硬度測試儀和硬度測試方法
【專利摘要】本發明涉及一種硬度測試儀和硬度測試方法。該硬度測試儀具有：壓痕形成器，用于通過使壓頭壓抵試樣的表面來形成壓痕；攝像控制器，用于控制CCD照相機以對試樣的表面攝像并且獲得圖像數據；壓痕區域提取器，用于基于所獲得的圖像數據來提取壓痕區域；以及硬度計算器，用于基于所提取出的壓痕區域來計算試樣的硬度。該壓痕區域提取器具有：縮小圖像生成器，用于按從多個預定縮尺比中所選擇的縮尺比來縮小根據試樣的表面的圖像數據所獲得的圖像，并且生成縮小圖像；以及模式匹配器，用于對所生成的縮小圖像進行模式匹配，并且提取壓痕區域。
【專利說明】硬度測試儀和硬度測試方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種硬度測試儀和硬度測試方法。
【背景技術】
[0002]傳統上已知的硬度測試儀基于通過利用預定的測試力使壓頭壓抵試樣所形成的壓痕的尺寸來測量該試樣的硬度。例如，維氏(Vickers)硬度測試儀將四棱錐體壓頭壓入試樣的表面并且測量所形成的壓痕的對角線長度。維氏硬度測試儀基于所測量到的壓痕的對角線長度來計算硬度。
[0003]在測試金屬材料的硬度時，已知的硬度測試儀通常通過針對攝像器所拍攝到的試樣表面的圖像判斷亮度值是否低于預定值(閾值)來執行二值化，然后提取形成在試樣表面中的壓痕區域(例如,參見日本專利4029832)。
[0004]然而，在上述傳統的硬度測試儀中，在整個所拍攝圖像中發生諸如陰影等的亮度變化。因而，傳統的硬度測試儀在圖像整體的二值化期間，有時由于亮度變化的影響而無法正確地提取壓痕區域。特別是在壓痕區域小的情況下，難以正確地提取壓痕區域。另外，在如圖14所示、所形成的壓痕K2的附近被污染的情況下，傳統的硬度測試儀難以正確地提取壓痕區域。
【發明內容】
[0005]本發明的非限制性特征提供使得能夠正確地提取壓痕區域的硬度測試儀和硬度測試方法。
[0006]鑒于上述，本發明的第一方面提供一種硬度測試儀，用于通過利用壓頭向試樣的表面施加預定測試力以形成壓痕、并且測量所述壓痕的尺寸，來測量所述試樣的硬度，所述硬度測試儀包括:壓痕形成器，用于通過使所述壓頭壓抵所述試樣的表面，在所述試樣的表面中形成所述壓痕；攝像控制器，用于控制攝像器以對所述試樣的表面進行攝像并且獲得所述試樣的表面的圖像數據；壓痕區域提取器，用于基于所述攝像控制器所獲得的所述試樣的表面的圖像數據來提取形成在所述試樣的表面中的壓痕區域，所述壓痕區域提取器包括:縮小圖像生成器，用于按從多個預定縮尺比中所選擇的縮尺比來縮小根據所述試樣的表面的圖像數據所獲得的圖像，其中所述縮小圖像生成器進一步生成縮小圖像；以及模式匹配器，用于對所述縮小圖像生成器所生成的所述縮小圖像進行模式匹配，其中所述模式匹配器進一步提取所述壓痕區域；以及硬度計算器，用于基于所述壓痕區域提取器所提取出的所述壓痕區域來計算所述試樣的硬度。
[0007]本發明的第二方面提供根據第一方面的硬度測試儀，其中，所述模式匹配器基于通過利用包括與所述壓頭相對應的壓痕形狀的模型來掃描所述縮小圖像所計算出的相關度，來提取所述壓痕區域。
[0008]本發明的第三方面提供根據第二方面的硬度測試儀，其中，所述模式匹配器通過掃描按預定順序的縮尺比縮小后的縮小圖像，來計算所述相關度。在判斷為所計算出的相關度中的最大相關度等于或大于預定閾值的情況下，所述模式匹配器提取示出所述最大相關度的區域作為所述壓痕區域。
