JP2003042724A - 球体の寸法測定方法と寸法測定装置 - Google Patents

球体の寸法測定方法と寸法測定装置

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JP2003042724A
JP2003042724A JP2001233164A JP2001233164A JP2003042724A JP 2003042724 A JP2003042724 A JP 2003042724A JP 2001233164 A JP2001233164 A JP 2001233164A JP 2001233164 A JP2001233164 A JP 2001233164A JP 2003042724 A JP2003042724 A JP 2003042724A
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sphere
pinhole
gauge
ccd camera
work table
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JP2001233164A
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English (en)
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Nobuyuki Yasuda
信幸 安田
Masatoshi Yasuda
正俊 安田
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Yutaka Co Ltd
Original Assignee
Yutaka Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高分解能を得るため視野を狭くしたCCDカ
メラで視野よりも大きな球体の外周部を、移動ステージ
で球体を動かしながら撮像し、画像処理して球体の直径
を移動ステージの移動誤差の影響を無くして高精度に測
定することを可能ならしめる。 【解決手段】 ワークテーブルを構成するガラス板2に
ピンホール3とピンホール中心からの距離を一定にした
固定ゲージ4を設け、ピンホール3で位置決めした球体
20と固定ゲージ4間の寸法E、F、G、HをCCDカ
メラによる直上からの撮像と画像処理を行って測定し、
予め求めたゲージボールと固定ゲージ間の距離を比較値
にして実測値との差を求め、その差をゲージボールの直
径に加減して球体の直径を割り出すようにした。

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、CCDカメラを
用いてそのカメラの視野に全体が収まらないサイズの球
体の直径を高精度に測定する球体の寸法測定方法と寸法
測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】高性能マイクロスコープやCCDカメラ
を用いた画像処理システムによる微小球体の寸法測定は
一般に実施されている。
【0003】高性能マイクロスコープは、通常100〜
150万画素、最大約240万画素CCDのペンタイプ
カメラを用いる。
【0004】これに対し、画像処理システムは、縦約5
00画素、横約500画素、総数25万画素のCCDカ
メラを使用している。画素数はマイクロスコープよりも
少ないが、このシステムの場合、1画素をそれぞれ1/
10に電気的に分割するサブピクセル処理が可能であ
り、その処理で実質画素数が2500万画素になり、マ
イクロスコープの約10倍の分解能が得られる。
【0005】今、図1においてCCDカメラの視野fv
が1mm角(1mm×1mm)とすると、サブピクセル
処理を行ったときにはその視野が縦、横それぞれ1/5
000に分割されて分解能は0.0002mmとなる。
【0006】±1ミクロンの精度を保証する場合、分解
能は0.2ミクロン程度は必要であり、視野をこれ以上
に広げるのが困難になる。
【0007】ところが、1mm角の視野で直径1mm以
上の球体を撮像すると球体の一部が視野からはみ出し、
このままでは寸法測定が行えない。
【0008】そこで、このような場合には、通常、移動
量を計測できる高性能移動ステージを利用し、球体とそ
れを保持したワークテーブルを移動させて球体の全域を
撮像し、移動ステージによる移動量と球体の画像エッジ
の位置を演算して大きさを求める方法が採られる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】上述した方法では、移
動ステージの移動量に誤差が生じ、その誤差が測定寸法
の誤差となって現れる。従って、高精度測定では極めて
精密な高性能の移動ステージが要求され、測定装置が高
価なものになってしまう。
【0010】また、移動ステージがいかに高精度でも現
状技術では移動誤差をゼロにするのは不可能であり、そ
の誤差の影響が出て測定精度が悪くなる。
【0011】そこで、この発明は、CCDカメラの視野
に全体が収まりきらないサイズの球体の寸法測定を安価
な移動ステージを用いて高精度に行えるようにすること
を課題としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明においては、ワークテーブルに球体の一部
