JP2005242386A - 画像プローブ - Google Patents

Abstract

【課題】 小型、軽量、着脱が容易で、撮像方向の任意設定が可能な画像プローブを提供する。
【解決手段】 ワークを撮像してその画像データを出力するＣＣＤカメラ２７と、このＣＣＤカメラ２７にワークの画像を結像させる撮像光学系２４，２５，２６と、ワークを落射照明するための照明光を発生させる半導体発光素子からなる落射照明光源３１と、この落射照明光源３１からの照明光を撮像光学系に合流させて撮像光学系を介してワークに導く照明光学系２９とを有する。これら光学部品は、シャーシ２３に取り付けられる。この測定プローブ１は、三次元測定機の測定プローブとして任意角度で使用される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ワークを撮像して得られた画像データから表面性状を測定する画像測定機に用いられる画像プローブに関し、特に三次元測定機を画像測定機として機能させるために三次元測定機の測定プローブとして用いられる画像プローブに関する。

ワークをＣＣＤカメラで直接撮像したり顕微鏡で拡大して撮像し、得られた画像データを画像処理及び演算処理することによりワークの各部の寸法を測定する画像測定機では、ワークを照明する照明光源の良否によって、収集された画像データの鮮明度等の品質が左右され、測定精度に影響を与えるという問題がある。このため、ワークを照明する光源には、ワークの特徴を忠実に捉えられるような照明光の方向性や均一性等が要求される。

現在、画像計測機の照明としては、撮像光学系を経由してワークに光を照射する落射照明と、撮像光学系の周囲からワークに光を照射するリング照明とが知られており、画像計測機では、これらを併用することが多い。いずれの方式においても、照明の光源にはハロゲンランプが用いられる。

ところで、三次元測定機を画像測定機として用いるために、三次元測定機の測定プローブとして画像プローブを用いることが従来よりなされている。しかし、従来の画像プローブは、Ｚ軸（垂直軸）に固定されるものが多く、他のタッチシグナルプローブ等との交換は容易ではなかった。その理由は、ハロゲンランプを照明として用いた画像プローブは、その寸法が大きくなってしまうからである。更に光源からの熱の影響を避けるために光源からの光をワーク近傍まで導く光ファイバが用いられることもある。従って、光源の大きさや光源の発熱、更には照明光導入路等が、着脱容易な画像プローブを実現する上での障害となっていた。更に、被測定物に対して任意方向からの撮像を可能にするためには、画像プローブの振り回し機構が必要になるが、前記の照明の問題（光源と照明光導入路）に加えて、振り回し機構の耐荷重の問題があって、画像プローブを振り回すことは困難であった。従って、プローブチェンジ可能性（着脱が容易）、撮像方向の任意設定が可能という条件を満たす画像プローブを実現することは困難であった。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、小型、軽量、着脱が容易で、撮像方向の任意設定が可能な画像プローブを提供することを目的とする。

本発明に係る画像プローブは、ワークを撮像してその画像データを出力する固体撮像素子と、この固体撮像素子に前記ワークの画像を結像させる撮像光学系と、前記ワークを落射照明するための照明光を発生させる半導体発光素子からなる落射照明光源と、この落射照明光源からの照明光を前記撮像光学系に合流させて前記撮像光学系を介して前記ワークに導く照明光学系と、これら固体撮像素子、撮像光学系、落射照明光源及び照明光学系を所定の位置関係を保ったまま支持すると共に、前記落射照明光源及び照明光学系と密着する、放熱効果がプラスチックよりも高いシャーシと、これらを収容するカバーとを備え、前記シャーシ及び／又は前記カバーは、マグネシウム合金で形成され、全体の重量が５００グラム以下であると共に、三次元測定機の三次元移動可能なプローブヘッドに測定プローブとしてマウント部又はシャンク部を介して着脱自在に取付可能なものである。

なお、前記撮像光学系は、例えば前記ワークの近傍に配置される対物レンズと、前記固体撮像素子の近傍に配置される撮像レンズと、これら対物レンズと撮像レンズとの間に光軸に対して斜めに配置されたハーフミラーとを備え、前記照明光学系は、前記落射照明光源からの照明光を前記ハーフミラーに導いて前記撮像光学系に合流させるものである。

