CN101451825A

CN101451825A - 图像测量装置的校正方法

Info

Publication number: CN101451825A
Application number: CNA2008101788524A
Authority: CN
Inventors: 新井雅典
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2007-12-04
Filing date: 2008-12-04
Publication date: 2009-06-10
Also published as: US20090141131A1; JP2009139139A; EP2068113A1

Abstract

本发明涉及一种图像测量装置的校正方法，该图像测量装置具备：具有物镜(31)的CCD摄像机(3)、变更拍摄方向的姿势变更装置(45)、使CCD摄像机(3)和工件相对移动且具有物镜(31)自动对焦功能的移动机构(4)、CCD摄像机(3)的位置检测机构(5)。校正方法具备：准备基准器(10)的准备工序(S1)，该基准器具有形成为物镜(31)的焦深(DF)以下的半径尺寸的球部(13)且以该球部表面作为基准面(14)；变更拍摄方向的姿势变更工序(S2)；利用移动机构(4)的对焦功能、使物镜(31)的焦点与基准面(14)对准的焦点调节工序(S3)；由位置检测装置(5)检测摄像装置(3)的位置信息的位置检测工序(S4)，校正CCD摄像机(3)的位置。

Description

图像测量装置的校正方法

技术领域

本发明涉及图像测量装置的校正方法，具体而言，涉及根据图像信号及位置信息以非接触式测定工件的表面性质的图像测量装置的校正方法。

背景技术

目前，使用的是根据拍摄被测物所得的图像数据测量被测物的形状、尺寸的图像测量仪。

图6表示现有的图像测量仪的整体正面图。

该图像测量仪具备作为底座的台架1、前后移动自如地支承在台架1上以载置工件的工作台2、作为拍摄工件的摄像装置的CCD摄像机3、使CCD摄像机3和工件相对移动的移动机构4。

在图6中，将工作台2的宽度方向(图中左右方向)设为X轴、将工作台2的移动方向设为Y轴、将与工作台2的表面正交的方向设为Z轴，进行下面的说明。

移动机构4具备立设在台架1两端边的梁支承体41、被支承在梁支承体41上端的X梁42、设置在X梁42上可以滑动的X向滑块43、设置在X向滑块43上可以滑动的Z向滑块44。CCD摄像机3以自Z向滑块44垂下的状态安装在Z向滑块44的前端。

在这样的结构中，将工件载置于工作台2上，对应工件的被测定部分移动CCD摄像机3，利用CCD摄像机3拍摄工件。由此取得工件的图像数据。该图像数据由未图示的主机进行图像解析，从而测量工件的形状、尺寸等。

可是，在上面的图像测量仪中，在根据测定目的或工件的形状更换安装在CCD摄像机3上的物镜时，伴随该更换，物镜的安装位置会稍微变化，因此要进行CCD摄像机3的位置校正(坐标校正)(例如，文献1：日本特开2001-165630号公报)。

如图6所示，在文献1记载的校正方法中，使用校正装置101。校正装置101具备具有中心轴D的圆柱部110，圆柱部110具有上端面113及基准侧面120。

在校正时，首先，将校正装置101固定在工作台2上，利用CCD摄像机3拍摄上端面113，求出其Z轴坐标。该步骤使用CCD摄像机3的自动对焦机构进行。

其次，求出基准侧面120的轮廓并求出中心轴D的X-Y坐标。

根据这些坐标值和上次校正时的测量结果的差值，算出因CCD摄像机3的更换产生的安装误差，从而可以校正CCD摄像机3的位置。

在现有图像测量仪中，CCD摄像机3的拍摄方向被固定为Z轴方向，但是，近年来，为了扩大图像测量仪的使用范围，有如下的要求：例如将CCD摄像机3相对于Z轴方向可以倾斜地安装在Z向滑块43上，且可以变更CCD摄像机3的姿势而使用。

但是，不仅是在更换CCD摄像机3的情况下，而且在变更CCD摄像机3的拍摄方向的情况下，每次都需要进行变更后拍摄方向上的位置校正，在文献1记载的方法中，存在无法校正这样的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种即使在变更摄像装置的拍摄方向的情况下，也能够校正摄像装置的位置的图像测量装置的校正方法。

