JP2001066112A - 画像計測方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ワークの複数個所を高速に測定する。 【解決手段】 撮像系３は、光学系５，６及びＣＣＤカ
メラ４を含み、ワーク２を撮像して画像データを得る。
撮像系３は、駆動モータ７によってＺ軸方向に駆動され
る。撮像系３のＺ軸方向変位は、スケールカウンタ８で
計測される。コンピュータ１０は、一定の間隔でＣＣＤ
カメラ４からの画像データとスケールカウンタ８からの
Ｚ値をメモリ１１，９にそれぞ取り込む。コントラスト
演算部１２は、撮像系３の各Ｚ軸方向の位置で得られた
画像データの複数の異なる領域のそれぞれについてコン
トラスト値を求め、これら各領域でコントラスト値が最
も高くなるときの撮像系３のＺ軸方向位置を計測値とし
て求める。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、撮像系で得られ
た画像情報のコントラスト値から計測対象に対する合焦
位置を検出し、この合焦位置に基づいて計測対象の光軸
方向の変位を測定する画像計測方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、非接触画像計測装置として、
撮像装置の受光面に計測対象であるワークの光学像を合
焦させることによって計測対象の光軸方向の変位を測定
する画像計測装置が知られている。この画像計測装置で
は、ＣＣＤ（電荷結合素子）等の撮像装置でワークを撮
像することにより得られた画像データから、画像データ
の輝度の分散に基づいてコントラスト値が求められる。
このコントラスト値が最大になるように撮像系のワーク
に対する位置が決定される。その位置に基づいて撮像系
の光軸方向の変位量が求められる。従来のこの種の画像
計測装置では、特に計測したい位置が、ウィンドウの設
定操作によって特定される。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の画像計測装置では、ワークの複数個所を測定する場
合、測定する個所の数だけウィンドウを設定して計測を
繰り返さなくてはならない。このため、測定に時間がか
かるという問題がある。

【０００４】この発明は、このような点に鑑みなされた
もので、ワークの複数個所を高速に測定することができ
る画像計測方法及び装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明の画像計測装置
は、光学系及び撮像手段を含み計測対象を撮像して画像
情報を得る撮像系と、この撮像系の前記計測対象側の焦
点位置を光軸方向に前記計測対象に対して相対移動させ
る焦点位置駆動手段と、前記撮像系の焦点位置の光軸方
向の相対変位を計測し出力する光軸方向変位計測手段
と、前記焦点位置駆動手段によって前記撮像系の焦点位
置を光軸方向に相対移動させながら各相対焦点位置で前
記撮像系によって得られた画像情報の複数の異なる領域
のそれぞれについてコントラスト値を求め、これら各領
域でコントラスト値が最も高くなるときの前記光軸方向
変位計測手段から得られる前記光軸方向の相対変位を前
記各領域毎の計測値として求める演算手段とを備えたこ
とを特徴とする。

【０００６】本発明の画像計測方法は、撮像系を計測対
象に対して初期位置まで相対移動させた後に、前記撮像
系で計測対象を撮像した状態で前記撮像系の相対焦点位
置を光軸方向に相対移動させるステップと、前記撮像系
の相対焦点位置が移動している間中、一定の時間間隔で
相対焦点位置（Ｚ値）と、前記撮像系によって得られた
画像情報の複数の異なる領域のそれぞれについてのコン
トラスト値とを取り込むステップと、前記撮像系の相対
焦点位置が終了位置まで移動したら撮像系を停止するス
テップと、前記各領域について前記撮像系の相対焦点位
置に対するコントラスト値の関係を示すコントラスト曲
線を推定するステップと、得られた各領域のコントラス
ト曲線から各領域の相対焦点位置（Ｚ値）を求めるステ
ップとを備えたことを特徴としている。

【０００７】本発明によれば、撮像系の相対焦点位置を
移動させながら、各相対焦点位置において得られる画像
情報の複数の領域のそれぞれについてコントラスト値を
求め、これら各領域でコントラスト値が最も高くなると
きの光軸方向の相対変位を各領域毎の計測値として求め
るようにしているので、撮像系の光軸方向への一回の相
対走査だけで各位置での相対変位を求めることができ、
極めて高速な測定が可能になる。

