JP2005017805A - 画像測定装置のフォーカス検出方法、フォーカス検出機構、およびこのフォーカス検出機構を備えた画像測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高速かつ高精度にフォーカス検出を実行できる画像測定装置のフォーカス検出方法、フォーカス検出機構、およびこのフォーカス検出機構を備えた画像測定装置を提供すること。
【解決手段】被測定物Wに格子パターンを投影する格子フィルタ26を回転駆動する回転駆動手段40と、撮像手段30および被測定物Wの間隔距離を調節する距離駆動手段50とを連動させて、所定回転角度ごとの格子パターンを投影した被測定物Wを多重露光により撮像手段30で撮像し、撮像した画像情報中の格子パターンのコントラスト値からフォーカス位置を算出する。従って、複数の距離位置で複数の画像を撮像する必要や複数の画像を画像処理する必要がないため、撮像や画像処理に掛かる時間を短縮でき、フォーカス検出を高速化できる。また、周波数領域情報に基づいてコントラスト値を算出するので、フォーカス検出を高精度化できる。
【選択図】 図1
【解決手段】被測定物Wに格子パターンを投影する格子フィルタ26を回転駆動する回転駆動手段40と、撮像手段30および被測定物Wの間隔距離を調節する距離駆動手段50とを連動させて、所定回転角度ごとの格子パターンを投影した被測定物Wを多重露光により撮像手段30で撮像し、撮像した画像情報中の格子パターンのコントラスト値からフォーカス位置を算出する。従って、複数の距離位置で複数の画像を撮像する必要や複数の画像を画像処理する必要がないため、撮像や画像処理に掛かる時間を短縮でき、フォーカス検出を高速化できる。また、周波数領域情報に基づいてコントラスト値を算出するので、フォーカス検出を高精度化できる。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像測定装置のフォーカス検出方法、フォーカス検出機構、およびこのフォーカス検出機構を備えた画像測定装置に関する。例えば、被測定物と交差する光軸上に設けられ被測定物を撮像する撮像手段を有し、撮像した画像から被測定物の形状等を測定する画像測定装置において、被測定物に対する撮像手段のフォーカス位置を検出するフォーカス検出方法、フォーカス検出機構、およびこれを備えた画像測定装置に関する。
【0002】
【背景技術】
被測定物(ワーク)を撮像する撮像手段を備え、この撮像手段で撮像した画像を適宜画像処理して、ワークの形状、寸法等を測定する画像測定装置(非接触測定装置)において、ワークから撮像手段までの光学的距離を調整する合焦(フォーカス検出)方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1に記載された画像測定装置は、ワークを撮像してその画像データを出力する撮像手段としてのCCDカメラと、CCDカメラとワークとの光学的距離を調整する合焦調整手段と、ワークを1ライン分だけ撮像するラインセンサと、このラインセンサで撮像された画像からコントラストを演算するコントラスト演算手段(回路)とを備えている。ラインセンサは、ワークとの光学的距離が、CCDカメラとワークとの光学的距離に等しくなる位置に設けられている。
【0003】
特許文献1に記載されたフォーカス検出方法では、合焦調整手段でワークとCCDカメラおよびラインセンサとの光学的距離を調整しながら、複数の距離位置においてラインセンサで撮像した画像からコントラストを求め、コントラストが最大となる位置をフォーカス位置として検出するようになっている。そして、検出したフォーカス位置に基づいて、CCDカメラとワークとの光学的距離を合焦調整手段で調整することで、CCDカメラで撮像する画像の焦点を合わせることができるように構成されている。
【0004】
【特許文献1】
特開平8−226805号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1の画像測定装置では、フォーカス検出において、複数の距離位置においてラインセンサで撮像した複数の画像に基づいて、フォーカス位置を検出するので、撮像する画像が1ライン分とはいえ、各々の画像を撮像するための時間、およびコントラスト演算手段で画像処理するための時間が掛かってしまい、高速にフォーカス検出できないという問題がある。
さらに、ラインセンサで撮像可能な1ライン分の画像に基づいて、フォーカス検出を実行するため、CCDカメラの撮像範囲全体の中で、焦点を合わせたい領域を任意に選択することができず、表面に凹凸を有するワークなどの場合には、フォーカスの精度を高めることができないという問題がある。
【0006】
本発明の目的は、高速かつ高精度にフォーカス検出を実行できる画像測定装置のフォーカス検出方法、フォーカス検出機構、およびこのフォーカス検出機構を備えた画像測定装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載のフォーカス検出方法は、被測定物と交差する光軸上に設けられ当該被測定物を撮像する撮像手段を有し、撮像した画像から前記被測定物を測定する画像測定装置のフォーカス検出方法であって、前記画像測定装置は、前記被測定物に向かって照明光を照射する発光光源を有した照明装置と、この照明装置と前記被測定物との間に設けられ、前記発光光源からの照明光を遮って当該被測定物に格子パターンを投影する格子フィルタと、この格子フィルタを回転駆動して前記被測定物に投影される格子パターンの格子角度を変更する回転駆動手段と、前記撮像手段および前記被測定物の少なくとも一方を駆動し、前記光軸に沿った互いの間隔距離を調節する距離駆動手段とを有し、前記距離駆動手段および回転駆動手段を連動させて駆動して、所定回転角度ごとに前記格子フィルタの格子パターンを前記被測定物に投影するとともに、前記撮像手段にて、前記所定回転角度に応じた所定間隔距離ごとの前記被測定物を多重露光により撮像し、画像情報を取得する画像入力工程と、取得した画像情報を周波数領域へ変換した周波数領域情報に基づいて、前記所定回転角度ごとのコントラスト値を算出するコントラスト値算出工程と、前記コントラスト値が最大となる回転角度に応じた前記撮像手段および前記被測定物の間隔距離から、フォーカス位置を算出するフォーカス位置算出工程とを備えたことを特徴とする。
【0008】
ここで、撮像手段としては、撮像管や撮像素子等の光学像を電気信号に変換する撮像部と、この撮像部に被測定物の像を結像させる撮像光学系とを備えたカメラが採用できる。そして、距離駆動手段にて撮像手段を駆動する際には、カメラやカメラが設けられた筐体等を駆動してもよく、また、撮像光学系のレンズ等を駆動してもよい。
【0009】
このような構成によれば、撮像手段で撮像する画像情報は、多重露光により撮像されるので、距離駆動手段による撮像手段および被測定物の間隔距離について、複数位置で撮像された情報が含まれているため、複数の距離位置で複数の画像を撮像する必要がなく、画像情報を撮像するための時間を短縮できる。さらに、複数の画像を画像処理する必要もないため、画像処理に掛かる時間も短縮でき、フォーカス検出を高速に実行することができる。
また、コントラスト値算出工程において、取得した画像情報自体ではなく、画像情報を周波数領域へ変換した周波数領域情報に基づいて、コントラスト値を算出するので、被測定物表面の形状や模様等の影響を受けずに、フォーカス検出を精度よく実行することができる。すなわち、例えば表面が縞模様を有する被測定物の場合、その縞模様と格子フィルタによる格子パターンとが、格子フィルタの回転角度によっては干渉して、画像情報中のコントラストが大きく変化してしまうことがある。しかし、画像情報を周波数領域に変換することで、このような干渉によるコントラスト変化の影響を取り除き、撮像手段および被測定物の間隔距離に対応した格子パターンのコントラスト値を正確に算出することができる。
【0010】
そして、距離駆動手段および回転駆動手段が連動して駆動されるので、撮像手段および被測定物の間隔距離に応じて、撮像した画像情報に含まれる格子パターンのコントラストが変化し、フォーカス位置に近い位置で撮像された格子パターンのコントラストが高くなる。これにより、多重露光により画像情報が取得され、複数の回転角度位置の格子パターンが撮像されていても、その画像情報から、高いコントラストの回転角度位置を算出することで、フォーカス位置を高精度に検出することができる。
さらに、多重露光により撮像する際に投影される格子パターンの格子角度を細かくする、すなわち回転駆動手段を制御して、所定回転角度を小さくすることが容易に実行できるので、回転角度に応じて求められるフォーカス位置の検出精度を向上させることができる。
【0011】
また、被測定物を撮像する画像測定用の撮像手段により、フォーカス検出用の画像情報を取得し、この画像情報に基づいてフォーカス位置を算出することができるので、従来の画像測定装置と比較して、装置を簡単な構造にし、かつ小型化することができる。すなわち、特許文献1の画像測定装置では、フォーカス検出を実行するためにラインセンサ等を必要とするため、装置の構造が複雑になるとともに、大型化してしまうという問題があったが、本発明によれば、撮像手段が画像測定およびフォーカス検出の両方に利用可能なので、装置構造の簡素化および小型化を図ることができる。
【0012】
請求項2に記載のフォーカス検出方法は、請求項1に記載の画像測定装置のフォーカス検出方法において、前記コントラスト値算出工程は、前記画像入力工程において取得した画像情報を周波数領域へ変換して周波数領域情報を算出する周波数変換工程と、変換した周波数領域情報に、予め求めた前記格子フィルタの前記所定回転角度ごとの格子パターンに関する周波数フィルタを重ね合わせて、前記所定回転角度ごとの積画像を生成する積画像生成工程と、生成した前記所定回転角度ごとの積画像の各々について、当該積画像を構成する画素ごとのパワーを積算するパワー積算工程とを備えたことを特徴とする。
【0013】
ここで、周波数変換工程にて周波数領域情報を算出する方法としては、二次元フーリエ変換(二次元FFT)や、ウィノグラード変換、カルーネン・レーベ変換、離散コサイン変換(DCT)等の直交変換手法が採用でき、また、これら以外にも、画像情報を周波数成分に変換する直交変換手法であれば採用可能である。
また、予め求めておく格子フィルタの所定回転角度ごとの格子パターンに関する周波数フィルタとしては、被測定物を含まない格子パターンのみを撮像した画像情報から直交変換により算出した、格子パターンの周波数領域情報が利用できる。さらに、計算機等を用いたシミュレーションによって作成した格子パターンの画像情報を周波数変換した周波数フィルタを利用してもよい。
【0014】
このような構成によれば、周波数変換工程によって取得した画像情報を周波数領域情報に変換することで、所定回転角度ごとのコントラスト値を算出する処理を高速に実行できる。この際、周波数領域情報に変換する画像情報として、フォーカス検出を実行する範囲の画像情報のみを周波数領域へ変換するようにすれば、撮像手段による撮像範囲全体の中で、焦点を合わせたい範囲を選択することができるので、ワークの表面形状によらず、フォーカス検出の精度を向上させることができる。さらに、焦点を合わせたい範囲のみについて、周波数変換工程、積画像生成工程、パワー積算工程、フォーカス位置算出工程を実行すればよいので、これらの処理に掛かる情報量を低減して、処理を高速化することができる。
【0015】
請求項3に記載のフォーカス検出方法は、請求項2に記載の画像測定装置のフォーカス検出方法において、前記周波数変換工程にて算出される前記周波数領域情報は、二次元フーリエ変換により算出されることを特徴とする。
【0016】
このような構成によれば、二次元データである画像情報を直交変換して周波数領域情報を算出する手法として、二次元フーリエ変換(二次元FFT)を採用することで、周波数変換工程における処理を高速に実行することができる。
【0017】
請求項4に記載のフォーカス検出方法は、請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の画像測定装置のフォーカス検出方法において、前記画像入力工程にて取得される前記画像情報は、1つであることを特徴とする。
【0018】
このような構成によれば、撮像手段で撮像する1つの画像情報の中に、多重露光により複数位置で撮像された情報が含まれるため、画像情報を撮像するための時間をさらに短縮することができる。さらに、画像処理を実行する画像情報も1つでよいため、画像処理に掛かる時間も短縮でき、フォーカス検出をより高速に実行することができる。
【0019】
請求項5に記載のフォーカス検出方法は、請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の画像測定装置のフォーカス検出方法において、前記画像入力工程にて取得される前記画像情報は、2つ以上であることを特徴とする。
【0020】
このような構成によれば、多重露光により複数位置で撮像された画像情報を2つ以上の複数個取得することで、撮像手段と被測定物との距離範囲(フォーカス検出範囲)を拡大することができる。すなわち、格子フィルタを0度から180度まで回転させると0度の場合と同一の格子パターンが投影される(1サイクル=180度である)ため、1サイクルごとに画像情報を撮像し、その画像情報を複数取得することによって、1つの画像情報中に含まれる格子パターン同士の角度が重ならず、画像情報の数に応じたフォーカス検出範囲についてフォーカス検出を確実に実行できる。
また、フォーカス検出範囲を拡大するのみならず、距離駆動手段の駆動速度を格子フィルタの回転速度に対して相対的に遅く(フォーカス検出ピッチを細かく)することで、フォーカス検出の精度を向上させることができる。この際、距離駆動手段の駆動速度を遅くしても、複数の画像情報を撮像することで、フォーカス検出範囲を短縮することなく、所定の距離範囲についてフォーカス検出を実行することができる。
