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光學(xué)度量中的測量對象的邊緣確定的方法和設(shè)備與流程

文檔序號:12904067閱讀:212來源:國知局
光學(xué)度量中的測量對象的邊緣確定的方法和設(shè)備與流程

本發(fā)明涉及一種光學(xué)度量中的測量對象的邊緣確定的方法。本發(fā)明還涉及用于執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法的光學(xué)坐標(biāo)測量機和計算機程序產(chǎn)品。



背景技術(shù):

坐標(biāo)測量機,比如從de102012103554a1已知的,用于檢查工件,例如作為質(zhì)量保證的一部分,或用于完全確定工件的幾何結(jié)構(gòu),作為已知的“反向工程”的一部分。此外,可構(gòu)想多樣的其他應(yīng)用可能。

在坐標(biāo)測量機中,不同類型的傳感器可以用來采集待測量工件。例如,以觸覺方式測量的傳感器就此而言是已知的,如申請人以名稱“vastxt”或“vastxxt”所銷售的。在此,用觸針掃描待測量工件的表面,測量空間中的所述觸針的坐標(biāo)在所有時間是已知的。這樣的觸針也可以沿著工件的表面移動,使得可以在這樣的測量過程期間,作為已知的“掃描方法”的一部分,在設(shè)定的或已知的時間間隔采集大量測量點。

此外已知的是,使用便于工件的坐標(biāo)的無接觸采集的光學(xué)傳感器。本發(fā)明涉及這樣的坐標(biāo)測量機,其包括光學(xué)傳感器,并且涉及光學(xué)測量的相關(guān)方法。光學(xué)傳感器的一個示例是申請人以商品名稱“viscan”所銷售的光學(xué)傳感器。此類型的光學(xué)傳感器可以用于各種類型的測量設(shè)置或坐標(biāo)測量機中。這樣的坐標(biāo)測量機的示例為產(chǎn)品“o-select”和“o-inspect”,其由申請人所銷售。

對于精確測量,在光學(xué)坐標(biāo)測量機中必須提供待測量工件的對應(yīng)照明。除已知的透射光照明(其中光源相對于光學(xué)傳感器位于工件后面)之外,可以替代地使用已知的反射光照明,以便在工件或測量對象的面向光學(xué)傳感器的頂側(cè)上對其進行照明。精確適配于測量對象的照明是很重要的,尤其因為可能由此改善測量對象的光學(xué)檢測中所需的明暗對比度。具體地,在測量對象的所述光學(xué)測量期間,測量對象成像到光學(xué)傳感器上,即,產(chǎn)生測量對象到傳感器平面上的2d投影。

在透射光照明期間,未被測量對象所覆蓋的區(qū)域在光學(xué)傳感器上顯得明亮。反之,被測量對象所覆蓋的區(qū)域在光學(xué)傳感器上顯得黑暗。

在反射光照明期間,尤其在亮場反射光照明期間,測量對象將入射其上的光進行反射的區(qū)域表現(xiàn)為明亮區(qū)域,并且不反射任何光的區(qū)域表現(xiàn)為黑暗區(qū)域。

為了能夠采集測量對象的空間坐標(biāo)(2d或3d坐標(biāo)),首先必須確定測量對象的邊緣或者邊緣的位置。由光學(xué)傳感器采集的圖像數(shù)據(jù)優(yōu)選地為一個或多個灰度圖像。因為物理原因,為度量目的而待評估的測量對象的邊緣不在光學(xué)傳感器上成像為明亮與黑暗之間的二元跳躍,而是成像為明亮與黑暗之間的灰度輪廓。此輪廓的寬度受各種因素影響,比如測量對象在焦平面中的取向或測量鏡頭的質(zhì)量/na。

當(dāng)前的度量挑戰(zhàn)是從由光學(xué)傳感器采集的圖像數(shù)據(jù)確定測量對象的一個或多個邊緣的實際位置。更具體地,挑戰(zhàn)是適當(dāng)?shù)亟庾x由圖像數(shù)據(jù)中的測量對象的邊緣產(chǎn)生的灰度輪廓,或者應(yīng)用準(zhǔn)則,在所述準(zhǔn)則下,從灰度輪廓確定的邊緣取向?qū)?yīng)于測量對象處的物理邊緣。完全自動化或部分自動化地,典型地選擇基于軟件的評估方法來解讀圖像數(shù)據(jù)和確定邊緣。已知的邊緣檢測算法為例如canny算法和拉普拉斯濾波(laplacianfilter)。其他已知的邊緣算子為sobel算子、scharr算子、prewitt算子以及roberts算子。

然而,已經(jīng)發(fā)現(xiàn),上述類型的圖像評估和邊緣檢測可能導(dǎo)致系統(tǒng)誤差。直到現(xiàn)在,此類型的系統(tǒng)誤差通常具有較低相關(guān)性。然而,由于較新的測量方法和提高的測量精度要求,此類型的測量偏差逐漸提高重要性。然而直到現(xiàn)在,尚未找到避免此類型的系統(tǒng)測量誤差的適當(dāng)且成本有效的方式。

在此背景下,本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種用于在光學(xué)度量中的測量對象的邊緣確定的方法和設(shè)備,其克服上述缺點。目標(biāo)尤其是在圖像數(shù)據(jù)的光學(xué)度量評估期間盡可能最小化邊緣解讀中產(chǎn)生的系統(tǒng)測量誤差。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

根據(jù)本發(fā)明的一方面,提出一種方法,其包括以下步驟:

-在反射光照明下,采集測量對象的第一圖像數(shù)據(jù);

-在透射光照明下,采集測量對象的第二圖像數(shù)據(jù);以及

-通過評估第一圖像數(shù)據(jù),確定測量對象的邊緣的第一初步邊緣位置;

