CN101982966A - 影像测量仪光轴与物面垂直度的调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种影像测量仪光轴与物面垂直度的调节方法，包括以下步骤：调节物面至初始位置；将图像划分区域；从缓存区读出各区域图像；选择清晰度评价函数并计算步骤B中各个区域的清晰度函数值；微调物面，记录Z向坐标及清晰度函数值；计算垂直度偏差并调节光轴与物面的垂直度。有益效果是：依据区域间的位置关系和各区域最佳清晰位置的高度差计算光轴与物面的微小倾角，并利用微调装置对系统光轴与物面的垂直度进行调节，使各个区域图像的清晰度函数值在同一位置达到最大值，实现影像测量系统物面与系统光轴垂直度的高精度调节。本发明无需其它辅助仪器，操作便捷，可有效提升光轴与物面的垂直度调整精度，具有广泛的应用前景。

Description

影像测量仪光轴与物面垂直度的调节方法

技术领域

本发明涉及视觉检测领域，特别是涉及一种基于图像区域清晰度的影像测量仪光轴与物面垂直度的调节方法。

背景技术

在基于CCD成像原理的影像测量系统中，系统光轴与被测物面的不垂直将会引起测量误差，尤其是在高精度的影像测量系统中，微小的偏角所引起的误差都是不可接受的。因此，实现系统光轴与被测物面的高精度调节是保证实现高精度测量的关键环节。

目前的检测方法有多种，如①利用直角尺测量镜筒与工作台的垂直程度。但由于镜筒轴线与光轴的不重合性，精度较低；②直接拍摄已知标准图案，如拍摄标准圆，比对不同方位的直径误差。但由于图案变形为二次误差，评价精度亦不高；③采用准直方法，从镜头出射光线，遇工作台反射面返回。当光轴与物面法线重合时，反射光与出射光重合，否则会有偏移。但此方法要求镜筒能够产生出射光，并且能精确测量反射光的偏移量，但受条件限制，往往难以实施。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术中的缺点，提供一种根据不同区域的图像清晰度的变化规律，进而调整物面与系统光轴垂直度精度的调整方法。

本发明所采用的技术方案是：一种影像测量仪光轴与物面垂直度的调节方法，包括以下步骤：

A.调节物面至初始位置；

B.将图像划分区域；其区域划分是沿图像坐标系X方向和Y方向对称的区域，所述图像区域选取处于图像边缘的区域。

C.从缓存区读出各区域图像；

D.选择清晰度评价函数；最好选用梯度类函数中的平方梯度函数。

E.计算步骤B中各个区域的清晰度函数值；

F.微调物面，记录Z向坐标及清晰度函数值；所述微调精度与清晰度评价函数分辨能力具有相匹配的调节精度。

G.计算垂直度偏差并调节光轴与物面的垂直度；垂直度偏差为：

D2D1＝(2048-500)·ST            (1)

$\mathrm{\α}=\arcsin \frac{\stackrel{\‾}{B1C1}}{\stackrel{\‾}{D2D1}}---\left(2\right)$

其中2048为相机横向和纵向分辨率，500为所选取的图像区域像素宽度，ST代表像素当量，B1C1为对称区域到达清晰状态的高度差，α为光轴与物面的微小倾角；

以较大的Z向调节量对偏差值进行计算，再以微小调节量实现高精度调节，通过多次调节至各区域图像在相同位置达到最佳清晰位置时，实现光轴与物面垂直度的调节。

本发明的有益效果是：依据区域间的位置关系和各区域最佳清晰位置的高度差计算光轴与物面的微小倾角，并利用微调装置对系统光轴与物面的垂直度进行调节，使各个区域图像的清晰度函数值在同一位置达到最大值，实现影像测量系统物面与系统光轴垂直度的高精度调节。本发明无需其它辅助仪器，操作便捷，可有效提升光轴与物面的垂直度调整精度，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是垂直度调节方法示意图；

图2是垂直度调节流程图；

图3是图像区域分割示意图。

具体实施方式

当被测物面动态的经过清晰成像的景深区域，如系统光轴与物面不是严格垂直，而存在一定的角度偏差时，视场中各部分区域达到理想对焦物面的时刻会有先后次序，也就是说，同一视场的不同区域会在不同的位置达到最为清晰的成像状态。如，系统光轴与物面处于理想的垂直状态时，视场中各部分区域达到最佳清晰成像的位置是一致的。

