JP6322456B2 - エッジ分解能強化に利用されるオフセットを有する画像を取得するシステム及び方法 - Google Patents

エッジ分解能強化に利用されるオフセットを有する画像を取得するシステム及び方法 Download PDF

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Description

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、様々な他の物体要素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、カメラが検査中のワークピースの要素を走査できるようにする精密ステージとを含み得る。市販の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に基づく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に説明されている。この製品は、例えば、QV−302プロモデルで例示されるように、顕微鏡型光学系を使用して、様々な倍率でワークピースの画像を提供し得、単一のビデオ画像の範囲を超えてワークピース表面を横切るように、必要に応じてステージを移動し得る。単一のビデオ画像は通常、そのようなシステムの所望の倍率、測定分解能、及び物理的サイズ制限で、観測又は検査中のワークピースの一部のみを含む。
画像取得は、カメラとワークピースステージとの間での相対移動を使用する間に実行し得、それにより、検査スループットが大幅に増大する。そのようなシステムが、連続移動中、画像のスミア(又はピンぼけ)なしでの画像取得を支援するために、ストローブ光照明を含むことが有利である。異なるマシンビジョンシステムで使用可能な連続移動動作を使用して画像を取得する1つの例示的な方法は、米国特許第7,499,584号に記載されている。
QUICK VISION(商標)システム等の汎用精密マシンビジョン検査システムは一般に、自動ビデオ検査を提供するようにプログラム可能でもある。米国特許第6,542,180号(’180号特許)は、そのような自動ビデオ検査の様々な態様を教示している。’180号特許において教示されるように、自動ビデオ検査計測機器は一般に、プログラミング機能を有し、プログラミング機能により、自動検査イベントシーケンスをユーザが特定の各ワークピース構成に関して定義することができる。これは、例えば、テキストベースのプログラミングにより、又はグラフィカルユーザインタフェースを用いて、ユーザが実行する検査動作シーケンスに対応するマシン制御命令シーケンスを記憶することにより検査イベントシーケンスを徐々に「学習」する記録モードを通して、又は両方法の組み合わせを通して実施することができる。そのような記録モードは多くの場合、「学習モード」、「トレーニングモード」、又は「記録モード」と呼ばれる。検査イベントシーケンスが「学習モード」で定義されると、そのようなシーケンスを使用して、「実行モード」中にワークピースの画像を自動的に取得する(且つさらに解析又は検査する)ことができる。
特定の検査イベントシーケンス(すなわち、各画像を取得する方法及び各取得画像を解析/検査する方法)を含むマシン制御命令は一般に、特定のワークピース構成に固有の「パートプログラム」又は「ワークピースプログラム」として記憶される。例えば、パートプログラムは、ワークピースに対してカメラを位置決めする方法、照明レベル、倍率レベル等の各画像を取得する方法を定義する。さらに、パートプログラムは、例えば、エッジ/境界検出ビデオツール等の1つ又は複数のビデオツールを使用することにより、取得画像を解析/検査する方法を定義する。
ビデオツール(又は略して「ツール」)及び他のグラフィカルユーザインタフェース機能を手動で使用して、手動検査及び/又はマシン制御動作を達成し得る(「手動モード」で)。セットアップパラメータ及び動作は、学習モード中に記録して、自動検査プログラム又は「パートプログラム」を作成することもできる。ビデオツールは、例えば、エッジ/境界検出ツール、オートフォーカスツール、形状又はパターン照合ツール、寸法測定ツール等を含み得る。
エッジ要素の画像を取得するパートプログラムは通常、倍率レベルを指定する。倍率レベルを選択する場合、様々なトレードオフを考慮し得る。例えば、倍率レベルが高いほど、高い分解能を提供し得るが、要素を拡大するために高価なハードウェアを必要とすることに加えて、ワークピース全体に対してより小さな視野になり、生じる歪みも大きくなり得る。倍率レベルが低いほど、大きな視野及び小さな歪み並びに低コストを提供し得るが、特定の用途で所望のレベルの分解能及び対応する精度を提供しないことがある。いくつかのそのような場合、物体の画像の分解能は、物体の空間サンプリングがピクセル間隔及び倍率によって決まるという点で、カメラ検出器内のピクセル間隔により制限される。既知のサブピクセル増分だけ互いに移動(ステップ)させた又はオフセットされた複数の画像を取得することにより、この状況に対処する方法が既知であり、次に、複数の画像データセットを合成して、物体上の画像サンプリング密度を効率的に増大させる。しかし、いくつかの場合、そのような方法は、複雑すぎて比較的未熟なユーザが理解し実施することができず、又は遅すぎて、多くの産業環境及び/又は用途において実用的ではない。いくつかの従来技術によるシステムは、所望のオフセットを「自動的」に提供するために、カメラ又は光学構成要素のディザリング移動を提案している。しかし、そのような方法は機械的に複雑であり、精密検査許容差と相容れない振動及び/又は非再現性をもたらし得る。比較的安価なシステム(例えば、既存のシステム)及びより低レベルの倍率を利用しながら、比較的未熟なユーザが所望のレベルの分解能及び精度を達成可能な改良された方法及びシステムが望まれる。
マシンビジョン検査システムにおいて互いにサブピクセルオフセットを有する複数の画像を取得する方法が提供される。マシンビジョン検査システムは、倍率Mを提供する光学系と、第1のピクセルピッチP及び高速複数画像取動作モードを含むカメラと、を含む。サブピクセルオフセット画像サンプリング動作が利用され、この動作は、第1の画像取得移動を提供すること、及び関心領域の複数の画像を取得することを含む。第1の画像取得移動は、ワークピース及びカメラのうちの一方を第1の速度Sで第1の方向に沿って相対移動させることを含む。複数の画像は、カメラの高速複数画像取得動作モードを使用して画像取得移動中に取得される。複数の画像は少なくとも、第1の時間t1において取得される関心領域の第1の画像及び第1の時間t1より後の第2の時間t2において取得される関心領域の第2の画像を含む。第1の画像と第2の画像とのオフセットOは、M**(t2−t1)に概ね等しく、マシンビジョン検査システムは、OがnPに等しくないように構成され、nは整数である。様々な実施態様では、オフセットOは(n+0.2)P<O<(n+0.8)Pの範囲内にあり得る。カメラ系の高速複数画像取得動作モードは、第1の画像と第2の画像との差(t2−t1)が、様々な実施形態では、最大で50マイクロ秒又は最大で25マイクロ秒、10マイクロ秒、又は5マイクロ秒であり、又はカメラ系により可能であれば5マイクロ秒未満であるように動作する。
様々な実施態様では、第1のピクセルピッチPは、列方向ピクセルピッチPy又は行方向ピクセルピッチPxのうちの少なくとも一方を含み得る。オフセットOは、ピクセルピッチPxを有するカメラの列方向に沿った成分Ox及びピクセルピッチPyを有するカメラの行方向に沿った成分Oyを含み得る。高速複数画像取得動作モードでの第1の画像取得移動及び画像タイミングは、オフセット成分の少なくとも一方が非整数Kに、対応するピクセルピッチを掛けたものを含むように構成し得る。一実施態様では、非整数Kは、(n+0.2)<K<(n+0.8)の範囲内にあり、nは整数である。
本方法は、ワークピースを複数の画像及び/又は画像データの間で一致させるように、オフセットOの除去又は補償することをさらに含み得る。次に、一致させた画像データを合成して、マシンビジョン検査システムにおいて画像を取得するカメラの本来の分解能よりも良好な分解能の画像データを提供し得る。一致する画像データの合成は、位置ラッチデータ、画像の相関解析、又は移動及びタイミングデータのうちの少なくとも1つに基づき得る。