【0021】
請求項6に記載のフォーカス検出機構は、被測定物と交差する光軸上に設けられ当該被測定物を撮像する撮像手段と、前記被測定物に向かって照明光を照射する発光光源を有した照明装置と、この照明装置と前記被測定物との間に設けられ、前記発光光源からの照明光を遮って当該被測定物に格子パターンを投影する格子フィルタと、この格子フィルタを回転駆動して前記被測定物に投影される格子パターンの格子角度を変更する回転駆動手段と、前記撮像手段および前記被測定物の少なくとも一方を駆動し、前記光軸に沿った互いの間隔距離を調節する距離駆動手段と、前記距離駆動手段および回転駆動手段を連動させて駆動して、所定回転角度ごとに前記格子フィルタの格子パターンを前記被測定物に投影するとともに、前記所定回転角度に応じた所定間隔距離ごとの前記被測定物を前記撮像手段にて多重露光により撮像し、撮像した画像情報を周波数領域へ変換した周波数領域情報に基づいて前記所定回転角度ごとのコントラスト値を算出し、このコントラスト値が最大となる回転角度に応じた前記撮像手段および前記被測定物の間隔距離から、フォーカス位置を算出するフォーカス位置算出手段とを備えたことを特徴とする。
【0022】
このような構成によれば、請求項1に記載の発明と同様の作用効果を奏することができる。
すなわち、フォーカス検出を高速、かつ高精度に実行することができる。また、従来の画像測定装置と比較して、装置を簡単な構造にし、かつ小型化することができる。
【0023】
請求項7に記載のフォーカス検出機構は、請求項6に記載のフォーカス検出機構において、前記フォーカス位置算出手段は、前記取得した画像情報を周波数領域へ変換して周波数領域情報を算出し、この周波数領域情報に、予め求めた前記格子フィルタの前記所定回転角度ごとの格子パターンに関する周波数フィルタを重ね合わせて、前記所定回転角度ごとの積画像を生成し、これらの積画像の各々について、当該積画像を構成する画素ごとのパワーを積算して前記コントラスト値を算出することを特徴とする。
【0024】
このような構成によれば、請求項2に記載の発明と同様に、所定回転角度ごとのコントラスト値を算出する処理を高速に実行できる。
【0025】
請求項8に記載のフォーカス検出機構は、請求項6または請求項7に記載のフォーカス検出機構において、前記撮像手段の撮像動作は、前記照明装置、距離駆動手段、および回転駆動手段と連動して制御されることを特徴とする。
【0026】
このような構成によれば、照明装置、距離駆動手段、および回転駆動手段に連動させて、撮像手段の撮像動作を制御することで、画像情報の取得を効率よく実施することができる。
【0027】
請求項9に記載のフォーカス検出機構は、請求項6ないし請求項8のいずれかに記載のフォーカス検出機構において、前記照明装置は、前記格子フィルタの前記所定回転角度に対応した時間間隔でフラッシュ状に点灯制御されることを特徴とする。
【0028】
このような構成によれば、照明装置を格子フィルタの回転角度に対応した時間間隔でフラッシュ状に点灯することで、多重露光により取得される画像情報中の所定角度ごとの格子パターンを、ぶれることなく鮮明に撮像することができる。すなわち、回転駆動手段により回転する格子フィルタが投影された格子パターンを連続的に撮像すると、格子パターンの画像がぶれてしまい、所定角度ごとに投影された格子パターンの画像が得られない。このため、フラッシュ状に点灯した照明装置の点灯時のみ格子パターンが投影されるようにすることで、所定角度ごとの格子パターンを撮像することができる。
【0029】
請求項10に記載のフォーカス検出機構は、被測定物と交差する光軸上に設けられ当該被測定物を撮像する撮像手段と、この撮像手段と前記被測定物の間に設けられ、当該被測定物からの反射光を周波数変換するフーリエ変換レンズと、前記被測定物に向かって照明光を照射する発光光源を有した照明装置と、この照明装置と前記被測定物との間に設けられ、前記発光光源からの照明光を遮って当該被測定物に格子パターンを投影する格子フィルタと、この格子フィルタを回転駆動して前記被測定物に投影される格子パターンの格子角度を変更する回転駆動手段と、前記撮像手段および前記被測定物の少なくとも一方を駆動し、前記光軸に沿った互いの間隔距離を調節する距離駆動手段と、前記距離駆動手段および回転駆動手段を連動させて駆動して、所定回転角度ごとに前記格子フィルタの格子パターンを前記被測定物に投影するとともに、前記所定回転角度に応じた所定間隔距離ごとの前記被測定物を、前記フーリエ変換レンズを介した前記撮像手段にて多重露光により撮像し、撮像したフーリエ変換画像情報に基づいて前記所定回転角度ごとのコントラスト値を算出し、このコントラスト値が最大となる回転角度に応じた前記撮像手段および前記被測定物の間隔距離から、フォーカス位置を算出するフォーカス位置算出手段とを備えたことを特徴とする。
【0030】
このような構成によれば、請求項6に記載の発明と同様の作用効果を奏することができる。
すなわち、フォーカス検出を高速、かつ高精度に実行することができる。さらに、フーリエ変換レンズを採用したことで、フーリエ変換レンズを通過した被測定物の反射光がフーリエ変換画像情報として撮像手段で撮像されるので、専用の演算回路や計算機等を用いた周波数変換演算を実行しなくてもよく、演算に掛かる時間を短縮して、フォーカス検出をより高速に実行することができる。
【0031】
請求項11に記載の画像測定装置は、前記したいずれかのフォーカス検出機構を備え、前記フォーカス検出機構を構成するフォーカス位置算出手段は、記憶手段および演算手段を有したコンピュータで実行されることを特徴とする。
【0032】
このような構成によれば、請求項6ないし請求項10に記載の発明と同様の作用効果を奏することができる。
さらに、フォーカス位置算出手段が、コンピュータで実行されることで、取得された画像情報から瞬時にフォーカス位置を算出することができ、フォーカス検出にかかる作業効率を向上させることができる。この際、コンピュータの記憶手段に周波数領域情報の算出手順や、予め求めた格子パターンの周波数フィルタ、積画像の生成手順、コントラスト値の算出手順、フォーカス位置の算出手順等を、プログラムまたはデータとして記憶しておき、演算手段でプログラム等を読み出して実行することで、フォーカス検出にかかる処理をさらに効率的に実施できる。
【0033】
請求項12に記載の画像測定装置は、請求項11に記載の画像測定装置において、前記フォーカス検出機構を構成する照明装置、距離駆動手段、および回転駆動手段の動作は、前記コンピュータで制御されることを特徴とする。
【0034】
このような構成によれば、照明装置、距離駆動手段、および回転駆動手段の動作をコンピュータで制御することで、これらの各装置および手段を連動させて、確実に動作させることができ、フォーカス検出の精度を確保することができる。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るフォーカス検出機構、およびフォーカス検出機構を備えた画像測定装置の好適な実施形態を挙げ、図面に基づいて詳しく説明する。なお、以下の説明にあたって、同一構成要件については、同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
図1ないし図9には、本発明の第1実施形態に係る画像測定装置1が示され、図10には、第2実施形態に係る画像測定装置の一部が示されている。
【0036】
〔第1実施形態〕
図1は、第1実施形態に係る画像測定装置1の概略構成を示す図である。図2は、画像測定装置1の構成を示すブロック図である。
図1において、画像測定装置1は、被測定物としてのワークWに照明光を照射して、ワークWからの反射光を撮像する装置本体部10と、この装置本体部10で撮像されたワークWの画像を処理するとともに、画像装置本体部10の動作を制御する装置制御部60とを備えて構成されている。これらの装置本体部10と装置制御部60とは、ケーブル2で接続されている。
【0037】
装置本体部10は、中空箱状の筐体11と、ワークWを載置するステージ12と、ステージ12上面と直交して上下に延びる光軸Aを囲んで設けられたリング照明装置13とを備えている。そして、筐体11内部には、ワークWの直上から照明光を照射する照明装置20と、ワークWからの反射光を受光し撮像する撮像手段30とが設けられている。筐体11のステージ12と対向する底面には、光軸Aを中心とした開口が設けられており、この開口を通してワークWからの反射光が撮像手段30に到達可能になっている。また、筐体11およびステージ12は、光軸Aと交差する平面二方向(X、Y方向)に移動操作可能に構成されており、適宜ワークWの測定部位の調整ができるようになっている。
【0038】
リング照明装置13は、光軸Aに対して斜め方向からリング状光束の照明光をワークWに照射するもので、光軸Aを中心とする中空リング状の筐体14と、筐体14内に配された発光光源としての白色発光ダイオード(LED)15とを備えている。LED15は、光軸Aを囲んでリング状に複数設けられており、平面視で四方向に分割され、フロント部、バック部、レフト部、およびライト部に分けられている。そして、この分割されたフロント部、バック部、レフト部、およびライト部は、それぞれ独立に照明光の強度が制御されるようになっている。
【0039】
照明装置20は、発光光源としてのキセノンフラッシュランプ21と、キセノンフラッシュランプ21から拡散する照明光を集光するレンズ22,23と、照明光を光軸Aに向かって反射する反射ミラー24とを備えている。そして、光軸A上には、反射ミラー24で反射された照明光をワークWに向かって反射するハーフミラー25が設けられており、キセノンフラッシュランプ21から照射された照明光は、光軸Aに沿って直上からワークWに照射されるようになっている。また、ワークWで反射された反射光は、撮像手段30に向かってハーフミラー25を透過できるようになっている。キセノンフラッシュランプ21は、ケーブル2を介して装置制御部60に設けられた照明制御装置71に接続されている。
【0040】
照明装置20のレンズ22,23間、すなわちキセノンフラッシュランプ21からワークWに向かって照射される照明光を遮る位置には、ワークWに格子パターンを投影する格子フィルタ26が設けられている。この格子フィルタ26は、互いに平行に形成され、キセノンフラッシュランプ21の照明光を透過可能な複数のスリット26A(図5)を有しており、これらのスリット26Aを通過した照明光によりワークWに格子パターン26B(図5)が投影されるようになっている。そして、格子フィルタ26は、回転駆動手段40により回転駆動可能に構成されている。回転駆動手段40は、駆動モータ41を備えており、この駆動モータ41は、ケーブル2を介して装置制御部60に設けられたモータ制御装置72に接続されている。
【0041】
撮像手段30は、光軸Aに沿って配置されワークWからの反射光を集光する集光レンズ31,32と、集光レンズ31,32からの光を受光する電荷結合素子33を有するCCDカメラ34とを備えて構成されている。
CCDカメラ34は、ワークWからの反射光を電荷結合素子33で受光し、ワークWの画像を撮像する。撮像された画像は、有限個の画素から構成された画像データであり、例えば画像サイズは512×512画素である。各画素は例えば8ビットのデータであり、この8ビットのデータは、受光した光の強度を0〜255の256階調に区分した濃淡値(受光強度値)で示す。また、CCDカメラ34は、1秒間に数十フレーム例えば30フレーム(30fps )の画像を連続的に取得することができるようになっている。そして、CCDカメラ34からの画像データは、ケーブル2を介して装置制御部60に設けられたカメラ制御部としてのフレームグラバ74に出力される。
【0042】
撮像手段30とワークWとの間隔距離(フォーカス距離)は、筐体11を光軸Aに沿った方向(Z方向)に駆動する距離駆動手段としての50により調整可能に構成されている。距離駆動手段50は、ステージ12側に設けられ光軸Aに平行に延びるガイドレール51と、このガイドレール51に沿って駆動され筐体11に取り付けられた駆動部52とを備えている。そして、駆動部52は、ケーブル2を介して装置制御部60に設けられたフォーカス制御装置73に接続されている。なお、これらのガイドレール51および駆動部52は、ラックおよびピニオンやウォームギア等から構成でき、その際、駆動部52がサーボモータ等を有していればよい。また、ガイドレール51および駆動部52がリニアモータ等から構成されていてもよい。
【0043】
装置制御部60は、CCDカメラ34からの画像データを受け取って画像処理し、出力表示するコンピュータ61と、このコンピュータ61に接続された照明制御装置71、モータ制御装置72、およびフォーカス制御装置73と、コンピュータ61に一体に設けられたフレームグラバ74とを備えて構成されている。照明制御装置71は、コンピュータ61からの指令を受け、照明装置20に印加する印加電流を制御することで、照明装置20の点灯を制御する。モータ制御装置72は、コンピュータ61からの指令を受け、回転駆動手段40の駆動モータ41に印加する印加電流を制御することで、駆動モータ41の駆動を制御し、格子フィルタ26の回転駆動を制御する。フォーカス制御装置73は、コンピュータ61からの指令を受け、距離駆動手段50の駆動部52に印加する印加電流を制御することで、駆動部52の駆動を制御し、筐体11の光軸Aに沿った移動を制御する。フレームグラバ74は、コンピュータ61からの指令を受け、撮像手段30に外部トリガ信号(パルス)を送信してCCDカメラ34の露光を制御する。
なお、照明制御装置71、モータ制御装置72、およびフォーカス制御装置73は、コンピュータ61と一体に設けられていてもよく、また、カメラ制御手段は、コンピュータ61と別体に設けられていてもよい。
【0044】
