TWI429876B

TWI429876B - 位置測量裝置和位置測量方法

Info

Publication number: TWI429876B
Application number: TW099119240A
Authority: TW
Inventors: Tomohiko Aki
Original assignee: Smc Kk
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2014-03-11
Also published as: KR20130014466A; DE102010025953A1; US20110007155A1; DE102010025953B4; US9115983B2; CN101943969B; JP5156972B2; KR101342523B1; CN101943969A; JP2011017559A; KR20110004289A; TW201107707A

Description

位置測量裝置和位置測量方法

本發明係關於位置測量裝置和位置測量方法，用來藉由獲取量測目標之表面之影像而測量該量測目標之表面上位置。

為了測量量測目標之長度(於本說明書中，此稱之為量測目標之總長度、量測目標其部分之大小、或位移等)，已經使用一種獲取影像之位置測量裝置。此種位置測量裝置使用由CCD、CMOS影像感測器陣列等製成之影像感測器獲取從量測目標之表面送出之光學影像，並且分析由此種影像獲取(image captaring)所獲得之影像訊號，由此測量該量測目標之長度。

舉例而言，於日本公開專利公報第2002-013948號和於日本公開專利公報第2003-148918號係揭示下述系統，於該等系統中關於量測目標之成像區域被設定得較窄，而使得能夠以高解析度和高準確度測量量測目標之位移。

然而，甚至當使用此種獲取影像之位置測量裝置時，於欲測量具有大測量範圍之量測目標之長度之情況，因為於測量範圍之大小和空間解析度之間發生斟的取捨(trade off)關係，因此可能會發生各種測量困難。詳言之，當影像獲取放大比率(image capturing magnification ratio)小時，雖然整個量測目標能夠被設定於成像區域之內部，但是另一方面，因為成像空間解析度減少，因此不能夠獲得充分的測量準確度。

再者，當使影像獲取放大比率較大時，雖然因為改善了成像空間解析度而能夠獲得良好的測量準確度，但是不能將整個量測目標設定在成像區域之內側。換言之，這是因為影像感測器之能力和裝置之配置有限度而使成像區域和空間解析度有限制之故。

另一方面，雖然能夠考慮增加構成影像感測器之像素之數目並且提供具有大成像區域之配置，但是此將造成位置測量裝置有大尺度並且劇烈地增加其製造成本。

本發明之一般目的係提供一種位置測量裝置和位置測量方法，可以防止增加裝置之尺寸和升高製造成本，同時甚至在量測目標之測量範圍相較於該成像區域為較窄或較寬之情況時，亦能夠測量待測量之量測目標之長度。

本發明之特徵在於一種位置測量裝置，於此位置測量裝置中，具有其尺寸小於量測目標之尺寸之成像區域之影像獲取元件被相對地移動經過該量測目標之表面之上，同時獲取該量測目標之表面上之影像以獲得該成像區域內之影像，以及使用所獲得之在該成像區域內之影像來測量該量測目標之表面上位置。該位置測量裝置包括：擷取單元，用來從預定的時間點之該成像區域內之影像擷取於該量測目標之表面上的圖案；偵測器，用來偵測由該擷取單元所擷取之圖案的位移量，該位移量係發生於預定時間點之後之時間點的該成像區域內之該影像；以及測量單元，用來根據該尺寸和由該偵測器所偵測之該位移量測量於該量測目標之表面上之該位置。

依照本發明，因為設有用來擷取於該量測目標之表面上圖案之該擷取單元，和用來偵側發生於成像區域內之影像中之該圖案之位移量之偵測器，同時該影像感測器相對移動經過大於該影像感測器之成像區域的該量測目標之上，因此能夠根據在該成像區域之內側和外側圖案之位移量而掌握量測目標和成像區域之間的相對位置關係。因此，甚至在量測目標之測量範圍相較於該成像區域為較窄或較寬之情況時，亦能夠測量量測目標之表面上位置。

本發明之另一特徵為一種位置測量方法，於此方法中，具有其尺寸小於量測目標之尺寸之成像區域之影像獲取元件被相對地移動經過該量測目標之表面之上，同時獲取該量測目標之表面上影像以獲得該成像區域內之影像，以及使用所獲得之在該成像區域內之影像來測量該量測目標之表面上位置。該方法包括下列步驟：從預定的時間點之該成像區域內之影像擷取於該量測目標之表面上圖案；偵測由擷取單元所擷取之圖案的位移量，該位移量係發生於該預定時間點之後之時間點之該成像區域內之該影像；以及根據該尺寸和由偵測器所偵測之該位移量測量於該量測目標之表面上之該位置。