-通過評估第二圖像數(shù)據(jù),確定測量對象的邊緣的第二初步邊緣位置;以及

-通過形成第一初步邊緣位置與第二初步邊緣位置之間的平均值,確定測量對象的邊緣位置,其中形成平均值包含形成加權(quán)平均值,加權(quán)平均值的加權(quán)取決于測量對象與用來采集第一圖像數(shù)據(jù)和第二圖像數(shù)據(jù)的光學(xué)傳感器的光軸相平行的尺寸,和/或取決于測量對象的表面相對于光軸的傾斜。

根據(jù)本發(fā)明的另一方面,提出一種方法,其包括以下步驟:

-在反射光照明下,采集測量對象的第一圖像數(shù)據(jù);

-在透射光照明下,采集測量對象的第二圖像數(shù)據(jù);

-通過合成第一圖像數(shù)據(jù)和第二圖像數(shù)據(jù),形成合成圖像數(shù)據(jù),其中在形成合成圖像數(shù)據(jù)之前,將第一圖像數(shù)據(jù)和第二圖像數(shù)據(jù)中的每一個標(biāo)準(zhǔn)化;以及

-基于合成圖像數(shù)據(jù),確定測量對象的邊緣的位置。

根據(jù)本發(fā)明的其他方面,提出一種坐標(biāo)測量機,其包括:

-光學(xué)傳感器,用于采集測量對象的圖像數(shù)據(jù);

-第一照明裝置,用于產(chǎn)生測量對象的反射光照明;

-第二照明裝置,用于產(chǎn)生測量對象的透射光照明;以及

-控制裝置,其配置為通過第一照明裝置照明測量對象并通過光學(xué)傳感器采集第一圖像數(shù)據(jù),并且配置為通過第二照明裝置照明測量對象并通過光學(xué)傳感器采集第二圖像數(shù)據(jù),并且其中控制裝置配置為基于使用第一圖像數(shù)據(jù)和第二圖像數(shù)據(jù)兩者的評估確定所述測量對象的邊緣的位置。

還提出一種計算機程序,包括程序代碼,所述程序代碼配置為,如果在坐標(biāo)測量機的控制裝置中執(zhí)行所述程序代碼,通過所述坐標(biāo)測量機執(zhí)行上述方法。

通過校準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)的測量已經(jīng)可以示出,光學(xué)度量邊緣解讀中經(jīng)常產(chǎn)生的上述系統(tǒng)測量誤差導(dǎo)致,與實際邊緣位置相比,確定的邊緣位置原則上“在明亮區(qū)域中”有些過遠。通常將由圖像數(shù)據(jù)中的測量對象的邊緣產(chǎn)生的從明亮到黑暗的灰度輪廓錯誤地解讀為意味著,與真實邊緣位置相比,確定的邊緣位置在明亮區(qū)域中顯得有些過遠。此測量誤差取決于照明的類型。例如,已經(jīng)表明,在透射光照明下的具有160μm直徑的圓形結(jié)構(gòu)(其中圓形結(jié)構(gòu)自身顯得黑暗,而其周圍區(qū)域顯得明亮),被測量為過大了約500nm。反之,已經(jīng)表明,在反射光照明下相同的圓形結(jié)構(gòu)(其中圓形結(jié)構(gòu)自身顯得明亮,而其周圍區(qū)域顯得黑暗),被測量為過小了約500nm。應(yīng)當(dāng)理解,這不僅適用于圓形結(jié)構(gòu)或精確地校準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)。

總體上,因此已經(jīng)發(fā)現(xiàn),在反射光照明的情況下,與透射光照明相比較,存在測量偏差的某種類型的對稱。還已經(jīng)發(fā)現(xiàn),此類型的測量偏差與測量對象的名義直徑無關(guān),名義直徑是指測量對象在二維測量平面中的尺寸。也可以排除成像比例的校準(zhǔn)期間的誤差或多類型的照明的任何波長差異的影響。

因此,本發(fā)明是基于以下思路,通過在反射光照明下采集測量對象的圖像數(shù)據(jù)并在透射光照明下采集測量對象的圖像數(shù)據(jù),來補償光學(xué)邊緣解讀中的上述系統(tǒng)測量誤差。第一所述圖像數(shù)據(jù)將在本文稱為“第一圖像數(shù)據(jù)”,以便于區(qū)分。在透射光照明下所采集的第二所述圖像數(shù)據(jù)將在本文稱為“第二圖像數(shù)據(jù)”。

根據(jù)本發(fā)明,基于使用第一圖像數(shù)據(jù)和第二圖像數(shù)據(jù)兩者的評估確定邊緣位置。由于使用了兩個圖像數(shù)據(jù)集(即在反射光下所采集的圖像數(shù)據(jù)和在透射光下所采集的圖像數(shù)據(jù)),可以補償所述測量誤差,這是因為在此可以采用與透射光照明相比較的在反射光照明下的測量誤差的對稱性或?qū)⑵淦骄簟?/p>

在上述示例中,待測量結(jié)構(gòu)在透射光下顯得過大,并且在反射光下以精確地相同或至少幾乎相同的量顯得過小。因此,如果在評估中使用兩種類型的圖像信息,可以比其他典型方式(使用典型邊緣檢測算法)更精確地確定測量對象的邊緣位置。

根據(jù)本文呈現(xiàn)的方法的第一實施例,確定測量對象的邊緣位置的方法步驟包含以下步驟:(i)通過評估第一圖像數(shù)據(jù),確定測量對象的邊緣的第一初步邊緣位置;(ii)通過評估第二圖像數(shù)據(jù),確定測量對象的邊緣的第二初步邊緣位置;以及(iii)通過形成第一初步邊緣位置與第二初步邊緣位置之間的平均值,確定測量對象的邊緣位置。

