JP7333744B2 - 高さ測定方法および高さ測定装置 - Google Patents
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Description
画像検出時に焦点位置を変化させる手段として、ワーク(被写体)とレンズとを相対移動させる構造が利用できるほか、焦点距離可変レンズを用いることができる。
このような液体共振式のレンズシステムにパルス照明装置を組み合わせ、ワークの注目部位に合焦した画像を検出する画像検出装置が開発されている(特許文献2参照)。
特許文献2の画像検出装置では、レンズシステムを駆動する駆動信号の所定の位相角にパルス照明を同期させることで、位相角に対応した焦点位置となる撮像面における単焦点画像を検出可能である。また、駆動信号の一周期内にパルス照明が同期する位相角を複数設定することで、被写体の複数焦点画像を検出可能である。
さらに、特許文献2の画像検出装置では、焦点位置を連続的に変化させたフォーカルスイープ画像(焦点走査による多重焦点重畳画像)、あるいはEDOF(拡張被写界深度、Extended Depth of Field)画像を検出可能である。
パルス照明装置は、正確なタイミングで大光量の発光性能が求められ、一般に高価になる。加えて、液体共振式の焦点距離可変レンズでは、駆動周波数が高いため、連続発光の時間幅がナノ秒単位と短く、そのような短時間に大光量を得るために高出力大電流化が必要となり、技術的な課題も増すことになる。
従って、液体共振式の焦点距離可変レンズを用いた画像検出装置で高さ測定を行う場合においても、照明装置として連続照明装置ではなくパルス照明を用いるようにすることが求められていた。
画像検出部で検出されたフォーカルスイープ画像は、PSFを用いたデコンボリューションなどの演算処理によりEDOF画像とされる。EDOF画像における拡張焦点深度(拡張被写界深度)は、元の検出画像の焦点深度に対して数倍ないし数十倍にまで拡張される。このため、レンズシステムの駆動信号の振幅を増減させ、元の検出画像の焦点深度を増減させれば、拡張焦点深度は拡張倍率に応じて明確な増減変化を生じる。
ワークの注目部位が、このような拡張焦点深度の変動範囲内にあれば、注目部位の合焦状態に基づいて、注目部位の高さを測定できる。
あるいは、拡張焦点深度を大きくした状態から小さくする際に、合焦状態から合焦状態でなくなることを判定して同様に高さを測定してもよい。
なお、注目部位の高さが拡張焦点深度の上限値または下限値のいずれであるかは、予めワークの注目部位と拡張焦点深度との概略位置関係に基づいて確定できる。例えば、EDOF画像とする前の検出画像における拡張されていない焦点深度に対して、注目部位が上下どちらにあるかを識別することで、注目部位が拡張焦点深度の上限値の側か下限値の側かを確定できる。あるいは、上述した高さ測定動作を、ワークとレンズシステムとの位置関係をずらして2回以上行うことで確定できる。
図1には、本発明の高さ測定装置の基本構成となる画像検出装置1が示されている。
画像検出装置1は、焦点距離を周期的に変化させつつ撮像領域におかれたワーク9の表面の画像を検出するものであり、当該表面に交差する同じ光軸A上に配置された対物レンズ2、レンズシステム3および画像検出部4を備えている。
さらに、画像検出装置1は、ワーク9の表面を連続照明する連続照明部5と、レンズシステム3および連続照明部5の動作を制御するレンズ制御部6と、レンズ制御部6を操作するための制御用PC7とを備えている。
レンズシステム3は、液体共振式の焦点距離可変レンズであり、レンズ制御部6から入力される駆動信号Cfに応じて屈折率が変化する。駆動信号Cfは、レンズシステム3に定在波を発生させる周波数の交流であって、正弦波状の交流信号である。
画像検出装置1において、焦点位置Pfまでの焦点距離Dfは、対物レンズ2の焦点距離を基本としつつ、レンズシステム3の屈折率を変化させることで、任意に変化させることができる。画像検出装置1においては、駆動信号Cfは正弦波状の交流信号であり、焦点位置Pfおよび焦点距離Dfも正弦波状に周期的に変動する。