[0009]本發明的第四方面提供根據第二方面或第三方面的硬度測試儀，其中，所述模式匹配器提取示出通過掃描按所有縮尺比縮小后的所有縮小圖像所計算出的所有相關度中的最大相關度的區域，作為所述壓痕區域。
[0010]本發明的第五方面提供根據第一方面至第四方面中任一方面的硬度測試儀，其中，還包括顯示控制器，所述顯示控制器用于將所述硬度計算器所計算出的所述試樣的硬度顯示在顯示器上。
[0011]本發明的第六方面提供一種硬度測試方法，用于利用硬度測試儀，通過利用壓頭向試樣的表面施加預定測試力以形成壓痕、并且測量所述壓痕的尺寸，來測量硬度，所述硬度測試方法包括以下步驟:通過使所述壓頭壓抵所述試樣的表面，在所述試樣的表面中形成所述壓痕；攝像控制步驟，用于控制攝像器以對所述試樣的表面進行攝像并且獲得所述試樣的表面的圖像數據；壓痕區域提取步驟，用于基于所述攝像控制步驟中所獲得的所述試樣的表面的圖像數據來提取形成在所述試樣的表面中的壓痕區域，其中所述壓痕區域提取步驟包括:縮小圖像生成步驟，用于按從多個預定縮尺比中所選擇的縮尺比來縮小根據所述試樣的表面的圖像數據所獲得的圖像，并且生成縮小圖像；以及模式匹配步驟，用于對所述縮小圖像生成步驟中所生成的所述縮小圖像進行模式匹配，并且提取所述壓痕區域；以及基于所述壓痕區域提取步驟中所提取出的所述壓痕區域來計算所述試樣的硬度。
[0012]根據本發明，無需進行二值化以提取壓痕區域，由此使得能夠在不會受到亮度變化或污染影響的情況下正確地提取壓痕區域。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]在以下的詳細說明中，通過本發明的典型實施例的非限制性示例的方式參考所述的多個附圖來進一步說明本發明，其中在附圖的幾個視圖中，相同的附圖標記表示類似的部件，其中:
[0014]圖1是根據本發明的硬度測試儀的整體結構的斜視圖；
[0015]圖2是根據本發明的硬度測試儀的硬度測試儀主體的示意圖；
[0016]圖3是根據本發明的硬度測試儀的硬度測量器的示意圖；
[0017]圖4是根據本發明的硬度測試儀的控制結構的框圖；
[0018]圖5是根據本發明的硬度測試儀的操作的流程圖；
[0019]圖6示出根據試樣表面的圖像數據所獲得的示例性圖像；
[0020]圖7是根據本發明的硬度測試儀中的壓痕區域提取的流程圖；
[0021 ] 圖8是使圖6的圖像旋轉了 45 °所得的圖；
[0022]圖9示出圖8的示例性縮小圖像；
[0023]圖10示出示例性掃描模型；
[0024]圖11示出圖9的縮小圖像周圍的沒有進行匹配的區域；
[0025]圖12示出將圖10的掃描模型分割成五個區域的示例；
[0026]圖13示出掃描模型的一列的區域；以及
[0027]圖14示出所形成的壓痕的附近被污染的示例。
【具體實施方式】
[0028]這里所示的細節是舉例，是僅用于例示性地論述本發明的實施例的目的，并且是為了提供被認為是針對本發明的原理和概念方面的最有用和最容易理解的說明而呈現的。在這方面，沒有嘗試以比本發明的基本理解所需的細節更詳細的方式示出本發明的結構細節，其中利用附圖所進行的說明使本領域技術人員顯而易見地明白在實踐中可以如何實現本發明的形式。
[0029]以下參考附圖來詳細說明本實施例的實施例。在以下的說明中，圖1中的X方向是左右方向、Y方向是前后方向、并且Z方向是上下方向。此外，X-Y面是水平面。
[0030]硬度測試儀100例如是包括平面形狀為正方形的壓頭14a(參見圖3)的維氏硬度測試儀。參見圖1?4，硬度測試儀100具有測試儀主體10、控制器6、操作器7和監視器8。