様々な実施態様では、動作をエッジツールの複数画像モードに含め得る。エッジツールは、単一画像モード及び複数画像モードを含み、複数画像モードは、倍率及びユーザ選択のうちの少なくとも一方に基づいて利用される。複数画像モード中に撮影される第1及び第2の画像からの画像データを合成して、分解能を所望のレベルまで増大させ得る。エッジ位置の特定に利用される複合画像は、第1及び第2の画像の合成データに基づいて作成され得る。複合画像は、学習モード中に表示し得る。分解能を増大した画像データを提供するために複数画像モード中に使用されるシステムパラメータは、学習モード中に構成し得、構成はパートプログラムに記録し得る。
第1の画像取得移動は、測定中のエッジのエッジ方向を横切る方向であり得る。いくつかの実施形態及び/又は用途では、学習モードは、エッジ測定動作等の動作を実行し、且つ/又は定義すること、エッジの角度を特定すること、エッジを横切る移動方向を設定すること(例えば、一実施形態では、エッジの角度に約90度を足した角度に等しい角度に)、移動方向及びツール位置パラメータ等に基づいて2つの中間地点を計算することを含み得る。特定の場合、第1及び第2の画像は、関心領域内のワークピースの複数のエッジを含み得る。そのような場合、複数のエッジツールが、複数のエッジに関して関心領域内で利用されていると判断される場合、学習モードは、マルチエッジツールルーチンを利用し得る。マルチエッジツールルーチンは、複数のエッジの角度を特定すること、単一の移動方向が、複数のエッジの各角度への垂直から指定された度数範囲内にあると特定することができるか否かを判断し、範囲内にあると特定することができる場合、決定される移動方向を使用し、範囲内にあると特定することができない場合、少なくとも第3の画像を得る少なくとも第2の移動方向を追加することを含み得る。学習モードは、移動方向の決定を支援する選択肢をユーザに提供することもできる。
汎用精密マシンビジョン検査システムの様々な典型的な構成要素を示す図である。 図1と同様であり、本明細書に記載の特徴を含むマシンビジョン検査システムの制御システム部及びビジョン構成要素部のブロック図である。 画像内のエッジに重なる例示的なポイントツールの図である。 ピクセル強度値セットに基づいてエッジ位置を特定する例示的な一方法を示す図である。 様々な倍率でのエッジのサンプリング増大の必要性を示す表の図である。 サブピクセルオフセット画像サンプリング動作の第1の画像を示す図である。 サブピクセルオフセット画像サンプリング動作の第2の画像を示す図である。 第1及び第2の画像からの合成データを示す図である。 図6A〜図6Cの画像を取得するシーケンスを示すタイミング図である。 サブピクセルオフセット画像サンプリング動作を利用して第1及び第2の画像を取得するルーチンの例示的な一実施形態を示す流れ図である。
本発明の様々な実施形態を後述する。以下の説明は、これらの実施形態の完全な理解及びこれらの実施形態を可能にする説明のために特定の詳細を提供する。しかし、これらの詳細の多くなしで本発明を実施し得ることを当業者は理解するだろう。さらに、様々な実施形態の関連する説明を不必要に曖昧にしないように、いくつかの周知の構造又は機能については詳細に図示又は説明しないことがある。以下に提示される本説明に使用される用語は、本発明の特定の具体的な実施形態の詳細な説明と併せて使用されている場合であっても、その最も広義の妥当な様式で解釈されることが意図される。
図1は、本明細書に記載の方法により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はビジョン測定機12を含み、ビジョン測定機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。タッチスクリーンタブレット等を、コンピュータシステム14、ディスプレイ16、ジョイスティック22、キーボード24、及びマウス26のうちの任意又はすべての機能に代替させる及び/又は重複させて提供し得ることが理解されるだろう。
制御コンピュータシステム14が一般に、任意の計算システム又は装置からなり得ることを当業者は理解するだろう。適する計算システム又は装置は、パーソナルコンピュータ、サーバコンピュータ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータ、任意の上記を含む分散計算環境等を含み得る。そのような計算システム又は装置は、本明細書に記載の機能を実行するソフトウェアを実行する1つ又は複数のプロセッサを含み得る。プロセッサは、プログラマブル汎用又は専用マイクロプロセッサ、プログラマブルコントローラ、特定用途向け集積回路(ASIC)、プログラマブル論理装置(PLD)等、又はそのような装置の組み合わせを含む。ソフトウェアは、ランダムアクセスメモリ(RAM)、読み取り専用メモリ(ROM)、フラッシュメモリ等、又はそのような構成要素の組み合わせ等のメモリに記憶し得る。ソフトウェアは、磁気若しくは光学ベースのディスク、フラッシュメモリ装置、又はデータを記憶する任意の他の種類の不揮発性記憶媒体等の1つ若しくは複数の記憶装置に記憶してもよい。ソフトウェアは、特定のタスクを実行し、又は特定の抽象データ型を実施するルーチン、プログラム、オブジェクト、構成要素、データ構造等を含む1つ又は複数のプログラムモジュールを含み得る。分散計算環境では、プログラムモジュールの機能は、結合してもよく、又は有線構成若しくは無線構成のいずれかで複数の計算システム若しくは装置にわたって分散し、サービス呼び出しを介してアクセスしてもよい。
ビジョン測定機12は、可動式ワークピースステージ32と、光学撮像システム34とを含み、光学撮像システム34はズームレンズ又は交換式レンズを含み得る。ズームレンズ又は交換式レンズは一般に、光学撮像システム34により提供される画像に様々な倍率を提供する。マシンビジョン検査システム10は一般に、上述した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)ソフトウェア並びに同様の現在市販されている精密マシンビジョン検査システムに匹敵する。マシンビジョン検査システム10は、本願と同じ譲受人に譲渡された米国特許第7,454,053号、同第7,324,682号、同第8,111,905号、及び同第8,111,938号にも記載されている。
図2は、図1のマシンビジョン検査システムと同様であり、本明細書に記載の特徴を含むマシンビジョン検査システム100の制御システム部120と、ビジョン構成要素部200とのブロック図である。より詳細に後述するように、制御システム部120は、ビジョン構成要素部200の制御に利用される。ビジョン構成要素部200は、光学アセンブリ部205と、光源220、230、及び240と、中央透明部212を有するワークピースステージ210とを含む。ワークピースステージ210は、ワークピース20を位置決めし得るステージ表面に略平行する平面内にあるX軸及びY軸に沿って制御可能に移動可能である。光学アセンブリ部205は、カメラ系260と、交換式対物レンズ250とを含み、レンズ286及び288を有するターレットレンズアセンブリ280を含み得る。ターレットレンズアセンブリに対する代替として、固定レンズ、又は手動で交換可能な倍率変更レンズ、又はズームレンズ構成等を含み得る。
光学アセンブリ部205は、制御可能なモータ294を使用することにより、X軸及びY軸に略直交するZ軸に沿って制御可能に移動可能であり、制御可能なモータ294はアクチュエータを駆動して、光学アセンブリ部205をZ軸に沿って移動させ、ワークピース20の画像のフォーカスを変更する。制御可能なモータ294は、信号線296を介して入出インタフェース130に接続される。
