(57)【要約】【課題】  エッジ分解能強化に利用されるオフセットを有する画像を取得するシステム及び方法を提供する。【解決手段】  画像間に所望のサブピクセルオフセットを有するワークピースの２つの画像を取得するマシンビジョン検査システムの方法。画像が、マシンビジョン検査システム内のカメラの高速複数画像取得動作モードを使用して取得される。様々な実施態様では、方法は、画像間のオフセットを除去することを含み、それにより、ワークピースが画像において適合し、適合する画像データを合成する。合成された画像データは、マシンビジョン検査システムにおいて画像を取得するカメラの本来の分解能で可能なよりも良好な分解能を有する。方法は、ワークピースのエッジ要素を測定するエッジ要素ビデオツールにおいて実施し得る。２つの画像の取得に利用される移動方向は、測定中のエッジのエッジ方向を横切るようにし得る。【選択図】  図２
2014202751.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マシンビジョン検査システムにおいて、ワークピースへの測定動作の実行に利用すべき複数の画像を取得する方法であって、
倍率Ｍを提供する光学系を前記マシンビジョン検査システムに提供すること、
カメラを前記マシンビジョン検査システムに提供することであって、第１のピクセルピッチＰを含むとともに、高速複数画像取得動作モードを含む前記カメラを提供すること、
サブピクセルオフセット画像サンプリング動作を提供すること、
を含み、前記サブピクセルオフセット画像サンプリング動作は、
前記ワークピース及び前記カメラのうちの一方を第１の速度Ｓで第１の方向に沿って相対移動させることを含む第１の画像取得移動を提供すること、
前記高速複数画像取得動作モードを使用して、前記画像取得移動中、関心領域の複数の画像を取得すること、
を含み、前記複数の画像は、
第１の時間ｔ１において取得される前記関心領域の第１の画像、及び
前記第１の時間ｔ１より後の第２の時間ｔ２において取得される前記関心領域の第２の画像
を含み、
前記第１の画像と前記第２の画像とのオフセットＯは、Ｍ*Ｓ*（ｔ２−ｔ１）に概ね等しく、
前記マシンビジョン検査システムは、ＯがｎＰに等しくないように構成され、ｎは整数である、方法。
【請求項２】
前記複数の画像間で前記ワークピースを一致させるように、前記マシンビジョンシステムで前記複数の画像を処理して前記オフセットを除去し、
前記一致させた画像データを合成して、前記マシンビジョンシステムにおける前記複数の画像を取得する前記カメラの本来の分解能よりも良好な分解能の画像データを提供することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記一致させた画像データの合成は、位置ラッチ、移動及びタイミング、又は相関のうちの少なくとも１つに基づく、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記オフセットＯは（ｎ＋０．２）Ｐ＜Ｏ＜（ｎ＋０．８）Ｐの範囲内にある、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記オフセットＯは（ｎ＋０．３）Ｐ＜Ｏ＜（ｎ＋０．７）Ｐの範囲内にある、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記サブピクセルオフセット画像サンプリング動作はエッジツールの複数画像モードに含まれる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記エッジツールは単一画像モード及び複数画像モードを含み、前記複数画像モードは、倍率及びユーザ選択のうちの少なくとも一方に基づいて利用される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記エッジツールは単一画像モード及び複数画像モードを含み、前記複数画像モード中に撮影される前記第１及び第２の画像からの前記画像データを合成して、単一画像モード中により高倍率でより小さな視野で撮影される単一の画像で得られる分解能に相当するレベルまで分解能を増大させる、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記第１及び第２の画像は、前記関心領域に前記ワークピースのエッジを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の画像取得移動を提供することは、前記エッジのエッジ方向を横切る移動方向を定義することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記移動方向は、実行モード中のパートプログラム内の移動命令、計算、又は学習モード中のユーザ定義のうちの少なくとも１つにより定義される、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記移動方向を定義することは、前記エッジ方向を特定すること、及び学習モード中に特定されるエッジ方向を横切る前記移動方向を決定することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記移動方向を定義することは、パートプログラムにおいて前記移動方向を定義することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記エッジ位置は、前記第１及び第２の画像の前記合成データに基づいて特定される、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記エッジ位置の特定に利用される合成画像は、前記第１及び第２の画像の前記合成データに基づいて作成される、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記合成画像は、学習モード中に表示される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記システムは、学習モード中に構成され、前記構成はパートプログラムに記録される、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記画像取得移動は、前記マシンビジョン検査システムの少なくとも第１の顕微鏡移動軸を利用して提供される、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
（ｔ２−ｔ１）は最大で５０マイクロ秒である、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
（ｔ２−ｔ１）は最大で５マイクロ秒である、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記第１及び第２の画像の取得に、前記第１の時間ｔ１及び前記第２の時間ｔ２に関連するタイミングを有するストローブ照明を利用することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記第１のピクセルピッチＰは、列方向ピクセルピッチＰｙ又は行方向ピクセルピッチＰｘのうちの少なくとも一方であり、前記オフセットＯは、ピクセルピッチＰｘを有する前記カメラの列方向に沿った成分Ｏｘ及びピクセルピッチＰｙを有する前記カメラの行方向に沿った成分Ｏｙを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記高速複数画像取得動作モードでの前記第１の画像取得移動及び画像タイミングは、前記オフセット成分Ｏｘ及びＯｙの少なくとも一方が対応するピクセルピッチに非整数Ｋを掛けたものとなるに構成される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記非整数Ｋは、（ｎ＋０．２）＜Ｋ＜（ｎ＋０．８）の範囲内にあり、ｎは整数である、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記非整数Ｋは、（ｎ＋０．３）＜Ｋ＜（ｎ＋０．７）の範囲内にあり、ｎは整数である、請求項２３に記載の方法。
【請求項２６】
前記第１及び第２の画像は、前記関心領域内に前記ワークピースの複数のエッジを含み、前記第１の画像取得移動は、エッジのエッジ方向を横切る移動方向を定義することを含み、複数のエッジツールが前記複数のエッジに関して前記関心領域内で利用されていると判断される場合、前記移動方向の決定を支援する選択肢がユーザに提供される、請求項１に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１及び第２の画像は、前記関心領域に前記ワークピースのエッジを含み、前記第１の画像取得移動は、前記エッジのエッジ方向を横切る移動方向を定義することを含み、学習モードは、
前記エッジを測定すること、
前記エッジの角度を特定すること、
前記エッジの角度に９０度を足した角度に等しい角度に前記移動方向を設定すること、
