像素(各坐標)的高度，並且通過改變的照度來計算錯誤率。重複一系列處理直到投射單元20的照度變得最大。當投射單元20的照度最大時(S112中的「是」)，控制單元16基於各照度下選擇區域4和5中的錯誤率來確定三維測量中的測量照度。在該情況下，例如，選擇區域4和5的錯誤率最小時的照度被確定為測量照度。此外，下文中，將詳細的描述確定測量照度的方法。當確定了測量照度時，控制單元16將測量照度存儲在存儲單元17中。當確定了測量照度時，所確定的測量照度可以被顯 示在顯示單元18上。由此，使用者可以觀看最佳照度以三維地測量基板I。用戶通過輸入單元19將顯示在顯示單元18上的照度輸入至三維測量裝置100，以設定投射單元20的照度。當確定了測量照度時，控制單元16可以自動地設定所確定的測
量照度。為了獲取基板I的在第二圖像以後的並且具有與基板I的第一圖像的構造相同的構造的圖像，投射單元20以所確定的測量照度將條紋投射至基板I。基於以該照度所拍攝的四個圖像來計算關於基板I的三維信息，並且將基板I的三維圖像顯示在顯示單元18的屏幕上。用戶觀看顯示在顯示單元18的屏幕上的三維圖像，並且檢查形成在基板I上的焊料的印刷狀態。參考圖2，已經描述了一種情況，其中，用戶在觀看顯示在顯示單元18的屏幕上的基板I的圖像的同時來指定基板選擇區域4和焊料選擇區域5。然而，該處理可以由控制單元16自動執行。也就是，控制單元16可以分析在S103中獲得的二維圖像，並且可以確定基板區域2和焊料形成區域3，以及可以根據基板區域2和焊料形成區域3來指定基板選擇區域4和焊料選擇區域5。參考圖2，已經描述了一種情況，其中，投射單元的照度的初始值被設定為20，該照度每次改變+20，並且改變照度直至最大值240。另一方面，重複的步長起初可以被設定得較大(例如，+50)，照度的初始值和最大值可以在錯誤率可能減小的部分附近被重置，並且步長可被減小(例如+50 — +10 — +1)。這樣，可以有效且詳細地確定測量照度。錯誤率的計算方法接下來，將詳細描述基於相位Φ (X，y)的高度轉換不可行(錯誤)並且在圖2的SllO和Slll中描述的條件，或者高度轉換不可行的像素的比率(錯誤率)的計算方法。圖5是示出錯誤率的計算處理的流程圖。圖6、圖7和圖8是示出當被投射至基板I的條紋的相位為O、31/2、31和3 31/2時條紋和垂直方向上的亮度值的曲線圖。圖6示出了投射單元20的照度適當的情況的實施例。圖7示出了投射單元20的照度太小的情況的實施例。圖8示出了投射單元20的照度太大的情況的實施例。如圖5所示，控制單元16在以相同照度拍攝的並且條紋的相位在其中彼此不同的四個圖像中提取各個像素(各個坐標(x，y))和IW2 (x，y) (S201)。這裡，可以從所有的所拍攝的圖像中提取亮度值或者可以從所有的基板選擇區域4和焊料選擇區域5中提取亮度值(參見圖3)。接下來，控制單元16輸入對應於基板選擇區域4和焊料選擇區域5中的一個像素的亮度值 I(x，y) > Ιπ/2(χ, y) > I11 (x, y)和 Ι3π/2(χ，y) (S202)。
接下來，控制單元16在選擇區域4和5中的一個像素中計算條紋的相位為O時的圖像(第一圖像)的亮度值I。U，y)與條紋的相位為η時的圖像(第三圖像)的亮度值
