专利名称：位置测量设备和位置测量方法
技术领域：
本发明涉及用于通过捕捉测量对象的表面的图像来对测量对象的表面上的位置 进行测量的位置测量设备和位置测量方法。
背景技术：
图像捕捉位置测量设备已经被用来对测量对象的长度(在本说明书中，这被称为 测量对象的总长度，测量对象的一部分的尺寸，或测量对象的位移等)进行测量。这样的位 置测量设备使用由(XD、CMOS图像传感器阵列等组成的图像传感器来捕捉从测量对象的表 面辐射的光学图像，并分析由这样的图像捕捉而获得的图像信号，借此对测量对象的长度 进行测量。举例来说，在日本特开第2002-013948号公报和日本特开第2003-148918号公报 中，公开了一种系统，其中对于测量对象狭窄地设定一成像区域，以便能够以高分辨率和高 精度对测量对象的位移进行测量。然而，即使当使用这样的图像捕捉位移测量设备时，在将要测量具有大的测量范 围的测量对象的长度时，因为测量范围的尺寸和空间分辨率之间出现的折衷关系，测量中 趋向于出现各种困难。具体地，当图像捕捉放大率较小时，虽然能够将整个测量对象设定在 成像区域内，另一方面，由于成像空间分辨率下降，因此不能获得充分的测量精度。进一步，当使得图像捕捉放大率较大时，虽然因为成像空间分辨率提高了而能够 获得好的测量精度，但是不能将整个测量对象设定在成像区域内部。换句话说，这是因为， 由于存在对图像传感器的性能和设备的构造的限制，成像区域和空间分辨率是有限的。另一方面，虽然可以考虑增加组成图像传感器的像素的数目并且提供具有大的成 像区域的构造，但这将使得位置测量设备变大，并极大地增加了它的制造成本。
发明内容
本发明的一般性目的是提供一种位置测量设备和位置测量方法，在其中，即使是 在测量对象的测量范围比成像区域更窄或更宽的情形中，也防止了设备的尺寸的增加和制 造成本的上升，同时还使得测量对象的长度能够被测量。本发明特征在于，一种位置测量设备，其中具有成像区域的图像捕捉元件在测量 对象的表面上相对运动，同时所述测量对象的所述表面上的图像被捕捉以获得所述成像区 域内的图像，所述成像区域的尺寸小于所述测量对象的尺寸，并且使用所获得的所述成像 区域内的图像来对所述测量对象的所述表面上的位置进行测量。该位置测量设备包括提 取单元，用于在预定时间点从所述成像区域内的所述图像提取所述测量对象的所述表面上 的图案；检测器，用于在所述预定时间点之后的时间点检测由所述提取单元提取的存在于 所述成像区域内的所述图像中的所述图案的位移量，以及测量单元，用于基于由所述检测 器检测到的所述尺寸和所述位移量来测量所述测量对象的所述表面上的所述位置。根据本发明，因为设置有用于提取测量对象的表面上的图案的提取单元和用于检测存在于成像区域内的图像中的图案的位移量的检测器，同时图像传感器在测量对象的表 面上相对运动，该测量对象的表面大于图像传感器的成像区域，因此能够基于成像区域内 部和外部两者中的图案的位移量来掌握测量对象和成像区域之间的相对位置关系。因此， 即使在测量对象的测量范围与成像区域相比更窄或更宽的情形中，也可以对测量对象的表 面上的位置进行测量。本发明进一步的特征在于，一种位置测量方法，其中具有成像区域的图像捕捉元 件在测量对象的表面上相对运动，同时所述测量对象的所述表面上的图像被捕捉以获得所 述成像区域内的图像，所述成像区域的尺寸小于所述测量对象的尺寸，并且使用所获得的 所述成像区域内的图像来对所述测量对象的所述表面上的位置进行测量。该方法包括以 下步骤在预定时间点从所述成像区域内的所述图像提取所述测量对象的所述表面上的图 案；在所述预定时间点之后的时间点检测由提取单元提取的存在于所述成像区域内的所述 图像中的所述图案的位移量，以及基于由检测器检测到的所述尺寸和所述位移量来测量所 述测量对象的所述表面上的所述位置。根据本发明，因为设置有用于提取测量对象的表面上的图案的步骤和用于检 测存 在于成像区域内的图像中的图案的位移量的步骤，同时图像传感器在测量对象的表面上相 对运动，该测量对象的表面大于图像传感器的成像区域，因此能够基于成像区域内部和外 部两者中的图案的位移量来掌握测量对象和成像区域之间的相对位置关系，因此，即使在 测量对象的测量范围与成像区域相比更窄或更宽的情形中，也可以对测量对象的表面上的 位置进行测量。从下面的在其中利用示例性的实例来显示本发明的最优方案的说明中并结合附 图，本发明的上述及其它目的、特征和优点将是更明显的。
