CN119354095A - 光学位移计 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学位移计。在抑制U方向上的测量精度的下降的同时加速V方向上的读取。提供光切法的光学位移计。光源利用在X方向上具有宽度的狭缝光来照射测量对象。图像传感器接收来自测量对象的反射光，具有沿与X方向相对应的U方向和与该U方向垂直的V方向二维排列的多个像素并且输出多个像素对反射光的光接收量。控制部针对沿U方向排列的多个像素列中的各像素列，将作为光接收量的峰的V方向上的像素的位置检测为峰位置，并且根据U方向上的多个像素列的各位置和V方向上的峰位置来生成截面轮廓，并根据不同位置处的多个截面轮廓来生成表示测量对象的三维形状的数据。图像传感器的V方向上的分辨率低于图像传感器的U方向上的分辨率。

Description

光学位移计

本申请是申请日为2020年4月24日，申请号为202010329749.6，发明名称为“光学位移计”的中国发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及光学位移计。

背景技术

为了测量由输送机沿Y方向输送的测量对象(工件)的Z方向上的高度，提出了光切法的光学位移计(日本特开2008-096125、日本特开2012-103266)。

与Y方向和Z方向垂直的方向是X方向，并且将工件放置在XY平面上。光学位移计利用在X方向上具有宽度的狭缝光照射工件，并且利用二维排列的图像传感器接收来自工件的反射光。狭缝光的光投射方向和图像传感器的光接收方向是倾斜的，并且根据三角测量的原理来计算工件的高度。这样的光切法的光学位移计可以一次获取工件的X-Z截面的外形(轮廓)。通过在沿Y方向上输送工件的同时重复进行摄像，获取到Y方向上的不同位置处的轮廓。此外，从多个轮廓获得表示工件的三维形状的数据。

发明内容

图像传感器中所包括的多个像素配置在UV平面上。图像传感器的U方向对应于工件的X方向。图像传感器的V方向对应于工件的Z方向。简言之，反射光沿V方向入射的像素的位置表示工件在Z方向上的高度。

为了增加每单位时间可以测量的工件的数量，需要提高输送机的输送速度。此外，需要加快从图像传感器中所包括的所有像素读取测量结果的时间。

作为用于图像传感器的高速读取技术，存在被称为合并(binning)的方法。在合并时，通过将n×n个像素组视为一个区块(lump)，可以一次读取通过合成n×n个像素组所获得的测量结果。然而，在这样的合并中，U方向和V方向这两者上的测量精度都下降到1/n，因此在需要高测量精度的光切法的光学位移计中不能采用该合并。因此，本发明的目的是在光切法的光学位移计中在抑制U方向上的测量精度的下降的同时加快V方向上的读取。

本发明例如提供一种光切法的光学位移计，用于基于三角测量的原理来测量测量对象的截面轮廓，所述光学位移计包括：光源，用于利用在X方向上具有宽度的狭缝光来照射所述测量对象；图像传感器，用于接收来自所述测量对象的反射光，所述图像传感器具有沿与所述X方向相对应的U方向和与该U方向垂直的V方向二维排列的多个像素并且输出所述多个像素对所述反射光的光接收量；以及控制部，用于针对沿所述U方向排列的多个像素列中的各像素列，将作为所述光接收量的峰的所述V方向上的像素的位置检测为峰位置，并且根据所述U方向上的所述多个像素列的各位置和所述V方向上的所述峰位置来生成所述截面轮廓，并根据不同位置处的多个所述截面轮廓来生成表示所述测量对象的三维形状的数据，其中，所述图像传感器在执行合并以使所述V方向上的分辨率低于所述U方向上的分辨率之后，输出光接收量，所述控制部根据基于执行所述合并之后输出的光接收量而得到的多个亮度值，来检测所述V方向上的所述峰位置。