I,(X，y)之間的差的絕對值(S203)。同樣地，控制單元16在選擇區域4和5中的一個像素中計算條紋的相位為π/2時的圖像(第二圖像)的亮度值Ιπ/2(χ，y)與條紋的相位為3π/2時的圖像(第四圖像)的亮度值I3n/2(x，y)之間的差的絕對值(S203)。 接下來,控制單元16確定這兩個絕對值(也就是，亮度值Itl(X，y)與Ιπ (X，y)之間的差的絕對值和I /2(x，y)與I3 /2(x，y)之間的差的絕對值)中的較大值是否小於第一閾值 Thl (S205)。在S205中，控制單元16確定這兩個絕對值是否均小於第一閾值Thl。例如，第一閾值Thl為15 (參見圖6至圖8)。當這兩個絕對值中的較大值小於第一閾值Thl時(S205中的「是」)，控制單元16確定利用相移法進行高度轉換在該像素中是不可行的(錯誤)(S208)。然後，控制單元16使處理繼續進行至S209。另一方面，當這兩個絕對值中的較大值大於等於第一閾值Thl (S205中的「否」)，控制單元16使處理繼續進行至S206。在S206中，控制單元16確定四個亮度值IQ(x，y)、Ιπ/2(Χ，Υ)、Iu (x，y)和1^/2 (x，y)中的至少一個是否大於等於第二閾值Th2。第二閾值Th2為256(參見圖6和圖7)。當這四個亮度值中的至少一個大於等於第二閾值Th2時(S206中的「是」)，控制單元16確定基於亮度值轉換為高度是不可行的(錯誤的)(S208)，並且處理繼續進行至S209。當四個亮度值均小於第二閾值Th2時(S206中的「否」)，控制單元確定基於亮度值轉換為高度是可行的(S207)，並且處理繼續進行至S209。在S209中，控制單元16判斷是否在基板選擇區域4和焊料選擇區域5中的所有像素上執行了錯誤確定。當在基板選擇區域4和焊料選擇區域5中還有未確定的像素時(S209中的「否」)，控制單元16使處理返回至S202，並且重複S202至S209的處理。另一方面，當在包含於基板選擇區域4和焊料選擇區域5中的所有像素上執行了確定時(S209中的「是」)，控制單元16計算基板選擇區域4和焊料選擇區域5中的每一個中的錯誤率(S210)。在該情況下，控制單元16可以通過用基板選擇區域4中發生錯誤的像素數除以整個基板選擇區域4中的像素數來計算基板選擇區域4的錯誤率(第一錯誤率)。同樣地，控制單元16可以通過用焊料選擇區域5中發生錯誤的像素數除以整個焊料選擇區域5中的像素數來計算焊料選擇區域5的錯誤率(第二錯誤率)。一旦改變投射單元20的照度，就執行S201至S210的處理。因此，針對各照度通過這些處理來計算各選擇區域的錯誤率。圖6示出了投影單元20的照度合適的情況的實例。圖6所示的實線表示在亮度值Itl(X，y)和亮度值Iπ (X，y)之間的差的絕對值與亮度值Ιπ/2(Χ，y)和亮度值Ι3π/2(χ，y)之間的差的絕對值之間的較大值。此外，在實線中，當四個亮度值中的至少一個等於或大於第二閾值Th2時，亮度值為O。如圖6的實線所示,在整個區域中，兩個絕對值中的較大值等於或大於第一閾值Thl (15)(見S205)。而且，如圖6的實線所示，在整個區域中，四個亮度值小於第二閾值Th2(256)(見S206)。因此，在圖6所示的實例中，由於投影單元20的照度合適，且亮度值之間的差很大，所以在整個區域中，可以轉換成高度(見S207)。在圖6所示的實例中，錯誤