依照本發明，因為提供用來擷取於該量測目標之表面上圖案之步驟，和用來偵側發生於成像區域內之影像中該圖案之位移量之步驟，同時該影像感測器相對移動經過大於該影像感測器之成像區域的該量測目標之上，因此能夠根據在該成像區域之內側和外側圖案之位移量掌握量測目標和成像區域之間的相對位置關係，而因此，甚至在量測目標之測量範圍相較於該成像區域為較窄或較寬之情況時，亦能夠測量量測目標之表面上位置。

由下述說明，結合所附之圖式，本發明之上述和其他的目標、特徵、和優點將變得更清楚，而於下述說明中，係僅以例示例子之方式顯示本發明之較佳實施例。

如第1圖中所示，位置測量裝置10裝備有：感測器頭12，該感測器頭12獲取從量測目標之表面射出之光學影像；影像處理器14，用來執行由該感測器頭12所獲得之二維影像訊號(下文中僅稱之為影像訊號)所相關之所希望之影像處理；以及電纜16，使得該感測器頭12與該影像處理器14之間能夠進行電性連通，而該電纜16能夠從該影像處理器14供應電力至該感測器頭12。

再者，影像處理器14電性連接至其為外部裝置之上層控制器18。該上層控制器18例如由可程式邏輯控制器(programmable logic controller，PLC)組構成，該上層控制器18發送各種類型之命令至該影像處理器14，並且控制配置在該感測器頭12下方之輸送器20之驅動。

輸送器20包括圓柱狀驅動滾輪21、受驅動滾輪22、和寬形傳動帶(band-shaped belt)24，該寬形傳動帶24連串於驅動滾輪21和受驅動滾輪22之間。驅動滾輪21透過上層控制器18之操作旋轉於實線箭號之方向(參看第1圖)，而使得傳動帶24移動於空心箭號(參看第1圖)之方向，同時使安裝於輸送器20上之工件(量測目標)26傳輸於空心箭號之方向。

位置測量裝置10之感測器頭12固定配置在輸送器20上方，並使其成像表面28朝向傳動帶24之側。此時，感測器頭12之成像區域30被設定於安裝在輸送器20上之工件26之表面32。

其次，參照第2圖(其顯示依照本實施例之位置測量裝置10之功能方塊圖)，說明關於感測器頭12和影像處理器14。

感測器頭12包括照明單元34、影像獲取部36、通訊單元38、和感測器頭控制器40。

照明單元34由燈構成，其發射照明光46朝向設置在工件26之表面之成像區域30。可以藉由未顯示之照明開關導通和關斷該燈。

影像獲取部36包含：影像獲取元件(影像感測器)50，用來將由工件26之表面32所反射並入射於成像表面28之反射光48(工件26之反射光學影像)轉換成影像獲取訊號；以及訊號處理器52，用來放大影像獲取訊號並且以與來自感測器頭控制器40之時序控制訊號同步之方式輸出該訊號至感測器頭控制器40。影像獲取元件50例如可以由光二極體陣列、CCD、CMOS影像獲取元件等構成。

未顯示之成像光學系統配置在工件26與影像獲取元件50之間之中介位置，該成像光學系統能夠改變照射至工件26之表面32上成像區域30之尺寸，亦即，成像放大比率。再者，藉由成像光學系統，實施適當的光學路徑調整，而使得影像失真不發生於由影像獲取元件50所獲得之影像獲取訊號。

依照來自感測器頭控制器40之命令，通訊單元38實施與影像處理器14之通訊。於此情況，透過使用低電壓差動供給訊號(low voltage differential signaling,LVDS)，能夠抑制能量消耗，並且能夠施行強固或者對雜訊有抗性之高速訊號傳輸。

影像處理器14裝備有通訊單元54、儲存單元56、影像處理單元58、操作單元60、顯示器62、外部通訊單元64、外部通訊單元66、和控制器68。

通訊單元54跟隨著來自控制器68之命令而實行與感測器頭12之相互通訊。儲存單元56包括：影像記憶體70，用來儲存獲自感測器頭12之影像訊號；隨機存取記憶體(RAM)71，用來暫時儲存用於影像處理等之各種參數；和電氣可抹除可程式唯讀記憶體(EEPROM)72，用來儲存固有資料，包含感測器頭12之識別號碼、感測器靈敏度特徵等。

影像處理單元58包括由軟體和硬體構成之擷取單元74、決定單元75、偵測單元76、計算單元77、和測量單元78。

操作單元60由未顯示之開關和操作按鈕等構成，該等開關和操作按鈕用來作各種不同的設定。顯示器62例如由LCD面板構成，於該顯示器上顯示了相關於測量狀況和/或測量結果之各種數值等。