根据本发明，可以在不存在U方向上的测量精度的下降的情况下加快V方向上的读取。

附图说明

图1是说明光学位移计的图；

图2是说明三角测量的原理的图；

图3是说明轮廓的测量的图；

图4是说明光学位移计中所包括的功能的图；

图5A～5D是用于说明合并和像素块的形状的图；

图6是说明用于检测峰位置的方法的图；

图7是说明用于检测峰位置的方法的图；

图8是示出半极大值全宽度和算术误差之间的关系的图；

图9是说明输出图像中所包括的多个像素的图；以及

图10是说明输出图像与工件的实际轮廓之间的关系的图。

具体实施方式

以下将参考附图来详细说明实施例。以下实施例并不意图限制根据权利要求书的本发明，并且实施例中所述的特征的所有组合对于本发明而言不一定是必需的。可以任意组合这些实施例中所述的多个特征中的两个或更多个特征。另外，向相同或相似的组件赋予相同的附图标记，并且省略了重复说明。

<光学位移计>

图1是示出光学位移计100的图。光学位移计100是用于测量由带式输送机4沿Y方向输送的工件W的轮廓和三维形状的设备。在该示例中，Z方向对应于工件W的高度方向。头部1输出平行于XZ平面的狭缝光L1并且接收来自工件W的反射光L2，由此将光接收结果输出至控制部2。控制部2基于从头部1输出的光接收结果来计算工件W的轮廓。控制部2可以与头部1集成。轮廓是表示平行于XZ平面的工件W的切割面的外缘的数据。例如，轮廓是(xi,zi)的集合(i是索引)。xi表示X方向上的位置。zi表示Z方向上的高度。三维形状是(xi,yi,zi)的集合。yi表示Y方向上的位置。控制部2通过使得头部1按规则间隔进行摄像来获得具有不同的yi的工件W的轮廓(xi,zi)。显示装置3显示光学位移计100对工件W的测量结果，并且显示用于进行光学位移计100的设置的UI(用户界面)。操作部5是用于接收对光学位移计100的用户输入的输入装置。

<三维测距的原理>

图2是说明光切法(三角测量)的原理的图。光源6、光投射透镜7、光接收透镜12和图像传感器13集成在头部1的壳体15内。从光源6输出的光通过穿过光投射透镜7被转换成狭缝光L1。在壳体15上设置狭缝光L1穿过的透光窗8。在透光窗8上设置防尘所用的透光玻璃9a。同样，在壳体15上设置用于将反射光L2引导到壳体15的内部的光接收窗10。在光接收窗10上设置防尘所用的透光玻璃9b。光接收透镜12是用于在图像传感器13上形成反射光L2的图像的透镜。图像传感器13是具有二维排列的多个像素(可被称为光接收元件或光电转换元件)的传感器。如图2所示，图像传感器13的光接收轴相对于光源6的光投射轴倾斜了角度θ。也就是说，来自高度Z0的反射光L2在图像传感器13的V方向上的V0的位置处成像。来自高度Z1的反射光L2在图像传感器13的V方向上的V1的位置处成像。来自高度Z2的反射光L2在图像传感器13的V方向上的V2的位置处成像。这样，图像传感器13的V方向对应于工件W的Z方向。尽管未示出图像传感器13的U方向，但U方向对应于工件W的X方向。简言之，作为图像传感器13所输出的光接收结果的图像的纵方向是V方向，并且横方向是U方向。

在图2中，配置光源6，使得沿Z方向输出狭缝光L1。然而，光源6和光投射透镜7的配对之间的位置关系、以及图像传感器13和光接收透镜12的配对之间的位置关系可以是相反的。