マシンビジョン検査システム100を使用して撮像すべきワークピース20又は複数のワークピース20を保持するトレイ若しくは固定具は、ワークピースステージ210に配置される。ワークピースステージ210は、交換式対物レンズ250がワークピース20上の位置間及び/又は複数のワークピース20間で移動するように、光学アセンブリ部205に相対して移動するように制御し得る。透過照明光220、落射照明光230、及び斜め照明光240(例えば、リング光)のうちの1つ又は複数は、光源光222、232、及び/又は242のそれぞれを発して、1つ又は複数のワークピース20を照明する。光源230は、ミラー290を含む経路に沿って光232を発し得る。光源光はワークピース光255として反射又は透過し、撮像に使用されるワークピース光は、交換式対物レンズ250及びターレットレンズアセンブリ280を通過し、カメラ系260に集められる。カメラ系260により捕捉されるワークピース20の画像は、信号線262上で制御システム部120に出力される。光源220、230、及び240は、信号線又はバス221、231、及び241のそれぞれを通して制御システム部120に接続し得る。画像の倍率を変更するには、制御システム部120は、信号線又はバス281を通して、軸284に沿ってターレットレンズアセンブリ280を回転させて、ターレットレンズを選択し得る。
図2に示されるように、様々な例示的な実施形態では、制御システム部120は、コントローラ125と、入出インタフェース130と、メモリ140と、ワークピースプログラム生成・実行器170と、電源部190とを含む。これらの構成要素のそれぞれ並びに後述する追加の構成要素は、1つ若しくは複数のデータ/制御バス及び/又はアプリケーションプログラミングインタフェースにより、或いは様々な要素間の直接接続により相互接続し得る。
入出力インタフェース130は、撮像制御インタフェース131と、運動制御インタフェース132と、照明制御インタフェース133と、レンズ制御インタフェース134とを含む。運動制御インタフェース132は、位置制御要素132aと、速度/加速度制御要素132bとを含み得るが、そのような要素は統合且つ/又は区別不可能であってもよい。照明制御インタフェース133は照明制御要素133a〜133n及び133flを含み、照明制御要素133a〜133n及び133flは、例えば、マシンビジョン検査システム100の様々な対応する光源の選択、電力、オン/オフ切り替え、及び該当する場合にはストローブパルスタイミングを制御する。
メモリ140は、画像ファイルメモリ部141と、エッジ検出メモリ部140edと、1つ又は複数のパートプログラム等を含み得るワークピースプログラムメモリ部142と、ビデオツール部143とを含む。ビデオツール部143は、対応する各ビデオツールのGUI、画像処理動作等を決定するビデオツール部143a及び他のビデオツール部(例えば、143n)と、ビデオツール部143に含まれる様々なビデオツールで動作可能な様々なROIを定義する自動、半自動、及び/又は手動動作をサポートする関心領域(ROI)生成器143roiとを含む。
本開示の文脈の中では、当業者には既知のように、ビデオツールという用語は一般に、ビデオツールに含まれる動作のステップ毎のシーケンスを作成せずに、又は一般化されたテキストベースのプログラミング言語等を用いずに、マシンビジョンユーザが比較的単純なユーザインタフェース(例えば、グラフィカルユーザインタフェース、編集可能パラメータウィンドウ、メニュー等)を通して実施することができる比較的複雑な自動又はプログラムされた動作のセットを指す。例えば、ビデオツールは、動作及び計算を支配する少数の変数又はパラメータを調整することにより、特定のインスタンスに適用されカスタマイズされる画像処理動作及び計算の事前にプログラムされた複雑なセットを含み得る。基礎となる動作及び計算に加えて、ビデオツールは、ユーザがビデオツールの特定のインスタンスに向けてそれらのパラメータを調整できるようにするユーザインタフェースを含む。例えば、多くのマシンビジョンビデオツールでは、ユーザは、マウスを使用する単純な「ハンドルドラッグ」動作を通して、グラフィカル関心領域(ROI)インジケータを構成して、ビデオツールの特定のインスタンスの画像処理動作により解析すべき画像サブセットの位置パラメータを定義することができる。基礎となる動作が暗黙的に含まれて、可視のユーザインタフェース機能がビデオツールと呼ばれることもあることに留意されたい。
特に、本発明による様々な実施形態では、ビデオツール部143は、エッジ位置特定ツール143elを含み、このツールは、さらに詳細に後述するように、エッジ位置特定動作に関連する様々な動作及び機能を提供する。多くのビデオツールに共通して、本開示のエッジ位置特定及び複数画像取得主題は、ユーザインタフェース機能及び基礎となる画像処理動作等の両方を含み、関連する機能は、ビデオツール部143に含まれるエッジ位置特定ツール143elの機能として特徴付け得る。一実施形態では、エッジ位置特定ツール143elは、エッジ位置特定モード制御部143mcと、標準単一画像取得モード部143siと、高速複数画像取得モード部143fmとを含み得る。手短に言えば、標準単一画像取得モード部143siは、既知のエッジ位置特定ツールと同様に動作し得、例えば、単一の画像を取得し、画像のエッジにわたる走査線に沿ったピクセル強度値及び対応する微分値を特定し、微分値のピークをエッジの位置として識別する。高速複数画像取得モード部143fmは、本発明の方法に基づいて動作する。標準単一画像取得モード部143siとは対照的に、高速複数画像取得モード部143fmは、ステージ及び/又はカメラの同時被制御動作と併せて、カメラの高速複数画像取得モードを利用して、画像間で所望のサブピクセルオフセットを有する、エッジの複数の画像を取得する。次に、画像データは合成され、マシンビジョン検査システムにおいて画像を取得するカメラの本来の分解能により可能なものよりも良好な分解能を提供する。エッジ位置特定モード制御部143mcは、本明細書に開示されるように動作を実行し、エッジ位置特定ツール143el又はツールモードを、どのツール又はモードがアクティブ化されているかに応じて構成し得る。
カメラ系は、高速複数画像取得動作モードを備え、様々な実施形態において、この高速複数画像取得動作モードでは、連続して取得される第1の画像と第2の画像との取得タイミングの差(t2−t1)が最大で50マイクロ秒又は最大で25マイクロ秒、10マイクロ秒、若しくは5マイクロ秒であり、又はカメラ系により可能な場合には5マイクロ秒未満でもあり得る。そのような実施形態では、カメラ系の高速複数画像取得動作モードでは、マシンビジョン検査システム画像に存在する振動の影響を止めるのに十分な程度に(t2−t1)を短くすることができ(例えば、振動歪みが(t2−t1)中に事実上一定であるように)、これは、時間t2及びt1において取得される2つの画像により提供される合成画像データに基づく物体再構築及び測定の精度に関して重要な考慮事項である。さらに、そのような時間(t2−t1)は、2つの対応する画像の取得中に比較的高速での移動を可能にしながら、それらの画像が所望のサブピクセルオフセットを示すことが可能なように十分に短い。例えば、倍率1を用いる場合、(t2−t1)が10マイクロ秒である場合、移動速度0.25m/秒で2.5μmのサブピクセルオフセットを取得し得る。精密マシンビジョン検査システム内の従来のカメラでは、この種の動作を提供することができず、通常、数ミリ秒のフレーム率の提供であったことを理解されたい。しかし、この種の動作を提供し得るいくつかのカメラが利用可能になりつつある。例えば、図7を参照してさらに後述するように動作する場合、ピクセルピッチDp=5.5μmを有するJAI Inc.の型番AM−200CL(米国カリフォルニア州San JoseのJAI Inc.から入手可能な製品及び情報)は、カメラ検出器ピクセルアレイに関連する特別な信号処理機能により、5マイクロ秒のフレーム間隔時間で2つの画像を取得し得る。本明細書に開示される様々な他の機能及び動作と組み合わせて使用されるそのようなカメラは、比較的安価なシステム(例えば、複雑なディザリング構成要素とは対照的に既存の運動制御システム)及びより低レベルの倍率を利用しながら、精密マシンビジョン検査システムの比較的未熟なユーザが、所望レベルの分解能及び精度を取得することができるシステムを提供する。
エッジ位置特定ツール143elに対して、代替の構成が可能である。例えば、標準単一画像取得モード部143si及び高速複数画像取得モード部143fmは、別個のモード制御部143mcを省略し得るように分割モード制御機能を含み得る。あるいは、エッジ位置特定ツール143elは、1つ又は複数の汎用エッジ位置特定ツール要素を提供し得、モード制御部143mcは、標準単一画像ツール挙動が望まれるか、それともサブピクセルオフセットを用いる高速複数画像ツール挙動が望まれるかに応じるように、汎用エッジ位置特定ツール要素のユーザインタフェース及び相互関係を支配する動作を提供し得る。そのような場合、標準単一画像取得モード部143si及び/又は高速複数画像取得モード部143fmの動作を提供する回路、ルーチン、又はアプリケーションは、統合し、且つ/又は区別不能であり得る。特定の実施態様では、モード制御部143mcを利用して、高速複数画像モードに別個のツールを実施し得る。より一般には、本発明は、マシンビジョン検査システム100と併せて動作する任意の現在既知又は後に開発される形態で実施して、サブピクセルオフセット動作を用いる高速複数画像に関連して本明細書に開示される機能を提供し得る。