前記移動方向及びツール位置パラメータに基づいて２つの中間地点を計算すること、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１及び第２の画像は、前記関心領域に前記ワークピースの複数のエッジを含み、複数のエッジツールが、前記複数のエッジに関して前記関心領域内で利用されていると判断される場合、前記学習モードは、
前記複数のエッジの角度を特定すること、
単一の移動方向が前記複数のエッジの各角度への垂直から指定された度数範囲内にあると特定することができるか否かを判断し、範囲内にあると特定することができる場合、前記単一の移動方向を使用し、範囲内にあると特定することができない場合、少なくとも第３の画像を得る少なくとも第２の移動方向を追加すること、
をさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
ワークピースへの測定動作の実行に利用すべき複数の画像を取得するマシンビジョン検査システムであって、
倍率Ｍを提供する光学系と、
第１のピクセルピッチＰを含むとともに、高速複数画像取得動作モードを含むカメラと、
プログラムされた命令を記憶するメモリと、
前記プログラムされた命令を実行して、動作を実行するように構成されたプロセッサと、
を含み、前記動作は、
サブピクセルオフセット画像サンプリング動作を提供すること、
を含み、前記サブピクセルオフセット画像サンプリング動作は、
前記ワークピース及び前記カメラのうちの一方を第１の速度Ｓで第１の方向に沿って相対移動させることを含む第１の画像取得移動を提供すること、
前記高速複数画像取得動作モードを使用して、前記画像取得移動中、関心領域の複数の画像を取得すること、
を含み、前記複数の画像は、
第１の時間ｔ１において取得される前記関心領域の第１の画像、及び
前記第１の時間ｔ１より後の第２の時間ｔ２において取得される前記関心領域の第２の画像
を含み、
前記第１の画像と前記第２の画像とのオフセットＯは、Ｍ*Ｓ*（ｔ２−ｔ１）に概ね等しく、
前記マシンビジョン検査システムは、ＯがｎＰに等しくないように構成され、ｎは整数である、マシンビジョン検査システム。
【請求項３０】
前記動作は、前記オフセットを除去することをさらに含み、前記一致させた画像データを合成して、前記マシンビジョンシステムにおける前記複数の画像を取得する前記カメラの本来の分解能よりも良好な分解能の画像データを提供する、請求項２９に記載のマシンビジョン検査システム。
【請求項３１】
命令が記憶されたコンピュータ可読記憶媒体であって、前記命令は、マシンビジョン検査システム内のプロセッサにより実行可能であり、それにより、
倍率Ｍを提供する前記マシンビジョン検査システムの光学系を利用するサブピクセルオフセット画像サンプリング動作を提供する動作を実行し、前記サブピクセルオフセット画像サンプリング動作は、
前記ワークピース及び前記カメラのうちの一方を第１の速度Ｓで第１の方向に沿って相対移動させることを含む第１の画像取得移動を提供することを含み、前記カメラは第１のピクセルピッチＰを有するとともに、高速複数画像取得動作モードを含む、提供すること、
前記高速複数画像取得動作モードを使用して、前記画像取得移動中、関心領域の複数の画像を取得すること、
を含み、前記複数の画像は、
第１の時間ｔ１において取得される前記関心領域の第１の画像、及び
前記第１の時間ｔ１より後の第２の時間ｔ２において取得される前記関心領域の第２の画像
を含み、
前記第１の画像と前記第２の画像とのオフセットＯは、Ｍ*Ｓ*（ｔ２−ｔ１）に概ね等しく、
前記マシンビジョン検査システムは、ＯがｎＰに等しくないように構成され、ｎは整数である、コンピュータ可読記憶媒体。
【請求項３２】
前記動作は、前記オフセットを除去することをさらに含み、前記一致させた画像データを合成して、前記マシンビジョンシステムにおける前記複数の画像を取得する前記カメラの本来の分解能よりも良好な分解能の画像データを提供する、請求項３１に記載のコンピュータ可読記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
精密なマシンビジョン検査システム（又は略して「ビジョンシステム」）は、被検査物体の精密な寸法測定を取得し、様々な他の物体要素を検査するために利用することができる。そのようなシステムは、コンピュータと、カメラ及び光学系と、複数の方向に移動可能であり、カメラが検査中のワークピースの要素を走査できるようにする精密ステージとを含み得る。市販の１つの例示的な従来技術によるシステムは、イリノイ州Auroraに所在のMitutoyo America Corporation (MAC)から入手可能な市販のQUICK VISION（登録商標）シリーズのＰＣに基づくビジョンシステム及びQVPAK（登録商標）ソフトウェアである。QUICK VISION（登録商標）シリーズのビジョンシステム及びQVPAK（登録商標）ソフトウェアの機能及び動作は一般に、例えば、２００３年１月に公開されたQVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine User's Guide及び１９９６年９月に公開されたQVPAK 3D CNC Vision Measuring Machine Operation Guideに説明されている。この製品は、例えば、ＱＶ−３０２プロモデルで例示されるように、顕微鏡型光学系を使用して、様々な倍率でワークピースの画像を提供し得、単一のビデオ画像の範囲を超えてワークピース表面を横切るように、必要に応じてステージを移動し得る。単一のビデオ画像は通常、そのようなシステムの所望の倍率、測定分解能、及び物理的サイズ制限で、観測又は検査中のワークピースの一部のみを含む。
【背景技術】
【０００２】
画像取得は、カメラとワークピースステージとの間での相対移動を使用する間に実行し得、それにより、検査スループットが大幅に増大する。そのようなシステムが、連続移動中、画像のスミア（又はピンぼけ）なしでの画像取得を支援するために、ストローブ光照明を含むことが有利である。異なるマシンビジョンシステムで使用可能な連続移動動作を使用して画像を取得する１つの例示的な方法は、米国特許第７，４９９，５８４号に記載されている。
【０００３】
QUICK VISION（商標）システム等の汎用精密マシンビジョン検査システムは一般に、自動ビデオ検査を提供するようにプログラム可能でもある。米国特許第６，５４２，１８０号（’１８０号特許）は、そのような自動ビデオ検査の様々な態様を教示している。’１８０号特許において教示されるように、自動ビデオ検査計測機器は一般に、プログラミング機能を有し、プログラミング機能により、自動検査イベントシーケンスをユーザが特定の各ワークピース構成に関して定義することができる。これは、例えば、テキストベースのプログラミングにより、又はグラフィカルユーザインタフェースを用いて、ユーザが実行する検査動作シーケンスに対応するマシン制御命令シーケンスを記憶することにより検査イベントシーケンスを徐々に「学習」する記録モードを通して、又は両方法の組み合わせを通して実施することができる。そのような記録モードは多くの場合、「学習モード」、「トレーニングモード」、又は「記録モード」と呼ばれる。検査イベントシーケンスが「学習モード」で定義されると、そのようなシーケンスを使用して、「実行モード」中にワークピースの画像を自動的に取得する（且つさらに解析又は検査する）ことができる。
【０００４】
特定の検査イベントシーケンス（すなわち、各画像を取得する方法及び各取得画像を解析／検査する方法）を含むマシン制御命令は一般に、特定のワークピース構成に固有の「パートプログラム」又は「ワークピースプログラム」として記憶される。例えば、パートプログラムは、ワークピースに対してカメラを位置決めする方法、照明レベル、倍率レベル等の各画像を取得する方法を定義する。さらに、パートプログラムは、例えば、エッジ／境界検出ビデオツール等の１つ又は複数のビデオツールを使用することにより、取得画像を解析／検査する方法を定義する。
【０００５】
ビデオツール（又は略して「ツール」）及び他のグラフィカルユーザインタフェース機能を手動で使用して、手動検査及び／又はマシン制御動作を達成し得る（「手動モード」で）。セットアップパラメータ及び動作は、学習モード中に記録して、自動検査プログラム又は「パートプログラム」を作成することもできる。ビデオツールは、例えば、エッジ／境界検出ツール、オートフォーカスツール、形状又はパターン照合ツール、寸法測定ツール等を含み得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