本発明の画像プローブは、例えば三次元測定機のプローブヘッドにマウント部又はシャンク部を介して着脱自在に取り付けられる。マウント部としては、例えばプローブヘッドへの着脱によって前記落射光源及び固体撮像素子への入出力信号及び電源が接続又は切り離しされるコネクタ機能を有するものが用いられる。また、プローブヘッドにシャンク部を介して取り付けられる場合には、落射照明光源及び固体撮像素子への入出力信号及び電源と接続するためのコネクタをシャンク部とは別個に備えるようにすればよい。

本発明の好ましい実施態様では、前記撮像光学系を取り囲むように配置され前記撮像光学系の周囲から前記ワークを照射する半導体発光素子からなるリング照明光源が更に備えられ、前記落射照明光源と前記リング照明光源とが選択的に、又は同時に照明可能に構成される。前記落射照明光源及び／又は前記リング照明光源は、好ましくは前記固体撮像素子の撮像時にのみ点灯されるものである。

また、前記落射照明光源及び／又はリング照明光源からの照明光は、好ましくは拡散板を介して前記ワークを照明するものである。前記落射照明光源及び／又はリング照明光源は、例えば複数の半導体発光素子によって構成される。この場合、前記複数の半導体発光素子は、一括又はブロック毎若しくは各々独立に点灯／消灯又は明るさ制御されるものであることが望ましい。前記落射照明光源及び／又は前記リング照明光源は、例えばカートリッジ化されたものである。

本発明によれば、固体撮像素子、撮像光学系、落射照明光源及び落射光学系を所定の位置関係を保ったまま、シャーシに支持させ、これらをカバーの内側に収容するように構成されている。特に本発明では、落射照明光源が半導体発光素子から構成されるので、光源の軽量化が可能であり、しかもハロゲンランプを使用した場合よりも発熱量を遙かに小さくすることができる。また、シャーシ及び／又はカバーは、軽量で放熱効果の高いマグネシウム合金で形成されたものである。従って、本発明によれば、落射照明光源を他の部材と近接配置しても大きな問題が生じることがなく、本発明の画像プローブは、部品の配置スペースの削減による小型・軽量化（５００グラム以下）が可能である。

以下、添付の図面を参照してこの発明の好ましい実施の形態について説明する。 図１は、この発明の一実施例に係る画像プローブの外観を示す図で、同図（ａ）は正面図、同図（ｂ）は側面図である。また、図２は、図１（ａ）のＡ−Ａ線による断面図である。この画像プローブ１は、後述する光学部品等で構成される本体部１１と、この本体部１１の上端部に設けられ、図示しない三次元測定機のプローブヘッドに着脱自在に装着されるマウント部１２と、本体部１１の下端部に取り付けられたリング照明光源１３とを備えて構成されている。

本体部１１は次のように構成されている。前カバー２１と後カバー２２とで形成される筒状空間の内部には、上下方向に延びるシャーシ２３が収容され、このシャーシ２３に、各種光学部品等がその位置関係を所定の位置関係に保つようにして固定されている。シャーシ２３の下端部には、図示しないワークを捉える対物レンズ２４が配置されている。対物レンズ２４を介して本体部１１に導入されたワークからの反射光は、光学軸に対して傾斜して配置されたハーフミラー２５を通過して撮像レンズ２６で集光されてＣＣＤカメラ（固体撮像素子）２７の受光面に結像される。対物レンズ２４、ハーフミラー２５及び撮像レンズ２６で撮像光学系が構成される。