透過照明光220、落射照明光230及び230’、並びに斜め照明光240のそれぞれの信号線又はバス221、231、及び241はすべて、入出力インタフェース130に接続される。カメラ系260からの信号線262及び制御可能なモータ294からの信号線296は、入出力インタフェース130に接続される。画像データの搬送に加えて、信号線262は、画像取得を開始する信号をコントローラ125から搬送し得る。
1つ又は複数のディスプレイ装置136(例えば、図1のディスプレイ16)及び1つ又は複数の入力装置138(例えば、図1のジョイスティック22、キーボード24、及びマウス26)も、入出力インタフェース130に接続することができる。ディスプレイ装置136及び入力装置138を使用して、ユーザインタフェースを表示することができ、ユーザインタフェースは、様々なユーザグラフィカルインタフェース(GUI)機能を含み得、GUI機能は、カメラ系260により捕捉された画像を閲覧し、及び/若しくはビジョンシステム構成要素部200を直接制御するために、検査動作の実行、並びに/又はパートプログラムの作成及び/若しくは変更に使用可能である。ディスプレイ装置136は、エッジ位置特定ビデオツール143elに関連付けられたユーザインタフェース機能を表示し得る。
様々な例示的な実施形態では、ユーザは、マシンビジョン検査システム100を利用して、ワークピース20のパートプログラムを作成する場合、学習モードでマシンビジョン検査システム100を動作させて、所望の画像取得トレーニングシーケンスを提供することにより、パートプログラム命令を生成する。例えば、トレーニングシーケンスは、代表的なワークピースの特定のワークピース要素を視野(FOV)内に位置決めすること、光レベルを設定すること、フォーカス又はオートフォーカスすること、画像を取得すること、及び画像に適用される検査トレーニングシーケンスを提供すること(例えば、そのワークピース要素に対してビデオツールの1つのインスタンスを使用して)を含み得る。学習モードは、シーケンスを捕捉又は記録し、対応するパートプログラム命令に変換するように動作する。これらの命令は、パートプログラムが実行される場合、マシンビジョン検査システムにトレーニングされた画像取得・検査動作を再現させて、パートプログラム作成時に使用された代表的なワークピースに適合する1つ又は複数の実行モードワークピースのその特定のワークピース要素(対応する位置の対応する要素である)を自動的に検査する。
図3は、画像300内の(例えば、画像ディスプレイ装置上で)より暗い又は陰影付きエリア308の境界においてエッジ305に重なる例示的なポイントツール310の図である。ポイントツール310並びにエッジ検出用の他の種類のビデオツールは、米国特許第7,567,713号により詳細に記載されている。図3では、陰影付きエリア308は、説明のために、画像300内の比較的低強度のピクセルを示すために示される。より詳細に後述するように、ポイントツール310は、画像内のエッジ点の位置を特定するように構成し得、同様の動作が、複数のエッジ点を位置特定する別の種類のツール(例えば、ボックスツール式エッジツール)の動作の根底にあり得る。ポイントツール310のグラフィカルユーザインタフェースは、本体311、エッジセレクタ312、及び極性インジケータ矢印314を含み得る。矢印314は一般に、エッジを横切って明から暗又は暗から明を指して、参照文献に説明されるように、特定の状況でエッジ発見確実性を増大させ得る。図3の図では、本体311は、本体311により画定され、公称では本体311に一致する公称走査線320を曖昧にする。
動作に当たり、ユーザは、ポイントツール310を選択し(例えば、ディスプレイの縁部にあるビデオツールから)、本体311を、エッジに沿った所望の位置において、エッジ要素及びエッジセレクタ312をエッジの可能な限り近くに配置することにより、検出すべきエッジ要素を識別する。ポイントツール本体311は、図3の右上隅に示されるx−y座標系において角度Aで示されるように、エッジを横切る所望の走査線向きを定義し示すような向きを有し得る。図3では、画像ピクセルは、x座標方向に沿った行及びy座標方向に沿った列に配置される。したがって、角度Aは、画像内のピクセル行に対する公称走査線向き角度を示す。矢印314は、エッジ検出に関連付けるべき(例えば、エッジが上昇エッジとして検出されるか、下降エッジとして検出されるか等に関連付けられる)参照方向又は極性に沿って向く。動作に当たり、ポイントツール310が完全に配置されると、基礎をなすエッジ点位置特定ルーチンの命令を実行して、ポイントツール310の本体311に公称では一致する走査線に関連付けられた強度プロファイルデータ点(例えば、ピクセル強度データ)を解析し、基礎をなすエッジ位置を検出する様々な動作を実行する。図4に関してより詳細に後述するように、様々な例示的な実施形態では、ポイントツール310のエッジ点位置特定ルーチンは、走査線に関連付けられた強度プロファイルに沿った微分値に基づいて、エッジ位置を特定し得る。走査線方向が画像ピクセル行及び/又は列方向に厳密に一致する可能性が低いことが理解されるだろう。そのような場合、走査線方向に沿った「ピクセル」位置での画像値は、様々な既知の方法により、周囲の画像ピクセルに基づく補間により特定し得る。前に取得された画像データに基づく所望の線及び/又は方向に沿った補間画像強度の計算は、例えば、Dingに付与された米国特許第7,567,713号において教示されている。
エッジ及び走査線の方向は、従来技術と比較して、本明細書に開示されるシステム及び方法の別の利点に関連する。上述し、より詳細に後述する、増大した空間サンプリング密度(及び関連付けられた合成画像間のサブピクセルオフセット)に関連する方向が、増大した分解能によって撮像し位置が特定されるエッジ要素を、名目上は横断する(例えば、垂直)ことが理解されるだろう。本明細書に開示されるシステム及び方法が、この点に関して特に多用途であることが理解されるだろう(所定の方向に沿ってのみサブピクセルオフセットを提供する従来既知の機械的ディザリング方法とは対照的に)。特に、標準運動制御システムは、任意のエッジを横断する移動方向を提供することができ、カメラの高速複数画像取得動作モードは、所望の分解能改良に最も関連する方向に沿った所望のサブピクセルオフセットを有する画像を取得することができる。
まとめると、一般に、エッジ点は、当該エッジ点に幾何学的形態が合わせることができる、対応する基礎となる画像要素を測定し得る様々なビデオツールにより特定される。ビデオツールの従来の一動作方法では、ツールのタイプ(例えば、ポイント/ボックス/サークル等)に応じて、1つ又は複数の公称走査線が、定義されたツールパラメータに従ってROI内で定義又は生成される。公称走査線毎に、ツールは、公称走査線を近似する強度プロファイルデータポイント位置セットを特定又は選択する。データポイント位置に関連付けられた強度値が特定され、公称走査線に関連付けられた強度プロファイルを定義する。次に、一実施形態では、エッジ検出アルゴリズムは、強度プロファイルに沿った微分値を解析して、例えば、図4を参照してより詳細に後述するように、微分値が最大となる強度プロファイルに沿った位置を見つける。強度プロファイルに沿った最大微分値の位置を使用して、公称走査線に関連付けられた画像内のエッジ点位置を特定する。
図4は、強度プロファイル410に基づいてエッジ位置を特定する1つの例示的な方法を示すグラフ400の図である。図4に示されるように、強度プロファイル410は、走査線(例えば、図3に示される走査線320等)を表す位置に対応する画像ピクセル強度(グレー)値セット425を含む。走査線を表すデータポイント又は位置は、水平軸に沿って0〜50からの「ピクセル番号」として記される。データポイント0から開始して、画像強度値はまず、概ねデータポイント23まで比較的暗い領域を示し、次に、データポイント50まで比較的明るい領域が続く。
