[发明专利]形状测量设备及形状测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种对测量目标的表面三维形状进行测量的技术。

背景技术

已知有一种通过分析摄像头所获取的测量目标的图像来测量测量目标表面形状（三维形状）的技术。就测量镜面对象的表面形状的技术而言，例如，有这样一种方法，其中使用具有不同特征的多组照明以用反射自所述镜面的光来获取所述镜面对象的多幅图像，并且由所述图像来计算对象表面的法线方向（例如，参见日本专利第3553652号）。当在对象表面的多个点处求得法线时，则通过将法线转换成梯度以对所述梯度进行积分(integrate)就能够还原对象表面的三维形状（例如，参见日本未审查专利公开第3-218407号）。就测量漫射对象(diffusing object)的表面形状的技术而言，有这样一种方法，其中将条纹图案(fringe pattern)投射到对象上以分析根据对象表面的不规则所产生的图案变形，由此分析所述对象表面的三维形状。作为漫射对象表面形状的测量技术的典型示例，已知的有光学切割(optical cutting)法、相移法、以及条纹分析法（例如，参见日本未审查专利公开第2002-286433和2007-196193号）。

在自动测量设备或自动检查设备领域，存在着对诸如金属等镜面对象的表面形状进行精确测量的需要。例如，在电路板(board)外观检查设备的焊接检查中，存在着对焊接部分中的三维形状进行准确识别的需求，以便无误差地检测焊盘与芯片之间的接触失效或者短路的存在。

然而，在传统的测量技术中产生了下列问题。在日本专利第3553652号和日本未审查专利公开第3-218407号揭示的方法中，虽然能够还原对象的表面形状，但由于无法测量摄像头（camera）深度方向（Z方向）的距离（即，摄像头与对象表面之间的距离），所以在还原的表面形状的三维空间中不能指定出Z方向的位置（高度）。例如，对于焊接检查，当在焊接部分中高度未知时，便存在未准确检查到焊接量过剩或不足或者焊料与焊盘之间存在空隙的风险。另一方面，在日本未审查专利公开第2002-286433和2007-196193号揭示的方法中，虽然能够测量对象表面的Z方向位置（高度），但这些方法并不适用于镜面对象的测量。这是因为，对于具有强镜面反射的对象，投射图案的反射光强度根据对象表面的反射性质而变化，从而使得测量精度不稳定，并且无法准确地还原出表面形状。

鉴于上述情况作出本发明，并且本发明的目的在于提供一种对镜面对象的三维形状和空间位置进行精确测量的技术。

发明内容

为了实现以上目的，在本发明中，通过结合由法线计算还原得到的对象表面三维形状以及由测距功能得到的对象表面高度（距参考位置的距离）信息来确定测量目标的三维形状和空间位置。

具体而言，本发明提供一种形状测量设备，其对测量目标的三维形状进行测量，所述设备包括：照明装置，其用光照射放置在平台上的所述测量目标；成像装置，其获取所述测量目标的图像；形状计算装置，其由图像来计算所述测量目标的表面上多个点处法线的取向，该图像是在所述照明装置用光照射所述测量目标时通过用所述成像装置执行成像来得到的，所述形状计算装置由所述法线的取向的计算结果来计算所述测量目标的表面的三维形状；测距装置，其对于所述测量目标的表面上的至少一个点来测量距预定参考位置的距离；以及确定装置，其确定所述测量目标的表面的三维形状的空间位置，所述三维形状是通过所述形状计算装置使用由所述测距装置获得的有关所述距离的信息来得到的。

根据这一配置，通过法线计算能够精确地还原镜面对象表面的三维形状。另外，通过使用由测距装置得到的距离信息能够确定所还原的三维形状的空间位置，从而能够简便且精确地测量测量目标的三维形状还有测量目标的空间位置。

优选地，所述测距装置包括投影装置，该投影装置向所述测量目标投射条纹图案或格栅图案，并且所述测距装置通过分析所述测量目标的图像来计算所述测量目标的表面上所述点的距离，所述测量目标的图像是在投射所述条纹图案或格栅图案时获取到的。在本发明中，因为三维形状是通过图像分析来测量的，还采用了图像分析技术用于测距，这使得能够通过硬件的共享来获得诸如设备配置的简化和小型化等效果。

优选地，所述成像装置还充当所述测距装置获取用于测距的图像所用的装置。也即，观察系统（成像装置）由形状测量和测距所共享。因此，能够免除形状测量结果和测距结果的图像坐标之间的校准，从而简化了处理并提高了精度。