JP2015507262A - マシンビジョンシステムにおいて複数の照明設定を使用する合焦点動作 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2011年12月23日に出願された米国特許出願第61/580,145号の利益を主張するものであり、この特許出願を参照により本明細書に援用する。
本明細書に開示される実施形態は一般に、マシンビジョン検査システムに関し、より詳細には、非熟練操作者ための多重フォーカス画像による距離検出(depth from focus)を使用する精密且つ効率的な表面形状検査を提供するビデオツール及び方法に関する。
精密なマシンビジョン検査システム(又は略して「ビジョンシステム」)は、被検査物体の精密な寸法測定を取得し、様々な他の物体特徴を検査するために利用することができる。そのようなシステムは、コンピュータと、カメラ及び光学系と、複数の方向に移動可能であり、ワークピース検査を可能にする精密ステージとを含み得る。汎用「オフライン」精密ビジョンシステムとして特徴付けることができる1つの例示的な従来技術によるシステムは、イリノイ州Auroraに所在のMitutoyo America Corporation (MAC)から入手可能な市販のQUICK VISION(登録商標)シリーズのPCベースのビジョンシステム及びQVPAK(登録商標)ソフトウェアである。QUICK VISION(登録商標)シリーズのビジョンシステム及びQVPAK(登録商標)ソフトウェアの機能及び動作は一般に、例えば、2003年1月に公開されたQVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine User's Guide及び1996年9月に公開されたQVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine Operation Guideに説明されており、これらのそれぞれを参照により本明細書に援用する。この種のシステムは、顕微鏡型光学系を使用可能であり、様々な倍率で小さいワークピース又は比較的大きなワークピースの検査画像を提供するようにステージを移動させることが可能である。
この概要は、詳細な説明においてさらに後述する選択された概念を簡易化された形態で紹介するために提供される。この概要は、特許請求される主題の主要な特徴を識別する意図はなく、特許請求される主題の範囲を判断する際の助けとして使用される意図もない。
カメラを含む撮像部と、
制御可能な照明部と、
合焦部と、
画像プロセッサを含む制御部と、
ワークピースのマルチポイント合焦ベースZ高さ測定を実行する第1の測定モードであって、画像スタック内の各画像で同じ照明パラメータを使用して取得される単一の画像スタックに基づいて、関心領域内の複数の小領域のマルチポイント合焦ベースZ高さ測定を特定する動作を含む、第1の測定モードと、
ワークピースのマルチポイント合焦ベースZ高さ測定を実行する第2の測定モードであって、複数の画像スタックに基づいて関心領域内の複数の小領域のマルチポイント合焦ベースZ高さ測定を特定する動作を含み、第1の画像スタックが、関心領域内の画像ピクセルの暗さ制限基準を満たし、第1の画像スタック内の各画像で同じ暗さ制限照明パラメータを使用して取得され、第2の画像スタックが、関心領域内の画像ピクセルの明るさ制限基準を満たし、第2の画像スタック内の各画像で同じ明るさ制限照明パラメータを使用して取得される、第2の測定モードと、
画像ディスプレイ及びグラフィカルユーザインタフェース(GUI)を含むユーザインタフェースと、
マルチポイントZ高さ測定ツールであって、
第2の測定モード、
関心領域内の画像ピクセルの明るさ制限基準、
関心領域内の画像ピクセルの暗さ制限基準、及び
関心領域インジケータを含むマルチポイントGUI要素
を含む、マルチポイントZ高さ測定ツールと、
を含み、方法は、
マシンビジョン検査システムの動作を実行することであって、
ワークピース上の特定の関心領域の画像を取得すること、
マルチポイントZ高さ測定ツールのインスタンスをアクティブ化すること、及び
取得画像内の関心領域を定義すること、
を含む、動作を実行すること、並びに
第2の測定モードに対応するマルチポイントZ高さ測定ツールのそのインスタンスの自動動作を実行することであって、
(a)照明パラメータの予備セットを使用して取得される画像スタックに基づくとともに、関心領域の全体に基づいて決定される合焦尺度に基づいて決定される、関心領域の大域的最良合焦高さに、撮像部を自動的に合焦する動作、