を落ち込ませる位置決め用のピンホールとピンホール中
心から一定距離離れた固定ゲージを設け、ピンホールで
位置決めした球体の外周エッジとそれに対面した固定ゲ
ージ間の距離をCCDカメラによる直上からの撮像と画
像処理を行って計測し、その計測をCCDカメラとワー
クテーブルを相対移動させて球体の外周の複数箇所で実
施し、予め求めたゲージボールの外周エッジと固定ゲー
ジ間の距離を比較値にして実測値と比較値の差を求め、
その差をゲージボールの直径に加減して球体の直径を求
める方法を提供する。
【0013】また、この方法を実施するために、球体の
一部を落ち込ませる位置決め用のピンホールとピンホー
ル中心から一定距離離れた固定ゲージを設けたワークテ
ーブルと、ピンホールで位置決めした球体の外周の一部
とそれに対面した固定ゲージを視野に収めて直上から撮
像するCCDカメラと、このCCDカメラとワークテー
ブルを少なくとも水平一軸方向に相対移動させる移動ス
テージと、CCDカメラからの画像を処理して球体の外
周エッジとそれに対面した固定ゲージ間の距離を計測す
る画像処理装置とを備えた寸法測定装置を提供する。
【0014】なお、この装置の画像処理装置は、予め求
めたゲージボールの外周エッジと固定ゲージ間の距離を
比較値として記憶し、実測値と比較値の差とゲージボー
ルの直径から球体の直径を演算する機能をもたせたもの
が好ましい。
【0015】ワークテーブルを透明にし、そのテーブル
の裏側に透過照明用の光源を設けたものや、移動ステー
ジとして、ワークテーブル又はCCDカメラを水平直角
2軸方向に移動させるXYテーブルを用いたものは更に
好ましい。
【0016】
【作用】この発明の方法では、実測値が比較値よりも小
さければ実測値と比較値の差をゲージボールの直径に加
算し、逆に実測値が比較値よりも大きければ実測値と比
較値の差をゲージボールの直径から差し引いて球体の直
径を求め、CCDカメラとワークテーブルの相対移動量
を寸法演算のデータとして使わない。従って、視野の位
置を変える移動ステージの精度が悪くても測定には何ら
影響が出ず、非常に安価な移動ステージを使って測定装
置のコストを下げることができる。
【0017】また、移動ステージの移動誤差が測定誤差
とならないため、測定誤差は画像処理による誤差のみに
なり、測定精度と信頼性が著しく高まる。
【0018】
【発明の実施の形態】図2に、この発明の方法及び装置
に利用するワークテーブルの一例を示す。
【0019】図示のワークテーブル1は、透明ガラス板
2にピンホール3と、2組計4個の固定ゲージ4を設け
て成る。
【0020】2個の固定ゲージ4は、線L1を中心にし
てその線L1上に対向して配置され、他の2個の固定ゲ
ージ4は線L1と直交する線L2を中心にしてその線L
2上に対向して配置されている。また、ピンホール3
は、各固定ゲージ4の中心に配置され、ピンホール3の
中心から各固定ゲージ4までの距離は等しくなってい
る。
【0021】ピンホール3は、図3に示す貫通孔にする
と加工し易いが、球体20を、その一部を落ち込ませて
ホール中心に位置決めできるものであればよく、貫通孔
に限定されない。
【0022】また、固定ゲージ4は、ここでは2組を9
0°方向に変えて設けたが、2組以上のゲージを等ピッ
チの割り出し点上に対向させて配置してもよいし、ピン
ホール3と同心の1個の環状ゲージ(円形、多角形を問
わない)を用いてもよい。
【0023】この固定ゲージ4は、図3に示す高さH1
を、ガラス板2の上面からピンホール3に落ち込ませて
位置決めした球体20の中心までの高さH2に極力近づ
けたものが好ましい。CCDカメラ5から固定ゲージま
での距離と、カメラから球体20の外周エッジまでの距
離の差を小さくするほど、球体20の外周エッジから固
定ゲージ4までの距離(測定距離)がより正確に求まる
からである。
【0024】かかるワークテーブル1を使用してこの発
明の方法で球体20の寸法を測定するときには、ピンホ
ール3(その直径は例えば0.6mm)に予め所定サイ
ズのゲージボール21(図2(a)参照)をセットし、
CCDカメラによる撮像と画像処理(二値化処理)を行
ってゲージボール21の外周エッジから固定ゲージ4ま
での距離Aを求める。また、CCDカメラとワークテー
ブルを相対移動させてゲージボール21の反対側の外周
部をCCDカメラの視野に収め、ゲージボール21と対
向位置の固定ゲージ4との間の距離Bを求める。さら
に、他の固定ゲージについても同じことを行って距離
C、Dを求める。
【0025】その後、ゲージボール21に代えて測定対
象の球体20をピンホール3にセットし、今度は、その
球体の外周エッジと各ゲージ間の距離を求める。
【0026】図4において、2組のゲージボール間の寸
法Wが2.5mmに設定されているとする。この場合、
ゲージボール21の直径が例えば1.6mmであったな
ら、前述のA、B、C、Dはそれぞれ0.45mmとな
る。
【0027】一方、測定対象の球体20について測定し
た距離E、F、G、Hがそれぞれ0.25mmであった
とすると、A+B=0.9とE+F=0.5の差0.4
(球体が真球なら(C+D)と(G+H)の差も同じく
0.4)を既知のゲージボール21の直径1.6mmに
加算して球体20の直径2.0mmを求めることができ
る。
【0028】また、実測値E、F、G、Hがそれぞれ
0.75mmとなった場合は、A+B=0.9とE+F
=1.5の差0.6又はC+D=0.9とG+H=1.