因此,在此替代方案中,首先在反射光照明下記錄的第一圖像中確定邊緣位置。分別地,然后在透射光照明下記錄的第二圖像中確定邊緣位置。接下來,在由此確定的邊緣位置(在本情況下稱為第一和第二“初步邊緣位置”)之間形成平均值。

優(yōu)選地,形成算術(shù)平均值。對于測量具有160μm直徑的圓形結(jié)構(gòu)的上述示例,這將給出最終確定的邊緣位置的精確結(jié)果。形成平均值將使得相應(yīng)的測量誤差達到零誤差的精確平衡,在本示例中,其在透射光照明下給出過大了500nm的圓環(huán)結(jié)構(gòu)直徑的測量,并且在反射光下給出過小了500nm的圓環(huán)結(jié)構(gòu)直徑的測量。

即使在反射光和透射光下的測量誤差彼此不精確對稱,此類型的形成基于第一圖像數(shù)據(jù)找到的邊緣位置與基于第二圖像數(shù)據(jù)找到的邊緣位置之間的平均值仍帶來精度上的改善,因為已經(jīng)可以表明,在每種情況下解讀的邊緣取向確定為在邊緣過渡的明亮區(qū)域中過遠,并且這些效應(yīng)在反射光照明和透射光照明下相對應(yīng)地彼此相反,這是因為在反射光下產(chǎn)生的圖像中的明亮和黑暗區(qū)域與在透射光下產(chǎn)生的圖像中的明亮和黑暗區(qū)域互補。

形成平均值優(yōu)選地包含形成加權(quán)平均值,其中此平均值的加權(quán)取決于測量對象的與用來采集第一圖像數(shù)據(jù)和第二圖像數(shù)據(jù)的光學(xué)傳感器的光軸平行的尺寸,和/或取決于測量對象的表面相對于光軸的傾斜。

因此,可以同樣地補償在測量對象的邊緣不平行于光學(xué)傳感器的光學(xué)軸的情況下自然產(chǎn)生的反射光照明與透射光照明的成像差異。然而,應(yīng)當(dāng)理解,至少測量對象的粗略形狀的知識是限定加權(quán)的先決條件。然而在實踐中這是典型情況。

根據(jù)本文呈現(xiàn)的方法的第二實施例,確定測量對象的邊緣位置的方法步驟包含以下步驟:(i)通過第一圖像數(shù)據(jù)和第二圖像數(shù)據(jù)的合成,形成合成圖像數(shù)據(jù);以及(ii)基于合成圖像數(shù)據(jù),確定測量對象的邊緣位置。

與上面進一步解釋的第一實施例相反(在第一實施例中,初始地彼此分別地評估兩個圖像數(shù)據(jù)集,從而在兩個圖像中的每一個中分別地建立邊緣位置,且然后將它們平均),在本實施例中,將兩個圖像的數(shù)據(jù)集初始地組合,以形成合成數(shù)據(jù)集,然后從而在合成數(shù)據(jù)集中確定測量對象的邊緣位置。為此,優(yōu)選地將兩個圖像數(shù)據(jù)集(即,第一圖像數(shù)據(jù)和第二圖像數(shù)據(jù))初始地標(biāo)準(zhǔn)化。此標(biāo)準(zhǔn)化包括將第一圖像數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍和第二圖像數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍標(biāo)準(zhǔn)化到相同的共享值。

本情況下的圖像數(shù)據(jù)的動態(tài)范圍被理解為意味著,從噪聲或顆粒可區(qū)分的最大與最小灰度級的商或差。為消除噪聲和小的傳感器缺陷,因此在標(biāo)準(zhǔn)化之前優(yōu)選地將圖像數(shù)據(jù)濾波,使得比如通過高斯濾波來濾波出任何灰度級異常或灰度級離群值。然后將圖像數(shù)據(jù)中剩余的灰度級標(biāo)準(zhǔn)化,使得第一圖像數(shù)據(jù)中和第二圖像數(shù)據(jù)兩者中的最大剩余灰度級被設(shè)定為共同最大值,并且兩個圖像數(shù)據(jù)集中的最小灰度級被設(shè)定為共同最小值。標(biāo)準(zhǔn)化的最大灰度級與最小灰度級之間的剩余像素的灰度級相應(yīng)地在兩個圖像數(shù)據(jù)集中成比例。

除上述系統(tǒng)測量誤差之外,這產(chǎn)生精確互補的圖像。換而言之,在反射光照明下記錄的標(biāo)準(zhǔn)化的測量對象的第一圖像是在透射光照明下記錄的標(biāo)準(zhǔn)化的測量對象的第二圖像的互補圖像?,F(xiàn)在,來自此互補行為的偏差僅由上述系統(tǒng)測量誤差、或非對稱性、或測量對象相對于光軸的傾斜邊緣位置造成。

在第二實施例中,其采用第一圖像數(shù)據(jù)和第二圖像數(shù)據(jù)的合成,優(yōu)選地通過識別合成圖像數(shù)據(jù)中標(biāo)準(zhǔn)化的第一圖像數(shù)據(jù)中的灰度級對應(yīng)于標(biāo)準(zhǔn)化的第二圖像數(shù)據(jù)中的灰度級的位置,確定測量對象的邊緣位置。為了形成合成圖像數(shù)據(jù),布置在對應(yīng)的圖像位置的標(biāo)準(zhǔn)化的第一圖像數(shù)據(jù)的像素與標(biāo)準(zhǔn)化的第二圖像數(shù)據(jù)的像素之間的灰度級中的差異優(yōu)選地以逐像素的方式形成。對于第一圖像數(shù)據(jù)和第二圖像數(shù)據(jù)集中的全部對應(yīng)的像素,以逐像素方式形成此灰度級差異。然后可以將測量對象的邊緣的位置假定為在從而獲得的合成差異圖像的灰度級為零或至少近似為零的地方。

