CN102388291A - 轮廓测定仪、测量设备和观测设备 - Google Patents

Abstract

一种观测设备，包括照明装置，用于用具有第一光源分布的光照射测量对象的表面；以及成像部，用于对测量对象的表面成像。考虑通过测量点的第一平面，将第一光源分布设置为使得：(1)光亮度L₁₁(θ)根据角度θ以连续或步进的方式变化，以及(2)当从测量点观察时，在第一平面上以位于预定角度θ_C的点为中心的预定范围±σ的局部区域中，光亮度L₁₁(θ)不为零，并且对于满足0＜a≤σ的任意a，以下方程式实质上成立：L₁₁(θ_C-a)+L₁₁(θ_C+a)＝2×L₁₁(θ_C)。

Description

轮廓测定仪、测量设备和观测设备

技术领域

本发明涉及测量测量对象表面轮廓的技术。本发明还涉及测量或观测测量对象表面的技术。

背景技术

测量测量对象的法向轮廓的技术在传统上已知有利用颜色信息的技术和利用亮度信息的技术。

已知颜色突显方法是利用颜色信息测量法向轮廓的技术。如图20A和图20B所示，颜色突显方法包括在圆顶中布置红色、蓝色和绿色环形照明装置，并用每个颜色照射测量对象。通过分析来自测量对象的反射光的颜色，以三种方式区别待测量表面的法线方向(仅天顶角分量)，以计算表面轮廓。作为颜色突显方法的修改，已知一种技术(例如参照日本专利申请特开No.3-142303)，通过将大量同心照明装置布置在盖子(hood)中，精细测量待测量表面的法线(仅天顶角分量)，以及一种技术(例如参照日本专利公开No.3553652)，利用天顶角分量测量模式和方位角分量测量模式两种类型的照明模式进行拍摄，并根据各个图像计算法线的天顶角分量和方位角分量。

已知光照度差立体方法(illuminance difference stereo method)是利用亮度信息测量法向轮廓的技术。如图21所示，光照度差立体方法是利用目标的阴影信息，基于在三个或更多个不同光源下一次拍摄一个得到的多个图像，获取目标表面每个点的法线方向的方法。更特别地，利用已知轮廓的目标来获取亮度信息，例如，根据在不同光源下拍摄的三个图像。通过一组亮度值唯一地确定法线方向，并存储为表格。测量时，在三个光源下进行拍摄，并参照创建的表格，根据一组亮度信息获得法线。根据光照度差立体方法，可以获得不具有完美镜面的目标的法线。

发明内容

但是，在相关技术中出现以下问题。

在利用颜色特征的颜色突显方法中，不能测量反射特性不一致的目标。此外，当使用不完美镜面(当包括凸起时)时，即使反射特性一致，由于反射光的颜色混合，测量准确性也会下降。

在利用亮度信息的光照度差立体方法中，除了完美镜面之外还可以测量反射特性一致的目标，但是因为亮度值随着反射特性而变化，所以如果反射特性不一致，那么法向计算的准确性也会下降。当创建表格时使用的目标(参考目标)的反射特性与测量对象不同时，即使目标具有一致的反射特性，法向计算的准确性也会下降。

考虑到上述情况，本发明的目的是提供一种技术，即使对于其中反射特性不一致的测量对象，或者其中反射特性一致但是反射特性本身不同于参考目标的测量对象，该技术也能以满意的准确性计算法向信息(单位矢量的XYZ分量，或者天顶角分量和方位角分量)。

本发明的另一目的是提供一种技术，能观测反射光，而无视反射特性的不均匀(即，凸起的扩展程度的变化)。本发明的再一目的是提供一种技术，即使测量对象具有未知的反射特性，该技术也能获得关于测量对象的表面的光反射角度的信息。

为了实现上述目的，在本发明中使用一种照明装置，它具有这样的分布，其中当用光照射具有任意反射特性的测量对象时，反射光的光亮度变为与完美镜面中的光亮度相同，也就是说，使用了这样一种光源分布，其中包括漫反射的反射光关于任意反射特性的测量对象都与规则反射光一致。换言之，使用一种在这种照明下拍摄测量对象时能类似于完美镜面来处理该对象的照明装置。

更特别地，本发明的第一方面涉及一种轮廓测定仪，用于测量测量对象的表面轮廓，该装置包括：照明装置，用于用光照射测量对象；成像装置，用于对来自测量对象的反射光成像；以及法向计算器件，用于根据成像的图像，计算测量对象每个位置的表面的法线方向。其中照明装置具有以下特征。

为了照明装置具有上述特征，照明装置只需要具有这样的光源分布，其中在发光区域的任意点对称区域中，点对称区域的光源分布的重心的光亮度与该点对称区域的中心的光亮度一致。

假定照明装置的发光区域中的光源分布是L_i(p，θ，φ)，如果目标表面的反射特性为f(p，θ_i，φ_i，θ_r，φ_r)，就可以将光亮度(照相机亮度值)L_r(p，θ_r，φ_r)一般地表示如下。

L_r(p，θ_r，φ_r)＝∫∫_ΩL_i(p，θ_i，φ_i)·f(p，θ_i，φ_i，θ_r，φ_r)cosθ_isinθ_idθ_idφ_i…(1)

这里，Ω是半球面的立体角。

具体而言，如果目标表面是完美镜面，可将光亮度Lr表示如下。

L_r(p，θ_r，φ_r)＝L_i(p，θ_is，φ_is+π)…(2)

这里，在内部包括(θ_is，φ_is)的任意区域(光源分布的范围)Ω(θ_is，φ_is)中，通过利用满足(1)＝(2)的光源分布L_i(p，θ，φ)，即使对于其对象表面是不完美镜面的目标，也可将该目标作为完美镜面处理。

但是，通过分析方式难以获得准确满足(1)＝(2)的光源分布L_i(p，θ，φ)。因此，考虑其中(1)-(2)变为充分小的值的光源分布L_i(p，θ，φ)。作为近似方案，采用不依赖于位置p和p的法向矢量、并且关于p和p的法向矢量而为常数的光源分布是适当的。

满足上述条件的近似方案的具体示例包括这样的光源分布，其中在假定以测量点为中心并且两极位于包括测量对象的平面上的球形时，光源分布关于其经度线性地变化。另一示例是这样的光源分布，其中光源分布关于纬度线性地变化。再一示例是这样的光源分布，其中发光区域具有平面形状，在其平面上光源分布线性地变化。

这样的光源分布是(1)＝(2)的近似方案，其中，通过利用这种照明装置，即使对象表面是不完美镜面的目标，也可以就像对象是完美镜面那样处理。

优选利用满足上述条件的光源分布，其中将相互不同的多个光源分布重叠。因此可以唯一地计算复数和具有不同反射特性的对象的法线。

本发明的第二方面涉及用于测量布置在预定测量点的测量对象的表面的测量设备，该测量设备包括：照明装置，用于用具有第一光源分布的光和具有第二光源分布的光照射测量对象的表面；成像部，用于对通过照明装置用光照射的测量对象的表面成像；以及测量处理部，用于利用通过成像部成像的图像，获得关于测量对象的表面上测量点处的光反射角度的信息。在该测量设备中，照明装置具有多个第一特定区域，每个第一特定区域在通过测量点的第一平面的截面中包括多个发光元件，当投射到以测量点为中心并具有单位半径的圆周时，多个第一特定区域在第一平面上的弧长度彼此相等。当将第一特定区域上投射到弧的中心的点定义为第一特定区域的发光中心时，多个第一特定区域的发光中心的位置相互不同。在这种情况下，在第一平面上，当从测量点观察，将从位于角度θ的发光元件朝向测量点的方向上的第一光源分布和第二光源分布中的光亮度表示为L₁₁(θ)和L₁₂(θ)时，将第一光源分布和第二光源分布设置为使得：

(a)当第一特定区域具有±σ的扩展，该扩展关于作为第一平面上的中心的发光中心具有角度θ_C时，在任何一个第一特定区域中光亮度L₁₁(θ)和L₁₂(θ)都不为零，并且对于满足0＜a≤σ的任意a，以下方程式实质上成立：

L₁₁(θ_C-a)+L₁₁(θ_C+a)＝2×L₁₁(θ_C)

L₁₂(θ_C-a)+L₁₂(θ_C+a)＝2×L₁₂(θ_C)，以及

(b)所述发光中心的光亮度之比L₁₁(θ_C)/L₁₂(θ_C)在每个第一特定区域中变化。

利用满足条件(a)的光源分布，从角度小于发光中心(θ_C)的角度的区域(θ_C-σ≤θ≤θ_C)发出的光得到的凸起的影响与从角度大于发光中心的角度的区域(θ_C＜θ≤θ_C+σ)发出的光得到的凸起的影响相互抵消。因此，可类似于完美镜面观测反射光，而无视测量对象表面的凸缘的扩展程度。

当两种光源分布满足条件(b)时，通过估计表示在两种光源分布中观测的反射光的成分的强度比的特征值，可以在第一平面中唯一地指定发出光的光源(特定区域)的方向，因此可以获得关于测量对象表面的光反射方向的信息。反射光的强度取决于测量对象的表面的反射比。但是，因为通过计算反射光的成分的强度比可以消除反射比，所以即使测量对象具有未知反射比，也可以计算关于光反射方向的信息。“反射比”表示对于光束的反射光束的强度与入射光束的强度之比。

在根据第二方面的测量设备中，优选地，照明装置可进一步用具有第三光源分布的光照射测量对象的表面。在这种情况下，照明装置具有多个第二特定区域，每个第二特定区域在通过测量点的第二平面的截面中包括多个发光元件，第二平面不同于第一平面，当投射到以测量点为中心并具有单位半径的圆周时，多个第二特定区域在第二平面上的弧长度彼此相等，当将第二特定区域上投射到弧的中心的点定义为第二特定区域的发光中心时，多个第二特定区域的发光中心的位置相互不同。在第二平面上，当从测量点观察，将从位于角度φ的发光元件朝向测量点的方向上的第一光源分布和第三光源分布中的光亮度表示为L₂₁(φ)和L₂₃(φ)时，将第一光源分布和第三光源分布设置为使得：

