CN110044296A - 3d形状的自动跟踪方法和测量机 - Google Patents

3d形状的自动跟踪方法和测量机 Download PDF

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Abstract

本发明提供3D形状的自动跟踪方法和测量机。在第一过程中，将操作者最初设定的一处基准视场设为原点来进行编号。在第二过程中，在对与基准视场相邻的场所进行编号之后，将测量范围依次自动移动到被编号后的位置并在该位置执行测量来确认形状数据的存在，保存测量结果并记录有无形状数据。在第三过程中，将存在形状数据的视场设为下一个基准视场，在对与基准视场相邻的场所进行编号之后，将测量范围依次自动移动到除已经测量完毕或不存在形状数据的位置以外的位置并在该位置执行测量来确认形状数据的存在，保存测量结果并记录有无形状数据。在第四过程中，重复该第三过程，当没有未测量的位置时，判断为对连续的形状整体完成了测量。

Description

3D形状的自动跟踪方法和测量机
技术领域
本发明涉及3D形状的自动跟踪方法和测量机，尤其涉及适合在图像测量机、3D形状测量机中使用的3D形状的自动跟踪方法以及使用该3D形状的自动跟踪方法的测量机。
背景技术
作为基于由摄像装置获取到的图像信息对测量对象进行三维测量的图像测量装置，例如有使用具有宽的谱宽度的白色光进行干涉的装置(所谓的WLI(White LightInterferometer：白光干涉仪)测量)、使用对比度信息的装置(所谓的PFF(Points FromFocus：点对焦)测量)等。这样的图像测量装置根据使摄像装置沿垂直方向对载物台进行扫描而在各垂直位置得到的图像信息，来对测量对象的三维形状进行测量。关于这样的图像测量装置，例如进行测量对象的大小不收敛在摄像装置的一个视场中的大范围的测量的要求不断增加。
作为进行大范围的测量的预备操作，存在利用CAD数据预先识别测量范围的方法(离线教学)(专利文献1)。这是以设计值为基准来使测量范围的设定简化的方法。
另外，还存在以下方法：使用比想要实际测量的分辨率低的低倍率的透镜在短时间内预先进行预备测量，根据获取到的图像来识别期望的测量范围(专利文献2)。
专利文献1：日本特开2008-201914号公报
专利文献2：日本专利第6095486号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，作为测量对象的工件不一定存在设计值。
另外，当搭载能够以高倍率和用于预备测量的低倍率进行测量的机构时，相比于固定倍率的机构，价格高很多且变得复杂。
尽管如此，仍存在想要不费功夫地对超过一个视场的测量范围这样的尺寸的连续的3D形状进行测量的要求。
因此，将提供如下一种方法作为课题，在该方法中，仅仅测量一处基准视场的3D形状，会去自动地测量相邻的视场，由此针对超过一个视场的测量范围的尺寸的连续的3D形状的整个连续形状一边移动测量范围一边自动地进行测量。
用于解决问题的方案
在本发明中，在针对超过一个视场的测量范围的尺寸的连续的3D形状一边移动测量范围一边进行测量时，通过使计算机进行以下的第一过程～第四过程来解决所述课题，在第一过程中，将操作者最初设定的一处基准视场设为原点来进行编号，在第二过程中，在对与基准视场的周围的边相邻的场所进行编号之后，将测量范围依次自动移动到被编号的位置并在该位置执行测量来确认形状数据的存在，在存储器中保存测量结果并记录在被编号的位置处有无形状数据，在第三过程中，将存在形状数据的视场设为下一个基准视场，在对与基准视场的周围的边相邻的场所进行编号之后，将测量范围依次自动移动到除已经测量完毕和不存在形状数据的位置以外的位置并在该位置执行测量来确认形状数据的存在，在存储器中保存测量结果并记录在被编号的位置处有无形状数据，在第四过程中，重复该第三过程，当没有与存在形状数据的位置的周围的边相邻的未测量的位置时，判断为对连续的形状整体完成了测量。
