CN102645160B

CN102645160B - 图像测量设备

Info

Publication number: CN102645160B
Application number: CN201210038008.8A
Authority: CN
Inventors: 吉田博行
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2011-02-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2015-06-24
Anticipated expiration: 2032-02-17
Also published as: US9354433B2; EP2490069B1; CN102645160A; JP2012168137A; US20120212607A1; JP5668227B2; EP2490069A1

Abstract

一种图像测量设备，包括：卷帘快门型的摄像装置，用于拍摄工件；位置控制***，用于控制所述摄像装置的聚焦位置，并将所述聚焦位置作为表示聚焦轴方向上的位置的信息而输出；以及计算装置，用于根据从所述摄像装置获取到的图像信息来计算与所述图像信息相对应的对比度信息，其中，所述计算装置将获取到的图像分割成多个区域，并且基于各区域的位置以及与各区域相对应的对比度信息来校正与所述图像信息相对应的对比度信息。

Description

图像测量设备

技术领域

本发明涉及通过拍摄测量对象来对该测量对象进行测量的图像测量设备。

背景技术

在具有自动调焦功能的图像测量设备中，在使诸如照相机等的摄像装置或该摄像装置的光学***沿着其光轴方向进行移动的情况下，顺次获取测量对象的图像。然后，根据各个图像的对比度来计算摄像装置的光轴方向上的聚焦位置(参见日本特开2009-168607)。

迄今为止，通常，这种图像测量设备安装有全局快门型摄像装置。由于在该全局快门型摄像装置的所有光接收元件处同时进行曝光，因此该摄像装置适合于上述的对比度型自动调焦。

另一方面，作为与全局快门型摄像装置不同的类型，已知有卷帘快门型摄像装置。与全局快门型摄像装置相比，卷帘快门型摄像装置的价格低。然而，当用于进行上述的对比度型自动调焦时，卷帘快门型摄像装置存在以下问题。

即，卷帘快门型摄像装置对以排列为阵列状的形式配置而成的光接收元件的各列或各像素顺次进行拍摄。因此，在使卷帘快门型摄像装置沿着光轴方向进行移动的同时进行拍摄的情况下，该摄像装置的位置随着获取图像的像素的位置而改变。

当采用该摄像装置在光接收元件的光接收时刻的中心处的位置作为基准位置时，在由排列成阵列状的光接收元件中的位于中心位置的一个光接收元件接收光的同时，获取与该摄像装置的位置有关的信息作为表示摄像位置的信息。因而，紧挨在摄像开始之后进行拍摄的部分是在基准位置处的摄像之前所拍摄的。同样，紧挨在摄像结束之前进行拍摄的部分是在基准位置处的摄像之后所拍摄的。因此，如果摄像范围中对比度改变最大的部分远离该摄像范围的中心位置，则在基于根据获取到的图像所计算出的对比度而确定的聚焦位置与获取到的摄像位置之间产生误差。

发明内容

有鉴于此而作出了本发明。本发明的目的是价廉地提供一种能够进行高精度自动调焦的图像测量设备。

根据本发明的第一方面，提供一种图像测量设备，包括：卷帘快门型的摄像装置，用于拍摄工件；位置控制***，用于控制所述摄像装置的聚焦位置，并将所述聚焦位置作为表示聚焦轴方向上的位置的信息而输出；以及计算装置，用于根据从所述摄像装置获取到的图像信息来计算与所述图像信息相对应的对比度信息，其中，所述计算装置将获取到的图像分割成多个区域，并且基于各区域的位置以及与各区域相对应的对比度信息来校正与所述图像信息相对应的对比度信息。

根据本发明的第二方面，所述计算装置针对各区域根据与在前图像信息相对应的对比度信息和拍摄时刻以及与在后图像信息相对应的对比度信息和拍摄时刻来校正对比度信息，其中，所述在前图像信息和所述在后图像信息分别表示连续拍摄的在前图像和在后图像。

根据本发明的第三方面，所述计算装置针对各区域计算与所述在前图像信息相对应的对比度信息和与所述在后图像信息相对应的对比度信息，将所述对比度信息和与拍摄时刻相对应的权重相乘，并且对相乘的结果进行求和。