5の差0.6をゲージボール21の直径1.6mmから
差し引いて球体20の直径1.0mmを求めることがで
きる。
【0029】このケースの場合、CCDカメラ5の視野
を1mm角とすると、下は1mm弱から上はほぼ2.5
mmまでのサイズの球体の直径測定が行える。
【0030】固定ゲージ4の寸法は、ワークテーブルを
交換するなどして変更でき、そのゲージ寸法を変えるこ
とで様々な球体の大きさを高精度に測定することが可能
になる。
【0031】図3の6は、ワークテーブル1の裏側に設
けられた透過照明用の光源である。透過照明を行うとエ
ッジのボケのない鮮明な画像が得られ、測定精度が良く
なる。
【0032】図5は、寸法測定装置の全体の概要を表し
ている。
【0033】7は、CCDカメラ5から画像を取り込ん
で処理する画像処理装置、8は測定値等を表示するモニ
タである。この装置の基台9上に移動ステージ(図のそ
れはXYテーブル)10が設置され、そのステージ上に
設けたボックス11に透過照明用の光源6が内蔵され、
ボックス11上に図2のワークテーブル1が線L1、L
2をステージの移動方向に向けてセットされ、そのテー
ブルの直上にCCDカメラ5が据え付けられている。1
2はカメラを支えるスタンドである。
【0034】なお、移動ステージ10は、CCDカメラ
を動かすものにしてもよい。いずれにしろ、この移動ス
テージ10は、移動距離の測定機能が無く、精度もラフ
なものでよい。
【0035】この寸法測定装置を使用すると、移動ステ
ージ10による移動誤差が例えば1ミクロンあったとし
ても、画像処理による誤差のみで球体の寸法を測定で
き、±1ミクロン程度の精度の保証が可能となる。
【0036】
【発明の効果】以上述べたように、この発明の方法及び
装置は、球体がCCDカメラの視野よりも大きくて視野
を移動させながらの測定が不可欠となる場合に安価な移
動ステージを使って移動ステージの移動誤差の影響を受
けない高精度測定を行うことができる。
【0037】既存の測定装置には、安価さと、±1ミク
ロン程度の測定精度の保証の要求を共に満たせるものが
なく、このため、高精度が要求される球体の寸法検査が
ラフになり、不良球の選別等が甘くなっていたが、この
発明の方法及び装置を用いることでその不具合を解消す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】高分解能が要求されるときのCCDカメラの視
野サイズを示す拡大図
【図2】(a)この発明で用いるワークテーブルの一例
を示す斜視図 (b)ワークテーブルに設けたピンホールと固定ゲージ
の拡大平面図
【図3】この発明の装置の要部の拡大断面図
【図4】測定原理説明用の平面図
【図5】測定装置の全体の概要を示す図
【符号の説明】
1 ワークテーブル 2 透明ガラス板 3 ピンホール 4 固定ゲージ 5 CCDカメラ 6 透過照明用光源 7 画像処理装置 8 モニタ 9 基台 10 移動ステージ(XYテーブル) 11 ボックス 12 スタンド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 2F065 AA07 AA26 BB07 DD03 FF01 FF02 FF04 FF09 FF61 HH15 JJ03 JJ09 JJ26 MM02 PP12 QQ32 RR10 SS13 UU04 UU05 5B057 AA04 CA12 CB20 CC04

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ワークテーブルに球体の一部を落ち込ま
    せる位置決め用のピンホールとピンホール中心から一定
    距離離れた固定ゲージを設け、ピンホールで位置決めし
    た球体の外周エッジとそれに対面した固定ゲージ間の距
    離をCCDカメラによる直上からの撮像と画像処理を行
    って計測し、その計測をCCDカメラとワークテーブル
    を相対移動させて球体の外周の複数箇所で実施し、予め
    求めたゲージボールの外周エッジと固定ゲージ間の距離
    を比較値にして実測値と比較値の差を求め、その差をゲ
    ージボールの直径に加減して球体の直径を求める球体の
    寸法測定方法。
  2. 【請求項2】 球体の一部を落ち込ませる位置決め用の
    ピンホールとピンホール中心から一定距離離れた固定ゲ
    ージを設けたワークテーブルと、ピンホールで位置決め
    した球体の外周の一部とそれに対面した固定ゲージを視
    野に収めて直上から撮像するCCDカメラと、このCC
    Dカメラとワークテーブルを少なくとも水平一軸方向に
    相対移動させる移動ステージと、CCDカメラからの画
    像を処理して球体の外周エッジとそれに対面した固定ゲ
    ージ間の距離を計測する画像処理装置とを備えた球体の
    寸法測定装置。
  3. 【請求項3】 画像処理装置に、予め求めたゲージボー
    ルの外周エッジと固定ゲージ間の距離を比較値として記
    憶し、実測値と比較値の差とゲージボールの直径から球
    体の直径を演算する機能をもたせた請求項2に記載の球
    体の寸法測定装置。
  4. 【請求項4】 ワークテーブルを透明にし、そのテーブ
    ルの裏側に透過照明用の光源を設けた請求項2又は3に
    記載の球体の寸法測定装置。
  5. 【請求項5】 移動ステージとして、ワークテーブル又
    はCCDカメラを水平直角2軸方向に移動させるXYテ
    ーブルを用いた請求項2乃至4のいずれかに記載の球体
    の寸法測定装置。
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