本发明的图像测量装置的校正方法，在变更了拍摄方向时，对位置信息进行校正，所述图像测量装置具备：摄像装置，其具有物镜及经由该物镜拍摄工件并作为图像信号输出的检测元件，且该物镜具有规定焦深；变更该摄像装置的拍摄方向的姿势变更装置；使所述工件和所述摄像装置相对移动的移动装置；使所述物镜的焦点与所述工件对准的焦点调节装置；将所述摄像装置的测量位置作为位置信息输出的位置检测装置，其特征在于，该图像测量装置的校正方法具备：准备基准器的准备工序，该基准器具有形成为所述物镜的焦深以下的半径尺寸的球部且以该球部的表面作为基准面；姿势变更工序，其变更所述摄像装置的拍摄方向；焦点调节工序，其利用所述移动装置使所述摄像装置相对于所述基准器相对移动，并利用所述焦点调节装置使所述物镜的焦点对准所述基准面；位置检测工序，其利用所述位置检测装置检测所述摄像装置的位置信息。

在此，所谓物镜是指最接近于工件配置的透镜。

另外，作为姿势变更装置，只要具备至少能够在两个方向上变更摄像装置的拍摄方向的结构即可。另外，作为移动装置，只要具备摄像装置及工件以至少沿两个方向的拍摄方向相互接近的方式能够相对移动的结构即可。

另外，作为焦点调节装置，例示了通过在摄像装置或者移动装置上具备自动对焦机构而构成的装置。即，也可以为如下的结构：利用移动装置使摄像装置相对于工件相对移动，由此对准焦点。或者，作为焦点调节装置，也可以为如下的结构：将摄像装置定位在一定位置后，利用移动装置使摄像装置的物镜相对于工件相对移动，由此对准焦点。

在该结构中，球部的半径尺寸被设定为物镜的焦深以下，因此基准面上与物镜最接近的位置和形成经摄像装置拍摄到的基准面的轮廓的部分，两者都进入物镜的焦深范围内，从而在焦点调节工序能够使物镜的焦点可靠地对准基准面。再者，在位置检测工序，能够检测摄像装置的位置信息。而且，根据被检测的位置信息和通过变更前的校正得到的位置信息的差值，算出因拍摄方向的变更产生的位置信息的误差，从而能够校正摄像装置的位置。

因此，在姿势变更工序将摄像装置的拍摄方向变更为任意方向时，能够校正变更后的拍摄方向上的摄像装置的位置信息。

另外，在更换摄像装置的情况下，利用和上述相同的方法算出更换后的摄像装置的位置信息，根据其和更换前的校正得到的位置信息的差值，算出因更换而产生的安装误差，从而也能够校正摄像装置的位置。

在本发明中，优选所述移动装置使所述工件和所述摄像装置可在三维方向上相对移动。

在此，例如，移动装置也可以为使摄像装置能够在互相正交的三轴方向上移动的结构。或者，移动装置也可以为使摄像装置能够在平面方向上移动的结构；也可以为载置工件的工作台等在与该平面正交的方向上能够移动的结构。

在该结构中，由于摄像装置利用移动装置相对于工件在三维方向上相对移动，因此与摄像装置只能在一维方向(直线方向)或二维方向(平面方向)上相对移动的情况下相比，摄像装置对于工件的可拍摄范围扩大，从而可以扩大测量范围。

在本发明中，所述姿势变更装置优选将所述摄像装置的拍摄方向转动自如地支承于规定的轴中心。

在该结构中，利用姿势变更装置能够使拍摄方向在规定的轴中心转动，因此省去了将摄像装置从姿势变更装置卸下、再以变更姿势后的状态安装的麻烦，从而能够容易地变更拍摄方向。

另外，能够在规定的围绕轴的任意方向上变更拍摄方向，因此可以自任意方向对工件的被测定部分进行测定。另外，易于应用在通过远程操作自动进行拍摄方向的姿势变更的情况下。

附图说明

图1是本发明实施方式的图像测量装置的整体正面图；

图2是表示所述图像测量装置的摄像装置及基准器的位置关系的示意图；

图3是表示由所述摄像装置拍摄的基准器的图像的图；

图4是说明所述基准器的对准焦点的示意图；

图5是表示所述实施方式的变形例的基准器的示意图；

图6是现有图像测量装置的整体正面图。

具体实施方式

下面，根据附图说明本发明的实施方式。

作为本实施方式的图像测量仪的基本结构，与背景技术(图6)中说明的结构相同，但是在CCD摄像机3的安装部分的结构上具有特点。

图1是作为本实施方式的图像测量装置的图像测量仪的整体正面图。

图像测量仪具备作为底座的台架1、前后移动自如地支承在台架1上以载置工件的工作台2、作为拍摄工件的摄像装置的CCD摄像机3(非接触式探测头)、作为使CCD摄像机3和工件相对移动的移动装置的移动机构4、作为位置检测机构的位置检测装置5，其将CCD摄像机3的测定位置作为位置信息而进行检测。