【０００８】コントラスト値を求める各領域は、その一
部が互いに重複していても良い。このように重複させる
ことにより、より多くの点の相対変位を十分なデータ量
に基づいて算出することが可能になる。また、演算手段
は、撮像系の各相対焦点位置にて得られたコントラスト
値から、撮像系の光軸方向の相対変位に対するコントラ
スト値の曲線モデルを各領域毎に推定し、これらコント
ラスト値の曲線モデルに基づいて前記各領域の光軸方向
の相対変位を求めるものであっても良い。この場合に
は、粗いサンプリングによる演算時間の短縮を図りつ
つ、推定カーブによって高い分解能を得ることができ
る。

【０００９】なお、前記撮像系は、例えば前記撮像手段
に対して前記計測対象側の焦点位置が固定であり、前記
焦点位置駆動手段は、例えば前記撮像系と前記計測対象
を前記光軸方向に相対的に移動させるものである。ま
た、前記撮像系は、前記撮像手段に対して前記計測対象
側の焦点位置が可変であり、前記撮像手段と、前記計測
対象間の相対位置を一定にした状態で、前記焦点位置駆
動手段は、前記撮像系の前記計測対象側の焦点位置を前
記光軸方向に移動させるものであっても良い。なお、計
測対象に所定のパターンを投影するパターン投影手段を
更に備えるようにすると、計測対象の表面が鏡面状態で
あっても、所定パターンの付与によって計測に十分なコ
ントラスト値を得ることができる。また、前記撮像系と
前記計測対象を前記光軸に直交する方向に相対移動させ
る移動手段を更に備えるようにすると、大型の計測対象
でもその全域を測定可能になる。更に、少なくとも前記
撮像系は、それ単独で着脱可能であるようにしても良
い。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施例を説明する。図１は、この発明の一実施例に係
る画像計測装置の構成を示すブロック図である。テーブ
ル１上に載置された計測対象となるワーク２を撮像する
ように、撮像系３が配置されている。撮像系３は、ワー
ク２を撮像するＣＣＤカメラ４と、このＣＣＤカメラ４
の撮像面にワーク２の光学像を結像する光学系であるレ
ンズ５，６とを備えている。この撮像系３は、駆動モー
タ７によって、ワーク２に対して光軸方向、即ち図中Ｚ
軸（上下）方向に駆動されるようになっている。これに
よって撮像系３のワーク２に対する焦点位置が移動す
る。撮像系３のＺ軸方向の変位量（Ｚ値）は、スケール
カウンタ８によって測定される。

【００１１】コンピュータ１０は、駆動モータ７に駆動
信号を出力すると共に、一定間隔でサンプリング信号Ｓ
Ｐを出力する。ＣＣＤカメラ４で捉えたワーク２の画像
データは、サンプリング信号ＳＰに従って画像メモリ１
１に格納される。画像メモリ１１に格納された画像デー
タは、コントラスト演算部１２に供給され、ここで領域
毎のコントラスト値が計算される。一方、スケールカウ
ンタ８から出力される変位量は、サンプリング信号ＳＰ
に従ってＺ値メモリ９に記憶される。コンピュータ１０
は、コントラスト演算部１２で演算されたコントラスト
値と、Ｚ値メモリ９に格納されたＺ値に基づいて、各領
域で最大コントラスト値が得られたＺ値を計測値として
求め、外部に出力する。なお、ワーク２の表面が例えば
鏡面状態である場合には、所定のコントラスト値が得ら
れない場合がある。そのため、この装置では、ワーク２
に対向するようにパターン投影器１３が設けられ、この
パターン投影器１３によってワーク２の表面に例えばス
トライプ状又は格子状のパターンを投影するようにして
いる。