率為0%。圖7示出了投影單元20的照度太小的情況的實例。如圖7的實線所示，在整個區域中，兩個絕對值中的較大值小於第一閾值Thl (見S205)。因此，在圖7所示的實例中，由於投影單元20的照度太小，且亮度值之間的差很小，所以在整個區域中，轉換成高度是不可行的(錯誤)(見S208)。在圖7所示的實例中，錯誤率為100%。圖8示出了投影單元20的照度太大的情況的實例。如圖8的實線所示，在由A所示的區域中，兩個絕對值中的較大值等於或大於第一閾值(見S205)。此外，在由A所示的區域中，四個亮度值中的至少一個值不等於大於第二閾值Th2 (見S206)。因此，在位於由A所示的範圍內的像素中，可基於亮度值轉換成高度(見S207)。 另一方面，在由B所示的範圍中，四個亮度值中的至少一個值等於或大於第二閾值Th2 (見S206)。因此，在位於由B所示的範圍內的像素中，不能基於亮度值轉換成高度(見S208)。而且，當四個亮度值中的至少一個值等於或大於第二閾值Th2時，亮度值超過了成像單元15的識別範圍，因此，由實線所示的亮度值為O。如圖5至圖8所示，在本實施方式中，可通過利用第一和第二閾值來適當地計算當照度太暗或太亮且因此照度不合適時的錯誤率。投影單元20的照度的確定方法接下來，將對如圖2的S114所述的投影單元20的測量照度的確定方法進行詳細描述。圖9是示出投影單元20的測量照度的確定處理的流程圖。如圖9所示，控制單元16為每個照度計算基板選擇區域4的錯誤率(第一錯誤率)和焊料選擇區域5的錯誤率(第二錯誤率)之和。當控制單元16為每個照度計算出選擇區域4和選擇區域5的錯誤率的和時，控制單元16確定錯誤率總和最小的照度作為投影單元20的測量照度(S302)。圖10是示出投影單元20的照度與基板選擇區域4和焊料選擇區域5的錯誤率之間的關係的曲線圖。圖11是示出投影單元20的照度、焊料選擇區域5的錯誤率、基板選擇區域4的錯誤率以及基板選擇區域4和焊料選擇區域5的錯誤率之和之間的關係的圖表。圖10和圖11示出了基板I (白色基板I)(其中，基板區域2是白色的)被用作測量對象I的情況的實例。在白色基板I的情況下，如圖11所示，當照度為80時錯誤率之和為4. 02%，是最小值。因此，在該情況下，80被選作測量照度(見S302)。圖12是示出投影單元20的照度與基板選擇區域4和焊料選擇區域5的錯誤率之間的關係的示圖。圖13是示出投影單元20的照度、焊料選擇區域5的錯誤率、基板選擇區域4的錯誤率以及基板選擇區域4和焊料選擇區域5的錯誤率之和之間的關係的示圖。圖12和圖13示出了基板I (藍色基板I)(其中，基板區域2是藍色的)被用作測量對象I的情況的實例。在藍色基板I的情況下，如圖13所示，當照度為240時錯誤率之和為4. 88%，是最小值。因此，在該情況下，240被選作測量照度(見S302)。以這種方式，在根據本實施方式的三維測量裝置100中，所確定的白色基板I的測量照度不同於藍色基板I。即，在本實施方式中，由於測量對象I的錯誤率被實際進行了計算，且可基於錯誤率確定測量照度，所以可針對各種(顏色的)基板I來確定基於基板I的種類的適當的測量照度。在圖9的S301中，描述了簡單計算兩個選擇區域4和5的錯誤率之和的情況。另一方面，控制單元16可通過將至少一個錯誤率與權重係數相乘，來優先化基板選擇區域4和焊料選擇區域5的錯誤率之一，從而可計算出第一與第二錯誤率之和。此處，三維測量中的測量對象不是基板區域2而是焊料形成區域3。焊料選擇區域5的錯誤率對測量精度具有顯著影響。而且，在三維測量中從基板區域2獲取數據的原因在於確定焊料形成區域3的高度的基準。因此，在基板區域2中，獲得平面的高度的平均值或僅僅用於計算傾斜度所需的數據就足夠了。因此，當使用權重係數時，焊料選擇區域5的錯誤率一般優先於基板選擇區域4的錯誤率。例如，焊料選擇區域5:基板選擇區域4的權重係數的比為6 4、7 3等。然而，如圖10和圖11所示，當測量對象I是白色基板I時,其中選擇區域4和選擇區域5的錯誤率之和是最小值的照度為80。