[0031]參考圖2，測試儀主體10包括:硬度測量器1，用于測量試樣S的硬度；試樣臺2，其中在該試樣臺2上放置試樣S ；XY臺3，用于使試樣臺2移動；AF臺4，用于聚焦于試樣S的表面；以及升降機構5，用于使試樣臺2 (XY臺3和AF臺4)升降。
[0032]參考圖3，硬度測量器I包括:照明裝置11，用于對試樣S的表面進行照明；(XD照相機12，用于對試樣S的表面攝像；以及轉臺16。轉臺16包括:壓頭柱14，其包含壓頭14a ；以及物鏡15。轉臺16能夠通過轉動來在壓頭柱14和物鏡15之間切換。
[0033]照明裝置11發出光以對試樣S的表面進行照明。從照明裝置11發出的光經由透鏡la、半透半反鏡Id、鏡Ie和物鏡15到達試樣S的表面。
[0034]基于從試樣S的表面經由物鏡15、鏡le、半透半反鏡IcU鏡Ig和透鏡Ih所輸入的反射光，(XD照相機12通過對試樣S的表面和利用壓頭14a形成在試樣S的表面中的壓痕進行攝像來獲得圖像數據。然后，CCD照相機12將所獲得的圖像數據經由幀捕獲器17輸出至控制器6，其中該幀捕獲器17能夠同時累積并存儲多個幀的圖像數據。因而，CCD照相機12用作本發明的攝像器。
[0035]利用響應于控制器6所輸出的控制信號而被驅動的負荷機構(圖中未不出)使壓頭柱14向著放置在試樣臺2上的試樣S移動。利用預定的測試力使設置在壓頭柱14的前端的壓頭14a壓抵試樣S的表面。在本實施例中，使用(對角為136±0.5°的)四棱錐體維氏壓頭作為壓頭14a。
[0036]物鏡15是各透鏡具有不同倍率的聚光透鏡。在轉臺16的下表面上保持有多個物鏡15。通過使轉臺16轉動來使這些物鏡15配置在試樣S的上方。由此，從照明裝置11發出的光均勻地照射試樣S的表面。
[0037]轉臺16被配置成使得能夠將壓頭柱14和多個物鏡15安裝到其下表面。轉臺16還被配置為能夠通過使轉臺16繞Z軸方向轉動來將壓頭柱14和多個物鏡15中的任一個配置在試樣S的上方。具體地，可以通過將壓頭柱14配置在試樣S的上方來在試樣S的表面中形成壓痕，同時可以通過將物鏡15配置在試樣S的上方來觀察所形成的壓痕。
[0038]將試樣S放置在試樣臺2的上表面上并且利用試樣保持件2a固定在適當位置處。利用響應于控制器6所輸出的控制信號而被驅動的驅動機構(圖中未示出)來驅動XY臺
3。然后，XY臺3使試樣臺2在與壓頭14a的移動方向(Z方向)垂直的方向(X方向和Y方向)上移動。響應于控制器6所輸出的控制信號來驅動AF臺4。然后，AF臺4基于CCD照相機12所拍攝到的圖像數據來使試樣臺2細微地升降，以聚焦于試樣S的表面。響應于控制器6所輸出的控制信號來驅動升降機構5。然后，升降機構5使試樣臺2 (XY臺3和AF臺4)在Z方向上移動以改變試樣臺2和物鏡15之間的相對距離。
[0039]操作器7具有鍵盤71和鼠標72。操作器7接收用戶在進行硬度測試時所輸入的操作。在從用戶接收到預定的輸入操作時，操作器7生成與該輸入操作相關聯的預定操作信號并且將該操作信號輸出至控制器6。具體地，操作器7接收用戶選擇用以確定壓痕的聚焦位置的條件的操作。操作器7還接收用戶指定試樣臺2 (升降機構5和AF臺4)的移動范圍(試樣臺2和物鏡15之間的相對距離的范圍)的操作。另外，操作器7接收用戶輸入在利用硬度測試儀100執行硬度測試時的測試條件值的操作。將所輸入的測試條件值發送至控制器6。這里，測試條件值例如是諸如試樣S的材料、由壓頭14a加載于試樣S的測試力(N)或物鏡15的倍率等的值。另外，操作器7接收用戶選擇手動確定壓痕的聚焦位置的手動模式或自動進行該確定的自動模式的操作。此外，操作器7接收用戶對執行硬度測試時的測試位置進行編程的操作。
