TWI510755B - 光譜共焦感測器校準系統及方法 - Google Patents

Description

光譜共焦感測器校準系統及方法

本發明涉及一種光譜共焦量測方法，尤其涉及一種光譜共焦量測中的感測器校準系統及方法。

當前，影像量測（VMS）機台因其量測精度有限，無法準確達到立體效果。尤其是Z軸量測精度更是一大難題，且無法完成如鏡面、透明材料以及流體等特殊形體的量測。因此，如何提高VMS機台的量測範圍與Z軸量測精度成為當務之急。

鑒於以上內容，有必要提供一種光譜共焦感測器校準系統及方法，在當前影像量測機台的基礎上搭配一個光譜共焦系統，透過多色光的光譜進行量測。由於特殊的量測方式，使得影像量測機台具有精度高、量測速度快等特點，並可對鏡面、透明材料以及流體等特殊形體進行量測。

所述光譜共焦感測器校準系統運行於電子裝置中。該系統包括：設置模組，用於設置與影像量測機台連接的光譜共焦感測器的類型；初步校準模組，用於在手動調整該影像量測機台的光學鏡頭後，將該光學鏡頭的縮放倍率設置成最大倍率，其中，該光學鏡頭為一倍物鏡；計算步驟模組，用於計算該光學鏡頭的影像中心和光譜共焦感測器的影像中心間的X、Y、Z軸偏差，記錄該X、Y、Z軸偏差為第一偏差；XY軸校準模組，利用標準量測球校準上述第一偏差中的X、Y軸偏差至少兩次；XY軸補償模組，用於比對該至少兩次校準後的X、Y軸偏差，當比對結果在第一允許範圍內時，儲存最後一次校準得到的X、Y軸偏差；Z軸校準模組，利用標準量測塊規校準上述第一偏差中的Z軸偏差至少兩次；及Z軸補償模組，用於比對該至少兩次校準後的Z軸偏差，當比對結果在第二允許範圍內時，儲存最後一次校準得到的Z軸偏差。

所述光譜共焦感測器校準方法應用於電子裝置中。該方法包括：設置步驟，設置與影像量測機台連接的光譜共焦感測器的類型；初步校準步驟，在手動調整該影像量測機台的光學鏡頭後，將該光學鏡頭的縮放倍率設置成最大倍率，其中，該光學鏡頭為一倍物鏡；計算步驟，計算該光學鏡頭的影像中心和光譜共焦感測器的影像中心間的X、Y、Z軸偏差，記錄該X、Y、Z軸偏差為第一偏差；XY軸校準步驟，利用標準量測球校準上述第一偏差中的X、Y軸偏差至少兩次；XY軸補償步驟，比對該至少兩次校準後的X、Y軸偏差，當比對結果在第一允許範圍內時，儲存最後一次校準得到的X、Y軸偏差；Z軸校準步驟，利用標準量測塊規校準上述第一偏差中的Z軸偏差至少兩次；及Z軸補償步驟，比對該至少兩次校準後的Z軸偏差，當比對結果在第二允許範圍內時，儲存最後一次校準得到的Z軸偏差。

相較於習知技術，本發明在當前影像量測機台的基礎上搭配一個光譜共焦系統進行量測，大大提升了影像量測機台的量測範圍與Z軸量測精度，並可對作為輔助設備的光譜共焦感測器預先進行校準，根據用戶的指令將光譜共焦感測器移動到指定位置，達到量測目的。

如圖1所示，是本發明較佳實施例中的光譜共焦感測器校準系統的運行環境示意圖。該光譜共焦感測器校準系統200安裝並運行於一台電子裝置2中。該電子裝置2還可以與對物體進行影像測量的影像量測機台1相連接。

該影像量測機台1包括光學鏡頭10及圖中未示出的其他元件。為了提高影像量測機台1的量測精度，在本實施例中的影像量測機台1上會卡合一個光譜共焦感測器12。該光譜共焦感測器12與一個控制器14相連。在現實量測過程中，卡合後的光譜共焦感測器12與光學鏡頭10所在的位置平行。其中，所述光學鏡頭10如電荷耦合裝置（CCD）。控制器14中儲存了各種類型光譜共焦感測器12的補償資料。