另一方面，當照度為100時，基板選擇區域4的錯誤率急劇增加，且選擇區域4和選擇區域5的錯誤率之和也因此急劇增大。因此，當80被確定為測量照度時，錯誤率之和可能在測量照度略微偏離的情況下急劇增大。因此，控制單元16可在避開具有錯誤率急劇變化的風險的值的情況下確定測量照度。圖14是示出在避開具有錯誤率急劇變化的風險的值的情況下確定測量照度的處理的流程圖。如圖14所示，控制單元16為各照度計算基板選擇區域4的錯誤率(第一錯誤率)和焊料選擇區域5的錯誤率(第二錯誤率)的和(S401)。在該情況下，如上所述，控制單元16可將基板選擇區域4和焊料選擇區域5的錯誤率中的至少一個與權重係數相乘，並隨後可計算出錯誤率之和。接下來，控制單元16確定選擇區域4和選擇區域5的錯誤率之和小於預定閾值Th3(例如，15%)的照度範圍(S402)。之後，控制單元16從錯誤率之和小於閾值Th3的照度範圍中計算出中間值，並將該中間值確定為測量照度(S403)。例如，將對測量對象I是白色基板I且計算如圖10和圖11所示的錯誤率的情況進行描述。在該情況下，選擇區域4和選擇區域5的錯誤率之和小於閾值Th3(15%)的照度範圍為40至80 (S402)。由於40至80的照度範圍的中間值為60，因此控制單元16將60確定為測量照度(S403)。通過圖14所示處理，可在避開了具有錯誤率急劇變化的風險的值的情況下確定測量照度。另一方面，在測量對象I是藍色基板I且計算了圖12和圖13所示的錯誤率的情況下，其中選擇區域4和選擇區域5的錯誤率之和小於閾值Th3 (15% )的照度範圍為80至240(S402)。由於80至240的照度範圍的中間值為160，所以控制單元16將160確定為測 量照度(S403)。當測量對象I是藍色基板I時，錯誤率之和隨著測量照度單調減小。然而，當照度進一步增加或成像單元15的曝光時間被延長時，基板選擇區域4和焊料選擇區域5的錯誤率均會增大。因此，存在錯誤率之和會急劇增加的可能性。因此，不僅在測量對象I是白色基板I的情況下而且在測量對象I是藍色基板I的情況下，都能有效執行圖14所示的處理。如上所述，作為防止具有錯誤率急劇變化的風險的值被用作測量照度的一種方法，至此已描述了使用錯誤率之和小於閾值Th3的照度的中間值的情況。另一方面，作為防止具有錯誤率急劇變化的風險的值被用作測量照度的另一種方法，可使用錯誤率之和相對於照度變化的變化率。
圖15是示出利用錯誤率的變化率的另一處理的流程圖。如圖15所示，控制單元16對每個照度計算基板選擇區域4和焊料選擇區域5的錯誤率之和(S501)。接著，控制單元16確定錯誤率之和最小的照度。接著，控制單元I6計算錯誤率之和的最小值與比錯誤率之和為最小值的照度低一個等級的照度(例如，-20)的錯誤率之和之間的差值。即，控制單元16計算錯誤率之和最小的照度與比錯誤率之和最小的照度低一個等級的照度之間的錯誤率之和的差值。接著，控制單元16判斷錯誤率之和的最小值與比錯誤率之和為最小值的照度低一個等級的照度的錯誤率之和之間的差值是否小於預定閾值Th4(S503)。例如，閾值Th4在約5%至約10%的範圍內。當錯誤率之和的最小值與低一個等級的照度的錯誤率之和之間的差值小於預定閾值Th4時(S503中的「是」)，控制單元16使處理進行至S504。在S504中，控制單元16計算錯誤率之和的最小值與比錯誤率之和為最小值的照度高一個等級的照度(例如，+20)的錯誤率之和之間的差值。即，控制單元16計算錯誤率之和最小的照度與比錯誤率之和最小的照度高一個等級的照度之間的錯誤率之和的差值。