(b)大域的最良合焦高さで取得された画像を解析し、関心領域内の画像ピクセルの明るさ制限基準を満たす明るさ制限照明パラメータを決定する照明パラメータを調整する動作、及び
(c)大域的最良合焦高さで取得された画像を解析し、関心領域内の画像ピクセルの暗さ制限基準を満たす暗さ制限照明パラメータを決定するように照明パラメータを調整する動作
を含む、自動動作を実行すること、
を含む。
(a)ワークピースに合焦点動作を実行する関心領域を定義するように精密マシンビジョン検査システムを動作させること、
(b)関心領域を含み、定義されたZ高さ範囲内の異なる合焦Z高さを有する画像を含むN個の画像スタックに関連付けられたN個の各照明ベクトルを定義するように、精密マシンビジョン検査システムを動作させることであって、Nは少なくとも2であり、N個の各照明ベクトルを定義することは、
(b1)関心領域内の明ピクセル位置がカメラの輝度範囲の上部25%の輝度値を含む、第1の輝度基準を満たすように、且つ明るさ上限以上の輝度値を有する関心領域内の最も明るいピクセル位置の第1の数が、Z高さ範囲内の各合焦Z高さを有するとともに、第1の各照明ベクトルに対応する画像露光レベルを有する少なくとも1つの第1の画像において特定される、関心領域内のピクセル位置の第1の小割合に制限されるように、第1の各照明ベクトルを定義すること、及び
(b2)第2の輝度基準が満たされるように、第2の各照明ベクトルを定義することであって、明るさ下限以下の輝度値を有する関心領域内の最も暗いピクセル位置の第2の数が、Z高さ範囲内の各合焦Z高さを有するとともに、第2の各照明ベクトルに対応する画像露光レベルを有する少なくとも1つの第2の画像において特定される、関心領域内のピクセル位置の第2の小割合に制限される、定義すること、
を含む、動作させること、並びに
(c)動作(c1)及び(c2)のセットのうちの少なくとも一方を実行すること、
を含み、(c1)は、
後に、対応するワークピース上の対応する関心領域を検査する場合に使用するために、N個の各照明ベクトルをパートプログラムに関連して記憶することであって、パートプログラムは、
N個の各照明ベクトルに基づいてN個の画像スタックを取得すること、
N個の画像スタックのどれが、各合焦点データポイント位置での最良Z高さ品質尺度を有するかを特定すること、及び
各合焦点データポイント位置において、最良Z高さ品質尺度を有する画像スタックに関連付けられたZ高さ測定が、その合焦点データポイント位置におけるZ高さ測定として識別されるように、画像スタックから導出されるZ高さ測定データを提供すること、
を含み
(c2)は、
N個の各照明ベクトルに基づいてN個の画像スタックを取得するように、精密マシンビジョン検査システムを動作させること、
N個の画像スタックのどれが、各合焦点データポイント位置において最良Z高さ品質尺度を有するかを判断すること、及び
各合焦点データポイント位置において、Z高さ測定が、その合焦点データポイント位置において最良Z高さ品質尺度を有する画像スタックに基づくように、画像スタックから導出されるZ高さ測定データを提供すること、
を含む動作を実行する命令を含む。
ステップ(b2)において、明るさ下限以下の輝度値を有する関心領域内の最も暗いピクセル位置の第2の数は、Z高さ範囲内の各合焦Z高さを有するとともに、第2の各照明ベクトルに対応する画像露光レベルを有する第2の複数の画像において特定される、関心領域内のピクセル位置の第2の小割合に制限し得る。
上記態様及び本明細書に開示される実施形態の付随する利点の多くは、添付図面と併せて行われる以下の詳細な説明を参照することによりよく理解されるため、より容易に理解されるだろう。
図1は、一実施形態において使用可能な例示的な1つのマシンビジョン検査システム10のブロック図である。マシンビジョン検査システム10は画像測定機12を含み、画像測定機12は、制御コンピュータシステム14とデータ及び制御信号を交換するように動作可能に接続される。制御コンピュータシステム14は、モニタ又はディスプレイ16、プリンタ18、ジョイスティック22、キーボード24、及びマウス26とデータ及び制御信号を交換するようにさらに動作可能に接続される。モニタ又はディスプレイ16は、マシンビジョン検査システム10の動作の制御及び/又はプログラムに適したユーザインタフェースを表示し得る。
Claims (19)