根据本发明，可以价廉地提供一种能够进行高精度自动调焦的图像测量设备。

附图说明

通过以下给出的详细说明以及附图将更加充分地理解本发明，其中附图仅是为了例示而给出的，因而并没有限制本发明，其中：

图1是示出根据本发明第一实施例的图像测量设备的整体图；

图2是示出图像测量设备的结构的框图；

图3是示出图像测量设备的一部分的结构的框图；

图4是示出图像测量设备所进行的自动调焦方法的图；

图5是示出全局快门型摄像装置的摄像时序的时序图；

图6是示出卷帘快门型摄像装置的摄像时序的示例的时序图；

图7A～7C是分别示出摄像设备在自动调焦操作期间所拍摄的图像的示例的图；以及

图8是用于说明根据本发明第一实施例的摄像设备所进行的对比度校正方法的图。

具体实施方式

第一实施例

接着，以下参考附图来详细说明根据本发明第一实施例的图像测量设备的结构。

图1是示出根据本实施例的图像测量设备的整体图。该图像测量设备包括：图像测量仪1，其安装有照相机141作为用于拍摄工件3的摄像装置；以及计算机(以下称为“PC”)2，其电连接至图像测量仪1。

图像测量仪1被配置为如下。即，以试样台12的上表面与作为基面的水平面一致的方式将试样台12放置在试样移动部件11上。X轴引导件13c支撑在竖立于试样移动部件11两侧的臂支撑构件13a和13b各自的顶端上。由试样移动部件11在Y轴方向上驱动试样台12。在X轴引导件13c上，在X轴方向上可移动地支撑摄像单元14。摄像单元14的底端安装有卷帘快门型的互补金属氧化物半导体(CMOS)照相机141。

顺便提及，本实施例具有对放置在试样台12上的工件3进行拍摄的结构。显然，本发明的实施例可以具有例如从旁边拍摄放置在地板上的工件的结构等的其它结构。

图2是示出根据本实施例的图像测量设备的结构的框图。根据本实施例，该图像测量设备包括例如设置在图像测量仪1内的控制器15。控制器15包括位置控制***151和照明控制装置152。摄像单元14包括用于将光照射到工件3上的照明装置142。PC 2经由位置控制***151来控制照相机141的聚焦位置。另外，PC2分别将用于指定帧频的信号发送至照相机141并将用于指定照明装置142的光量的信号发送至照明装置142。照相机141以所指定的帧频来拍摄被来自照明装置142的光所照射的工件3。然后，照相机141将图像信息发送至PC 2。此时，从位置控制***151发送表示照相机141的位置的位置信息。顺便提及，各种类型的照明设备均可用作照明装置142。例如，受脉冲宽度调制(PWM)所控制的发光二极管(LED)也可用作照明装置142。

接着，以下说明根据本实施例的图像测量设备中的摄像单元14的结构。图3是示出根据本实施例的图像测量设备的一部分的结构的框图。在本实施例中，摄像单元14包括：照相机141；线性编码器143，用于检测和输出照相机141的Z坐标；照相机驱动机构144，用于在Z轴方向上驱动照相机141；以及Z轴马达145，用于驱动照相机驱动机构144。位置控制***151经由设置在图像测量仪1中的电源单元16来控制Z轴马达145。将线性编码器143安装至摄像单元14，以使得标尺或检测头与照相机141连动地沿着Z轴方向移动。位置控制***151包括锁存计数器和Z值锁存缓冲器。位置控制***151响应于触发信号从线性编码器143获取表示照相机141的Z坐标的Z坐标信息，并将获取到的Z坐标信息保持在Z值锁存缓冲器中。照相机141经由通用串行总线(USB)线缆连接至PC 2，并且经由专用数字输入/输出(DIO)连接至位置控制***151。

位置控制***151向电源单元16输出Z轴驱动指示。电源单元16向Z轴马达145供给驱动电力。Z轴马达145利用照相机驱动机构144驱动照相机141。照相机141以任意帧频进行摄像，并将图像信息经由USB线缆发送至PC 2。此时，图像测量设备可被配置为将垂直同步信号作为触发信号从照相机141输出至位置控制***151。在这种情况下，位置控制***151接收垂直同步信号，并且响应于接收到该信号从线性编码器143获取照相机141的Z坐标。将获取到的Z值保持在Z值锁存缓冲器中。另外，更新锁存计数器。响应于读取指示将所保持的Z值发送至PC 2。在本实施例中，尽管在Z轴方向上驱动照相机141，但可以通过对设置在照相机141中的诸如镜头等的光学***进行调整来进行相同的操作。另外，在本实施例中，尽管USB接口用作数字串行通信部件，然而，显然地，诸如千兆以太网(Gig-E)接口和FireWire(注册商标)接口等的其它部件也可用作数字串行通信部件。可选地，代替数字串行通信部件，还可以使用(提供NTSC输出或复合输出的)模拟通信部件。在使用模拟通信部件的情况下，PC 2经由帧捕获器来获取图像。