二個外部通訊單元64、66係設置成能夠連接至外部裝置。舉例而言，外部通訊單元64、66能夠被連接至上層控制器18，以用它來發送/接收命令和各種資料，或者連接至外部個人電腦(PC)(未顯示)，或者連接至另一個未顯示之影像處理器14，以用於數據通訊。此種通訊不僅僅限制於一般的通訊標準，譬如USB 2.0、IEEE1394、RS-232等)，而且亦能夠使用單獨用於影像處理器14之其他通訊標準。

於第1和第2圖中，影像處理器14經由外部通訊單元66連接至上層控制器18。

控制器68施行整個影像處理器14之一般廣泛的控制，包含用於控制通訊單元54、儲存單元56、影像處理單元58、操作單元60、顯示器62、和外部通訊單元64、66之控制功能。

於位置測量裝置10中，顯示於第1圖中之感測器頭12和影像處理器14被設置成分離之個別的單元。或可取而代之，感測器頭12和影像處理器14可以整體構成。於此情況，可以採用密實的結構，以用於分配通訊單元38和通訊單元54。

依照本實施例之位置測量裝置10基本上如上述構成。其次，將參照第4圖中所示流程圖說明位置測量裝置10之操作。

首先，用作為量測目標之工件26已安裝在輸送器20上後，實施位置測量裝置10之感測器頭12(參看第1圖)之位置和姿態調整。如第2圖中所示，使用者實施操作單元60之未顯示之照明開關之導通/關斷(ON/OFF)操作，而透過操作單元60、控制器68、通訊單元54、電纜16、和通訊單元38而對感測器頭控制器40進行用來導通和關斷照明單元34之命令。藉由感測器頭控制器40之導通和關斷控制而實施照明單元34之所希望之操作。因為來自照明單元34之照明光46發射朝向工件26之表面32，因此在使用者調整感測器頭12之位置和姿態時能夠確定成像區域30之位置。

如第1圖和第3A至3C圖中所示，從右邊，或者詳言之依照本實施例從傳輸方向之下游側，依次配置圓形凹槽82、三角形凹槽84、方形凹槽86、和另一種圓形凹槽88於工件26之表面32。於第3A圖中，顯示位置測量裝置10實施測量之前之狀況(初始狀況)。圓形凹槽82存在於成像區域30之實質中央部分，而三角形凹槽84之一部分存在於成像區域30之左側邊緣。

若有形成對比之密度之圖案存在於工件26之表面32上而作為影像，則即使特定化的溝槽(譬如那些具有三維形狀之溝槽)不存在，仍然能夠應用本發明之特徵。

如第1圖中所示，當驅動滾輪21旋轉於箭號方向時，傳動帶24以滑動方式移動於空心箭號方向，並且安裝於輸送器20之傳動帶24上之工件26亦傳輸於空心箭號之方向。藉由工件26之此種傳輸操作，工件26與成像區域30之間之位置關係從第3A圖中所示之初始狀態經過時間連續改變至第3B和3C圖中所示之狀態。

當以此種方式施行時，當由於輸送器20之傳輸操作而使面積較成像區域30為大之工件26之表面32相對移動的時候，能夠藉由感測器頭12而獲取工件26之表面32上之各凹槽(圓形凹槽82等)之影像。

下文中，參照第4圖中之流程圖，將詳細說明關於使用依照本發明之位置測量裝置10來測量工件26之長度之測量方法。

[步驟S1]

當使用者按壓第2圖中所示之操作單元60之測量起始按鈕(未顯示)時，起始影像獲取之請求係經由操作單元60、控制器68、通訊單元54、電纜16、和通訊單元38而被通知至感測器頭控制器40。其後，感測器頭控制器40發出影像獲取命令至影像獲取部36。

首先，於時間t=0獲得影像訊號(步驟S1)。詳言之，獲得一影像訊號，其顯示於時間t=0於成像區域30內之影像I(0)。

於此情況，用來形成工件26之反射光學影像之反射光48被導向成像表面28，而於未顯示的成像光學系統中已作適當的光學路徑調整後，藉由影像獲取元件50在成像區域30之範圍內實施光電轉換，並且發出影像訊號。此影像訊號與來自感測器頭控制器40之時序控制訊號同步並被放大，且該影像訊號被供應至感測器頭控制器40。其後該影像訊號被供應至通訊單元38，並且經由電纜16、通訊單元54、和控制器68而儲存於影像記憶體70中。

