CN113720264B - 一种硬度计相机对焦测量方法及装置 - Google Patents

一种硬度计相机对焦测量方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种硬度计相机对焦测量方法及装置，该方法采用激光测距的方式直接计算载物台与物镜间的当前距离与合焦距离间的差值，辅助硬度计控制板直接控制电机运动至指定位置，该装置包括激光测距模块，图像捕获模块，通讯处理模块和运算处理模块；所述激光测距模块、图像捕获模块与通讯处理模块均与运算处理模块相连；与现有技术相比，该装置及其测量方法避免了现有硬度计对焦技术中的来回往复运动，检测精度高，使用便捷且适用于市面上大部分硬度计的现有结构，便于直接加装。

Description

一种硬度计相机对焦测量方法及装置
技术领域
本发明涉及一种硬度测量仪器的相机对焦方法，尤其涉及一种在硬度测量仪器上使用的非接触式快速获取相机准确对焦位置的装置及其方法，具体指一种硬度计相机对焦测量方法及装置。
背景技术
在布氏与维氏硬度测量中，样品表面的压痕长度往往在纳米级别。为了使用计算机程序捕获压痕图像并准确测量压痕长度，需要使用搭配高倍率显微镜头的工业相机进行样品表面的拍摄。由于体积与镜头机械结构限制，目前市场上使用的显微硬度计通常采用的是不带自动对焦功能的镜头。为了完成对焦操作，需要调整载物台与物镜间的距离，直至合焦。部分现有技术中提出使用图像清晰度运算进行硬度计相机的自动对焦操作，然而该对焦方案需要不断的调节载物台与物镜间的距离，寻找到清晰度数值拐点，再调节载物台与物镜间的距离至合焦位置。这种方式对焦速度慢，且容易在搜寻清晰度数值拐点的过程中造成样品撞击显微物镜的情况，不便于加快压痕自动测量过程处理速度。因此有必要设计一种使用更加方便，对焦更加快速，可适用于市面上大部分硬度计的相机对焦测量装置及其方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有硬度计相机自动对焦速度较慢，提出一种硬度计相机对焦测量方法及装置，该方法通过获取硬度计相机准确的对焦位置，并将对焦数据传输给硬度计控制板，控制电机直接移动至对焦位置，适用于市面上大部分硬度计机型。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种硬度计相机对焦测量方法，具体步骤如下：
步骤a)硬度计相机对焦测量装置发出激光测距点，拍摄含有激光测距点与待测样品的图像；
步骤b)；根据步骤a)所得图像，测量载物台上待测样品与装置间的距离dmes；
步骤c)根据载物台上待测样品与硬度计相机对焦测量装置间的预校准值dcal与步骤b)所得实际距离dmes计算得相对进动量，将相对进动量传递给硬度计控制板；
步骤d)硬度计控制板根据步骤c)所得相对进动量调节载物台与物镜间的距离，控制物镜直接运动至合焦位置。
优选地，步骤b)具体为：根据步骤a)所得图像，判断激光测距点是否位于待测物品表面，若激光测距点位于待测样品表面，测量载物台上待测样品与硬度计相机对焦测量装置间的实际距离dmes；若激光测距点位于待测样品表面之外，向硬度计控制板输出激光测距点位置相对于图像视野中心的偏移量，调节载物台按照偏移量运动至激光测距点投射于待测样品表面，测量载物台上待测样品与硬度计相机对焦测量装置间的实际距离dmes。
优选地，步骤c)中预校准值dcal的获取步骤如下：
步骤c1)调节载物台与物镜距离至物镜位于合焦位置；
步骤c2)转塔切换至硬度计相机对焦测量装置；
步骤c3)将硬度计相机对焦测量装置切换至预校准模式，硬度计相机对焦测量装置发出激光测距点，拍摄含有激光测距点与待测样品的图像；
步骤c4)根据步骤c3)所得图像，测量载物台上待测样品与装置间的距离dcal。
更优选地，步骤c4)具体为：根据步骤c3)所得图像，判断激光测距点是否位于待测物品表面，若激光测距点位于待测样品表面，测量载物台上待测样品与硬度计相机对焦测量装置间的距离，并存储为dcal；若激光测距点位于待测样品表面之外，向硬度计控制板输出激光测距点位置相对于图像视野中心的偏移量，调节载物台按照偏移量运动至激光测距点投射于待测样品表面，测量载物台上待测样品与硬度计相机对焦测量装置间的距离，并存储为dcal。