エッジ要素の画像を取得するパートプログラムは通常、倍率レベルを指定する。倍率レベルを選択する場合、様々なトレードオフを考慮し得る。例えば、倍率レベルが高いほど、高い分解能を提供し得るが、要素を拡大するために高価なハードウェアを必要とすることに加えて、ワークピース全体に対してより小さな視野になり、生じる歪みも大きくなり得る。倍率レベルが低いほど、大きな視野及び小さな歪み並びに低コストを提供し得るが、特定の用途で所望のレベルの分解能及び対応する精度を提供しないことがある。いくつかのそのような場合、物体の画像の分解能は、物体の空間サンプリングがピクセル間隔及び倍率によって決まるという点で、カメラ検出器内のピクセル間隔により制限される。既知のサブピクセル増分だけ互いに移動（ステップ）させた又はオフセットされた複数の画像を取得することにより、この状況に対処する方法が既知であり、次に、複数の画像データセットを合成して、物体上の画像サンプリング密度を効率的に増大させる。しかし、いくつかの場合、そのような方法は、複雑すぎて比較的未熟なユーザが理解し実施することができず、又は遅すぎて、多くの産業環境及び／又は用途において実用的ではない。いくつかの従来技術によるシステムは、所望のオフセットを「自動的」に提供するために、カメラ又は光学構成要素のディザリング移動を提案している。しかし、そのような方法は機械的に複雑であり、精密検査許容差と相容れない振動及び／又は非再現性をもたらし得る。比較的安価なシステム（例えば、既存のシステム）及びより低レベルの倍率を利用しながら、比較的未熟なユーザが所望のレベルの分解能及び精度を達成可能な改良された方法及びシステムが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
マシンビジョン検査システムにおいて互いにサブピクセルオフセットを有する複数の画像を取得する方法が提供される。マシンビジョン検査システムは、倍率Ｍを提供する光学系と、第１のピクセルピッチＰ及び高速複数画像取動作モードを含むカメラと、を含む。サブピクセルオフセット画像サンプリング動作が利用され、この動作は、第１の画像取得移動を提供すること、及び関心領域の複数の画像を取得することを含む。第１の画像取得移動は、ワークピース及びカメラのうちの一方を第１の速度Ｓで第１の方向に沿って相対移動させることを含む。複数の画像は、カメラの高速複数画像取得動作モードを使用して画像取得移動中に取得される。複数の画像は少なくとも、第１の時間ｔ１において取得される関心領域の第１の画像及び第１の時間ｔ１より後の第２の時間ｔ２において取得される関心領域の第２の画像を含む。第１の画像と第２の画像とのオフセットＯは、Ｍ*Ｓ*（ｔ２−ｔ１）に概ね等しく、マシンビジョン検査システムは、ＯがｎＰに等しくないように構成され、ｎは整数である。様々な実施態様では、オフセットＯは（ｎ＋０．２）Ｐ＜Ｏ＜（ｎ＋０．８）Ｐの範囲内にあり得る。カメラ系の高速複数画像取得動作モードは、第１の画像と第２の画像との差（ｔ２−ｔ１）が、様々な実施形態では、最大で５０マイクロ秒又は最大で２５マイクロ秒、１０マイクロ秒、又は５マイクロ秒であり、又はカメラ系により可能であれば５マイクロ秒未満であるように動作する。
【０００８】
様々な実施態様では、第１のピクセルピッチＰは、列方向ピクセルピッチＰｙ又は行方向ピクセルピッチＰｘのうちの少なくとも一方を含み得る。オフセットＯは、ピクセルピッチＰｘを有するカメラの列方向に沿った成分Ｏｘ及びピクセルピッチＰｙを有するカメラの行方向に沿った成分Ｏｙを含み得る。高速複数画像取得動作モードでの第１の画像取得移動及び画像タイミングは、オフセット成分の少なくとも一方が非整数Ｋに、対応するピクセルピッチを掛けたものを含むように構成し得る。一実施態様では、非整数Ｋは、（ｎ＋０．２）＜Ｋ＜（ｎ＋０．８）の範囲内にあり、ｎは整数である。
【０００９】
本方法は、ワークピースを複数の画像及び／又は画像データの間で一致させるように、オフセットＯの除去又は補償することをさらに含み得る。次に、一致させた画像データを合成して、マシンビジョン検査システムにおいて画像を取得するカメラの本来の分解能よりも良好な分解能の画像データを提供し得る。一致する画像データの合成は、位置ラッチデータ、画像の相関解析、又は移動及びタイミングデータのうちの少なくとも１つに基づき得る。
【００１０】
様々な実施態様では、動作をエッジツールの複数画像モードに含め得る。エッジツールは、単一画像モード及び複数画像モードを含み、複数画像モードは、倍率及びユーザ選択のうちの少なくとも一方に基づいて利用される。複数画像モード中に撮影される第１及び第２の画像からの画像データを合成して、分解能を所望のレベルまで増大させ得る。エッジ位置の特定に利用される複合画像は、第１及び第２の画像の合成データに基づいて作成され得る。複合画像は、学習モード中に表示し得る。分解能を増大した画像データを提供するために複数画像モード中に使用されるシステムパラメータは、学習モード中に構成し得、構成はパートプログラムに記録し得る。
【００１１】
第１の画像取得移動は、測定中のエッジのエッジ方向を横切る方向であり得る。いくつかの実施形態及び／又は用途では、学習モードは、エッジ測定動作等の動作を実行し、且つ／又は定義すること、エッジの角度を特定すること、エッジを横切る移動方向を設定すること（例えば、一実施形態では、エッジの角度に約９０度を足した角度に等しい角度に）、移動方向及びツール位置パラメータ等に基づいて２つの中間地点を計算することを含み得る。特定の場合、第１及び第２の画像は、関心領域内のワークピースの複数のエッジを含み得る。そのような場合、複数のエッジツールが、複数のエッジに関して関心領域内で利用されていると判断される場合、学習モードは、マルチエッジツールルーチンを利用し得る。マルチエッジツールルーチンは、複数のエッジの角度を特定すること、単一の移動方向が、複数のエッジの各角度への垂直から指定された度数範囲内にあると特定することができるか否かを判断し、範囲内にあると特定することができる場合、決定される移動方向を使用し、範囲内にあると特定することができない場合、少なくとも第３の画像を得る少なくとも第２の移動方向を追加することを含み得る。学習モードは、移動方向の決定を支援する選択肢をユーザに提供することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】汎用精密マシンビジョン検査システムの様々な典型的な構成要素を示す図である。
【図２】図１と同様であり、本明細書に記載の特徴を含むマシンビジョン検査システムの制御システム部及びビジョン構成要素部のブロック図である。
【図３】画像内のエッジに重なる例示的なポイントツールの図である。
【図４】ピクセル強度値セットに基づいてエッジ位置を特定する例示的な一方法を示す図である。
【図５】様々な倍率でのエッジのサンプリング増大の必要性を示す表の図である。
【図６Ａ】サブピクセルオフセット画像サンプリング動作の第１の画像を示す図である。
【図６Ｂ】サブピクセルオフセット画像サンプリング動作の第２の画像を示す図である。
【図６Ｃ】第１及び第２の画像からの合成データを示す図である。
【図７】図６Ａ〜図６Ｃの画像を取得するシーケンスを示すタイミング図である。
【図８】サブピクセルオフセット画像サンプリング動作を利用して第１及び第２の画像を取得するルーチンの例示的な一実施形態を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の様々な実施形態を後述する。以下の説明は、これらの実施形態の完全な理解及びこれらの実施形態を可能にする説明のために特定の詳細を提供する。しかし、これらの詳細の多くなしで本発明を実施し得ることを当業者は理解するだろう。さらに、様々な実施形態の関連する説明を不必要に曖昧にしないように、いくつかの周知の構造又は機能については詳細に図示又は説明しないことがある。以下に提示される本説明に使用される用語は、本発明の特定の具体的な実施形態の詳細な説明と併せて使用されている場合であっても、その最も広義の妥当な様式で解釈されることが意図される。
【００１４】
図１は、本明細書に記載の方法により使用可能な例示的な１つのマシンビジョン検査システム１０のブロック図である。マシンビジョン検査システム１０はビジョン測定機１２を含み、ビジョン測定機１２は、制御コンピュータシステム１４とデータ及び制御信号を交換するように動作可能に接続される。制御コンピュータシステム１４は、モニタ又はディスプレイ１６、プリンタ１８、ジョイスティック２２、キーボード２４、及びマウス２６とデータ及び制御信号を交換するようにさらに動作可能に接続される。モニタ又はディスプレイ１６は、マシンビジョン検査システム１０の動作の制御及び／又はプログラムに適したユーザインタフェースを表示し得る。タッチスクリーンタブレット等を、コンピュータシステム１４、ディスプレイ１６、ジョイスティック２２、キーボード２４、及びマウス２６のうちの任意又はすべての機能に代替させる及び／又は重複させて提供し得ることが理解されるだろう。
【００１５】