以此種方式，如第5A圖中所示，獲得成像區域30內之影像I(0)(亦參看第3A圖)。如第6A圖中所示，於表示成像區域30內之影像I(0)之影像訊號中，各像素(64垂直，64水平)之色階數(gradation number)係由256色階(8位元)構成。為了方便起見，分別將垂直方向之像素數目從-31至32予以標記，和將水平方向之像素數目亦從-31至32予以標記。

[步驟S2]

其次，設定從成像區域30內之影像I(0)而來之目標位置P₀ 。(步驟S2)。

於儲存於影像記憶體70中之影像訊號之間，讀出代表在該成像區域30內之影像I(0)之影像訊號(參看第5A圖)，而擷取單元74從影像I(0)內擷取於工件26之表面上的圖案。依照本實施例，為了特定出由擷取單元74所擷取之圖案之位置，作為代表性位置，而決定圓形凹槽82之中央位置並且將之設定為目標位置P₀ 。

舉例而言，使用如第6B圖中所示之二維(x-y)座標系統，並定義成像區域30內各像素之對應位置。將座標系統之尺度定義成使得於各X軸和y軸方向之一個刻度對應於像素大小之大小(亦即，具有等於一個像素尺寸之尺寸)。

當以此種方式定義時，對應於第6A圖中所示像素90、92、94、96、和98之二維座標分別為(0,0)、(32,32)、(-31,32)、(-31,-31)、和(32,-31)。

如第5A圖中所示，因為於時間t=0，圓形凹槽82實質存在於影像I(0)之中央位置，因此圓形凹槽82被擷取作為圖案。此時，如上面所提及者，目標位置P₀ 被設定於原點(0,0)，該原點(0,0)對應於圓形凹槽82之中央位置。隨此，目標位置P₀ (0,0)之座標係儲存於儲存單元56中(例如，RAM 71)。

[步驟S3]

其次，於時間t=1獲得影像訊號I(1)(步驟S3)。詳言之，獲得一影像訊號，其顯示於時間t=1於成像區域30內之影像I(1)。

於時間t=1，感測器頭控制器40對於影像獲取部36發出影像獲取命令，以及表示最新獲取的影像訊號I(1)之影像訊號係儲存在影像記憶體70中。這些操作本質上相同於上述已經說明者，而因此省略其詳細說明。

以此種方式，獲得成像區域30內之影像I(1)，如第5B圖中所示。雖然影像獲取週期Δt可能設定為任何視需要選擇之值，但是為了輔助說明，於本說明書中影像獲取週期Δt假定是1。再者，不用說，本發明亦能夠應用於影像獲取週期Δt不為固定值之情況，或者換言之，當連續獲取的影像之間之時間間距為不規則時亦能應用本發明。

[步驟S4]

其次，從成像區域30內之影像I(1)尋找目標位置P₀ (步驟S4)。

於儲存於影像記憶體70中之影像訊號之間，讀出對應於該影像I(1)之影像訊號(參看第5B圖)，且該偵測單元76從影像I(1)內偵測目標圖案P₀ 。

作為用來確認二個影像I(1)和I(0)之間預定的共同位置(或者共同區域)之方法，能夠採用其已為熟知技術之基於區域之匹配方法(region-based matching)。

第7A和7B圖為顯示基於區域之匹配方法之例子之示意圖。

如第7A圖中所示，具有預定大小之區域(例如，16×16像素區域)係預先被擷取和儲存在儲存單元56(例如，RAM 71)中做為樣板100，其中，在該區域中目標位置P₀ 是在影像I(0)之中央。另一方面，從成像區域30內之影像I(1)切出關注區域102，在該區域中，係以視需要選擇之位置(例如，於第7A圖中，於成像區域30之中央右側)作為中心。關注區域102之像素大小(垂直和水平像素數目)匹配樣板100之像素大小。

藉由使正規化交互相關性(Normalized Cross Correlation,NCC)操作器104作用於樣板100和關注區域102，而計算NCC值，該值用作為指示二個比較影像間之相似性程度之指標。因為此技術已為影像處理領域所熟知，因此將省略本發明之此特徵之詳細說明。

於第7A圖中，因為關注區域102極近似於樣板100，因此顯示大的NCC值。另一方面，於第7B圖中，係切出關注區域106，於該區域106中，成像區域30內之影像I(1)之視需要選擇之位置(例如，於第7B圖中，該成像區域30之中央左端)被採用為中心，而由於關注區域106不極近似於樣板100，故顯示了小的NCC值。

以此種方式，關注區域102之中央位置(對於此區域102而言，來自成像區域30內之影像I(1)之間之NCC值為最大)能夠被假定為影像I(1)中目標位置P₀ 。

第8A和8B圖為顯示基於區域之匹配方式之另一例子之示意圖。

於第8A和8B圖中，藉由使絕對差之和(Sum of Absolute Difference,SAD)操作器108作用於樣板100和關注區域102、106(該二個區域以如上述方式被切出)，而計算SAD值，該值用作為指示二個比較影像之間差異性程度之指標。因為此技術已為影像處理領域所熟知，因此將省略本發明之此特徵之詳細說明。