图3是示出图像传感器13所输出的图像I1和工件W的截面之间的关系的图。在该示例中，工件W的X-Z截面中的高度分三个阶段改变。更具体地，X方向上的从位置X0到位置X1的高度为Z0。从位置X1到位置X2的高度为Z2。从位置X2到位置X3的高度为Z1。图像I1是通过利用头部1对这样的工件W摄像所获得的图像。图像I1的U方向(横方向)对应于工件W的X方向。也就是说，图像I1的位置U0、U1、U2和U3分别对应于位置X0、X1、X2和X3。同样，图像I1的V方向上的位置V0、V1和V2分别对应于高度Z0、Z1和Z2。通过狭缝光L1入射在XY平面上所形成的光斑(反射位置的集合)是线状的。也就是说，在带式输送机4上不存在工件W的情况下，在头部1所输出的图像上排列有大致线状的光斑。另一方面，通常工件W的切割面的边缘的高度经常不是恒定的。在这种情况下，如图3所示，光斑排列在与多个高度中的各高度相对应的V方向上的位置处。图2示出V方向上的位置与高度相对应地改变。控制部2通过根据在特定Y方向上的位置处获取到的图像IM针对U方向上的各位置计算V方向上的位置来生成轮廓。由于在XZ坐标系和UV坐标系之间存在恒定的比例关系，因此控制部2可以通过简单的计算将UV坐标系中的轮廓转换成XZ坐标系中的轮廓。

<内部功能>

图4示出光学位移计100的内部功能。头部1的通信部21a是用于与控制部2进行通信的通信电路。驱动部22是驱动电路，该驱动电路用于通过根据经由通信部21a接收到的来自控制部2的指示将驱动电流供给至光源6，来使光源6点亮。传感器控制部23是控制电路，该控制电路用于根据经由通信部21a接收到的来自控制部2的指示，使得图像传感器13以预定曝光时间进行摄像。在本实施例中，传感器控制部23根据经由通信部21a接收到的来自控制部2的指示，使得图像传感器13执行预定的合并。

控制部2的通信部21b是用于与头部1进行通信的通信电路。CPU 25通过执行存储部30中所存储的控制程序来控制头部1，并且基于从头部1输出的光接收结果来测量工件W的轮廓和三维形状。峰检测部26基于图像传感器13所输出的光接收结果来检测引起亮度值的峰的V方向上的位置(峰位置)。峰位置对应于工件W的高度。简言之，峰检测部26通过计算来获得工件W在X方向上的各位置处的高度。轮廓生成部27通过收集峰检测部26所获得的针对X方向上的各位置(xi)的工件W的高度(zi)来生成一个轮廓数据。也就是说，一个轮廓数据是多个高度(zi)的集合。轮廓生成部27针对Y方向上的不同位置(yi)获得轮廓数据，并从所获得的多个轮廓数据生成表示工件W的三维形状的数据。工件W的三维形状的数据是所获得的多个轮廓数据的集合。选择部28基于从操作部5输入的用户指示来选择后面将说明的合并比。UI部29将轮廓生成部27所获得的轮廓数据或者图像I1显示在显示装置3上，并且将用于选择合并比的UI显示在显示装置3上。

<合并>

图5A示出在未进行合并的情况下的图像传感器13中的多个像素。图像传感器13具有M×N个像素。也就是说，N列像素沿U方向排列。M行像素沿V方向排列。

图5B示出一般的合并。一般的合并是主要由数字静态照相机等进行的处理，并且维持U方向上的分辨率和V方向上的分辨率之间的比。如图5B所示，输出针对n×n个像素的各块所合成的一个图像信号(亮度值)。由于执行合并使得维持U方向上的分辨率和V方向上的分辨率之间的比，因此维持了合并之前的图像的宽高比和合并之后的宽高比。另外，存在读取速度变为为约1/(n×n)的优点。另一方面，除V方向之外，U方向上的测量精度下降。特别地，这样的一般合并不适合诸如光切法的光学位移计100等的也需要U方向上的高测量精度的应用。