[0040]監視器8例如是諸如IXD等的顯示設備。監視器8顯示操作器7上輸入的硬度測試的設置、硬度測試的結果、以及CCD照相機12所拍攝到的試樣S的表面和形成在該試樣S的表面上的壓痕的圖像等。因而，監視器8用作本發明中的顯示器。
[0041]如圖4所示，控制器6包括CPU61、RAM62和存儲器63。控制器6控制用于通過執行存儲在存儲器63中的預定程序來進行預定的硬度測試的操作。
[0042]CPU61檢索存儲器63中所存儲的處理程序，然后將該處理程序載入RAM62并執行該處理程序。CPU61如此進行硬度測試儀100的整體控制。RAM62將CPU61所執行的處理程序載入RAM62內的程序存儲區域，并且將輸入數據和該處理程序的執行期間所生成的處理結果等存儲在數據存儲區域中。存儲器63例如包括存儲有程序和數據等的記錄介質(圖中未示出)。該記錄介質包括半導體存儲器等。存儲器63存儲各種數據、各種處理程序和通過運行這些程序所處理的數據，從而使得CPU61能夠進行硬度測試儀100的整體控制。存儲器63還預先存儲用以縮小根據CCD照相機12所拍攝到的試樣S的表面的圖像數據所獲得的圖像的多個縮尺比。此外，存儲器63預先存儲用以縮小根據試樣S的表面的圖像數據所獲得的圖像的多個縮尺比的選擇順序。
[0043]以下參考圖5的流程圖來說明根據本實施例的硬度測試儀100的操作。首先，利用壓頭14a在試樣S的表面中形成壓痕(步驟S1:壓痕形成)。具體地，首先，用戶將硬度測試所用的試樣S放置在試樣臺2的上表面上并且利用試樣保持件2a將試樣S放置在適當位置處。然后，CPU61使轉臺16轉動以將壓頭柱14配置在與試樣S相對的預定位置處。CPU61驅動負荷機構(圖中未示出)，從而使壓頭柱14下降以利用壓頭柱14的前端上的壓頭14a在試樣S的表面中形成壓痕。因而，CPU61用作通過使壓頭14a壓抵試樣S的表面來在試樣S的表面中形成壓痕的壓痕形成器。
[0044]隨后，獲得試樣S的表面的圖像數據(步驟S2:攝像控制)。具體地，首先，CPU61使轉臺16轉動，以代替壓頭柱14而將物鏡15配置在與試樣S相對的預定位置處。然后，CPU61基于CXD照相機12經由物鏡12所拍攝到的圖像數據來使升降機構5和AF臺4升降，從而聚焦于試樣S的表面。CPU61使CXD照相機12對試樣S的表面攝像并且獲得試樣S的表面的圖像數據。因而，CPU61用作攝像控制器，其中該攝像控制器用于控制CXD照相機12以對試樣S的表面攝像并且獲得試樣S的表面的圖像數據。圖6示出根據步驟S2中所拍攝到的試樣S的表面的圖像數據所獲得的示例性圖像G1。在圖6中，Kl表示形成在試樣S的表面中的壓痕區域。
[0045]隨后，提取壓痕區域(步驟S3:壓痕區域提取)。具體地，CPU61基于步驟S2中所獲得的試樣S的表面的圖像數據來提取形成在試樣S的表面中的壓痕區域K1。因而，CPU61用作壓痕區域提取器，其中該壓痕區域提取器用于基于攝像控制器所獲得的試樣S的表面的圖像數據來提取形成在試樣S的表面中的壓痕區域K1。
[0046]更具體地，如圖7的流程圖所示，首先使圖像Gl旋轉45° (步驟S31)。具體地，參考圖8，CPU61使圖5的步驟S2中所獲得的圖像Gl (參考圖6)旋轉45°。