於第8A圖中，因為關注區域102極近似於樣板100，因此顯示小的SAD值。另一方面，於第8B圖中，係切出關注區域106，於該區域106中，成像區域30內之影像I(1)之視需要選擇之位置(例如，於第8B圖中，該成像區域30之中央左端)被採用為中央，而因為關注區域106不極近似於樣板100，故顯示了大SAD值。

以此種方式，關注區域102之中央位置(對於此區域102而言，來自成像區域30內之影像I(1)之間之SAD值為最小)能夠被假定為影像I(1)內之目標位置P₀ 。

第9圖為顯示從成像區域30內之目標位置P₀ 之位移量之示意圖。當計算於步驟S4中對於位置P₀ 之搜尋結果時，當捨棄小數點右邊之數字，而使P₀ (t=0)=(0,0)和P₀ (t=1)=(14,0)的時候，該目標位置P₀ 之位移量變成向量值ΔP₀ =(14,0)。

因為表示影像I(t)之影像訊號由不連續的資料構成，因此目標位置P₀ 之座標能夠僅由像素之整倍數(換言之，整數)表示。然而，藉由使用子像素估算(sub-pixel estimation)，能夠表示超過像素解析度之座標值。

於此情況，“子像素估算”意指一種位置估算方法，於此方法中，當座標由不連續的資料表示時，實際上引入有理數。結果，能夠以人為方式改善空間解析度，並且能夠防止發生量化誤差。

其次，將說明有關子像素估算之詳細例子。首先，決定關於影像訊號之各像素之中央位置的NCC(或SAD)值，然後擷取於其最大(或最小)值之附近的3像素乘3像素區域。NCC(或SAD)相關於x軸之傾向(三對之資料)被插置於二維曲線中，以及計算對應於二維曲線之軸之位置(像素之有理數值)，而予以決定作為目標位置P₀ 之x軸座標。相似情況，NCC(或SAD)相關於y軸之傾向(三對之資料)被插置於二維曲線中，以及計算對應於二維曲線之軸之位置(像素之有理數值)，並且予以決定作為目標位置P₀ 之y軸座標。以此種方式，能夠決定目標位置P₀ 之x和y座標。

於使用子像素估算之事件中，於第9圖中所示目標位置P₀ 之搜尋結果為P₀ (t=0)=(0,0)和P₀ (t=1)=(14.5,0)，而該目標位置P₀ 之位移量具有較高之準確度而變成向量值ΔP₀ =(14.5,0)。

再者，在本實施例中之子像素估算未限制於上述方法，而亦可以採用各種其他類型之方法。

[步驟S5]

其次，實施判斷以決定是否對應於目標位置P₀ 之位置存在於成像區域30內之影像I(1)中(步驟S5)。此判斷藉由決定單元75(參看第2圖)根據於步驟S4中目標位置P₀ 之搜尋結果而實施。

舉例而言，於成像區域30內之影像I(1)中之相關於目標位置P₀ 之圖案(圓形凹槽82)的一部份有欠缺之情況，當藉由上述基於區域之匹配方式實行搜尋計算時，無論是否目標位置P₀ 現正存在於成像區域30內，有可能搜尋失敗。

於此種情況，可注意到一件事情：由擷取單元74所擷取之圖案(圓形凹槽82)可能在獲取次一個影像時錯過成像區域30，此可被包含於目前該圖案不存在於成像區域30內之影像I(1)之判斷。

[步驟S6]

於判斷對應於目標位置P₀ 之位置存在於成像區域30內之影像I(1)中之情況，計算用以指示目標位置P₀ 從影像I(0)至影像I(1)之位移量之向量ΔP₀ (步驟S6)，並且將其值儲存於儲存單元56(例如，RAM 71)中。此計算由第2圖中所示計算單元77所實行。

[步驟S7]

其次，測量構成量測目標之工件26之表面32上的預定長度(步驟S7)。於後文中將說明施行此步驟之方法的詳細內容。

[步驟S8至S9]

其次，施行影像獲取結束判斷(步驟S8)。於使用感測器頭12繼續進行影像獲取而未由硬體或軟體中斷方式發出影像獲取結束命令之情況，係等待預定之時間週期直到其變成可能獲取表示下一次(t=2)影像I(2)之影像訊號為止(步驟S9)。