所述電子裝置2還包括記憶體20、至少一個處理器22及顯示螢幕24。該電子裝置2可以為電腦或其他任何具有資料處理功能的裝置。

記憶體20用於儲存所述光譜共焦感測器校準系統200的電腦化程式碼。記憶體20可以為電子裝置2內置的記憶體，也可以為電子裝置2外接的記憶體。

處理器22執行所述光譜共焦感測器校準系統200的電腦化程式碼，用於對光譜共焦感測器12進行校準，並控制該光譜共焦感測器12進行量測。

顯示螢幕24用於提供一個設置參數的操作介面。該參數包括光譜共焦感測器12的類型、光譜共焦感測器12的補償資料、光譜共焦感測器12的採樣率、光譜共焦感測器12量測時的光強亮度，及光學鏡頭10的縮放倍率。

如圖2所示，是本發明較佳實施例中的光譜共焦感測器校準系統200的功能模組圖。

在本實施例中，所述光譜共焦感測器校準系統200以軟體程式或指令的形式安裝在該記憶體20中，並由處理器22執行。該光譜共焦感測器校準系統200包括設置模組202、初步校準模組204、計算模組206、XY軸校準模組208、XY軸補償模組210、Z軸校準模組212和Z軸補償模組214。本發明所稱的模組是完成一特定功能的電腦程式段，比程式更適合於描述軟體在電子裝置2中的執行過程，因此本發明以下對軟體描述都以模組描述。

所述設置模組202用於設置與影像量測機台1連接的光譜共焦感測器12的類型，並根據設置的類型從控制器14中調出該光譜共焦感測器12的補償資料，顯示在顯示螢幕24的相應欄位上。其中，每種類型的光譜共焦感測器12對應一個補償資料。

所述設置模組202還用於設置光譜共焦感測器12的採樣率與光強亮度，該採樣率指光譜共焦感測器12量測時的取點頻率。

操作人員手動調整該影像量測機台1的光學鏡頭10，此時，該光學鏡頭10為一倍物鏡。初步校準模組204在顯示螢幕24提供的操作介面上將該光學鏡頭10的縮放倍率設置成最大倍率，例如3X。

計算模組206用於計算該光譜共焦感測器12的影像中心與光學鏡頭10的影像中心間的偏差，該偏差包括X軸偏差、Y軸偏差和Z軸偏差，並將該X、Y、Z軸偏差記錄為第一偏差，儲存在記憶體20所提供的相應儲存位置上。

XY軸校準模組208利用一個標準量測球校準上述計算出的X軸偏差和Y軸偏差，並重複執行該校準步驟至少一次。即利用標準量測球校準X、Y軸偏差至少兩次。本實施例以兩次校準為例進行說明。

具體而言，XY軸校準模組208利用光學鏡頭10和光譜共焦感測器12分別量測該標準量測球，計算所量測影像中該標準量測球的球心座標，並依據兩次量測所得球心座標間的不同，校準所述X軸偏差和Y軸偏差。具體流程將在圖4中進行詳細描述。

XY軸補償模組210用於將上述兩次校準所得到的X軸偏差和Y軸偏差分別進行比對，得到一個比對結果。當該比對結果在一個第一允許範圍內時，XY軸補償模組210儲存該最後一次（即第二次）校準得到的X軸偏差和Y軸偏差，以更新掉第一偏差中的X、Y軸偏差。

需要說明的是，所述第一允許範圍可以為小於或等於10μm的數值。

Z軸校準模組212利用一個標準量測塊規校準上述第一偏差中的Z軸偏差至少兩次。此處的Z軸校準仍以兩次校準為例。

具體地，將標準量測塊規放置於影像量測機台1的工作台上，並將光學鏡頭10的縮放倍率切換至最大倍率，打開影像量測機台1的同軸光，Z軸校準模組212在該標準量測塊規的表面對焦取點，得到該取點位置處的座標值，例如，量取標準量測塊規上點“a”（圖中未示出）的座標值。然後，Z軸校準模組212控制光譜共焦感測器12對該點“a”處進行量測，得到一個座標值。所述Z軸校準模組212計算光學鏡頭10量測到的座標值和光譜共焦感測器12量測到的座標值之間的差值，並利用該差值校準所述第一偏差中的Z軸偏差。

