图案光照射装置、三维形状计测装置以及图案光照射方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供图案光照射装置、三维形状计测装置以及图案光照射方法。一种图案光照射装置，该图案光照射装置用于向对象物照射具有图案的光，其特征在于，该图案光照射装置具备：图案形成板，其设置有多个开口部；光照射单元，其用于向上述图案形成板照射光；以及投影镜头，其用于将由上述光照射单元照射的、通过了上述图案形成板的开口部的光一体地聚光，将聚光后的光引导到上述对象物，上述投影镜头配置成，不使上述图案形成板的像成像于对象物上，而把其作为正弦波图案来投影。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及向物体照射具有图案的光的图案光照射装置和图案光照射方法，以及使用该图案光照射装置的三维形状计测装置。
技术介绍
关于三维形状计测装置，具有如下的装置向作为计测对象的物体投影光图案，使用条纹分析法等相位分析方法来分析照射图案，从而得到对象的三维信息(高度信息)。对这种装置进行详细说明，首先，从光源通过图案形成板向计测对象照射光，从而在计测对象上投影图案形成板的像。而且，对投影了图案形成板的像的计测对像进行拍摄，得到图像。接着，将该图像中的图案形成板的像的图案，与未设置计测对象时(即，仅有基准平面时)的图案进行比较，根据因设置计测对象而产生的图案的偏移量(相位移位量)，计算高度信息。此处，作为投影到计测物体上的图案，主要使用正弦波图案。这是因为，若使用矩形波图案，则只能用于计算亮部和暗部之间的边界部分的高度，与此相对，若使用正弦波图案，则能够根据波的任意部分来计算高度，从而可提高分辩率。使用图11～图13来说明三维形状计测装置的测定方法的一例。图11(a)、图11(b)示出计测对象的一例，分别是从上面、侧面观看计测对象的图。若对这种计测对象照射正弦波图案的光，则成为如图12的左图所示。另外，在图中，不表现中间色调部分，利用黑或白的二值来表现条纹花样，但实际的条纹花样为具有亮度梯度的灰度。如图12的左图所示，若向具有高度的物体照射正弦波图案的光，则正弦波的条纹花样根据物体的高度而变化。图12的右图是针对未设置物体的基准平面上的照射图案以及物体上的照射图案，示出图像中的左右方向的位置和亮度值之间的关系的曲线图。如该图所示，投影到具有高度的物体上的正弦波图案产生了相位偏移。根据该相位的偏移量，能够根据图13所示的三角测量的原理来计算高度。在这种三维形状计测装置的图案光照射装置中，为了照射正弦波图案光，使用了如下所示的各种方法。首先，作为第一方法，可以举出向形成有用于投影正弦波图案的正弦浓淡图案的胶片照射光的方法。该方法中，为了形成正弦波图案光，在胶片上形成了层次(浓淡)。另外，浓淡的形成通过使用了卤化银等感光颗粒的感光或基于喷墨印刷机等的印刷来进行。并且，作为第二方法，可以举出利用液晶投影仪照射正弦波状的光图案的方法。该方法中，利用液晶元件形成正弦浓淡图案，并且，利用投影仪将该浓淡图案投影到计测对象上。该情况下，通过调节各个液晶元件的透射率来表现浓淡。而且，第三方法是通过对具有细微缝隙的衍射光栅照射光来照射正弦波图案光的方法。在该方法中，通过适当地调节缝隙的宽度、间隔，引起光的衍射，利用衍射的光的干涉作用，形成正弦波图案光。并且，作为第四方法，是向计测对象扫描通过调制用信号而经时地对振幅(亮度)进行调制的光的方法。在该方法中，使光产生振幅调制，以便利用正弦函数来表示时间与亮度的关系，通过向计测对象扫描该光，从而向计测对象照射正弦波图案光。专利文献1公开了如下的方法。在引用文献1中，记载了使用微透镜阵列的位置测定装置。该位置测定装置具备光源；用于使来自光源的光散射的散射板；选择性地使透过散射板的光透过的缝隙遮蔽部；设置在缝隙遮蔽部前方的透镜阵列。在该位置测定装置中，通过组合了缝隙和透镜阵列，使透镜阵列的各个透镜分别起到虚拟光源的作用。而且，通过适当地调节透镜阵列的透镜的焦点，使来自相邻的透镜的光重合，形成伪正弦波图案光。专利文献1日本特开平8-313209号公报(平成8年(1996)11月29日公开)专利文献2日本特开平7-19825号公报(平成7年(1995)1月20日公开)但是，上述现有技术存在各种问题。例如，在向形成有浓淡图案的胶片照射光的方法中，由胶片构成的图案形成板的大小成为问题。