只要對應於目標位置P₀ 之位置存在於成像區域30內之影像I(1)內，便由此點往前進行，繼續影像之獲取，並且重複步驟S3至S9。

[步驟S10]

其後，如第3B圖中所示，於預定之時間t，於第一次決定對應於目標位置P₀ 之位置不存在於成像區域30內之影像I(1)中之情況，則從成像區域30內之影像I(1)設定不同於目標位置P₀ 之新的目標位置P₁ (步驟S10)。如第2圖中所示，從儲存於影像記憶體70中之影像訊號之間，讀出對應於影像I(0)之影像訊號，並且藉由擷取單元74從影像I(0)之內擷取工件26之表面32上之新的圖案。相似於步驟S1，決定目標位置P₁ 並且將之設定為由擷取單元74所擷取之新的圖案之代表性位置，以及隨此，將新的目標位置P₁ 之座標儲存於該儲存單元56中(例如，RAM 71)。

其次，參照第10圖之流程圖而詳細說明有關從成像區域30內之影像I(t)設定不同於目標位置P₀ 之新目標位置P₁ 之方法。

首先，根據像素值分佈而實行候選位置之擷取(步驟S101)。

於新設定之目標位置P₁ 的鄰近區域擁有整體平均像素值之情況，搜尋在成像區域30內之影像I(t)中之目標位置P₁ (第4圖中所示步驟S4)將是極為困難的。因此，將較有可能進行搜尋之位置(亦即，鄰近像素之像素值之變動比較大之位置)被擷取為目標位置P₁ 之候選位置{Q_j }。

於本文中，考慮到一種情況，其中，存在複數個個別(M)候選位置，而此種候選位置之群組係記註為{Q_j }(j=1、2、…、M)。

如第11圖中所示，採取成像區域之中心像素(0,0)作為開始點，連續計算位於四個箭號(S_E 、S_N 、S_W 、S_S )之方向之各像素所相關之影像特性值，而其像素特性值首次超過預定值之像素係被選擇作為候選位置。於此情況，像素特性值被定義為估算值，該估算值伴隨鄰近像素之像素值變動之增加而變得較大。舉例而言，關注區域(定義為第7圖中所示之關注區域102等)內之標準偏差，或者於關注區域內之像素值與其平均值之間的訊號值差異之總和等，係能夠使用為像素特性值。

因為三角形凹槽84存在於S_E 箭號之方向，而方形凹槽86存在於S_W 箭號之方向，因此其間之重心(重力中心)位置被選擇為候選位置。另一方面，關於從中心像素(0,0)而來之箭號S_N 和S_S 之方向，因為至成像區域30之邊界附近為止的像素值(對於該等值計算有關各像素之像素特性值)係均勻的，因此完成計算，並推斷出候選位置Q_j 不在其內。

若採用上述方法，相較於對於成像區域內所有的像素計算像素特性值之情況，能夠顯著地減少用於處理所需之算術操作量。以此種方式實施，最大擷取四個(於第11圖中顯示為二個)候選位置{Q_j }。

其次，調查前面的目標位置P₀ 和該候選位置{Q_j }之間之位置關係(步驟S102)。

重要者為，前面的目標位置P₀ 和於此刻設定之目標位置P₁ 一起存在於成像區域30內之至少一個影像I(t)內。否則，不能夠確認目標位置P₀ 與目標位置P₁ 之間之相互位置關係。因此，對於在步驟S101中擷取之所有的候選位置{Q_j }，首先調查是否目標位置P₀ 與候選位置{Q_j }二者一起存在於成像區域30內之至少一個影像I(t)內。

使用目標位置P₀ 肯定存在於成像區域30內之影像I(t-1)內的事實，能夠採用一種方法以決定是否候選位置{Q_j }亦存在於成像區域30內之影像I(t-1)內。於此情況，能夠使用上述說明之基於區域之匹配技術。

最後，從候選位置{Q_j }之中選擇一個位置，並將新的目標位置P₁ 設定於上述之一個位置(步驟S103)。舉例而言，於一個個別的候選位置{Q_j }存在於成像區域30內之影像I(t-1)內之情況，目標位置P₁ 被設定於該候選位置。於複數個個別的候選位置{Q_j }存在於成像區域30內之影像I(t-1)內之情況，目標位置P₁ 被設定於下述之一個候選位置，亦即，對於該一個候選位置而言，其影像特性值於該複數個候選位置{Q_j }之中為最大。

以此種方式，能夠從成像區域30內之影像I(t)設定不同於目標位置P₀ 之新的目標位置P₁ 。

[步驟S11]