微分値426が、強度値425から導出され、これも図4に示される。様々な従来のアルゴリズムが、微分値のピークに対応する水平軸に沿った位置を見つけ、その位置をエッジ位置として識別する。微分値のピークが複数ある場合、ビデオツールエッジセレクタ及び/又は向きインジケータ(例えば、ポイントツール310のエッジセレクタ312及び/又は極性インジケータ314)は、アルゴリズムが所望のピークを識別するのに役立つことができる。図4では、最大微分基準(すなわち、微分値のピーク)は、エッジが概ねデータポイント23にあることを示す。曲線当てはめや重心計算による特定等を含み得る方法を使用することにより、微分値のピークは、強度プロファイルデータポイント間に比較的精密に配置し得、これは一般に、画像内の対応するエッジの位置を特定する際のサブピクセル測定分解能及び再現性をサポートする。
図5〜図8に関してより詳細に後述するように、サブピクセル測定分解能を用いて画像内のエッジの位置を正確に特定するために、画像が十分な空間サンプリング密度を有することが重要である。ある例として、図4を参照すると、図3のエッジ305には、遷移領域に配置された約5つのデータポイント(すなわち、データポイント22〜26)がある。特定の実施態様では、このサンプリング密度は、所望のサブピクセルレベル精度でエッジ305の位置を特定するのに十分な分解能を表す。しかし、より低レベルの倍率が利用される実施態様では、各ピクセルが物体のより大きなエリアに対応し、エリアの中心が離れて離間され、それにより、物体の細かい構造及び/又は鮮鋭なエッジに関連する情報を平均化するか又はなくし得るという点で、撮像された物体のサンプリング密度が低減されることが理解されるだろう。図4の例に関して、半分のみの倍率が利用される(すなわち、ひいてはより大きな視野を生成する)実施態様では、エッジ遷移に対応するピクセル数は低減することになる。特定の実施態様では、このより低いサンプリング密度は、図5に関してより詳細に後述するように、サブピクセル測定分解能を許容不可能な低レベルまで低減させ得る。図6A〜図6Cに関してより詳細に後述するように、サンプリング密度は、複数の画像の利用を通して効率的に増大させ得る。より具体的には、サブピクセルオフセット画像サンプリング動作を利用して、互いにサブピクセルオフセットを有する第1及び第2の画像を取得し得る。次に、2つの画像から特定されたデータを合成して、より高い空間サンプリング密度を有する合成画像を提供し、所望の測定分解能を達成し得る。
図5は、様々な倍率においてエッジのサンプリングを増大させる必要性を示す表500の図である。図5に示されるように、表500は、電動ターレットレンズ倍率係数を示すPT列510、チューブレンズ有効焦点距離を示すチューブEFL列520、全体倍率M列530、対応光学分解能列540、投射1/2ぼやけサイズ列投射1/2ぼやけサイズ列(projected 1/2 blur size column)550、及びカメラピクセルピッチが画像情報の分解能を制限するファクタではないことを保証する、ナイキスト周波数で1/2ピンぼけサイズをサンプリングするために必要なカメラピクセルピッチを示す所要サンプル分離列560を含む。表500の1行目501では、PT列510は値1X(Xは倍を示す)を示し、チューブEFL列520は値100を示し、全体M列530は値5を示し、光学分解能列540は値0.65を示し、投射1/2ぼやけサイズ列550は値3.25を示し、所要サンプル分離列560は値1.63を示す。2行目502では、PT列510は値2Xを示し、チューブEFL列520は値200を示し、全体M列530は値10を示し、光学分解能列540は値0.65を示し、投射1/2ぼやけサイズ列550は値6.50を示し、所要サンプル分離列560は値3.25を示す。3行目503では、PT列510は値4Xを示し、チューブEFL列520は値400を示し、全体M列530は値20を示し、光学分解能列540は値0.65を示し、投射1/2ぼやけサイズ列550は値13.00を示し、所要サンプル分離列560は値6.50を示す。
一般に、表500は、高顕微鏡倍率の場合、物体が一般に検出器によりオーバーサンプリングされ得ることを示す。表500の値は、NA=0.42(EFL=20mm)を有する単一対物レンズの場合の値を表す。特定の例として、ピクセルピッチDp=5.5μmを有する特定の既存のカメラ(例えば、JAI AM−200CL−−米国カリフォルニア州San JoseのJAI Inc.から入手可能な製品及び情報)は、行503において示されるPT4X条件をわずかにオーバーサンプリングする(すなわち、所要サンプル分離列560が、所要値6.50μm以下を示し、ピクセルピッチ5.50μmはこの要件を満たす)。対照的に、このピクセルサイズは、所要ピクセルピッチ及び/又はサンプリング分離がそれぞれ1.63μm及び3.25μm以下である、PT1X及びPT2X条件に関して行501及び502に示される要件を満たさず、ピクセルピッチ5.50μmは大きすぎる。マシンビジョン検査システムで使用される様々な光学構成を、表500に示される構成等と同様であるように特徴付け得、結果を参照のために記憶し得ることが理解されるだろう。次に、特定の実施形態では、複数の画像モードがエッジツールに含まれる場合、エッジツールは、現在の光学構成の特性を評価し、画像データ分解能が光学分解能又はカメラ検出器分解能(すなわち、ピクセルピッチ)により制限されるか否かを判断することができる。カメラ検出器分解能が制限ファクタである場合、潜在的にエッジツールの測定分解能を向上させ得るため、マシンビジョン検査システムのユーザインタフェースは、ユーザに、エッジツールの複数画像動作モードを選択する能力(単に「超分解能」選択等として特徴付け得る)を提供し得る。あるいは、マシンビジョン検査システムは、カメラ検出器分解能が制限ファクタである場合、複数画像動作モードを自動的に選択し得る。この後者の「自動」選択は、パートプログラム全体の文脈内の自動選択を許可するか、又は許可しないユーザにより設定されるグローバル設定にさらに依存し得る。例えば、鮮鋭なエッジ遷移又は非常に細かく離間されたエッジを有さないワークピースの場合、カメラ検出分解能(すなわち、ピクセル間隔)は、カメラ検出器分解能が光学構成要素の分解能と比較して制限ファクタである場合であってもやはり、そのワークピースの要素の空間周波数のサンプリングに適切であり得る。
行503内のPT値4Xは、所望のサンプリング密度を達成するものとして示されるが、特定の実施態様では、視野は、単一画像で所望のエッジ要素のすべてを適宜捕捉することができず、所望よりも高い歪みレベルを有し得、且つ/又は高価すぎて実施できないことがあり得、又はより高倍率のレンズが単に、いくつかのシステム若しくはユーザにとって即座に利用可能ではないことがあり得る。換言すれば、特定の実施態様では、視野、歪みレベル、及び/又はコストファクタにより、ワークピースが望ましくはPT値2X又は1Xよりも高い分解能で撮像し測定される要素及び/又はエッジを含み得る場合であっても、PT値2X又は1Xの利用が要求され得る。図6〜図8に関してより詳細に後述するように、サブピクセルオフセット画像サンプリング動作を利用することにより、複数の画像からのデータを取得し、合成して、上述した理由のいくつかにより望ましいことがある比較的低倍率レベルであっても、所望のサンプリング密度、再現性、及び/又は正確性を達成し得る。