(a)当第二特定区域具有±σ的扩展，该扩展关于作为第二平面上的中心的发光中心具有角度φ_C时，在任何一个第二特定区域中光亮度L₂₁(φ)和L₂₃(φ)都不为零，并且对于满足0＜a≤σ的任意a，以下方程式实质上成立：

L₂₁(φ_C-a)+L₂₁(φ_C+a)＝2×L₂₁(φ_C)

L₂₃(φ_C-a)+L₂₃(φ_C+a)＝2×L₂₃(φ_C)，以及

(b)发光中心的光亮度之比L₂₁(φc)/L₂₃(φc)在每个第二特定区域中变化。

因此，对于第二平面，也可以类似于完美镜面观测反射光，而无视测量对象的表面中凸起的扩展，因此对于两个自由度，可以获得关于测量对象的表面的光反射方向的信息。

本发明的第三方面涉及一种测量设备，用于测量布置在预定测量点的测量对象的表面，所述测量设备包括：照明装置，用于用具有第一光源分布的光和具有第二光源分布的光照射测量对象的表面；成像部，用于对通过照明装置用光照射的测量对象的表面成像；以及测量处理部，用于利用通过成像部成像的图像，获得关于测量对象的表面上测量点处的光反射角度的信息。在测量设备中，照明装置具有发光区域，发光区域具有预定延伸。在通过测量点的第一平面上，当从测量点观察，将从发光区域上具有角度θ的点朝向测量点的方向上的第一光源分布和第二光源分布中的光亮度表示为L₁₁(θ)和L₁₂(θ)时，关于发光区域上的多个点i将第一光源分布和第二光源分布设置为使得：

(1)光亮度L₁₁(θ)和L₁₂(θ)的至少其中之一根据角度θ以连续或步进的方式增加或减少，

(2)在以点i为中心并具有角度θ_i的预定范围±σ的局部区域中，光亮度L₁₁(θ)和L₁₂(θ)都不为零，并且对于满足0＜a≤σ的任意a，以下方程式实质上成立：

L₁₁(θ_i-a)+L₁₁(θ_i+a)＝2×L₁₁(θ_i)

L₁₂(θ_i-a)+L₁₂(θ_i+a)＝2×L₁₂(θ_i)，以及

(3)点i处的光亮度之比L₁₁(θ_i)/L₁₂(θ_i)在每个角度θ_i中变化。

在以每个点i为中心的局部区域中，利用满足条件(2)的光源分布，从角度小于发光中心(θ_i)的角度的区域(θ_i-σ≤θ≤θ_i)发出的光得到的凸起的影响与从角度大于发光中心的角度的区域(θ_i＜θ≤θ_i+σ)发出的光得到的凸起的影响相互抵消。因此，可类似于完美镜面观测反射光，而无视测量对象表面的凸起的扩展程度。通过估计在条件(3)下的两个光源分布中观测的反射光的成分的强度比，可以在第一平面中唯一地指定发出光的光源的方向(发光区域上的点i)，因此可以获得关于测量对象的表面的光反射方向的信息。反射光的强度取决于测量对象表面的反射特性(反射比)。但是，因为通过计算反射光的成分的强度之比可以消除反射比，所以即使测量对象具有未知反射比，也可以计算关于光反射方向的信息。

在根据第三方面的测量设备中，优选地，所述照明装置可进一步用具有第三光源分布的光照射所述测量对象的表面。在这种情况下，在通过所述测量点的不同于所述第一平面的第二平面上，当从所述测量点观察，将从所述发光区域上具有角度φ的点朝向所述测量点的方向上的所述第一光源分布和所述第三光源分布中的光亮度表示为L₂₁(φ)和L₂₃(φ)时，关于所述发光区域上的多个点j将所述第一光源分布和所述第三光源分布设置为使得：

(1)光亮度L₂₃(φ)根据角度φ以连续或步进的方式增加或减少，

(2)在以点j为中心并具有角度φ_j的预定范围±σ的局部区域中，所述光亮度L₂₁(φ)和L₂₃(φ)都不为零，并且对于满足0＜a≤σ的任意a，以下方程式实质上成立：

L₂₁(φ_j-a)+L₂₁(φ_j+a)＝2×L₂₁(φ_j)

L₂₃(φ_j-a)+L₂₃(φ_j+a)＝2×L₂₃(φ_j)，以及

(3)所述点j处的光亮度之比L₂₁(φ_j)/L₂₃(φ_j)在每个角度φ_j中变化。

因此，对于第二平面，也可以类似于完美镜面观测反射光，而无视测量对象的表面中凸起的扩展，因此对于两个自由度，可以获得关于测量对象的表面的光反射方向的信息。

例如，优选地，可采用其中每个光亮度L₁₁(θ)和L₁₂(θ)是角度θ的线性函数的光源分布以及其中每个光亮度L₂₁(φ)和L₂₃(φ)是角度φ的线性函数的光源分布作为满足条件(2)的光源分布。采用简单光源分布使所述照明装置的设计和制造更为容易。

本发明的第四方面涉及一种观测设备，用于观测来自布置在预定测量点的测量对象的表面的反射光，所述观测设备包括：照明装置，用于用具有第一光源分布的光照射所述测量对象的表面；成像部，用于对通过所述照明装置用所述光照射的所述测量对象的表面成像。在所述观测设备中，所述照明装置具有多个第一特定区域，每个第一特定区域在通过所述测量点的第一平面的截面中包括多个发光元件，当投射到以所述测量点为中心并具有单位半径的圆周时，所述多个第一特定区域在所述第一平面上的弧长度彼此相等，当将所述第一特定区域上投射到所述弧的中心的点定义为所述第一特定区域的发光中心时，所述多个第一特定区域的发光中心的位置相互不同。在所述第一平面上，当从所述测量点观察，将从位于角度θ的发光元件朝向所述测量点的方向上的所述第一光源分布中的光亮度表示为L₁₁(θ)时，将所述第一光源分布设置为使得：

(a)当所述第一特定区域具有±σ的扩展，该扩展关于作为所述第一平面上的中心的所述发光中心具有角度θ_C时，在任何一个所述第一特定区域中所述光亮度L₁₁(θ)都不为零，并且对于满足0＜a≤σ的任意a，以下方程式实质上成立：

L₁₁(θ_C-a)+L₁₁(θ_C+a)＝2×L₁₁(θ_C)，以及

(b)所述发光中心的光亮度的值L₁₁(θ_C)在每个所述第一特定区域中变化。

利用满足条件(a)的光源分布，从角度小于发光中心(θ_C)的角度的区域(θ_C-σ≤θ≤θ_C)发出的光得到的凸起的影响与从角度大于发光中心的角度的区域(θ_C＜θ≤θ_C+σ)发出的光得到的凸起的影响相互抵消。因此，可类似于完美镜面观测反射光，而无视测量对象表面的凸起的扩展程度。可以用条件(b)下的不同亮度(反射光的强度)观测具有不同斜率(gradient)的表面。通过成像部获得的图像被存储在存储部中，显示在显示部上，输出到外设，或者用于计算关于光反射方向的信息。

在根据第四方面的观测设备中，优选地，所述照明装置能进一步用具有第二光源分布的光照射所述测量对象的表面。在所述第一平面上，当从所述测量点观察，将从位于角度θ的发光元件朝向所述测量点的方向上的所述第二光源分布中的光亮度表示为L₁₂(θ)时，将所述第二光源分布设置为使得：

(a)当所述第一特定区域具有±σ的扩展，该扩展关于作为所述第一平面上的中心的所述发光中心具有角度θ_C时，在任何一个所述第一特定区域中所述光亮度L₁₂(θ)都不为零，并且对于满足0＜a≤σ的任意a，以下方程式实质上成立：

L₁₂(θ_C-a)+L₁₂(θ_C+a)＝2×L₁₂(θ_C)，以及

(b)所述发光中心的光亮度之比L₁₁(θc)/L₁₂(θc)在每个所述第一特定区域中变化。

因此，通过计算在两个光源分布中观测的反射光的成分的强度比，可以进行观测和估计，而无视测量对象的表面的反射比。

在根据第四方面的观测设备中，优选地，所述照明装置能进一步用具有第三光源分布的光照射所述测量对象的表面。在这种情况下，所述照明装置具有多个第二特定区域，每个第二特定区域在通过所述测量点的第二平面的截面中包括多个发光元件，所述第二平面不同于所述第一平面，当投射到以所述测量点为中心并具有单位半径的圆周时，所述多个第二特定区域在所述第二平面上的弧长度彼此相等，当将所述第二特定区域上投射到所述弧的中心的点定义为所述第二特定区域的发光中心时，所述多个第二特定区域的发光中心的位置相互不同。在所述第二平面上，当从所述测量点观察，将从位于角度φ的发光元件朝向所述测量点的方向上的所述第一光源分布和所述第三光源分布中的光亮度表示为L₂₁(φ)和L₂₃(φ)时，将所述第一光源分布和所述第三光源分布设置为使得：

(a)当所述第二特定区域具有±σ的扩展，该扩展关于作为所述第一平面上的中心的所述发光中心具有角度φ_C时，在任何一个所述第二特定区域中所述光亮度L₂₁(φ)和L₂₃(φ)都不为零，并且对于满足0＜a≤σ的任意a，以下方程式实质上成立：

L₂₁(φ_C-a)+L₂₁(φ_C+a)＝2×L₂₁(φ_C)

L₂₃(φ_C-a)+L₂₃(φ_C+a)＝2×L₂₃(φ_C)，以及

(b)所述发光中心的光亮度之比L₂₁(φ_C)/L₂₃(φ_C)在每个所述第二特定区域中变化。

因此，可以对两个自由度观测和估计测量对象的表面的斜率。

本发明的第五方面涉及一种观测设备，用于观测来自布置在预定测量点的测量对象的表面的反射光，所述观测设备包括：照明装置，用于用具有第一光源分布的光照射所述测量对象的表面；以及成像部，用于对通过所述照明装置用所述光照射的所述测量对象的表面成像。在观测设备中，所述照明装置具有发光区域，所述发光区域具有预定延伸。在通过所述测量点的第一平面上，当从所述测量点观察，将从所述发光区域上具有角度θ的点朝向所述测量点的方向上的所述第一光源分布中的光亮度表示为L₁₁(θ)时，将所述第一光源分布设置为使得：