图1是根据本发明的实施例的位置测量设备的概略立体图；图2是根据本发明的实施例的位置测量设备的功能方框图；图3A到3C是显示测量对象和成像区域之间的位置关系的概略主视图；图4是用于实施根据本发明的实施例的位置测量方法的流程图；图5A是显示在时间t = 0的成像区域内的图像的示意图；图5B是显示在时间t = 1的成像区域内的图像的示意图；图6A是表现成像区域内的图像的图像信号的说明图；图6B是表现成像区域内的各个像素的对应位置的说明图；图7A和7B是显示基于区域的匹配的实例的示意图；图8A和8B是显示基于区域的匹配的另一实例的示意图；图9是显示成像区域内的目标位置的位移量的示意图；图10是与用于从成像区域内的图像设定更新的目标位置的方法有关的流程图；图11是有关用于从成像区域内选择候补位置的方法的说明图；图12是与用于对测量对象的长度进行测量的方法有关的流程图；以及图13是表现在测量对象的前表面上设置的目标位置的位置关系的轮廓主视图。
具体实施例方式如图1所示，位置测量设备10配备有捕捉从测量对象的表面辐射的光学图像的传 感器头12，用于对由传感器头12所获得的二维图像信号(以下简称为图像信号)实施想要 的图像处理的图像处理器14，以及使得传感器头12和图像处理器14之间能够电通信并且 能够将电力从图像处理器14供给至传感器头12的电缆16。进一步，图像处理器14被电连接至作为外部设备的上位控制器18。举例来说，该 上位控制器18由PLC (可编程序逻辑控制器)构成，该PLC将各种类型的命令发送至图像 处理器14，并控制安置在传感器头12下面的传送装置20的驱动。传送装置20包括圆柱形驱动辊21、从动辊22和拉在驱动辊21和从动辊22之间 的带状的带24。通过上位控制器18的操作，驱动辊21沿实线箭头的方向旋转(参见图1)， 以致同时带24沿空心箭头的 方向运动(参见图1)，安装在传送装置20上的工件(测量对 象)26沿空心箭头的方向被传送。位置测量设备10的传感器头12以它的成像面28指向带24侧的状态被固定地安 置在传送装置20的上方。此时，传感器头12的成像区域30被设定在安装在传送装置20 上的工件26的表面32上。接下来，参照图2给出关于传感器头12和图像处理器14的说明，图2所示的是根 据本实施例的位置测量设备10的功能控制块。传感器头12包括照明单元34、图像捕捉部36、通信单元38和传感器头控制器40。照明单元34由朝向安置在工件26的表面32上的成像区域30辐射照明光46的 灯构成。灯可以由未图示的照明开关打开和关闭。图像捕捉部36包括图像捕捉元件(图像传感器)50和信号处理器52，该图像捕捉 元件50用于将由工件26的表面32反射的并入射到成像面28上的反射光48 (工件26的 反射光学图像)转换成图像捕捉信号，该信号处理器52用于将图像捕捉信号放大并将该信 号与来自传感器头控制器40的时刻控制信号同步地输出至传感器头控制器40。举例来说， 图像捕捉元件50可以由光电二极管阵列、(XD、CMOS图像捕捉元件等构成。未图示的成像光学系统被安置在工件26和图像捕捉元件50之间的插入位置，该 成像光学系统能够改变辐射在工件26的表面32上的成像区域30的尺寸，即，成像放大率。 进一步，借助于成像光学系统，可执行适当的光路调整以致在由图像捕捉元件50获得的图 像捕捉信号中不会出现图像失真。按照来自传感器头控制器40的命令，通信单元38实施与图像处理器14的通信。 在该情形中，通过使用LVDS (低压差动发信)，能够抑制能量消耗，能够实施高速信号传输， 该高速信号传输是很强的并且抗噪的。图像处理器14配备有通信单元54、储存单元56、图像处理单元58、操作单元60、 显示器62、外部通信单元64、外部通信单元66和控制器68。通信单元54，遵照来自控制器68的命令，实施与传感器头12间的相互通信。储存 单元56包括用于存储从传感器头12获得的图像信号的图像存储器70，用于临时存储用于 图像处理等的各种参数的RAM 71，以及用于存储包括传感器头12的识别号、传感器灵敏度 特性等的固有数据的EEPR0M72。图像处理单元58包括由软件和硬件构成的提取单元74、判定单元75、检测单元76、计算单元77和测量单元78操作单元60由未显示的用于做出各种设定的开关和操作按钮等构成。举例来说， 显示器62由LCD面板构成，在其上显示有与测量条件和/或测量结果有关的各种数值等。