連続照明部5は、LED(Light Emitting Diode)などの発光素子で構成され、レンズ制御部6の制御のもとでワーク9の表面を連続照明する。
レンズ制御部6は、レンズシステム3および連続照明部5の動作を制御するハードウェアで構成された専用ユニットであり、レンズシステム3に駆動信号Cfを出力する駆動制御部61と、連続照明部5に発光信号Ciを出力する発光制御部62と、画像検出部4に画像検出信号Ccを出力する画像検出制御部63とを有する。
画像検出制御部63は、画像検出部4に画像検出信号Ccを出力し、画像検出のオンオフを制御する。なお、画像検出オンからオフまでの期間に画像検出部4で検出された1フレーム分の検出画像Imは、制御用PC7に送られて処理される。
従って、画像検出部4で検出される検出画像Imは、焦点位置Pfの変動範囲、つまり対物レンズ2およびレンズシステム3の合焦範囲全体にわたるフォーカルスイープ画像となる。
制御用PC7は、汎用のパーソナルコンピュータで構成され、専用のソフトウェアを実行することで、所期の機能を実現している。すなわち、レンズ操作ソフトウェアを実行することで、レンズ制御部6を制御するレンズ操作部71の機能が実現される。また、画像処理ソフトウェアを実行することで、画像検出部4からの検出画像Imを処理する画像処理部72の機能が実現される。これらのレンズ操作ソフトウェアおよび画像処理ソフトウェアは、制御用PC7の表示画面および入力装置を用いた操作インターフェイス73を介してユーザが操作することができる。
そのために、画像メモリ721、画像演算部722、焦点深度調整部723、合焦判定部724、および高さ測定部725を有する。
画像メモリ721は、制御用PC7のメモリ領域に割り当てられ、画像検出部4からの検出画像Imを含む画像データ、あるいは画像処理部72で生成される各種画像データを記憶可能である。
画像演算部722、焦点深度調整部723、合焦判定部724、および高さ測定部725は、制御用PC7で実行されるソフトウェアにより構成され、本発明に基づく高さ測定手順を実行可能である。
画像検出部4による検出画像Imは、ワーク9が連続照明部5で連続照明され、かつ焦点位置Pfが駆動信号Cfに応じて周期的に変動する状態で検出されるため、スイープされる焦点位置Pfに応じた多数の画像が重畳されたフォーカルスイープ画像となる。
画像演算部722は、画像検出部4によるフォーカルスイープ画像に対して、PSFを用いたデコンボリューションを行うことで、EDOF画像を演算する。EDOF画像における拡張焦点深度(拡張被写界深度)は、元の検出画像Imの焦点深度に対して数倍ないし数十倍にまで拡張される。
図3の(A)部において、駆動信号Cfがない場合あるいは振幅=0のとき、焦点位置Pfの変動はなく、焦点深度Doはごく狭い範囲である。
図3の(C)部において、駆動信号Cfを前述した(B)部よりも大きな振幅でレンズシステム3に付与すると、焦点位置Pfの変動幅は上限値Pt2から下限値Pb2までとなり、上限値Pt2から下限値Pb2までの範囲の拡張焦点深度ED2が得られる。
合焦状態の判定には、コントラストなどを参照する既存の判定法が利用できる。
ワーク9の注目部位は、拡張焦点深度(ED1,ED2)の内側にあるとき合焦状態となり、外側にあるとき非合焦状態となる。
従って、ワーク9の注目部位が、拡張焦点深度の変動範囲内(上限値Pt1と上限値Pt2との間、下限値Pb1と下限値Pb2との間)にあれば、拡張焦点深度の増減に伴って注目部位の合焦状態が変化する。
すなわち、高さ測定部725は、焦点深度調整部723を制御して駆動信号Cfの振幅を増減させ、これにより画像演算部722で演算されるEDOF画像において拡張倍率に応じて明確な拡張焦点深度の増減変化(上限値Pt1と上限値Pt2との差、下限値Pb1と下限値Pb2との差)を生じさせる。
このような拡張焦点深度の増減変化の間に、高さ測定部725は、合焦判定部724による合焦判定を参照し、注目部位の合焦状態が変化した際(非合焦状態から合焦状態に変化した際、または合焦状態から非合焦状態に変化した際)に、その時点での拡張焦点深度の上限値または下限値を注目部位の高さとし、操作インターフェイス73を介してユーザに表示する。