优选地，步骤c)中，相对进动量可以通过公式(1)进行计算：
进动量＝dmes-dcal (1)
优选地，步骤c)中，相对进动量为带符号数值，正值表示载物台与物镜间的距离过远，负值表示载物台与物镜间的距离过近。
优选地，步骤d)中，激光测距模块与图像捕获模块将在运动过程中实时捕获数据，避免错误的调整导致载物台上样品与物镜碰撞。
本发明的另一目的是提供一种硬度计相机对焦测量装置，所述装置装配于硬度计的转塔上，其包括激光测距模块，图像捕获模块，通讯处理模块和运算处理模块；所述激光测距模块、图像捕获模块与通讯处理模块均与运算处理模块相连；
所述激光测距模块，用于发射并接收激光束，计算激光发射到放置在硬度计载物台上待测样品表面然后反射回归的时间，将其转换为激光测距模块到待测样品表面的实际距离dmes传输给运算处理模块；
所述图像捕获模块，用于获取放置在载物台上待测样品的图像，并将图像传输给运算处理模块；
所述通讯处理模块，主要用于处理硬度计相机对焦测量装置各模块之间，及其与硬度计控制板间通讯数据处理以及外部监视控制数据输入输出控制；
所述运算处理模块，根据图像捕获模块传来的图像，搜寻图像内激光测距点的位置，若激光测距点未投射在待测样品表面，发送控制指令至硬度计控制板，辅助调节载物台使激光测距点正确投射在待测样品表面，并将激光测距模块传输的实际距离dmes与预先求得的预校准值dcal进行比较，使用公式(1)转换为相对步进距离传输给硬度计控制板，辅助其直接调节载物台与物镜间的距离至合焦位置。
优选地，所述装置还包括辅助照明模块，所述辅助照明模块受控于运算处理模块，用于提供辅助光源照明。
进一步的，所述硬度计相机对焦测量装置整体可通过符合RMS标准规范的螺纹装配至硬度计转塔上。
进一步的，所述硬度计相机对焦测量装置可通过通讯处理模块，使用有线或无线方式与硬度计控制板进行控制通讯。
优选地，所述硬度计相机对焦测量装置还包括显示器和控制面板，用于查看并修改测量装置内部的参数设置，和其与硬度计控制板进行交互的数据(如切换至预校准模式)。
有益效果：
本发明公开了一种硬度计相机对焦测量装置及其方法，装置可通过符合RMS标准规范的螺纹装配至硬度计转塔上，采用激光测距的方式直接计算载物台与物镜间的当前距离与合焦距离间的差值，辅助硬度计控制板直接控制电机运动至指定位置，避免了现有硬度计对焦技术中的来回往复运动。该装置及其方法精度高，使用便捷且适用于市面上大部分硬度计的现有结构，便于直接加装。
附图说明
图1为本发明提供的硬度计相机对焦测量装置的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的硬度计相机对焦测量装置的主视图；
图3为本发明实施例1提供的硬度计相机对焦测量装置的安装接口视图；
图4为本发明实施例1提供的硬度计相机对焦测量装置装配至硬度计转塔盘视图；
图5为本发明实施例2步骤(1)所示预校准步骤控制流程图；
图6为本发明实施例2步骤(2)所示测量执行步骤控制流程图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步具体说明。
实施例1：
如图1至图4所示，本实施例公开了一种硬度计相机对焦测量装置1，其包括辅助照明模块11，激光测距模块12，图像捕获模块13，通讯处理模块14和运算处理模块15，显示器和控制面板；辅助照明模块11、激光测距模块12、图像捕获模块13、显示器和控制面板与通讯处理模块14均与运算处理模块15相连；其中，
辅助照明模块11，受控于运算处理模块15，通过控制LED光源111来提供辅助照明；
激光测距模块12，用于发射并接收激光束(即激光测距点)，同时计算激光束(即激光测距点)发射到放置在硬度计载物台上待测样品表面然后反射回归的时间，将其转换为实际距离后传输给运算处理模块15；
图像捕获模块13，通过摄像头131获取放置在载物台上待测样品及激光束的图像，并将图像传输给运算处理模块15；
通讯处理模块14，主要用于处理硬度计相机对焦测量装置1各模块之间，及其与硬度计控制板间的数据交互；
运算处理模块15，用于处理来自图像捕获模块13的图像，搜寻图像内激光点的位置，通过通讯处理模块14发送控制指令至硬度计控制板，辅助调节载物台使激光测距点正确投射在待测样品表面，并将激光测距模块12传输的实际距离与预校准值进行处理，转换为相对步进距离传输给硬度计控制板，辅助其直接调节载物台与物镜间的距离至合焦位置；