【００１２】次に、このように構成された本実施例に係
る画像計測装置の動作について説明する。図２は、この
画像計測装置の動作原理を説明するための図である。い
ま、スケールカウンタ８によって得られる撮像系３の光
軸方向変位がＺであるときにＣＣＤカメラ４によって得
られた画像データに対して図示のようにｍ×ｎ（但し、
ｍ，ｎは任意の整数）画素からなるＭ×Ｎ個の小領域Ａ
IJを設定する。これら各小領域ＡIJでのコントラスト値
をＣIJ（Ｚ）とすると、ＣIJ（Ｚ）は次のように求めら
れる。但し、Ｐi,j（Ｚ）は、Ｚ軸変位がＺのときの小
領域ＡIJにおける位置（i,j）の画素の輝度である。

【００１３】

【数１】

【００１４】この数１により、各小領域ＡIJにおけるコ
ントラスト値ＣIJが求められる。このコントラスト値を
各Ｚ位置において求めると、図３に示すように、各小領
域ＡIJ毎及びＺ値毎のコントラスト値ＣIJ（Ｚ）が求め
られる。同じ小領域ＡIJについて、各Ｚ値に対するコン
トラスト値ＣIJをプロットすると、図４（ａ１）に示す
ような離散データが求められるので、これから最小二乗
法等の周知の曲線推定法を使用することにより、同図
（ａ２）に示すように、小領域ＡIJのコントラスト曲線
が求められる。このコントラスト曲線の最大値が得られ
るＺ軸方向の変位Ｚ1が、その小領域ＡIJのＺ軸方向の
変位の測定値である。同様に、他の小領域ＡI'J'につい
ても、同図（ｂ１）のように離散データが求められ、同
図（ｂ２）のようにコントラスト曲線が求められる。

【００１５】図５は、以上の処理を実行するためのコン
ピュータ１０の処理を示すフローチャートである。先
ず、ワーク２の性質によりパターン投影が必要かどうか
を判断し（Ｓ１）、必要な場合にはパターン投影器１３
によるパターン投影を行う（Ｓ２）。次に、撮像系３を
初期位置まで移動させた後に駆動を開始し（Ｓ３）、一
定の間隔でサンプリング信号ＳＰを出力して撮像系位置
（Ｚ値）と各領域のコントラスト値とを取り込む（Ｓ
４，Ｓ５）。これを撮像系の駆動が終了するまで続行し
（Ｓ６）、撮像系３が駆動終了位置まで移動したら撮像
系３を停止する（Ｓ７）。次に、各小領域について最小
二乗法によりコントラスト曲線の曲線モデル（数式モデ
ル）を求め（Ｓ８）、得られた各小領域のコントラスト
曲線から各小領域の焦点位置（Ｚ値）を求める（Ｓ
９）。上記曲線モデルとしては、具体的にはｎ次曲線、
双曲線などを使用することができる。

【００１６】以上の処理により、撮像系３の光軸方向の
１回の走査で、複数の領域のＺ軸方向の変位を求められ
るので、極めて高速の処理が可能になる。

【００１７】なお、各小領域の大きさを小さくすればす
るほど、求められる測定点の密度が高くなるので、より
詳細な測定結果が得られ、三次元曲面を推定することも
容易になる。しかし、その反面、コントラスト値を算出
するためのデータ量が少なくなってノイズの影響を受け
やすくなる。このため、例えば図６に示すように、領域
をＡIJ，ＡI'J'のように部分的に重複させることで、コ
ントラスト計算のための領域をあまり小さくせずに、且
つ測定点の密度を高めることも可能である。

【００１８】なお、以上の実施例では、光学系であるレ
ンズ５、６とＣＣＤカメラ４の各相対位置は固定である
ので、撮像系３としてはワーク２側の焦点位置が固定で
ある。従って、ワーク２に対してＺ軸方向へ撮像系３全
体を変位させ、撮像系３の変位量をスケールカウンター
８で求めている。これに対して、撮像系３を固定又は停
止させ、ワーク２を載置したテーブル１をＺ軸方向へ変
位させることにより、このテーブル１の変位量をスケー
ルカウンター８で求めても良い。このことにより、装置
全体の寸法や構成の違いによって適切な方を選択できる
ので、使い易さを犠牲にしない装置が実現できる。