特定の説明のための例として、画像取得シーケンスは、高速複数画像取得動作モードをサポートするカメラ、例えば、ピクセルピッチDp=5.5μmを有する先に言及したカメラ−−JAI Inc.の型番AM−200CL(米国カリフォルニア州San JoseのJAI Inc.から入手可能な製品及び情報)を使用して実行し得る。この特定のタイプのカメラの高速取得シーケンス毎の画像数は2である。図5の行502に示されるものと同様の約2Xアンダーサンプリングされる状況(5.5:3.25)では、一定のステージ速度Vxを指示して、物体においてΔxシフト又はオフセットをもたらすことができ、これは、倍率がMである場合、カメラでの物体のピクセルオフセットの割合1/Lに繋がる。1/2ピクセルオフセットの場合、L=2である。倍率が10であると仮定すると、Δx=Dp/(L*M)=0.275μmである。特定の一例では、フレーム間隔時間Ti及び光パルス時間Tlpはそれぞれ、6マイクロ秒及び4マイクロ秒であり得る。したがって、露光間の有効時間差Tdiff(例えば、移動中の露光に対応する有効位置をラッチする間の時間)を、Tdiff=[0.5Tlp+Ti+0.5Tlp]=10マイクロ秒としてとり得、ファクタ1/2が、光パルスにより定義される露光期間を通る中間点で位置をラッチすることを説明し、露光中の移動による平均ワークピース又は画像位置を表す。したがって、この例では、所望のオフセットを与える所望の速度VxはVx=(0.275μm/10マイクロ秒)=27.5mm/sである。したがって、これらのパラメータを使用して、約1/2Dpだけ変位されたピクセルを有する物体の2つの画像を10マイクロ秒以内で取得し得、それにより、単一画像内のピクセルピッチと比較してエッジの空間サンプリング周波数を約2倍に増大させる。関連する考察は、以下、図7を参照しても提供される。
別の特定の説明のための例として、いくつかのカメラ(例えば、2つのCCDアレイを組み込んだもの)は、ピクセルピッチDp=4.65μmを有する3つの画像を約15マイクロ秒で取得可能な高速複数画像取得モードを有する(例えば、JAI Inc.の型番AD−081CL)。この特定のタイプのカメラの高速取得シーケンス毎の画像数は3である。約3倍のアンダーサンプリング状況の場合(例えば、図5の行501に示されるものと同様に、所望/所要サンプリングステップ1.63μm)、一定のステージ速度Vxを指示して、物体においてΔxシフト又はオフセットをもたらすことができ、これは、倍率がMである場合、カメラでの物体のピクセルオフセットの割合1/Lに繋がる。1/3ピクセルオフセットの場合、L=3である。倍率が5であると仮定すると、Δx=Dp/(L*M)=0.31μmである。特定の一例では、フレーム間隔時間Ti及び光パルス時間Tlpはそれぞれ、1.5マイクロ秒及び4マイクロ秒であり得る。したがって、第1と第2の露光間及び/又は第2と第3の露光間の有効時間差Tdiff(例えば、移動中の2つの順次露光に対応する有効位置をラッチする間の時間)を、Tdiff=[0.5Tlp+Ti+0.5Tlp]=5.5マイクロ秒とでき、ファクタ1/2が、光パルスにより定義される露光期間を通る中間点で位置をラッチすることを説明し、露光中の移動による平均ワークピース又は画像位置を表す。したがって、この例では、3つの画像の間の所望のオフセットを与える所望の速度VxはVx=(0.31μm/5.5マイクロ秒)=56.4mm/sである。
図6A〜図6Cは、サブピクセルオフセット画像サンプリング動作を利用して取得されたエッジの代表的な第1及び第2の画像600A及び600B並びに第1及び第2の画像からの合成データ605Cを概略的に示す図である。図6Aに示されるように、第1の画像600Aは、ワークピースのエッジEG1に対するピクセルアレイPAを示す。ピクセルアレイPAは、7行及び7列のピクセルを含んで示される。ポイントツールPT(例えば、図3のポイントツール310と同様)は、ピクセルアレイPAの中間行のピクセルを横切る走査線を表す。エッジEG1は位置P1に示され、位置P1は、ピクセルアレイPAの左エッジから距離X1のところにある。
画像600Aの下に、強度プロファイル610A(図4の強度プロファイル410と同様)を含むグラフ605Aが示される。強度プロファイル610Aは、ポイントツールPTの走査線を表す位置に対応する画像ピクセル強度(グレー)値セット625Aを含む。走査線からのデータポイントは、各ピクセルに1つずつ、グラフを横切る7つのドットとして示される。左から右へ、画像強度値はまず、1番目から3番目のピクセルで比較的暗い領域を示し、次に、特に5番目から7番目のピクセルの比較的明るい領域が続く。4番目のピクセル(すなわち、中央ピクセル)は、ピクセル強度値E1を有するものとして記され、その他のピクセルの高値と低値との間にあるものとして示され、エッジEG1の遷移値を表す。強度プロファイル610Aがエッジの比較的限られたサンプリングを表すことが理解されるだろう(例えば、複数のピクセルがエッジの遷移領域にある図4の強度プロファイル410とは対照的に)。
図6Bは画像600Bを示し、エッジEG1を有するワークピース及びピクセルアレイPAは、距離ΔXに等しいサブピクセルオフセットだけ互いに相対移動している。換言すれば、エッジEG1が、図6Aでは、ピクセルアレイPAの左エッジから距離X1であった位置P1に配置されたが、図6Bでは、エッジEG1は、方向DIR1に移動し、ピクセルアレイPAの左エッジから距離X2にある位置P2に配置されて示される。距離X1とX2との差が、サブピクセルオフセットΔXである。いくつかの実施形態では、サブピクセルオフセットΔXが1ピクセル未満であることがあり得るが、様々な他の実施形態では、サブピクセルオフセットΔXが、より詳細に後述するようにサンプリング密度を増大させるように、整数のピクセルではない限り、1ピクセルを超えてもよいことが理解されるだろう。
画像600Bの下に、強度プロファイル610Bを含むグラフ605Bが示される。強度プロファイル610Bは、ポイントツールPTの走査線に対応する7つのピクセル値に対応するデータポイントを含む。3番目のピクセルは、エッジEG1の遷移値を表すピクセル強度値E2を有するものとして記される。図6Aの強度プロファイル610Aと同様に、図6Bの強度プロファイル610Bは、エッジEG1の比較的限られたサンプリングを表す。
図6Cは、図6A及び図6Bの強度プロファイル610A及び610Bの合成データを示す強度プロファイル610Cのグラフ605Cを示す。図6Cに示されるように、図6Aからの7個のピクセル強度値及び図6Bからの7個のピクセル強度値に対応する14個のピクセル強度値が示される。したがって、図6Cの14個のピクセル強度値は、個々の画像600A又は600Bのいずれかにより達成されるよりも高いサンプリング密度を表す。したがって、検出器に対して物体のサブピクセルシフトを有する複数の画像を利用することにより(例えば、画像600A及び600Bに示されるように)、エッジのサンプリング密度を増大させ得る。
サンプリング密度を増大させた合成画像データが、格子又はICマスク等の細かい周期性を有する構造を検査する場合に直面し得るような、カメラに拡大された場合ピクセルピッチの2倍よりも密であるエッジのエイリアシングを低減するという利点も有し得ることが理解されるだろう。特定の用途では、周期性を有する要素は、マシンビジョンシステムの光学系により分解することが可能であるが、限られたピクセルサンプリング密度を有するカメラが利用される場合、間隔が狭すぎて、現実的に撮像し、且つ/又は測定することができないことがある。サブピクセルオフセットを有する複数の画像の利用を通してサンプリング密度を増大させることにより、エッジ検出アルゴリズムを利用して、周期性を有する細かいパターンを有する要素のエッジを分解し測定することができる。
図7は、図6A及び図6Bの画像を取得する高速複数画像取得動作モードをサポートするカメラのそのようなモードを使用する1つの例示的なシーケンスを示すタイミング図700である。そのような動作を達成するために、5マイクロ秒までの短いフレーム間隔時間を提供するモードを提供し、2つ、3つ、又はそれを超える高速取得画像(カメラモデルに依存する)の合成が可能な様々な市販のカメラ(例えば、JAI AM−200CL、JAI AD−081CL、PCO PixelFly等)が利用可能である。図7は、そのような1つのカメラ(例えば、短いフレーム間隔時間で2つの画像をもたらす1−CCDを使用するJAIカメラ)で画像タイミングシーケンスを示す。
タイミング図700は、トリガー信号線710、EEN信号線720、露光信号線730、移送ゲート信号線740、及び読み出し信号線750を含む。時間T1において、トリガー信号線710がアクティブ化され、ハイからローになり、EEN信号線720がそれに対応してアクティブ化され、したがって、第1の露光窓EW1が開始される(例えば、様々な実施形態では、4マイクロ秒又は8マイクロ秒のタイミングで)。時間T2において、トリガー信号線710はハイ状態に戻る。時間T3において、露光信号線730が、第1のストローブフラッシュSF1に関連する露光期間を示す。