(1)光亮度L₁₁(θ)根据角度θ以连续或步进的方式变化，以及

(2)当从所述第一平面上的所述测量点观察时，在以位于预定角度θ_C的点为中心的预定范围±σ的局部区域中，光亮度L₁₁(θ)不为零，并且对于满足0＜a≤σ的任意a，以下方程式实质上成立：

L₁₁(θ_C-a)+L₁₁(θ_C+a)＝2×L₁₁(θ_C)。

利用满足条件(2)的光源分布，从角度小于发光中心(θ_C)的角度的区域(θ_C-σ≤θ≤θ_C)发出的光得到的凸起的影响与从角度大于发光中心的角度的区域(θ_C＜θ≤θ_C+σ)发出的光得到的凸起的影响相互抵消。因此，可类似于完美镜面观测从位于角度θ_C的点发出的光的反射光，而无视测量对象表面的凸起的扩展程度。通过成像部获得的图像被存储在存储部中，显示在显示部上，输出到外设，或者用于计算关于光反射方向的信息。

在根据第五方面的观测设备中，优选地，所述照明装置能进一步用具有第二光源分布的光照射所述测量对象的所述表面，所述第二光源分布不同于所述第一光源分布。在这种情况下，在所述第一平面上，当从所述测量点观察，将从所述发光区域上具有角度θ的点朝向所述测量点的方向上的所述第二光源分布中的光亮度表示为L₁₂(θ)时，优选地，将所述第二光源分布设置为使得在局部区域中所述光亮度L₁₂(θ)不为零，并且对于满足0＜a≤σ的任意a，以下方程式实质上成立：

L₁₂(θ_C-a)+L₁₂(θ_C+a)＝2×L₁₂(θ_C)。

因此，通过计算在两个光源分布中观测的反射光的成分的强度比，可以进行观测和估计，而无视测量对象的表面的反射比。

在本发明中，当使用两种类型的光源分布时，优选地，所述照明装置用具有所述第一光源分布的光和具有所述第二光源分布的光同时照射所述测量对象的所述表面，具有所述第一光源分布的光与具有所述第二光源分布的光在波长上不同，并且所述成像部将接收的反射光分为具有多个波长的多个光的成分，并检测具有所述第一光源分布的光和具有所述第二光源分布的光的反射光的多个成分的每个成分的强度。当使用三种类型的光源分布时，优选地，所述照明装置用具有所述第一光源分布的光、具有所述第二光源分布的光以及具有所述第三光源分布的光同时照射所述测量对象的所述表面，具有所述第一光源分布的光、具有所述第二光源分布的光以及具有所述第三光源分布的光在波长上相互不同，并且所述成像部将接收的反射光分为具有多个波长的多个光的成分，并检测具有所述第一光源分布的光、具有所述第二光源分布的光以及具有所述第三光源分布的光的反射光的多个成分的每个成分的强度。

因此，仅通过一次光照射和一次成像就可以同时获得两种或三种类型的光源分布中反射光的成分的强度的程度，因此可以缩短处理时间。

在本发明中，根据待测量角度的方向，可以任意设置“第一平面”和“第二平面”，并且“第一平面”和“第二平面”可以是垂直于放置测量对象的工作台的平面或者是平行于工作台的平面。

“光亮度”表示特定方向上在微区域里每单位时间的光子数量。因此，当从发光元件发出的光具有扩展时，“从发光元件朝向测量点的方向上的光亮度”表示从发光元件发出的一部分光(仅到达测量点上的微区域的光)。当从发光元件发出的光具有扩展时，优选地，发光元件的光亮度关于通过发光元件和第一平面上的测量点的直线线对称分布。

“多个第一特定区域”的布置和数量是任意的，两个相邻的第一特定区域可以是分离的、相互接触的或者相互重叠的。“多个第二特定区域”以类似的方式布置。照明装置可包括在除了特定区域之外的区域中发出光的部分(光源)。优选地，将特定区域的尺寸，也就是σ的值设置为凸起的期望扩展的最大值或更大。凸起的扩展取决于测量对象的种类。

一个特定区域中包括的多个发光区域的光亮度可以在所述特定区域中任意分布，只要满足条件(a)。例如，在一个特定区域中，光亮度可以连续变化，光亮度可以以步进方式变化，或者光亮度可以保持恒定。

在条件(a)中，“实质上成立”表示凸起的影响不需要被完全消除。例如，即使观测的反射光的强度的差异存在于凸起的最小扩展与凸起的最大扩展之间，当差异充分小于光源(特定区域)之间的反射光的强度的差异时，也可以指定光源(特定区域)的方向。

“关于测量对象表面上的测量点处的光反射角度的信息”的示例包括通过成像部观测的发出光的光源(特定区域)的方向、测量对象表面上的测量点处的斜率以及测量对象表面上的测量点处的法线方向。

本发明可视作包括上述器件的轮廓测定仪、测量设备、观测设备、或者成像系统。本发明也可视作包括上述处理的至少一部分的表面轮廓测量方法、测量方法、观测方法、或者成像方法，或者视作用于实现这样的方法的程序。只要有可能，就可以将上述器件和处理分别相互组合，以构造本发明。

根据本发明，即使在其中反射特性不一致，或者其中反射特性一致、但是反射特性本身不同于参考目标的测量对象上，也可以以满意的准确性计算法向信息(单位矢量的XYZ分量、或天顶角分量和方位角分量)。

根据本发明，可以观测反射光，而无视反射特性的不均匀(也就是说，凸起的扩展的程度的变化)。此外，即使测量对象具有未知的反射比，也能获得关于测量对象的表面的光反射角度的信息。

附图说明

图1示出显示第一实施例中的三维测量装置的简单概观的示意图；

图2示出显示第一实施例中的三维测量装置的功能模块的示意图；

图3示出显示轮廓测定仪的另一示例的示意图；

图4示出显示用于每个RGB的照明装置的发光区域中的颜色模式；

图5A和图5B示出描述照明装置的发光区域中的RGB的每个颜色中的变化的示意图，其中图5A是透视图，图5B是侧视图；

图6示出描述反射特性的示意图；

图7A和图7B示出用条纹形式颜色模式的照明装置照射图7A的镜面目标和图7B中反射特性不一致的目标的情况下拍摄的图像，在图7B中颜色模式被破坏；

图8示出用于描述光亮度(radiance)的计算的示意图；

图9示出描述第一实施例中的照明装置的颜色模式的效果的示意图；

图10A和图10B示出用本实施例的照明装置照射图10A的镜面目标和图10B中反射特性不一致的目标的情况下拍摄的图像，在图10B中颜色模式被保持；

图11示出描述待测量表面的法线方向与发光区域的对应的示意图；

图12示出显示表面轮廓计算单元的功能模块的示意图；

图13示出描述第一实施例中的照明装置的颜色模式的效果的示意图；

图14A和图14B示出显示照明装置的颜色模式的另一示例的示意图；

图15A和图15B示出显示第二实施例中的照明装置的颜色模式的示意图；

图16示出显示根据第二实施例的三维测量装置的简单概观的示意图；

图17示出显示用于每个RGB的第二实施例中的颜色模式的示意图；

图18示出显示三维测量的原理的示意图；

图19示出描述在镜面目标上进行三维测量的情况的示意图；

图20A和图20B示出描述通过颜色突显方法的表面轮廓测量的示意图，其中图20A显示装置的简单概观的示意图，图20B示出显示测量原理的示意图；

图21示出描述通过光照度差突显方法的表面轮廓测量的示意图；

图22示出显示光源分布的示例的示意图，其中消除了凸起的影响；

图23示出显示测量设备的构造示例的示意图；以及

图24示出显示测量设备的构造示例的示意图。

具体实施方式

下面参照附图说明性地详细描述本发明的优选实施例。

(第一实施例)

<简单概观>

根据第一实施例的轮廓测定仪(法向测量装置)被用作用于进行镜面目标的三维测量的三维测量装置的一个部件。如图18所示，三维测量(三角测量(triangulation))是一种检查通过不同成像角度的多个照相机拍摄的图像的像素的对应关系，并计算视差(parallax)以测量距离的技术。通常，当检查对应像素时，以亮度值作为特征量，通过计算相似性来检查对应像素。

如果测量对象是镜面目标，则图像中拍摄的亮度值不代表目标表面本身的特征量，而是通过周围目标的反射来确定。因此，当用两个照相机拍摄镜面目标时，如图19所示，来自光源L1的发射光反射所在的目标表面的位置不同。在利用这样的点作为对应像素进行三维测量时，实际上是测量附图中点L2的位置，因此误差出现。照相机的成像角度的差别越大，误差越大。

这种误差的原因在于，镜面目标的表面上反射的亮度信息并非镜面目标的表面本身的特征。也就是说，为了正确进行三维测量，检查成像的图像之间的像素的对应需要集中在镜面目标的表面的特征上。可以将法线的方向用于镜面目标的表面的特征。因此，在根据本实施例的三维测量装置中，集中在目标表面的法线的方向上进行三维测量。

图1示出显示根据本实施例的三维测量装置的简单概观的示意图。图2示出显示根据本实施例的三维测量装置的功能模块的示意图。如图1所示，用两个照相机1、2拍摄布置在工作台5上的测量对象4。这里，照相机1从垂直方向拍照，照相机2从自垂直方向偏移大约40度的方向拍照。用来自圆顶形照明装置3的光照射测量对象4，并且照相机1、2拍摄照明装置3的光的反射光。将拍摄的图像撷取到计算机6中，然后处理图像，并进行三维测量。

通过使得CPU执行程序，计算机6充当表面轮廓计算单元7、坐标转换单元8、对应点计算单元9和三角测量单元10，如图2所示。通过专用硬件可部分或完全实现每个功能单元。