図2において、コンピュータ61は、画像測定に関する各種のパラメータ(指示値)を設定入力する入力手段62と、各種のプログラムやデータを記憶し格納する記憶手段としてのメモリ63と、CCDカメラ34からの画像データを処理する画像処理手段としての画像処理部64と、画像処理部64での処理結果を出力表示する表示手段としての表示部(CRT)65とを備えている。そして、コンピュータ61は、装置制御部60全体を制御する演算手段としてのCPU(中央制御装置)66を備え、CPU66と、入力手段62、メモリ63、画像処理部64、CRT65とは、バスを介して接続されている。
【0045】
また、照明制御装置71、モータ制御装置72、フォーカス制御装置73、およびフレームグラバ74は、図2に示すように、照明制御部(照明制御装置)71、モータ制御部(モータ制御装置)72、フォーカス制御部(フォーカス制御装置)73、およびカメラ制御部(フレームグラバ)74として、それぞれコンピュータ61に実装された機能の一部として組み込むことができる。さらに、照明制御部71、モータ制御部72、フォーカス制御部73、およびカメラ制御部74を、プログラミングされたソフトウェアとしてメモリ63に記憶させ、CPU66にて演算処理することで、照明装置20や、回転駆動手段40、距離駆動手段50、および撮像手段30を制御するように構成してもよい。
【0046】
入力手段62は、外部に臨んで設けられ手動操作可能に設けられたレバーあるいはボタン等で構成されている。入力手段62では、照明装置20や、回転駆動手段40、距離駆動手段50、および撮像手段30を制御するための指示値が入力される。そして、入力手段62で設定入力された指示値はバスを介してCPU66に送られる。
CPU66は、入力手段62から送られた指示値に基づいて、照明制御部71、モータ制御部72、フォーカス制御部73、およびカメラ制御部74に指令して、照明装置20や、回転駆動手段40、距離駆動手段50、および撮像手段30を制御する。さらに、CPU66は、メモリ63に記憶されたプログラム(例えば、コントラスト値算出プログラム、フォーカス位置算出プログラム等)を読み出し、これらのプログラムを実行することによって、撮像手段30のワークWに対するフォーカス距離を検出する。
画像処理部64は、撮像手段30で撮像された画像データを処理してエッジ検出等を行い、ワークWの形状、寸法、色等を演算処理にて求める。
CRT65は、画像処理部64で求められた画像測定結果を表示する。
【0047】
次に、画像測定装置1における画像測定方法について、図3ないし図9に基づいて説明する。図3および図4は、画像測定装置1における画像測定方法を示すフローチャート、およびフォーカス検出における画像入力工程を示すフローチャートである。
【0048】
図3において、先ず、入力手段62から指示値を入力する(ST1)。この指示値としては、照明装置20や、回転駆動手段40、距離駆動手段50、および撮像手段30を制御するための指示値や、画像測定の実行範囲やフォーカス検出範囲を設定するための指示値等がある。
指示値が入力されると、CPU66は、照明制御部71、モータ制御部72、フォーカス制御部73、およびカメラ制御部74に指令して、照明装置20や、回転駆動手段40、距離駆動手段50、および撮像手段30を初期化する(ST2)。
次に、CPU66は、照明制御部71、モータ制御部72、フォーカス制御部73、およびカメラ制御部74に指令して、照明装置20や、回転駆動手段40、距離駆動手段50、および撮像手段30を制御して、画像情報P1(図7(A))を取得する(ST3)。
【0049】
画像入力工程ST3では、図4に示すように、照明装置20や、回転駆動手段40、距離駆動手段50、および撮像手段30を連動させて、多重露光により撮像された画像情報P1が取得される。
すなわち、ST31において、回転駆動手段40の駆動モータ41を駆動して格子フィルタ26を回転させるとともに、距離駆動手段50の駆動部52を駆動して筐体11および撮像手段30をワークWから離れる方向(または、近づく方向)に移動開始させる。これに続いて、撮像手段30のCCDカメラ34の露光を開始する(ST32)。
そして、格子フィルタ26の回転角度に応じて、所定の回転角度ごとに照明装置20のキセノンフラッシュランプ21をフラッシュ点灯させる(ST33)。このキセノンフラッシュランプ21をフラッシュ点灯を指示値に応じた回数(多重露光回数)だけ繰り返す(ST34)。その後、CCDカメラ34の露光を終了する(ST35)とともに、回転駆動手段40の駆動モータ41を停止して格子フィルタ26の回転を停止させ、距離駆動手段50の駆動部52を停止して筐体11および撮像手段30の移動を停止させる(ST36)。
【0050】
以上のST31〜ST36により取得される画像情報について、図5〜図7に基づいて説明する。図5および図6は、フォーカス検出における格子フィルタ26および格子パターン26Bが投影されたワークWを模式的に示す図である。図7(A),(B)は、フォーカス検出における多重露光により取得された画像情報P1、およびフォーカス検出範囲の画像情報P2を模式的に示す図である。
【0051】
格子フィルタ26のスリット26Aを通過したキセノンフラッシュランプ21の照明光は、図5、6に示すように、格子フィルタ26の回転角度に応じた格子パターン26BとしてワークWに投影される。なお、図6(A)〜(D)には、所定回転角度として30度ごとに投影された格子パターン26Bが示されている。そして、これらの格子パターン26Bが投影されたワークWを多重露光によって撮像したことにより、図7(A)に示すように、1つの画像情報P1中に、複数角度の格子パターン26Bが重なって撮像されている。また、図7(B)には、取得された画像情報P1のうち、フォーカス検出を実行する範囲の画像情報P2が拡大されて示されている。
なお、格子パターン26Bを投影する所定回転角度は、入力手段62から入力する指示値によって設定可能であり、例えば、0度から90度までを9分割した10度とすることができる。所定回転角度を10度とした場合には、0度から90度までの10通りの格子パターン26BがワークWに投影され、これらの格子パターン26Bが多重露光された画像情報P1が取得されることとなる。
また、距離駆動手段50を駆動する速度は、入力手段62から入力する指示値によって設定可能であり、例えば、格子フィルタ26を10度回転させるごとに、0.5mmずつ移動するように設定することができる。
【0052】
次に、再び図3を参照して、画像入力工程ST3で取得された画像情報P1のうち、フォーカス検出を実行する範囲の画像情報P2に関して、格子フィルタ26の所定回転角度ごとのコントラスト値を算出する(ST4)。このコントラスト値算出工程ST4は、周波数変換工程ST41と、積画像生成工程ST42と、パワー積算工程ST43とを備えている。周波数変換工程ST41、および積画像生成工程ST42では、図8(A),(B)に模式的に示す、画像情報P2を周波数領域に変換した周波数領域情報F1、および周波数領域情報F1に周波数フィルタを重ね合わせて生成した積画像F2が得られる。
【0053】
すなわち、周波数変換工程ST41において、画像情報P2を構成する画素の濃淡値を、二次元フーリエ変換により周波数領域へ変換して、周波数領域情報F1が算出される。また、積画像生成工程ST42において、周波数領域情報F1に、所定回転角度ごとの格子パターン26Bに関する周波数フィルタを重ね合わせ(掛け合わせ)て、所定回転角度ごとの積画像F2が生成される。ここで、格子パターン26Bに関する周波数フィルタは、予めワークWが載置されない状態で投影した格子パターン26Bを、格子フィルタ26の所定回転角度ごとに撮像し、この撮像したデータを周波数変換したものである。このような周波数フィルタは、所定回転角度ごとの格子パターン26Bに対応して予め用意され、メモリ63に記憶されている。
なお、周波数フィルタは、実際に撮像した格子パターン26Bに基づくものに限らず、計算機等を用いたシミュレーションによって作成した格子パターンの画像情報から周波数変換したものであってもよい。
【0054】
そして、パワー積算工程ST43では、所定回転角度ごとの積画像F2の各々について、積画像を構成する画素ごとのパワーを積算して、積画像F2のコントラスト値を算出する。すなわち、所定回転角度ごとの積画像F2は、周波数領域情報F1と所定回転角度ごとの周波数フィルタとを掛け合わせて生成されているため、積画像F2ごとに撮像された格子パターン26Bのコントラストが異なり、このコントラストが大きい(フォーカスが合っている)ほど、積算したパワーWi(積画像F2のコントラスト値)が大きくなる。
以上のコントラスト値算出工程ST4における各処理は、撮像手段30で取得された画像情報P1,P2と、メモリ63から読み出したコントラスト値算出プログラムとに基づいて、CPU66が演算することで実行されるようになっている。
【0055】
次に、フォーカス位置算出工程ST5において、CPU66は、メモリ63からフォーカス位置算出プログラムを読み出し、所定回転角度ごとの積画像F2のコントラスト値に基づいてフォーカス位置を算出する。すなわち、回転駆動手段40および距離駆動手段50は、モータ制御部72およびフォーカス制御部73を介したCPU66の指令によって連動して駆動されているため、格子フィルタ26の回転角度と、撮像手段30およびワークWの間隔距離(フォーカス距離Z)とは、一義的に関係づけられている。このため、格子フィルタ26の回転角度をフォーカス距離Zに置き換え、このフォーカス距離Zと積画像F2のパワーWi(コントラスト値)とは、図9のグラフに示す曲線のようになる。図9において、グラフは、横軸をフォーカス距離Zとし、縦軸をパワーWi(コントラスト値)とし、積画像F2ごとのパワーWiをプロットしたもので、これらのプロット点が回帰曲線で結ばれている。この曲線は、ピーク値を有した形状になっており、このピーク値に対応したフォーカス距離Zが、フォーカス位置を示すフォーカス距離Zfとなる。
【0056】
このようなフォーカス位置を示すフォーカス距離Zfは、積画像F2ごとのパワーWiおよびフォーカス距離Ziから、次の式で算出される。
【0057】
【数 1】
【0058】
以上のように、フォーカス位置を示すフォーカス距離Zfは、積画像F2ごとのフォーカス距離Ziに、積画像F2ごとのパワーWiを掛け、重み付け平均して算出されるため、積画像F2ごとのフォーカス距離Ziのうちの1つと、フォーカス距離Zfとが一致していなくても、精度よくフォーカス距離Zfを算出できるようになっている。
以上のST3〜ST5によって、本発明のフォーカス検出方法が構成されている。
なお、フォーカス位置算出工程ST5において、積画像F2ごとのパワーWiにピーク値が現れない場合、すなわち、撮像したフォーカス距離Zの範囲にフォーカス位置がない場合には、距離駆動手段50の制御範囲を初期化、変更して、ST2〜ST5の各工程を再度実行するようにしてもよい。
【0059】
次に、算出されたフォーカス位置(フォーカス距離Zf)に従って、CPU66は、フォーカス制御部73に指令して、距離駆動手段50を駆動し、フォーカス位置を調整し(ST6)、カメラ制御部74に指令して、撮像手段30を制御し、測定用の画像を撮像する(ST7)。
そして、撮像された画像データが画像処理部64に入力され、画像処理部64で画像処理を実行し(ST8)、画像測定結果をCRT65に表示して画像測定が終了する。
【0060】
なお、画像入力工程ST3で取得する画像情報P1は、1つに限らず、2つ以上の複数の画像情報P1を取得するように構成してもよい。複数の画像情報P1を撮像する際には、回転駆動手段40および距離駆動手段50を駆動する速度を一定にして、撮像手段30の移動距離を長くして、フォーカス距離Zの範囲を拡げてもよい。また、撮像手段30の移動距離が一定であれば、距離駆動手段50の駆動速度を遅くするか、または、回転駆動手段40の駆動速度を上げ、かつ照明装置20のフラッシュ間隔を短くすることで、画像情報P1におけるフォーカス距離Zの分割間隔を小さくしてもよい。この際、1つの画像情報P1を撮像する間に、格子フィルタ26を180度(1サイクル)ずつ回転させるようにすれば、1つの画像情報中に含まれる格子パターン26B同士の角度が重ならず、画像情報の数に応じたフォーカス検出範囲についてフォーカス検出を確実に実行できる。
そして、複数の画像情報P1は、一度の画像入力工程ST3の中で連続的に撮像可能であり、コントラスト値算出工程ST4、およびフォーカス位置算出工程ST5では、複数の画像情報P1の各々について演算処理を実行すればよい。このようにすることで、フォーカス検出可能な距離を延長して、調整範囲を拡大することができる。または、フォーカス距離Zを細かく分割することで、フォーカス検出の精度を向上させることができる。
【0061】
以上のような本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
(1)撮像手段30で撮像する画像情報P1は、多重露光により撮像されるので、距離駆動手段50により制御される撮像手段30およびワークWの間隔距離(フォーカス距離Z)について、複数位置で撮像された情報が画像情報P1に含まれている。従って、複数の距離位置で複数の画像を撮像する必要がなく、画像情報P1を撮像するための時間を短縮できる。さらに、複数の画像を画像処理する必要もないため、画像処理に掛かる時間も短縮でき、フォーカス検出を高速に実行することができる。
【0062】
(2)距離駆動手段50および回転駆動手段40が連動して駆動されるので、フォーカス距離Zに応じて、撮像した画像情報P1に含まれる格子パターン26Bのコントラストが変化し、フォーカス位置のフォーカス距離Zfに近い位置で撮像された格子パターン26Bのコントラストが高くなる。これにより、多重露光により複数の回転角度位置の格子パターン26Bが撮像された1つの画像情報P1から、コントラストの高い回転角度位置を算出することで、フォーカス位置を高精度に検出することができる。
【0063】