图5C示出本实施例的合并。在本实施例中，V方向上的分辨率和U方向上的分辨率之间的比(合并比)为1:n。也就是说，图像传感器13针对包括沿V方向排列的n个像素的各像素块输出光接收结果。这样，可以在抑制U方向上的测量精度的下降的同时加快V方向上的读取。控制部2的轮廓生成部27可以通过将在V方向上获得的高度乘以n来获得正确的高度信息。

图5D示出本实施例的合并。用户可以经由操作部5在图5C所示的1:n合并和图5D所示的1:m合并之间选择。也就是说，选择部28可以根据用户指示来选择合并比。这里，m是大于n的正整数。还存在通过合并处理减少了V方向上的噪声的优点。另外，选择部28可以根据用户指示在合并处理的ON(开启)和OFF(关闭)之间切换。例如，可以将合并处理为ON的状态设置为高速模式并将合并处理为OFF的状态设置为高精度模式，并且使用户选择模式。

<位置(高度计算)>

图6是说明用于从图像I1计算轮廓中所包括的高度的方法的图。狭缝光L1在Y方向上具有一定宽度。由于该原因，反射光L2对图像传感器13产生的光斑的宽度也变为在多个像素上延伸的宽度。因此，控制部2的CPU 25(峰检测部26)从各像素的亮度值获得表示亮度值的变化的近似曲线P1，并且计算在近似曲线P1中引起峰值的V方向上的位置。近似曲线P1是通过对多个样本值等进行曲线拟合所获得的。引起该峰值的V方向上的位置表示工件W的高度。CPU 25(峰检测部26)针对U方向上的各位置获得近似曲线P1，并且根据近似曲线P1计算引起峰值的V方向上的位置(高度)。通过在U方向的各位置处执行算术处理，获得一个轮廓。这样的算术处理可被称为子像素处理。

<合并和近似曲线之间的关系>

图7示出表示V方向上的位置和亮度值之间的关系的近似曲线P1。这里，从四个采样值获得近似曲线P1。顺便提及，在应用本实施例的合并时，V方向上的像素数减少，因而可用于获得近似曲线P1的采样值的数量也减少。也就是说，随着n的值增大，尽管亮度值的读取加快，但近似曲线P1的计算精度下降。因此，在合并参数n和近似曲线P1的计算精度之间存在折衷关系。在图7中，近似曲线P1的峰值为Qmax。近似曲线P1的半极大值全宽度是在亮度值为峰值Qmax的一半(Qmax/2)时的V方向上的两个位置Va和Vb之间的距离。图7还示出作为引起峰值Qmax的V方向上的位置的峰位置Vpeak。峰检测部26获得近似曲线P1，并且根据近似曲线P1计算引起峰值Qmax的峰位置Vpeak。

图8示出近似曲线的半极大值全宽度与在特定子像素处理中从近似曲线P1获得的峰值Qmax的算术误差之间的关系。如图8所示，随着半极大值全宽度(采样数)增加，算术误差减小。然而，可以预期算术误差的改进效果的采样数约为5。即使采样数为6或更大，也不能预期算术误差的减小，并且读取所用的时间变长的缺点增加。为了从近似曲线精确地获得峰位置，采样间隔足够小是重要的。在采样间隔已足够小的情况下，进一步减小采样间隔将不会有助于提高精度。通过仅在V方向上应用合并、并将采样间隔减小到可以维持足够的峰检测精度的程度，可以在不会使检测精度降低的情况下使读取速度变得更快。另外，通过不在U方向上应用合并，可以维持X方向上的测量分辨率。

通常，在除算术误差以外的因素的误差为ε时，要求算术误差充分小于ε。根据图8，在半极大值全宽度为2或更大的情况下，算术误差变得小于ε。换句话说，针对近似曲线P1的半极大值全宽度的采样数应为2以上且5以下。