制御コンピュータシステム１４が一般に、任意の計算システム又は装置からなり得ることを当業者は理解するだろう。適する計算システム又は装置は、パーソナルコンピュータ、サーバコンピュータ、ミニコンピュータ、メインフレームコンピュータ、任意の上記を含む分散計算環境等を含み得る。そのような計算システム又は装置は、本明細書に記載の機能を実行するソフトウェアを実行する１つ又は複数のプロセッサを含み得る。プロセッサは、プログラマブル汎用又は専用マイクロプロセッサ、プログラマブルコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理装置（ＰＬＤ）等、又はそのような装置の組み合わせを含む。ソフトウェアは、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ等、又はそのような構成要素の組み合わせ等のメモリに記憶し得る。ソフトウェアは、磁気若しくは光学ベースのディスク、フラッシュメモリ装置、又はデータを記憶する任意の他の種類の不揮発性記憶媒体等の１つ若しくは複数の記憶装置に記憶してもよい。ソフトウェアは、特定のタスクを実行し、又は特定の抽象データ型を実施するルーチン、プログラム、オブジェクト、構成要素、データ構造等を含む１つ又は複数のプログラムモジュールを含み得る。分散計算環境では、プログラムモジュールの機能は、結合してもよく、又は有線構成若しくは無線構成のいずれかで複数の計算システム若しくは装置にわたって分散し、サービス呼び出しを介してアクセスしてもよい。
【００１６】
ビジョン測定機１２は、可動式ワークピースステージ３２と、光学撮像システム３４とを含み、光学撮像システム３４はズームレンズ又は交換式レンズを含み得る。ズームレンズ又は交換式レンズは一般に、光学撮像システム３４により提供される画像に様々な倍率を提供する。マシンビジョン検査システム１０は一般に、上述したQUICK VISION（登録商標）シリーズのビジョンシステム及びQVPAK（登録商標）ソフトウェア並びに同様の現在市販されている精密マシンビジョン検査システムに匹敵する。マシンビジョン検査システム１０は、本願と同じ譲受人に譲渡された米国特許第７，４５４，０５３号、同第７，３２４，６８２号、同第８，１１１，９０５号、及び同第８，１１１，９３８号にも記載されている。
【００１７】
図２は、図１のマシンビジョン検査システムと同様であり、本明細書に記載の特徴を含むマシンビジョン検査システム１００の制御システム部１２０と、ビジョン構成要素部２００とのブロック図である。より詳細に後述するように、制御システム部１２０は、ビジョン構成要素部２００の制御に利用される。ビジョン構成要素部２００は、光学アセンブリ部２０５と、光源２２０、２３０、及び２４０と、中央透明部２１２を有するワークピースステージ２１０とを含む。ワークピースステージ２１０は、ワークピース２０を位置決めし得るステージ表面に略平行する平面内にあるＸ軸及びＹ軸に沿って制御可能に移動可能である。光学アセンブリ部２０５は、カメラ系２６０と、交換式対物レンズ２５０とを含み、レンズ２８６及び２８８を有するターレットレンズアセンブリ２８０を含み得る。ターレットレンズアセンブリに対する代替として、固定レンズ、又は手動で交換可能な倍率変更レンズ、又はズームレンズ構成等を含み得る。
【００１８】
光学アセンブリ部２０５は、制御可能なモータ２９４を使用することにより、Ｘ軸及びＹ軸に略直交するＺ軸に沿って制御可能に移動可能であり、制御可能なモータ２９４はアクチュエータを駆動して、光学アセンブリ部２０５をＺ軸に沿って移動させ、ワークピース２０の画像のフォーカスを変更する。制御可能なモータ２９４は、信号線２９６を介して入出インタフェース１３０に接続される。
【００１９】
マシンビジョン検査システム１００を使用して撮像すべきワークピース２０又は複数のワークピース２０を保持するトレイ若しくは固定具は、ワークピースステージ２１０に配置される。ワークピースステージ２１０は、交換式対物レンズ２５０がワークピース２０上の位置間及び／又は複数のワークピース２０間で移動するように、光学アセンブリ部２０５に相対して移動するように制御し得る。透過照明光２２０、落射照明光２３０、及び斜め照明光２４０（例えば、リング光）のうちの１つ又は複数は、光源光２２２、２３２、及び／又は２４２のそれぞれを発して、１つ又は複数のワークピース２０を照明する。光源２３０は、ミラー２９０を含む経路に沿って光２３２を発し得る。光源光はワークピース光２５５として反射又は透過し、撮像に使用されるワークピース光は、交換式対物レンズ２５０及びターレットレンズアセンブリ２８０を通過し、カメラ系２６０に集められる。カメラ系２６０により捕捉されるワークピース２０の画像は、信号線２６２上で制御システム部１２０に出力される。光源２２０、２３０、及び２４０は、信号線又はバス２２１、２３１、及び２４１のそれぞれを通して制御システム部１２０に接続し得る。画像の倍率を変更するには、制御システム部１２０は、信号線又はバス２８１を通して、軸２８４に沿ってターレットレンズアセンブリ２８０を回転させて、ターレットレンズを選択し得る。
【００２０】
図２に示されるように、様々な例示的な実施形態では、制御システム部１２０は、コントローラ１２５と、入出インタフェース１３０と、メモリ１４０と、ワークピースプログラム生成・実行器１７０と、電源部１９０とを含む。これらの構成要素のそれぞれ並びに後述する追加の構成要素は、１つ若しくは複数のデータ／制御バス及び／又はアプリケーションプログラミングインタフェースにより、或いは様々な要素間の直接接続により相互接続し得る。
【００２１】
入出力インタフェース１３０は、撮像制御インタフェース１３１と、運動制御インタフェース１３２と、照明制御インタフェース１３３と、レンズ制御インタフェース１３４とを含む。運動制御インタフェース１３２は、位置制御要素１３２ａと、速度／加速度制御要素１３２ｂとを含み得るが、そのような要素は統合且つ／又は区別不可能であってもよい。照明制御インタフェース１３３は照明制御要素１３３ａ〜１３３ｎ及び１３３ｆｌを含み、照明制御要素１３３ａ〜１３３ｎ及び１３３ｆｌは、例えば、マシンビジョン検査システム１００の様々な対応する光源の選択、電力、オン／オフ切り替え、及び該当する場合にはストローブパルスタイミングを制御する。
【００２２】
メモリ１４０は、画像ファイルメモリ部１４１と、エッジ検出メモリ部１４０ｅｄと、１つ又は複数のパートプログラム等を含み得るワークピースプログラムメモリ部１４２と、ビデオツール部１４３とを含む。ビデオツール部１４３は、対応する各ビデオツールのＧＵＩ、画像処理動作等を決定するビデオツール部１４３ａ及び他のビデオツール部（例えば、１４３ｎ）と、ビデオツール部１４３に含まれる様々なビデオツールで動作可能な様々なＲＯＩを定義する自動、半自動、及び／又は手動動作をサポートする関心領域（ＲＯＩ）生成器１４３ｒｏｉとを含む。
【００２３】
本開示の文脈の中では、当業者には既知のように、ビデオツールという用語は一般に、ビデオツールに含まれる動作のステップ毎のシーケンスを作成せずに、又は一般化されたテキストベースのプログラミング言語等を用いずに、マシンビジョンユーザが比較的単純なユーザインタフェース（例えば、グラフィカルユーザインタフェース、編集可能パラメータウィンドウ、メニュー等）を通して実施することができる比較的複雑な自動又はプログラムされた動作のセットを指す。例えば、ビデオツールは、動作及び計算を支配する少数の変数又はパラメータを調整することにより、特定のインスタンスに適用されカスタマイズされる画像処理動作及び計算の事前にプログラムされた複雑なセットを含み得る。基礎となる動作及び計算に加えて、ビデオツールは、ユーザがビデオツールの特定のインスタンスに向けてそれらのパラメータを調整できるようにするユーザインタフェースを含む。例えば、多くのマシンビジョンビデオツールでは、ユーザは、マウスを使用する単純な「ハンドルドラッグ」動作を通して、グラフィカル関心領域（ＲＯＩ）インジケータを構成して、ビデオツールの特定のインスタンスの画像処理動作により解析すべき画像サブセットの位置パラメータを定義することができる。基礎となる動作が暗黙的に含まれて、可視のユーザインタフェース機能がビデオツールと呼ばれることもあることに留意されたい。
【００２４】
特に、本発明による様々な実施形態では、ビデオツール部１４３は、エッジ位置特定ツール１４３ｅｌを含み、このツールは、さらに詳細に後述するように、エッジ位置特定動作に関連する様々な動作及び機能を提供する。多くのビデオツールに共通して、本開示のエッジ位置特定及び複数画像取得主題は、ユーザインタフェース機能及び基礎となる画像処理動作等の両方を含み、関連する機能は、ビデオツール部１４３に含まれるエッジ位置特定ツール１４３ｅｌの機能として特徴付け得る。一実施形態では、エッジ位置特定ツール１４３ｅｌは、エッジ位置特定モード制御部１４３ｍｃと、標準単一画像取得モード部１４３ｓｉと、高速複数画像取得モード部１４３ｆｍとを含み得る。手短に言えば、標準単一画像取得モード部１４３ｓｉは、既知のエッジ位置特定ツールと同様に動作し得、例えば、単一の画像を取得し、画像のエッジにわたる走査線に沿ったピクセル強度値及び対応する微分値を特定し、微分値のピークをエッジの位置として識別する。高速複数画像取得モード部１４３ｆｍは、本発明の方法に基づいて動作する。標準単一画像取得モード部１４３ｓｉとは対照的に、高速複数画像取得モード部１４３ｆｍは、ステージ及び／又はカメラの同時被制御動作と併せて、カメラの高速複数画像取得モードを利用して、画像間で所望のサブピクセルオフセットを有する、エッジの複数の画像を取得する。次に、画像データは合成され、マシンビジョン検査システムにおいて画像を取得するカメラの本来の分解能により可能なものよりも良好な分解能を提供する。エッジ位置特定モード制御部１４３ｍｃは、本明細書に開示されるように動作を実行し、エッジ位置特定ツール１４３ｅｌ又はツールモードを、どのツール又はモードがアクティブ化されているかに応じて構成し得る。