将通过照相机1、2拍摄的图像分别输入表面轮廓计算单元7。表面轮廓计算单元7计算拍摄的测量对象4的每个位置的法线的方向。下面详细描述法线方向的计算处理的细节。

坐标转换单元8进行坐标转换处理，将通过由照相机2拍摄的图像计算的法线的方向对准到照相机1的坐标系统。在测量之前进行的校正中调节照相机1、2的位置关系。通过在校正中获取的参数，获得用于从照相机2的坐标系统转换到照相机1的坐标系统的转换矩阵。

对应点计算单元9计算来自两个法向图像的对应像素，其坐标系统被统一。通过从照相机2的法向图像获得方向与照相机1的法向图像中的聚焦像素处的法线相同的法线进行该处理。在这种情况下，在核线(epipolar line)上存在对应像素，因此只需要搜索相关线。当搜索具有相同方向的法线的像素时，不仅利用关于仅一个聚焦像素的信息，而且利用关于其周围像素的信息，来搜索具有最大相似性的像素。在法线的方向与对应像素最匹配的位置，利用以聚焦像素为中心的7像素×7像素窗口，可获得相似性。

通过上述方式获得两个图像中的对应点以后，通过三角测量单元10对测量对象4的每个位置计算深度信息(距离)。该处理是公知技术，因此省略其详细描述。

<表面轮廓测量>

下面详细描述计算测量对象4的表面轮廓(法向)的处理。

[照明装置]

首先，描述用于测量表面轮廓的装置的构造。如图1所示，为了表面轮廓测量，用自圆顶形照明装置3发射的光照明测量对象4，并用照相机1、2拍摄其反射光。拍摄的图像通过计算机6进行图像处理，以测量表面轮廓。照明装置3形成有两个孔3a、3b，以供照相机1、2拍摄。

在本实施例中，因为是为了三维测量而测量表面轮廓，所以采用使用两个照相机的构造，但是如果目的是简单测量表面轮廓，不进行三维测量，就可以只布置一个照相机，如图3所示。在这种情况下，通过对照相机1或照相机2的法向图像进行积分处理(integral process)，可进行表面轮廓的测量。

照明装置3具有附图所示的圆顶形，并且整个圆顶形状是发光区域。例如可以通过圆顶形滤色器以及用于从其外部发射白光的光源来构造这种照明装置3。此外，可以采用其中将多个LED芯片排列在圆顶内侧，以通过漫反射板发射光的构造。可将液晶显示器、有机EL显示器等等形成为圆顶形，以构造照明装置3。

照明装置3的发光区域的轮廓优选为半球圆顶形，因此光可以从测量对象的所有方向发射。因此可以测量所有方向的法线。但是，只要形状使得光从对应于待测量的法向的位置发射，发光区域的形状就可以是任何形状。例如，如果将表面的法线的方向限定为基本上是垂直方向，就不需要在水平方向上(从浅层角(shallow angle)的方向)发射光。

将照明装置3的发光区域的每个位置的发光设置为发射光谱分布在所有位置不同的光。例如，当通过合成红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)三种颜色的光分量实现发光时，RGB的每个分量的发光强度关于圆顶上的不同方向而变化，如图4所示。这里，相对于彼此将变化方向设置为120度。通过这种RGB分量的组合，发光区域的每个位置的发光都具有RGB的每个分量的不同组合。因此，如果发射光谱分布在所有位置不同、并且到测量对象的入射方向不同的光，就可以将入射光的光谱分布(RGB的强度比)设置为不同。

图5A和图5B示出图4中的一个分量光的强度变化。图5A是示出一个分量光的等色线(相等的发光强度)的透视图，图5B是对应于图5A的侧视图。通过圆顶(半球形)的直径的平面与圆顶的交叉线为等色线(isochromaticline)。在图4和图5中，RGB的每个分量的发光强度被示出为以步进方式变化(在附图中，按八步变化)，但这是为了帮助观看附图，实际上，每个分量光的发光强度连续变化。将发光强度的变化设置为关于角度线性地变化。更特别地，假定发光强度的最小值是L_min，发光强度的最大值是L_max，由包括等色线的平面与水平面形成的角度是θ，则将发光强度设置为使得等色线上的发光强度L(θ)满足关系L(θ)＝L_min+(L_max-L_min)×(θ/π)。限定如图5A所示的“极”，θ是经度，可将本实施例中的光源分布表示为关于经度线性地变化。

通过使用具有这种光源分布的照明装置3，即使对于其中反射特性不一致的测量对象4，也可以测量表面轮廓(法向)。当测量对象4的表面是不完美镜面时，漫反射出现。因此，进入目标表面的光的反射光在规则反射方向包括锐而窄的光(尖峰(spike))，在从规则反射方向偏移的方向包括不明显扩展的光(凸起(lobe))，如图6所示。凸起表示测量对象表面上通过微不规则表面(微平面(microfacet))产生的镜面反射光的扩展。当微平面的方位变化增加，也就是说当表面粗糙化时，凸起扩展得宽。另一方面，随着微平面的方位变化减少，该表面接近完美镜面的状态。这里，从规则反射方向的偏移(角度)以及凸起关于尖峰的光强度之比代表反射特性。根据反射特性不一致的目标中的表面位置，凸起的形状不同。凸起与尖峰之比接近1，则凸起与尖峰难以相互区别。

由于有了凸起的扩展，拍摄的图像中的亮度值不仅受到来自对应于目标的规则反射方向的发光区域的光的影响，而且受到来自其周围光的影响。例如，如果投射条纹形式的照明，如图7A所示，则在漫反射目标中，反射光与周围光混合，如图7B的左侧所示。

在这种情况下，如果消除来自周围的光并保持类似于完美镜面情况的颜色特征(R/(R+G)等等)，就可以类似于就像以完美镜面目标作为对象进行测量那样处理它。下面的描述描述通过利用本实施例中的照明模式消除来自周围的光的影响，从而使得能够类似于完美镜面的情况拍摄具有颜色特征的图像。

如图8所示，考虑从(θ_i，φ_i)方向进入点p，并在(θ_r，φ_r)方向被反射的光。在点p的(θ_i，φ_i)方向上小立体角(solid angle)是dωi。假定来自小立体角的光亮度是L_i(p，θ_i，φ_i)，可以将其视作光亮度，也就是说，在半径为1的球上在(θ_i，φ_i)的光源分布。从(θ_i，φ_i)方向观察包括点p的小区域dA_s，该区域的对应立体角是dA_s cosθ_i。

因此，可将通过从小立体角dω_i进入的光到点p的辐射光照度dE_i(p，Ω)表示如下。

$d{E}_i(p,d{\mathrm{\&omega;}}_i)=\frac{L_i(p,{\mathrm{\&theta;}}_i,{\mathrm{\&phi;}}_i)d{A}_s\cos {\mathrm{\&theta;}}_i\mathrm{d\&omega;}}{d{A}_s}$

$=L_i(p,{\mathrm{\&theta;}}_i,{\mathrm{\&phi;}}_i)\cos {\mathrm{\&theta;}}_i\mathrm{d\&omega;}$

因此，利用目标表面的反射特性f，可将从点p到(θ_r，φ_r)的光亮度L_r(p，θ_r，φ_r)表示如下。

$L_r(p,{\mathrm{\&theta;}}_r,{\mathrm{\&phi;}}_r)\underset{\mathrm{\&Omega;}}{\&Integral;\&Integral;}f(p,{\mathrm{\&theta;}}_i,{\mathrm{\&phi;}}_i,{\mathrm{\&theta;}}_r,{\mathrm{\&phi;}}_r)d{E}_i(p,d{\mathrm{\&omega;}}_i)$

$=\underset{\mathrm{\&Omega;}}{\&Integral;\&Integral;}f(p,{\mathrm{\&theta;}}_i,{\mathrm{\&phi;}}_i,{\mathrm{\&theta;}}_r,{\mathrm{\&phi;}}_r)L_i(p,{\mathrm{\&theta;}}_i,{\mathrm{\&phi;}}_i)\cos {\mathrm{\&theta;}}_{i}d{\mathrm{\&omega;}}_i...\left(1\right)$

$=\underset{\mathrm{\&Omega;}}{\&Integral;\&Integral;}f(p,{\mathrm{\&theta;}}_i,{\mathrm{\&phi;}}_i,{\mathrm{\&theta;}}_r,{\mathrm{\&phi;}}_r)\mathrm{Li}(p,{\mathrm{\&theta;}}_i,{\mathrm{\&phi;}}_i)\cos {\mathrm{\&theta;}}_i\sin {\mathrm{\&theta;}}_{i}d{\mathrm{\&theta;}}_{i}d{\mathrm{\&phi;}}_i$

这里，积分范围Ω表示半球形表面上的立体角，也就是说，光源分布的范围。

如果目标表面是完美镜面，可将光亮度表示如下。

L_r(p，θ_r，φ_r)＝L_i(p，θ_is，φ_is+π)…(2)

这里，(θ_is，φ_is)表示在(θ_r，φ_r)方向上从位置p的规则反射方向。

这里，在内部包括(θ_is，φ_is)的任意区域(光源分布范围)Ω(θ_is，φ_is)，考虑到光源分布L_i(p，θ_i，φ_i)满足(1)＝(2)，即使对象表面并非镜面，也可以就像该对象是镜面那样处理对象。也就是说，即使测量对象的反射特性改变，规则反射方向上的光谱特征也总是可以检测。可将满足(1)＝(2)的光源分布表示为这样的光源分布，其在发光区域上的任意点对称区域中，点对称区域的光源分布的重心的光亮度与该点对称区域的中心的光亮度一致。

因为这样的光源分布L_i(p，θ_i，φ_i)难以通过分析方式得到，所以现实上可以利用近似方案。本实施例使用的其中亮度关于经度方向线性变化(如上所述)的模式(图5A)是这种近似方案的其中之一。组合这些模式的照明模式(图4)也是一种近似方案。此外，可以用球函数展开(spherical harmonicsexpansion)来表示L_i。