在此，能够通过将所有与完成所述测量的视场相关联的测量结果连结来生成整体的形状。
另外，通过事先设定搜索范围的界限位置，能够在该界限内的自动搜索完成的情况下判断为结束搜索。
另外，能够通过方向、视场的数量对搜索范围进行限定来缩短搜索时间。
另外，本发明通过如下的测量机同样地解决上述课题，所述测量机的特征在于，具备：载物台，其用于载置测量对象物；摄像装置，其设置为能够相对于所述载物台进行相对移动，针对所述测量对象物，以比测量范围小的规定的摄像范围进行摄像，并输出图像信息；位置控制装置，其使所述摄像装置移动到所述测量范围内的多个测量位置，并使所述摄像装置在各测量位置处沿与所述载物台垂直的方向进行扫描；以及计算机，其基于通过所述摄像装置的扫描得到的、所述各测量位置的所述规定的摄像范围的图像信息，来计算所述各测量位置处的在扫描方向上的位移，所述测量机针对超过一个视场的测量范围的尺寸的连续的3D形状一边移动测量范围一边进行测量，其中，所述计算机具备以下的第一功能～第四功能：在第一功能中，将操作者最初设定的一处基准视场设为原点来进行编号；在第二功能中，在对与基准视场的周围的边相邻的场所进行编号之后，将测量范围依次自动移动到被编号的位置并在该位置执行测量来确认形状数据的存在，在存储器中保存测量结果并记录在被编号的位置处有无形状数据；在第三功能中，将存在形状数据的视场设为下一个基准视场，在对与基准视场的周围的边相邻的场所进行编号之后，将测量范围依次自动移动到除已经测量完毕和不存在形状数据的位置以外的位置并在该位置执行测量来确认形状数据的存在，在存储器中保存测量结果并记录在被编号的位置处有无形状数据；以及在第四功能中，重复该第三功能，当没有与存在形状数据的位置的周围的边相邻的未测量的位置时，判断为对连续的形状整体完成了测量。
在此，能够一边保持固定的重叠区域一边移动所述测量范围。
另外，能够将所述测量机设为图像测量机。
另外，能够沿摄像装置的光轴方向驱动载物台来拍摄多个图像，根据拍摄到的图像来生成所述3D形状。
另外，能够将所述图像测量机设为：使摄像装置一边沿与载物台的上表面平行的XY方向移动且沿与载物台的上表面垂直的Z轴方向进行扫描一边进行摄像，根据摄像装置的XY方向上的测量位置信息和在各测量位置得到的图像的各微小范围的对比度信息，通过点对焦(Point From Focus(PFF))测量来检测测量对象物的各测量位置处的在Z轴方向上的位移(Z值)。
并且，在对比度值大于0的情况下，能够确认为存在所述形状数据。
另外，能够将所述图像测量机设为：将具有宽带谱的白色光导向测量对象物和参照面，使测量对象物和参照面各自的反射光发生干涉来获取观测到每个像素的干涉信号的峰值的位置，根据每个像素的峰值位置和构成参照面的参照板的位置，来检测测量对象物的在与载物台上表面垂直的Z轴方向上的位移。
并且，在能够计算出干涉信号的峰值的情况下，确认为存在所述形状数据。
另外，能够将所述测量机设为3D形状测量机。
发明的效果
根据本发明，在想要对大范围的连续的形状整体进行测量的情况下，仅仅通过选择任意的一处基准视场来测量3D形状的过程，就能够自动地测量相邻的视场，因此减少操作者的麻烦，可用性提高。
附图说明
参照附图来说明优选的实施方式，在附图中，对相同的部分标注相同的标记，其中，
图1是本发明的实施方式所涉及的图像测量装置的整体图，
图2是表示该装置的结构的框图，
图3是用于说明所述实施方式的测量过程的流程图，
图4是表示基本的测量对象的图，
图5是用于说明动作的概要图，
图6是表示存储器的状态的例子的图，
图7是用于说明动作的概要图，
图8是表示测量对象的其它例的图。
具体实施方式
下面，参照附图来详细地说明本发明的实施方式。此外，本发明不限定于以下的实施方式和实施例所记载的内容。另外，以下所记载的实施方式和实施例中的构成要素包括本领域人员能够容易地想到的结构、实质上相同的结构以及各种等同的范围的结构。并且，关于以下所记载的实施方式和实施例中所公开的构成要素，可以适当地组合，也可以适当地进行选择来使用。