- ワークピース上の特定の関心領域での合焦ベースのZ高さ測定を含むマルチポイントZ高さ測定データセットを決定する精密マシンビジョン検査システムの動作方法であって、前記精密マシンビジョン検査システムは、
カメラを含む撮像部と、
制御可能な照明部と、
合焦部と、
画像プロセッサを含む制御部と、
ワークピースのマルチポイント合焦ベースZ高さ測定を実行する第1の測定モードであって、画像スタック内の各画像で同じ照明パラメータを使用して取得されるその単一の画像スタックに基づいて、関心領域内の複数の小領域の前記マルチポイント合焦ベースZ高さ測定を特定する動作を含む、第1の測定モードと、
ワークピースのマルチポイント合焦ベースZ高さ測定を実行する第2の測定モードであって、複数の画像スタックに基づいて関心領域内の複数の小領域の前記マルチポイント合焦ベースZ高さ測定を特定する動作を含み、第1の画像スタックが、前記関心領域内の画像ピクセルの暗さ制限基準を満たし、前記第1の画像スタック内の各画像で同じ暗さ制限照明パラメータを使用して取得され、第2の画像スタックが、前記関心領域内の画像ピクセルの明るさ制限基準を満たし、前記第2の画像スタック内の各画像で同じ明るさ制限照明パラメータを使用して取得される、第2の測定モードと、
画像ディスプレイ及びグラフィカルユーザインタフェース(GUI)を含むユーザインタフェースと、
マルチポイントZ高さ測定ツールであって、
前記第2の測定モード、
前記関心領域内の画像ピクセルの前記明るさ制限基準、
前記関心領域内の画像ピクセルの前記暗さ制限基準、及び
関心領域インジケータを含むマルチポイントGUI要素
を含む、マルチポイントZ高さ測定ツールと、
を含み、前記方法は、
前記マシンビジョン検査システムの動作を実行することであって、
ワークピース上の特定の関心領域の画像を取得すること、
マルチポイントZ高さ測定ツールのインスタンスをアクティブ化すること、
前記取得画像内の関心領域を定義すること、
を含む、動作を実行することと、
前記第2の測定モードに対応する前記マルチポイントZ高さ測定ツールのインスタンスの自動動作を実行することであって、
(a)照明パラメータの予備セットを使用して取得される画像スタックに基づくとともに、前記関心領域の全体に基づいて決定される合焦尺度に基づいて決定される、前記関心領域の大域的最良合焦高さに、前記撮像部を自動的に合焦する動作、
(b)前記大域的最良合焦高さで取得された画像を解析し、前記関心領域内の画像ピクセルの前記明るさ制限基準を満たす明るさ制限照明パラメータを決定するように前記照明パラメータを調整する動作、及び
(c)前記大域的最良合焦高さで取得された画像を解析し、前記関心領域内の画像ピクセルの前記暗さ制限基準を満たす暗さ制限照明パラメータを決定するように前記照明パラメータを調整する動作
を含む、自動動作を実行することと、
を含む、方法。 - 前記方法は、実行モード中、パートプログラム命令の制御下で前記マシンビジョン検査システムの動作を実行することを含み、前記方法は、
前記関心領域を含む複数の画像スタックを取得することであって、決定された前記暗さ制限照明パラメータを使用して取得される第1の画像スタック及び決定された前記明るさ制限照明パラメータを使用して取得される第2の画像スタックを少なくとも含む前記複数の画像スタックを取得することと、
前記複数の画像スタックに基づいて前記関心領域内の複数の小領域のそれぞれの前記マルチポイント合焦ベースZ高さ測定を特定することと、
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 複数の小領域のそれぞれの前記マルチポイント合焦ベースZ高さ測定を特定することは、
前記複数の画像スタックのそれぞれの小領域のZ高さ品質尺度を特定すること、及び
前記最良Z高さ品質尺度を提供する前記複数の画像スタックの1つに基づいて、前記小領域の前記合焦ベースZ高さ測定を特定すること、
を含む、請求項2に記載の方法。 - 前記複数の画像スタックは、前記照明パラメータの予備セットを使用して取得される前記画像スタックを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記方法は、学習モード中、前記マシンビジョン検査システムの動作を実行することを含み、
前記特定の関心領域の画像を取得するステップにおいて、前記ワークピースは代表的なワークピースであり、当該ステップは、前記画像ディスプレイに前記取得画像を表示することを含み、