参照图9，从不同的观点参照通过其中亮度关于经度方向线性变化(如图5A所示)的照明模式消除凸起的影响(漫反射)。图9示出显示其中获得接近理想的效果的赤道方向的一维方向的示意图，以描述通过这种照明模式的效果。这里，只考虑来自角度a(规则反射方向)、角度a+α和角度a-α的三个点的光。来自角度a+α和角度a-α的的位置的光的凸起系数相等，为σ。照明装置3的发光强度与角度(经度)成比例，在角度a-α、a、a+α的各个位置为(a-α)L、aL、(a+α)L。来自三个点的反射光的合成变为σ(a-α)L+aL+σ(a+α)L＝(1+2σ)aL，并且消除了来自周围的光的漫反射光的影响。这里只考虑两点a±α，但是应当容易理解，来自周围的光的漫反射光的影响被完全消除。因此，通过RGB的每个颜色的发光强度之比表示的特征量变成与完美镜面反射的情况相同的值。

赤道方向是获得最理想效果的方向。在其他方向，上述线性被破坏，并且在狭义上不能消除漫反射的影响，但是在不造成实际问题的范围内，可以消除漫反射的影响。

在图10A所示的用本实施例的照明装置照射镜面目标的情况与图10B所示的用本实施例的照明装置照射反射特性不一致的目标的情况之间，照明区域的周围被模糊，但是颜色特征在内部被保持。因此，即使以反射特性不一致的目标为对象时，也可以类似于完美镜面反射的情况获取表面轮廓。

如上所述，通过利用根据本实施例的照明装置3，可以无视测量对象的反射特性而以与完美镜面目标相同的方式处理对象。照明装置3的照明模式将其中RGB在不同方向上逐渐变化的模式组合，如图4所示，从而发射出光谱分布在所有位置不同的光。通过使用发射出光谱分布在发光区域的所有位置不同的光的照明装置3，可以仅由一个图像测量测量对象4的表面轮廓(法向)。下面参照图11描述这一点。假定在测量对象4的表面上某一位置的法线的方向是箭头N的方向，天顶角是θ，方位角是φ。在这种情况下，通过照相机1拍摄的位置的颜色变成照明装置3的区域R中发射并进入测量对象4的光的反射光。因此，表面的法线的方向(θ，φ)与入射光的方向(位于照明装置3的发光区域)一一对应。因为从不同方向进入的光具有不同的光谱分布(发射光谱分布在发光区域的所有位置不同的光)，所以照明装置3可以检查拍摄的图像的颜色(光谱分布)，以对于天顶角和方位角这两者计算相关位置处法线的方向。

[法线计算部]

下面描述表面轮廓计算处理的细节，同时描述计算机6中的表面轮廓计算单元7。图12示出显示表面轮廓计算单元7的更详细功能模块的示意图。如图所示，表面轮廓计算单元7包括图像输入部71、特征量计算部72、法线-特征量表73以及法线计算部74。

图像输入部71是用于接收通过照相机1、2拍摄的图像的输入的功能部。当接收来自照相机1、2的模拟数据时，图像输入部71将模拟数据转换为数字数据。图像输入部71可通过USB端子、IEEE 1394端子等等接收数字数据的图像。此外，可以采用通过LAN线缆从便携存储介质读取图像的构造。

特征量计算部72根据输入的拍摄图像，对反映测量对象4的每个像素计算与反射光的光谱分量有关的特征量。在本实施例中，照明装置3投射由红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)三分量光所组合的光，因此将RGB的每个分量之比用于特征量。例如，对于RGB的每个分量，将最大亮度归一化为1之后，将(R，G，B)的组合设置为特征量。可将另一颜色相对于某一颜色(这里是G)之比，例如值R/(R+G)、B/(B+G)和G的组合设置为特征。

如上所述，测量对象4的颜色，也就是通过特征量计算部72计算的特征量，与法线的方向一一对应。法线-特征量表73是用于存储这种对应关系的存储部。预先通过利用照明装置3和照相机1、3对其外形已知(例如完美球形)的目标进行拍摄，并检查法线与特征量之间的对应关系，可以创建法线-特征量表73。例如，当使用完美球形的目标时，可以通过检查距离聚焦像素中心的位置，通过计算获得法线的方向。通过在相关位置计算特征量，可以检查法线的方向与特征量之间的对应关系。

法线计算部74根据从输入图像计算得到的特征量以及法线-特征量表73，在测量对象的每个位置计算法线的方向。

<实施例的效果>

1、可测量其中反射特性不一致的目标的表面轮廓

如上所述，根据本实施例的轮廓测定仪，即使在其中反射特性不一致的对象上也能拍摄具有类似于完美镜面的光谱特性的图像。因此，即使对于其中反射特性不一致的对象，或者即使对于其中反射特性一致但是不同于参考目标的反射特性的对象，也能以满意的准确度计算其表面轮廓(法线的方向)。

通过利用本实施例的照明装置3，可获得以下附加效果。

2.可以仅由一个图像计算法线

根据本实施例的轮廓测定仪使用这样的照明装置，其从所有入射角方向进入不同光谱分布的光，因此关于天顶角分量和方位角分量这两者，仅由一个图像就可以获得待测量的目标的法线的方向。因为只进行一次图像的拍摄，并且是通过简单地检查存储法线与特征量的对应关系的表格来进行法线的方向的计算，所以容易(以高速)测量测量对象的表面轮廓。

3.对漫反射目标可以进行自然观测

当拍摄漫反射目标(等同漫反射目标)时，图像是来自不同方向的入射光的混合物。在本实施例中，照明装置3的发光区域使得具有RGB三分量的光在相等的方向(相对于彼此为120度的方向)上变化，如图4所示，并将变化程度设置为相同。因此，如图13所示，关于任意天顶角，在相关的天顶角，来自所有方位角方向的每一颜色的光强度的总和在每个颜色中相同。即使对所有天顶角进行积分，每个颜色的光强度的总和也相同。因此，从漫反射目标进入位于垂直方向的照相机1的光的RGB的分量光都具有相同的强度，因此其拍摄的图像关于漫反射目标具有拍摄的白色反射光。也就是说，当根据镜面目标(待测量目标)和漫反射目标这两者构造拍摄目标时，可以测量镜面目标的表面轮廓，并且对于漫反射目标，自然光中的拍摄变得可能。例如，当进行焊料(solder)的接缝(joining)测试时，对于除了焊料之外的对象，可以用无色图像进行自然测试。

4.亮度动态范围问题的缓解

通过使用本实施例的照明装置，即使包括完美镜面的目标与少量凸起共存，相比于在点光源(平行光)下观测它们的情况，规则反射光和漫反射光的亮度也会变小。因此，不需要加宽输入图像的动态范围。

<变型>

在以上实施例的描述中，使用其中关于方向(其中RGB的三种颜色的发光强度在120度角上不同)随角度变化的模式重叠的照明装置，但是发光模式不限于此。例如，可以使用其中三种颜色分别关于不同方向变化的模式的组合，例如其中三种颜色变为向下的方向、向右的方向以及向左的方向的模式，如图14A所示。不是所有三种颜色都需要随角度变化，并且可采用对于一个颜色，在整个表面上以一致的亮度发射光的模式，以及对于其他两个颜色，在不同方向上随角度变化的模式。

将本实施例的照明装置3的发光构造为也表现出上述附加效果。如果要获得的只是可以与完美镜面相同地拍摄其中反射特性不一致的目标的效果，那么不需要重叠RGB的三种颜色的照明模式。例如，可以将分别随角度线性变化的RGB的照明依次照明，以拍摄三个图像，并且可以分析这三个图像，以计算测量对象的表面轮廓。

在以上描述中，利用其形状已知的目标预先拍摄图像，基于图像获得光谱分布的特征量与法线的方向之间的关系，并创建法线-特征量表。参照法线-特征量表，根据测量对象的光谱分布的特征量获得法线的方向。但是，如果可以根据几何配置等等将法线的方向与通过照相机拍摄的光谱分布的关系公式化，就能利用这种计算公式来计算法线。

(第二实施例)

在第一实施例中，将其中发光强度关于经度方向上的角度线性变化(如图5A所示)的模式用作照明模式的近似方案，通过该照明模式，即使反射特性变化，在拍摄的图像中也总是可以检测规则反射方向上的光谱特性。在本实施例中，采用其中发光强度关于纬度方向线性变化(如图15所示)的模式。这种照明模式也是一种近似方案，并且可以基本上消除漫反射光的影响，使得能够检测规则反射光。

(第三实施例)

在根据第三实施例的轮廓测定仪中，使用形状不同于第一实施例和第二实施例的照明装置。如图16所示，在本实施例中使用平板形照明装置11。此外在本实施例中，发光区域中每个位置的发光的光谱分布在所有位置都不同。特别地，类似于第一实施例，当通过合成红光(R)、绿光(G)和蓝光(B)三种颜色的光分量来确定发光时，每种颜色关于不同方向变化，如图17所示。这里，R的发光强度朝向右的方向变大，G的发光强度朝向左的方向变大，B的发光强度朝向上的方向变大。发光强度中的变化比例关于位置(距离)是线性的。

其中发光强度关于平面上的位置线性变化的照明模式是消除漫反射光的影响的照明模式的一种近似方案。因此，如果使用这种照明模式，可无视测量对象的反射特性而类似于完美镜面进行表面轮廓的计算。

由RGB每种分量光组合的光在所有位置具有不同的光谱分布。因此，类似于第一实施例，在本实施例中也可以仅由一个拍摄的图像获得测量对象的表面轮廓。

<本发明的其他实施例>

下面从其他观点补充描述本发明的基本理念，并描述本发明的其他实施例。

如图6所示，认为测量对象的表面的法向矢量n、照相机的视矢量(eyevector)v以及来自光源的光束矢量I存在于通过测量点P的同一表面。假定θ_r是视矢量v与法向矢量n之间形成的角度，θ_s是规则反射角度，则得到θ_r＝θ_s。