接著，控制單元16判斷錯誤率之和的最小值與高一個等級的照度的錯誤率之和之間的差值是否小於預定閾值Th4。當錯誤率之和的最小值與高一個等級的照度的錯誤率之和之間的差值小於預定閾值Th4時(S504中的「是」)，控制單元16確定錯誤率之和最小的照度作為測量照度(S505)。在S503中，當錯誤率之和的最小值與比錯誤率之和為最小值的照度低一個等級的照度的錯誤率之和之間的差值等於或大於預定閾值Th4時(S503中的「否」)，控制單元16使處理進行至S506。在S506中，控制單元16判斷錯誤率之和的最小值與比錯誤率之和為最小值的照度高一個等級的照度的錯誤率之和之間的差值是否小於預定閾值Th4。當錯誤率之和的最小值與高一個等級的照度的錯誤率之和之間的差值等於或大於預定閾值Th4時(S506中的「否」)，控制單元16確定錯誤率之和最小的照度作為測量照度(S505)。另一方面，當錯誤率之和的最小值與比錯誤率之和為最小值的照度高一個等級的照度的錯誤率之和之間的差值小於預定閾值Th4時(S506中的「是」)，控制單元16使處理進行至S507。在S507中，控制單元16計算比錯誤率之和最小的照度高一個等級的照度的錯誤率之和與高兩個等級(例如，+40)的照度的錯誤率之和之間的差值。接著，控制單元16判斷高一個等級的照度的錯誤率之和與高兩個等級的照度的錯誤率之和之間的差值是否小於閾值Th4。當高一個等級的照度的錯誤率之和與高兩個等級的照度的錯誤率之和之間的差值等於或大於閾值Th4時(S507中的「否」)，控制單元16確定錯誤率之和最小的照度作為測量照度(S505)。另一方面，當高一個等級的照度的錯誤率之和與高兩個等級的照度的錯誤率之和之間的差值小於閾值Th4時(S507中的「是」)，控制單元16確定比錯誤率之和最小的照度高一個等級的照度作為測量照度(S508)。在S504中，當錯誤率之和的最小值與比錯誤率之和為最小值的照度高一個等級的照度的錯誤率之和之間的差值等於或大於預定閾值Th4時(S504中的「否」)，控制單元16將處理進行至S509。在S509中，控制單元16計算比錯誤率之和最小的照度低一個等級的照度的錯誤率之和與低兩個等級的照度(例如，-40)的錯誤率之和之間的差值。接著，控制單元16判斷低一個等級的照度的錯誤率之和與低兩個等級的照度的錯誤率之和之間的差值是否小於閾值Th4。當低一個等級的照度的錯誤率之和與低兩個等級的照度的錯誤率之和之間的差值等於或大於閾值Th4時(S509中的「否」)，控制單元16確定錯誤率之和最小的照度作為測量照度(S505)。另一方面，當低一個等級的照度的錯誤率之和與低兩個等級的照度的錯誤率之和之間的差值小於閾值Th4時(S509中的「是」)，控制單元16確定比錯誤率之和最小的照度低一個等級的照度作為測量照度(S510)。由於通過圖14所示的處理基於錯誤率之和相對於照度的變化的變化率來確定測量照度，因此能夠避免採用具有錯誤率急劇變化的風險的值作為測量照度。作用如上所述，根據實施方式的三維測量裝置100在通過改變投影單元20的照度來進行的三維測量方式中能夠對每個照度計算錯誤率，並且能夠基於算得的每個照度的錯誤率來確定用於三維測量測量對象I的測量照度。因此，根據實施方式的三維測量裝置100能夠用合適的測量照度對測量對象I進行三維測量，使得對測量對象I進行三維測量時，錯誤率較小(無錯誤的有效像素數量大)。在該實施方式中，由於測量對象I的錯誤率能夠被實際地算得並且能夠基於錯誤率確定測量照度，所以對於各種測量對象I能夠確定適合於該種測量對象I的測量照度。