用于測量系統(tǒng)的投影裝置和圖像捕獲裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及通過使用通過對物體的圖像捕獲而獲取的捕獲的圖像來測量物體的 測量系統(tǒng)，并且特別地設(shè)及將測量光學(xué)圖像投影到物體上的投影裝置，W及捕獲物體的圖 像的圖像捕獲裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 在上述測量系統(tǒng)中，投影裝置的投影光學(xué)系統(tǒng)的失真W及圖像捕獲裝置的成像光 學(xué)系統(tǒng)的失真使物體的測量結(jié)果的精度劣化。因此，通常執(zhí)行基于表示失真的函數(shù)的對捕 獲的圖像中所包含的失真的分量（W下簡稱為"失真分量"）的校正。
[0003] 日本專利公開No. 07-264577公開了一種通過使用針孔模型校正失真分量的方 法，其中進(jìn)入成像光學(xué)系統(tǒng)的所有光線都穿過一個(gè)點(diǎn)。日本專利公開No. 2001-133225公開 了一種根據(jù)到物體的距離產(chǎn)生將被用于校正失真分量的多個(gè)函數(shù)，并且根據(jù)到物體的距離 改變將被使用的函數(shù)的方法。日本專利公開No. 2008-298589公開了一種校正失真分量的 方法，該方法不使用針孔模型，而是使用一種光學(xué)系統(tǒng)模型，其中針對各個(gè)場角改變成像光 學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳位置。
[0004] 然而，因?yàn)橥队肮鈱W(xué)系統(tǒng)的出射光瞳位置和成像光學(xué)系統(tǒng)的入射瞳位置對于各個(gè) 場角的光線一般是不同的，所W根據(jù)從物體到光學(xué)系統(tǒng)的距離，包含于被投射在物體上的 測量光學(xué)圖像中的失真分量和包含于捕獲的圖像中的失真分量具有不同的形狀。因此，日 本專利公開No. 07-264577中公開的通過使用針孔模型校正失真分量的方法不能根據(jù)到物 體的距離考慮失真分量的不同形狀而執(zhí)行校正。結(jié)果，該方法不足W在=維方向中的深度 方向（即，光學(xué)系統(tǒng)的光軸方向）的整個(gè)范圍上校正失真分量。
[0005] 為了存儲為根據(jù)到物體的距離進(jìn)行的對失真分量的校正而提供的多個(gè)函數(shù)，日本 專利公開No. 2001-133225中公開的方法需要大存儲器容量。另外，該方法還需要準(zhǔn)確地測 量到物體的距離的裝置，該使得系統(tǒng)配置變復(fù)雜。
[0006] 此外，日本專利公開No. 2008-298589中公開的使用針對各個(gè)場角改變?nèi)肷涔馔?位置的光學(xué)系統(tǒng)模型的方法需要大量輸入圖像，W獲取用于產(chǎn)生該模型的許多參數(shù)，并且 還需要復(fù)雜的計(jì)算處理W獲取所述參數(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提供了用于構(gòu)造測量系統(tǒng)的投影裝置和圖像捕獲裝置，該測量系統(tǒng)能夠充 分地校正投影光學(xué)系統(tǒng)和成像光學(xué)系統(tǒng)中的每一個(gè)在包括光軸方向的整個(gè)可測量范圍上 的失真影響，并且從而能夠?qū)崿F(xiàn)高的測量精度。
[000引作為本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種用于測量系統(tǒng)的投影裝置，該測量系 統(tǒng)包括：投影裝置，其被配置為在物體上投射投影光；W及圖像捕獲裝置，其被提供有成像 光學(xué)系統(tǒng)，并且被配置為通過成像光學(xué)系統(tǒng)執(zhí)行其上投射了投影光的物體的圖像捕獲。該 投影裝置包括投影光學(xué)系統(tǒng)，通過該投影光學(xué)系統(tǒng)，投影光被投射在物體上。該投影光學(xué)系 統(tǒng)滿足針對投影光的下列條件：
[0009] IEXP0-EXP11 /BL《0. 0015
[0010] 其中EXPO表示投影光學(xué)系統(tǒng)的出射光瞳位置，EXP1表示針對在通過成像光學(xué)系 統(tǒng)對物體的可測量范圍內(nèi)的最大視場角的光線，投影光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際出射光瞳位置，并且 化表示所述投影光學(xué)系統(tǒng)和所述成像光學(xué)系統(tǒng)之間的基線長度。