<利用合并的显示处理的想法>

图9示出在显示轮廓时的显示图像中所包括的多个像素。如上所述，在本实施例中执行1:n合并，因而V方向上的像素数从M减少为M/n。这里，图像传感器13中的一个块的形状由于合并而变为矩形。然而，假定输出图像中的各像素均是正方形。因此，在将通过合并所读取的输出图像原样显示在显示装置3上时，图像的高度方向被压缩。

图10是说明工件W和高度由于合并而被压缩的输出图像I2之间的关系的图。通过比较图3和图10，图3的图像I1中的工件W的实际截面形状与由图像I1示出的轮廓一致。因此，用户可以容易地判断光学位移计100所测量的轮廓作为工件W的实际轮廓是否正确。相比之下，图10中示出的图像I2所示的轮廓不同于工件W的实际轮廓。结果，用户难以根据显示装置3上所显示的图像来从视觉上判断所测量的轮廓是否正确。

因此，CPU 25(UI部29)将输出图像I2中的V方向上的像素数增加n倍以显示在显示装置3上，由此使输出图像I2中的轮廓的比例与工件W的实际轮廓的比例一致。将一个像素的像素值复制到n个像素值。结果，用户可以容易地从视觉上判断光学位移计100所测量的轮廓作为工件W的实际轮廓是否正确。

<概要>

[观点1]

如图1所示，光学位移计100是用于基于三角测量的原理来测量沿Y方向输送的测量对象的X-Z截面的轮廓的光切法的光学位移计的示例。光源6是利用平行于X方向和Z方向这两者的狭缝光L1照射测量对象的光源的示例。此外，光源6是利用在X方向上具有宽度的狭缝光照射测量对象的光源的示例。图像传感器13是用于接收来自测量对象的反射光L2的图像传感器的示例。如图5A等所示，图像传感器13具有沿与X方向相对应的U方向和与Z方向相对应的V方向二维排列的多个像素。此外，图像传感器13输出多个像素对反射光的光接收量(例如，亮度值)。峰检测部26用作检测单元，该检测单元用于针对沿U方向排列的多个像素列中的各像素列，将作为光接收量的峰的V方向上的像素的位置检测为峰位置。轮廓生成部27用作生成单元，该生成单元用于根据U方向上的多个像素列的各位置和V方向上的峰位置来生成X-Z截面的轮廓。如图5C和图5D所示，图像传感器13的V方向上的分辨率低于图像传感器13的U方向上的分辨率。也就是说，图像传感器13在执行合并以使V方向上的分辨率低于U方向上的分辨率之后输出光接收量。这样，可以在不存在U方向上的测量精度的下降的情况下加快V方向上的读取。

[观点2]

如图5C所示，针对图像传感器13的U方向和V方向之间的合并比可以为1:n(n是2或更大的整数)。图像传感器13可被配置为针对沿V方向排列的每n个像素输出一个光接收量。这样，可以在不存在U方向上的测量精度的下降的情况下加快V方向上的读取。

如参考图7和图8所述，n可以是2以上且5以下的整数。这使得可以实现V方上的高速读取和U方向上的测量精度这两者。

<观点3>

光学位移计可以包括执行合并并且加速从图像传感器13的光接收量的读取的高速模式、以及在不执行合并的情况下进行从图像传感器13的光接收量的读取的高精度模式。在这种情况下，光学位移计可以包括用于接收高速模式或高精度模式的选择的选择单元(例如，用户界面等)。这将允许用户选择是具有更高的速度还是具有更高的精度。

[观点4]

选择部28可用作用于选择1:n和1:m(m是大于n的整数)中的任一个作为U方向和V方向之间的合并比的选择单元。这使得可以按照用户期望选择合并比。

如参考图7和图8所述，n是2以上且小于光接收量的分布(例如，近似曲线P1)中的半极大值全宽度的整数。这使得可以实现V方向上的高速读取和U方向上的测量精度这两者。

[观点5]