然而,應(yīng)當(dāng)理解,合成圖像的形成嚴(yán)格來說不是必須的,因為上述識別兩個圖像數(shù)據(jù)集的灰度級差異為零處的像素位置的準(zhǔn)則無異于識別兩個圖像數(shù)據(jù)集中的灰度級相等處的像素位置。因此,對于此類型的評估,合成圖像數(shù)據(jù)的形成不是強制的。

根據(jù)其他細化方案,根據(jù)本發(fā)明的方法包含以下其他步驟:(i)圍繞水平軸線旋轉(zhuǎn)測量對象;(ii)在反射光照明下,采集旋轉(zhuǎn)的測量對象的第三圖像數(shù)據(jù);(iii)在透射光照明下,采集旋轉(zhuǎn)的測量對象的第四圖像數(shù)據(jù);(iv)基于使用第三圖像數(shù)據(jù)和第四圖像數(shù)據(jù)兩者的評估,確定測量對象的邊緣的其他位置;以及(v)將基于第一圖像數(shù)據(jù)和第二圖像數(shù)據(jù)確定的測量對象的邊緣位置與基于第三圖像數(shù)據(jù)和第四圖像數(shù)據(jù)確定的其他測量對象的邊緣位置進行比較。

在此細化方案中,在原始位置中采集測量對象的兩個圖像(第一圖像數(shù)據(jù)和第二圖像數(shù)據(jù)集),并且在優(yōu)選地旋轉(zhuǎn)180°之后的位置中采集測量對象的兩個圖像(第三圖像數(shù)據(jù)集和第四圖像數(shù)據(jù)集)。對于測量對象的兩個位置,在每種情況下,在反射光照明下產(chǎn)生一個圖像(第一圖像數(shù)據(jù)集和第三圖像數(shù)據(jù)集),并且在透射光照明下產(chǎn)生一個圖像(第二圖像數(shù)據(jù)集和第四圖像數(shù)據(jù)集)。然后基于上述變體中的一個,一經(jīng)使用第一圖像數(shù)據(jù)和第二圖像數(shù)據(jù)集,并且與之分別地,使用第三圖像數(shù)據(jù)集和第四圖像數(shù)據(jù)集,來確定邊緣位置。然后將過程中確定的兩個邊緣位置彼此進行比較。此比較使得可以檢查毗鄰確定的邊緣的表面是否平行于光軸。這是因為如果這樣的表面相對于光軸成角度,基于第一圖像數(shù)據(jù)和第二圖像數(shù)據(jù)集確定的邊緣位置與基于第三圖像數(shù)據(jù)集和第四圖像數(shù)據(jù)集確定的邊緣位置(在本情況下稱為“測量對象的邊緣的其他位置”)相比較必然產(chǎn)生差異。

應(yīng)當(dāng)理解,可以基于第三圖像數(shù)據(jù)集和第四圖像數(shù)據(jù)集,以上面關(guān)于基于第一圖像數(shù)據(jù)和第二圖像數(shù)據(jù)集的邊緣檢測所描述的相同方式進行其他邊緣位置的確定,具體地,通過第三圖像數(shù)據(jù)中的和第四圖像數(shù)據(jù)中的邊緣位置的分分別確定,并且隨后在因此分別確定的初步邊緣位置之間進行平均;或通過形成合成圖像數(shù)據(jù),并且基于合成圖像數(shù)據(jù)確定測量對象的邊緣位置。

為了發(fā)現(xiàn)毗鄰待確定的測量對象的邊緣的表面是平行于傳感器的光軸還是與之成角度,在上述情景中,也可以在每種情況下,將在反射光照明下記錄的兩個圖像數(shù)據(jù)集與在透射光照明下記錄的兩個圖像數(shù)據(jù)集進行比較。在此情況下,從而將第一圖像數(shù)據(jù)與第三圖像數(shù)據(jù)進行比較,并且將第二圖像數(shù)據(jù)與第四圖像數(shù)據(jù)進行比較。更具體地,則將基于第一圖像數(shù)據(jù)確定的邊緣位置與基于第三圖像數(shù)據(jù)確定的邊緣位置進行比較。以相同的方式,將基于第二圖像數(shù)據(jù)確定的邊緣位置與基于第四圖像數(shù)據(jù)確定的邊緣位置進行比較。在每種情況下,由這兩個比較造成的差異必然排他地由測量對象的幾何結(jié)構(gòu)造成。

根據(jù)本發(fā)明的方法的最后提到的細化方案將從而包括以下其他步驟:(i)通過評估第一圖像數(shù)據(jù),確定測量對象的邊緣的第一初步邊緣位置;(ii)通過評估第二圖像數(shù)據(jù),確定測量對象的邊緣的第二初步邊緣位置;(iii)圍繞水平軸線旋轉(zhuǎn)測量對象;(iv)在反射光照明下,采集旋轉(zhuǎn)的測量對象的第三圖像數(shù)據(jù);(v)在透射光照明下,采集旋轉(zhuǎn)的測量對象的第四圖像數(shù)據(jù);(vi)通過評估第三圖像數(shù)據(jù),確定測量對象的邊緣的第三初步邊緣位置;(vii)通過評估第四圖像數(shù)據(jù),確定測量對象的邊緣的第四初步邊緣位置;(viii)將第一初步邊緣位置與第三初步邊緣位置進行比較;以及(ix)將第二初步邊緣位置與第四初步邊緣位置進行比較。