基于θ_s，通过θ_σ ^(s)定义测量对象的表面上凸起的扩展。凸起关于规则反射角度方向上的轴线对称分布。θ_σ ^(s)也表示“能通过照相机观测并且位置离θ_s最远(角度张开最大)的光源的布置角度”。也就是说，以规则反射角度方向θ_s为中心，布置在±θ_σ ^(s)的局部区域的光源的光亮度对通过照相机观测的反射光的强度有影响。θ_σ ^(s)取决于测量对象的表面的反射特性。具有小值θ_σ ^(s)的表面表现出像镜子一样的反射特性。θ_σ ^(s)的下标σ是表示材料差异的参数。

通过照相机观测的亮度值与以下值成比例：

∫_AL(θ)R_σ(θ-θ_s)dθ…(3)

这里，L(θ)是表示从光源发出的光亮度的光源分布，该光源具有朝向测量点P的方向的角度θ。R_σ(θ)是测量对象的反射特性分布，表示在从规则反射角度方向离开角度θ的光源发出的光中，在视矢量v的方向上反射为凸起的亮度之比。A是θ_s-θ_σmax ^(s)≤θ≤θ_s+θ_σmax ^(s)的区域，并且下标σmax是对应于预想的测量对象中凸起的最大扩展的参数。

在这种情况下，至少在区域A的范围中，光源分布L(θ)不为零，并且将光源分布L(θ)设置为使得对于满足0＜a≤θ_σmax(s)的任意a，都满足以下方程式(参见图22)：

L(θ_s-a)+L(θ_s+a)＝2×L(θ_s)…(4)

该条件也表示光源分布L(θ)对于点(θ_s，L(θ_s))是奇函数。当满足该条件时，在区域A的范围中光源分布L(θ)具有预定的偏离值L(θ_s)，并且从具有小于规则反射角θ_s的角度的区域(θ_s-θ_σmax ^(s)≤θ＜θ_s)辐射的能量与从具有大于规则反射角θ_s的角度的区域(θ_s＜θ≤θ_s+θ_σmax ^(s))辐射的能量基于L(θ_s)相互抵消。换言之，从具有小于规则反射角θ_s的角度的区域(θ_s-θ_σmax ^(s)≤θ＜θ_s)发出的光得到的凸起的影响与从具有大于规则反射角θ_s的角度的区域(θ_s＜θ≤θ_s+θ_σmax ^(s))发出的光得到的凸起的影响相互抵消(称为凸起抵消效应)。因此，可以忽略凸起的影响，并且可以类似于完美镜面观测测量对象表面的反射光。也就是说，以下关系表达式成立：

$\&ForAll;\mathrm{\&sigma;}\&Element;{\mathrm{\&sigma;}}_{\max },{\&Integral;}_{A}L\left(\mathrm{\&theta;}\right)R_{\mathrm{\&sigma;}}(\mathrm{\&theta;}-{\mathrm{\&theta;}}_s)\mathrm{d\&theta;}=k_{\mathrm{\&sigma;}}L\left({\mathrm{\&theta;}}_s\right)...\left(5\right)$

这里，k_σ是取决于测量对象的反射特性的系数(反射比(reflectance))。

(在已知k_σ和n的情况下)

当已知系数k_σ和法向矢量的方向n时，可以“无视凸起扩展的程度”，利用方程式(5)，根据通过照相机观测的反射光的亮度，来确定测量对象的表面的法向矢量是否是n。

图23示出测量设备(观测设备)的构造示例。测量对象的表面被布置在测量点P，并假定测量测量表面的表面法向矢量是否与n匹配。适当地布置照相机1(假定θ_r是照相机1的视向(eye direction))。照明装置3被布置在规则反射角θ_s(＝θ_r)的方向，规则反射角θ_s根据照相机的配置而唯一地确定。照明装置3的发光区域的范围被设置为大于测量对象的凸起的扩展的最大可见值2θ_σmax ^(s)的值。照明装置3的截面形状不限于弧形，其截面形状可以是除了弧形之外的直线形或曲线形。照明装置3的光源分布L(θ)被设置为满足方程式(4)的条件。在图23中，从照明装置3朝向测量点P的箭头示意性地示出发光区域中从每个发光元件指向测量点P的光亮度L(θ)。

为了获得照明装置3，例如沿着照明装置3的截面排列多个LED，并基于对应于LED的布置角度θ的L(θ)的值调节每个LED的亮度。将漫反射板布置在LED前面，使得光源的光亮度可以从任何角度打(impinge)在点P上。因此，即使在完美镜面目标中，也总是可以从照相机1在点P观测反射光。在这样的构造中，从每个发光元件发出的光的光亮度关于通过发光元件和测量点P的直线成线对称分布。

将已知系数k_σ的目标预先布置在点P，使得法向矢量的方向与n匹配，通过照相机1测量反射光的亮度，并将亮度值存储在信息处理装置中(该处理称为教导)。当检查测量对象时，将目标放置在测量点P，并通过照相机1测量反射光的亮度。通过比较测量值与预先存储值，容易做出确定，测量对象的法向矢量的方向是否是n。例如，将测量设备用于目标表面的缺陷检查。

(在k_σ未知的情况下)

当k_σ未知时，可使用两种类型的光源分布。例如，准备两种类型的光源分布L₁(θ)和L₂(θ)，用从光源发射的光的成分(pieces)照射测量对象，用照相机进行成像，其允许计算以下矢量I_σ：

I_σ＝(∫_AL₁(θ)R_σ(θ-θ_s)dθ，∫_AL₂(θ)R_σ(θ-θ_s)dθ)…(6)

当对应于I_σ的光源方向与测量对象的法向矢量之间形成的角度等于θ_s时，也就是说，当矢量I_σ的方向与矢量(L₁(θ_s)，L₂(θ_s))的方向相同时，可以做出确定，测量对象的法向矢量是否是n。条件“矢量I_σ的方向与矢量(L₁(θ_s)，L₂(θ_s))的方向相同”用以下关系表达式表示：

I_σ＝α(L₁(θ_s)，L₂(θ_s))…(7)

特别地，通过计算在两种类型的光源分布中观测的反射光的成分的强度比，确定其中消除了系数k_σ的特征值，并且可利用特征值确定测量对象的法向矢量的方向。当使用至少两种类型的光源分布时，例如，用具有不同波长的诸如R和G的光的成分同时照射测量对象的表面，并在照相机侧将反射光的成分分离。因此，有利地通过仅一次成像进行了测量。

(在n是复数或未知的情况下)

当法向矢量的方向n是复数或未知时，在照明装置3中可提供满足方程式(5)或(7)的多个区域(称为特定区域)。图24示出其中提供三个特定区域31至33的示例。将特定区域31至33的范围设置为使得θ方向上的扩展彼此相等(也就是说，当将特定区域31至33投射到以点P为中心并具有单位半径的圆周时，弧的长度彼此相等)。将特定区域31至33的发光中心θ_C1至θ_C3的光亮度L(θ_C1)至L(θ_C3)设置为彼此不同。当使用至少两种类型的光源分布时，可以将发光中心θ_C1至θ_C3的光亮度比(radiance ratio)设置为在每个特定区域中彼此不同。在这种构造中，可基于通过照相机1观测的反射光的强度做出确定，测量对象表面的法向矢量的方向是否是n1、n2或n3。

特定区域的布置和数量是任意的。当增加特定区域的数量或者当缩短特定区域的发光中心之间的距离(角度)时，可以提高角度测量的分辨率。图24示出其中将特定区域相互分离的示例。或者，特定区域可以相互接触，或者，特定区域可以相互重叠。例如，在图5的光源分布中，可以提供相互重叠的多个特定区域，并且特定区域中发光中心的光亮度根据角度θ以连续或步进的方式变化。利用具有图5的半弧形范围(-π≤θ≤π)的光源分布，可以测量任意角度(法线方向n)。

为了能够测量任意法线方向n，光源分布L(θ)必须对于任意θ满足方程式(5)或(7)。光源分布L(θ)为θ的线性表达式是满足方程式(5)或(7)的一个示例。大约有三种方法对于任意法线方向n计算满足方程式(5)或(7)的L(θ)。

(A)理论计算

反射特性等等像方程式(5)或(7)那样模型化，因此分析地获得满足反射特性等等的L(θ)。方程式(4)或L(θ)为θ的线性表达式是具体方案的一个示例。

(B)通过模拟得出

当测量对象的法线有两个自由度时，通过方法(A)分析变难。在这种情况下，通过模拟计算L(θ)，使得在光源的任何组合中，方程式(5)或(7)左侧和右侧的剩余误差(例如均方差)变成最小值。为了有效计算，将L(θ)模型化(例如θ的二阶或三阶多项式或者球面调和函数)，并且可通过最小均方方法等等计算模型参数。

(C)根据实验的经验性推导

通过实际上布置多个光源(例如LED)来构成照明装置。如图24所示，将照相机1固定，当测量对象的方向(法向矢量n)变化时观测反射光的亮度。调节每个光源的明亮度(brightness)，使得观测完美镜面目标时亮度值的差异变成最小值。

如上所述，在一个平面中利用满足方程式(5)或(7)的一个或两个光源分布进行照明，这允许在平面中测量法线方向。

当用两个自由度测量法线方向时，在相互不同的两个平面中，利用满足方程式(5)或(7)的光源分布进行照明，并且可以通过照相机观测反射光。待组合的光源分布的数量取决于待计算的法线方向的自由度，或者取决于测量对象的反射特性已知的事实。例如，当法线方向具有两个自由度并且反射特性未知时，必须使用至少三个不同的光源分布。当反射特性已知或者当法线方向具有一个自由度时，即使反射特性未知，也可以使用两个不同的光源分布。如上所述，当反射特性已知且法线方向已知时，可以使用一个光源分布。

Claims (32)

1.一种轮廓测定仪，用于测量测量对象的表面轮廓，该测量装置包括：

照明装置，用于用光照射所述测量对象；

成像装置，用于对来自所述测量对象的反射光成像；以及

法向计算部，用于根据成像的图像，计算所述测量对象每个位置的表面的法线方向；其中

所述照明装置具有预定宽度的发光区域，在所述发光区域的任意点对称区域中，点对称区域的光源分布的重心的光亮度与该点对称区域的中心的光亮度一致。

2.根据权利要求1的轮廓测定仪，其中在所述照明装置中，当从入射角(θ，φ)的方向进入测量点p的光源分布是L_i(p，θ，φ)时，所述成像的图像的光亮度等于L_i(p，θ_is，φ_is±π)，并且对于任意区域Ω和所述p上的任意法向矢量均满足以下条件：