例如，如上所述，能夠確定適合於白色基板I和藍色基板I中的每一個的測量照度。在該實施方式中，能夠基於兩個錯誤率來確定測量照度，即，基板選擇區域4的錯誤率(第一錯誤率)以及焊料選擇區域5的錯誤率(第二錯誤率)。因此，在該實施方式中，當測量對象I具有錯誤率彼此不同的多個區域時，能夠根據各錯誤率確定適當的測量照度。各種變形例至此已經描述了其上形成有用於焊接裝配部件的焊料的基板I (白色基板I和藍色基板I)用作測量對象I 的示例。然而，測量對象I並不局限於此。測量對象I的另一示例包括其上形成有用於粘合裝配部件的粘合劑的基板。此外，測量對象I的示例包括形成有配線圖案的配線基板、形成有連接盤的基板、印製有玻璃的基板以及印製有螢光物質的基板。此外，測量對象I的示例包括印製有諸如納米銀油墨、聚醯亞胺油墨、碳納米管油墨等的油墨的基板、執行絲網印刷的基板以及形成有鋁電極的玻璃基板(被用作TFT(薄膜電晶體))。上述測量對象I的另一示例包括具有基板區域2 (第一區域)以及錯誤率不同於基板區域2的錯誤率的另一區域(第二區域)(例如，形成有粘合劑、配線圖案、連接盤、玻璃、油墨等的區域)的基板。三維測量裝置100能夠基於兩個錯誤率(即，從基板區域2指定的基板選擇區域4的錯誤率和從基板區域2以外的區域指定的選擇區域的錯誤率)確定測量照度。至此，已經描述了基於兩個不同的錯誤率來確定測量照度的情況。當然，三維測量裝置100可基於從錯誤率彼此不同的三個以上區域指定的三個以上選擇區域的錯誤率來確定測量照度。至此，已經描述了條紋的相位改變四次以獲得四個圖像並應用相移法的情況。然 而，當相位改變的次數以及圖像的個數為三以上時,也可應用本發明的實施方式。當控制單元16計算基板選擇區域4的錯誤率、焊料選擇區域5的錯誤率等時，控制單元16可將圖10至圖13所示出的圖示或表顯示在顯示單元18上。此外，當控制單元16確定了測量照度時，控制單元16可執行突出顯示與圖示或表中的該測量照度相對應的部分的處理。因此，當用戶觀看顯示在顯示單元18上的圖示和表時，用戶能夠容易地識別出測量照度。本發明包含於2011年2月I日向日本專利局提交的日本在先專利申請JP2011-019794中所公開的相關主題，其全部內容通過引證結合於此。本領域技術人員應理解，根據設計要求和其他因素，可以進行各種修改、組合、子組合以及替換，其均在所附權利要求或其等同物的範圍內。
權利要求
1.一種三維測量裝置，包括 投射單元，包括能夠改變照度的照明裝置，所述投射單元利用來自所述照明裝置的光將條紋投射至測量對象，並且改變被投射至所述測量對象的所述條紋的相位； 成像單元，拍攝其上被投射了所述條紋的所述測量對象的圖像；以及 控制單元，通過使所述投射單元多次改變被投射至所述測量對象的所述條紋的相位以使所述成像單元拍攝多個圖像，從所拍攝的所述多個圖像中提取亮度值，基於所提取的亮度值計算所述測量對象的三維測量中的錯誤率，通過改變所述照明裝置的照度來針對各照度計算錯誤率，並且基於所計算的各照度的錯誤率來確定用於三維測量所述測量對象的測量照度。
2.根據權利要求I所述的三維測量裝置， 其中，所述測量對象包括第一區域和錯誤率不同於所述第一區域的錯誤率的第二區域，並且 其中，所述控制單元通過改變所述照明裝置的照度來針對各照度計算第一錯誤率和第二錯誤率，並且基於所計算的各照度的所述第一錯誤率和所述第二錯誤率來確定所述測量照度，其中，所述第一錯誤率和所述第二錯誤率分別為所述第一區域和所述第二區域的錯誤率。
