CN107367243A - 非接触三维形状测定机及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种非接触三维形状测定机及方法。非接触三维形状测定机(20)构成为基于一边使测头(10)沿光轴(Z轴)方向扫描一边利用摄像机(34、44)拍摄所得到的帧图像以及获取到该帧图像的位置信息，来合成摄像对象(8)的三维形状，非接触三维形状测定机(20)具备对拍摄多个原始图像的期间内的测头(10)的扫描位置(dZ1、dZ2)进行检测的单元(12)、以及针对所拍摄到的原始图像通过利用了所述扫描位置(dZ1、dZ2)的信息的线性插值来生成插值图像并且使用该插值图像来生成合成帧图像的单元(72)。由此，即使在测头不以固定速度移动的情况下，也能够精度良好地合成帧图像来进行高精度的形状测定。

Description

非接触三维形状测定机及方法
在此，引用纳入包含2016年5月11日申请的日本专利申请2016-095682的说明书、附图以及权利要求的所有公开。
技术领域
本发明涉及一种非接触三维形状测定机，特别是涉及一种适于在具备隔行扫描摄像机的图像测定机或测定显微镜中使用的、能够精度良好地合成帧图像来进行高精度的形状测定的非接触三维形状测定机。
背景技术
在现有的图像测定机中搭载的非接触三维形状合成方法中存在基于聚焦位置检测的三维形状合成(Point From Focus：点聚焦；以下称为PFF)以及利用白色光干涉的三维形状合成(White Light Interference：白光干涉；以下称为WLI)，但都是基于一边使测头沿光轴方向进行扫描一边进行拍摄所得到的连续图像(此处所说的图像为帧图像)以及获取到该图像的位置信息来对三维形状进行合成。
在此，在将隔行扫描摄像机用于拍摄连续图像的情况下，如图1的(1)所例示的那样，搭载于沿Z轴方向进行扫描的测头10的隔行扫描摄像机分为奇数(Odd)场和偶数(Even)场这两个场来拍摄一个视野范围内的图像，因此需要基于Odd场图像和Even场图像合成一个视野的图像(帧图像)以对三维形状进行合成。
在该帧图像的合成处理中，针对如图1的(1)所示那样例如在位置Z2处拍摄到的Odd场图像(原始图像)和在位置Z3处拍摄到的Even场图像(原始图像)，如图1的(2)所示那样分别生成相同位置Z2处的Even场的插值图像(插值场图像)和位置Z3处的Odd场的插值图像(插值场图像)，通过将各位置Z2、Z3处的原始图像(在Z2处是Odd，在Z3处是Even)与插值场图像(在Z2处是Even，在Z3处是Odd)进行合成，来如图1的(3)所示那样生成各位置Z2、Z3处的帧图像。
发明内容
发明要解决的问题
然而，在现有的帧图像合成处理中，如图2所示，以通过以固定时间间隔拍摄图像并且使测头10以固定速度移动来在测头的扫描方向上以固定的距离间隔拍摄图像为前提进行合成处理。即，作为生成与某个位置的Odd场图像对应的Even的插值场图像的方法，使用Odd场图像之前和之后的Even场图像(在图2中是Even原始图像1和2)，将具有对各像素的亮度值I1ij与I2ij进行简单平均所得到的亮度值Iij＝(I1ij+I2ij)/2的图像作为Even插值场图像。
然而，实际上，由于测头在加速和减速过程中的速度变动、低速移动时的速度波动等而测头不以固定速度移动，因此拍摄不到固定距离间隔的图像。特别是在将伺服马达用于测头的移动的情况下，运动开始和运动结束时的加速和减速平缓，因此如果基于固定时间间距获取图像，则难以以正确的固定空间间距获取图像。其结果，具有无法正确地合成帧图像而导致测定精度劣化这样的问题。
此外，日本特开2000-270211号公报记载了将Odd数据的图像与Even数据的图像进行合成，日本特开2009-49547号公报记载了对多个图像的图像数据分别进行加权并进行合成，日本特开平9-274669号公报记载了不预先求出至对象物的距离就生成合成图像，但均不能解决上述问题。
本发明是为了解决上述现有的问题而完成的，其课题在于改善帧图像的合成方法来提高测定精度。
用于解决问题的方案