两个外部通信单元64、66被设置为启用至外部设备的连接。举例来说，外部通信 单元64、66能够被连接至上位控制器18以从其处接收命令和各种数据或发送命令和各种 数据给它，或者连接至未显示的外部个人电脑(PC)，或连接至用于数据通信的另外的未示 出的图像处理器14。这样的通信不仅仅限于一般的诸如USB2. 0、IEEE1394、RS-232C等的 通信标准，还可以使用图像处理器14独有的其它通信标准。在图1和图2中，图像处理器14经由外部通信单元66连接至上位控制器18。控制器68实施一般的整个图像处理器14的综合控制，包括用于控制通信单元54、 储存单元56、图像处理单元58、操作单元60、显示器62和外部通信单元64、66的控制功能。在位置测量设备10中，图1中所示的传感器头12和图像处理器14作为独立的个 体单元被设置。替代地，传感器头12和图像处理器14可以被整体地构造。这样的话，可以 采用精简的结构而省去了通信单元38和通信单元54。根据本实施例的位置测量设备10基本上是如上所述地构造。接下来，将参照图4 所示的流程图解释位置测量设备10的操作。首先，在充当测量对象的工件26已经安装在传送装置20上之后，实施位置测量设 备10的传感器头12 (参见图1)的位置和姿势调整。如图2所示，用户执行操作单元60的 未图示的照明开关的开/关操作，以致通过操作单元60、控制器68、通信单元54、电缆16和 通信单元38对传感器头控制器40做出用于打开和关闭照明单元34的命令。通过传感器 头控制器40的开和关控制执行照明单元34的想要的操作。由于来自照明单元34的照明 光46朝向工件26的表面32辐射，在用户执行传感器头12的位置和姿势的调整的同时，能 够确认成像区域30的位置。如图1和图3A到3C所示，在工件26的表面32上，从右边开始，更准确地说，从根 据本实施例的传送方向的下游侧开始，排列有圆形槽82、三角形槽84、方形槽86和另一个 圆形槽88。在图3A中，显示了位置测量设备10执行测量之前的状态(初始状态)。圆形 槽82位于成像区域30的大致中心部分，而三角形槽84的一部分位于成像区域30的左侧 边缘。如果浓淡分明(contrasting density)的图案作为图像存在于工件26的表面32 上，则即便是不存在诸如具有三维形状的特定的槽，仍可以应用本发明的特点。如图1所述，当驱动辊21沿箭头的方向旋转时，带24沿空心箭头的方向滑动，并 且安装在传送装置20的带24上的工件26也沿着空心箭头的方向被传送。通过这样的工 件26的传送操作，工件26和成像区域30之间的位置关系在从图3A所示的初始状态到图 3B和图3C所示的状态之间的时间内连续地变化。当以这种方式实施时，在比成像区域30要大的工件26的表面32归因于传送装置 20的传送操作而相对移动的同时，传感器头12能够捕获工件26的表面32上的各个槽(圆 形槽82等)的图像。下面，参照图4所示的流程图，将详细地说明使用根据本实施例的位置测量设备 10来测量工件26的长度的测量方法。
[步骤Si]当用户按 下图2中所示的操作单元60的测量开始按钮30 (未显示)时，开始图像 捕捉的请求经由操作单元60、控制器68、通信单元54、电缆16和通信单元38被报告给传感 器头控制器40。其后，传感器头控制器40将图像捕捉命令发给图像捕捉部36。最初，获得时间t = 0的图像信号(步骤Si)。更具体地，获得时间t = 0的显示 成像区域30内部的图像I(O)的图像信号。在该情形中，用于形成工件26的反射光学图像的反射光48指向成像面28，在未图 示的成像光学系统中已经做出适当的光路调整之后，在成像区域30的范围内由图像捕捉 元件50实施电光转换，并发出图像信号。图像信号与来自传感器头控制器40的时刻控制 信号同步，并被放大，并且图像信号被提供给传感器头控制器40。其后图像信号通过电缆 16、通信单元54和控制器68被提供给通信单元38，并被存储在图像存储器70中。以这样的方式，如图5A所示，获得成像区域30内的图像I (0)(也可参见图3A)。 如图6A所示，在表现成像区域30内的图像I(O)的图像信号中，每一个像素(横64，纵64) 的灰度数由256灰度(8位)构成。为方便起见，分别地，纵向上的像素号应该从-31标记 至32，而横向上的像素号也应该从-31标记至32。[步骤 S2]接下来，从成像区域30内的图像I(O)中设定目标位置P。(步骤S2)。