3.根據權利要求2所述的三維測量裝置，其中，所述控制單元針對各照度計算所述第一錯誤率與所述第二錯誤率之和，並且基於各照度的所述第一錯誤率與所述第二錯誤率之和來確定所述測量照度。
4.根據權利要求3所述的三維測量裝置，其中，所述控制單元確定所述第一錯誤率與所述第二錯誤率之和小於預定閾值的照度範圍，並且將該照度範圍的中間值確定為所述測量照度。
5.根據權利要求3所述的三維測量裝置，其中，所述控制單元基於所述第一錯誤率與所述第二錯誤率之和相對於照度的變化的變化率來確定所述測量照度。
6.根據權利要求3所述的三維測量裝置，其中，所述控制單元將所述第一錯誤率與所述第二錯誤率之和最小的照度確定為所述測量照度。
7.根據權利要求3所述的三維測量裝置，其中，所述控制單元通過將所述第一錯誤率和所述第二錯誤率中的至少一個乘以權重係數來優先化所述第一錯誤率和所述第二錯誤率中的一個，並且之後計算所述第一錯誤率與所述第二錯誤率之和。
8.根據權利要求I所述的三維測量裝置，其中，所述控制單元計算從通過改變所述條紋的相位而拍攝的所述多個圖像提取的並且對應於所述多個圖像中的同一像素的多個亮度值之間的差，判斷所計算的亮度值之間的差是否小於第一閾值，並且計算亮度值之間的差小於所述第一閾值的像素的比例作為所述錯誤率。
9.根據權利要求8所述的三維測量裝置，其中，所述控制單元判斷從所述多個圖像提取的並且對應於所述多個圖像中的同一像素的多個亮度值中的至少一個是否等於或大於第二閾值，並且計算等於或大於所述第二閾值的亮度值的比例作為所述錯誤率。
10.根據權利要求I所述的三維測量裝置，其中，所述控制單元判斷從通過改變所述條紋的相位而拍攝的所述多個圖像提取的並且對應於所述多個圖像中的同一像素的多個亮度值中的至少一個是否等於或大於預定閾值，並且計算等於或大於該閾值的亮度值的比例作為所述錯誤率。
11.一種三維測量方法，包括 利用來自能夠改變光的照度的照明裝置的光將條紋投射至測量對象； 通過多次改變投射至所述測量對象的所述條紋的相位來拍攝多個圖像； 從所拍攝的所述多個圖像提取亮度值； 基於所提取的亮度值計算所述測量對象的三維測量中的錯誤率； 通過改變所述照明裝置的照度來針對各照度計算所述錯誤率；以及 基於所計算的各照度的所述錯誤率來確定用於三維測量所述測量對象的測量照度。
12.—種程序，使三維測量裝置執行 利用來自能夠改變光的照度的照明裝置的光將條紋投射至測量對象； 通過多次改變投射至所述測量對象的所述條紋的相位來拍攝多個圖像； 從所拍攝的所述多個圖像提取亮度值； 基於所提取的亮度值計算所述測量對象的三維測量中的錯誤率； 通過改變所述照明裝置的照度來針對各照度計算所述錯誤率；以及 基於所計算的各照度的所述錯誤率來確定用於三維測量所述測量對象的測量照度。
全文摘要
本發明提供了一種三維測量裝置、三維測量方法及程序。該三維測量裝置包括投射單元，包括能夠改變照度的照明裝置，投射單元利用來自照明裝置的光將條紋投射至測量對象，並且改變被投射至測量對象的條紋的相位；成像單元，拍攝其上被投射了條紋的測量對象的圖像；以及控制單元，通過使投射單元多次改變被投射至測量對象的條紋的相位以使成像單元拍攝多個圖像，從所拍攝的多個圖像中提取亮度值，基於所提取的亮度值計算測量對象的三維測量中的錯誤率，通過改變照明裝置的照度來針對各照度計算錯誤率，並且基於所計算的各照度的錯誤率來確定用於三維測量測量對象的測量照度。
文檔編號G01B11/25GK102628678SQ20121002262
公開日2012年8月8日 申請日期2012年2月1日 優先權日2011年2月1日
發明者木村匠 申請人:索尼公司