如图5C和图5D所示，图像传感器13可被设置成在V方向上执行合并，而不在U方向上执行合并。这使得可以在抑制U方向上的测量精度的下降的同时加速V方向上的读取。

如图5A所示，多个像素中的各像素是正方形像素。结果，用于获取静止图像的图像传感器可以容易地用作本实施例的光学位移计100所用的图像传感器13。

如图5C和图5D所示，图像传感器13可被设计成使得多个像素中的各像素是V方向上的长度大于U方向上的长度的矩形像素。在包括多个正方形像素的像素块中，在相邻像素之间存在不用于光接收的区域。另一方面，通过使用矩形像素，光接收面积增加，因而光接收灵敏度和动态范围增加。

[观点6]

峰检测部26可被配置为通过对V方向上的多个光接收量进行子像素处理来确定表示V方向上的光接收量的变化的近似曲线，并且基于该近似曲线来检测作为光接收量的峰的峰位置。结果，以高精度获得峰位置，并且由此轮廓的测量精度提高。

[观点7]

如参考图3和图10所述，用作用于显示示出X-Z截面的轮廓的图像的显示单元的显示装置3和CPU 25的UI部29可以显示通过基于U方向上的分辨率和V方向上的分辨率之间的比在V方向上拉伸图像所生成的轮廓图像。结果，用户可以容易地判断光学位移计100所测量的轮廓作为工件W的实际轮廓是否正确。

Claims (7)

1.一种光切法的光学位移计，用于基于三角测量的原理来测量测量对象的截面轮廓，所述光学位移计包括：

光源，用于利用在X方向上具有宽度的狭缝光来照射所述测量对象；

图像传感器，用于接收来自所述测量对象的反射光，所述图像传感器具有沿与所述X方向相对应的U方向和与该U方向垂直的V方向二维排列的多个像素并且输出所述多个像素对所述反射光的光接收量；以及

控制部，用于针对沿所述U方向排列的多个像素列中的各像素列，将作为所述光接收量的峰的所述V方向上的像素的位置检测为峰位置，并且根据所述U方向上的所述多个像素列的各位置和所述V方向上的所述峰位置来生成所述截面轮廓，并根据不同位置处的多个所述截面轮廓来生成表示所述测量对象的三维形状的数据，

其中，所述图像传感器在执行合并以使所述V方向上的分辨率低于所述U方向上的分辨率之后，输出光接收量，

所述控制部根据基于执行所述合并之后输出的光接收量而得到的多个亮度值，来检测所述V方向上的所述峰位置。

2.根据权利要求1所述的光学位移计，其中，针对所述图像传感器的所述U方向和所述V方向之间的合并比为1:n，并且所述图像传感器被配置为针对沿所述V方向排列的每n个像素输出一个光接收量，其中n是2或更大的整数。

3.根据权利要求1所述的光学位移计，其中，所述控制部接收高速模式或高精度模式的选择，在所述高速模式中，执行所述合并并加快从所述图像传感器的光接收量的读取，在所述高精度模式中，在不执行所述合并的情况下进行从所述图像传感器的光接收量的读取。

4.根据权利要求3所述的光学位移计，其中，所述控制部选择1:n和1:m中的任一个作为所述U方向和所述V方向之间的合并比，其中m是大于n的整数。

5.根据权利要求1所述的光学位移计，其中，所述图像传感器被设置成在所述V方向上执行合并，而在所述U方向上不执行合并。

6.根据权利要求1所述的光学位移计，其中，所述控制部被配置为通过对所述V方向上的多个光接收量进行子像素处理来确定表示所述V方向上的光接收量的变化的近似曲线，并且基于所述近似曲线来检测作为光接收量的峰的所述峰位置。

7.根据权利要求1所述的光学位移计，还包括显示单元，所述显示单元用于显示示出所述截面轮廓的图像，

其中，所述显示单元显示通过基于所述U方向上的分辨率和所述V方向上的分辨率之间的比而在所述V方向上拉伸所述图像所生成的轮廓图像。