在图像存储器70内存储的图像信号中，读出表现成像区域30内的图像I(O)的图 像信号(参见图5A)，并且提取单元74从图像I(O)内提取出工件26表面上的图案。根据 本实施例，为了指定由提取单元74提取的图案的位置，作为代表位置，圆形槽82的中心位 置被判定并被设定作为目标位置Ρ『举例来说，使用如图6Β所示的二维(x-y)坐标系，成像区域30内的各个像素的对 应的位置被定义。坐标系的刻度被定义成，在X轴和1轴中的每一个的方向上，一个灰度在 大小上对应于像素大小(即，具有等于一个像素的尺寸)。当以这种方式定义时，对应于图6A中所示的像素90、92、94、96和98的二维坐标 分别是(0,0), (32，32)、(-31，32)、(-31, -31)和(32，-31)。如图5A中所示，因为在时间t = 0，圆形槽82实质上位于图像I (0)的中心位置， 提取圆形槽82作为图案。此时，如上面所指出的，在原点(0，0)设定目标位置Ptl，其对应 于圆形槽82的中心位置。随即，目标位置Ptl(Oj)的坐标被存储在储存单元56 (例如，RAM 71)中。[步骤S3]接下来，获得时间t = 1的图像信号I(I)(步骤S3)。更具体地，在时间t = 1获 得显示成像区域30内的图像I(I)的图像信号。在时间t = 1，传感器头控制器40对图像捕捉部36发出图像捕捉命令，表现新捕 捉的图像I(I)的图像信号被存储在图像存储器70中。这些操作本质上与上面已经描述的 相同，因此忽略对它的详细说明。以这种方式，获得成像区域30内的图像1(1)，如图5B所示。虽然图像捕捉时段 At可以被设定成任意值，但为了简化说明，在本说明书中，图像捕捉时段At假定为1。进 一步，即使是图像捕捉时段At不是恒定值，或者换句话说，当连续捕捉的图像之间的时间间隔是不规则的情形，本发明也是适用的，这是不言而喻的。[步骤S4]接下来，从成像区域30内的图像I(I)找到目标位置P。(步骤S4)。在存储在图像存储器70内的图像信号中，读出对应于图像I(I)的图像信号(参 见图5B)，并且检测单元76从图像I (1)内检测到目标图案P。。作为用于从两个图像I(I)和I(O)中识别预定的共同位置(或共同区域)的方法， 可以采用基于区域的匹配(region-based matching)，这是公知的技术。图7A和7B是显示基于区域的匹配的实例的示意图。如图7A所示，预定大小的区域(例如，16X16像素区域)被提取出并被预先存储 在储存 单元56 (例如，RAM 71)中作为模板100，在预定大小的区域中，目标位置Ptl位于图 像I(O)的中心。另一方面，从成像区域30内的图像I(I)中剪切出关心的区域102，在该关 心的区域102中，任意位置(例如，在图7A中，成像区域30的右中侧)作为中心。关心的 区域102的像素大小(纵向和横向的像素数目)与模板100的像素大小匹配。通过使得NCC(归一化互相关)算子104作用于模板100和关心的区域102，计算 出NCC值，其作为指示两个被比较的图像之间的相似度的指标。由于该技术在图像处理领 域为人熟知，将省略对本发明的该特点的详细说明。在图7A中，由于关心的区域102与模板100非常类似，显示的是大NCC值。另一 方面，在图7B中，关心的区域106被剪切，在该关心的区域106中，成像区域30内的图像 I(I)的任意位置(例如，图7B中，成像区域30的左中端)作为中心，并且由于关心的区域 106并非与模板100非常类似，显示的是小NCC值。如此，关心的区域102的中心位置可以被假定为是图像I(I)中的目标位置P。，在 成像区域30内的图像I(I)中，该关心的区域102的NCC值是最大的。图8A和8B是显示基于区域的匹配的另一实例的示意图。在图8A和图8B中，通过使得SAD (绝对差和)算子105作用于模板100和已经如 上所述地被剪切的关心的区域102、106，计算出SAD值，其作为指示两个被比较的图像之间 差异度的指标。由于该技术在图像处理领域为人熟知，将省略对本发明的该特点的详细说 明。在图8A中，由于关心的区域102与模板100非常类似，显示的是小SAD值。另一 方面，在图8B中，关心的区域106被剪切，在该关心的区域106中，成像区域30内的图像 I(I)的任意位置(例如，在图8B中，成像区域30的左中端)作为中心，并且由于关心的区 域106并非与模板100非常类似，显示的是大SAD值。