图1是本实施方式所涉及的图像测量装置的整体图。
图像测量装置具备：图像测量机10，其搭载有摄像机17a来作为用于拍摄作为测量对象的工件12的摄像装置；以及计算机(以下也称作“PC”。)20，其与该图像测量机10电连接，通过保存在该计算机20的内部的程序来对控制图像测量机10进行驱动。
图像测量机10如以下那样构成。即，在架台11上装设有用于载置工件12的载物台13，该载物台13被Y轴驱动机构18沿与载物台13的上表面平行的Y轴方向进行驱动。在架台11的两侧缘中央部固定有向上方延伸的支承臂14、15，以将该支承臂14、15的两上端部连结的方式固定有X轴引导件16。在该X轴引导件16支承有拍摄工件12的摄像单元17。摄像单元17构成为，能够被X轴驱动机构16a沿着X轴引导件16在与载物台13的上表面平行且与Y轴方向正交的X轴方向上驱动。另外，摄像单元17具有将规定的摄像范围作为测量视场的摄像装置17a。摄像单元17构成为，通过Z轴驱动机构17c而能够在与载物台13的上表面正交的Z轴方向上移动。如以上那样，X轴驱动机构16a、Y轴驱动机构18以及Z轴驱动机构17c构成使摄像单元17沿彼此正交的X、Y、Z轴方向相对于载物台13相对地驱动的位置控制装置。
本实施方式所涉及的图像测量机10使摄像机17a一边沿XY方向相对于载物台13的上表面进行移动且沿Z轴方向进行扫描一边进行摄像，根据摄像机17a的XY方向上的测量位置信息和在各测量位置得到的图像的各微小范围的对比度信息，通过PFF测量来检测工件12的各测量位置处的在Z轴方向上的位移(Z值)。此外，除了这样的根据对比度信息来检测Z轴方向上的位移以外，也能够利用白光干涉仪(WLI)来检测Z轴方向上的位移。白光干涉仪例如将具有宽带谱的白色光导向工件12和参照面，使工件12和参照面各自的反射光发生干涉来获取观测到每个像素的干涉信号的峰值的位置，根据每个像素的峰值位置和构成参照面的参照板的位置，来检测工件12在Z轴方向上的位移。
计算机20具有计算机主体21、键盘22、操纵杆盒(J/S)23、鼠标24、显示器25及打印机26。计算机主体21例如如图2所示那样构成。即，从摄像单元17输入的工件12的图像信息经由接口(I/F)31被保存到图像存储器32中。
另外，工件12的CAD数据经由I/F 33被输入到CPU 35中，在CPU 35中完成规定的处理之后被保存到图像存储器32中。图像存储器32中保存的图像信息经由显示控制部36显示于显示器25。
另一方面，从键盘22、J/S 23以及鼠标24输入的代码信息和位置信息经由I/F 34被输入到CPU 35。CPU 35根据ROM 37中保存的宏程序和经由I/F 39从HDD 38保存到RAM 40中的程序，来执行各种处理。
CPU 35按照程序，经由I/F 41来控制图像测量机10。HDD 38为保存各种数据的记录介质。RAM 40用于提供各种处理的工作区域。
下面，参照图3来说明本实施方式的测量过程。
作为基本的测量对象，假定如图4那样轮廓下降的测量面12A(不连续到无限远处的测量面)的工件12的形状测量。
测量机的操作者将在摄像机的视场内存在3D形状的任意部位设定为基准视场，来开始执行测量(步骤100)。
在程序中，当开始测量时，沿摄像机的光轴方向(Z方向)驱动载物台来拍摄多个图像，根据拍摄到的图像来生成3D形状(步骤110)。
在生成的3D形状中存在有效的形状数据(在PFF测量中对比度值比0大的情况、通过WLI测量计算出干涉信号的峰值的情况)并且该有效的形状数据的比例相对于测量过的视场为预先确定的阈值以上的情况下(在步骤120中为“是”)，判定为基准视场的设定成功并进入下一步骤。另一方面，在有效的形状数据不存在或低于阈值的情况下(在步骤120中为“否”)，返回步骤100来重新选定基准视场。
摄像机的摄像范围为矩形，因此将基准视场的矩形区域的各边的方向设为检索视场，一边保持固定的重叠区域一边使载物台移动(步骤130)。
例如，如图5所示，首先向“基准视场1”的左侧边的方向移动。将该场所设为“检索视场1”来进行3D形状测量(步骤140)。