根據(jù)其他細化方案,根據(jù)本發(fā)明的方法優(yōu)選地附加地包含以下步驟:基于確定的測量對象的邊緣,確定測量對象的空間坐標(biāo)。

從而優(yōu)選地不僅對于一個,而是對于多個,尤其優(yōu)選地對于全部測量對象的邊緣進行描述為用于邊緣識別的過程。一旦已經(jīng)識別測量對象的外周邊緣,可以建立測量對象的空間坐標(biāo)。應(yīng)當(dāng)理解,為此,也如為了確定邊緣位置一樣,圖像數(shù)據(jù)被分配給相應(yīng)地標(biāo)準(zhǔn)化的點矩陣,可以基于標(biāo)準(zhǔn)化的點矩陣,將像素數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為si數(shù)據(jù),結(jié)果,圖像數(shù)據(jù)中產(chǎn)生的像素距離可以轉(zhuǎn)換為真實距離,并且分配給已知參考坐標(biāo)系。

反射光照明優(yōu)選地為亮場反射光照明。透射光照明優(yōu)選地為亮場透射光照明。

應(yīng)當(dāng)理解,前述特征和尚待在下面解釋的那些特征不僅可以用于各自指定的組合中,而且可以用于其他組合中或單獨使用,而不背離本發(fā)明的范圍。同樣應(yīng)該理解的是,主要參考根據(jù)本發(fā)明的方法描述的上述實施例和細化方案也以對應(yīng)的方式適用于根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備或可以在后者中實施。

附圖說明

本發(fā)明的示例性實施例在附圖中示出,并且在下面的描述中更詳細地解釋。在附圖中:

圖1a示出了坐標(biāo)測量機的示例性實施例的立體圖;

圖1b示出了具有相關(guān)的照明裝置的光學(xué)傳感器的示意圖,照明裝置可以用于圖1a中所示的坐標(biāo)測量機中,其中示意圖表示從光學(xué)傳感器和相關(guān)的照明裝置的下方的平面圖;

圖2示出了闡述根據(jù)本發(fā)明的方法的第一示例性實施例的示意流程圖;

圖3示出了闡述根據(jù)本發(fā)明的方法的第二示例性實施例的示意流程圖;

圖4示出了闡述根據(jù)本發(fā)明的方法的第三示例性實施例的示意流程圖;

圖5a、5b示出了在反射光照明和透射光照明下記錄的示例性測試結(jié)構(gòu)的圖像;

圖6a、6b示出了圖5a和圖5b中所示的圖像,以及在其中確定的指示的邊緣;

圖7a、7b示出了示意性地闡述示例性測量對象的反射光照明和透射光照明的原理圖;以及

圖8a、8b示出了示意性地闡述舉例示出的測量對象的反射光照明和透射光照明的原理圖,其中測量對象與圖7a和圖7b中所示的情況相比旋轉(zhuǎn)180°。

具體實施方式

圖1a示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性實施例的坐標(biāo)測量機。坐標(biāo)測量機作為整體在此用附圖標(biāo)記10指代。

坐標(biāo)測量機10包括工件托架12,其上可以設(shè)置待測量的工件或測量對象。此工件托架12設(shè)置在測量臺14上。取決于坐標(biāo)測量機的實施例,所述測量臺可以是固定的,即非移動式測量臺。然而,在圖1a所示的實施例中,測量臺14是使用定位裝置16沿著測量臺平面中的兩個相互正交對準(zhǔn)的坐標(biāo)軸18、20線性可位移的。第一坐標(biāo)軸18通常稱為x軸,并且第二坐標(biāo)軸20通常稱為y軸。

在圖1中所示的坐標(biāo)測量機10的示例性實施例中,測量臺14實施為已知為十字臺的構(gòu)造類型。其包括x臺22,其沿著第一坐標(biāo)軸18(x軸)線性可位移,在其頂側(cè)上設(shè)置工件托架12。x臺22進而設(shè)置在y臺24上,y臺24平行于前者,并且用來將工件托架12沿著第二坐標(biāo)軸20(y軸)線性位移。y臺24進而設(shè)置在實心基部板26(通常也稱為主板26)上?;堪?6充當(dāng)測量臺14的載體結(jié)構(gòu),并且通常與機架28以整體方式連接。

除支承基部板26的下部之外,機架28還包括上部28’,其典型地但不絕對必然地與機架28的下部以整體方式連接。機架28的此上部28’通常也稱為z柱。

在圖1a中所示的坐標(biāo)測量機10的示例性實施例中,已知的z滑架30安裝在z柱28’上,使得其線性可位移。優(yōu)選地使用在滑架外殼32內(nèi)的線性導(dǎo)軌引導(dǎo)此z滑架30,滑架外殼32固定地連接到z柱28。z滑架30從而沿著第三坐標(biāo)軸34(其通常稱為z軸)以正交于測量臺14或正交于其他兩個坐標(biāo)軸18、20的方式可位移。z滑架30的底側(cè)上設(shè)置的是測量頭36,其面向測量臺14。測量頭36包括一個或多個傳感器,這取決于坐標(biāo)測量機10的實施例。在本情況下,測量頭36包括光學(xué)傳感器38,其可以用來光學(xué)采集待測量的測量對象,測量對象設(shè)置在工件托架12上??梢允褂么斯鈱W(xué)傳感器38采集測量對象的圖像數(shù)據(jù)。為此,優(yōu)選地使用具有高分辨率光學(xué)單元的照相機。在此,圖像數(shù)據(jù)總體上理解為意味著測量對象的圖像或圖像序列。