(3)多重露光により撮像する際に投影される格子パターン26Bの格子角度を細かくする、すなわち回転駆動手段40を制御して、所定回転角度を小さくすることが容易に実行できるので、回転角度に応じて求められるフォーカス位置の検出精度を向上させることができる。
【0064】
(4)画像測定の際にワークWを撮像する撮像手段30により、測定用画像撮像に先立ち、フォーカス検出用の画像情報P1を取得し、この画像情報P1に基づいてフォーカス位置を算出することができるので、従来の画像測定装置のようなラインセンサやコントラスト演算回路等を不要にでき、装置を簡単な構造にし、かつ小型化することができる。
【0065】
(5)画像入力工程ST3で取得した画像情報P1を、周波数変換工程ST41によって周波数領域情報F1に変換することで、所定回転角度ごとのコントラスト値を算出する処理を高速に実行できる。また、周波数領域情報F1を算出する手法として、二次元フーリエ変換(二次元FFT)を採用することで、周波数変換工程ST41における処理を高速に実行することができる。
【0066】
(6)周波数領域情報F1に変換する画像情報P1として、フォーカス検出を実行する範囲の画像情報P2のみを周波数領域へ変換するようにすれば、撮像手段30による撮像範囲全体の中で、焦点を合わせたい範囲を選択することができるので、ワークWの表面形状に凹凸がある場合でも、フォーカス検出の精度を向上させることができる。
【0067】
(7)さらに、焦点を合わせたい範囲のみについて、周波数変換工程ST41、積画像生成工程ST42、パワー積算工程ST43、およびフォーカス位置算出工程ST5を実行すればよいので、これらの処理に掛かる情報量を低減して、処理を高速化することができる。
【0068】
(8)また、照明装置20、距離駆動手段50、および回転駆動手段40に連動させて、撮像手段30の撮像動作を制御することで、画像情報P1の取得を効率よく実施することができる。さらに、これらをコンピュータ61で制御することで、各装置および手段を連動させて、確実に動作させることができ、フォーカス検出の精度を確保することができる。
【0069】
(9)照明装置20を格子フィルタ26の回転角度に対応した時間間隔でフラッシュ状に点灯することで、多重露光により取得される画像情報P1中の所定角度ごとの格子パターン26Bを、ぶれることなく鮮明に撮像することができる。
【0070】
(10)フォーカス位置を算出する演算が、コンピュータ61で実行されることで、取得された画像情報P1から瞬時にフォーカス位置を算出することができ、フォーカス検出にかかる作業効率を向上させることができる。この際、コンピュータ61のメモリ63にコントラスト値算出手順、フォーカス位置算出手順や、予め求めた格子パターン26Bの周波数フィルタ、積画像F2の生成手順等を、プログラムまたはデータとして記憶しておき、CPU66段でプログラム等を読み出して実行することで、フォーカス検出にかかる処理をさらに効率的に実施できる。
【0071】
(11)多重露光により複数位置で撮像された画像情報P1を2つ以上の複数個取得すれば、フォーカス検出可能な距離を延長して、調整範囲を拡大することができる。または、フォーカス距離Zを細かく分割することで、フォーカス検出の精度を向上させることができる。
【0072】
〔第2実施形態〕
図10(A),(B)は、第2実施形態に係る画像測定装置における装置本体部10A,10Bの概略構成を示す図である。第2実施形態の画像測定装置では、フォーカス検出用の撮像手段80が、画像測定用のCCDカメラ34と別体に設けられた点が前述の第1実施形態と相違する。それ以外の構成(照明装置20や装置制御部60)は、第1実施形態と略同様である。
【0073】
図10(A)において、撮像手段80は、光軸A上におけるハーフミラー25と集光レンズ31との間に配置されたハーフミラー81と、ハーフミラー81からの反射光の光軸上に配置されたフーリエ変換レンズ82と、フーリエ変換レンズ82を通過した光を受光する電荷結合素子83を有するCCDカメラ84とを備えて構成されている。ワークWからの反射光はハーフミラー81によって、その一部が集光レンズ31,32およびCCDカメラ34の側へ透過し、残りの一部がフーリエ変換レンズ82およびCCDカメラ84の側へ反射されるようになっている。
【0074】
図10(B)において、撮像手段80は、第1実施形態の反射ミラー24に代えて配置されたハーフミラー81と、ハーフミラー81からの透過光の光軸上に配置されたフーリエ変換レンズ82と、フーリエ変換レンズ82を通過した光を受光する電荷結合素子83を有するCCDカメラ84とを備えて構成されている。すなわち、ハーフミラー81は、照明装置20からの照明光をハーフミラー25に向かって反射するとともに、ハーフミラー25で反射されたワークWからの反射光をフーリエ変換レンズ82およびCCDカメラ84の側へ透過するようになっている。
【0075】
そして、図10(A),(B)いずれにおいても、ハーフミラー81からの光(ワークWの実像)は、フーリエ変換レンズ82に入射し、フーリエ変換された光(フーリエ変換像)として射出される。そして、このフーリエ変換された光は、フーリエ変換画像としてCCDカメラ84の電荷結合素子83で受光、撮像される。CCDカメラ84で撮像されたフーリエ変換画像は、フーリエ変換画像情報(データ)として、図示しないケーブルおよびフレームグラバを介してコンピュータに出力される。また、CCDカメラ84は、コンピュータからの指令を受けたフレームグラバから送信される外部トリガ信号(パルス)で露光制御されるようになっている。
【0076】
以上のような本実施形態の画像測定装置における画像測定方法は、図3、4のフローチャートに基づいて説明した第1実施形態の場合と略同様であり、図3中のコントラスト値算出工程ST4に含まれる周波数変換工程ST41が省略される点が相違する。すなわち、本実施形態において、フーリエ変換レンズ82を通過した光は、周波数変換された光(フーリエ変換像)となるため、第1実施形態における周波数変換工程ST41を省略することができる。
なお、本実施形態において、画像入力工程ST3において制御されるCCDカメラとは、撮像手段80が有するCCDカメラ84を意味する。
また、フーリエ変換レンズ82を用いて周波数変換を実行する本実施形態では、画像入力工程ST3における発光光源(キセノンフラッシュランプ21)をフラッシュ点灯(ST33)させなくてもよい。このため、発光光源としてフラッシュ点灯しないハロゲンランプを利用してもよい。
【0077】
以上のような本実施形態によれば、前述の(1)〜(3)、(8)〜(11)の効果と略同様の効果に加えて、次のような効果が得られる。
(12)フーリエ変換レンズ82を採用したことで、フーリエ変換レンズ82を通過したワークWの反射光がフーリエ変換画像情報としてCCDカメラ84で撮像されるので、専用の演算回路や計算機等を用いた周波数変換演算を実行しなくてもよく、演算に掛かる時間を短縮して、フォーカス検出をより高速に実行することができる。
【0078】
なお、本発明のフォーカス検出方法、フォーカス検出機構、およびフォーカス検出機構を備えた画像測定装置は、上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えることができる。
【0079】
例えば、前記実施形態では、画像測定装置1は、それぞれ別体として設けられた装置本体部10および装置制御部60を備えて構成されていたが、これに限らず、これらの装置本体部および装置制御部が一体に構成されていてもよい。また、装置本体部10には、照明装置20、撮像手段30、回転駆動手段40、距離駆動手段50が一体に設けられていたが、照明装置および回転駆動手段を一体とし、撮像手段および距離駆動手段を一体として、これらをそれぞれ別体として設けてもよい。
【0080】
また、前記実施形態では、装置制御部60が、メモリ63や画像処理部64、CPU66等を備えるコンピュータ61を備えたが、これに限らず、記憶手段や演算手段等をそれぞれ個別の機器で構成してもよい。また、装置制御部60と装置本体部10とは、ケーブル2で接続されたものに限らず、制御信号や画像データ等が無線の通信手段により送受信可能に構成されてもよい。
【0081】
また、前記実施形態では、照明装置20をフォーカス検出用として使用したが、これに限らず、格子フィルタを発光光源の前方位置に対して移動可能に設ければ落射照明としても利用可能である。また、照明装置20の発光光源としてキセノンフラッシュランプ21を採用したが、これに限らず、発光ダイオードを採用してもよい。さらに、照明装置20の発光光源がフラッシュ点灯する構成としたが、これに限らず、発光光源とワークとの間、あるいはワークと撮像手段との間にシャッター装置を設け、このシャッター装置を開閉することで、照明装置20からの照明光を断続的に遮り、格子フィルタの格子パターンを所定回転角度ごとに撮像するように構成することも可能である。このようにすれば、キセノンフラッシュランプや発光ダイオードの他に、フラッシュ点灯しないハロゲンランプを発光光源として利用できるようになる。
【0082】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明のフォーカス検出方法、フォーカス検出機構、およびこのフォーカス検出機構を備えた画像測定装置によれば、高速かつ高精度なフォーカス検出を実行できるという効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る画像測定装置の概略構成を示す図である。
【図2】前記画像測定装置の構成を示すブロック図である。
【図3】前記画像測定装置における画像測定方法を示すフローチャートである。
【図4】前記画像測定方法における画像入力工程を示すフローチャートである。
【図5】前記画像測定方法のフォーカス検出時の格子フィルタ、および格子パターンが投影されたワークを模式的に示す図である。
【図6】(A)〜(D)は、前記格子パターンが投影されたワークを模式的に示す図である。
【図7】(A)、(B)は、前記フォーカス検出時に取得される画像情報、およびフォーカス検出範囲の画像情報を模式的に示す図である。
【図8】(A)、(B)は、前記フォーカス検出範囲の画像情報を周波数領域に変換した周波数領域情報、および周波数領域情報に基づいて生成される積画像を模式的に示す図である。
【図9】前記積画像のパワーをフォーカス距離についてグラフ化した図である。
【図10】(A)、(B)は、本発明の第2実施形態に係る画像測定装置の一部の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
1 画像測定装置
20 照明装置
21 ハロゲンランプ(発光光源)
26 格子フィルタ
26B 格子パターン
30,80 撮像手段
40 回転駆動手段
50 距離駆動手段
61 コンピュータ
63 メモリ(記憶手段)
66 CPU(演算手段)
71 照明制御装置(照明制御部)
72 モータ制御装置(モータ制御部)
73 フォーカス制御装置(フォーカス制御部)
74 フレームグラバ(カメラ制御部)
82 フーリエ変換レンズ
A 光軸
F1 周波数領域情報
F2 積画像
P1,P2 画像情報
ST3 画像入力工程
ST4 コントラスト値算出工程
ST41 周波数変換工程
ST42 積画像生成工程
ST43 パワー積算工程
ST5 フォーカス位置算出工程
W ワーク(被測定物)
Wi パワー
Z,Zf,Zi フォーカス距離(間隔距離)
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像測定装置のフォーカス検出方法、フォーカス検出機構、およびこのフォーカス検出機構を備えた画像測定装置に関する。例えば、被測定物と交差する光軸上に設けられ被測定物を撮像する撮像手段を有し、撮像した画像から被測定物の形状等を測定する画像測定装置において、被測定物に対する撮像手段のフォーカス位置を検出するフォーカス検出方法、フォーカス検出機構、およびこれを備えた画像測定装置に関する。
【0002】
【背景技術】
被測定物(ワーク)を撮像する撮像手段を備え、この撮像手段で撮像した画像を適宜画像処理して、ワークの形状、寸法等を測定する画像測定装置(非接触測定装置)において、ワークから撮像手段までの光学的距離を調整する合焦(フォーカス検出)方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1に記載された画像測定装置は、ワークを撮像してその画像データを出力する撮像手段としてのCCDカメラと、CCDカメラとワークとの光学的距離を調整する合焦調整手段と、ワークを1ライン分だけ撮像するラインセンサと、このラインセンサで撮像された画像からコントラストを演算するコントラスト演算手段(回路)とを備えている。ラインセンサは、ワークとの光学的距離が、CCDカメラとワークとの光学的距離に等しくなる位置に設けられている。
【0003】
特許文献1に記載されたフォーカス検出方法では、合焦調整手段でワークとCCDカメラおよびラインセンサとの光学的距離を調整しながら、複数の距離位置においてラインセンサで撮像した画像からコントラストを求め、コントラストが最大となる位置をフォーカス位置として検出するようになっている。そして、検出したフォーカス位置に基づいて、CCDカメラとワークとの光学的距離を合焦調整手段で調整することで、CCDカメラで撮像する画像の焦点を合わせることができるように構成されている。
【0004】
【特許文献1】
特開平8−226805号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献1の画像測定装置では、フォーカス検出において、複数の距離位置においてラインセンサで撮像した複数の画像に基づいて、フォーカス位置を検出するので、撮像する画像が1ライン分とはいえ、各々の画像を撮像するための時間、およびコントラスト演算手段で画像処理するための時間が掛かってしまい、高速にフォーカス検出できないという問題がある。