時間T4において、EEN信号線720は、第1の露光窓EW1の終わりを示し、露光信号線730は、第1のストローブフラッシュSF1に関連する露光期間の終わりを示し、移送ゲート信号線740は第1のフレームFM1の終わり及び第2のフレームFM2の開始を示す。期間(T4−T3)での三角形信号形状は、時間T3に始まり時間T4で終わるストローブ期間中に露光が蓄積されることを示す。フレーム間隔時間(T5−T4)後、第2の露光が時間T5において開始される。フレーム間隔時間(T5−T4)が、高速複数画像取得モードのいくつかの実施形態では、ハードウェア又はファームウェア機能により固定又は制約し得ることが理解されるだろう。したがって、第1の画像を適宜露光し、時間T4における積分期間の終わりと大凡同時に終了するようにストローブ照明を設定し得るように、カメラ積分期間の時間T4の終わりのタイミングを知る(例えば、その積分期間のトリガー時間及びその既知の持続時間に基づいて)ことが望ましいことがあることを理解されたい。これにより、第1の画像の有効露光時間は、第2の画像の取得開始からちょうどフレーム間隔時間だけ離れて終わることになり、それにより、第1の画像の積分期間の全体的な開始及び持続時間は大方、第1の画像と第2の画像との有効時間遅延に関係なくなる。限定ではなく例として、いくつかの実施形態及び/又は用途では、時間(T4−T3)は約6マイクロ秒であり得、フレーム間隔時間(T5−T4)は約1.5〜5マイクロ秒であり得る。
読み出し信号線750は、時間T4における第1の読み出し期間RP1の開始を示す。第1の読み出し期間RP1は、第1のストローブフラッシュSF1に対応する、時間T3とT4との間に信号線730に蓄積される画像露光の読み出しに対応する。時間T5において、EEN信号線720は第2の露光窓EW2(特定の実施態様では、1フレームに対応する)の開始を示し、露光信号線730は、第2のストローブフラッシュSF2の露光期間を示す。時間T6において、露光信号線730は、第2のストローブフラッシュSF2の露光期間が終了することを示す。
時間T7において、読み出し信号線750は第1の読み出し期間RP1の終わりを示す。(T7−T6)は、いくつかの実施形態及び/又は用途では、約16ミリ秒であり得る。時間T8において、EEN信号線720は、第2の露光窓EW2の終わりを示し、移送ゲート信号線740は、第2のフレームFM2の終わり及び第3のフレームFM3の開始を示し、読み出し信号線750は、第2の読み出し期間RP2の開始を示す。第2の読み出し期間RP2は、第2のストローブフラッシュSF2に対応する、時間T5とT6との間で信号線730に蓄積される画像露光の読み出しに対応する。時間T9から始まり、高速複数画像取得動作モードは、所望又は必要の場合、次のストローブフラッシュセットSF3及びSF4並びに対応する次の読み出し期間セットRP3及びRP4を含む別のサイクルに対する準備ができる。
図8は、高速複数画像取得動作モードを利用して第1及び第2の画像を取得し、マシンビジョン検査システムにサブピクセルオフセット画像サンプリング動作を提供するルーチン800の例示的な一実施形態を示す流れ図である。ブロック810において、倍率Mを提供する光学システムを、マシンビジョン検査システムに提供する。ブロック820において、第1のピクセルピッチPを含むとともに、高速複数画像取得動作モードを含むカメラを、マシンビジョン検査システムに提供する。ブロック830において、サブピクセルオフセット画像サンプリング動作を提供し、この動作は、ワークピース及びカメラのうちの一方を互いに相対して第1の速度Sで第1の方向に沿って移動させることを含む第1の画像取得移動を提供することを含む。ブロック840において、サブピクセルオフセット画像サンプリング動作のさらなる一環として、高速複数画像取得動作モードを使用して、画像取得移動中に関心領域の複数の画像を取得する。複数の画像は、少なくとも、第1の時間t1において取得される関心領域の第1の画像と、第1の時間t1より後の第2の時間t2において取得される関心領域の第2の画像とを含み、第1の画像と第2の画像との間にはオフセットOがある。オフセットOはM**(t2−t1)に概ね等しく、マシンビジョン検査システムは、OがnPに等しくないように構成され、nは整数である。
上記から、説明のために、本発明の特定の実施形態について本明細書において説明したが、本発明の範囲から逸脱せずに様々な変更を行い得ることが理解される。例えば、示されたフローチャートを様々な方法で変更し得ることを当業者は理解するだろう。より詳細には、ステップの順序は再構成し得、ステップは並列して実行し得、ステップは省略し得、他のステップを含み得る等である。したがって、本発明は添付の特許請求の範囲以外により限定されない。
10、100 マシンビジョン検査システム
12 ビジョン測定機
14 制御コンピュータシステム
16 ディスプレイ
18 プリンタ
20 ワークピース
22 ジョイスティック
24 キーボード
26 マウス
32 可動式ワークピースステージ
34 光学撮像システム
120 制御システム部
125 コントローラ
130 入出力インタフェース
131 撮像制御インタフェース
132 運動制御インタフェース
132a 位置制御要素
132b 速度/加速度制御要素
133 照明制御インタフェース
133a−133n、133fl 照明制御要素
134 レンズ制御インタフェース
136 ディスプレイ装置
138 入力装置
140 メモリ
140ed エッジ検出メモリ部
141 画像ファイルメモリ部
142 ワークピースプログラムメモリ部
143、143a、143n ビデオツール部
143el エッジ位置特定ツール
143fm 高速複数画像取得モード部
143mc エッジ位置特定モード制御部
143roi 関心領域生成器
143si 標準単一画像取得モード部
170 ワークピースプログラム生成・実行器
190 電源部
200 ビジョン構成要素部
205 光学アセンブリ部
210 ワークピースステージ
212 中央透明部
220 透過照明光
221、231、241、281 バス
230、230’ 落射照明光
232 光
240 表面光
250 交換式対物レンズ
255 ワークピース光
260 カメラ系
262、296 信号線
280 ターレットレンズアセンブリ
284 軸
286、288 レンズ
290 ミラー
294 制御可能なモータ
300 画像
305 エッジ
308 陰影エリア
310 ポイントツール
311 本体
312 エッジセレクタ
314 極性インジケータ矢印
320 走査線
400 グラフ
410、610A、610B、610C 強度プロファイル
425 強度値
426 勾配大きさ値
500 表
510 PT列
520 チューブEFL列
540 対応光学分解能列
550 投射1/2ぼやけサイズ列
560 所要サンプル分離列
600A 第1の画像
600B 第2の画像
605A、605B、605C グラフ
625A 画像ピクセル強度(グレー)値セット
700 タイミング図
710 トリガー信号線
720 EEN信号線
730 露光信号線
740 移送ゲート信号線
750 読み出し信号線
800 ルーチン

Claims (31)

  1. マシンビジョン検査システムにおいて、ワークピース定する方法であって、
    倍率Mを提供する光学系及びピクセルピッチPを含むカメラを前記マシンビジョン検査システムに提供すること
    記ワークピース及び前記カメラのうちの一方を速度Sで移動方向に沿って相対移動させるとともに、関心領域の複数の画像を取得することを含む画像取得移動を提供すること、
    前記複数の画像それぞれにおけるワークピースが一致するように、前記複数の画像を合成すること、
    を含み、前記複数の画像は、
    第1の時間t1において取得される前記関心領域の第1の画像、及び
    前記第1の時間t1より後の第2の時間t2において取得される前記関心領域の第2の画像
    を含み、
    前記第1の画像は、前記第2の画像に対してサブピクセルオフセットOを有し
    前記第1の画像と前記第2の画像は、前記ワークピースの複数のエッジを含み、
    前記画像取得移動は、
    前記複数のエッジのそれぞれの角度を特定すること、
    第1の方向が前記複数のエッジそれぞれの法線から指定された角度の範囲内にある場合、前記第1の方向を前記移動方向とすること、
    を含む、方法。
  2. 前記複数の画像それぞれにおけるワークピースが一致するように、前記複数の画像を処理して前記サブピクセルオフセットを除去し、