【００１９】一方、他の実施例としては、光学系のレン
ズを可動として焦点位置を変化させることもできる。こ
の実施例においては、図１における駆動モータ７は撮像
系３を駆動するのではなく、レンズ５（フォーカスレン
ズ）のみを単独で駆動する。そして、スケールカウンタ
は撮像系３の変位量を測定するのではなく、レンズ５の
撮像系３に対する変位量を測定するように構成される。
この場合には、光学系のみで焦点位置を変化させること
ができるので、撮像系３とワーク２の相対位置が一定の
ままであっても良い。図５に示される計測手順とこの第
２の実施例との相違点は、Ｓ３において撮像系の代わり
にレンズを駆動開始すること、Ｓ４において撮像系の代
わりにレンズ位置を取り込むこと、Ｓ６において撮像系
の代わりにレンズ駆動の終了を判断すること、Ｓ７にお
いて撮像系の代わりにレンズを停止すること、であり、
その他は第１の実施例と同一である。

【００２０】第１実施例に対してこの実施例の優れてい
る点は、可動部分が撮像系全体に対して、レンズ系のみ
となるために可動重量が小さいことである。このこと
は、精密位置決めが可能である他、駆動パワーが少なく
てすむために発熱による測定環境への影響が小さいこと
を意味し、これによりこの実施例のものは、全体として
精密測定を行いたい場合に向く構成となっている。これ
に対して、第１実施例がこの実施例に対して優れている
点は、光学系の構造を比較的シンプルにできるため、経
年変化の影響を受け難く、製造コストも抑え易い点であ
る。

【００２１】なお、パターン投影機は画像計測装置の本
体と一体であっても良いが、撮像系３と一体、あるいは
撮像系３の内部に組み込まれていても良い。更に他の実
施例として、前記第１の実施例に、撮像系３とテーブル
１が光軸に対して直交する方向に相対移動可能な移動手
段を備えていても良い。例えばテーブル１としてＸＹス
テージを使用することができる。このようにすれば大型
のワークであっても全域を容易に測定可能で、全体の３
次元曲面の推定も可能となる。

【００２２】また、少なくとも撮像系３は画像計測装置
の他の構成要素に対してそれ単独で着脱可能に構成して
も良い。例えば三次元測定機において通常使用されてい
るタッチ信号プローブと同様のシャンクを備えて、この
撮像系３、又は画像計測装置自体を三次元測定機に取り
付けられるようにしても良い。このようにすれば、ワー
クの任意位置の画像計測が容易となる。更に必要に応じ
てプローブヘッドを用いて三次元測定機に取り付けれ
ば、任意角度からワークの測定が可能となる。

【００２３】

【発明の効果】以上述べたようにこの発明によれば、撮
像系の相対焦点位置を移動させながら、各相対焦点位置
において得られる画像情報の複数の領域のそれぞれにつ
いてコントラスト値を求め、これら各領域でコントラス
ト値が最も高くなるときの光軸方向の相対変位を各領域
毎の計測値として求めるようにしているので、撮像系の
光軸方向への一回の走査だけで各位置での変位を求める
ことができ、極めて高速な測定が可能になるという効果
を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施例に係る画像計測装置の構
成を示すブロック図である。

【図２】 同実施例の原理を説明するための図である。

【図３】 同実施例で得られるコントラストデータを示
す図である。

【図４】 同実施例で得られるコントラスト曲線を示す
図である。

【図５】 同実施例の装置の動作を示すフローチャート
である。

【図６】 この発明の更に他の実施例を説明するための
図である。

【符号の説明】

１…テーブル、２…ワーク、３…撮像系、４…ＣＣＤカ
メラ、５，６…レンズ、７…駆動モータ、８…スケール
カウンタ、９…Ｚ値メモリ、１０…コンピュータ、１１
…画像メモリ、１２…コントラスト演算部、１３…パタ
ーン投影器。