如此，关心的区域102的中心位置可以被假定为是图像I(I)内的目标位置P。，成 像区域30内的图像I(I)中，该关心的区域102的NCC值是最小的。图9是显示成像区域30内的目标位置Ptl的位移量的示意图。当在步骤S4中计算 位置Ptl的搜索结果同时小数点右边的数字被舍弃以致PtlU = 0) = (0,0)以及PtlU = 1) =(14,0)时，目标位置P。的位移量变为矢量值ΔΡ。= (14，0)。因为表现图像I (t)的图像信号由离散数据组成，目标位置Ptl的坐标可以仅仅由 像素的整数倍(换句话说，整数值)来表示。然而，通过使用子像素估计，能够表示超过像 素分辨率的坐标值。
在该情形中，“子像素估计”意味着位置估计方法，在其中当由离散数据表示坐标 时，假设引入了有理数。结果是，能够人为地提高空间分辨率，并且防止量化误差的发生。接下来，将描述关于子像素估计的详细实例。首先，关于图像信号的每一个像素的 中心位置判定NCC(或SAD)值，然后提取出它的最大(或最小)值附近的3像素X3像素 的区域。在二维曲线处对NCC(或SAD)关于χ轴的趋势(三对数据)进行插值，对应于二 维曲线的轴的位置(像素的有理数值)被计算出并被判定作为目标位置PtlWx轴坐标。类 似地，在二维曲线处对NCC(或SAD)关于y轴的趋势(三对数据)进行插值，对应于二维曲 线的轴的位置(像素的有理数值)被计算出并被判定作为目标位置Ptl的y轴坐标。以这 种方式，判定目标位置Ptl的χ和y坐标。在使用子像素估计时，图9中所示的目标位置P。的搜索结果是PQ(t = 0) = (0,0) 和PtlU = I) = (14.5，0)，并且目标位置Ptl的位移量以更高精度变成矢量值APci= (14.5， 0)。进一步，本实施例中的子像素估计并不限于上述方法，可以采用其它的各种类型 的方法。[步骤S5]
接下来，执行判断以判定对应于目标位置P。的位置是否位于成像区域30内的图 像I(I)中(步骤S5)。此判断由判定单元75 (参见图2)基于步骤S4中的目标位置P。的 搜索结果来实施。举例来说，在与成像区域30内的图像I(I)中的目标位置P。相关的图案(圆形槽 82)的一部分缺失的情形中，当借助于上述基于区域的匹配实施搜索计算时，不管目标位置 P0是否正位于当前的成像区域30内，存在搜索失败的可能性。在这种情形中，可能要注意由提取单元74提取的图案(圆形槽82)可能在获取下 一个图像的时候错过成像区域30，其可以被包括在目前图案并不位于成像区域30内的图 像I(I)中的判断中。[步骤S6]在判断对应于目标位置Ptl的位置位于成像区域30内的图像I(I)中的情形中，指 示目标位置Ptl从图像I(O)至图像I(I)的位移量的矢量APci被计算出(步骤S6)，并且它 的值被存储在储存单元56 (例如，RAM 71)中。此计算由图2中所示的计算单元77实施。[步骤S7]接下来，对组成测量对象的工件26的表面32上的预定长度进行测量(步骤S7)。 稍后将说明执行该步骤的方法的细节。[步骤 S8 至 S9]接下来，执行图像捕捉结束判断(步骤S8)。在使用传感器头12继续图像捕捉而 没有使用硬件或软件中断来发出图像捕捉结束命令的情形中，将等待预定时段，直到在下 个时间(t = 2)表现图像I (2)的图像信号的获得变为可能(步骤S9)。从这点向前，继续图像捕捉并且重复步骤S3到S9，只要与目标位置Ptl对应的位置 位于成像区域30内的图像I (t)中即可。[步骤 S10]其后，如图3B所示，在预定时间t，在第一次判定了与目标位置Ptl对应的位置并不位于成像区域30内的图像I (t)的情形中，从成像区域30内的图像I(t)设定新的目标位 置P1，其不同于目标位置Ptl (步骤S10)。如图2所示，从存储在图像存储器70内的图像信 号中，读出与图像I(O)对应的图像信号，并且由提取单元74从图像I(O)内提取出工件26 的表面32上的新图案。与步骤Sl类似，目标位置P1被判定并被设定作为由提取单元74 提取的新图案的代表位置，随即，新的目标位置P1的坐标被存储在储存单元56(例如，RAM 71)内。接下来，将参照图10的流程图详细说明设定新的目标位置P1的方法，该目标位置 P1F同于成像区域30内的图像I (t)的目标位置P。。