Z軸補償模組214用於比對兩次校準後的Z軸偏差，當比對結果在一個第二允許範圍內時，儲存最後一次校準得到的Z軸偏差，以更新所述第一偏差中的Z軸偏差。

在本實施例中，所述第二允許範圍可以為1~2μm。

於影像量測過程中，所述光學鏡頭10也可能是二倍物鏡。因此，本實施例還需要對光學鏡頭10為二倍物鏡時的光譜共焦感測器12進行校準。

具體地，一倍物鏡的焦點和二倍物鏡的焦點其實只會在Z軸上有變化。所述Z軸校準模組212利用標準量測塊規校準該光學鏡頭10在一倍物鏡下和二倍物鏡下焦點間的差值，Z軸補償模組214儲存該差值於記憶體20中。此處差值所儲存的位置不同於上述校準後的X軸偏差、Y軸偏差和Z軸偏差的儲存位置。

需要說明的是，上述校正X軸偏差、Y軸偏差和Z軸偏差的目的在於：由校準後的偏差可以準確地對光譜共焦感測器12進行校準，使得光譜共焦感測器12量測工件所獲得的資料更精確。

如圖3所示，是本發明較佳實施例中的光譜共焦感測器校準方法的作業流程圖。

步驟S1，設置模組202設置與影像量測機台1連接的光譜共焦感測器12的類型，並根據所設置的類型從控制器14中調出該光譜共焦感測器12的補償資料。

在此步驟中，所述設置模組202還會設置光譜共焦感測器12的採樣率與光強亮度。所述補償資料用於自動對光譜共焦感測器12所量測的資料進行補償，以提高量測精度。

步驟S3，操作人員手動調整該影像量測機台1的光學鏡頭10，該光學鏡頭10為一倍物鏡。初步校準模組204在顯示螢幕24提供的操作介面上將該光學鏡頭10的縮放倍率設置成最大倍率，例如3X。

步驟S5，計算模組206計算該光譜共焦感測器12的影像中心與光學鏡頭10的影像中心間的偏差，該偏差包括X軸偏差、Y軸偏差和Z軸偏差，計算模組206將該X、Y、Z軸偏差記錄為第一偏差，並儲存在記憶體20提供的相應儲存位置上。

步驟S7，XY軸校準模組208利用一個標準量測球校準上述計算出的X軸偏差和Y軸偏差，並重複執行該校準步驟至少一次。本實施例以共校準兩次為例進行說明。具體校準方法將在圖4中進行詳細描述。

步驟S9，XY軸補償模組210將上述兩次校準所得到的X軸偏差和Y軸偏差分別進行比對，得到一個比對結果。當該比對結果在一個第一允許範圍內時，XY軸補償模組210儲存該最後一次（即第二次）校準得到的X軸偏差和Y軸偏差，以更新掉第一偏差中的X、Y軸偏差。此處比對與更新步驟即為補償的過程。

當所述比對結果不在該第一允許範圍內時，流程返回至步驟S7。

步驟S11，Z軸校準模組212利用一個標準量測塊規校準上述第一偏差中的Z軸偏差至少兩次。此處的Z軸校準仍以兩次校準為例。

具體校準方法與上述校準X、Y軸偏差相似，Z軸校準模組212利用光學鏡頭10和光譜共焦感測器12分別量測該標準量測塊規的同一個位置，得到該位置處的座標值，及依據該兩次量測所得座標值間的差值校準所述第一偏差中的Z軸偏差。