前記マルチポイントZ高さ測定ツールのインスタンスをアクティブ化するステップは、マルチポイントGUI要素を前記画像ディスプレイに表示することを含み、
前記取得画像内の関心領域を定義するステップは、前記特定の関心領域を囲むように前記マルチポイントGUI要素の前記関心領域インジケータを位置決めすることにより、前記表示画像内に関心領域を定義することを含む、請求項1に記載の方法。 - 前記方法は、
前記関心領域を含む複数の画像スタックを取得することであって、決定された前記暗さ制限照明パラメータを使用して取得される第1の画像スタック及び決定された前記明るさ制限照明パラメータを使用して取得される第2の画像スタックを少なくとも含む前記複数の画像スタックを取得することと、
前記複数の画像スタックに基づいて、前記関心領域内の複数の小領域のそれぞれの前記マルチポイント合焦ベースZ高さ測定を特定することと、
を含む動作を実行する前記マルチポイントZ高さ測定ツールのインスタンスのパートプログラム命令を記録することをさらに含み、
前記複数の小領域のそれぞれの前記マルチポイント合焦ベースZ高さ測定を特定することは、小領域毎に、
前記複数の画像スタックのそれぞれの小領域のZ高さ品質尺度を特定すること、及び
前記最良Z高さ品質尺度を提供する前記複数の画像スタックの1つに基づいて、前記小領域の前記合焦ベースZ高さ測定を特定すること、
を含む、請求項5に記載の方法。 - 前記Z高さ品質尺度は、前記複数の画像スタックから導出される合焦ピーク決定データセットにより示される代表的なピーク高さと、前記合焦ピーク決定データセットにより示される代表的なノイズレベル又は「ノイズ高さ」との関係を含む、請求項6に記載の方法。
- ワークピース上の合焦ベースZ高さ測定を含むZ高さ測定データセットを決定する、精密マシンビジョン検査システムの動作方法であって、前記精密マシンビジョン検査システムは、ユーザインタフェース、カメラを含む撮像部、制御可能な照明部、合焦部、及び画像プロセッサを含む制御部を含み、前記方法は、
(a)前記ワークピースにPFF動作を実行する関心領域を定義するように前記精密マシンビジョン検査システムを動作させること、
(b)前記関心領域を含み、定義されたZ高さ範囲内の異なる合焦Z高さを有する画像を含むN個の画像スタックに関連付けられたN個の各照明ベクトルを定義するように、前記精密マシンビジョン検査システムを動作させることであって、Nは少なくとも2であり、N個の各照明ベクトルを定義することは、
(b1)前記関心領域内の最も明るいピクセル位置が前記カメラの輝度範囲の上部25%の輝度値を含む、第1の輝度基準を満たすように、且つ明るさ上限以上の輝度値を有する前記関心領域内の最も明るいピクセル位置の第1の数が、前記Z高さ範囲内の各合焦Z高さを有するとともに、前記第1の各照明ベクトルに対応する画像露光レベルを有する少なくとも1つの第1の画像において特定される、前記関心領域内の前記ピクセル位置の第1の小割合に制限されるように、第1の各照明ベクトルを定義すること、及び
(b2)第2の輝度基準が満たされるように、第2の各照明ベクトルを定義することであって、明るさ下限以下の輝度値を有する前記関心領域内の最も暗いピクセル位置の第2の数が、前記Z高さ範囲内の各合焦Z高さを有するとともに、前記第2の各照明ベクトルに対応する画像露光レベルを有する少なくとも1つの第2の画像において特定される、前記関心領域内の前記ピクセル位置の第2の小割合に制限される、定義すること、
を含む、動作させること、並びに
(c)動作(c1)及び(c2)のセットのうちの少なくとも一方を実行すること、
を含み、(c1)は、
後に、対応するワークピース上の対応する関心領域を検査する場合に使用するために、前記N個の各照明ベクトルをパートプログラムに関連して記憶することであって、前記パートプログラムは、
前記N個の各照明ベクトルに基づいてN個の画像スタックを取得すること、
前記N個の画像スタックのどれが、各合焦点データポイント位置での最良Z高さ品質尺度を有するかを特定すること、及び
各合焦点データポイント位置において、最良Z高さ品質尺度を有する前記画像スタックに関連付けられた前記Z高さ測定が、その合焦点データポイント位置におけるZ高さ測定として識別されるように、前記画像スタックから導出されるZ高さ測定データを提供すること、
を含む動作を実行する命令を含み
(c2)は、
前記N個の各照明ベクトルに基づいてN個の画像スタックを取得するように、前記精密マシンビジョン検査システムを動作させること、