其次，計算其為目標位置P₀ 之追蹤位移量之向量P₀ P₁ (步驟S11)。此計算係於第2圖中所示之計算單元77中實施。

依照本實施例，因為將目標位置P₁ 設定成使得目標位置P₀ 與P₁ 二者存在於成像區域30內之影像I(t-1)內，因此能夠容易決定向量P₀ P₁ 。以此種方式，藉由實施步驟S10和步驟S11，對於現時目標位置P₀ (一般式：P_i )設定新的目標位置P₁ (一般式：P_i+1 )。

其次，施行終止影像獲取之判斷(步驟S8)。於此刻，於繼續影像之獲取而沒有終止該影像獲取之命令的情況，係維持預定的時間直到下一個時間(t+1)為止，而於此期間係能夠從成像區域30內獲得影像I(t+1)(步驟S9)。

[步驟S7之詳細說明]

如上述討論，在正在施行影像獲取的同時(其為即時獲取)，於用作為量測目標之工件26之表面32上測量預定的長度(步驟S7)。下文中，參照第12圖中之流程圖，將更詳細說明測量方法。

使用依照本實施例之位置測量方法，(N+1)個個別的目標位置(N為正整數)，或者更詳言之，位置P₀ 至P_N 係被設定於工件26之表面32(參看第13圖)。讀出儲存於第2圖中所示之RAM 71中的追縱位移量向量{P_i P_i+1 }之資料，並且根據此資料，藉由測量單元78實施長度測量。

首先，指定定義長度測量開始點之第一點X₁ 和定義長度測量結束點之第二點(步驟S71)。作為指定此等點之一個例子，使用者能參照顯示於第2圖中之顯示器62上之影像，而藉由譬如GUI等之設定機構，設定第一點X₁ 和第二點X₂ 。再者，可以施用使得能夠區別在工件26之表面32上之開始點和結束點之標記。在開始長度測量之前，使用者通常事前設定第一點X₁ 作為長度測量之開始點。

其次，於第一點X₁ 之附近決定目標位置P_m (0≦m≦N)(步驟S72)。其中，第一點X₁ 和目標位置P_m 二者必須存在於成像區域30內至少一個影像I(t)中。假設有符合此條件之目標位置P_m ，則可以選擇任何位置。

其次，計算定義第一點X₁ 和目標位置P_m 之間之相對位置之向量X₁ P_m (步驟S73)。因為第一點X₁ 和目標位置P_m 二者於預定的時間t₁ 存在於由成像區域30內之影像I(t₁ )所表示之區域內，因此能夠容易決定向量X₁ P_m 。

其次，於第二點X₂ 之附近(步驟S74)決定目標位置P_n (0≦m＜n≦N)。其中，第二點X₂ 和目標位置P_n 二者必須存在於成像區域30內之至少一個影像I(t)中，。假設有符合此條件之目標位置P_n ，則可以選擇任何位置。

其次，計算定義第二點X₂ 和目標位置P_n 之間之相對位置之向量X₂ P_n (步驟S75)。因為第二點X₂ 和目標位置P_n 二者於預定的時間t₂ 存在於由成像區域30內之影像I(t₂ )所表示之區域內，因此能夠容易決定向量X₂ P_n 。

最後，計算第一點X₁ 和第二點X₂ 之間之位移向量(步驟S76)。由下列方程式(1)決定位移向量X₁ X₂ 。

以此種方式，目標位置{P₁ }(其為由擷取單元74(第2圖)所擷取之圖案之代表位置)係作用為追蹤點。結果，在其中有至少一個目標位置存在之影像內的視需要選用的位置能夠由上述方程式(1)表示。

最後，藉由相對於x軸位移量和y軸位移量(其定義像素數目之單位)乘上影像大小(1像素之尺寸)，而能夠決定實際尺寸之長度。再者，能夠根據影像獲取放大比率(其設定在未顯示之成像光學系統中)以及影像獲取元件50之解析度(其為已知者)而計算像素大小。

而且，在測量該長度之前，藉由取得高精確參考目標物之影像(其大小為已知)、測量像素數目、和從已知大小劃分像素數目，則能夠決定像素大小。

再者，若事前設定第一點X₁ 之位置(其為測量開始位置)，則仍然能夠實現上述之位置測量方法，即使為下述之組構亦然，亦即，在該組構中，僅代表影像I(t)(其為用以特定目標位置{Pi}所必須者)之影像訊號可以被儲存於儲存單元56之影像記憶體70中，而不儲存代表其他影像I(t)之影像訊號(亦即，其他影像I(t)於對其實施預定的影像處理之後便被毀壞)。於此情況，存在較理想的狀況為能夠減少儲存單元56之記憶體容量，並且減少存取記憶體之次數。