显示器和控制面板，用于查看并修改硬度计相机对焦测量装置内部的参数设置，和其与硬度计控制板进行交互的数据(如切换至预校准模式，预校准模式是一种工作状态，进入预校准模式后，硬度计相机对焦测量装置才会更新并存储当前测量值，并将其存储为dcal，非预校准模式下不会对该值进行更新)。
具体的，如图3和图4所示，硬度计相机对焦测量装置1整体可通过RMS标准规范的接口16装配至硬度计转塔2上。
如图3所示，所述硬度计相机对焦测量装置1可通过通讯处理模块14，使用有线或无线方式从与硬度计转塔2连接处孔17与硬度计控制板进行控制通讯。
所述硬度计相机对焦测量装置1可通过通讯处理模块14，使用有线或无线方式向外提供监控与控制接口。
实施例2：
如图5和图6所示，本实施例公开了一种采用上述硬度计相机对焦测量装置1进行测量的方法。该方法可分为两个步骤：预校准步骤与测量执行步骤，其中预校准步骤只需在初次装配到硬度计仪器以及定期维护时执行，以获得预校准值dcal；测量执行步骤在每次实验中硬度打压完成后执行，结合预校准步骤测得的预校准值dcal以及当前待测样品表面与激光测距模块12的距离dmes进行计算，得到相对进动量，再调整载物台与物镜间的距离，即可使物镜直接运动至合焦位置。两个步骤具体操作如下：
(1)预校准：
1.1、调节载物台与物镜之间的距离，直至物镜到达合焦(聚焦)位置；
1.2、请参考附图4，转塔为一齿盘，其上固定有“硬度计相机对焦测量装置”、“硬度计压头”、“物镜”等选项，硬度计相机位于齿盘上方，不随齿盘转动；旋转转塔，将硬度计相机对焦测量装置移动到载物平台正上方，使硬度计相机、物镜、载物平台处于同一光路下(即转塔上的“物镜”处于“载物平台”正上方，“物镜”处于“硬度计相机”的正下方)，进入预校准模式,拍摄；
1.3、辅助照明模块11辅助照明，图像捕获模块13捕获包括激光测距模块12发出的激光测距点与待测样品的图片，发送至运算处理模块15，运算处理模块15判断激光测距点是否位于待测样品表面，激光测距模块12内部会进行激光飞行时间与实际距离值之间的计算转换，运算处理模块15记录并存储当前激光测距模块12返回的测量值为预校准值dcal。
(2)测量执行：
2.1、硬度计打压完成，转塔切换至硬度计相机对焦测量装置；
2.2、激光测距模块12发出激光测距点，辅助照明模块11辅助照明，图像捕获模块13将包括激光测距模块12发出的激光测距点与待测样品的图片发送至运算处理模块15，运算处理模块15判断激光测距点是否位于待测样品表面；
2.3若激光测距点位于待测样品表面，则运算处理模块15记录激光测距模块12测得的载物台上待测样品与激光测距模块12间的距离值dmes(激光测距模块12内部会完成激光飞行时间到实际距离值的计算转换)；若激光测距点未投射于待测样品表面，则运算处理模块15通过图像捕获模块13获取的图像进行结算，以图像视场中心为原点，搜寻图像范围内激光测距点的位置，并向硬度计控制板输出激光测距点位置相对于图像视野中心的偏移量(即图像视场中心到激光测距点的距离)，运算处理模块15控制载物台运动，使激光测距点投射于待测样品表面，则运算处理模块15记录激光测距模块12测得的载物台上待测样品与激光测距模块12间的距离值dmes；
2.4、运算处理模块15根据步骤1.2所得预校准值dcal与步骤2.3所得距离值dmes通过公式(1)计算相对进动量，将所得相对进动量传递给硬度计控制板；
相对进动量＝dmes-dcal (1)
2.5、根据步骤2.4所得相对进动量(即载物台当前位置至与物镜合焦位置所需移动的相对距离)，硬度计控制板调节载物台与物镜间的距离，直接运动至载物台与物镜的合焦位置；
2.5、转塔切换至物镜进行拍摄观察。
进一步的，步骤2.4中，相对进动量为带符号数值，正值表示载物台与物镜间的距离过远，负值表示载物台与物镜间的距离过近。
进一步的，步骤2.4中，激光测距模块12与图像捕获模块13将在运动过程中实时捕获数据，避免错误的调整导致载物台上样品与物镜碰撞。

Claims (8)