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光学系及び撮像手段を含み計測対象を撮
   像して画像情報を得る撮像系と、 この撮像系の前記計測対象側の焦点位置を光軸方向に前
   記計測対象に対して相対移動させる焦点位置駆動手段
   と、 前記撮像系の焦点位置の光軸方向の相対変位を計測し出
   力する光軸方向変位計測手段と、 前記焦点位置駆動手段によって前記撮像系の焦点位置を
   光軸方向に相対移動させながら各相対焦点位置で前記撮
   像系によって得られた画像情報の複数の異なる領域のそ
   れぞれについてコントラスト値を求め、これら各領域で
   コントラスト値が最も高くなるときの前記光軸方向変位
   計測手段から得られる前記光軸方向の相対変位を前記各
   領域毎の計測値として求める演算手段とを備えたことを
   特徴とする画像計測装置。
2. 【請求項２】 前記演算手段は、前記撮像系の相対焦点
   位置の光軸方向への一回の相対走査によって前記画像情
   報の各領域での計測値を求めるものであることを特徴と
   する請求項１記載の画像計測装置。
3. 【請求項３】 前記コントラスト値を求める各領域は、
   その一部が互いに重複していることを特徴とする請求項
   １又は２記載の画像計測装置。
4. 【請求項４】 前記演算手段は、前記撮像系の各相対焦
   点位置にて得られたコントラスト値から、前記撮像系の
   光軸方向の相対変位に対するコントラスト値の曲線モデ
   ルを各領域毎に推定し、これらコントラスト値の曲線モ
   デルに基づいて前記各領域の光軸方向の相対変位を求め
   るものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか
   記載の画像計測装置。
5. 【請求項５】 前記撮像系は、前記撮像手段に対して前
   記計測対象側の焦点位置が固定であり、前記焦点位置駆
   動手段は、前記撮像系と前記計測対象を前記光軸方向に
   相対的に移動させるものであることを特徴とする請求項
   １〜４のいずれか１項記載の画像計測装置。
6. 【請求項６】 前記撮像系は、前記撮像手段に対して前
   記計測対象側の焦点位置が可変であり、前記撮像手段
   と、前記計測対象間の相対位置を一定にした状態で、前
   記焦点位置駆動手段は、前記撮像系の前記計測対象側の
   焦点位置を前記光軸方向に移動させるものであることを
   特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の画像計測
   装置。
7. 【請求項７】 パターン投影手段を更に備えることを特
   徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の画像計測装
   置。
8. 【請求項８】 前記撮像系と前記計測対象を前記光軸に
   直交する方向に相対移動させる移動手段を更に備えるこ
   とを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の画像
   計測装置。
9. 【請求項９】 少なくとも前記撮像系は、それ単独で着
   脱可能であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか
   １項記載の画像計測装置。
10. 【請求項１０】 撮像系を計測対象に対して初期位置ま
    で相対移動させた後に、前記撮像系で計測対象を撮像し
    た状態で前記撮像系の相対焦点位置を光軸方向に移動さ
    せるステップと、 前記撮像系の相対焦点位置が移動している間中、一定の
    時間間隔で相対焦点位置（Ｚ値）と、前記撮像系によっ
    て得られた画像情報の複数の異なる領域のそれぞれにつ
    いてのコントラスト値とを取り込むステップと、 前記撮像系の相対焦点位置が終了位置まで移動したら撮
    像系を停止するステップと、 前記各領域について前記撮像系の相対焦点位置に対する
    コントラスト値の関係を示すコントラスト曲線を推定す
    るステップと、 得られた各領域のコントラスト曲線から各領域の相対焦
    点位置（Ｚ値）を求めるステップとを備えたことを特徴
    とする画像計測方法。
11. 【請求項１１】 前記計測対象に所定のパターンを投影
    するステップを更に備えたことを特徴とする請求項１０
    記載の画像計測方法。
12. 【請求項１２】 前記コントラスト値を求める各領域
    は、その一部が重複していることを特徴とする請求項１
    ０又は１１記載の画像計測方法。