坐標(biāo)測量機10還包括第一照明裝置40(參見圖1b),用于產(chǎn)生測量對象的反射光照明。在圖像數(shù)據(jù)的采集期間,此第一照明裝置40用來適當(dāng)?shù)卣彰饕呀?jīng)設(shè)置在測量臺14上或工件托架12上的測量對象。如反射光照明中典型的那樣,從如從測量對象所視的鏡頭側(cè)(即,從光學(xué)傳感器38側(cè))實現(xiàn)使用第一照明裝置40的照明。為此,照明裝置40包括一個或多個發(fā)光機構(gòu),其優(yōu)選地圍繞光學(xué)傳感器38設(shè)置。應(yīng)當(dāng)理解,圖1b中示意性示出的照明裝置40的發(fā)光機構(gòu)的布置僅是許多可能中的一種。

坐標(biāo)測量機10還包括第二照明裝置42,用于產(chǎn)生測量對象的透射光照明。如透射光照明中典型的那樣,從如從光學(xué)傳感器38所視的測量對象后面實現(xiàn)通過此第二照明裝置42的照明。照明裝置42因此優(yōu)選地集成在測量臺14中或設(shè)置在其下方。因此,工件托架12優(yōu)選地是透光的。

坐標(biāo)測量機10還包括操作和開關(guān)儀器44,用戶可以使用其來手動控制或定位光學(xué)傳感器38和工件托架12。

根據(jù)圖1a所視的示例性實施例,將控制單元或控制裝置46(兩個術(shù)語在此以等同方式使用)設(shè)置在接收容器48中,接收容器48安裝在z柱28’上。此控制單元46起控制坐標(biāo)測量機10的多個部件的作用。除此之外,其還配置為執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法。就此而言,具有程序代碼的對應(yīng)的軟件優(yōu)選地安裝在控制單元46中,程序代碼配置為,當(dāng)其在控制單元46中執(zhí)行時,執(zhí)行根據(jù)本發(fā)明的方法。

應(yīng)當(dāng)理解,圖1a中所示的坐標(biāo)測量機10僅是其中可以實施本發(fā)明的坐標(biāo)測量機的許多可能示例性實施例中的一個。測量臺14原則上還可以配置為非移動式。測量頭36懸掛在機架28處的方式原則上也可以不同。特別地,測量頭36和測量對象相對于彼此移動的動力學(xué)可以具有不同的構(gòu)造設(shè)計。然而,坐標(biāo)測量機10對于本發(fā)明所需的部件尤其為光學(xué)傳感器38、兩個照明裝置40、42以及控制裝置46,其功能將在下面更詳細地解釋。

根據(jù)本發(fā)明的方法在圖2中的實施例變體方案中的流程圖中示意性地圖示,其優(yōu)選地基于軟件和/或硬件在坐標(biāo)測量機10的控制裝置46中實現(xiàn)。在此,在第一方法步驟s10.1中,待測量的測量對象初始地設(shè)置在工件托架12上,然后通過第一照明裝置40產(chǎn)生反射光照明情景,反射光照明情景單獨適配于測量對象。在步驟s12.1中,然后通過光學(xué)傳感器38采集從而被照明的測量對象的第一圖像數(shù)據(jù)。在步驟14.1中,在控制裝置46中評估在反射光照明下記錄的測量對象的此圖像數(shù)據(jù)。

控制裝置46配置為評估第一圖像數(shù)據(jù),使得可以確定其中的一個或多個測量對象的邊緣的位置和取向。測量對象的邊緣確定的此類型的評估是光學(xué)度量中的典型測量步驟,其先于測量對象的空間坐標(biāo)的后續(xù)確定。典型地,就此而言,使用圖像處理中慣用的邊緣檢測算法,比如canny邊緣濾波。

從而,方法步驟s14.1的結(jié)果是確定的測量對象的邊緣位置。盡管實踐中通常不僅確定測量對象的一個邊緣的位置,而是通常確定對象的多個或全部測量邊緣,為了簡明,本文提到僅確定一個邊緣位置,因為這是可想象的最簡單情況。

后續(xù)以修改的形式重復(fù)步驟s10.1-s14.1(參見方法步驟s10.2-s14.2)。修改方法步驟s10.2-s14.2是因為現(xiàn)在不再在反射光照明下光學(xué)采集測量對象,而是在透射光照明下。在步驟s10.2中,通過第二照明裝置42產(chǎn)生測量對象的透射光照明。在步驟s12.2中,通過光學(xué)傳感器38采集測量對象的第二圖像數(shù)據(jù)。進而相應(yīng)地在控制裝置46中評估在透射光照明下所采集的此第二圖像數(shù)據(jù)。在方法步驟s14.2中,類似于方法步驟s14.1,確定測量對象的邊緣位置,但在此情況下基于在步驟12.2中所采集的第二圖像數(shù)據(jù)。

因為步驟s14.1和s14.2中所確定的邊緣位置被后續(xù)進一步處理或評估,它們在此稱為“第一初步邊緣位置”(從步驟s14.1產(chǎn)生)和“第二初步邊緣位置”(從步驟s14.2產(chǎn)生)。

應(yīng)當(dāng)理解,方法步驟s10.2-s14.2也可以在方法步驟s10.1-s14.1之前進行,這是因為首先在反射光照明情景中還是在透射光照明情景中光學(xué)采集測量對象在原則上沒有關(guān)系。因此,在圖2中將這些步驟示出為示意性地彼此并行。

在方法步驟s16中,然后確定“最終”邊緣位置,具體地,通過形成方法步驟s14.1中所確定的第一初步邊緣位置與方法步驟s14.2中所確定的第二初步邊緣位置之間的平均值。這優(yōu)選地基于兩個初步邊緣位置的算術(shù)平均值的形成而完成。取決于測量對象的厚度和/或幾何結(jié)構(gòu),也可以給兩個圖像數(shù)據(jù)集或兩個初步邊緣位置不同的權(quán)重。如上面已經(jīng)提到的,用此類型的平均值形成將邊緣解讀中的系統(tǒng)誤差平均化掉或減小。