首先，基于像素值分布实施候补位置的提取(步骤S101)。在新设定的目标位置P1B近的区域拥有大体平均的像素值的情形中，搜索成像区 域30内的图像I(t)中的目标位置P1(图4中所示的步骤S4)将极其困难。从而，搜索的 可能性很有希望的位置，即，其中邻近像素的像素值的差异相对较大的位置，被提取作为目 标位置P1的候补位置{Qj。这里，其中多个单独的(M个)候补位置存在的情形被考虑，这样的候补位置群由 {Qj} (j = 1,2, ... ,Μ)标记。如图11所示，将成像区域的中心像素(0，0)作为起点，与沿四个箭头方向(SE，SN， Sff, Ss)取向的各个像素有关的图像特征值被先后计算出，其像素特征值第一次超过预定值 的像素被选为候补位置。在该情形中，像素特征值被定义为估计值，伴随邻近像素的像素值 差异增加，像素特征值变得更大。举例来说，关心的区域(如图7中所示的关心的区域102 等那样被定义)内的标准偏差，或关心的区域内的像素值和像素值的平均值之间的信号值 的差异的总和等，可以被用作像素特征值。由于三角形槽84位于Se箭头的方向上，而方形槽86位于Sw箭头的方向上，两者 间的质心(重心)位置被选为候补位置。另一方面，对于从中心像素(0，0)开始的箭头Sn 和箭头Ss的方向，计算与每一个像素有关的像素特征值，因为直到成像区域30的边界附近 的像素值是均勻的，断定候补位置{Q」}并非位于其内，计算完成。如果采用上述方法，与对于成像区域内的全部像素计算像素特征值的情形相比， 能够极大地减小处理所需的计算操作量。以这种方式实施，最多四个(如图11所示的两 个)候补位置{Qj被提取。接下来，研究前面的目标位置Ptl和候补位置{Q」}之间的位置关系(步骤S102)。必不可少的是前面的位置Ptl和现时设定的目标位置P1 —起存在于成像区域30内 的至少一个图像I(t)内。否则，目标位置Ptl和目标位置Pii间的相互位置关系不能被识 另|J。因此，对于在步骤SlOl中提取的全部的候补位置{Qj}，首先要研究的是目标位置Ptl和 候补位置{Qj}是否一起存在于成像区域30内的至少一个图像I(t)内。利用目标位置P。明确地存在于成像区域30内的图像I(t-l)内的事实，可以采用 一种方法以判定候补位置{Qj}是否也存在于成像区域30内的图像I(t-l)内。在该情形 中，可以使用如上所述的基于区域的匹配技术。最后，从候补位置中选择一个位置，并且新的目标位置P1被设定在上述一 个位置处(步骤S103)。举例来说，在单独一个候补位置{Q」}位于成像区域30内的图像 Kt-D中的情形中，在候补位置处设定目标位置Pp在多个单独的候补位置{QJ位于成像区域30内的图像I(t-l)中的情形中，目标位置P1被设定在一个候补位置处，这一个候补 位置的图像特征值在多个候补位置{Q」}中是最大的。以这种方式，可以从成像区域30内的图像I(t)中设定不同于目标位置Ptl的新的 目标位置Pi。[步骤Sll]接下来，计算出目标位置Ptl的追踪位移量的矢量PtlP1 (步骤Sll)。此计算由图2 中所示的计算单元77执行。根据本实施例，因为目标位置P1被设定成使得目标位置Ptl和P1两者都位于成像 区域30内 的图像I (t-Ι)中，因此能够容易地判定矢量PtlPp用这样的方式，通过执行步骤 SlO和Sl 1，对于当前的目标位置P。(通式=Pi)设定新的目标位置P1 (通式Pi+1)。接下来，执行终止图像捕捉的判断(步骤S8)。现时，在图像捕捉将要继续而没有 终止图像捕捉的命令的情形中，维持预定时间直到下一个时间(t+ι)，在此期间可以从成像 区域30内获得图像I (t+Ι)(步骤S9)。[步骤S7的详细说明]如上所讨论的，在图像捕捉正被进行的同时，即实时，在作为测量对象的工件26 的表面32上预定长度被测量(步骤S7)。下面，参照图12的流程图，将更加详细地描述测
量方法。使用根据本实施例的位置测量方法，(N+1)个单独的目标位置(N是正整数)，或者 更具体地，位置Ptl到Pn在工件26的表面32上被设定(参见图13)。存储在图2所示的RAM 71中的追踪位移量矢量{ΡΑ+1}的数据被读出，并且基于这样的数据，由测量单元78执行 长度测量。首先，定义长度测量的起点的第一点X1和定义长度测量的终点的第二点X2被指定 (步骤S71)。作为指定这样的点的一个实例，参照图2中所示的显示器62上显示的图像， 用户通过诸如⑶I等的设定手段可以设定第一点X1和第二点X2。进一步，可以实行能够辨 别工件26的表面32上的起点和终点的标识。