[0011] 作為本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種測量系統(tǒng)，該測量系統(tǒng)包括；上述的 投影裝置；圖像捕獲裝置，其被提供有成像光學(xué)系統(tǒng)，并被配置為通過該成像光學(xué)系統(tǒng)，執(zhí) 行對其上投射了投影光的物體的圖像捕獲；W及處理裝置，其被配置為執(zhí)行處理，W通過使 用圖像捕獲裝置獲取的捕獲的圖像來測量物體。
[0012] 作為本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了用于測量系統(tǒng)的圖像捕獲裝置，所述測 量系統(tǒng)包括該圖像捕獲裝置和處理裝置，該圖像捕獲裝置被配置為執(zhí)行物體的圖像捕獲， 并且該處理裝置被配置為執(zhí)行處理，W通過使用由該圖像捕獲裝置獲取的捕獲的圖像來測 量物體。該圖像捕獲裝置包括成像光學(xué)系統(tǒng)，通過該成像光學(xué)系統(tǒng)執(zhí)行圖像捕獲。對于從 物體進(jìn)入的圖像捕獲光，該成像光學(xué)系統(tǒng)滿足下列條件：
[0013] |ENP0-ENP1|/化《0. 00巧
[0014] 其中ENP0表示成像光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳位置，ENP1表示針對通過成像光學(xué)系統(tǒng) 對物體的可測量范圍內(nèi)的最大視場角的光線，成像光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際入射光瞳位置，并且化 表示W(wǎng)下之一 ；(a)從一個(gè)位置執(zhí)行物體的圖像捕獲的圖像捕獲裝置的成像光學(xué)系統(tǒng)和從 另一個(gè)位置執(zhí)行物體的圖像捕獲的圖像捕獲裝置的成像光學(xué)系統(tǒng)之間的基線長度和化） 當(dāng)投影光通過投影光學(xué)系統(tǒng)被投射在物體上時(shí)，投影光學(xué)系統(tǒng)和成像光學(xué)系統(tǒng)之間的基線 長度。
[0015] 作為本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種測量系統(tǒng)，包括一個(gè)或多個(gè)上述圖 像捕獲裝置，W及處理裝置，該處理裝置被配置為執(zhí)行處理，W通過使用由每一個(gè)圖像捕獲 裝置獲取的捕獲的圖像來測量物體。
[0016] 根據(jù)參考附圖對示例性實(shí)施例的W下描述，本發(fā)明的其它特征將變得明顯。
【附圖說明】
[0017] 圖1示出了作為本發(fā)明的實(shí)施例1的S維形狀測量系統(tǒng)的配置。
[001引圖2示出了用于實(shí)施例1的針孔模型的光學(xué)系統(tǒng)。
[0019] 圖3示出了實(shí)施例1中的實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)。
[0020] 圖4示出了實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)和針孔模型之間的誤差。
[0021] 圖5示出了用于實(shí)施例1的S維形狀測量系統(tǒng)的投影裝置的投影光學(xué)系統(tǒng)的配 置。
[0022] 圖6A示出了實(shí)施例1中投影光學(xué)系統(tǒng)的出射光瞳位置的移動量和場角之間的關(guān) 系。
[0023] 圖6B示出了實(shí)施例1中投影光學(xué)系統(tǒng)的光軸方向上的誤差和場角之間的關(guān)系。
[0024] 圖7示出了實(shí)施例1內(nèi)的投影光學(xué)系統(tǒng)的失真。
[0025] 圖8示出了作為本發(fā)明的實(shí)施例2的S維形狀測量系統(tǒng)的配置。
[0026] 圖9示出了用于實(shí)施例2的S維形狀測量系統(tǒng)的圖像捕獲裝置的成像光學(xué)系統(tǒng)的 配置。
[0027] 圖lOA示出了實(shí)施例2中成像光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳位置的移動量和場角之間的關(guān) 系。
[002引圖10B示出了實(shí)施例2中成像光學(xué)系統(tǒng)的光軸方向上的誤差和場角之間的關(guān)系。
[0029] 圖11示出了實(shí)施例2中的成像光學(xué)系統(tǒng)的失真。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面將參考附圖描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。