前記N個の画像スタックのどれが、各合焦点データポイント位置において最良Z高さ品質尺度を有するかを判断すること、及び
各合焦点データポイント位置において、前記Z高さ測定が、前記合焦点データポイント位置において最良Z高さ品質尺度を有する画像スタックに基づくように、前記画像スタックから導出されるZ高さ測定データを提供すること、
を含む、方法。 - ステップ(b1)において、明るさ上限以上の輝度値を有する前記関心領域内の最も明るいピクセル位置の第1の数は、前記Z高さ範囲内の各合焦Z高さを有するとともに、前記第1の各照明ベクトルに対応する画像露光レベルを有する第1の複数の画像において特定される、前記関心領域内の前記ピクセル位置の第1の小割合に制限され、
ステップ(b2)において、明るさ下限以下の輝度値を有する前記関心領域内の最も暗いピクセル位置の第2の数は、前記Z高さ範囲内の各合焦Z高さを有するとともに、前記第2の各照明ベクトルに対応する画像露光レベルを有する第2の複数の画像において特定される、前記関心領域内の前記ピクセル位置の第2の小割合に制限される、請求項8に記載の方法。 - ステップ(b1)において、前記少なくとも1つの第1の画像は前記第1の画像からなり、ステップ(b2)において、前記少なくとも1つの第2の画像は前記第2の画像からなる、請求項8に記載の方法。
- 前記第1及び第2の画像の各合焦Z高さは異なる、請求項10に記載の方法。
- 前記第1及び第2の画像の各合焦Z高さは同じである、請求項10に記載の方法。
- ステップ(b)は、
前記Z高さ範囲を定義すること、
予備照明ベクトルを使用して、前記Z高さ範囲内の複数の対応する合焦Z高さの複数の画像を含む予備画像スタックを取得すること、
前記予備画像スタックに基づいてピーク合焦Z高さを特定すること、及び
前記ピーク合焦Z高さを前記第1及び第2の画像の各合焦Z高さとして使用すること、
を含む動作を実行することを含む、請求項8に記載の方法。 - 前記第1の各照明ベクトルを定義することは、前記第1の輝度基準を満たす少なくとも1つの第1の各画像が識別されるまで、各照明ベクトルを使用して前記ピーク合焦Z高さにおいて取得された各画像を繰り返し解析すること、及び前記少なくとも1つの第1の各画像に対応する各照明ベクトルを前記第1の各照明ベクトルとして使用することを含み、
前記第2の各照明ベクトルを定義することは、前記第2の輝度基準を満たす少なくとも1つの第2の各画像が識別されるまで、各照明ベクトルを使用して前記ピーク合焦Z高さにおいて取得された各画像を繰り返し解析すること、及び前記少なくとも1つの第2の各画像に対応する各照明ベクトルを前記第2の各照明ベクトルとして使用することを含む、請求項13に記載の方法。 - パートプログラムの管理下で、前記精密マシンビジョン検査システムの実行動作モードに関連してステップ(c2)の動作を実行することを含む、請求項8に記載の方法。
- ステップ(c2)において、前記実行動作モード中、前記N個の各照明ベクトルに基づいてN個の画像スタックを取得するように前記精密マシンビジョン検査システムを動作させることは、
前記パートプログラムからZ高さ範囲を呼び出すこと、
前記パートプログラムから前記N個の各照明ベクトルを呼び出すこと、及び
前記呼び戻されたZ高さ範囲及びN個の各照明ベクトルを使用して、前記N個の画像スタックを取得すること、
を含む、請求項15に記載の方法。 - ステップ(c2)において、前記実行動作モード中、前記N個の各照明ベクトルに基づいてN個の画像スタックを取得するように前記精密マシンビジョン検査システムを動作させることは、
前記パートプログラムからZ高さ範囲を呼び出すこと、
前記Z高さ範囲内の複数の対応する合焦Z高さにおいて複数の画像を含む予備画像スタックを取得すること、
前記予備画像スタックに基づいてピーク合焦Z高さを特定すること、
前記ピーク合焦Z高さを、前記第1及び第2の代表的な画像の実行モード合焦Z高さとして使用すること、及び
前記N個の照明ベクトルを使用して、前記N個の画像スタックを取得すること、
を含む、請求項15に記載の方法。 - 前記Z高さ品質尺度は、前記複数の画像スタックから導出される合焦ピーク決定データセットにより示される代表的なピーク高さと、前記合焦ピーク決定データセットにより示される代表的なノイズレベル又は「ノイズ高さ」との関係を含む、請求項8に記載の方法。
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