在作为“检索视场1”的测量结果是有效的形状数据不存在或小于阈值的情况下(在步骤150中为“否”)，判断为在该位置不存在形状。
接着，将“基准视场1”的上侧边方向设为“检索视场2”来进行3D形状测量。同样地确认是否存在有效的形状数据来作为测量结果。
此时，在有效的形状数据不存在或小于阈值的情况下，按“检索视场3”、“检索视场4”的顺序依次确认形状数据的存在，在四个边的方向均为有效的形状数据不存在或小于阈值的情况下(在步骤160中为“是”)，结束测量。
另一方面，例如在“检索视场3”中发现了有效的形状数据的情况下(在步骤150中为“是”)，将原来的“基准视场1”重新定义为“测量完毕视场1”。此时，针对测量过的视场，预先指定了将百分之几以上的情况设为有效的测量完毕视场判定，并设为阈值，在超过该阈值的情况下，判定为有效的测量完毕视场。将没有超过阈值的视场设为无数据视场。然后，用(X＝0，Y＝0)这样的地址对该位置进行编号(步骤170)。
之后，以该位置为基准将左右的边方向上的移动位置设为X，将上下的边方向上的移动位置设为Y。
另一方面，将有效的形状数据不存在或没有超过阈值的视场重新定义为“无数据视场”，如图6所例示的那样记录到存储器中。将该“无数据视场”的外侧排除到检索(自动跟踪)对象外。
另外，由于未确认原来的“检索视场4”，因此在存储器中记录为“未检索视场1”。
关于上述“检索视场3”，由于设为搜寻下一个搜索视场的基准，因此如图6所示那样重新定义为“基准视场2”。
接着，如图7所示，在“基准视场2”的矩形区域的各边的方向上，将已经被记录为“无数据视场”、“测量完毕视场”、“未检索视场”之外的场所定义为“检索视场”，依次确认形状数据的存在。
当重复上述处理时，只剩下“无数据视场”、“测量完毕视场”和“未检索视场”。
接着，将“未检索视场”的索引小的(记录顺序旧的)位置重新定义为“基准视场”，关于在矩形区域的各边的方向，将已经记录为“无数据视场”、“测量完毕视场”、“未检索视场”以外的场所定义为“检索视场”，依次确认形状数据的存在。
当重复上述过程直到没有“未检索视场”为止(在步骤190中为“是”)时，最终只剩下“无数据视场”、“测量完毕视场”的记录。
在该时间点，判断为对连续形状整体完成了测量。
另一方面，当在步骤160、步骤190中为“否”的情况下，返回步骤130。
通过将与“测量完毕视场”相关联的所有测量结果连结，来生成整体的形状。
另外，在不是图4中说明的形状而是如图8那样工件12的测量面12A的形状连续地发散的情况下，事先设定搜索范围的界限位置，由此在该界限内的自动搜索完成了的情况下判断为搜索结束。
即，预先将超过一个视场的检索范围指定为坐标，从该范围内的任意的位置起开始自动追踪，将超过检索范围的坐标的位置排除到应该自动跟踪的视场的对象外。
另外，还能够通过方向、视场的数量对搜索范围进行限定来缩短搜索时间。
此外，在所述实施方式中，以基准视场为中心，顺时针地搜索未检索视场，但未检索视场的搜索方法不限定于此，也能够采用逆时针等其它方法。另外，可以使摄像机移动来代替使载物台移动。
对于本领域技术人员而言显而易见的是，上述实施方式只是例示性的，示出本发明的应用原理。在不脱离本发明的主旨和范围的情况下，本领域技术人员能够容易地设计其它各种设置。
相关申请的交叉引用
关于在2018年1月17日提交的包括说明书、附图、权利要求的日本申请No.2018-005990的公开内容，通过引用其全部而合并于此。

Claims (13)

1.一种3D形状的自动跟踪方法，其特征在于，
在针对超过一个视场的测量范围的尺寸的连续的3D形状一边移动测量范围一边进行测量时，使计算机进行以下的第一过程～第四过程：
在第一过程中，将操作者最初设定的一处基准视场设为原点来进行编号，
在第二过程中，在对与基准视场的周围的边相邻的场所进行编号之后，将测量范围依次自动移动到被编号的位置并在该位置执行测量来确认形状数据的存在，在存储器中保存测量结果并记录在被编号的位置处有无形状数据，