∫∫_ΩL_i(p，θ_i，φ_i)·f(p，θ_i，φ_i，θ_r，φ_r)cosθ_isinθ_idθ_idφ_i

＝L_i(p，θ_is，φ_is±π)

其中，p：测量点

θ_i：入射角(天顶角分量)

φ_i：入射角(方位角分量)

θ_r：反射角(天顶角分量)

φ_r：反射角(方位角分量)

θ_is：关于θ_r(天顶角分量)的规则反射入射角

φ_is：关于φ_r(方位角分量)的规则反射入射角

f：反射特性

Ω：以(θ_is，φ_is)为中心的点对称区域。

3.根据权利要求2的轮廓测定仪，其中使用这样的光源分布，其中将光源分布L_i(p，θ，φ)近似处理，以便不取决于位置p和所述p上的法向矢量，并且关于位置p和所述p上的所述法向矢量恒定。

4.根据权利要求3的轮廓测定仪，其中考虑中心为所述测量对象且两极都在包括所述测量对象的平面中的球形，

所述光源分布关于所述球形的经度线性地变化。

5.根据权利要求3的轮廓测定仪，其中考虑中心为所述测量对象且两极都在包括所述测量对象的平面中的球形，

所述光源分布关于所述球形的纬度线性地变化。

6.根据权利要求3的轮廓测定仪，其中所述发光区域具有平面形状，并且所述光源分布在所述平面上线性地变化。

7.根据权利要求1至6的轮廓测定仪，其中照明的所述光源分布包括相互叠置的多个光源分布，所述多个光源分布的每个光源分布是根据权利要求1至6任一项的光源分布且相互不同。

8.一种测量设备，用于测量布置在预定测量点的测量对象的表面，所述测量设备包括：

照明装置，用于用具有第一光源分布的光和具有第二光源分布的光照射所述测量对象的表面；

成像部，用于对通过所述照明装置用所述光照射的所述测量对象的表面成像；以及

测量处理部，用于利用通过所述成像部成像的图像，获得关于所述测量对象的表面上所述测量点处的光反射角度的信息，其中

所述照明装置具有多个第一特定区域，每个第一特定区域在通过所述测量点的第一平面的截面中包括多个发光元件，

当投射到以所述测量点为中心并具有单位半径的圆周时，所述多个第一特定区域在所述第一平面上的弧长度彼此相等，

当将所述第一特定区域上投射到所述弧的中心的点定义为所述第一特定区域的发光中心时，所述多个第一特定区域的发光中心的位置相互不同，以及

在所述第一平面上，当从所述测量点观察，从位于角度θ的发光元件朝向所述测量点的方向上的所述第一光源分布和所述第二光源分布中的光亮度表示为L₁₁(θ)和L₁₂(θ)时，

将所述第一光源分布和所述第二光源分布设置为使得：

(a)当所述第一特定区域具有±σ的扩展，该扩展关于作为所述第一平面上的中心的所述发光中心具有角度θ_C时，在任何一个所述第一特定区域中所述光亮度L₁₁(θ)和L₁₂(θ)都不为零，并且对于满足0＜a≤σ的任意a，以下方程式实质上成立：

L₁₁(θ_C-a)+L₁₁(θ_C+a)＝2×L₁₁(θ_C)

L₁₂(θ_C-a)+L₁₂(θ_C+a)＝2×L₁₂(θ_C)，以及

(b)所述发光中心的光亮度之比L₁₁(θ_C)/L₁₂(θ_C)在每个所述第一特定区域中变化。

9.根据权利要求8的测量设备，其中从每个发光元件发出的光的光亮度关于通过所述发光元件和所述第一平面上的所述测量点的直线线对称分布。

10.根据权利要求8的测量设备，其中

所述照明装置能进一步用具有第三光源分布的光照射所述测量对象的表面，

所述照明装置具有多个第二特定区域，每个第二特定区域在通过所述测量点的第二平面的截面中包括多个发光元件，所述第二平面不同于所述第一平面，

当投射到以所述测量点为中心并具有单位半径的圆周时，所述多个第二特定区域在所述第二平面上的弧的长度相等，

当将所述第二特定区域上投射到所述弧的中心的点定义为所述第二特定区域的发光中心时，所述多个第二特定区域的发光中心的位置相互不同，以及

在所述第二平面上，当从所述测量点观察，将从位于角度φ的发光元件朝向所述测量点的方向上的所述第一光源分布和所述第三光源分布中的光亮度表示为L₂₁(φ)和L₂₃(φ)时，

将所述第一光源分布和所述第三光源分布设置为使得：

(a)当所述第二特定区域具有±σ的扩展，该扩展关于作为所述第二平面上的中心的所述发光中心具有角度φ_C时，在任何一个所述第二特定区域中所述光亮度L₂₁(φ)和L₂₃(φ)都不为零，并且对于满足0＜a≤σ的任意a，以下方程式实质上成立：

L₂₁(φ_C-a)+L₂₁(φ_C+a)＝2×L₂₁(φ_C)

L₂₃(φ_C-a)+L₂₃(φ_C+a)＝2×L₂₃(φ_C)，以及

(b)所述发光中心的光亮度之比L₂₁(φ_C)/L₂₃(φ_C)在每个所述第二特定区域中变化。

11.根据权利要求8的测量设备，其中

所述照明装置用具有所述第一光源分布的光和具有所述第二光源分布的光同时照射所述测量对象的表面，具有所述第一光源分布的光与具有所述第二光源分布的光在波长上不同，以及

所述成像部将接收的反射光分为具有多个波长的多个光的成分，并检测具有所述第一光源分布的光和具有所述第二光源分布的光的反射光的多个成分的每个成分的强度。

12.根据权利要求10的测量设备，其中

所述照明装置用具有所述第一光源分布的光、具有所述第二光源分布的光以及具有所述第三光源分布的光同时照射所述测量对象的表面，具有所述第一光源分布的光、具有所述第二光源分布的光以及具有所述第三光源分布的光在波长上相互不同，以及

所述成像部将接收的反射光分为具有多个波长的多个光的成分，并检测具有所述第一光源分布的光、具有所述第二光源分布的光以及具有所述第三光源分布的光的反射光的多个成分的每个成分的强度。

13.根据权利要求8的测量设备，其中

所述测量处理部从通过所述成像部获得的图像获得特征值，所述特征值表示具有所述第一光源分布的光的反射光的强度与具有所述第二光源分布的光的反射光的强度之比，并且所述测量处理部基于所述特征值获得关于所述测量对象的表面的所述第一平面上的所述光反射角度的信息。

14.根据权利要求10的测量设备，其中所述测量处理部从通过所述成像部获得的图像获得特征值，所述特征值表示具有所述第一光源分布的光的反射光的强度与具有所述第三光源分布的光的反射光的强度之比，并且所述测量处理部基于所述特征值获得关于所述测量对象的表面的所述第二平面上的所述光反射角度的信息。

15.一种测量设备，用于测量布置在预定测量点的测量对象的表面，所述测量设备包括：

照明装置，用于用具有第一光源分布的光和具有第二光源分布的光照射所述测量对象的表面；

成像部，用于对通过所述照明装置用所述光照射的所述测量对象的表面成像；以及

测量处理部，用于利用通过所述成像部成像的图像，获得关于所述测量对象的表面上所述测量点处的光反射角度的信息，其中

所述照明装置具有发光区域，所述发光区域具有预定延伸，以及

在通过所述测量点的第一平面上，当从所述测量点观察，将从所述发光区域上具有角度θ的点朝向所述测量点的方向上的所述第一光源分布和所述第二光源分布中的光亮度表示为L₁₁(θ)和L₁₂(θ)时，

关于所述发光区域上的多个点i将所述第一光源分布和所述第二光源分布设置为使得：

(1)光亮度L₁₁(θ)和L₁₂(θ)的至少其中之一根据角度θ以连续或步进的方式增加或减少，

(2)在以点i为中心并具有角度θ_i的预定范围±σ的局部区域中，所述光亮度L₁₁(θ)和L₁₂(θ)都不为零，并且对于满足0＜a≤σ的任意a，以下方程式实质上成立：

L₁₁(θ_i-a)+L₁₁(θ_i+a)＝2×L₁₁(θ_i)

L₁₂(θ_i-a)+L₁₂(θ_i+a)＝2×L₁₂(θ_i)，以及

(3)所述点i处的光亮度之比L₁₁(θ_i)/L₁₂(θ_i)在每个角度θ_i中变化。

16.根据权利要求15的测量设备，其中光亮度L₁₁(θ)和L₁₂(θ)的每一个都是角度θ的线性函数。

17.根据权利要求15的测量设备，其中

所述照明装置能进一步用具有第三光源分布的光照射所述测量对象的表面，

在通过所述测量点的不同于所述第一平面的第二平面上，当从所述测量点观察，将从所述发光区域上具有角度φ的点朝向所述测量点的方向上的所述第一光源分布和所述第三光源分布中的光亮度表示为L₂₁(φ)和L₂₃(φ)时，

关于所述发光区域上的多个点j将所述第一光源分布和所述第三光源分布设置为使得：

(1)光亮度L₂₃(φ)根据角度φ以连续或步进的方式增加或减少，

(2)在以点j为中心并具有角度φ_j的预定范围±σ的局部区域中，所述光亮度L₂₁(φ)和L₂₃(φ)都不为零，并且对于满足0＜a≤σ的任意a，以下方程式实质上成立：

L₂₁(φ_j-a)+L₂₁(φ_j+a)＝2×L₂₁(φ_j)