さらに、ラインセンサで撮像可能な1ライン分の画像に基づいて、フォーカス検出を実行するため、CCDカメラの撮像範囲全体の中で、焦点を合わせたい領域を任意に選択することができず、表面に凹凸を有するワークなどの場合には、フォーカスの精度を高めることができないという問題がある。
【0006】
本発明の目的は、高速かつ高精度にフォーカス検出を実行できる画像測定装置のフォーカス検出方法、フォーカス検出機構、およびこのフォーカス検出機構を備えた画像測定装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
請求項1に記載のフォーカス検出方法は、被測定物と交差する光軸上に設けられ当該被測定物を撮像する撮像手段を有し、撮像した画像から前記被測定物を測定する画像測定装置のフォーカス検出方法であって、前記画像測定装置は、前記被測定物に向かって照明光を照射する発光光源を有した照明装置と、この照明装置と前記被測定物との間に設けられ、前記発光光源からの照明光を遮って当該被測定物に格子パターンを投影する格子フィルタと、この格子フィルタを回転駆動して前記被測定物に投影される格子パターンの格子角度を変更する回転駆動手段と、前記撮像手段および前記被測定物の少なくとも一方を駆動し、前記光軸に沿った互いの間隔距離を調節する距離駆動手段とを有し、前記距離駆動手段および回転駆動手段を連動させて駆動して、所定回転角度ごとに前記格子フィルタの格子パターンを前記被測定物に投影するとともに、前記撮像手段にて、前記所定回転角度に応じた所定間隔距離ごとの前記被測定物を多重露光により撮像し、画像情報を取得する画像入力工程と、取得した画像情報を周波数領域へ変換した周波数領域情報に基づいて、前記所定回転角度ごとのコントラスト値を算出するコントラスト値算出工程と、前記コントラスト値が最大となる回転角度に応じた前記撮像手段および前記被測定物の間隔距離から、フォーカス位置を算出するフォーカス位置算出工程とを備えたことを特徴とする。
【0008】
ここで、撮像手段としては、撮像管や撮像素子等の光学像を電気信号に変換する撮像部と、この撮像部に被測定物の像を結像させる撮像光学系とを備えたカメラが採用できる。そして、距離駆動手段にて撮像手段を駆動する際には、カメラやカメラが設けられた筐体等を駆動してもよく、また、撮像光学系のレンズ等を駆動してもよい。
【0009】
このような構成によれば、撮像手段で撮像する画像情報は、多重露光により撮像されるので、距離駆動手段による撮像手段および被測定物の間隔距離について、複数位置で撮像された情報が含まれているため、複数の距離位置で複数の画像を撮像する必要がなく、画像情報を撮像するための時間を短縮できる。さらに、複数の画像を画像処理する必要もないため、画像処理に掛かる時間も短縮でき、フォーカス検出を高速に実行することができる。
また、コントラスト値算出工程において、取得した画像情報自体ではなく、画像情報を周波数領域へ変換した周波数領域情報に基づいて、コントラスト値を算出するので、被測定物表面の形状や模様等の影響を受けずに、フォーカス検出を精度よく実行することができる。すなわち、例えば表面が縞模様を有する被測定物の場合、その縞模様と格子フィルタによる格子パターンとが、格子フィルタの回転角度によっては干渉して、画像情報中のコントラストが大きく変化してしまうことがある。しかし、画像情報を周波数領域に変換することで、このような干渉によるコントラスト変化の影響を取り除き、撮像手段および被測定物の間隔距離に対応した格子パターンのコントラスト値を正確に算出することができる。
【0010】
そして、距離駆動手段および回転駆動手段が連動して駆動されるので、撮像手段および被測定物の間隔距離に応じて、撮像した画像情報に含まれる格子パターンのコントラストが変化し、フォーカス位置に近い位置で撮像された格子パターンのコントラストが高くなる。これにより、多重露光により画像情報が取得され、複数の回転角度位置の格子パターンが撮像されていても、その画像情報から、高いコントラストの回転角度位置を算出することで、フォーカス位置を高精度に検出することができる。
さらに、多重露光により撮像する際に投影される格子パターンの格子角度を細かくする、すなわち回転駆動手段を制御して、所定回転角度を小さくすることが容易に実行できるので、回転角度に応じて求められるフォーカス位置の検出精度を向上させることができる。
【0011】
また、被測定物を撮像する画像測定用の撮像手段により、フォーカス検出用の画像情報を取得し、この画像情報に基づいてフォーカス位置を算出することができるので、従来の画像測定装置と比較して、装置を簡単な構造にし、かつ小型化することができる。すなわち、特許文献1の画像測定装置では、フォーカス検出を実行するためにラインセンサ等を必要とするため、装置の構造が複雑になるとともに、大型化してしまうという問題があったが、本発明によれば、撮像手段が画像測定およびフォーカス検出の両方に利用可能なので、装置構造の簡素化および小型化を図ることができる。
【0012】
請求項2に記載のフォーカス検出方法は、請求項1に記載の画像測定装置のフォーカス検出方法において、前記コントラスト値算出工程は、前記画像入力工程において取得した画像情報を周波数領域へ変換して周波数領域情報を算出する周波数変換工程と、変換した周波数領域情報に、予め求めた前記格子フィルタの前記所定回転角度ごとの格子パターンに関する周波数フィルタを重ね合わせて、前記所定回転角度ごとの積画像を生成する積画像生成工程と、生成した前記所定回転角度ごとの積画像の各々について、当該積画像を構成する画素ごとのパワーを積算するパワー積算工程とを備えたことを特徴とする。
【0013】
ここで、周波数変換工程にて周波数領域情報を算出する方法としては、二次元フーリエ変換(二次元FFT)や、ウィノグラード変換、カルーネン・レーベ変換、離散コサイン変換(DCT)等の直交変換手法が採用でき、また、これら以外にも、画像情報を周波数成分に変換する直交変換手法であれば採用可能である。
また、予め求めておく格子フィルタの所定回転角度ごとの格子パターンに関する周波数フィルタとしては、被測定物を含まない格子パターンのみを撮像した画像情報から直交変換により算出した、格子パターンの周波数領域情報が利用できる。さらに、計算機等を用いたシミュレーションによって作成した格子パターンの画像情報を周波数変換した周波数フィルタを利用してもよい。
【0014】
このような構成によれば、周波数変換工程によって取得した画像情報を周波数領域情報に変換することで、所定回転角度ごとのコントラスト値を算出する処理を高速に実行できる。この際、周波数領域情報に変換する画像情報として、フォーカス検出を実行する範囲の画像情報のみを周波数領域へ変換するようにすれば、撮像手段による撮像範囲全体の中で、焦点を合わせたい範囲を選択することができるので、ワークの表面形状によらず、フォーカス検出の精度を向上させることができる。さらに、焦点を合わせたい範囲のみについて、周波数変換工程、積画像生成工程、パワー積算工程、フォーカス位置算出工程を実行すればよいので、これらの処理に掛かる情報量を低減して、処理を高速化することができる。
【0015】
請求項3に記載のフォーカス検出方法は、請求項2に記載の画像測定装置のフォーカス検出方法において、前記周波数変換工程にて算出される前記周波数領域情報は、二次元フーリエ変換により算出されることを特徴とする。
【0016】
このような構成によれば、二次元データである画像情報を直交変換して周波数領域情報を算出する手法として、二次元フーリエ変換(二次元FFT)を採用することで、周波数変換工程における処理を高速に実行することができる。
【0017】
請求項4に記載のフォーカス検出方法は、請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の画像測定装置のフォーカス検出方法において、前記画像入力工程にて取得される前記画像情報は、1つであることを特徴とする。
【0018】
このような構成によれば、撮像手段で撮像する1つの画像情報の中に、多重露光により複数位置で撮像された情報が含まれるため、画像情報を撮像するための時間をさらに短縮することができる。さらに、画像処理を実行する画像情報も1つでよいため、画像処理に掛かる時間も短縮でき、フォーカス検出をより高速に実行することができる。
【0019】
請求項5に記載のフォーカス検出方法は、請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の画像測定装置のフォーカス検出方法において、前記画像入力工程にて取得される前記画像情報は、2つ以上であることを特徴とする。
【0020】
このような構成によれば、多重露光により複数位置で撮像された画像情報を2つ以上の複数個取得することで、撮像手段と被測定物との距離範囲(フォーカス検出範囲)を拡大することができる。すなわち、格子フィルタを0度から180度まで回転させると0度の場合と同一の格子パターンが投影される(1サイクル=180度である)ため、1サイクルごとに画像情報を撮像し、その画像情報を複数取得することによって、1つの画像情報中に含まれる格子パターン同士の角度が重ならず、画像情報の数に応じたフォーカス検出範囲についてフォーカス検出を確実に実行できる。
また、フォーカス検出範囲を拡大するのみならず、距離駆動手段の駆動速度を格子フィルタの回転速度に対して相対的に遅く(フォーカス検出ピッチを細かく)することで、フォーカス検出の精度を向上させることができる。この際、距離駆動手段の駆動速度を遅くしても、複数の画像情報を撮像することで、フォーカス検出範囲を短縮することなく、所定の距離範囲についてフォーカス検出を実行することができる。
【0021】
請求項6に記載のフォーカス検出機構は、被測定物と交差する光軸上に設けられ当該被測定物を撮像する撮像手段と、前記被測定物に向かって照明光を照射する発光光源を有した照明装置と、この照明装置と前記被測定物との間に設けられ、前記発光光源からの照明光を遮って当該被測定物に格子パターンを投影する格子フィルタと、この格子フィルタを回転駆動して前記被測定物に投影される格子パターンの格子角度を変更する回転駆動手段と、前記撮像手段および前記被測定物の少なくとも一方を駆動し、前記光軸に沿った互いの間隔距離を調節する距離駆動手段と、前記距離駆動手段および回転駆動手段を連動させて駆動して、所定回転角度ごとに前記格子フィルタの格子パターンを前記被測定物に投影するとともに、前記所定回転角度に応じた所定間隔距離ごとの前記被測定物を前記撮像手段にて多重露光により撮像し、撮像した画像情報を周波数領域へ変換した周波数領域情報に基づいて前記所定回転角度ごとのコントラスト値を算出し、このコントラスト値が最大となる回転角度に応じた前記撮像手段および前記被測定物の間隔距離から、フォーカス位置を算出するフォーカス位置算出手段とを備えたことを特徴とする。
【0022】
このような構成によれば、請求項1に記載の発明と同様の作用効果を奏することができる。
すなわち、フォーカス検出を高速、かつ高精度に実行することができる。また、従来の画像測定装置と比較して、装置を簡単な構造にし、かつ小型化することができる。
【0023】
請求項7に記載のフォーカス検出機構は、請求項6に記載のフォーカス検出機構において、前記フォーカス位置算出手段は、前記取得した画像情報を周波数領域へ変換して周波数領域情報を算出し、この周波数領域情報に、予め求めた前記格子フィルタの前記所定回転角度ごとの格子パターンに関する周波数フィルタを重ね合わせて、前記所定回転角度ごとの積画像を生成し、これらの積画像の各々について、当該積画像を構成する画素ごとのパワーを積算して前記コントラスト値を算出することを特徴とする。
【0024】
このような構成によれば、請求項2に記載の発明と同様に、所定回転角度ごとのコントラスト値を算出する処理を高速に実行できる。
【0025】
請求項8に記載のフォーカス検出機構は、請求項6または請求項7に記載のフォーカス検出機構において、前記撮像手段の撮像動作は、前記照明装置、距離駆動手段、および回転駆動手段と連動して制御されることを特徴とする。
【0026】
このような構成によれば、照明装置、距離駆動手段、および回転駆動手段に連動させて、撮像手段の撮像動作を制御することで、画像情報の取得を効率よく実施することができる。
【0027】
請求項9に記載のフォーカス検出機構は、請求項6ないし請求項8のいずれかに記載のフォーカス検出機構において、前記照明装置は、前記格子フィルタの前記所定回転角度に対応した時間間隔でフラッシュ状に点灯制御されることを特徴とする。
【0028】
このような構成によれば、照明装置を格子フィルタの回転角度に対応した時間間隔でフラッシュ状に点灯することで、多重露光により取得される画像情報中の所定角度ごとの格子パターンを、ぶれることなく鮮明に撮像することができる。すなわち、回転駆動手段により回転する格子フィルタが投影された格子パターンを連続的に撮像すると、格子パターンの画像がぶれてしまい、所定角度ごとに投影された格子パターンの画像が得られない。このため、フラッシュ状に点灯した照明装置の点灯時のみ格子パターンが投影されるようにすることで、所定角度ごとの格子パターンを撮像することができる。
【0029】
請求項10に記載のフォーカス検出機構は、被測定物と交差する光軸上に設けられ当該被測定物を撮像する撮像手段と、この撮像手段と前記被測定物の間に設けられ、当該被測定物からの反射光を周波数変換するフーリエ変換レンズと、前記被測定物に向かって照明光を照射する発光光源を有した照明装置と、この照明装置と前記被測定物との間に設けられ、前記発光光源からの照明光を遮って当該被測定物に格子パターンを投影する格子フィルタと、この格子フィルタを回転駆動して前記被測定物に投影される格子パターンの格子角度を変更する回転駆動手段と、前記撮像手段および前記被測定物の少なくとも一方を駆動し、前記光軸に沿った互いの間隔距離を調節する距離駆動手段と、前記距離駆動手段および回転駆動手段を連動させて駆動して、所定回転角度ごとに前記格子フィルタの格子パターンを前記被測定物に投影するとともに、前記所定回転角度に応じた所定間隔距離ごとの前記被測定物を、前記フーリエ変換レンズを介した前記撮像手段にて多重露光により撮像し、撮像したフーリエ変換画像情報に基づいて前記所定回転角度ごとのコントラスト値を算出し、このコントラスト値が最大となる回転角度に応じた前記撮像手段および前記被測定物の間隔距離から、フォーカス位置を算出するフォーカス位置算出手段とを備えたことを特徴とする。