【００２５】
カメラ系は、高速複数画像取得動作モードを備え、様々な実施形態において、この高速複数画像取得動作モードでは、連続して取得される第１の画像と第２の画像との取得タイミングの差（ｔ２−ｔ１）が最大で５０マイクロ秒又は最大で２５マイクロ秒、１０マイクロ秒、若しくは５マイクロ秒であり、又はカメラ系により可能な場合には５マイクロ秒未満でもあり得る。そのような実施形態では、カメラ系の高速複数画像取得動作モードでは、マシンビジョン検査システム画像に存在する振動の影響を止めるのに十分な程度に（ｔ２−ｔ１）を短くすることができ（例えば、振動歪みが（ｔ２−ｔ１）中に事実上一定であるように）、これは、時間ｔ２及びｔ１において取得される２つの画像により提供される合成画像データに基づく物体再構築及び測定の精度に関して重要な考慮事項である。さらに、そのような時間（ｔ２−ｔ１）は、２つの対応する画像の取得中に比較的高速での移動を可能にしながら、それらの画像が所望のサブピクセルオフセットを示すことが可能なように十分に短い。例えば、倍率１を用いる場合、（ｔ２−ｔ１）が１０マイクロ秒である場合、移動速度０．２５ｍ／秒で２．５μｍのサブピクセルオフセットを取得し得る。精密マシンビジョン検査システム内の従来のカメラでは、この種の動作を提供することができず、通常、数ミリ秒のフレーム率の提供であったことを理解されたい。しかし、この種の動作を提供し得るいくつかのカメラが利用可能になりつつある。例えば、図７を参照してさらに後述するように動作する場合、ピクセルピッチＤｐ＝５．５μｍを有するJAI Inc.の型番ＡＭ−２００ＣＬ（米国カリフォルニア州San JoseのJAI Inc.から入手可能な製品及び情報）は、カメラ検出器ピクセルアレイに関連する特別な信号処理機能により、５マイクロ秒のフレーム間隔時間で２つの画像を取得し得る。本明細書に開示される様々な他の機能及び動作と組み合わせて使用されるそのようなカメラは、比較的安価なシステム（例えば、複雑なディザリング構成要素とは対照的に既存の運動制御システム）及びより低レベルの倍率を利用しながら、精密マシンビジョン検査システムの比較的未熟なユーザが、所望レベルの分解能及び精度を取得することができるシステムを提供する。
【００２６】
エッジ位置特定ツール１４３ｅｌに対して、代替の構成が可能である。例えば、標準単一画像取得モード部１４３ｓｉ及び高速複数画像取得モード部１４３ｆｍは、別個のモード制御部１４３ｍｃを省略し得るように分割モード制御機能を含み得る。あるいは、エッジ位置特定ツール１４３ｅｌは、１つ又は複数の汎用エッジ位置特定ツール要素を提供し得、モード制御部１４３ｍｃは、標準単一画像ツール挙動が望まれるか、それともサブピクセルオフセットを用いる高速複数画像ツール挙動が望まれるかに応じるように、汎用エッジ位置特定ツール要素のユーザインタフェース及び相互関係を支配する動作を提供し得る。そのような場合、標準単一画像取得モード部１４３ｓｉ及び／又は高速複数画像取得モード部１４３ｆｍの動作を提供する回路、ルーチン、又はアプリケーションは、統合し、且つ／又は区別不能であり得る。特定の実施態様では、モード制御部１４３ｍｃを利用して、高速複数画像モードに別個のツールを実施し得る。より一般には、本発明は、マシンビジョン検査システム１００と併せて動作する任意の現在既知又は後に開発される形態で実施して、サブピクセルオフセット動作を用いる高速複数画像に関連して本明細書に開示される機能を提供し得る。
【００２７】
透過照明光２２０、落射照明光２３０及び２３０’、並びに斜め照明光２４０のそれぞれの信号線又はバス２２１、２３１、及び２４１はすべて、入出力インタフェース１３０に接続される。カメラ系２６０からの信号線２６２及び制御可能なモータ２９４からの信号線２９６は、入出力インタフェース１３０に接続される。画像データの搬送に加えて、信号線２６２は、画像取得を開始する信号をコントローラ１２５から搬送し得る。
【００２８】
１つ又は複数のディスプレイ装置１３６（例えば、図１のディスプレイ１６）及び１つ又は複数の入力装置１３８（例えば、図１のジョイスティック２２、キーボード２４、及びマウス２６）も、入出力インタフェース１３０に接続することができる。ディスプレイ装置１３６及び入力装置１３８を使用して、ユーザインタフェースを表示することができ、ユーザインタフェースは、様々なユーザグラフィカルインタフェース（ＧＵＩ）機能を含み得、ＧＵＩ機能は、カメラ系２６０により捕捉された画像を閲覧し、及び／若しくはビジョンシステム構成要素部２００を直接制御するために、検査動作の実行、並びに／又はパートプログラムの作成及び／若しくは変更に使用可能である。ディスプレイ装置１３６は、エッジ位置特定ビデオツール１４３ｅｌに関連付けられたユーザインタフェース機能を表示し得る。
【００２９】
様々な例示的な実施形態では、ユーザは、マシンビジョン検査システム１００を利用して、ワークピース２０のパートプログラムを作成する場合、学習モードでマシンビジョン検査システム１００を動作させて、所望の画像取得トレーニングシーケンスを提供することにより、パートプログラム命令を生成する。例えば、トレーニングシーケンスは、代表的なワークピースの特定のワークピース要素を視野（ＦＯＶ）内に位置決めすること、光レベルを設定すること、フォーカス又はオートフォーカスすること、画像を取得すること、及び画像に適用される検査トレーニングシーケンスを提供すること（例えば、そのワークピース要素に対してビデオツールの１つのインスタンスを使用して）を含み得る。学習モードは、シーケンスを捕捉又は記録し、対応するパートプログラム命令に変換するように動作する。これらの命令は、パートプログラムが実行される場合、マシンビジョン検査システムにトレーニングされた画像取得・検査動作を再現させて、パートプログラム作成時に使用された代表的なワークピースに適合する１つ又は複数の実行モードワークピースのその特定のワークピース要素（対応する位置の対応する要素である）を自動的に検査する。
【００３０】
図３は、画像３００内の(例えば、画像ディスプレイ装置上で）より暗い又は陰影付きエリア３０８の境界においてエッジ３０５に重なる例示的なポイントツール３１０の図である。ポイントツール３１０並びにエッジ検出用の他の種類のビデオツールは、米国特許第７，５６７，７１３号により詳細に記載されている。図３では、陰影付きエリア３０８は、説明のために、画像３００内の比較的低強度のピクセルを示すために示される。より詳細に後述するように、ポイントツール３１０は、画像内のエッジ点の位置を特定するように構成し得、同様の動作が、複数のエッジ点を位置特定する別の種類のツール(例えば、ボックスツール式エッジツール）の動作の根底にあり得る。ポイントツール３１０のグラフィカルユーザインタフェースは、本体３１１、エッジセレクタ３１２、及び極性インジケータ矢印３１４を含み得る。矢印３１４は一般に、エッジを横切って明から暗又は暗から明を指して、参照文献に説明されるように、特定の状況でエッジ発見確実性を増大させ得る。図３の図では、本体３１１は、本体３１１により画定され、公称では本体３１１に一致する公称走査線３２０を曖昧にする。
【００３１】
動作に当たり、ユーザは、ポイントツール３１０を選択し（例えば、ディスプレイの縁部にあるビデオツールから）、本体３１１を、エッジに沿った所望の位置において、エッジ要素及びエッジセレクタ３１２をエッジの可能な限り近くに配置することにより、検出すべきエッジ要素を識別する。ポイントツール本体３１１は、図３の右上隅に示されるｘ−ｙ座標系において角度Ａで示されるように、エッジを横切る所望の走査線向きを定義し示すような向きを有し得る。図３では、画像ピクセルは、ｘ座標方向に沿った行及びｙ座標方向に沿った列に配置される。したがって、角度Ａは、画像内のピクセル行に対する公称走査線向き角度を示す。矢印３１４は、エッジ検出に関連付けるべき（例えば、エッジが上昇エッジとして検出されるか、下降エッジとして検出されるか等に関連付けられる）参照方向又は極性に沿って向く。動作に当たり、ポイントツール３１０が完全に配置されると、基礎をなすエッジ点位置特定ルーチンの命令を実行して、ポイントツール３１０の本体３１１に公称では一致する走査線に関連付けられた強度プロファイルデータ点（例えば、ピクセル強度データ）を解析し、基礎をなすエッジ位置を検出する様々な動作を実行する。図４に関してより詳細に後述するように、様々な例示的な実施形態では、ポイントツール３１０のエッジ点位置特定ルーチンは、走査線に関連付けられた強度プロファイルに沿った微分値に基づいて、エッジ位置を特定し得る。走査線方向が画像ピクセル行及び／又は列方向に厳密に一致する可能性が低いことが理解されるだろう。そのような場合、走査線方向に沿った「ピクセル」位置での画像値は、様々な既知の方法により、周囲の画像ピクセルに基づく補間により特定し得る。前に取得された画像データに基づく所望の線及び／又は方向に沿った補間画像強度の計算は、例えば、Dingに付与された米国特許第７，５６７，７１３号において教示されている。