在最后的步驟s18中,然后基于之前檢測的邊緣位置,確定測量對象的坐標(biāo)。

圖5a示出了在反射光照明下所記錄的示例性校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的圖像。圖5b示出了在透射光照明下所記錄的校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的對應(yīng)的圖像。

圖5a中顯得明亮的結(jié)構(gòu)在圖5b中顯得黑暗,反之亦然。原因尤其是在亮場反射光照明下,測量對象將入射在其上的光進行反射的區(qū)域顯得明亮,而不反射光的區(qū)域顯得黑暗。反之,在光學(xué)傳感器38上不被測量對象覆蓋的區(qū)域在透射光照明下顯得明亮,而被測量對象覆蓋的區(qū)域在光學(xué)傳感器38上顯得黑暗。

圖6a和圖6b示意性地圖示了典型地發(fā)生在這樣的情況下的誤差,其具有對稱特性。這是因為已經(jīng)表明,使用尚未適配于待測量的邊緣幾何結(jié)構(gòu)的物理不正確的邊緣輪廓解讀或邊緣輪廓解讀的常規(guī)邊緣檢測算法,典型地將邊緣“在明亮區(qū)域中”定位的過遠。較小環(huán)50的直徑因此典型地在反射光照明下測量為有些過大(參見圖6a)。另一方面,較大環(huán)52典型地在反射光照明下測量為過小(參見圖6a)。反之,較小環(huán)50’的直徑典型地在透射光照明下測量為過小,并且較大環(huán)52’的直徑典型地測量為有些過大(參見圖6b)。

用參考圖2描述的根據(jù)本發(fā)明的方法平均化掉并且顯著地降低這些測量誤差。圖5a、5b和圖6a、6b中圖示的校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)例如是其中較小圓環(huán)50具有120μm的實際直徑且較大圓環(huán)52具有160μm的實際直徑的結(jié)構(gòu)。然而,圖像數(shù)據(jù)在反射光下(圖6a)和在透射光下(圖6b)的單獨評估在由申請人進行的試驗中給出以下結(jié)果:d120,rl=120.7μm;d120,tl=119.5μm;d160,rl=159.4μm;d160,tl=160.7μm,其中rl代表反射光且tl代表透射光。在此情況下,方法步驟s16中執(zhí)行的平均值形成將從而給出d120=(120.7μm+199.5μm):2=120.1μm和d160=(159.4μm+160.7μm):2=160.05μm的確定的直徑。因此,用根據(jù)本發(fā)明的方法確定的校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的圓環(huán)50和52的直徑將僅具有100nm和50nm的測量偏差。與從單獨圖像確定且具有400到700nm范圍的測量偏差的直徑或邊緣位置相比較,這從而表現(xiàn)出顯著的改善。

圖3中示意性地圖示的根據(jù)本發(fā)明的方法的示例性實施例遵循相同的解決方案,具體地,其同樣通過使用在反射光下所采集的圖像數(shù)據(jù)(第一圖像數(shù)據(jù))和在透射光下所采集的圖像數(shù)據(jù)(第二圖像數(shù)據(jù))兩者的評估,來平均化掉系統(tǒng)測量誤差。然而,在此實施例中的初步邊緣位置不是在兩個圖像數(shù)據(jù)集中初始地分別確定并且后續(xù)平均化。反之,將圖像數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、合成,并且后續(xù)地確定合成圖像數(shù)據(jù)中的邊緣位置。

具體地,這如以下實現(xiàn):步驟s100.1、s100.2、s102.1以及s102.2,其對應(yīng)于根據(jù)第一示例性實施例的方法的步驟s10.1、s10.2、s12.1以及s12.2。在此也在反射光照明下采集一次且在在透射光照明下采集一次測量對象的第一圖像數(shù)據(jù)和第二圖像數(shù)據(jù)。

在步驟s104.1和s104.2中,在每種情況下,標(biāo)準(zhǔn)化第一圖像數(shù)據(jù)和第二圖像數(shù)據(jù)。兩個圖像數(shù)據(jù)集在此標(biāo)準(zhǔn)化到相同的動態(tài)范圍,從而第一圖像數(shù)據(jù)中的最小灰度級也對應(yīng)于第二圖像數(shù)據(jù)中的最小灰度級,并且第一圖像數(shù)據(jù)中的最大灰度級也對應(yīng)于第二圖像數(shù)據(jù)中的最大灰度級。光學(xué)傳感器38的噪聲、顆?;蛐∪毕莓a(chǎn)生的灰度級離群值在所述標(biāo)準(zhǔn)化之前或同時被濾波掉。

根據(jù)方法步驟s104.1和s104.2,在反射光下產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)化的第一圖像數(shù)據(jù)實質(zhì)上對應(yīng)于在透射光下產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)化的第二圖像數(shù)據(jù)的反轉(zhuǎn)。

在方法步驟s106中,然后合成標(biāo)準(zhǔn)化的第一圖像數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)化的第二圖像數(shù)據(jù),其中由兩個圖像數(shù)據(jù)集的差異形成來形成合成圖像數(shù)據(jù),或?qū)?biāo)準(zhǔn)化的第一圖像數(shù)據(jù)和第二圖像數(shù)據(jù)的灰度級彼此比較。

在前者情況下,在步驟s108中通過確定合成圖像數(shù)據(jù)中合成差異圖像數(shù)據(jù)的灰度級為零或至少近似零處的位置,確定邊緣位置。應(yīng)當(dāng)理解,在此優(yōu)選地通過適當(dāng)?shù)牟逯颠M行精確位置的確定。