【0030】
このような構成によれば、請求項6に記載の発明と同様の作用効果を奏することができる。
すなわち、フォーカス検出を高速、かつ高精度に実行することができる。さらに、フーリエ変換レンズを採用したことで、フーリエ変換レンズを通過した被測定物の反射光がフーリエ変換画像情報として撮像手段で撮像されるので、専用の演算回路や計算機等を用いた周波数変換演算を実行しなくてもよく、演算に掛かる時間を短縮して、フォーカス検出をより高速に実行することができる。
【0031】
請求項11に記載の画像測定装置は、前記したいずれかのフォーカス検出機構を備え、前記フォーカス検出機構を構成するフォーカス位置算出手段は、記憶手段および演算手段を有したコンピュータで実行されることを特徴とする。
【0032】
このような構成によれば、請求項6ないし請求項10に記載の発明と同様の作用効果を奏することができる。
さらに、フォーカス位置算出手段が、コンピュータで実行されることで、取得された画像情報から瞬時にフォーカス位置を算出することができ、フォーカス検出にかかる作業効率を向上させることができる。この際、コンピュータの記憶手段に周波数領域情報の算出手順や、予め求めた格子パターンの周波数フィルタ、積画像の生成手順、コントラスト値の算出手順、フォーカス位置の算出手順等を、プログラムまたはデータとして記憶しておき、演算手段でプログラム等を読み出して実行することで、フォーカス検出にかかる処理をさらに効率的に実施できる。
【0033】
請求項12に記載の画像測定装置は、請求項11に記載の画像測定装置において、前記フォーカス検出機構を構成する照明装置、距離駆動手段、および回転駆動手段の動作は、前記コンピュータで制御されることを特徴とする。
【0034】
このような構成によれば、照明装置、距離駆動手段、および回転駆動手段の動作をコンピュータで制御することで、これらの各装置および手段を連動させて、確実に動作させることができ、フォーカス検出の精度を確保することができる。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るフォーカス検出機構、およびフォーカス検出機構を備えた画像測定装置の好適な実施形態を挙げ、図面に基づいて詳しく説明する。なお、以下の説明にあたって、同一構成要件については、同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
図1ないし図9には、本発明の第1実施形態に係る画像測定装置1が示され、図10には、第2実施形態に係る画像測定装置の一部が示されている。
【0036】
〔第1実施形態〕
図1は、第1実施形態に係る画像測定装置1の概略構成を示す図である。図2は、画像測定装置1の構成を示すブロック図である。
図1において、画像測定装置1は、被測定物としてのワークWに照明光を照射して、ワークWからの反射光を撮像する装置本体部10と、この装置本体部10で撮像されたワークWの画像を処理するとともに、画像装置本体部10の動作を制御する装置制御部60とを備えて構成されている。これらの装置本体部10と装置制御部60とは、ケーブル2で接続されている。
【0037】
装置本体部10は、中空箱状の筐体11と、ワークWを載置するステージ12と、ステージ12上面と直交して上下に延びる光軸Aを囲んで設けられたリング照明装置13とを備えている。そして、筐体11内部には、ワークWの直上から照明光を照射する照明装置20と、ワークWからの反射光を受光し撮像する撮像手段30とが設けられている。筐体11のステージ12と対向する底面には、光軸Aを中心とした開口が設けられており、この開口を通してワークWからの反射光が撮像手段30に到達可能になっている。また、筐体11およびステージ12は、光軸Aと交差する平面二方向(X、Y方向)に移動操作可能に構成されており、適宜ワークWの測定部位の調整ができるようになっている。
【0038】
リング照明装置13は、光軸Aに対して斜め方向からリング状光束の照明光をワークWに照射するもので、光軸Aを中心とする中空リング状の筐体14と、筐体14内に配された発光光源としての白色発光ダイオード(LED)15とを備えている。LED15は、光軸Aを囲んでリング状に複数設けられており、平面視で四方向に分割され、フロント部、バック部、レフト部、およびライト部に分けられている。そして、この分割されたフロント部、バック部、レフト部、およびライト部は、それぞれ独立に照明光の強度が制御されるようになっている。
【0039】
照明装置20は、発光光源としてのキセノンフラッシュランプ21と、キセノンフラッシュランプ21から拡散する照明光を集光するレンズ22,23と、照明光を光軸Aに向かって反射する反射ミラー24とを備えている。そして、光軸A上には、反射ミラー24で反射された照明光をワークWに向かって反射するハーフミラー25が設けられており、キセノンフラッシュランプ21から照射された照明光は、光軸Aに沿って直上からワークWに照射されるようになっている。また、ワークWで反射された反射光は、撮像手段30に向かってハーフミラー25を透過できるようになっている。キセノンフラッシュランプ21は、ケーブル2を介して装置制御部60に設けられた照明制御装置71に接続されている。
【0040】
照明装置20のレンズ22,23間、すなわちキセノンフラッシュランプ21からワークWに向かって照射される照明光を遮る位置には、ワークWに格子パターンを投影する格子フィルタ26が設けられている。この格子フィルタ26は、互いに平行に形成され、キセノンフラッシュランプ21の照明光を透過可能な複数のスリット26A(図5)を有しており、これらのスリット26Aを通過した照明光によりワークWに格子パターン26B(図5)が投影されるようになっている。そして、格子フィルタ26は、回転駆動手段40により回転駆動可能に構成されている。回転駆動手段40は、駆動モータ41を備えており、この駆動モータ41は、ケーブル2を介して装置制御部60に設けられたモータ制御装置72に接続されている。
【0041】
撮像手段30は、光軸Aに沿って配置されワークWからの反射光を集光する集光レンズ31,32と、集光レンズ31,32からの光を受光する電荷結合素子33を有するCCDカメラ34とを備えて構成されている。
CCDカメラ34は、ワークWからの反射光を電荷結合素子33で受光し、ワークWの画像を撮像する。撮像された画像は、有限個の画素から構成された画像データであり、例えば画像サイズは512×512画素である。各画素は例えば8ビットのデータであり、この8ビットのデータは、受光した光の強度を0〜255の256階調に区分した濃淡値(受光強度値)で示す。また、CCDカメラ34は、1秒間に数十フレーム例えば30フレーム(30fps )の画像を連続的に取得することができるようになっている。そして、CCDカメラ34からの画像データは、ケーブル2を介して装置制御部60に設けられたカメラ制御部としてのフレームグラバ74に出力される。
【0042】
撮像手段30とワークWとの間隔距離(フォーカス距離)は、筐体11を光軸Aに沿った方向(Z方向)に駆動する距離駆動手段としての50により調整可能に構成されている。距離駆動手段50は、ステージ12側に設けられ光軸Aに平行に延びるガイドレール51と、このガイドレール51に沿って駆動され筐体11に取り付けられた駆動部52とを備えている。そして、駆動部52は、ケーブル2を介して装置制御部60に設けられたフォーカス制御装置73に接続されている。なお、これらのガイドレール51および駆動部52は、ラックおよびピニオンやウォームギア等から構成でき、その際、駆動部52がサーボモータ等を有していればよい。また、ガイドレール51および駆動部52がリニアモータ等から構成されていてもよい。
【0043】
装置制御部60は、CCDカメラ34からの画像データを受け取って画像処理し、出力表示するコンピュータ61と、このコンピュータ61に接続された照明制御装置71、モータ制御装置72、およびフォーカス制御装置73と、コンピュータ61に一体に設けられたフレームグラバ74とを備えて構成されている。照明制御装置71は、コンピュータ61からの指令を受け、照明装置20に印加する印加電流を制御することで、照明装置20の点灯を制御する。モータ制御装置72は、コンピュータ61からの指令を受け、回転駆動手段40の駆動モータ41に印加する印加電流を制御することで、駆動モータ41の駆動を制御し、格子フィルタ26の回転駆動を制御する。フォーカス制御装置73は、コンピュータ61からの指令を受け、距離駆動手段50の駆動部52に印加する印加電流を制御することで、駆動部52の駆動を制御し、筐体11の光軸Aに沿った移動を制御する。フレームグラバ74は、コンピュータ61からの指令を受け、撮像手段30に外部トリガ信号(パルス)を送信してCCDカメラ34の露光を制御する。
なお、照明制御装置71、モータ制御装置72、およびフォーカス制御装置73は、コンピュータ61と一体に設けられていてもよく、また、カメラ制御手段は、コンピュータ61と別体に設けられていてもよい。
【0044】
図2において、コンピュータ61は、画像測定に関する各種のパラメータ(指示値)を設定入力する入力手段62と、各種のプログラムやデータを記憶し格納する記憶手段としてのメモリ63と、CCDカメラ34からの画像データを処理する画像処理手段としての画像処理部64と、画像処理部64での処理結果を出力表示する表示手段としての表示部(CRT)65とを備えている。そして、コンピュータ61は、装置制御部60全体を制御する演算手段としてのCPU(中央制御装置)66を備え、CPU66と、入力手段62、メモリ63、画像処理部64、CRT65とは、バスを介して接続されている。
【0045】
また、照明制御装置71、モータ制御装置72、フォーカス制御装置73、およびフレームグラバ74は、図2に示すように、照明制御部(照明制御装置)71、モータ制御部(モータ制御装置)72、フォーカス制御部(フォーカス制御装置)73、およびカメラ制御部(フレームグラバ)74として、それぞれコンピュータ61に実装された機能の一部として組み込むことができる。さらに、照明制御部71、モータ制御部72、フォーカス制御部73、およびカメラ制御部74を、プログラミングされたソフトウェアとしてメモリ63に記憶させ、CPU66にて演算処理することで、照明装置20や、回転駆動手段40、距離駆動手段50、および撮像手段30を制御するように構成してもよい。
【0046】
入力手段62は、外部に臨んで設けられ手動操作可能に設けられたレバーあるいはボタン等で構成されている。入力手段62では、照明装置20や、回転駆動手段40、距離駆動手段50、および撮像手段30を制御するための指示値が入力される。そして、入力手段62で設定入力された指示値はバスを介してCPU66に送られる。
CPU66は、入力手段62から送られた指示値に基づいて、照明制御部71、モータ制御部72、フォーカス制御部73、およびカメラ制御部74に指令して、照明装置20や、回転駆動手段40、距離駆動手段50、および撮像手段30を制御する。さらに、CPU66は、メモリ63に記憶されたプログラム(例えば、コントラスト値算出プログラム、フォーカス位置算出プログラム等)を読み出し、これらのプログラムを実行することによって、撮像手段30のワークWに対するフォーカス距離を検出する。
画像処理部64は、撮像手段30で撮像された画像データを処理してエッジ検出等を行い、ワークWの形状、寸法、色等を演算処理にて求める。
CRT65は、画像処理部64で求められた画像測定結果を表示する。
【0047】
次に、画像測定装置1における画像測定方法について、図3ないし図9に基づいて説明する。図3および図4は、画像測定装置1における画像測定方法を示すフローチャート、およびフォーカス検出における画像入力工程を示すフローチャートである。
【0048】
図3において、先ず、入力手段62から指示値を入力する(ST1)。この指示値としては、照明装置20や、回転駆動手段40、距離駆動手段50、および撮像手段30を制御するための指示値や、画像測定の実行範囲やフォーカス検出範囲を設定するための指示値等がある。
指示値が入力されると、CPU66は、照明制御部71、モータ制御部72、フォーカス制御部73、およびカメラ制御部74に指令して、照明装置20や、回転駆動手段40、距離駆動手段50、および撮像手段30を初期化する(ST2)。
次に、CPU66は、照明制御部71、モータ制御部72、フォーカス制御部73、およびカメラ制御部74に指令して、照明装置20や、回転駆動手段40、距離駆動手段50、および撮像手段30を制御して、画像情報P1(図7(A))を取得する(ST3)。
【0049】
画像入力工程ST3では、図4に示すように、照明装置20や、回転駆動手段40、距離駆動手段50、および撮像手段30を連動させて、多重露光により撮像された画像情報P1が取得される。
すなわち、ST31において、回転駆動手段40の駆動モータ41を駆動して格子フィルタ26を回転させるとともに、距離駆動手段50の駆動部52を駆動して筐体11および撮像手段30をワークWから離れる方向(または、近づく方向)に移動開始させる。これに続いて、撮像手段30のCCDカメラ34の露光を開始する(ST32)。
そして、格子フィルタ26の回転角度に応じて、所定の回転角度ごとに照明装置20のキセノンフラッシュランプ21をフラッシュ点灯させる(ST33)。このキセノンフラッシュランプ21をフラッシュ点灯を指示値に応じた回数(多重露光回数)だけ繰り返す(ST34)。その後、CCDカメラ34の露光を終了する(ST35)とともに、回転駆動手段40の駆動モータ41を停止して格子フィルタ26の回転を停止させ、距離駆動手段50の駆動部52を停止して筐体11および撮像手段30の移動を停止させる(ST36)。