在长度测量开始之前，用户通常预先将第一 点X1设定作为长度测量的起点。接下来，在第一点X1的附近判定目标位置Pm(0彡m彡N)(步骤S72)。这里，在成 像区域30内的至少一个图像I (t)中，第一点X1和目标位置Pm两者必须都存在。假定存在 满足该条件的目标位置Pm，则可以选择任何位置。接下来，计算出定义第一点X1和目标位置Pm之间的相对位置的矢量X1Pm(步骤 S73)。由于第一点X1和目标位置Pm两者在预定时间、都位于由成像区域30内的图像I U1) 代表的区域内，因此能够容易地判定矢量X1P1^接下来，判定第二点X2附近的目标位置Pn(0彡m < η彡N)(步骤S74)。这里，在 成像区域30内的至少一个图像I (t)中，第二点X2和目标位置Pn两者必须都存在。假定存 在满足该条件的目标位置Pn，则可以选择任何位置。接下来，计算出定义第二点X2和目标位置Pn之间的相对位置的矢量X2Pn(步骤 S75)。由于第二点X2和目标位置？ 两者在预定时间t2都位于由成像区域30内的图像I (t2) 代表的区域内，因此能够容易地判定矢量X2Pn。最后，计算出第一点X1和第二点X2之间的位移矢量(步骤S76)。位移矢量X1X2由下面的方程(1)确定。5ζ]ζ = ^ + ΡΧ^ + ··· + ΡΖΑ+ΡΧ=χλ+Χρ^+ρΧ…(1)
(0 ^ m < η ^ N)用这样的方式，作为由提取单元74(图2)提取的图案的代表位置的目标位置{PJ 起着追踪点的作用。结果，可以由上述方程(1)表示图像内的任意位置，在该图像中存在至 少一个目标位置。最后，通过将限定像素数的单位的χ轴位移量和y轴位移量与图像大小(1个像素 的尺寸)相乘，可以确定实际尺寸的长度。进一步，能够基于已知的图像捕捉放大率(其在 未图示的成像光学系统中被设定)以及已知的图像捕捉元件50的分辨率计算出像素大小。此外，在测量长度之前，通过获取高精度参考目标对象(其尺寸是已知的)的图 像，测量像素数，并用已知尺寸除以像素数，可以确定像素大小。进一步，如果作为测量起始位置的第一点X1的位置被预先设定，仍然可以实现上 述位置测量方法，即使具有其中只有表现指定目标位置{PJ所必须的图像I(t)的图像信 号可以被存储在储存单元56的图像存储器70中，而表现另一个图像I (t)的图像信号并未 存储(即，另一个图像在其上执行预定图像处理之后被损坏)的构造中。在该情况下，存在 有利条件，其中可以减小储存单元56的存储容量，并且可以减小访问存储器的次数。根据本发明的位置测量设备和位置测量方法并不限于如上所述的实施例，在不脱 离本发明的本质和范围的前提下，可以采取各种替换或附加的特征和结构。举例来说，虽然在本实施例中采用的是其中照明光46从工件26的表面32反射并 且反射的光学图像由图像捕捉元件50捕捉的结构，但是也可以使用自然光，或者能够由图 像捕捉元件50捕捉测量对象自身发出的光学图像。进一步，图像捕捉元件50可以由单色传感器构建(即，具有单一光接收波长特性的 传感器元件)或者彩色传感器(即，具有多种类型的光接收波长特性的传感器元件)。在该 情况下，图像处理器14可以执行与所获得的图像信号的数据类型相适应的通信和图像处理。此外，虽然在本实施例中，已经示出了其中传感器头12的位置和姿势固定，并且 安装在传送装置20上的工件26通过在传送装置20上的传送来移动的情形，用于使得工件 26的表面32上方的传感器头12相对运动的手段并不限于此情形。举例来说，通过在工件 26在位置上保持固定的同时，相对于工件26的表面32平行移动传感器头12也可以实施图 像捕捉。进一步，测量对象自身也可以包含驱动机构，借此移动的测量对象的图像被捕捉。进一步，假设其中公知的图像识别处理技术被并入图像处理单元58的构造，不仅 能够执行二维长度测量，还可以执行形状鉴别和颜色鉴别。进一步，在根据本发明的位置测量设备和位置测量方法中，不仅二维坐标(X，Y) 能够适用，而且三维坐标(x，Y，z)也能够适用。在该情况下，能够通过检测图案的放大/缩 小比率来实现Z轴方向上的位移。此外，如果是对两个任意的点进行位置测量，可以唯一地确定其长度、三维位移和 角度(围绕第三位置的角位移)。从而，根据本发明的位置测量设备和位置测量方法不仅用 作长度测量传感器和位移传感器，也可以作为角度传感器、速度传感器等应用。
权利要求