步驟S13，Z軸補償模組214用於比對兩次校準後的Z軸偏差，當比對結果在一個第二允許範圍內時，儲存最後一次校準後的Z軸偏差，以更新所述第一偏差中的Z軸偏差。

當所述比對結果不在該第一允許範圍內時，流程返回至步驟S11。

如圖4所示，是圖3步驟S7中對X、Y軸偏差進行校準的具體作業流程圖。此圖以執行一次X、Y軸偏差校準為例進行說明。

步驟S100，將標準量測球放置於影像量測機台1的工作台上。

步驟S102，切換光學鏡頭10的縮放倍率至最小倍率，打開影像量測機台1的輪廓光，在標準量測球的影像區域內找到該標準量測球的邊界進行對焦。

步驟S104，利用邊界掃描工具在該標準量測球的邊界上進行掃描，得到一組點雲，將該組點雲擬合成圓，計算該圓的圓心座標。此處，該圓心座標即為標準量測球的球心座標。

步驟S106，將光譜共焦感測器12移動至該標準量測球上，從左至右，從上至下進行線掃描，得到兩組點雲。

步驟S108，將該兩組點雲擬合成一個球，計算該球的球心座標。

步驟S110，計算步驟S104中的圓心座標（即標準量測球的球心座標）和步驟S108中的球心座標間的差值，得到校準後的X、Y軸偏差。

具體地，XY軸校準模組208計算上述圓心座標和球心座標在二維平面內的座標差值，並根據該差值校準光譜共焦感測器12在X軸和Y軸上的位置。

最後所應說明的是，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非限制，儘管參照以上較佳實施例對本發明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發明的技術方案進行修改或等同替換，而不脫離本發明技術方案的精神和範圍。

1．．．影像量測機台

10．．．光學鏡頭

12．．．光譜共焦感測器

14．．．控制器

2．．．電子裝置

20．．．記憶體

22．．．處理器

24．．．顯示螢幕

200．．．光譜共焦感測器校準系統

202．．．設置模組

204．．．初步校準模組

206．．．計算模組

208．．．XY軸校準模組

210．．．XY軸補償模組

212．．．Z軸校準模組

214．．．Z軸補償模組

圖1是本發明較佳實施例中的光譜共焦感測器校準系統的運行環境示意圖。

圖2是本發明較佳實施例中的光譜共焦感測器校準系統的功能模組圖。

圖3是本發明較佳實施例中的光譜共焦感測器校準方法的作業流程圖。

圖4是圖3步驟S7中對X、Y軸偏差進行校準的具體作業流程圖。

200．．．光譜共焦感測器校準系統

202．．．設置模組

204．．．初步校準模組

206．．．計算模組

208．．．XY軸校準模組

210．．．XY軸補償模組

212．．．Z軸校準模組

214．．．Z軸補償模組

Claims (10)