【0050】
以上のST31〜ST36により取得される画像情報について、図5〜図7に基づいて説明する。図5および図6は、フォーカス検出における格子フィルタ26および格子パターン26Bが投影されたワークWを模式的に示す図である。図7(A),(B)は、フォーカス検出における多重露光により取得された画像情報P1、およびフォーカス検出範囲の画像情報P2を模式的に示す図である。
【0051】
格子フィルタ26のスリット26Aを通過したキセノンフラッシュランプ21の照明光は、図5、6に示すように、格子フィルタ26の回転角度に応じた格子パターン26BとしてワークWに投影される。なお、図6(A)〜(D)には、所定回転角度として30度ごとに投影された格子パターン26Bが示されている。そして、これらの格子パターン26Bが投影されたワークWを多重露光によって撮像したことにより、図7(A)に示すように、1つの画像情報P1中に、複数角度の格子パターン26Bが重なって撮像されている。また、図7(B)には、取得された画像情報P1のうち、フォーカス検出を実行する範囲の画像情報P2が拡大されて示されている。
なお、格子パターン26Bを投影する所定回転角度は、入力手段62から入力する指示値によって設定可能であり、例えば、0度から90度までを9分割した10度とすることができる。所定回転角度を10度とした場合には、0度から90度までの10通りの格子パターン26BがワークWに投影され、これらの格子パターン26Bが多重露光された画像情報P1が取得されることとなる。
また、距離駆動手段50を駆動する速度は、入力手段62から入力する指示値によって設定可能であり、例えば、格子フィルタ26を10度回転させるごとに、0.5mmずつ移動するように設定することができる。
【0052】
次に、再び図3を参照して、画像入力工程ST3で取得された画像情報P1のうち、フォーカス検出を実行する範囲の画像情報P2に関して、格子フィルタ26の所定回転角度ごとのコントラスト値を算出する(ST4)。このコントラスト値算出工程ST4は、周波数変換工程ST41と、積画像生成工程ST42と、パワー積算工程ST43とを備えている。周波数変換工程ST41、および積画像生成工程ST42では、図8(A),(B)に模式的に示す、画像情報P2を周波数領域に変換した周波数領域情報F1、および周波数領域情報F1に周波数フィルタを重ね合わせて生成した積画像F2が得られる。
【0053】
すなわち、周波数変換工程ST41において、画像情報P2を構成する画素の濃淡値を、二次元フーリエ変換により周波数領域へ変換して、周波数領域情報F1が算出される。また、積画像生成工程ST42において、周波数領域情報F1に、所定回転角度ごとの格子パターン26Bに関する周波数フィルタを重ね合わせ(掛け合わせ)て、所定回転角度ごとの積画像F2が生成される。ここで、格子パターン26Bに関する周波数フィルタは、予めワークWが載置されない状態で投影した格子パターン26Bを、格子フィルタ26の所定回転角度ごとに撮像し、この撮像したデータを周波数変換したものである。このような周波数フィルタは、所定回転角度ごとの格子パターン26Bに対応して予め用意され、メモリ63に記憶されている。
なお、周波数フィルタは、実際に撮像した格子パターン26Bに基づくものに限らず、計算機等を用いたシミュレーションによって作成した格子パターンの画像情報から周波数変換したものであってもよい。
【0054】
そして、パワー積算工程ST43では、所定回転角度ごとの積画像F2の各々について、積画像を構成する画素ごとのパワーを積算して、積画像F2のコントラスト値を算出する。すなわち、所定回転角度ごとの積画像F2は、周波数領域情報F1と所定回転角度ごとの周波数フィルタとを掛け合わせて生成されているため、積画像F2ごとに撮像された格子パターン26Bのコントラストが異なり、このコントラストが大きい(フォーカスが合っている)ほど、積算したパワーWi(積画像F2のコントラスト値)が大きくなる。
以上のコントラスト値算出工程ST4における各処理は、撮像手段30で取得された画像情報P1,P2と、メモリ63から読み出したコントラスト値算出プログラムとに基づいて、CPU66が演算することで実行されるようになっている。
【0055】
次に、フォーカス位置算出工程ST5において、CPU66は、メモリ63からフォーカス位置算出プログラムを読み出し、所定回転角度ごとの積画像F2のコントラスト値に基づいてフォーカス位置を算出する。すなわち、回転駆動手段40および距離駆動手段50は、モータ制御部72およびフォーカス制御部73を介したCPU66の指令によって連動して駆動されているため、格子フィルタ26の回転角度と、撮像手段30およびワークWの間隔距離(フォーカス距離Z)とは、一義的に関係づけられている。このため、格子フィルタ26の回転角度をフォーカス距離Zに置き換え、このフォーカス距離Zと積画像F2のパワーWi(コントラスト値)とは、図9のグラフに示す曲線のようになる。図9において、グラフは、横軸をフォーカス距離Zとし、縦軸をパワーWi(コントラスト値)とし、積画像F2ごとのパワーWiをプロットしたもので、これらのプロット点が回帰曲線で結ばれている。この曲線は、ピーク値を有した形状になっており、このピーク値に対応したフォーカス距離Zが、フォーカス位置を示すフォーカス距離Zfとなる。
【0056】
このようなフォーカス位置を示すフォーカス距離Zfは、積画像F2ごとのパワーWiおよびフォーカス距離Ziから、次の式で算出される。
【0057】
【数 1】
【0058】
以上のように、フォーカス位置を示すフォーカス距離Zfは、積画像F2ごとのフォーカス距離Ziに、積画像F2ごとのパワーWiを掛け、重み付け平均して算出されるため、積画像F2ごとのフォーカス距離Ziのうちの1つと、フォーカス距離Zfとが一致していなくても、精度よくフォーカス距離Zfを算出できるようになっている。
以上のST3〜ST5によって、本発明のフォーカス検出方法が構成されている。
なお、フォーカス位置算出工程ST5において、積画像F2ごとのパワーWiにピーク値が現れない場合、すなわち、撮像したフォーカス距離Zの範囲にフォーカス位置がない場合には、距離駆動手段50の制御範囲を初期化、変更して、ST2〜ST5の各工程を再度実行するようにしてもよい。
【0059】
次に、算出されたフォーカス位置(フォーカス距離Zf)に従って、CPU66は、フォーカス制御部73に指令して、距離駆動手段50を駆動し、フォーカス位置を調整し(ST6)、カメラ制御部74に指令して、撮像手段30を制御し、測定用の画像を撮像する(ST7)。
そして、撮像された画像データが画像処理部64に入力され、画像処理部64で画像処理を実行し(ST8)、画像測定結果をCRT65に表示して画像測定が終了する。
【0060】
なお、画像入力工程ST3で取得する画像情報P1は、1つに限らず、2つ以上の複数の画像情報P1を取得するように構成してもよい。複数の画像情報P1を撮像する際には、回転駆動手段40および距離駆動手段50を駆動する速度を一定にして、撮像手段30の移動距離を長くして、フォーカス距離Zの範囲を拡げてもよい。また、撮像手段30の移動距離が一定であれば、距離駆動手段50の駆動速度を遅くするか、または、回転駆動手段40の駆動速度を上げ、かつ照明装置20のフラッシュ間隔を短くすることで、画像情報P1におけるフォーカス距離Zの分割間隔を小さくしてもよい。この際、1つの画像情報P1を撮像する間に、格子フィルタ26を180度(1サイクル)ずつ回転させるようにすれば、1つの画像情報中に含まれる格子パターン26B同士の角度が重ならず、画像情報の数に応じたフォーカス検出範囲についてフォーカス検出を確実に実行できる。
そして、複数の画像情報P1は、一度の画像入力工程ST3の中で連続的に撮像可能であり、コントラスト値算出工程ST4、およびフォーカス位置算出工程ST5では、複数の画像情報P1の各々について演算処理を実行すればよい。このようにすることで、フォーカス検出可能な距離を延長して、調整範囲を拡大することができる。または、フォーカス距離Zを細かく分割することで、フォーカス検出の精度を向上させることができる。
【0061】
以上のような本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
(1)撮像手段30で撮像する画像情報P1は、多重露光により撮像されるので、距離駆動手段50により制御される撮像手段30およびワークWの間隔距離(フォーカス距離Z)について、複数位置で撮像された情報が画像情報P1に含まれている。従って、複数の距離位置で複数の画像を撮像する必要がなく、画像情報P1を撮像するための時間を短縮できる。さらに、複数の画像を画像処理する必要もないため、画像処理に掛かる時間も短縮でき、フォーカス検出を高速に実行することができる。
【0062】
(2)距離駆動手段50および回転駆動手段40が連動して駆動されるので、フォーカス距離Zに応じて、撮像した画像情報P1に含まれる格子パターン26Bのコントラストが変化し、フォーカス位置のフォーカス距離Zfに近い位置で撮像された格子パターン26Bのコントラストが高くなる。これにより、多重露光により複数の回転角度位置の格子パターン26Bが撮像された1つの画像情報P1から、コントラストの高い回転角度位置を算出することで、フォーカス位置を高精度に検出することができる。
【0063】
(3)多重露光により撮像する際に投影される格子パターン26Bの格子角度を細かくする、すなわち回転駆動手段40を制御して、所定回転角度を小さくすることが容易に実行できるので、回転角度に応じて求められるフォーカス位置の検出精度を向上させることができる。
【0064】
(4)画像測定の際にワークWを撮像する撮像手段30により、測定用画像撮像に先立ち、フォーカス検出用の画像情報P1を取得し、この画像情報P1に基づいてフォーカス位置を算出することができるので、従来の画像測定装置のようなラインセンサやコントラスト演算回路等を不要にでき、装置を簡単な構造にし、かつ小型化することができる。
【0065】
(5)画像入力工程ST3で取得した画像情報P1を、周波数変換工程ST41によって周波数領域情報F1に変換することで、所定回転角度ごとのコントラスト値を算出する処理を高速に実行できる。また、周波数領域情報F1を算出する手法として、二次元フーリエ変換(二次元FFT)を採用することで、周波数変換工程ST41における処理を高速に実行することができる。
【0066】
(6)周波数領域情報F1に変換する画像情報P1として、フォーカス検出を実行する範囲の画像情報P2のみを周波数領域へ変換するようにすれば、撮像手段30による撮像範囲全体の中で、焦点を合わせたい範囲を選択することができるので、ワークWの表面形状に凹凸がある場合でも、フォーカス検出の精度を向上させることができる。
【0067】
(7)さらに、焦点を合わせたい範囲のみについて、周波数変換工程ST41、積画像生成工程ST42、パワー積算工程ST43、およびフォーカス位置算出工程ST5を実行すればよいので、これらの処理に掛かる情報量を低減して、処理を高速化することができる。
【0068】
(8)また、照明装置20、距離駆動手段50、および回転駆動手段40に連動させて、撮像手段30の撮像動作を制御することで、画像情報P1の取得を効率よく実施することができる。さらに、これらをコンピュータ61で制御することで、各装置および手段を連動させて、確実に動作させることができ、フォーカス検出の精度を確保することができる。
【0069】
(9)照明装置20を格子フィルタ26の回転角度に対応した時間間隔でフラッシュ状に点灯することで、多重露光により取得される画像情報P1中の所定角度ごとの格子パターン26Bを、ぶれることなく鮮明に撮像することができる。
【0070】
(10)フォーカス位置を算出する演算が、コンピュータ61で実行されることで、取得された画像情報P1から瞬時にフォーカス位置を算出することができ、フォーカス検出にかかる作業効率を向上させることができる。この際、コンピュータ61のメモリ63にコントラスト値算出手順、フォーカス位置算出手順や、予め求めた格子パターン26Bの周波数フィルタ、積画像F2の生成手順等を、プログラムまたはデータとして記憶しておき、CPU66段でプログラム等を読み出して実行することで、フォーカス検出にかかる処理をさらに効率的に実施できる。
【0071】
(11)多重露光により複数位置で撮像された画像情報P1を2つ以上の複数個取得すれば、フォーカス検出可能な距離を延長して、調整範囲を拡大することができる。または、フォーカス距離Zを細かく分割することで、フォーカス検出の精度を向上させることができる。
【0072】
〔第2実施形態〕
図10(A),(B)は、第2実施形態に係る画像測定装置における装置本体部10A,10Bの概略構成を示す図である。第2実施形態の画像測定装置では、フォーカス検出用の撮像手段80が、画像測定用のCCDカメラ34と別体に設けられた点が前述の第1実施形態と相違する。それ以外の構成(照明装置20や装置制御部60)は、第1実施形態と略同様である。
【0073】
図10(A)において、撮像手段80は、光軸A上におけるハーフミラー25と集光レンズ31との間に配置されたハーフミラー81と、ハーフミラー81からの反射光の光軸上に配置されたフーリエ変換レンズ82と、フーリエ変換レンズ82を通過した光を受光する電荷結合素子83を有するCCDカメラ84とを備えて構成されている。ワークWからの反射光はハーフミラー81によって、その一部が集光レンズ31,32およびCCDカメラ34の側へ透過し、残りの一部がフーリエ変換レンズ82およびCCDカメラ84の側へ反射されるようになっている。
【0074】