[0047]然后，判斷針對所有縮尺比是否完成了模式匹配(步驟S32)。具體地，CPU61判斷針對按存儲在存儲器63中的所有縮尺比縮小步驟S31中旋轉了 45°的圖像Gl所得的所有縮尺圖像是否完成了模式匹配(參考步驟S34)。在判斷為針對所有縮尺比完成了模式匹配的情況下(步驟S32中為“是”)，CPU61進入步驟S37。在判斷為針對至少一個縮尺比沒有完成模式匹配的情況下(步驟S32中為“否”)，CPU61進入步驟S33。
[0048]然后，生成縮小圖像(步驟S33:縮小圖像生成)。具體地，CPU61按從存儲在存儲器63內的多個縮尺比中所選擇的縮尺比來縮小步驟S31中旋轉了 45°的圖像G1，并且生成縮小圖像G2。圖9示出步驟S33中所生成的示例性縮小圖像G2。步驟S33中所生成的縮小圖像G2是按模式匹配沒有完成的縮尺比縮小后的圖像。因而，CPU61用作縮小圖像生成器，其中該縮小圖像生成器用于按從多個預定縮尺比中選擇的縮尺比來縮小根據試樣S的表面的圖像數據所獲得的圖像G1，并且生成縮小圖像G2。
[0049]隨后，進行模式匹配(步驟S34:模式匹配)。具體地，CPU61對步驟S33中所生成的縮小圖像G2進行模式匹配并且提取壓痕區域K1。因而，CPU61用作模式匹配器，其中該模式匹配器用于對縮小圖像生成器所生成的縮小圖像G2進行模式匹配并且提取壓痕區域Kl0以下參考圖10?13來說明采用歸一化相關法的模式匹配。
[0050]在本實施例中，使用圖10所示的掃描模型200來進行模式匹配。掃描模型200具有矩形形狀，并且具有包括X方向上的28個像素XY方向上的30個像素的840個像素。掃描模型200具有黑色區域201、白色區域202和灰色區域203。設置在大致中央部的黑色區域201對應于使與壓頭14a相對應的已知壓痕形狀旋轉了 45°所得的區域。白色區域202包圍黑色區域201。灰色區域203設置在左端部的中央部。灰色區域203不用于進行模式匹配。黑色區域201包括行和列各自為20個像素的400個像素。灰色區域203包括行為20個像素且列為2個像素的40個像素。白色區域202包括作為從整個區域中減去黑色區域201和灰色區域203所得的余數的400個像素。換句話說，黑色區域201和白色區域202包括相等的像素數。因而，在將黑色區域201中所包括的各像素計數-1并且將白色區域202中所包括的各像素計數I的情況下，掃描模型200中所使用的像素的總和等于O。
[0051]在本實施例中，利用掃描模型200通過光柵掃描步驟S33中所生成的縮小圖像G2(參考圖9)來進行匹配。然而，如圖11所示，在縮小圖像G2周圍沒有形成圖像的區域G3中不進行匹配。具體地，首先，如圖12所示，將掃描模型200分割成五個區域Rl?R5。將區域C分配為黑色區域201，而將其余區域A、B、D和E分配為白色區域202。可以通過表達式I來計算相關度m，其中:區域Rl~R5的亮度值的總和分別為A~E ;區域Rl~R5的亮度值的平方和分別為A2~E2 ;1 (黑色像素)或-1 (白色像素)的像素數為N ;并且A~E的總和為K。
[0052]m= (A+B+D+E - C) /sqrt (N) /sqrt (A2+B2+C2+D2+E2 -KX K/N)...(I)
[0053]在本實施例中，為了加速匹配，針對如圖13所示的每列計算以下的六個表達式2~7，其中:從上端部起的四行的區域的亮度值的總和為U ;從下端部起的四行的區域的亮度值的總和為DN ;并且中間的20行的區域的亮度值的總和為Med。在表達式2~7中，“st”表示行開始編號，“st_r”表示列開始編號；并且“I[x] [y]”表示坐標(x，y)的亮度值。