【００３２】
エッジ及び走査線の方向は、従来技術と比較して、本明細書に開示されるシステム及び方法の別の利点に関連する。上述し、より詳細に後述する、増大した空間サンプリング密度（及び関連付けられた合成画像間のサブピクセルオフセット）に関連する方向が、増大した分解能によって撮像し位置が特定されるエッジ要素を、名目上は横断する(例えば、垂直）ことが理解されるだろう。本明細書に開示されるシステム及び方法が、この点に関して特に多用途であることが理解されるだろう（所定の方向に沿ってのみサブピクセルオフセットを提供する従来既知の機械的ディザリング方法とは対照的に）。特に、標準運動制御システムは、任意のエッジを横断する移動方向を提供することができ、カメラの高速複数画像取得動作モードは、所望の分解能改良に最も関連する方向に沿った所望のサブピクセルオフセットを有する画像を取得することができる。
【００３３】
まとめると、一般に、エッジ点は、当該エッジ点に幾何学的形態が合わせることができる、対応する基礎となる画像要素を測定し得る様々なビデオツールにより特定される。ビデオツールの従来の一動作方法では、ツールのタイプ（例えば、ポイント／ボックス／サークル等）に応じて、１つ又は複数の公称走査線が、定義されたツールパラメータに従ってＲＯＩ内で定義又は生成される。公称走査線毎に、ツールは、公称走査線を近似する強度プロファイルデータポイント位置セットを特定又は選択する。データポイント位置に関連付けられた強度値が特定され、公称走査線に関連付けられた強度プロファイルを定義する。次に、一実施形態では、エッジ検出アルゴリズムは、強度プロファイルに沿った微分値を解析して、例えば、図４を参照してより詳細に後述するように、微分値が最大となる強度プロファイルに沿った位置を見つける。強度プロファイルに沿った最大微分値の位置を使用して、公称走査線に関連付けられた画像内のエッジ点位置を特定する。
【００３４】
図４は、強度プロファイル４１０に基づいてエッジ位置を特定する１つの例示的な方法を示すグラフ４００の図である。図４に示されるように、強度プロファイル４１０は、走査線（例えば、図３に示される走査線３２０等）を表す位置に対応する画像ピクセル強度(グレー）値セット４２５を含む。走査線を表すデータポイント又は位置は、水平軸に沿って０〜５０からの「ピクセル番号」として記される。データポイント０から開始して、画像強度値はまず、概ねデータポイント２３まで比較的暗い領域を示し、次に、データポイント５０まで比較的明るい領域が続く。
【００３５】
微分値４２６が、強度値４２５から導出され、これも図４に示される。様々な従来のアルゴリズムが、微分値のピークに対応する水平軸に沿った位置を見つけ、その位置をエッジ位置として識別する。微分値のピークが複数ある場合、ビデオツールエッジセレクタ及び／又は向きインジケータ（例えば、ポイントツール３１０のエッジセレクタ３１２及び／又は極性インジケータ３１４）は、アルゴリズムが所望のピークを識別するのに役立つことができる。図４では、最大微分基準（すなわち、微分値のピーク）は、エッジが概ねデータポイント２３にあることを示す。曲線当てはめや重心計算による特定等を含み得る方法を使用することにより、微分値のピークは、強度プロファイルデータポイント間に比較的精密に配置し得、これは一般に、画像内の対応するエッジの位置を特定する際のサブピクセル測定分解能及び再現性をサポートする。
【００３６】
図５〜図８に関してより詳細に後述するように、サブピクセル測定分解能を用いて画像内のエッジの位置を正確に特定するために、画像が十分な空間サンプリング密度を有することが重要である。ある例として、図４を参照すると、図３のエッジ３０５には、遷移領域に配置された約５つのデータポイント（すなわち、データポイント２２〜２６）がある。特定の実施態様では、このサンプリング密度は、所望のサブピクセルレベル精度でエッジ３０５の位置を特定するのに十分な分解能を表す。しかし、より低レベルの倍率が利用される実施態様では、各ピクセルが物体のより大きなエリアに対応し、エリアの中心が離れて離間され、それにより、物体の細かい構造及び／又は鮮鋭なエッジに関連する情報を平均化するか又はなくし得るという点で、撮像された物体のサンプリング密度が低減されることが理解されるだろう。図４の例に関して、半分のみの倍率が利用される（すなわち、ひいてはより大きな視野を生成する）実施態様では、エッジ遷移に対応するピクセル数は低減することになる。特定の実施態様では、このより低いサンプリング密度は、図５に関してより詳細に後述するように、サブピクセル測定分解能を許容不可能な低レベルまで低減させ得る。図６Ａ〜図６Ｃに関してより詳細に後述するように、サンプリング密度は、複数の画像の利用を通して効率的に増大させ得る。より具体的には、サブピクセルオフセット画像サンプリング動作を利用して、互いにサブピクセルオフセットを有する第１及び第２の画像を取得し得る。次に、２つの画像から特定されたデータを合成して、より高い空間サンプリング密度を有する合成画像を提供し、所望の測定分解能を達成し得る。
【００３７】
図５は、様々な倍率においてエッジのサンプリングを増大させる必要性を示す表５００の図である。図５に示されるように、表５００は、電動ターレットレンズ倍率係数を示すＰＴ列５１０、チューブレンズ有効焦点距離を示すチューブＥＦＬ列５２０、全体倍率Ｍ列５３０、対応光学分解能列５４０、投射１／２ぼやけサイズ列投射１／２ぼやけサイズ列（projected 1/2 blur size column）５５０、及びカメラピクセルピッチが画像情報の分解能を制限するファクタではないことを保証する、ナイキスト周波数で１／２ピンぼけサイズをサンプリングするために必要なカメラピクセルピッチを示す所要サンプル分離列５６０を含む。表５００の１行目５０１では、ＰＴ列５１０は値１Ｘ（Ｘは倍を示す）を示し、チューブＥＦＬ列５２０は値１００を示し、全体Ｍ列５３０は値５を示し、光学分解能列５４０は値０．６５を示し、投射１／２ぼやけサイズ列５５０は値３．２５を示し、所要サンプル分離列５６０は値１．６３を示す。２行目５０２では、ＰＴ列５１０は値２Ｘを示し、チューブＥＦＬ列５２０は値２００を示し、全体Ｍ列５３０は値１０を示し、光学分解能列５４０は値０．６５を示し、投射１／２ぼやけサイズ列５５０は値６．５０を示し、所要サンプル分離列５６０は値３．２５を示す。３行目５０３では、ＰＴ列５１０は値４Ｘを示し、チューブＥＦＬ列５２０は値４００を示し、全体Ｍ列５３０は値２０を示し、光学分解能列５４０は値０．６５を示し、投射１／２ぼやけサイズ列５５０は値１３．００を示し、所要サンプル分離列５６０は値６．５０を示す。
【００３８】
一般に、表５００は、高顕微鏡倍率の場合、物体が一般に検出器によりオーバーサンプリングされ得ることを示す。表５００の値は、ＮＡ＝０．４２（ＥＦＬ＝２０ｍｍ）を有する単一対物レンズの場合の値を表す。特定の例として、ピクセルピッチＤp＝５．５μｍを有する特定の既存のカメラ（例えば、ＪＡＩ  ＡＭ−２００ＣＬ−−米国カリフォルニア州San JoseのJAI Inc.から入手可能な製品及び情報）は、行５０３において示されるＰＴ４Ｘ条件をわずかにオーバーサンプリングする（すなわち、所要サンプル分離列５６０が、所要値６．５０μｍ以下を示し、ピクセルピッチ５．５０μｍはこの要件を満たす）。対照的に、このピクセルサイズは、所要ピクセルピッチ及び／又はサンプリング分離がそれぞれ１．６３μｍ及び３．２５μｍ以下である、ＰＴ１Ｘ及びＰＴ２Ｘ条件に関して行５０１及び５０２に示される要件を満たさず、ピクセルピッチ５．５０μｍは大きすぎる。マシンビジョン検査システムで使用される様々な光学構成を、表５００に示される構成等と同様であるように特徴付け得、結果を参照のために記憶し得ることが理解されるだろう。次に、特定の実施形態では、複数の画像モードがエッジツールに含まれる場合、エッジツールは、現在の光学構成の特性を評価し、画像データ分解能が光学分解能又はカメラ検出器分解能（すなわち、ピクセルピッチ）により制限されるか否かを判断することができる。カメラ検出器分解能が制限ファクタである場合、潜在的にエッジツールの測定分解能を向上させ得るため、マシンビジョン検査システムのユーザインタフェースは、ユーザに、エッジツールの複数画像動作モードを選択する能力（単に「超分解能」選択等として特徴付け得る）を提供し得る。あるいは、マシンビジョン検査システムは、カメラ検出器分解能が制限ファクタである場合、複数画像動作モードを自動的に選択し得る。この後者の「自動」選択は、パートプログラム全体の文脈内の自動選択を許可するか、又は許可しないユーザにより設定されるグローバル設定にさらに依存し得る。例えば、鮮鋭なエッジ遷移又は非常に細かく離間されたエッジを有さないワークピースの場合、カメラ検出分解能（すなわち、ピクセル間隔）は、カメラ検出器分解能が光学構成要素の分解能と比較して制限ファクタである場合であってもやはり、そのワークピースの要素の空間周波数のサンプリングに適切であり得る。