在第三过程中，将存在形状数据的视场设为下一个基准视场，在对与基准视场的周围的边相邻的场所进行编号之后，将测量范围依次自动移动到除已经测量完毕和不存在形状数据的位置以外的位置并在该位置执行测量来确认形状数据的存在，在存储器中保存测量结果并记录在被编号的位置处有无形状数据，
在第四过程中，重复该第三过程，当没有与存在形状数据的位置的周围的边相邻的未测量的位置时，判断为对连续的形状整体完成了测量。
2.根据权利要求1所述的3D形状的自动跟踪方法，其特征在于，
通过将所有与完成所述测量的视场相关联的测量结果连结，来生成整体的形状。
3.根据权利要求1所述的3D形状的自动跟踪方法，其特征在于，
通过事先设定搜索范围的界限位置，在该界限内的自动搜索完成的情况下判断为结束搜索。
4.根据权利要求1所述的3D形状的自动跟踪方法，其特征在于，
通过方向、视场的数量对搜索范围进行限定来缩短搜索时间。
5.一种测量机，其特征在于，具备：
载物台，其用于载置测量对象物；
摄像装置，其设置为能够相对于所述载物台进行相对移动，针对所述测量对象物，以比测量范围小的规定的摄像范围进行摄像，并输出图像信息；
位置控制装置，其使所述摄像装置移动到所述测量范围内的多个测量位置，并使所述摄像装置在各测量位置处沿与所述载物台垂直的方向进行扫描；以及
计算机，其基于通过所述摄像装置的扫描得到的、所述各测量位置的所述规定的摄像范围的图像信息，来计算所述各测量位置处的在扫描方向上的位移，
所述测量机针对超过一个视场的测量范围的尺寸的连续的3D形状一边移动测量范围一边进行测量，
其中，所述计算机具备以下的第一功能～第四功能：
在第一功能中，将操作者最初设定的一处基准视场设为原点来进行编号；
在第二功能中，在对与基准视场的周围的边相邻的场所进行编号之后，将测量范围依次自动移动到被编号的位置并在该位置执行测量来确认形状数据的存在，在存储器中保存测量结果并记录在被编号的位置处有无形状数据；
在第三功能中，将存在形状数据的视场设为下一个基准视场，在对与基准视场的周围的边相邻的场所进行编号之后，将测量范围依次自动移动到除已经测量完毕和不存在形状数据的位置以外的位置并在该位置执行测量来确认形状数据的存在，在存储器中保存测量结果并记录在被编号的位置处有无形状数据；以及
在第四功能中，重复该第三功能，当没有与存在形状数据的位置的周围的边相邻的未测量的位置时，判断为对连续的形状整体完成了测量。
6.根据权利要求5所述的测量机，其特征在于，
一边保持固定的重叠区域，一边移动所述测量范围。
7.根据权利要求5所述的测量机，其特征在于，
所述测量机为图像测量机。
8.根据权利要求7所述的测量机，其特征在于，
沿摄像装置的光轴方向驱动载物台来拍摄多个图像，根据拍摄到的图像来生成所述3D形状。
9.根据权利要求7所述的测量机，其特征在于，
所述图像测量机使摄像装置一边沿与载物台的上表面平行的XY方向移动且沿与载物台的上表面垂直的Z轴方向进行扫描一边进行摄像，根据摄像装置的XY方向上的测量位置信息和在各测量位置得到的图像的各微小范围的对比度信息，通过点对焦测量即PFF测量来检测测量对象物的各测量位置处的在Z轴方向上的位移即Z值。
10.根据权利要求9所述的测量机，其特征在于，
在对比度值大于0的情况下，确认为存在所述形状数据。
11.根据权利要求7所述的测量机，其特征在于，
所述图像测量机将具有宽带谱的白色光导向测量对象物和参照面，使所述测量对象物和参照面各自的反射光发生干涉来获取观测到每个像素的干涉信号的峰值的位置，根据每个像素的峰值位置和构成参照面的参照板的位置，来检测测量对象物的在与载物台上表面垂直的Z轴方向上的位移。
12.根据权利要求11所述的测量机，其特征在于，
在能够计算出干涉信号的峰值的情况下，确认为存在所述形状数据。
13.根据权利要求5所述的测量机，其特征在于，
所述测量机为3D形状测量机。
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