本发明是一种非接触三维形状测定机，构成为基于帧图像以及获取到该帧图像的位置信息来对摄像对象的三维形状进行合成，该帧图像是一边使测头沿光轴方向进行扫描一边利用摄像机拍摄而得到的图像，该非接触三维形状测定机具备：对拍摄多个原始图像的期间内的测头的扫描位置进行检测的单元；以及针对所拍摄到的原始图像通过利用了所述扫描位置的信息的线性插值来生成插值图像、并且使用该插值图像来生成合成帧图像的单元，由此解决了上述课题。
在此，能够在所述摄像机是隔行扫描摄像机的情况下，将所述多个原始图像设为各奇数场和偶数场的原始图像，通过利用了所拍摄到的原始图像的所述扫描位置的信息的线性插值，来分别生成相同位置的偶数场的插值图像和奇数场的插值图像，通过将各位置的偶数场的原始图像与奇数场的插值图像进行合成并且将各位置的奇数场的原始图像与偶数场的插值图像进行合成，来生成合成帧图像。
或者，能够在所述摄像机为非隔行扫描摄像机的情况下，生成多个原始图像之间的插值图像。
另外，所述非接触三维形状测定机能够具备图像光学测头和白光干涉(WLI)光学测头中的至少一方，其中，图像光学测头具备物镜、摄像机以及照明单元，能够进行点聚焦(PFF)测定，WLI光学测头具备干涉物镜、摄像机以及照明单元。
另外，检测所述扫描位置的单元能够是Z轴标尺。
另外，能够在使用具备物镜、摄像机以及照明单元的图像光学测头通过非接触三维形状测定机进行点聚焦(PFF)测定时，包括以下步骤：使物镜沿着Z轴立柱在Z轴方向上对工件进行扫描；通过从搭载于图像光学测头的摄像机获取原始图像并且从搭载于Z轴立柱的Z轴标尺获取Z坐标值，来以固定间距将图像与Z坐标值堆叠；针对所获取到的原始图像，利用扫描位置的信息来生成插值图像，利用该插值图像来生成合成帧图像；基于堆叠图像来生成各像素位置的对比度曲线；以及将各像素的对比度峰值位置作为Z位置来对三维形状进行合成。
或者，能够在使用具备干涉物镜、摄像机以及照明单元的白光干涉(WLI)光学测头通过非接触三维形状测定机进行WLI测定时，包括以下步骤：使干涉物镜沿Z轴方向进行扫描；通过从搭载于WLI光学测头的摄像机获取原始图像并且从搭载于Z轴立柱的Z轴标尺获取Z坐标值，来以固定间距将图像与Z坐标值堆叠；针对所获取到的原始图像，利用扫描位置的信息来生成插值图像，利用该插值图像来生成合成帧图像；基于堆叠图像的干涉条纹生成各像素的干涉信号；以及将各像素的干涉条纹峰值位置作为Z位置来对三维形状进行合成。
发明的效果
在本发明中，例如在使用隔行扫描摄像机的情况下，如图3中示出的概要那样，例如在生成Even插值场图像时，利用由测头10拍摄到的场图像的、例如通过利用了由Z轴标尺12得到的位置信息(Z坐标值dZ1、dZ2)的线性插值得到的亮度值Iij＝{(dZ2-dZ1)*I1ij+dZ1*I2ij}/dZ2来生成图像。
因而，能够期待与以往的基于简单平均进行的帧图像合成相比更高精度化。另外，即使在由隔行扫描摄像机获取到的场图像发生了缺损的情况下，也能够通过使用本发明来基于没有缺损的相邻的场图像正确地生成插值场图像，因此能够防止精度的劣化。
此外，本发明的应用对象并不限定于使用隔行扫描摄像机的对象，还能够同样应用于在使用非隔行扫描的逐行扫描的摄像机的情况下生成多个原始图像之间的插值图像的情况。
根据以下的优选的实施方式的详细的说明，上述及本发明的其它新颖之处及优点显而易见。
附图说明
参照附图来说明优选的实施方式。在此，对相同的要素通过附图标注相同的附图标记。
图1是使用隔行扫描摄像机对帧图像进行合成的方法的说明图。
图2是现有的场图像的插值处理的说明图。
图3是使用隔行扫描摄像机的情况下的本发明的使用线性插值进行的场图像的插值处理的原理的说明图。
图4是示出应用本发明的非接触三维形状测定机的一例的整体结构的立体图。
图5是示出该非接触三维形状测定机系统结构的框图。
图6是示出PFF测定的过程的流程图。
图7是示出PFF测定的原理的说明图。
图8是示出WLI测定的Mirau型的光学系统的结构的图。
图9是示出该Michelson型的光学系统的结构的剖面图。
图10是示出WLI测定的过程的流程图。
图11是示出WLI测定的原理的说明图。