    一致した画像データを合成することにより、前記カメラの本来の分解能よりも高い分解能の画像データを提供することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  3. 一致した画像データの合成は、位置ラッチ、移動及びタイミング、又は相関のうちの少なくとも1つに基づく、請求項2に記載の方法。
  4. 前記サブピクセルオフセットOは(n+0.2)P<O<(n+0.8)P(nは整数)の範囲内にある、請求項1に記載の方法。
  5. 前記サブピクセルオフセットOは(n+0.3)P<O<(n+0.7)P(nは整数)の範囲内にある、請求項1に記載の方法。
  6. 前記画像取得移動はエッジツールの複数画像モードに含まれる、請求項1に記載の方法。
  7. 前記エッジツールは単一画像モード及び複数画像モードを含み、前記複数画像モードは、倍率及びユーザ選択のうちの少なくとも一方に基づいて利用される、請求項6に記載の方法。
  8. 前記エッジツールは単一画像モード及び複数画像モードを含み、前記複数画像モード中に撮影される前記第1及び第2の画像からの画像データを合成して、前記単一画像モード中により高倍率でより小さな視野で撮影される単一の画像で得られる分解能に相当するレベルまで分解能を高める、請求項6に記載の方法。
  9. 前記移動方向は、実行モード中のパートプログラム内の移動命令、計算、又は学習モード中のユーザ定義のうちの少なくとも1つにより定義される、請求項に記載の方法。
  10. 前記移動方向を定義することは、前記エッジの角度を特定すること、及び学習モード中に特定されるエッジを横切る前記移動方向を決定することを含む、請求項に記載の方法。
  11. 前記移動方向を定義することは、パートプログラムにおいて前記移動方向を定義することをさらに含む、請求項に記載の方法。
  12. 前記エッジ位置は、前記第1及び第2の画像の合成データに基づいて特定される、請求項に記載の方法。
  13. 前記エッジ位置の特定に利用される合成画像は、前記第1及び第2の画像の合成データに基づいて作成される、請求項12に記載の方法。
  14. 前記合成画像は、学習モード中に表示される、請求項13に記載の方法。
  15. 前記画像取得移動は、前記マシンビジョン検査システムの少なくとも第1の顕微鏡移動軸を利用して提供される、請求項1に記載の方法。
  16. (t2−t1)は最大で50マイクロ秒である、請求項1に記載の方法。
  17. (t2−t1)は最大で5マイクロ秒である、請求項1に記載の方法。
  18. 前記第1及び第2の画像の取得に、前記第1の時間t1及び前記第2の時間t2に関連するタイミングを有するストローブ照明を利用することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  19. 記ピクセルピッチPは、列方向ピクセルピッチPy又は行方向ピクセルピッチPxのうちの少なくとも一方であり、前記サブピクセルオフセットOは、ピクセルピッチPxを有する前記カメラの列方向に沿った成分Ox及びピクセルピッチPyを有する前記カメラの行方向に沿った成分Oyを含む、請求項1に記載の方法。
  20. 前記画像取得移動及び画像タイミングは、前記成分Ox及びOyの少なくとも一方が対応するピクセルピッチに非整数Kを掛けたものとなるように構成される、請求項19に記載の方法。
  21. 前記非整数Kは、(n+0.2)<K<(n+0.8)(nは整数)の範囲内にある、請求項20に記載の方法。
  22. 前記非整数Kは、(n+0.3)<K<(n+0.7)(nは整数)の範囲内にある、請求項20に記載の方法。
  23. 前記画像取得移動は、前記複数のエッジを横切る移動方向を定義することを含み、複数のエッジツールが前記複数のエッジに関して前記関心領域内で利用されていると判断される場合、前記移動方向の決定を支援する選択肢がユーザに提供される、請求項1に記載の方法。
  24. 前記画像取得移動は、前記複数のエッジを横切る移動方向を定義することを含み、学習モードは、
    前記エッジを測定すること、
    前記エッジの角度を特定すること、
    前記エッジの角度に90度を足した角度に等しい角度に前記移動方向を設定すること
    含む、請求項1に記載の方法。
  25. 前記画像取得移動は、前記第1の方向が前記範囲内にない場合、第3の画像を取得する第2の方向を前記移動方向に追加することをさらに含む、請求項1に記載の方法。
  26. ワークピース定するマシンビジョン検査システムであって、
    倍率Mを提供する光学系と
    クセルピッチPを含むカメラと、
    プログラムされた命令を記憶するメモリと、
    前記プログラムされた命令を実行して、動作を実行するように構成されたプロセッサと、
    を含み、前記動作は
    記ワークピース及び前記カメラのうちの一方を速度Sで移動方向に沿って相対移動させるとともに、関心領域の複数の画像を取得することを含む画像取得移動を提供すること、
    前記複数の画像それぞれにおけるワークピースが一致するように、前記複数の画像を合成すること、
    を含み、前記複数の画像は、
    第1の時間t1において取得される前記関心領域の第1の画像、及び
    前記第1の時間t1より後の第2の時間t2において取得される前記関心領域の第2の画像
    を含み、
    前記第1の画像は、前記第2の画像に対してサブピクセルオフセットOを有し
    前記第1の画像と前記第2の画像は、前記ワークピースの複数のエッジを含み、
    前記画像取得移動は、
    前記複数のエッジのそれぞれの角度を特定すること、
    第1の方向が前記複数のエッジそれぞれの法線から指定された角度の範囲内にある場合、前記第1の方向を前記移動方向とすること、
    を含む、マシンビジョン検査システム。
  27. 前記動作は、前記複数の画像それぞれにおけるワークピースが一致するように、前記複数の画像を処理して前記サブピクセルオフセットを除去することをさらに含み、一致した画像データを合成することにより、前記カメラの本来の分解能よりも高い分解能の画像データを提供する、請求項26に記載のマシンビジョン検査システム。
  28. 前記画像取得移動は、前記第1の方向が前記範囲内にない場合、第3の画像を取得する第2の方向を前記移動方向に追加することをさらに含む、請求項26に記載のマシンビジョン検査システム。
  29. 命令が記憶されたコンピュータ可読記憶媒体であって、前記命令は、マシンビジョン検査システム内のプロセッサにより実行可能であり、それにより
    ークピース及びピクセルピッチPを含むカメラのうちの一方を速度Sで移動方向に沿って相対移動させるとともに、関心領域の複数の画像を取得することを含む画像取得移動を提供すること
    前記複数の画像それぞれにおけるワークピースが一致するように、前記複数の画像を合成すること、
    を含む動作が実行され、前記複数の画像は、
    第1の時間t1において取得される前記関心領域の第1の画像、及び
    前記第1の時間t1より後の第2の時間t2において取得される前記関心領域の第2の画像
    を含み、
    前記第1の画像は、前記第2の画像に対してサブピクセルオフセットOを有し
    前記第1の画像と前記第2の画像は、前記ワークピースの複数のエッジを含み、
    前記画像取得移動は、
    前記複数のエッジのそれぞれの角度を特定すること、
    第1の方向が前記複数のエッジそれぞれの法線から指定された角度の範囲内にある場合、前記第1の方向を前記移動方向とすること、
    を含む、コンピュータ可読記憶媒体。
  30. 前記動作は、前記複数の画像それぞれにおけるワークピースが一致するように、前記複数の画像を処理して前記サブピクセルオフセットを除去することをさらに含み、一致した画像データを合成することにより、前記カメラの本来の分解能よりも高い分解能の画像データを提供する、請求項29に記載のコンピュータ可読記憶媒体。
  31. 前記画像取得移動は、前記第1の方向が前記範囲内にない場合、第3の画像を取得する第2の方向を前記移動方向に追加することをさらに含む、請求項29に記載のコンピュータ可読記憶媒体。
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