図10(B)において、撮像手段80は、第1実施形態の反射ミラー24に代えて配置されたハーフミラー81と、ハーフミラー81からの透過光の光軸上に配置されたフーリエ変換レンズ82と、フーリエ変換レンズ82を通過した光を受光する電荷結合素子83を有するCCDカメラ84とを備えて構成されている。すなわち、ハーフミラー81は、照明装置20からの照明光をハーフミラー25に向かって反射するとともに、ハーフミラー25で反射されたワークWからの反射光をフーリエ変換レンズ82およびCCDカメラ84の側へ透過するようになっている。
【0075】
そして、図10(A),(B)いずれにおいても、ハーフミラー81からの光(ワークWの実像)は、フーリエ変換レンズ82に入射し、フーリエ変換された光(フーリエ変換像)として射出される。そして、このフーリエ変換された光は、フーリエ変換画像としてCCDカメラ84の電荷結合素子83で受光、撮像される。CCDカメラ84で撮像されたフーリエ変換画像は、フーリエ変換画像情報(データ)として、図示しないケーブルおよびフレームグラバを介してコンピュータに出力される。また、CCDカメラ84は、コンピュータからの指令を受けたフレームグラバから送信される外部トリガ信号(パルス)で露光制御されるようになっている。
【0076】
以上のような本実施形態の画像測定装置における画像測定方法は、図3、4のフローチャートに基づいて説明した第1実施形態の場合と略同様であり、図3中のコントラスト値算出工程ST4に含まれる周波数変換工程ST41が省略される点が相違する。すなわち、本実施形態において、フーリエ変換レンズ82を通過した光は、周波数変換された光(フーリエ変換像)となるため、第1実施形態における周波数変換工程ST41を省略することができる。
なお、本実施形態において、画像入力工程ST3において制御されるCCDカメラとは、撮像手段80が有するCCDカメラ84を意味する。
また、フーリエ変換レンズ82を用いて周波数変換を実行する本実施形態では、画像入力工程ST3における発光光源(キセノンフラッシュランプ21)をフラッシュ点灯(ST33)させなくてもよい。このため、発光光源としてフラッシュ点灯しないハロゲンランプを利用してもよい。
【0077】
以上のような本実施形態によれば、前述の(1)〜(3)、(8)〜(11)の効果と略同様の効果に加えて、次のような効果が得られる。
(12)フーリエ変換レンズ82を採用したことで、フーリエ変換レンズ82を通過したワークWの反射光がフーリエ変換画像情報としてCCDカメラ84で撮像されるので、専用の演算回路や計算機等を用いた周波数変換演算を実行しなくてもよく、演算に掛かる時間を短縮して、フォーカス検出をより高速に実行することができる。
【0078】
なお、本発明のフォーカス検出方法、フォーカス検出機構、およびフォーカス検出機構を備えた画像測定装置は、上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えることができる。
【0079】
例えば、前記実施形態では、画像測定装置1は、それぞれ別体として設けられた装置本体部10および装置制御部60を備えて構成されていたが、これに限らず、これらの装置本体部および装置制御部が一体に構成されていてもよい。また、装置本体部10には、照明装置20、撮像手段30、回転駆動手段40、距離駆動手段50が一体に設けられていたが、照明装置および回転駆動手段を一体とし、撮像手段および距離駆動手段を一体として、これらをそれぞれ別体として設けてもよい。
【0080】
また、前記実施形態では、装置制御部60が、メモリ63や画像処理部64、CPU66等を備えるコンピュータ61を備えたが、これに限らず、記憶手段や演算手段等をそれぞれ個別の機器で構成してもよい。また、装置制御部60と装置本体部10とは、ケーブル2で接続されたものに限らず、制御信号や画像データ等が無線の通信手段により送受信可能に構成されてもよい。
【0081】
また、前記実施形態では、照明装置20をフォーカス検出用として使用したが、これに限らず、格子フィルタを発光光源の前方位置に対して移動可能に設ければ落射照明としても利用可能である。また、照明装置20の発光光源としてキセノンフラッシュランプ21を採用したが、これに限らず、発光ダイオードを採用してもよい。さらに、照明装置20の発光光源がフラッシュ点灯する構成としたが、これに限らず、発光光源とワークとの間、あるいはワークと撮像手段との間にシャッター装置を設け、このシャッター装置を開閉することで、照明装置20からの照明光を断続的に遮り、格子フィルタの格子パターンを所定回転角度ごとに撮像するように構成することも可能である。このようにすれば、キセノンフラッシュランプや発光ダイオードの他に、フラッシュ点灯しないハロゲンランプを発光光源として利用できるようになる。
【0082】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明のフォーカス検出方法、フォーカス検出機構、およびこのフォーカス検出機構を備えた画像測定装置によれば、高速かつ高精度なフォーカス検出を実行できるという効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態に係る画像測定装置の概略構成を示す図である。
【図2】前記画像測定装置の構成を示すブロック図である。
【図3】前記画像測定装置における画像測定方法を示すフローチャートである。
【図4】前記画像測定方法における画像入力工程を示すフローチャートである。
【図5】前記画像測定方法のフォーカス検出時の格子フィルタ、および格子パターンが投影されたワークを模式的に示す図である。
【図6】(A)〜(D)は、前記格子パターンが投影されたワークを模式的に示す図である。
【図7】(A)、(B)は、前記フォーカス検出時に取得される画像情報、およびフォーカス検出範囲の画像情報を模式的に示す図である。
【図8】(A)、(B)は、前記フォーカス検出範囲の画像情報を周波数領域に変換した周波数領域情報、および周波数領域情報に基づいて生成される積画像を模式的に示す図である。
【図9】前記積画像のパワーをフォーカス距離についてグラフ化した図である。
【図10】(A)、(B)は、本発明の第2実施形態に係る画像測定装置の一部の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
1 画像測定装置
20 照明装置
21 ハロゲンランプ(発光光源)
26 格子フィルタ
26B 格子パターン
30,80 撮像手段
40 回転駆動手段
50 距離駆動手段
61 コンピュータ
63 メモリ(記憶手段)
66 CPU(演算手段)
71 照明制御装置(照明制御部)
72 モータ制御装置(モータ制御部)
73 フォーカス制御装置(フォーカス制御部)
74 フレームグラバ(カメラ制御部)
82 フーリエ変換レンズ
A 光軸
F1 周波数領域情報
F2 積画像
P1,P2 画像情報
ST3 画像入力工程
ST4 コントラスト値算出工程
ST41 周波数変換工程
ST42 積画像生成工程
ST43 パワー積算工程
ST5 フォーカス位置算出工程
W ワーク(被測定物)
Wi パワー
Z,Zf,Zi フォーカス距離(間隔距離)
Claims (12)
- 被測定物と交差する光軸上に設けられ当該被測定物を撮像する撮像手段を有し、撮像した画像から前記被測定物を測定する画像測定装置のフォーカス検出方法であって、
前記画像測定装置は、前記被測定物に向かって照明光を照射する発光光源を有した照明装置と、この発光光源と前記被測定物との間に設けられ、前記発光光源からの照明光を遮って当該被測定物に格子パターンを投影する格子フィルタと、この格子フィルタを回転駆動して前記被測定物に投影される格子パターンの格子角度を変更する回転駆動手段と、前記撮像手段および前記被測定物の少なくとも一方を駆動し、前記光軸に沿った互いの間隔距離を調節する距離駆動手段とを有し、
前記距離駆動手段および回転駆動手段を連動させて駆動して、所定回転角度ごとに前記格子フィルタの格子パターンを前記被測定物に投影するとともに、前記撮像手段にて、前記所定回転角度に応じた所定間隔距離ごとの前記被測定物を多重露光により撮像し、画像情報を取得する画像入力工程と、
取得した画像情報を周波数領域へ変換した周波数領域情報に基づいて、前記所定回転角度ごとのコントラスト値を算出するコントラスト値算出工程と、
前記コントラスト値が最大となる回転角度に応じた前記撮像手段および前記被測定物の間隔距離から、フォーカス位置を算出するフォーカス位置算出工程と
を備えたことを特徴とする画像測定装置のフォーカス検出方法。 - 請求項1に記載の画像測定装置のフォーカス検出方法において、
前記コントラスト値算出工程は、
前記画像入力工程において取得した画像情報を周波数領域へ変換して周波数領域情報を算出する周波数変換工程と、
変換した周波数領域情報に、予め求めた前記格子フィルタの前記所定回転角度ごとの格子パターンに関する周波数フィルタを重ね合わせて、前記所定回転角度ごとの積画像を生成する積画像生成工程と、
生成した前記所定回転角度ごとの積画像の各々について、当該積画像を構成する画素ごとのパワーを積算するパワー積算工程と
を備えたことを特徴とした画像測定装置のフォーカス検出方法。 - 請求項2に記載の画像測定装置のフォーカス検出方法において、
前記周波数変換工程にて算出される前記周波数領域情報は、二次元フーリエ変換により算出されることを特徴とした画像測定装置のフォーカス検出方法。 - 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の画像測定装置のフォーカス検出方法において、
前記画像入力工程にて取得される前記画像情報は、1つであることを特徴とした画像測定装置のフォーカス検出方法。 - 請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の画像測定装置のフォーカス検出方法において、
前記画像入力工程にて取得される前記画像情報は、2つ以上であることを特徴とした画像測定装置のフォーカス検出方法。 - 被測定物と交差する光軸上に設けられ当該被測定物を撮像する撮像手段と、
前記被測定物に向かって照明光を照射する発光光源を有した照明装置と、
この照明装置と前記被測定物との間に設けられ、前記発光光源からの照明光を遮って当該被測定物に格子パターンを投影する格子フィルタと、
この格子フィルタを回転駆動して前記被測定物に投影される格子パターンの格子角度を変更する回転駆動手段と、
前記撮像手段および前記被測定物の少なくとも一方を駆動し、前記光軸に沿った互いの間隔距離を調節する距離駆動手段と、
前記距離駆動手段および回転駆動手段を連動させて駆動して、所定回転角度ごとに前記格子フィルタの格子パターンを前記被測定物に投影するとともに、前記所定回転角度に応じた所定間隔距離ごとの前記被測定物を前記撮像手段にて多重露光により撮像し、撮像した画像情報を周波数領域へ変換した周波数領域情報に基づいて前記所定回転角度ごとのコントラスト値を算出し、このコントラスト値が最大となる回転角度に応じた前記撮像手段および前記被測定物の間隔距離から、フォーカス位置を算出するフォーカス位置算出手段と
を備えたことを特徴とするフォーカス検出機構。 - 請求項6に記載のフォーカス検出機構において、
前記フォーカス位置算出手段は、
前記取得した画像情報を周波数領域へ変換して周波数領域情報を算出し、この周波数領域情報に、予め求めた前記格子フィルタの前記所定回転角度ごとの格子パターンに関する周波数フィルタを重ね合わせて、前記所定回転角度ごとの積画像を生成し、これらの積画像の各々について、当該積画像を構成する画素ごとのパワーを積算して前記コントラスト値を算出する
ことを特徴とするフォーカス検出機構。 - 請求項6または請求項7に記載のフォーカス検出機構において、
前記撮像手段の撮像動作は、前記照明装置、距離駆動手段、および回転駆動手段と連動して制御されることを特徴とするフォーカス検出機構。 - 請求項6ないし請求項8のいずれかに記載のフォーカス検出機構において、
前記照明装置は、前記格子フィルタの前記所定回転角度に対応した時間間隔でフラッシュ状に点灯制御されることを特徴とするフォーカス検出機構。 - 被測定物と交差する光軸上に設けられ当該被測定物を撮像する撮像手段と、
この撮像手段と前記被測定物の間に設けられ、当該被測定物からの反射光を周波数変換するフーリエ変換レンズと、
前記被測定物に向かって照明光を照射する発光光源を有した照明装置と、
この照明装置と前記被測定物との間に設けられ、前記発光光源からの照明光を遮って当該被測定物に格子パターンを投影する格子フィルタと、
この格子フィルタを回転駆動して前記被測定物に投影される格子パターンの格子角度を変更する回転駆動手段と、
前記撮像手段および前記被測定物の少なくとも一方を駆動し、前記光軸に沿った互いの間隔距離を調節する距離駆動手段と、
前記距離駆動手段および回転駆動手段を連動させて駆動して、所定回転角度ごとに前記格子フィルタの格子パターンを前記被測定物に投影するとともに、前記所定回転角度に応じた所定間隔距離ごとの前記被測定物を、前記フーリエ変換レンズを介した前記撮像手段にて多重露光により撮像し、撮像したフーリエ変換画像情報に基づいて前記所定回転角度ごとのコントラスト値を算出し、このコントラスト値が最大となる回転角度に応じた前記撮像手段および前記被測定物の間隔距離から、フォーカス位置を算出するフォーカス位置算出手段と
を備えたことを特徴とするフォーカス検出機構。 - 請求項6ないし請求項10のいずれかに記載のフォーカス検出機構を備え、
前記フォーカス検出機構を構成するフォーカス位置算出手段は、記憶手段および演算手段を有したコンピュータで実行されることを特徴とする画像測定装置。 - 請求項11に記載の画像測定装置において、
前記フォーカス検出機構を構成する照明装置、距離駆動手段、および回転駆動手段の動作は、前記コンピュータで制御されることを特徴とした画像測定装置。
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