在提到的第二情況下,在步驟s108中通過識別標(biāo)準(zhǔn)化的第一圖像數(shù)據(jù)中的灰度級和標(biāo)準(zhǔn)化的第二圖像數(shù)據(jù)中的灰度級彼此對應(yīng)處的位置,確定邊緣位置。應(yīng)當(dāng)理解,兩種替代方案都應(yīng)提供精確相同的結(jié)果,這是因為在兩個標(biāo)準(zhǔn)化的圖像數(shù)據(jù)集中對相同值的灰度級的位置的搜索對應(yīng)于在合成差異圖像數(shù)據(jù)中灰度級為零處的位置的搜索。

在最終的可選方法步驟s110中,如根據(jù)第一示例性實施例的方法步驟s18中,基于確定的邊緣位置計算測量對象的坐標(biāo)(2d或3d坐標(biāo))。

圖4示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的方法的第三示例性實施例。在此示例性實施例中,不“僅”如之前所做的采集測量對象的兩個圖像數(shù)據(jù)集,而是總共四個圖像數(shù)據(jù)集。然而,如之前分別在方法步驟s10.1、s12.1、s14.1以及s10.2、s12.2、s14.2中的,初始地采集測量對象的第一圖像數(shù)據(jù)和第二圖像數(shù)據(jù),并且后續(xù)基于所述兩個圖像數(shù)據(jù)集,各自分別地確定第一初步邊緣位置與第二初步邊緣位置,如上面參考圖2中的示例進一步解釋的。此外,分別在方法步驟s10.3、s12.3、s14.3以及s10.4、s12.4、s14.4中,彼此分別地采集和評估測量對象的第三圖像數(shù)據(jù)集和第四圖像數(shù)據(jù)集。在這些第三圖像數(shù)據(jù)集和第四圖像數(shù)據(jù)集中,以等同于第一圖像數(shù)據(jù)集和第二圖像數(shù)據(jù)集的方式,在每種情況下,在反射光照明下一次且在透射光照明下一次光學(xué)采集測量對象,但在此情況下在圍繞測量對象的水平軸線旋轉(zhuǎn)180°的位置中。

圖7a、圖7b、圖8a以及圖8b示出了示意圖,其中示意性地示出了相應(yīng)的照明條件和測量對象的位置。示例性測量對象在其中以截面示出,并且用附圖標(biāo)記54指代。照明以示意方式通過箭頭56、58圖示。附圖標(biāo)記56指代反射光照明。附圖標(biāo)記58指代透射光照明。因此,在這兩幅圖中,光學(xué)傳感器38(在圖7和圖8中未示出)將設(shè)置在測量對象54上方。因此,圖7a示出了在記錄第一圖像數(shù)據(jù)時的照明條件和測量對象54的位置。圖7b示出了在記錄第二圖像數(shù)據(jù)時的照明條件和測量對象54的位置。圖8a示出了在記錄第三圖像數(shù)據(jù)時的照明條件和測量對象54的位置。圖8b示出了在記錄第四圖像數(shù)據(jù)時的照明條件和測量對象54的位置。

通過比較和/或平均化這四個圖像數(shù)據(jù)集,現(xiàn)在不僅可以平均化掉邊緣檢測中產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差,如上面已經(jīng)提到的,還可以確定待確定的測量對象54的毗鄰測量對象的邊緣54的橫向表面60是否相對于測量傳感器38的光軸(優(yōu)選為垂直軸)傾斜。這是因為,如果測量對象54具有實質(zhì)上梯形的截面,如圖7和圖8中所示的示例中,第一圖像數(shù)據(jù)、第二圖像數(shù)據(jù)、第三圖像數(shù)據(jù)、以及第四圖像數(shù)據(jù)的四個單獨評估將關(guān)于測量對象54的邊緣62的邊緣位置給出不同結(jié)果。特別是第一圖像數(shù)據(jù)集和第三圖像數(shù)據(jù)集的評估,其都在反射光照明下采集,在此將尤其關(guān)于邊緣位置62給出不同結(jié)果(比較圖7a和圖8a中的情況)。通過對比,第二圖像數(shù)據(jù)集和第四圖像數(shù)據(jù)集的評估,且都在透射光照明下采集,將很可能關(guān)于測量對象54的邊緣位置62給出相同結(jié)果(比較圖7b和圖8b中的情況)。

因此可以在方法步驟s16.1、s16.2以及s16.3中執(zhí)行不同的、可能的評估。例如,可以通過評估第一圖像數(shù)據(jù)和第二圖像數(shù)據(jù),確定邊緣位置(步驟s16.1)。可以在步驟s16中關(guān)于第一示例性實施例或在步驟s106中關(guān)于第三示例性實施例執(zhí)行此評估。與之并行,可以基于第三圖像數(shù)據(jù)和第四圖像數(shù)據(jù),確定邊緣位置(步驟s16.2)。然后可以將步驟s16.1和s16.2中確定的邊緣位置彼此比較。如果這兩個邊緣位置匹配,表明測量對象54的表面60垂直或平行于光學(xué)傳感器的光軸38。然而,如果來自步驟s16.1和s16.2的結(jié)果不匹配,表明表面60相對于光學(xué)傳感器的光軸38傾斜。

在第一情況(邊緣位置匹配)下,然后可以在步驟s18中計算測量對象54的坐標(biāo)。在第二情況(邊緣位置不匹配)下,可以執(zhí)行其他評估,以確定表面60的傾斜。這種情況例如是通過在反射光照明56下所記錄的兩個圖像數(shù)據(jù)集的比較,具體地通過比較第一圖像數(shù)據(jù)和第三圖像數(shù)據(jù),并且通過在透射光照明58下所記錄的兩個圖像數(shù)據(jù)集的比較,具體地為第二圖像數(shù)據(jù)和第四圖像數(shù)據(jù)。

用四個圖像數(shù)據(jù)集的適當(dāng)評估,從而不僅可以平均化掉由于邊緣檢測算法典型地產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差,還可以識別傾斜的表面并且建立其傾斜。

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