1. 一種光譜共焦感測器校準方法，應用於電子裝置中，該方法包括：
   設置步驟，設置與影像量測機台連接的光譜共焦感測器的類型；
   初步校準步驟，在手動調整該影像量測機台的光學鏡頭後，將該光學鏡頭的縮放倍率設置成最大倍率，其中，該光學鏡頭為一倍物鏡；
   計算步驟，計算該光學鏡頭的影像中心和光譜共焦感測器的影像中心間的X、Y、Z軸偏差，記錄該X、Y、Z軸偏差為第一偏差；
   XY軸校準步驟，利用標準量測球校準上述第一偏差中的X、Y軸偏差至少兩次；
   XY軸補償步驟，比對該至少兩次校準後的X、Y軸偏差，當比對結果在第一允許範圍內時，儲存最後一次校準得到的X、Y軸偏差；
   Z軸校準步驟，利用標準量測塊規校準上述第一偏差中的Z軸偏差至少兩次；及
   Z軸補償步驟，比對該至少兩次校準後的Z軸偏差，當比對結果在第二允許範圍內時，儲存最後一次校準得到的Z軸偏差。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光譜共焦感測器校準方法，還包括：
   根據所設置的光譜共焦感測器的類型調出相應的補償資料；及
   設置光譜共焦感測器的採樣率與光強亮度，該採樣率指光譜共焦感測器量測時的取點頻率。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光譜共焦感測器校準方法，其中所述利用標準量測球進行校準包括：
   將標準量測球放置於影像量測機台的工作台上；
   切換光學鏡頭的縮放倍率至最小倍率，打開影像量測機台的輪廓光，在標準量測球的影像區域內找到該標準量測球的邊界進行對焦；
   利用邊界掃描工具在該標準量測球的邊界上進行掃描，得到一組點雲，將點雲擬合成圓，計算該圓的圓心座標；
   將光譜共焦感測器移動至該標準量測球上，從左至右，從上至下進行線掃描，生成兩組點雲，並將該兩組點雲擬合成球，計算該球的球心座標；及
   計算所述圓心座標和球心座標間的差值，以校準所述第一偏差中的X、Y軸偏差。
4. 如申請專利範圍第2項所述之光譜共焦感測器校準方法，其中所述Z軸校準步驟中利用標準量測塊規進行校準包括：
   將標準量測塊規放置於影像量測機台的工作台上；
   將光學鏡頭的縮放倍率切換至最大倍率，打開影像量測機台的同軸光，在該標準量測塊規的表面對焦取點；
   將光譜共焦感測器移動到上述光學鏡頭取點的位置進行取點；及
   計算所取兩個點間的Z軸差值，利用該Z軸差值校準所述第一偏差中的Z軸偏差。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光譜共焦感測器校準方法，還包括：
   將光學鏡頭調整為二倍物鏡；
   利用標準量測塊規校準該光學鏡頭在一倍物鏡下和二倍物鏡下焦點間的差值；及
   儲存該校準後的差值。
6. 一種光譜共焦感測器校準系統，運行於電子裝置中，該系統包括：
   設置模組，用於設置與影像量測機台連接的光譜共焦感測器的類型；
   初步校準模組，用於在手動調整該影像量測機台的光學鏡頭後，將該光學鏡頭的縮放倍率設置成最大倍率，其中，該光學鏡頭為一倍物鏡；
   計算步驟模組，用於計算該光學鏡頭的影像中心和光譜共焦感測器的影像中心間的X、Y、Z軸偏差，記錄該X、Y、Z軸偏差為第一偏差；
   XY軸校準模組，利用標準量測球校準上述第一偏差中的X、Y軸偏差至少兩次；
   XY軸補償模組，用於比對該至少兩次校準後的X、Y軸偏差，當比對結果在第一允許範圍內時，儲存最後一次校準得到的X、Y軸偏差；
   Z軸校準模組，利用標準量測塊規校準上述第一偏差中的Z軸偏差至少兩次；及
   Z軸補償模組，用於比對該至少兩次校準後的Z軸偏差，當比對結果在第二允許範圍內時，儲存最後一次校準得到的Z軸偏差。
7. 如申請專利範圍第6項所述之光譜共焦感測器校準系統，其中所述設置模組還用於：
   根據所設置的光譜共焦感測器的類型調出相應的補償資料；及
   設置光譜共焦感測器的採樣率與光強亮度，該採樣率指光譜共焦感測器量測時的取點頻率。
8. 如申請專利範圍第7項所述之光譜共焦感測器校準系統，其中所述XY軸校準模組透過下述步驟執行一次X、Y軸偏差的校準：
   將標準量測球放置於影像量測機台的工作台上；
   切換光學鏡頭的縮放倍率至最小倍率，打開影像量測機台的輪廓光，在標準量測球的影像區域內找到該標準量測球的邊界進行對焦；
   利用邊界掃描工具在該標準量測球的邊界上進行掃描，得到一組點雲，將點雲擬合成圓，計算該圓的圓心座標；
   將光譜共焦感測器移動至該標準量測球上，從左至右，從上至下進行線掃描，生成兩組點雲，並將該兩組點雲擬合成球，計算該球的球心座標；及
   計算所述圓心座標和球心座標間的差值，以校準所述第一偏差中的X、Y軸偏差。
9. 如申請專利範圍第7項所述之光譜共焦感測器校準系統，其中所述Z軸校準模組透過下述步驟執行一次Z軸偏差的校準：
   將標準量測塊規放置於影像量測機台的工作台上；
   將光學鏡頭的縮放倍率切換至最大倍率，打開影像量測機台的同軸光，在該標準量測塊規的表面對焦取點；
   將光譜共焦感測器移動到上述光學鏡頭取點的位置進行取點；及
   計算所取兩個點間的Z軸差值，利用該Z軸差值校準所述第一偏差中的Z軸偏差。
10. 如申請專利範圍第6項所述之光譜共焦感測器校準系統，其中所述Z軸校準模組還用於將光學鏡頭調整為二倍物鏡，利用標準量測塊規校準該光學鏡頭在一倍物鏡下和二倍物鏡下焦點間的差值，及儲存該校準後的差值。