1.一种硬度计相机对焦测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤a)硬度计相机对焦测量装置发出激光测距点，拍摄含有激光测距点与待测样品的图像；
步骤b)；根据步骤a)所得图像，判断激光测距点是否位于待测样品表面；若激光测距点位于待测样品表面，测量载物台上待测样品与硬度计相机对焦测量装置间的实际距离dmes；若激光测距点未投射于待测样品表面，则通过获取的图像进行结算，以图像视场中心为原点，搜寻图像范围内激光测距点的位置，并向硬度计控制板输出激光测距点位置相对于图像视野中心的偏移量，控制载物台运动，使激光测距点投射于待测样品表面，测量载物台上待测样品与硬度计相机对焦测量装置间的实际距离dmes；
步骤c)根据载物台上待测样品与硬度计相机对焦测量装置间的预校准值dcal与步骤b)所得实际距离dmes计算得相对进动量，将相对进动量传递给硬度计控制板，相对进动量可以通过公式(1)进行计算：
进动量＝dmes-dcal (1)；
步骤d)硬度计控制板根据步骤c)所得相对进动量调节载物台与物镜间的距离，控制物镜直接运动至合焦位置；步骤c)中预校准值dcal的获取步骤如下：
步骤c1)调节载物台与物镜距离至物镜位于合焦位置；
步骤c2)转塔切换至硬度计相机对焦测量装置；
步骤c3)将硬度计相机对焦测量装置切换至预校准模式，硬度计相机对焦测量装置发出激光测距点，拍摄含有激光测距点与待测样品的图像；
步骤c4)根据步骤c3)所得图像，测量载物台上待测样品与装置间的距离dcal。
2.根据权利要求1所述的硬度计相机对焦测量方法，其特征在于，步骤b)或步骤c4)中测量载物台上待测样品与装置间的距离的具体操作为：根据步骤a)或步骤c3)所得图像，判断激光测距点是否位于待测物品表面，若激光测距点位于待测样品表面，硬度计相机对焦测量装置根据激光飞行时间计算测量载物台上待测样品与装置间的距离；若激光测距点位于待测样品表面之外，向硬度计控制板输出激光测距点位置相对于图像视野中心的偏移量，调节载物台按照偏移量运动至激光测距点投射于待测样品表面，硬度计相机对焦测量装置根据激光飞行时间计算测量载物台上待测样品与装置间的距离。
3.根据权利要求1所述的硬度计相机对焦测量方法，其特征在于，步骤d)中，激光测距模块与图像捕获模块将在运动过程中实时捕获数据，避免错误的调整导致载物台上样品与物镜碰撞。
4.一种采用权利要求1～3任一项所述的硬度计相机对焦测量方法的硬度计相机对焦测量装置，其特征在于，所述装置装配于硬度计的转塔上，其包括激光测距模块，图像捕获模块，通讯处理模块和运算处理模块；所述激光测距模块、图像捕获模块与通讯处理模块均与运算处理模块相连；
所述激光测距模块，用于发射并接收激光束，计算激光发射到放置在硬度计载物台上待测样品表面然后反射回归的时间，将其转换为激光测距模块到待测样品表面的实际距离后传输给运算处理模块；
所述图像捕获模块，用于获取放置在载物台上待测样品的图像，并将图像传输给运算处理模块；
所述通讯处理模块，主要用于处理硬度计相机对焦测量装置各模块之间，及其与硬度计控制板间的数据交互；
所述运算处理模块，根据图像捕获模块传来的图像，搜寻图像内激光测距点的位置，先发送控制指令至硬度计控制板，辅助调节载物台使激光测距点正确投射在待测样品表面，再将激光测距到待测样品表面的实际距离与预校准值进行比较，转换为相对步进距离传输给硬度计控制板，辅助其直接调节载物台与物镜间的距离至合焦位置。
5.根据权利要求4所述的硬度计相机对焦测量装置，其特征在于，所述装置还包括辅助照明模块，所述辅助照明模块受控于运算处理模块，用于提供辅助光源照明。
6.根据权利要求4所述的硬度计相机对焦测量装置，其特征在于，所述硬度计相机对焦测量装置整体可通过符合RMS标准规范的螺纹装配至硬度计转塔上。
7.根据权利要求4所述的硬度计相机对焦测量装置，其特征在于，所述硬度计相机对焦测量装置可通过通讯处理模块，使用有线或无线方式与硬度计控制板进行控制通讯。
8.根据权利要求4所述的硬度计相机对焦测量装置，其特征在于，所述硬度计相机对焦测量装置还包括显示器和控制面板，用于查看测量装置内部的参数设置，和其与硬度计控制板进行交互的数据。
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