图1是垂直度调节方法示意图。如图1所示，A1和A1′为成实像条件下的物像共轭面，相机的CCD感光面在M面，A1A2上的点成像在M面上；B2点成像在前焦面上，其在M面上的像是一个弥散圆；同理，C1点成像在后焦面上，其在M面上的像也是一个弥散圆。因而不在A1A2上的物的像是各点在M面上的弥散圆的卷积，像的清晰度会降低。物面距离焦平面的距离越远，在共轭面M上的清晰度越差。如，初始物面和系统光轴不垂直时，即存在一定的角度偏差，物面的初始位置如D2D1所示，当物面向A1A2的位置靠近时，物面上各个区域所成的像都逐渐成更为清晰的像，直至物面运动至B1B2的位置上，由于B1在A1A2上，因此B1区域将会在像面成最清晰的像，而此时B2与完全对焦面A1A2仍然存在一定的距离偏差，因此B2区域在像面上成的像将会形成一个弥散斑，即没有达到最清晰的像。再继续将物面沿该方向移动，物面将会达到C1C2的位置，此时，C2与完全对焦面A1A2重合，刚才没有达到最佳清晰成像的区域在C2位置将会在像面成最为清晰的像，而刚才在像面达到最佳成像的区域在位置C1时已经远离完全对焦面，不会再成最清晰的像。由此可以看出，当物面法线与系统光轴存在一定的偏差时，物面上的各点呈最清晰像的位置在Z向上是不同的。而当物面与系统光轴处于理想的垂直状态时，物面上各点能够在相同的Z向位置上达到最佳的成像清晰度，因此，反过来说，只有当物面上各点在相同的Z向位置达到最清晰状态，说明此时的物面与系统光轴的垂直度是最为理想的。

图2是垂直度调节流程图。如图2所示，现根据前面所述的原理对本发明系统光轴与物面的垂直度进行调节。

A.首先调节物面的位置，先将其调节至远离完全对焦面的一侧，并对靶标图案或平面度、边缘轮廓较好的被测物成像。

B.对系统采集的标准图像进行区域划分，选择合适图像区域；在划分图像区域时，分别选择沿图像坐标系X方向和Y方向对称的区域，有利于系统光轴与物面垂直度偏差的计算，便于确定物面垂直度的方向；图像区域最好选择处于边缘的区域，该部分的区域清晰度对垂直度的偏差更加敏感。被测对象往往对平面尺寸精度没有要求，但在选择的区域中最好具有较为丰富的边缘信息，有利于清晰度函数的评价，如本发明中采用光刻模板。

C.从缓冲区读出各区域图像；

D.选择清晰度评价函数，可以选择梯度类函数；

E.分别对各个区域的图像计算出清晰度函数值；

F.微调物面，记录Z向坐标及清晰度函数值；利用微调装置将物面向理想对焦面的方向移动，同时，记录各位置下图像中各区域图像的清晰度函数值，根据清晰度函数值的大小，拟合出各区域达到最佳清晰状态的位置，最终依据区域间的位置关系和各区域最佳清晰位置的高度差，计算出光轴与物面的微小倾角，并通过微调装置对系统光轴与物面的垂直度进行调节，直至各个区域图像的清晰度函数值在同一位置达到最大值；在测量中，通常先以较大的Z向调节量对偏差值进行计算，再以微小调节量实现高精度调节，从而提高测量效率，另外，光轴本身方向是可调整的。Z向微调机构，应当具有和清晰度评价函数分辨能力相匹配的调节精度。

G.通过多次重复调节，直至各区域图像在相同位置达到最佳清晰位置，完成测量的调节任务。

图3是图像区域分割示意图，即划分好区域的被测物——光刻模板。

实施例1，现以光刻模板图案为测量对象，即光刻模块上均匀分布的一系列园，对本发明的成像系统光轴与物面垂直度的调节方法进行详细说明。

A.调节光刻模板图案位置，先将其调节至远离完全对焦面的一侧，并对靶标图案成像；

B.对系统采集的标准图像(2048×2048)进行对称的四个图像区域划分，即分别在图像的上下左右各选一块对称的矩形区域，区域大小为500×700像素。

C.从图像缓存区中读出所选择的四个区域的图像灰度值；

D.平方梯度函数作为清晰度评价函数，对四个区域分别计算出清晰度函数值。

E.高精度微调节机构对拍摄系统进行Z向位置调节，微调机构的调节精度为10μm。调节微调装置将被测物从物面下方，以微小位移调节至物面上方，同时记录各位置下标准图像中各区域图像的清晰度函数值；

更为具体的是粗调物面至接近清晰的位置，然后继续调节微调旋钮，以10μm为步进单位，记录下各个位置的图像中四个不同区域(按前面所述进行区域分割)的清晰度数值，直至图像各个区域完全处于模糊状态。测量得到的数据见表1.