【００３９】
行５０３内のＰＴ値４Ｘは、所望のサンプリング密度を達成するものとして示されるが、特定の実施態様では、視野は、単一画像で所望のエッジ要素のすべてを適宜捕捉することができず、所望よりも高い歪みレベルを有し得、且つ／又は高価すぎて実施できないことがあり得、又はより高倍率のレンズが単に、いくつかのシステム若しくはユーザにとって即座に利用可能ではないことがあり得る。換言すれば、特定の実施態様では、視野、歪みレベル、及び／又はコストファクタにより、ワークピースが望ましくはＰＴ値２Ｘ又は１Ｘよりも高い分解能で撮像し測定される要素及び／又はエッジを含み得る場合であっても、ＰＴ値２Ｘ又は１Ｘの利用が要求され得る。図６〜図８に関してより詳細に後述するように、サブピクセルオフセット画像サンプリング動作を利用することにより、複数の画像からのデータを取得し、合成して、上述した理由のいくつかにより望ましいことがある比較的低倍率レベルであっても、所望のサンプリング密度、再現性、及び／又は正確性を達成し得る。
【００４０】
特定の説明のための例として、画像取得シーケンスは、高速複数画像取得動作モードをサポートするカメラ、例えば、ピクセルピッチＤｐ＝５．５μｍを有する先に言及したカメラ−−JAI Inc.の型番ＡＭ−２００ＣＬ（米国カリフォルニア州San JoseのJAI Inc.から入手可能な製品及び情報）を使用して実行し得る。この特定のタイプのカメラの高速取得シーケンス毎の画像数は２である。図５の行５０２に示されるものと同様の約２Ｘアンダーサンプリングされる状況（５．５：３．２５）では、一定のステージ速度Ｖｘを指示して、物体においてΔｘシフト又はオフセットをもたらすことができ、これは、倍率がＭである場合、カメラでの物体のピクセルオフセットの割合１／Ｌに繋がる。１／２ピクセルオフセットの場合、Ｌ＝２である。倍率が１０であると仮定すると、Δｘ＝Ｄｐ／（Ｌ*Ｍ）＝０．２７５μｍである。特定の一例では、フレーム間隔時間Ｔｉ及び光パルス時間Ｔｌｐはそれぞれ、６マイクロ秒及び４マイクロ秒であり得る。したがって、露光間の有効時間差Ｔｄｉｆｆ（例えば、移動中の露光に対応する有効位置をラッチする間の時間）を、Ｔｄｉｆｆ＝［０．５Ｔｌｐ＋Ｔｉ＋０．５Ｔｌｐ］＝１０マイクロ秒としてとり得、ファクタ１／２が、光パルスにより定義される露光期間を通る中間点で位置をラッチすることを説明し、露光中の移動による平均ワークピース又は画像位置を表す。したがって、この例では、所望のオフセットを与える所望の速度ＶｘはＶｘ＝（０．２７５μｍ／１０マイクロ秒）＝２７．５ｍｍ／ｓである。したがって、これらのパラメータを使用して、約１／２Ｄｐだけ変位されたピクセルを有する物体の２つの画像を１０マイクロ秒以内で取得し得、それにより、単一画像内のピクセルピッチと比較してエッジの空間サンプリング周波数を約２倍に増大させる。関連する考察は、以下、図７を参照しても提供される。
【００４１】
別の特定の説明のための例として、いくつかのカメラ（例えば、２つのＣＣＤアレイを組み込んだもの）は、ピクセルピッチＤｐ＝４．６５μｍを有する３つの画像を約１５マイクロ秒で取得可能な高速複数画像取得モードを有する（例えば、JAI Inc.の型番ＡＤ−０８１ＣＬ）。この特定のタイプのカメラの高速取得シーケンス毎の画像数は３である。約３倍のアンダーサンプリング状況の場合（例えば、図５の行５０１に示されるものと同様に、所望／所要サンプリングステップ１．６３μｍ）、一定のステージ速度Ｖｘを指示して、物体においてΔｘシフト又はオフセットをもたらすことができ、これは、倍率がＭである場合、カメラでの物体のピクセルオフセットの割合１／Ｌに繋がる。１／３ピクセルオフセットの場合、Ｌ＝３である。倍率が５であると仮定すると、Δｘ＝Ｄｐ／（Ｌ*Ｍ）＝０．３１μｍである。特定の一例では、フレーム間隔時間Ｔｉ及び光パルス時間Ｔｌｐはそれぞれ、１．５マイクロ秒及び４マイクロ秒であり得る。したがって、第１と第２の露光間及び／又は第２と第３の露光間の有効時間差Ｔｄｉｆｆ（例えば、移動中の２つの順次露光に対応する有効位置をラッチする間の時間）を、Ｔｄｉｆｆ＝［０．５Ｔｌｐ＋Ｔｉ＋０．５Ｔｌｐ］＝５．５マイクロ秒とでき、ファクタ１／２が、光パルスにより定義される露光期間を通る中間点で位置をラッチすることを説明し、露光中の移動による平均ワークピース又は画像位置を表す。したがって、この例では、３つの画像の間の所望のオフセットを与える所望の速度ＶｘはＶｘ＝（０．３１μｍ／５．５マイクロ秒）＝５６．４ｍｍ／ｓである。
【００４２】
図６Ａ〜図６Ｃは、サブピクセルオフセット画像サンプリング動作を利用して取得されたエッジの代表的な第１及び第２の画像６００Ａ及び６００Ｂ並びに第１及び第２の画像からの合成データ６０５Ｃを概略的に示す図である。図６Ａに示されるように、第１の画像６００Ａは、ワークピースのエッジＥＧ１に対するピクセルアレイＰＡを示す。ピクセルアレイＰＡは、７行及び７列のピクセルを含んで示される。ポイントツールＰＴ（例えば、図３のポイントツール３１０と同様）は、ピクセルアレイＰＡの中間行のピクセルを横切る走査線を表す。エッジＥＧ１は位置Ｐ１に示され、位置Ｐ１は、ピクセルアレイＰＡの左エッジから距離Ｘ１のところにある。
【００４３】
画像６００Ａの下に、強度プロファイル６１０Ａ（図４の強度プロファイル４１０と同様）を含むグラフ６０５Ａが示される。強度プロファイル６１０Ａは、ポイントツールＰＴの走査線を表す位置に対応する画像ピクセル強度（グレー）値セット６２５Ａを含む。走査線からのデータポイントは、各ピクセルに１つずつ、グラフを横切る７つのドットとして示される。左から右へ、画像強度値はまず、１番目から３番目のピクセルで比較的暗い領域を示し、次に、特に５番目から７番目のピクセルの比較的明るい領域が続く。４番目のピクセル（すなわち、中央ピクセル）は、ピクセル強度値Ｅ１を有するものとして記され、その他のピクセルの高値と低値との間にあるものとして示され、エッジＥＧ１の遷移値を表す。強度プロファイル６１０Ａがエッジの比較的限られたサンプリングを表すことが理解されるだろう（例えば、複数のピクセルがエッジの遷移領域にある図４の強度プロファイル４１０とは対照的に）。
【００４４】
図６Ｂは画像６００Ｂを示し、エッジＥＧ１を有するワークピース及びピクセルアレイＰＡは、距離ΔＸに等しいサブピクセルオフセットだけ互いに相対移動している。換言すれば、エッジＥＧ１が、図６Ａでは、ピクセルアレイＰＡの左エッジから距離Ｘ１であった位置Ｐ１に配置されたが、図６Ｂでは、エッジＥＧ１は、方向ＤＩＲ１に移動し、ピクセルアレイＰＡの左エッジから距離Ｘ２にある位置Ｐ２に配置されて示される。距離Ｘ１とＸ２との差が、サブピクセルオフセットΔＸである。いくつかの実施形態では、サブピクセルオフセットΔＸが１ピクセル未満であることがあり得るが、様々な他の実施形態では、サブピクセルオフセットΔＸが、より詳細に後述するようにサンプリング密度を増大させるように、整数のピクセルではない限り、１ピクセルを超えてもよいことが理解されるだろう。
【００４５】
画像６００Ｂの下に、強度プロファイル６１０Ｂを含むグラフ６０５Ｂが示される。強度プロファイル６１０Ｂは、ポイントツールＰＴの走査線に対応する７つのピクセル値に対応するデータポイントを含む。３番目のピクセルは、エッジＥＧ１の遷移値を表すピクセル強度値Ｅ２を有するものとして記される。図６Ａの強度プロファイル６１０Ａと同様に、図６Ｂの強度プロファイル６１０Ｂは、エッジＥＧ１の比較的限られたサンプリングを表す。
【００４６】
図６Ｃは、図６Ａ及び図６Ｂの強度プロファイル６１０Ａ及び６１０Ｂの合成データを示す強度プロファイル６１０Ｃのグラフ６０５Ｃを示す。図６Ｃに示されるように、図６Ａからの７個のピクセル強度値及び図６Ｂからの７個のピクセル強度値に対応する１４個のピクセル強度値が示される。したがって、図６Ｃの１４個のピクセル強度値は、個々の画像６００Ａ又は６００Ｂのいずれかにより達成されるよりも高いサンプリング密度を表す。したがって、検出器に対して物体のサブピクセルシフトを有する複数の画像を利用することにより（例えば、画像６００Ａ及び６００Ｂに示されるように）、エッジのサンプリング密度を増大させ得る。
【００４７】
サンプリング密度を増大させた合成画像データが、格子又はＩＣマスク等の細かい周期性を有する構造を検査する場合に直面し得るような、カメラに拡大された場合ピクセルピッチの２倍よりも密であるエッジのエイリアシングを低減するという利点も有し得ることが理解されるだろう。特定の用途では、周期性を有する要素は、マシンビジョンシステムの光学系により分解することが可能であるが、限られたピクセルサンプリング密度を有するカメラが利用される場合、間隔が狭すぎて、現実的に撮像し、且つ／又は測定することができないことがある。サブピクセルオフセットを有する複数の画像の利用を通してサンプリング密度を増大させることにより、エッジ検出アルゴリズムを利用して、周期性を有する細かいパターンを有する要素のエッジを分解し測定することができる。