对于此，在下面详细叙述。近年来，这种三维形状计测装置多用于半导体的安装基板等的检查。该装置通过计测基板各部的高度，来检测部件的安装错误、焊锡不良等。此处，为了进行准确的检查，要求μm级别的高分辨率，为了提高分辨率，必须减小正弦波图案的间距(周期)。例如，考虑利用由上述的形成有浓淡图案的胶片构成的图案形成板，在一个视野区域内投影200周期的正弦波图案的情况。为了在胶片上形成正弦浓淡图案，需要用由感光颗粒或印刷用颗粒构成的点来表现浓淡。例如，一个颗粒的尺寸为5μm，用256灰度(8位灰度)来表现用于正弦波图案的浓淡时，正弦波的一个周期所需的胶片的尺寸为5(μm)×256(灰度)×2＝2560(μm)。而且，为了将胶片做成200周期所需的尺寸，胶片的尺寸必须为2560(μm)×200(周期)＝512(mm)。这意味着需要用像圈为512mm以上的镜头来将通过了胶片的光聚光。这种透镜与在通常的35mm胶片用照相机中使用的、具有43mm左右的像圈的镜头相比，镜头要大得多，价格非常高。因此，导致图案光照射装置的成本增大。这对于利用液晶元件来形成正弦浓淡图案的方法也一样。并且，在使用衍射光栅来照射正弦波图案光的方法中，由于利用光的衍射现象，因此需要单一波长的光源。即，由于需要特殊的光源，所以图案光照射装置的成本增大，且很难小型化。另一方面，向计测对象扫描通过调制用信号而经时地进行振幅调制的光的方法不适合于分析所拍摄的图像。其理由如下。在捕捉了计测对象的某一瞬间的图像中只拍摄了正弦波图案的一部分，利用一次拍摄得到的图像，不能计算出整个视野区域上的高度。并且，在使用专利文献1中记载的微透镜阵列的方法中，用于微透镜阵列的各透镜限于单板(单透镜)结构，所以当光源不是单一波长时，焦距根据来自光源的光的波长而改变，或残留色差的影响。因此，需要单一波长的光源。所以产生与使用衍射光栅时相同的问题。并且，在使用微透镜阵列的方法中，还存在不能容易地进行照射图案的形状变更的问题。在通常的三维形状的测定中，为了改变高度方向的分辨率，需要改变正弦波图案的间距。并且，在与测定三维形状一起，还拍摄对象物的整体或一部分，进行与模板图像的图案匹配时，需要照射具有相同亮度的光、即没有图案的光，而不是图案光。这样，在需要改变图案的形状时，在使用微透镜阵列的方法中，必须更换微透镜阵列整体。更换微透镜阵列整体需要很高的成本，所以不能够容易地进行照射图案的形状变更。
技术实现思路
本专利技术是鉴于上述问题而提出的，其目的在于，解决现有技术所存在的上述各问题，实现能够以低成本照射适合于图像处理的正弦波图案光的图案光照射装置。本专利技术的图案光照射装置，用于向对象物照射具有图案的光，为了解决上述问题，其特征在于，该图案光照射装置具备图案形成板，其设置有多个开口部；光照射单元，其用于向上述图案形成板照射光；以及投影镜头，其用于将由上述光照射单元照射的、通过了上述图案形成板的开口部的光一体地聚光，将聚光后的光引导到上述对象物，上述投影镜头配置成，不使上述图案形成板的像成像于对象物上，而把其作为正弦波图案来投影。根据上述结构，光照射单元向具有开口部的图案形成板照射光，从而在图案形成板的后方，利用图案形成板的开口部和除此之外的遮蔽部形成大致为图案形成板的像。然后，利用投影镜头将所形成的图案形成板的像聚光，并被投影到对象物上。此处，投影镜头的位置被配置成偏离了对焦的位置，从而使利用图案形成板形成的图案形成板的像不成像于对象物上。由此，像的轮廓、即图案形成板的开口部和遮蔽部之间的边界部本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种图案光照射装置，该图案光照射装置用于向对象物照射具有图案的光，其特征在于，该图案光照射装置具备：图案形成板，其设置有多个开口部；光照射单元，其用于向上述图案形成板照射光；以及投影镜头，其用于将由上述光照射单元照射的、通过了上述图案形成板的开口部的光一体地聚光，将聚光后的光引导到上述对象物，上述投影镜头配置成，不使上述图案形成板的像成像于对象物上，而把其作为正弦波图案来投影。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：吉野政直，伊东芳郎，麻生川佳诚，
申请(专利权)人：欧姆龙株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]