[0031] [實(shí)施例1]
[0032] 圖1示出了作為本發(fā)明的第一實(shí)施例（實(shí)施例1)的S維形狀測量系統(tǒng)的配置。該 實(shí)施例的=維形狀測量系統(tǒng)由投影裝置101、圖像捕獲裝置102和控制/處理裝置103構(gòu) 成。
[0033] 投影裝置101將光學(xué)圖案作為測量光學(xué)圖像投射到要被測量的物體104上。圖像 捕獲裝置102執(zhí)行其上投射有光學(xué)圖案的物體104的圖像捕獲?？刂?處理裝置103由個(gè) 人計(jì)算機(jī)構(gòu)成并且控制投影裝置101和圖像捕獲裝置102的操作。控制/處理裝置103還 執(zhí)行處理，W通過使用圖像捕獲裝置102產(chǎn)生（獲取）的捕獲的圖像，測量物體104的=維 形狀。
[0034] 該實(shí)施例的=維形狀測量系統(tǒng)使用空間編碼方法執(zhí)行=維形狀測量。具體地，投 影裝置101在物體104上投射光學(xué)圖案，該光學(xué)圖案是亮和暗圖案。圖像捕獲裝置102執(zhí) 行對其上投射有亮和暗圖案的物體104的圖像捕獲?？刂?處理裝置103執(zhí)行處理，W通 過使用由圖像捕獲裝置102產(chǎn)生的包括亮和暗圖案的捕獲的圖像來測量物體104的=維形 狀。更具體地，控制/處理裝置103根據(jù)正負(fù)交叉檢測方法檢測捕獲的圖像中的亮和暗圖 案的亮和暗邊緣位置，并且然后根據(jù)在檢測到的邊緣位置處由投影裝置101的投影光學(xué)系 統(tǒng)的光軸與圖像捕獲裝置102的成像光學(xué)系統(tǒng)的光軸所形成的角度，根據(jù)=角測量原理計(jì) 算從該投影和圖像捕獲裝置101和102到物體104的距離。
[0035] 在該形狀測量中，因?yàn)橥队把b置101的投影光學(xué)系統(tǒng)和圖像捕獲裝置102的成像 光學(xué)系統(tǒng)各自具有失真，為了準(zhǔn)確地測量物體104的形狀，必須校正包含于捕獲的圖像內(nèi) 的失真分量；所述失真分量是對應(yīng)于失真的圖像分量。因此，本實(shí)施例中的控制/處理裝置 103執(zhí)行處理，W通過假設(shè)投影光學(xué)系統(tǒng)和成像光學(xué)系統(tǒng)中的每一個(gè)是圖2所示的針孔模 型的光學(xué)系統(tǒng)105來校正失真分量。
[0036] 針孔模型假設(shè)從投影裝置101的投影光學(xué)系統(tǒng)向著物體104行進(jìn)的所有場角的光 線是從所述投影光學(xué)系統(tǒng)中的某一個(gè)點(diǎn)射出的，并且從物體104進(jìn)入圖像捕獲裝置102的 成像光學(xué)系統(tǒng)的所有場角的光線被引到成像光學(xué)系統(tǒng)中的某個(gè)點(diǎn)。不同于使用其它模型的 情況，使用該種針孔模型便于光學(xué)系統(tǒng)的建模，消除計(jì)算許多參數(shù)的復(fù)雜處理，并且增強(qiáng)了 處理的穩(wěn)定性。
[0037] 如圖2所示，因?yàn)樵卺樋啄Ｐ椭兴袌鼋堑墓饩€射出自或被引到光學(xué)系統(tǒng)105內(nèi) 的一個(gè)點(diǎn)，不論光學(xué)系統(tǒng)105的光軸106在其上延伸的光軸方向上的距離如何，失真分量具 有相同的形狀。因此，對于失真分量的校正，僅提供一個(gè)函數(shù)就足夠。
[003引然而，實(shí)際上，如圖3所示，投影光學(xué)系統(tǒng)的出射光瞳的位置（W下簡稱為"出射光 瞳位置"）和成像光學(xué)系統(tǒng)的入射光瞳的位置（w下簡稱為"入射光瞳位置"）對于各個(gè)場 角是不同的。因此，針孔模型中假設(shè)的每一個(gè)場角的光線（在圖3中W虛線示出）與實(shí)際 光學(xué)系統(tǒng)中的每一個(gè)場角的光線（W實(shí)線示出）之間具有間隙。結(jié)果，當(dāng)W光軸方向上的 后側(cè)為基準(zhǔn)執(zhí)行失真分量的校正時(shí)，雖然可W充分地執(zhí)行針對后側(cè)的校正，但是在光軸方 向上的前側(cè)處產(chǎn)生誤差。
[0039] 如圖4所示，當(dāng)假設(shè)針對場角0的光線的投影光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)際出射光瞳位置EXP1 相對于針孔模型中的出射光瞳位置巧XP0)偏移了偏移量A時(shí)，W下列表達(dá)式（1)表示在 可測量深度范圍內(nèi)比