一方、ＣＣＤカメラ２７の背面位置には、落射照明光学ユニット２８が照明光を下向きに照射するように設けられている。この落射照明光学ユニット２８は、複数の半導体発光素子からなる落射照明光源３１と、この落射照明光源３１の照明光出射側に装着された集光レンズ３２、拡散板３３及びこれらを保持する筒状の胴部３４からなる照明光学ユニット３５とから構成されている。落射照明光学ユニット２８から下向きに出射された照明光は、結合光学ユニット２９に導入される。結合光学ユニット２９は、照明光学ユニット３５からの拡散された照明光の進行方向を水平方向に変換するミラー４２と、このミラー４２を介した照明光を集光するレンズ４３と、これらを保持する筒状の胴部４４とから構成されている。この結合光学ユニット２９で水平方向に進路を変換された照明光は、撮像光学系のハーフミラー２５に導かれ、ハーフミラー２５を反射して下向きに進路を変更されて対物レンズ２４を介してワークを落射照明する。照明光学ユニット３５と結合光学ユニット２９とで照明光学系が構成される。

図３は、シャーシ２３の側方断面図である。シャーシ２３は、撮像光学系を収容する上下方向に延びる空間を形成する。この空間は上下方向に３つに区画される。最も上部はＣＣＤカメラ２７の収容部５１、次が撮像レンズ２６の収容部５２、下端部はハーフミラー２５の収容部５３である。収容部５２と５３の間の位置の背面側に落射照明光学ユニット２８を保持する環状の支持部５４が突設されている。また、収容部５３の背面側には、結合光学ユニット２９が結合される孔部５５が形成されている。

図４は、落射照明光源３１の詳細を示す図で、同図（ａ）は下側から見た平面図、同図（ｂ）は側方断面図、同図（ｃ）は上面から見た平面図、同図（ｄ）は側面図である。図示のように、落射照明光源３１は、縁部が下側に立ち上がった円盤状のフレーム６１の底面に二次元的に配置された半導体発光素子である複数のＬＥＤ（発光ダイオード）６２を備えて構成されている。フレーム６１の裏側、即ち上面側には、支柱６３を介して２枚の円盤状のプリント基板６４，６５が支持されている。基板６４にはＬＥＤ６２が実装され、基板６５には、ＬＥＤ６２の駆動回路を構成する電子部品６６が実装されている。複数のＬＥＤ６２は、同図（ａ）に示すように、５つにグループ化されている。各ＬＥＤ６２に記された番号がグループの番号を示している。ＬＥＤ６２は、このグループ単位で独立して駆動可能に構成されている。

図５は、リング照明光源１３を示す図で、同図（ａ）は側方から見た部分断面図、同図（ｂ）は下方から見た平面図である。このリング照明光源１３は、縁部から下側に立ち上がり、内底部分がすり鉢状に傾斜した環状のフレーム７１と、このフレーム７１の内底部分に配置された半導体発光素子である複数のＬＥＤ７２とから構成されている。このリング照明光源１３は、図２に示すように、対物レンズ２４を取り囲み、対物レンズ２４の周囲から適切な照明範囲及び作動距離でワークを照明するため、その背面が筒状のアタッチメント７３を介してシャーシ２３の下端部に着脱可能に取り付けられるようになっている。このアタッチメント７３は、ズームレンズに用いられる既知の伸縮鏡筒構造を備えて、自動又は手動によりリング照明光源１３をワークに対して最適照明位置へ移動させる構成としても良い。

このように構成された画像プローブ１によれば、落射照明光源３１からの照明光は、拡散板３３を通って均一な明るさの照明光となり、結合光学ユニット２９で撮像光学系と混合され、対物レンズ２４を通ってワークに垂直落射照明光として照射される。ワークの画像はＣＣＤカメラ２７で撮像され、マウント部１２のコネクタを介して画像データとして外部に出力される。

落射照明光学ユニット２８の落射照明光源３５はカートリッジ化されており、一括して取付・交換が可能である。例えば落射照明光学ユニット２８をシャーシ２３の支持部５４に対して下方へスライド可能に構成しておくことにより、落射照明光源３５を容易に取り外すことが可能になる。また、落射照明光学ユニット２８自体は、シャーシ２３に密着する構造となっており、光源で発生した熱をシャーシ２３に効率良く逃がすことができる。このため、シャーシ２３及びカバー２１，２２は、例えば放熱効果がプラスチックよりも高いマグネシウム合金を使用すると良い。マグネシウム合金は、チクソモールディング法で成型加工することができる。マグネシウム合金と他の代表的なダイカスト用素材の特性を以下に示す。