表1  初始测量部分数据

位置	9	10	11	16	17	18
							区域1	7574	7777	7566	8653	8740	8784
区域2	6487	6719	6512	8159	8397	8604
							区域3	5839	5878	5798	5620	5524	5435

区域4

6852

6998

6874

7529

7549

7546

位置	19	20	21	25	26	27
							区域1	8798	8791	8751	8355	8217	8050
区域2	8787	8978	9139	9515	9532	9511
							区域3	5327	5223	5098	4607	4485	4357
区域4	7522	7476	7406	6980	6846	6084

从表中的数据可以看出：最先达到清晰状态的区域是区域3，在位置10时达到峰值5878，而与之对应的区域2则是在位置26时达到峰值9532，该结果说明横向达到峰值偏差为(26-10)×10μm。

F.拟合出各区域的最佳清晰位置，最终，依据区域间的位置关系和各区域最佳清晰位置的高度差，根据公式1与2计算出光轴与物面的微小倾角。根据此倾角调节微调装置。

D2D1＝(2048-500)·ST                (1)

$\mathrm{\α}=\arcsin \frac{\stackrel{\‾}{B1C1}}{\stackrel{\‾}{D2D1}}---\left(2\right)$

其中2048为相机横向和纵向分辨率，500为所取选取的图像区域像素宽度，ST代表像素当量，B1C1为对称区域到达清晰状态的高度差，α为光轴与物面的微小倾角。

将表1结果带入公式式1与2中可以计算出横向偏角的角度偏差为1.88°，同理区域1和区域4分别在位置20和位置17达到峰值8791和7549，该结果说明，纵向达到峰值偏差为(20-17)×10μm，同理可以计算出纵向偏角的角度偏差为0.35°。

G.根据该结果对系统的横向和纵向分别进行垂直度调节，调节完成后再次进行测量，直到4个区域的清晰度函数值同时达到峰值，测量数据见表2，表明此时系统光轴与物面调节至垂直状态，调节过程完毕。

表2  最终测量部分数据

位置	0	1	2	3	4	5
							区域1	6617	6680	6714	6733	6730	6707
区域2	7872	7944	7997	8020	8008	7982
							区域3	5153	5183	5207	5215	5211	5191

区域4

6798

6855

6890

6904

6899

6876

本实验中受Z向微调机构的精度限制，只能以10μm为步进单位来进行数据采样，而清晰度函数的评价误差要优于10μm，因此该实验中偏角的偏差Δα满足公式3，其中D2D1的结果由公式1计算得到。

可以看出，该方法在该实验条件下可以实现优于0.1075°的垂直度误差的测量，满足了系统光轴与物面垂直度的高精度调节要求，而且在进一步提高Z向微调机构精度的条件下，可以进一步提高该评价精度。另外，该方法没有增加附加的硬件成本，测量成本较低且操作方便，适合于高精度的视觉系统光轴与物面间垂直度的调节。

本发明根据物面沿Z向移动时，视场中不同区域的图像清晰度的变化规律来评价物面与系统光轴的垂直度，可实现影像测量系统物面与系统光轴垂直度的高精度调节，操作便利，便于实施。

值得指出的是，本发明的保护范围并不局限于上述具体实例方式，如系统采集的标准图像也可以为1024×1024，对图像的划分除左右对称外，还可以选用点对称或对角线对称等多种方式，所选区域也可以改变，只要根据本发明的基本技术构思，本领域普通技术人员无需经过创造性劳动即可联想到的实施方式，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种影像测量仪光轴与物面垂直度的调节方法，其特征在于包括以下步骤：

A.调节物面至初始位置；

B.将图像划分区域；

C.从缓存区读出各区域图像；

D.选择清晰度评价函数；

E.计算步骤B中各个区域的清晰度函数值；

F.微调物面，记录Z向坐标及清晰度函数值；

G.计算垂直度偏差并调节光轴与物面的垂直度。

2.根据权利要求1所述的影像测量仪光轴与物面垂直度的调节方法，其特征在于，所述步骤B的区域划分是沿图像坐标系X方向和Y方向对称的区域，所述图像区域选取处于图像边缘的区域。

3.根据权利要求1所述的影像测量仪光轴与物面垂直度的调节方法，其特征在于，所述步骤D选用梯度类函数中的平方梯度函数。

4.根据权利要求1所述的影像测量仪光轴与物面垂直度的调节方法，其特征在于，所述步骤F中的微调精度与清晰度评价函数分辨能力具有相匹配的调节精度。

5.根据权利要求1所述的影像测量仪光轴与物面垂直度的调节方法，其特征在于，所述步骤G垂直度偏差为：

D2D1＝(2048-500)·ST            (1)

$\mathrm{\α}=\arcsin \frac{\stackrel{\‾}{B1C1}}{\stackrel{}{D2D1}}---\left(2\right)$

其中2048为相机横向和纵向分辨率，500为所选取的图像区域像素宽度，ST代表像素当量，B1C1为对称区域到达清晰状态的高度差，α为光轴与物面的微小倾角；

以较大的Z向调节量对偏差值进行计算，再以微小调节量实现高精度调节，通过多次调节至各区域图像在相同位置达到最佳清晰位置时，实现光轴与物面垂直度的调节。

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