[0054]公式I
【權利要求】
1.一種硬度測試儀，用于通過利用壓頭向試樣的表面施加預定測試力以形成壓痕、并且測量所述壓痕的尺寸，來測量所述試樣的硬度，所述硬度測試儀包括: 壓痕形成器，用于通過使所述壓頭壓抵所述試樣的表面，在所述試樣的表面中形成所述壓痕； 攝像控制器，用于控制攝像器以對所述試樣的表面進行攝像并且獲得所述試樣的表面的圖像數據； 壓痕區域提取器，用于基于所述攝像控制器所獲得的所述試樣的表面的圖像數據來提取形成在所述試樣的表面中的壓痕區域，所述壓痕區域提取器包括: 縮小圖像生成器，用于按從多個預定縮尺比中所選擇的縮尺比來縮小根據所述試樣的表面的圖像數據所獲得的圖像，其中所述縮小圖像生成器進一步生成縮小圖像；以及 模式匹配器，用于對所述縮小圖像生成器所生成的所述縮小圖像進行模式匹配，其中所述模式匹配器進一步提取所述壓痕區域；以及 硬度計算器，用于基于所述壓痕區域提取器所提取出的所述壓痕區域來計算所述試樣的硬度。
2.根據權利要求1所述的硬度測試儀，其中，所述模式匹配器進一步基于通過利用包括與所述壓頭相對應的壓痕形狀的模型來掃描所述縮小圖像所計算出的相關度，來提取所述壓痕區域。
3.根據權利要求2所述的硬度測試儀，其中，所述模式匹配器進一步進行以下操作: 通過掃描按預定順序的縮尺比縮小后的縮小圖像，來計算所述相關度；以及 在判斷為所計算出的相關度中的最大相關度等于或大于預定閾值的情況下，提取示出所述最大相關度的區域作為所述壓痕區域。
4.根據權利要求2所述的硬度測試儀，其中，所述模式匹配器進一步提取示出通過掃描按所有縮尺比縮小后的所有縮小圖像所計算出的所有相關度中的最大相關度的區域，作為所述壓痕區域。
5.根據權利要求3所述的硬度測試儀，其中，所述模式匹配器進一步提取示出通過掃描按所有縮尺比縮小后的所有縮小圖像所計算出的所有相關度中的最大相關度的區域，作為所述壓痕區域。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的硬度測試儀，其中，還包括顯示控制器，所述顯示控制器用于將所述硬度計算器所計算出的所述試樣的硬度顯示在顯示器上。
7.一種硬度測試方法，用于利用硬度測試儀，通過利用壓頭向試樣的表面施加預定測試力以形成壓痕、并且測量所述壓痕的尺寸，來測量硬度，所述硬度測試方法包括以下步驟: 通過使所述壓頭壓抵所述試樣的表面，在所述試樣的表面中形成所述壓痕； 攝像控制步驟，用于控制攝像器以對所述試樣的表面進行攝像并且獲得所述試樣的表面的圖像數據； 壓痕區域提取步驟，用于基于所述攝像控制步驟中所獲得的所述試樣的表面的圖像數據來提取形成在所述試樣的表面中的壓痕區域，其中所述壓痕區域提取步驟包括: 縮小圖像生成步驟，用于按從多個預定縮尺比中所選擇的縮尺比來縮小根據所述試樣的表面的圖像數據所獲得的圖像，并且生成縮小圖像；以及模式匹配步驟，用于對所述縮小圖像生成步驟中所生成的所述縮小圖像進行模式匹配，并且提取所述壓痕區域；以及 基于所述壓痕區域提 取步驟中所提取出的所述壓痕區域來計算所述試樣的硬度。
【文檔編號】G01N3/42GK104075954SQ201410124268
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年3月28日 優先權日:2013年3月28日
【發明者】宮倉常太 申請人:株式會社三豐