【００４８】
図７は、図６Ａ及び図６Ｂの画像を取得する高速複数画像取得動作モードをサポートするカメラのそのようなモードを使用する１つの例示的なシーケンスを示すタイミング図７００である。そのような動作を達成するために、５マイクロ秒までの短いフレーム間隔時間を提供するモードを提供し、２つ、３つ、又はそれを超える高速取得画像（カメラモデルに依存する）の合成が可能な様々な市販のカメラ（例えば、ＪＡＩ  ＡＭ−２００ＣＬ、ＪＡＩ  ＡＤ−０８１ＣＬ、ＰＣＯ  ＰｉｘｅｌＦｌｙ等）が利用可能である。図７は、そのような１つのカメラ（例えば、短いフレーム間隔時間で２つの画像をもたらす１−ＣＣＤを使用するＪＡＩカメラ）で画像タイミングシーケンスを示す。
【００４９】
タイミング図７００は、トリガー信号線７１０、ＥＥＮ信号線７２０、露光信号線７３０、移送ゲート信号線７４０、及び読み出し信号線７５０を含む。時間Ｔ１において、トリガー信号線７１０がアクティブ化され、ハイからローになり、ＥＥＮ信号線７２０がそれに対応してアクティブ化され、したがって、第１の露光窓ＥＷ１が開始される（例えば、様々な実施形態では、４マイクロ秒又は８マイクロ秒のタイミングで）。時間Ｔ２において、トリガー信号線７１０はハイ状態に戻る。時間Ｔ３において、露光信号線７３０が、第１のストローブフラッシュＳＦ１に関連する露光期間を示す。
【００５０】
時間Ｔ４において、ＥＥＮ信号線７２０は、第１の露光窓ＥＷ１の終わりを示し、露光信号線７３０は、第１のストローブフラッシュＳＦ１に関連する露光期間の終わりを示し、移送ゲート信号線７４０は第１のフレームＦＭ１の終わり及び第２のフレームＦＭ２の開始を示す。期間（Ｔ４−Ｔ３）での三角形信号形状は、時間Ｔ３に始まり時間Ｔ４で終わるストローブ期間中に露光が蓄積されることを示す。フレーム間隔時間（Ｔ５−Ｔ４）後、第２の露光が時間Ｔ５において開始される。フレーム間隔時間（Ｔ５−Ｔ４）が、高速複数画像取得モードのいくつかの実施形態では、ハードウェア又はファームウェア機能により固定又は制約し得ることが理解されるだろう。したがって、第１の画像を適宜露光し、時間Ｔ４における積分期間の終わりと大凡同時に終了するようにストローブ照明を設定し得るように、カメラ積分期間の時間Ｔ４の終わりのタイミングを知る（例えば、その積分期間のトリガー時間及びその既知の持続時間に基づいて）ことが望ましいことがあることを理解されたい。これにより、第１の画像の有効露光時間は、第２の画像の取得開始からちょうどフレーム間隔時間だけ離れて終わることになり、それにより、第１の画像の積分期間の全体的な開始及び持続時間は大方、第１の画像と第２の画像との有効時間遅延に関係なくなる。限定ではなく例として、いくつかの実施形態及び／又は用途では、時間（Ｔ４−Ｔ３）は約６マイクロ秒であり得、フレーム間隔時間（Ｔ５−Ｔ４）は約１．５〜５マイクロ秒であり得る。
【００５１】
読み出し信号線７５０は、時間Ｔ４における第１の読み出し期間ＲＰ１の開始を示す。第１の読み出し期間ＲＰ１は、第１のストローブフラッシュＳＦ１に対応する、時間Ｔ３とＴ４との間に信号線７３０に蓄積される画像露光の読み出しに対応する。時間Ｔ５において、ＥＥＮ信号線７２０は第２の露光窓ＥＷ２（特定の実施態様では、１フレームに対応する）の開始を示し、露光信号線７３０は、第２のストローブフラッシュＳＦ２の露光期間を示す。時間Ｔ６において、露光信号線７３０は、第２のストローブフラッシュＳＦ２の露光期間が終了することを示す。
【００５２】
時間Ｔ７において、読み出し信号線７５０は第１の読み出し期間ＲＰ１の終わりを示す。（Ｔ７−Ｔ６）は、いくつかの実施形態及び／又は用途では、約１６ミリ秒であり得る。時間Ｔ８において、ＥＥＮ信号線７２０は、第２の露光窓ＥＷ２の終わりを示し、移送ゲート信号線７４０は、第２のフレームＦＭ２の終わり及び第３のフレームＦＭ３の開始を示し、読み出し信号線７５０は、第２の読み出し期間ＲＰ２の開始を示す。第２の読み出し期間ＲＰ２は、第２のストローブフラッシュＳＦ２に対応する、時間Ｔ５とＴ６との間で信号線７３０に蓄積される画像露光の読み出しに対応する。時間Ｔ９から始まり、高速複数画像取得動作モードは、所望又は必要の場合、次のストローブフラッシュセットＳＦ３及びＳＦ４並びに対応する次の読み出し期間セットＲＰ３及びＲＰ４を含む別のサイクルに対する準備ができる。
【００５３】
図８は、高速複数画像取得動作モードを利用して第１及び第２の画像を取得し、マシンビジョン検査システムにサブピクセルオフセット画像サンプリング動作を提供するルーチン８００の例示的な一実施形態を示す流れ図である。ブロック８１０において、倍率Ｍを提供する光学システムを、マシンビジョン検査システムに提供する。ブロック８２０において、第１のピクセルピッチＰを含むとともに、高速複数画像取得動作モードを含むカメラを、マシンビジョン検査システムに提供する。ブロック８３０において、サブピクセルオフセット画像サンプリング動作を提供し、この動作は、ワークピース及びカメラのうちの一方を互いに相対して第１の速度Ｓで第１の方向に沿って移動させることを含む第１の画像取得移動を提供することを含む。ブロック８４０において、サブピクセルオフセット画像サンプリング動作のさらなる一環として、高速複数画像取得動作モードを使用して、画像取得移動中に関心領域の複数の画像を取得する。複数の画像は、少なくとも、第１の時間ｔ１において取得される関心領域の第１の画像と、第１の時間ｔ１より後の第２の時間ｔ２において取得される関心領域の第２の画像とを含み、第１の画像と第２の画像との間にはオフセットＯがある。オフセットＯはＭ*Ｓ*（ｔ２−ｔ１）に概ね等しく、マシンビジョン検査システムは、ＯがｎＰに等しくないように構成され、ｎは整数である。
【００５４】
上記から、説明のために、本発明の特定の実施形態について本明細書において説明したが、本発明の範囲から逸脱せずに様々な変更を行い得ることが理解される。例えば、示されたフローチャートを様々な方法で変更し得ることを当業者は理解するだろう。より詳細には、ステップの順序は再構成し得、ステップは並列して実行し得、ステップは省略し得、他のステップを含み得る等である。したがって、本発明は添付の特許請求の範囲以外により限定されない。
【符号の説明】
【００５５】
１０、１００  マシンビジョン検査システム
１２  ビジョン測定機
１４  制御コンピュータシステム
１６  ディスプレイ
１８  プリンタ
２０  ワークピース
２２  ジョイスティック
２４  キーボード
２６  マウス
３２  可動式ワークピースステージ
３４  光学撮像システム
１２０  制御システム部
１２５  コントローラ
１３０  入出力インタフェース
１３１  撮像制御インタフェース
１３２  運動制御インタフェース
１３２ａ  位置制御要素
１３２ｂ  速度／加速度制御要素
１３３  照明制御インタフェース
１３３ａ−１３３ｎ、１３３ｆｌ  照明制御要素
１３４  レンズ制御インタフェース
１３６  ディスプレイ装置
１３８  入力装置
１４０  メモリ
１４０ｅｄ  エッジ検出メモリ部
１４１  画像ファイルメモリ部
１４２  ワークピースプログラムメモリ部
１４３、１４３ａ、１４３ｎ  ビデオツール部
１４３ｅｌ  エッジ位置特定ツール
１４３ｆｍ  高速複数画像取得モード部
１４３ｍｃ  エッジ位置特定モード制御部
１４３ｒｏｉ  関心領域生成器
１４３ｓｉ  標準単一画像取得モード部
１７０  ワークピースプログラム生成・実行器
１９０  電源部
２００  ビジョン構成要素部
２０５  光学アセンブリ部
２１０  ワークピースステージ
２１２  中央透明部
２２０  透過照明光
２２１、２３１、２４１、２８１  バス
２３０、２３０’  落射照明光
２３２  光
２４０  表面光
２５０  交換式対物レンズ
２５５  ワークピース光
２６０  カメラ系
２６２、２９６  信号線
２８０  ターレットレンズアセンブリ
２８４  軸
２８６、２８８  レンズ
２９０  ミラー
２９４  制御可能なモータ
３００  画像
３０５  エッジ
３０８  陰影エリア
３１０  ポイントツール
３１１  本体
３１２  エッジセレクタ
３１４  極性インジケータ矢印
３２０  走査線
４００  グラフ
４１０、６１０Ａ、６１０Ｂ、６１０Ｃ  強度プロファイル
４２５  強度値
４２６  勾配大きさ値
５００  表
５１０  ＰＴ列
５２０  チューブＥＦＬ列
５４０  対応光学分解能列
５５０  投射１／２ぼやけサイズ列
５６０  所要サンプル分離列
６００Ａ  第１の画像
６００Ｂ  第２の画像
６０５Ａ、６０５Ｂ、６０５Ｃ  グラフ
６２５Ａ  画像ピクセル強度(グレー）値セット
７００  タイミング図
７１０  トリガー信号線
７２０  ＥＥＮ信号線
７３０  露光信号線
７４０  移送ゲート信号線
７５０  読み出し信号線
８００  ルーチン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【外国語明細書】
2014202751000001.pdf