図4において、測定にあたっては、高さ測定装置として用いる画像検出装置1にワーク9を設置し(処理S1)、画像検出装置1で検出される検出画像Im上でワーク9の表面の注目部位を指定しておく(処理S2)。
図5の(A)部において、ワーク9の注目部位TPがごく狭い範囲である焦点深度Doの内側にあれば、焦点位置Pfから高さを測定できるが、ワーク9の注目部位TPが焦点深度Doの外側であれば、そのままでは注目部位TPの高さは測定できない。
図5の(B)部において、ワーク9の注目部位TPが、駆動信号Cfを小さくした際の拡張焦点深度ED1と、大きくした際の拡張焦点深度ED2との変動範囲の間にあれば、ワーク9の注目部位TPの高さ測定が可能である。
ここで、高さ測定部725は、注目部位の合焦状態の変化を判定し(処理S7)、前回と合焦状態が変化していなければ、駆動信号Cfの振幅を増加させ(処理S8)、処理S4から処理S6を繰り返す。
駆動信号Cfを増して拡張焦点深度ED1から拡張焦点深度EDiを徐々に拡げてゆくと、現時点での拡張焦点深度EDiの上限値または下限値が注目部位TPを通り過ぎることで、注目部位TPが拡張焦点深度EDiの内側となり、注目部位TPは合焦判定部724において合焦状態と判定される。
その結果、注目部位TPは、前回の非合焦状態から合焦状態に変化する。
先ず、画像演算部722でのEDOF画像の演算設定を参照し、拡張焦点深度EDiの上限値および下限値を検出する(図4の処理S9)。次に、拡張焦点深度EDiの上限値および下限値のいずれかを選択し、これを注目部位TPの高さとする(処理S10)。
図5(C)部において、注目部位TPが拡張焦点深度ED1の下限値Pb1側であれば、拡張焦点深度EDiの下限値Pbiを注目部位TPの高さとして測定できる。
前述した図1ないし図6の実施形態では、拡張焦点深度ED1を小さくした状態から、拡張焦点深度EDiを徐々に大きくする際に、注目部位TPが非合焦状態から合焦状態に変化することを判定して注目部位TPの高さを測定した。
これに対し、図7に示すように、拡張焦点深度ED2を大きくした状態から、拡張焦点深度EDiを徐々に小さくする際に、注目部位TPが合焦状態から非合焦状態に変化することを判定して注目部位TPの高さを測定してもよい。
Claims (2)
- 入力される駆動信号に応じて焦点位置が変化する液体共振式のレンズシステムと、
前記駆動信号を前記レンズシステムに出力するレンズ制御部と、
ワークを連続照明する連続照明部と、
前記レンズシステムを通して前記ワークの画像を検出する画像検出部と、を有する画像検出装置を用い、
前記画像検出部で検出された検出画像からEDOF画像を演算し、
前記駆動信号の振幅を増減させて前記EDOF画像の拡張焦点深度を増減させ、
前記EDOF画像に表れる前記ワークの注目部位の合焦状態を判定し、
前記拡張焦点深度の増減に伴って前記注目部位の前記合焦状態が変化した時点での前記拡張焦点深度の上限値または下限値を前記注目部位の高さとして測定する、ことを特徴とする高さ測定方法。 - 入力される駆動信号に応じて焦点位置が変化する液体共振式のレンズシステムと、
前記駆動信号を前記レンズシステムに出力するレンズ制御部と、
ワークを連続照明する連続照明部と、
前記レンズシステムを通して前記ワークの画像を検出する画像検出部と、
前記画像検出部で検出された検出画像からEDOF画像を演算する画像演算部と、
前記駆動信号の振幅を増減させて前記EDOF画像の拡張焦点深度を増減させる焦点深度調整部と、
前記EDOF画像に表れる前記ワークの注目部位の合焦状態を判定する合焦判定部と、
前記拡張焦点深度の増減に伴って前記注目部位の前記合焦状態が変化した時点での前記拡張焦点深度の上限値または下限値を前記注目部位の高さとして測定する高さ測定部と、を有することを特徴とする高さ測定装置。
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