接着，以下说明根据本实施例的图像测量设备所进行的自动调焦方法。图4是示出根据本实施例的图像测量设备所进行的自动调焦方法的图。横轴表示照相机141的Z坐标，并且纵轴表示对比度。

在根据本实施例的图像测量设备的自动调焦期间，在多个Z坐标处进行摄像。然后，根据在各坐标位置处所获得的图像计算对比度。另外，基于所计算出的多个对比度值来获得由图4所示的实线所表示的对比度曲线。然后，将该对比度曲线的峰值位置判断为聚焦位置。在图4所示的例子的情况下，在7个位置的Z坐标(Z1～Z7)处进行摄像。另外，计算分别与这些Z坐标相对应的对比度值(P1～P7)。

迄今为止，当在这种对比度型自动调焦期间获取图像时，已使用了全局快门型电荷耦合器件(CCD)照相机。图5是示出全局快门型摄像装置的摄像时序的时序图。

图5的上部示出CCD照相机的摄像元件的曝光时序，而图5的下部示出输出图像信息和垂直同步信号的时序。如图5所示，在全局快门型CCD照相机中，同时对所有的摄像元件进行曝光。然后，顺次传送图像。

另一方面，卷帘快门型CMOS照相机的像素列在摄像时序方面相互不同。图6是示出卷帘快门型CMOS照相机的摄像时序的示例的时序图。

与图5相同，图6的上部示出CMOS照相机的曝光时序，而图6的下部示出输出图像信息和垂直同步信号的时序。为了便于说明，现在假定CMOS照相机的像素数为x×y，左上角像素的坐标为(1，1)，并且右下角像素的坐标为(x，y)。

当在卷帘快门型CMO S照相机中开始摄像时，对如像素(1，1)、(2，1)、(3，1)、...那样配置在第一行上的光接收元件顺次进行曝光。然后，从第二行起，以同样的方式对配置在第二行及随后的行上的光接收元件顺次进行曝光。在结束各像素的光接收的同时，从各像素输出摄像元件所获得的与各像素相对应的图像信息。

在自动调焦操作期间，照相机141移动，同时对工件3进行拍摄。假定照相机141在开始拍摄1帧时的Z轴方向上的位置为Z 1。假定照相机141在Z轴方向上的中间位置为Z2。假定照相机141在结束拍摄1帧时的Z轴方向上的位置为Z3。在这种情况下，照相机141在拍摄像素(1，1)时的位置为Z1。照相机141在拍摄摄像范围的中心位置处的像素时的位置为Z2。照相机141在拍摄像素(x，y)时的位置为Z3。

在假定由位置控制***151锁存的照相机141在Z轴方向上的位置(以下称为“基准位置”)为Z2的情况下，将Z2保持在Z值锁存缓冲器中。然后，将Z2传送至PC 2。因而，PC 2识别出：在照相机141的位置为Z2的情况下，拍摄从(1，1)到(x，y)的像素的所有图像数据。因此，在照相机141实际拍摄各个像素时的位置与PC 2所识别出的照相机141在该时刻的位置之间产生误差。在这种情况下，拍摄像素(1，1)时的误差为Z2-Z1。拍摄像素(x，y)时的误差为Z3-Z2。这两个误差都是最大值。

图7A～7C分别示出照相机141在自动调焦操作期间所拍摄的图像的示例。图7A示出摄像范围的整体图像。图7B和7C分别是图7A所示的用于确定自动调焦用图像范围的模具T内的图像的放大图。现在假定在工具T内存在对比度改变最明显的区域D，并且照相机141在拍摄区域D时的位置为Zd。

PC 2根据传送来的模具T内的图像计算对比度值C。已知通常通过以下方式来获得对比度值C(例如，参见日本特开平11-283035)。

表达式1

c = Σ_{y = 1}^{n - 1} Σ_{x = 1}^{m - 1} {g (x + 1, y) - g (x, y)}^{2} + Σ_{y = 1}^{n - 1} Σ_{x = 1}^{m - 1} {g (x, y + 1) - g (x, y)}^{2}