图12是使用非隔行扫描摄像机的情况下的本发明的使用线性插值进行的场图像的插值处理的原理的说明图。
具体实施方式
以下，参照附图来详细地说明本发明的实施方式。此外，本发明并不限定于以下的实施方式及实施例所记载的内容。另外，以下所记载的实施方式及实施例中的构成要素中包含本领域技术人员能够容易想到的构成要素、实质上相同的构成要素、所谓的等同范围的构成要素。并且，以下所记载的实施方式及实施例中公开的构成要素既可以适当地进行组合，也可以适当地选择使用。
本发明的实施方式如图4中示出的整体结构、图5中示出的系统结构的那样，在具备XY载置台22以及Z轴立柱24的非接触三维形状测定机20中具备图像光学测头30和WLI光学测头40这两个测头中的两方或其中一方，其中，图像光学测头30具备物镜32、CCD摄像机34以及照明单元38，能够进行PFF测定，WLI光学测头40具备干涉物镜42、CCD摄像机44以及照明单元48。
在上述Z轴立柱24配置有未图示的Z轴标尺(图3的附图标记12)，使得能够精细地测定测头30、40在Z轴方向上的位置。
上述图像光学测头30如图5中详细地示出的那样具备上述CCD摄像机34以及用于更换物镜32的动力转盘(Power turret)36，上述照明单元38例如具备用白色LED实现的透射照明38a、用白色LED实现的垂直落射照明38b以及用白色LED实现的程序控制环形照明38c。
上述WLI光学测头40如该图5中详细地示出的那样具备上述CCD摄像机44以及显微镜单元46，上述照明单元48例如具备用卤素灯泡实现的垂直落射照明。
在图5中，60是用于对主体部进行远程操作的遥控箱，62是卤素控制器，64是除振台，70是具备计算机(PC)主体72、鼠标80、键盘82以及监视器84的计算机部，其中，计算机(PC)主体72包括图像光学测头用的帧捕获器74、WLI光学测头用的帧捕获器76以及视频定时输入接口(I/F)78，86是软件。
此外，在PFF测定用三维形状测定机的情况下，省略WLI光学测头40、干涉物镜42、WLI光学测头用的帧捕获器76。另一方面，在WLI测定用三维形状测定机的情况下，不进行PFF测定。
以下，参照图6和图7来说明PFF测定的过程。
首先，在步骤100中，如图7的(1)所示那样，使物镜32沿着Z轴立柱24在Z轴方向上对工件8进行扫描。
接着，在步骤110中，如图7的(2)所示那样，以固定间距将图像与Z坐标值堆叠。具体地说，从搭载于图像光学测头30的CCD摄像机34获取原始图像，并且从搭载于Z轴立柱24的Z轴标尺(省略图示)获取Z坐标值。
接着，在步骤120中，根据本发明，通过图3所示那样的方法针对所获取到的原始图像(Odd/Even)生成各自的插值场图像(Even/Odd)，在步骤130中生成合成帧图像。
接着，在步骤140中，如图7的(3)所示那样，基于堆叠图像生成各像素位置的对比度曲线。
接着，在步骤150中，如图7的(4)所示那样，将各像素的对比度峰值位置作为Z位置来对三维形状进行合成。
这样，能够提高基于使用隔行扫描摄像机的PFF进行的图像测定的形状测定精度。
接着，对使用该隔行扫描摄像机的WLI测定进行说明。
在该情况下，Mirau型的光学系统如图8所示那样构成，Michelson型的光学系统如图9所示那样构成。
在这些结构中，从照明单元48中的白色光源49照射出的照明光均被干涉物镜42的分光器52一分为二为至参考镜50的光束和至工件8的光束。在此，当使干涉物镜42在Z轴方向上进行扫描时，以从参考镜50反射的光束的光路与从工件8表面反射的光束的光路之差为零的位置为中心产生干涉条纹。因此，通过在CCD摄像机44的各像素位置检测该干涉条纹的强度的峰值位置，能够得到工件8表面的三维形状。在图中，54是准直透镜，56是分光器，58是镜筒透镜。
以下，参照图10来说明该WLI测定的过程。
首先，在步骤200中，使干涉物镜42在Z轴方向上进行扫描。
接着，在步骤210中，以固定间距将图像与Z坐标值堆叠。在此，从搭载于WLI光学测头40的CCD摄像机44获取原始图像，并且从搭载于Z轴立柱24的Z轴标尺(省略图示)获取Z坐标值。