关于移动CCD摄像机3的移动机构4的结构，与背景技术中说明的结构相同，因此对同一部件标记相同的符号并省略详细的说明。

在移动机构4的Z向滑块44上安装有使CCD摄像机3的拍摄方向至少能够在两个方向上变更的作为姿势变更装置的姿势变更设备(探测头)45，且在该姿势变更装置45上安装有CCD摄像机3。

姿势变更装置45具有以与Z轴方向平行的轴A为中心旋转自如地被支承于Z向滑块44的第1旋转部46和以与轴A正交的轴B为中心旋转自如地被支承于第1旋转部46的第2旋转部47。在拍摄方向为与轴A成规定角度α的轴C平行的状态下，CCD摄像机3安装在第2旋转部47的前端，CCD摄像机3相对于Z向滑块44摆动自如。

CCD摄像机3内置有具有规定的焦距F及焦深DF的物镜31(图2)、和经由物镜31拍摄工件并作为图像信号输出的未图示的检测元件。

另外，图像测量仪具备使工作台2移动、且使X向滑块43及Z向滑块44滑动、从而使物镜31的焦点对准工件的焦点调节装置即、自动对焦功能。

如图1所示，本实施方式的基准器(基准球)10具备将基准器10载置且装卸自如地固定在工作台2上的固定部11、立设在固定部11上的轴部12、设置在轴部12的前端的微小球部13。

图2表示物镜31的焦点与球部13对准的状态下的CCD摄像机3及基准器10的位置关系。

如图2所示，球部13具有物镜31的焦深DF以下的半径尺寸，该球部13的表面被用作CCD摄像机3的位置校正用的基准面14。

球部13的半径尺寸依据其和物镜31的倍率的关系来设定。即，物镜31倍率越高，物镜31特有的焦深DF越小，因此例如在10倍率的物镜31的焦深DF为8μm的情况下，球部13的半径尺寸被设定在8μm以下。

轴部12的直径尺寸被设定为至少在其与球部13的连接部分比球部13的直径尺寸小。

(实施方式的作用、效果)

在变更了CCD摄像机3的拍摄方向时，为了校正CCD摄像机3的位置信息，首先，用安装螺栓等将基准器10固定在工作台2上(准备工序S1)。其次，由姿势变更装置45将CCD摄像机3的拍摄方向变更为规定方向(姿势变更工序S2)。然后，使工作台2及移动装置4相对移动，使CCD摄像机3接近球部13。此时，首先，使工作台2及移动机构4相对移动，以使球部13位于CCD摄像机3的拍摄方向上，其后，使CCD摄像机3沿拍摄方向接近球部13。然后，通过利用工作台2及移动机构4而实现的自动对焦功能，使物镜31的焦点对准基准面14(焦点调节工序S3)。

图3表示在物镜31的焦点对准基准面14的状态下，CCD摄像机3拍摄的球部13的图像20。

如图2所示，在该状态下，基准面14上与物镜31最接近的位置P和经CCD摄像机3看到的形成基准面14的轮廓的部分R双方都位于物镜31的焦深DF的范围内。然后，由位置检测装置5检测CCD摄像机3的位置信息(位置检测工序S4)。即，位置检测装置5分别检测工作台2、X向滑块43及Z向滑块44的移动方向上的位置坐标，并根据各位置坐标算出CCD摄像机3的位置信息。

根据该位置信息和通过变更前的校正得到的位置信息的差值，算出因拍摄方向的变更产生的位置信息的误差，能够对CCD摄像机3的位置进行校正。

图4表示自动对焦时的CCD摄像机3及球部13的位置关系。图中的“内(IN)”表示焦点对准的状态，“外(OUT)”表示焦点没有对准的状态。

在图4(A)所示的位置关系中，球部13的位置P及部分R两者都没有进入焦深DF的范围，因此CCD摄像机3的焦点没有对准。从该状态使两者接近，就变为如图4(B)所示的位置关系，球部13的位置P进入焦深DF的范围，但部分R没有进入。进一步使两者接近，就成为如图4(C)所示的位置关系，球部13的位置P及部分R两者都进入到焦深DF的范围，从而使CCD摄像机3的焦点对准。