在该表达式中，g(x，y)表示位于XY坐标平面上的(x，y)处的像素的亮度。针对模具T内的m×n个像素来计算对比度。

在这种情况下，如图7B所示，如果区域D相对于模具T的中心位置位于(Y轴方向的)上方，则当与照相机141在到达位置Z2之前拍摄区域D的时刻相对应的位置Zd是聚焦位置时，获得最大对比度。另一方面，如图7C所示，如果区域D相对于模具T的中心位置位于(Y轴方向的)下方，则当与照相机141在到达位置Z2之后拍摄区域D的时刻相对应的位置Zd是聚焦位置时，获得最大对比度。因此，在任一上述情况下，即使与拍摄图像的中心的时刻相对应的位置Z2是聚焦位置，也无法获得最大对比度。因而，当对于对比度的贡献最大的区域D相对于图像的中心偏移时，图4所示的对比度曲线自身横向偏移。因此，无法获得精确的聚焦位置。

因而，根据本实施例，以行为单位，考虑对各行进行拍摄的时序来获得对比度值C₊。然后，计算所获得的对比度值C₊的算术平均值，由此获得帧的对比度值C。

图8是用于说明该对比度值计算处理的图。在图8中，利用符号所表示的各个时刻T_zpre、T_zcur和T_znext表示各帧的基准位置。在该例子中，各基准位置与对首行进行拍摄的时刻相对应。对各行的某一像素进行拍摄的时刻不同于对该行的其它像素进行拍摄的时刻。然而，为了便于处理，将对各行进行拍摄的时刻设置为对位于各行的中心位置处的像素进行拍摄的时刻。对各行进行拍摄的时刻相对于对当前帧的基准位置进行拍摄的时刻T_zcur落后了时间t_cur，并且相对于对下一帧的基准位置进行拍摄的时刻T_znext提前了时间t_next。因此，如果将当前帧的各行的对比度和下一帧的各行的对比度分别设置为ΔC_cur和ΔC_next，则可以通过以下的表达式来计算考虑到拍摄这些行的时刻而通过比例分配进行校正得到的当前帧的各行的对比度值C₊。

表达式2

C₊＝ΔC_cur·k+ΔC_prcv·(1-k)

在该表达式中，k＝t_next/(t_cur+t_next)。可以使用Y坐标值来近似计算k的值。因而，通过获得当前帧的各行的对比度值C₊，可以基于拍摄前一帧的时刻和拍摄当前帧的时刻中距离拍摄当前帧的基准位置的时刻较近的时刻来校正对比度值。然后，可以如下根据所获得的各行的对比度值C₊来计算各帧的对比度值C。

表达式3

c = \frac{1}{n} Σ_{y = 1}^{n - 1} C_{+}

根据上述实施例，获得了各行的对比度值C₊。然而，可以对图像测量设备进行配置，从而获得各像素的对比度值C₊。此外，当获得了各像素的对比度值C₊时，可以使用X坐标值和Y坐标值来计算k的值。可选地，可以对图像测量设备进行配置，从而获得被构成为图8所示的各区域R那样的各自包括若干行的各组的对比度值C₊。如果获得了各像素的对比度值C₊，则精度得以提高。如果获得了各较宽区域R的对比度值C₊，则可以减轻计算负担。另外，代替帧的开头，可以将基准位置设置在帧的中间位置或末尾处。

根据这种方法，即使当相对价廉的卷帘快门型CMOS照相机用作照相机141时，也可以以良好的精度进行自动调焦。

Claims

1.一种图像测量设备，包括：

卷帘快门型的摄像装置，用于拍摄工件；

位置控制***，用于控制所述摄像装置的聚焦位置，并将所述聚焦位置作为表示聚焦轴方向上的位置的信息而输出；以及

计算装置，用于根据从所述摄像装置获取到的图像信息来计算与所述图像信息相对应的对比度信息，

其中，所述计算装置将获取到的图像分割成多个区域，并且基于各区域的位置以及与各区域相对应的对比度信息来校正与所述图像信息相对应的对比度信息；

所述计算装置针对各区域根据与在前图像信息相对应的对比度信息和拍摄时刻以及与在后图像信息相对应的对比度信息和拍摄时刻来校正对比度信息，其中，所述在前图像信息和所述在后图像信息分别表示连续拍摄的在前图像和在后图像；

所述计算装置针对各区域计算与所述在前图像信息相对应的对比度信息和与所述在后图像信息相对应的对比度信息，将所述对比度信息和与拍摄时刻相对应的权重相乘，并且对相乘的结果进行求和。