接着，在步骤220中，根据本发明，通过图3所示那样的方法针对所获取到的原始图像(Odd/Even)生成各自的插值场图像(Even/Odd)，在步骤230中生成合成帧图像。
接着，在步骤240中，如图11所示那样，基于堆叠图像的干涉条纹生成各像素的干涉信号。
接着，在步骤250中，将各像素的干涉条纹峰值位置作为Z位置来对三维形状进行合成。
这样，能够提高基于使用隔行扫描摄像机的WLI进行的图像测定的形状测定精度。
此外，在上述实施方式中，均为本发明被应用于使用隔行扫描摄像机的三维形状测定机，但本发明的应用对象并不限定于此，如图12中示出的原理那样，在使用非隔行扫描摄像机的三维形状测定机、测定显微镜中也能够同样应用本发明。摄像机也不限定于CCD摄像机。另外，测定原理也不限定于PFF测定、WLI测定。
对于本领域技术人员显而易见的是，上述实施方式只不过是图示出本发明的原理的应用例。对于本领域技术人员来说能够不偏离本发明的主旨和范围地容易地考虑到很多变形得到的其它例子。

Claims (7)

1.一种非接触三维形状测定机，构成为基于帧图像以及获取到该帧图像的位置信息来对摄像对象的三维形状进行合成，该帧图像是一边使测头沿光轴方向进行扫描一边利用摄像机进行拍摄而得到的图像，该非接触三维形状测定机的特征在于，具备：
对拍摄多个原始图像的期间内的测头的扫描位置进行检测的单元；以及
针对所拍摄到的原始图像通过利用了所述扫描位置的信息的线性插值来生成插值图像、并且使用该插值图像来生成合成帧图像的单元。
2.根据权利要求1所述的非接触三维形状测定机，其特征在于，
所述摄像机是隔行扫描摄像机，
所述多个原始图像是各奇数场和偶数场的原始图像，
所述非接触三维形状测定机构成为：通过利用了所拍摄到的原始图像的所述扫描位置的信息的线性插值，来分别生成相同位置的偶数场的插值图像和奇数场的插值图像，通过将各位置的偶数场的原始图像与奇数场的插值图像进行合成并且将各位置的奇数场的原始图像与偶数场的插值图像进行合成，来生成合成帧图像。
3.根据权利要求1所述的非接触三维形状测定机，其特征在于，
所述摄像机是非隔行扫描摄像机，
所述非接触三维形状测定机构成为生成多个原始图像之间的插值图像。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的非接触三维形状测定机，其特征在于，
所述非接触三维形状测定机具备图像光学测头和白光干涉光学测头即WLI光学测头中的至少一方，其中，所述图像光学测头具备物镜、摄像机以及照明单元，能够进行点聚焦测定即PFF测定，所述白光干涉光学测头具备干涉物镜、摄像机以及照明单元。
5.根据权利要求1所述的非接触三维形状测定机，其特征在于，
检测所述扫描位置的单元是Z轴标尺。
6.一种使用具备物镜、摄像机以及照明单元的图像光学测头通过非接触三维形状测定机进行点聚焦测定即PFF测定的方法，其特征在于，包括以下步骤：
使物镜沿着Z轴立柱在Z轴方向上对工件进行扫描；
通过从搭载于图像光学测头的摄像机获取原始图像并且从搭载于Z轴立柱的Z轴标尺获取Z坐标值，来以固定间距将图像与Z坐标值堆叠；
针对所获取到的原始图像，利用扫描位置的信息来生成插值图像，利用该插值图像来生成合成帧图像；
基于堆叠图像来生成各像素位置的对比度曲线；以及
将各像素的对比度峰值位置作为Z位置来对三维形状进行合成。
7.一种使用具备干涉物镜、摄像机以及照明单元的白光干涉光学测头即WLI光学测头通过非接触三维形状测定机进行白光干涉测定即WLI测定的方法，其特征在于，包括以下步骤：
使干涉物镜沿Z轴方向进行扫描；
通过从搭载于WLI光学测头的摄像机获取原始图像并且从搭载于Z轴立柱的Z轴标尺获取Z坐标值，来以固定间距将图像与Z坐标值堆叠；
针对所获取到的原始图像，利用扫描位置的信息来生成插值图像，利用该插值图像来生成合成帧图像；
基于堆叠图像的干涉条纹生成各像素的干涉信号；以及
将各像素的干涉条纹峰值位置作为Z位置来对三维形状进行合成。
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