在这样的本实施方式中，基准器10的半径被设定为物镜31的焦深DF以下，因此所述的位置P及部分R两者能够同时进入物镜31的焦深DF的范围内，从而能够使物镜31的焦点可靠地对准基准面14。

因此，无论CCD摄像机3的拍摄方向变更为哪个方向，都可以通过所述方法校正CCD摄像机3的位置。

另外，在使作为非接触式探测头的CCD摄像机3旋转的情况下，对于其旋转机构即姿势变更装置45的精度，通过在旋转的前后测量同一个工件且校正旋转后的前端位置，比在该旋转机构上设置编码器来推定探测头的前端位置，能够更可靠地实施校正。由此，现有的接触式探测头利用被称为主球(マスタ—ボ—ル)的球度高的球体来校正探测头的前端位置。这是因为通过使探测头旋转，不管从哪个方向测量，球体的数值都相同。

但是，在采用像CCD摄像机3这样的图像探测头的情况下，根据检测工件的边缘的测定原理，对于表面高度以球体的样子平稳变化的物体难以对焦，且无法判别球体的边缘。因此，图像探测头就不能使用像接触式探测头那样的现有的主球。在本实施方式中，通过利用具备持有比图像探测头的焦深小的半径的球部13的基准器10，可以进行对焦，通过测量球部13就可以校正CCD摄像机3的位置。

另外，在为了修理等而更换CCD摄像机3的情况下，或根据测定条件更换物镜31的情况下，利用相同的方法算出更换后的CCD摄像机3的位置信息，并根据其与通过更换前的校正得到的位置信息的差值，算出因更换而产生的安装误差，从而校正CCD摄像机3的位置。

(变形例)

本发明不仅限定于所述实施方式，在能够实现本发明目的的范围内的变形、改良等都包含在本发明内。

例如，所述实施方式的基准器10，只要球部13的半径设定在焦深DF以下就可以，如图5所示，即使焦深DF和球部13A的半径相同，原理上也能够对准焦点，能够校正CCD摄像机3的位置。

另外，在所述实施方式的校正方法中，例如在可以自动测量的三维测量仪等中，也可以使用校正用零件程序(パ—トプログラム)。即，以CCD摄像机3的物镜31的光轴(轴C)与基准器10的球部13的中心交叉的方式定位CCD摄像机3。然后，实施校正零件程序时，则自动地依次实行所述的各校正工序，完成自动校正。

另外，公示了用CCD摄像机3拍摄工件时，使载置工件的工作台2移动，且使CCD摄像机3在二维空间移动的例子，但只要是至少能使工件和CCD摄像机3相对移动的结构就可以，例如，也可以在将工作台2固定的状态下，设置CCD摄像机3使其在三维空间移动自如。

(实施例)

作为本发明的基准器10的实施例，以下表示与物镜31的倍率对应的球部13的半径尺寸的设定例。

物镜的倍率焦深(μm) 球部的半径尺寸(μm)

1倍 612 100～300

3倍 112 30～50

5倍 46 10～20

10倍 16 8以下

Claims

1、一种图像测量装置的校正方法，其在变更了拍摄方向时，对位置信息进行校正，所述图像测量装置具备：

摄像装置，其具有物镜及经由该物镜拍摄工件并作为图像信号输出的检测元件，且该物镜具有规定焦深；

变更该摄像装置的拍摄方向的姿势变更装置；

使所述工件和所述摄像装置相对移动的移动装置；

使所述物镜的焦点与所述工件对准的焦点调节装置；

将所述摄像装置的测量位置作为位置信息输出的位置检测装置，

其特征在于，该图像测量装置的校正方法具备：

准备基准器的准备工序，该基准器具有形成为所述物镜的焦深以下的半径尺寸的球部且以该球部的表面作为基准面；

姿势变更工序，其变更所述摄像装置的拍摄方向；

焦点调节工序，其利用所述移动装置使所述摄像装置相对于所述基准器相对移动，并利用所述焦点调节装置使所述物镜的焦点对准所述基准面；

位置检测工序，其利用所述位置检测装置检测所述摄像装置的位置信息。

2、如权利要求1所述的图像测量装置的校正方法，其特征在于，所述移动装置使所述工件和所述摄像装置在三维方向上相对移动。

3、如权利要求1或2所述的图像测量装置的校正方法，其特征在于，所述姿势变更装置将所述摄像装置的拍摄方向转动自如地支承于规定的轴中心。