依照本發明之位置測量裝置和位置測量方法不限於上述實施例，可以採用各種的替代或額外的特徵和結構而不會偏離本發明之本質和範圍。

舉例而言，雖然於本實施例中，採用下述結構，亦即，照明光46係從工件26之表面32反射，並從該表面之反射光影像係由影像獲取元件50獲取；但是亦可以使用自然光，或者藉由影像獲取元件50獲取射出自量測目標物其本身之光學影像。

再者，影像獲取元件50能夠由單色感測器(亦即，具有單一光接收波長特性之感測器元件)或者彩色感測器(亦即，具有多種類型光接收波長特性之感測器元件)構成。於此種情況，影像處理器14能夠實施適合於所獲得之影像訊號之資料類型之通訊和影像處理。

再者，雖然於本實施例中顯示了下述情況，亦即，感測器頭12之位置和姿態為固定，以及安裝在輸送器20上之工件26在輸送器20上傳輸而移動；但是使感測器頭12在工件26之表面32上方相對移動之方式不限於此種情況。舉例而言，亦可以藉由使感測器頭12相對於工件26之表面32平行移動同時使工件26保持於固定位置，而實施影像獲取。再者，量測目標其本身可以包含驅動機構，由此獲取移動之量測目標之影像。

再者，假設一種將已知的習知影像辨識處理技術加入影像處理單元58中的組構，則不僅能實施二維長度測量，而且也能夠實施形狀區別和顏色區別處理。

再者，於依照本發明之位置測量裝置和位置測量方法中，不僅可應用二維座標(X,Y)，而且也可以應用三維座標(X,Y,Z)。於此情況，能夠藉由偵測圖案之放大/縮小比率而實現z軸之位移偵測。

再者，如果在二個視需要選擇的點作位置測量，則能夠唯一地決定它們的長度、三維位移、和角度(關於第三位置之角度位移)。因此，依照本發明之位置測量裝置和位置測量方法不僅可用作為長度測量感測器和位移感測器，而且亦能夠應用為角度感測器、速度感測器等。

10．．．位置測量裝置

12．．．感測器頭

14．．．影像處理器

16．．．電纜

18．．．上層控制器

20．．．輸送器

21．．．圓柱狀驅動滾輪

22．．．受驅動滾輪

24．．．寬形傳動帶

26．．．工件(量測目標)

28．．．成像表面

30．．．成像區域

32．．．工件表面

34．．．照明單元

36．．．影像獲取部

38、54．．．通訊單元

40．．．感測器頭控制器

46．．．照明光

48．．．反射光

50．．．影像獲取元件(影像感測器)

52．．．訊號處理器

56．．．儲存單元

58．．．影像處理單元

60．．．操作單元

62．．．顯示器

64、66．．．外部通訊單元

68．．．控制器

70．．．影像記憶體

71．．．RAM

72．．．EEPROM

74．．．擷取單元

75．．．決定單元

76．．．偵測單元(偵測器)

77．．．計算單元

78．．．測量單元

82、88．．．圓形凹槽

84．．．三角形凹槽

86．．．方形凹槽

90、92、94、96、98．．．像素

100．．．樣板

102、106．．．關注區域

104．．．正規化交互相關性(NCC)操作器

108．．．絕對差之和(SAD)操作器

I(0)、I(1)、I(t)．．．影像訊號

P₀ ．．．目標位置

ΔP₀ ．．．向量值

S_E 、S_N 、S_W 、S_S ．．．像素之影像特性值

第1圖為依照本發明之實施例之位置測量裝置之外觀透視圖；

第2圖為依照本發明之實施例之位置測量裝置之功能方塊圖；

第3A至3C圖為顯示量測目標與成像區域之間之位置關係之外觀前視圖；

第4圖為依照本發明之實施例執行位置測量方法之流程圖；

第5A圖為顯示於成像區域內之影像於時間t=0時之示意圖；

第5B圖為顯示於成像區域內之影像於時間t=1時之示意圖；

第6A圖為表示成像區域內之影像的影像訊號之說明圖；

第6B圖為表示成像區域內之各像素之對應位置之說明圖；

第7A和7B圖為顯示基於區域之匹配方式之例子之示意圖；

第8A和8B圖為顯示基於區域之匹配方式之另一例子之示意圖；

第9圖為顯示從成像區域內之目標位置之位移量之示意圖；

第10圖為相關於用來從成像區域內之影像設定更新之目標位置之方法之流程圖；

第11圖為關於從成像區域內側選擇候選位置之方法之說明圖；

第12圖為相關於用來測量量測目標之長度之方法之流程圖；以及

第13圖為表示設定於量測目標之前表面上之目標位置之位置關係之外觀前視圖。