一种位置测量设备(10)，其特征在于，其中具有成像区域(30)的图像捕捉元件(50)在测量对象(26)的表面(32)上相对运动，同时所述测量对象(26)的所述表面(32)上的图像被捕捉以获得所述成像区域(30)内的图像，所述成像区域(30)的尺寸小于所述测量对象(26)的尺寸，并且使用所获得的所述成像区域(30)内的图像来对所述测量对象(26)的所述表面(32)上的位置进行测量，所述位置测量设备(10)包括提取单元(74)，用于在预定时间点从所述成像区域(30)内的所述图像提取所述测量对象(26)的所述表面(32)上的图案；检测器(76)，用于在所述预定时间点之后的时间点检测由所述提取单元(74)提取的存在于所述成像区域(30)内的所述图像中的所述图案的位移量；以及测量单元(78)，用于基于由所述检测器(76)检测到的所述尺寸和所述位移量来测量所述测量对象(26)的所述表面(32)上的所述位置。
2.如权利要求1所述的位置测量设备，其特征在于，进一步包括储存单元(56)，用于存储与由所述提取单元(74)提取的所述图案相关的位置信息，其中所述测量单元(78)基于由所述储存单元(56)存储的所述位移量、所述尺寸和所 述位置信息来测量所述测量对象(26)的所述表面(32)上的所述位置。
3.如权利要求1所述的位置测量设备，其特征在于，所述提取单元(74)从存在被提取 的图案的所述成像区域(30)内的所述图像中提取更新的图案，所述更新的图案不同于所 述提取的图案。
4.如权利要求3所述的位置测量设备，其特征在于，进一步包括判定单元(75)，用于 实施由所述提取单元(74)提取的所述图案是否存在于当前的所述成像区域(30)内的所述 图像中的判定，其中，当所述判定单元(75)判定所述图案并未存在于当前的所述成像区域(30)内的 所述图像中时，所述提取单元(74)从当前的所述成像区域(30)内的所述图像中提取所述 更新的图案。
5.如权利要求2所述的位置测量设备，其特征在于，所述储存单元(56)存储所述图案的模板(100)；以及所述检测器(76)使用由所述储存单元(56)存储的所述模板(100)根据基于区域的匹 配来计算所述图案的所述位移量。
6.一种位置测量方法，其特征在于，其中具有成像区域(30)的图像捕捉元件(50)在测 量对象(26)的表面(32)上相对运动，同时所述测量对象(26)的所述表面(32)上的图像 被捕捉以获得所述成像区域(30)内的图像，所述成像区域(30)的尺寸小于所述测量对象 (26)的尺寸，并且使用所获得的所述成像区域(30)内的图像来对所述测量对象(26)的所 述表面(32)上的位置进行测量，所述位置测量方法包括以下步骤在预定时间点从所述成像区域(30)内的所述图像提取所述测量对象(26)的所述表面 (32)上的图案；在所述预定时间点之后的时间点检测由提取单元(74)提取的存在于所述成像区域 (30)内的所述图像中的所述图案的位移量；以及基于由检测器(76)检测到的所述尺寸和所述位移量来测量所述测量对象(26)的所述 表面(32)上的所述位置。
7.如权利要求6所述的位置测量方法，其特征在于，提取步骤进一步包括从存在被提 取的图案的所述成像区域(30)内的所述图像中提取更新的图案，所述更新的图案不同于 所述提取的图案。
8.如权利要求6所述的位置测量方法，其特征在于，在执行检测步骤之后，进一步包括 判定步骤，用于由判定单元(75)判定由所述提取单元(74)提取的所述图案是否存在于当 前的所述成像区域(30)内的所述图像中。
9.如权利要求6所述的位置测量方法，其特征在于，在执行提取步骤之后，进一步包括 存储步骤，用于由储存单元(56)存储与所述提取单元(74)提取的所述图案有关的位置信 肩、ο
全文摘要
本发明提供一种位置测量设备和位置测量方法。在位置测量设备和位置测量方法中，具有成像区域(30)的图像捕捉元件(50)在工件(26)的表面(32)上相对运动，同时工件(26)的表面上(32)的图像被捕捉，该成像区域(30)的尺寸小于工件(26)的尺寸。另外，从成像区域(30)内的图像(I(t))中提取出工件(26)的表面(32)上的图案，存在于成像区域(30)内的图像(I(t+1))中的图案的位移量被检测出。基于所检测到的位移量和尺寸测量出工件(26)的表面(32)上的位置。
文档编号G06F3/041GK101943969SQ20101023092
公开日2011年1月12日 申请日期2010年7月6日 优先权日2009年7月7日
发明者阿木智彦 申请人:Smc株式会社