[發明專利]形狀測量設備及形狀測量方法

有效

• 申請號: 201180059344.4
• 申請日: 2011-10-03
• 公開（公告）號: CN103261836B
• 公開（公告）日: 2017-03-08
• 發明（設計）人: 莊沱;光本大輔;大西康裕;小島岳史;施里·納瓦爾
• 申請（專利權）人: 歐姆龍株式會社
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25;G06T7/00
• 代理公司: 隆天知識產權代理有限公司72003
• 代理人: 金鵬,陳昌柏

技術領域

本發明涉及一種對測量目標的表面三維形狀進行測量的技術。

背景技術

已知有一種通過分析攝像頭所獲取的測量目標的圖像來測量測量目標表面形狀（三維形狀）的技術。就測量鏡面對象的表面形狀的技術而言，例如，有這樣一種方法，其中使用具有不同特征的多組照明以用反射自所述鏡面的光來獲取所述鏡面對象的多幅圖像，并且由所述圖像來計算對象表面的法線方向（例如，參見日本專利第3553652號）。當在對象表面的多個點處求得法線時，則通過將法線轉換成梯度以對所述梯度進行積分(integrate)就能夠還原對象表面的三維形狀（例如，參見日本未審查專利公開第3-218407號）。就測量漫射對象(diffusing?object)的表面形狀的技術而言，有這樣一種方法，其中將條紋圖案(fringe?pattern)投射到對象上以分析根據對象表面的不規則所產生的圖案變形，由此分析所述對象表面的三維形狀。作為漫射對象表面形狀的測量技術的典型示例，已知的有光學切割(optical?cutting)法、相移法、以及條紋分析法（例如，參見日本未審查專利公開第2002-286433和2007-196193號）。

在自動測量設備或自動檢查設備領域，存在著對諸如金屬等鏡面對象的表面形狀進行精確測量的需要。例如，在電路板(board)外觀檢查設備的焊接檢查中，存在著對焊接部分中的三維形狀進行準確識別的需求，以便無誤差地檢測焊盤與芯片之間的接觸失效或者短路的存在。

然而，在傳統的測量技術中產生了下列問題。在日本專利第3553652號和日本未審查專利公開第3-218407號揭示的方法中，雖然能夠還原對象的表面形狀，但由于無法測量攝像頭（camera）深度方向（Z方向）的距離（即，攝像頭與對象表面之間的距離），所以在還原的表面形狀的三維空間中不能指定出Z方向的位置（高度）。例如，對于焊接檢查，當在焊接部分中高度未知時，便存在未準確檢查到焊接量過剩或不足或者焊料與焊盤之間存在空隙的風險。另一方面，在日本未審查專利公開第2002-286433和2007-196193號揭示的方法中，雖然能夠測量對象表面的Z方向位置（高度），但這些方法并不適用于鏡面對象的測量。這是因為，對于具有強鏡面反射的對象，投射圖案的反射光強度根據對象表面的反射性質而變化，從而使得測量精度不穩定，并且無法準確地還原出表面形狀。

鑒于上述情況作出本發明，并且本發明的目的在于提供一種對鏡面對象的三維形狀和空間位置進行精確測量的技術。

發明內容

為了實現以上目的，在本發明中，通過結合由法線計算還原得到的對象表面三維形狀以及由測距功能得到的對象表面高度（距參考位置的距離）信息來確定測量目標的三維形狀和空間位置。

具體而言，本發明提供一種形狀測量設備，其對測量目標的三維形狀進行測量，所述設備包括：照明裝置，其用光照射放置在平臺上的所述測量目標；成像裝置，其獲取所述測量目標的圖像；形狀計算裝置，其由圖像來計算所述測量目標的表面上多個點處法線的取向，該圖像是在所述照明裝置用光照射所述測量目標時通過用所述成像裝置執行成像來得到的，所述形狀計算裝置由所述法線的取向的計算結果來計算所述測量目標的表面的三維形狀；測距裝置，其對于所述測量目標的表面上的至少一個點來測量距預定參考位置的距離；以及確定裝置，其確定所述測量目標的表面的三維形狀的空間位置，所述三維形狀是通過所述形狀計算裝置使用由所述測距裝置獲得的有關所述距離的信息來得到的。

根據這一配置，通過法線計算能夠精確地還原鏡面對象表面的三維形狀。另外，通過使用由測距裝置得到的距離信息能夠確定所還原的三維形狀的空間位置，從而能夠簡便且精確地測量測量目標的三維形狀還有測量目標的空間位置。

優選地，所述測距裝置包括投影裝置，該投影裝置向所述測量目標投射條紋圖案或格柵圖案，并且所述測距裝置通過分析所述測量目標的圖像來計算所述測量目標的表面上所述點的距離，所述測量目標的圖像是在投射所述條紋圖案或格柵圖案時獲取到的。在本發明中，因為三維形狀是通過圖像分析來測量的，還采用了圖像分析技術用于測距，這使得能夠通過硬件的共享來獲得諸如設備配置的簡化和小型化等效果。

優選地，所述成像裝置還充當所述測距裝置獲取用于測距的圖像所用的裝置。也即，觀察系統（成像裝置）由形狀測量和測距所共享。因此，能夠免除形狀測量結果和測距結果的圖像坐標之間的校準，從而簡化了處理并提高了精度。