L₂₃(φ_j-a)+L₂₃(φ_j+a)＝2×L₂₃(φ_j)，以及

(3)所述点j处的光亮度之比L₂₁(φ_j)/L₂₃(φ_j)在每个角度φ_j中变化。

18.根据权利要求17的测量设备，其中光亮度L₂₁(φ)和L₂₃(φ)的每一个都是角度φ的线性函数。

19.根据权利要求15的测量设备，其中

所述照明装置用具有所述第一光源分布的光和具有所述第二光源分布的光同时照射所述测量对象的表面，具有所述第一光源分布的光与具有所述第二光源分布的光在波长上不同，以及

所述成像部将接收的反射光分为具有多个波长的多个光的成分，并检测具有所述第一光源分布的光和具有所述第二光源分布的光的反射光的多个成分的每个成分的强度。

20.根据权利要求17的测量设备，其中所述照明装置用具有所述第一光源分布的光、具有所述第二光源分布的光以及具有所述第三光源分布的光同时照射所述测量对象的表面，具有所述第一光源分布的光、具有所述第二光源分布的光以及具有所述第三光源分布的光在波长上相互不同，以及

所述成像部将接收的反射光分为具有多个波长的多个光的成分，并检测具有所述第一光源分布的光、具有所述第二光源分布的光以及具有所述第三光源分布的光的反射光的多个成分的每个成分的强度。

21.根据权利要求15的测量设备，其中

所述测量处理部从通过所述成像部获得的图像获得特征值，所述特征值表示具有所述第一光源分布的光的反射光的强度与具有所述第二光源分布的光的反射光的强度之比，并且所述测量处理部基于所述特征值获得关于所述测量对象的表面的所述第一平面上的所述光反射角度的信息。

22.根据权利要求17的测量设备，其中

所述测量处理部从通过所述成像部获得的图像获得特征值，所述特征值表示具有所述第一光源分布的光的反射光的强度与具有所述第三光源分布的光的反射光的强度之比，并且所述测量处理部基于所述特征值获得关于所述测量对象的表面的所述第二平面上的所述光反射角度的信息。

23.一种观测设备，用于观测来自布置在预定测量点的测量对象的表面的反射光，所述观测设备包括：

照明装置，用于用具有第一光源分布的光照射所述测量对象的表面；

成像部，用于对通过所述照明装置用所述光照射的所述测量对象的表面成像，其中

所述照明装置具有多个第一特定区域，每个第一特定区域在通过所述测量点的第一平面的截面中包括多个发光元件，

当投射到以所述测量点为中心并具有单位半径的圆周时，所述多个第一特定区域在所述第一平面上的弧长度彼此相等，

当将所述第一特定区域上投射到所述弧的中心的点定义为所述第一特定区域的发光中心时，所述多个第一特定区域的发光中心的位置相互不同，以及

在所述第一平面上，当从所述测量点观察，从位于角度θ的发光元件朝向所述测量点的方向上的所述第一光源分布中的光亮度表示为L₁₁(θ)时，

将所述第一光源分布设置为使得：

(a)当所述第一特定区域具有±σ的扩展，该扩展关于作为所述第一平面上的中心的所述发光中心具有角度θ_C时，在任何一个所述第一特定区域中所述光亮度L₁₁(θ)都不为零，并且对于满足0＜a≤σ的任意a，以下方程式实质上成立：

L₁₁(θ_C-a)+L₁₁(θ_C+a)＝2×L₁₁(θ_C)，以及

(b)所述发光中心的光亮度的值L₁₁(θ_C)在每个所述第一特定区域中变化。

24.根据权利要求23的观测设备，其中

所述照明装置能进一步用具有第二光源分布的光照射所述测量对象的表面，

在所述第一平面上，当从所述测量点观察，将从位于角度θ的发光元件朝向所述测量点的方向上的所述第二光源分布中的光亮度表示为L₁₂(θ)时，

将所述第二光源分布设置为使得：

(a)当所述第一特定区域具有±σ的扩展，该扩展关于作为所述第一平面上的中心的所述发光中心具有角度θ_C时，在任何一个所述第一特定区域中所述光亮度L₁₂(θ)都不为零，并且对于满足0＜a≤σ的任意a，以下方程式实质上成立：

L₁₂(θ_C-a)+L₁₂(θ_C+a)＝2×L₁₂(θ_C)，以及

(b)所述发光中心的光亮度之比L₁₁(θ_C)/L₁₂(θ_C)在每个所述第一特定区域中变化。

25.根据权利要求23的观测设备，其中从每个发光元件发出的光的光亮度关于通过所述发光元件和所述第一平面上的所述测量点的直线线对称分布。

26.根据权利要求24的观测设备，其中所述照明装置能进一步用具有第三光源分布的光照射所述测量对象的表面，

所述照明装置具有多个第二特定区域，每个第二特定区域在通过所述测量点的第二平面的截面中包括多个发光元件，所述第二平面不同于所述第一平面，

当投射到以所述测量点为中心并具有单位半径的圆周时，所述多个第二特定区域在所述第二平面上的弧长度彼此相等，

当将所述第二特定区域上投射到所述弧的中心的点定义为所述第二特定区域的发光中心时，所述多个第二特定区域的发光中心的位置相互不同，以及

在所述第二平面上，当从所述测量点观察，从位于角度φ的发光元件朝向所述测量点的方向上的所述第一光源分布和所述第三光源分布中的光亮度表示为L₂₁(φ)和L₂₃(φ)时，

将所述第一光源分布和所述第三光源分布设置为使得：

(a)当所述第二特定区域具有±σ的扩展，该扩展关于作为所述第二平面上的中心的所述发光中心具有角度φ_C时，在任何一个所述第二特定区域中所述光亮度L₂₁(φ)和L₂₃(φ)都不为零，并且对于满足0＜a≤σ的任意a，以下方程式实质上成立：

L₂₁(φ_C-a)+L₂₁(φ_C+a)＝2×L₂₁(φ_C)

L₂₃(φ_C-a)+L₂₃(φ_C+a)＝2×L₂₃(φ_C)，以及

(b)所述发光中心的光亮度之比L₂₁(φ_C)/L₂₃(φ_C)在每个所述第二特定区域中变化。

27.根据权利要求24的观测设备，其中所述照明装置用具有所述第一光源分布的光和具有所述第二光源分布的光同时照射所述测量对象的表面，具有所述第一光源分布的光与具有所述第二光源分布的光在波长上不同，以及

所述成像部将接收的反射光分为具有多个波长的多个光的成分，并检测具有所述第一光源分布的光和具有所述第二光源分布的光的反射光的多个成分的每个成分的强度。

28.根据权利要求26的观测设备，其中所述照明装置用具有所述第一光源分布的光、具有所述第二光源分布的光以及具有所述第三光源分布的光同时照射所述测量对象的表面，具有所述第一光源分布的光、具有所述第二光源分布的光以及具有所述第三光源分布的光在波长上相互不同，以及

所述成像部将接收的反射光分为具有多个波长的多个光的成分，并检测具有所述第一光源分布的光、具有所述第二光源分布的光以及具有所述第三光源分布的光的反射光的多个成分的每个成分的强度。

29.一种观测设备，用于观测来自布置在预定测量点的测量对象的表面的反射光，所述观测设备包括：

照明装置，用于用具有第一光源分布的光照射所述测量对象的表面；以及

成像部，用于对通过所述照明装置用所述光照射的所述测量对象的表面成像，其中

所述照明装置具有发光区域，所述发光区域具有预定延伸，以及

在通过所述测量点的第一平面上，当从所述测量点观察，从所述发光区域上具有角度θ的点朝向所述测量点的方向上的所述第一光源分布中的光亮度表示为L₁₁(θ)时，

将所述第一光源分布设置为使得：

(1)光亮度L₁₁(θ)根据角度θ以连续或步进的方式变化，以及

(2)当从所述第一平面上的所述测量点观察时，在以位于预定角度θ_C的点为中心的预定范围±σ的局部区域中，光亮度L₁₁(θ)不为零，并且对于满足0＜a≤σ的任意a，以下方程式实质上成立：

L₁₁(θ_C-a)+L₁₁(θ_C+a)＝2×L₁₁(θ_C)。

30.根据权利要求29的观测设备，其中所述照明装置能进一步用具有第二光源分布的光照射所述测量对象的表面，所述第二光源分布不同于所述第一光源分布，以及

在所述第一平面上，当从所述测量点观察，从所述发光区域上具有角度θ的点朝向所述测量点的方向上的所述第二光源分布中的光亮度表示为L₁₂(θ)时，

将所述第二光源分布设置为使得在所述局部区域中所述光亮度L₁₂(θ)不为零，并且对于满足0＜a≤σ的任意a，以下方程式实质上成立：

L₁₂(θ_C-a)+L₁₂(θ_C+a)＝2×L₁₂(θ_C)。

31.根据权利要求30的观测设备，其中

所述照明装置用具有所述第一光源分布的光和具有所述第二光源分布的光同时照射所述测量对象的表面，具有所述第一光源分布的光与具有所述第二光源分布的光在波长上不同，以及

所述成像部将接收的反射光分为具有多个波长的多个光的成分，并检测具有所述第一光源分布的光和具有所述第二光源分布的光的反射光的多个成分的每个成分的强度。

32.一种用于观测来自布置在预定测量点的测量对象的表面的反射光的方法，所述方法包括步骤：

用来自照明装置的具有第一光源分布的光照射所述测量对象的表面；以及

通过成像部对用所述光照射的所述测量对象的表面成像，其中

所述照明装置具有发光区域，所述发光区域具有预定延伸，以及

在通过所述测量点的第一平面上，当从所述测量点观察，从所述发光区域上具有角度θ的点朝向所述测量点的方向上的所述第一光源分布中的光亮度表示为L₁₁(θ)时，

将所述第一光源分布设置为使得：

(1)光亮度L₁₁(θ)根据角度θ以连续或步进的方式变化，以及

(2)当从所述第一平面上的所述测量点观察时，在以位于预定角度θ_C的点为中心的预定范围±σ的局部区域中，光亮度L₁₁(θ)不为零，并且对于满足0＜a≤σ的任意a，以下方程式实质上成立：

L₁₁(θ_C-a)+L₁₁(θ_C+a)＝2×L₁₁(θ_C)。

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