[表１]
マグネシウム合金 アルミニウム合金 亜鉛合金
比重 １．８１ ２．６８ ６．６
引張り強さ（Mpa） ２４０ ３３１ ２８３
熱伝導率（W/m*k） ５１ ９６ １１３

マグネシウム合金は、０．６〜１．２ｍｍまでの薄型化が可能で、そのままで電磁波シールド性を有する。熱伝導度は、プラスチックよりも高い。マグネシウム合金によりシャーシ２３とカバー２１，２２とを成形することにより、総重量が５００グラム以下（更なる薄型化により４００グラム以下）という軽量化を実現することができ、同時に電磁波シールド性、放熱性も高めることができる。

このように本実施例の画像プローブ１は軽量であるから、図６に示すように、三次元測定機のプローブヘッド８１の先端の回転ジョイント８２の先にマウント部１２を介して装着することができる。マウント部１２は、画像プローブ１の保持とＣＣＤカメラの映像信号や照明光源の電源等を供給する。このマウント部１２を介して画像プローブ１は、プローブヘッド８１に保持され、任意の角度の回転と傾斜が与えられる。プローブヘッド８１は、三次元測定機の例えばＺ軸に保持される。従って、画像プローブ１をマウント部１２を介してプローブヘッド８１に装着することにより、各種電気信号の接続も同時になされる。なお、リング照明光源１３が付加的に用いられる場合には、図２に示すように、リング照明光源１３の電源電圧をコネクタ１４を介して供給するようにしても良い。

画像プローブ１の２つの照明光源、即ち落射照明光源３１とリング照明光源１３とは、それぞれ図７に示すように、照明制御装置９１によって調光制御される。照明制御装置９１は、落射照明光源３１とリング照明光源１３のいずれを点灯／消灯するか、両方点灯／消灯するかの制御、それらを構成するＬＥＤ６２，７２の全てを点灯／消灯・調光制御するか、又はＬＥＤ６２，７２を個々に独立に点灯／消灯・調光制御するか、又はブロック毎に点灯／消灯・調光制御するかを決定し各制御を実行する。例えば、落射照明光源３１を、図４のように５つのブロックに分割し、ブロック毎に点灯／消灯・明るさ調整を行う。リング照明光源１３も同様の制御が可能である。半導体発光素子として、ＬＥＤの他にＬＤ（レーザダイオード）を用いることもできる。半導体発光素子の発光色は赤、緑、白等の任意の色を同色で揃えて、或いは各色を組み合わせて使用することができる。複数色の発光が可能で、ワークの色に適した発光色を選択するようにしても良い。

ＣＣＤカメラ２７は、図７に示すカメラ制御装置９２によって制御される。照明制御装置９１は、カメラ制御装置９２から撮像信号を導入することにより、撮像時のみ照明光源３１，１３を点灯制御する。これにより照明光源３１，１３の発熱量を最低限に抑えることができる。照明制御装置９１とカメラ制御装置９２とは、図示しない三次元制御装置によって制御することができる。

なお、マウント部１２は、プローブヘッド８１で自動着脱させる（オートプローブチェンジ）が、この自動着脱機能を用いない場合には、マウント部１２に代えて、例えば図８に示すように、シャンク部１５を備えるようにしても良い。シャンク部１５を備えた場合には、ＣＣＤカメラ２７の画像信号や照明光源３１，１３の電源等を、別途設けたコネクタ１６によって入出力するようにすればよい。この場合には、手動操作で画像プローブ１のシャンク部１５を三次元測定機のＺ軸に取り付けた後、コネクタ１６を接続して各種電気信号の接続を行うが、これらの操作はワンタッチで行うことができ、着脱時の操作性は優れている。

以上述べた画像プローブにより、次の効果を得ることができる。
（１）従来のタッチプローブと同様の操作性でオートプローブチェンジが可能な小型・軽量の画像プローブを実現することができ、三次元測定機等による接触・非接触測定が連続・自動で行えるようになる。
（２）従来のタッチプローブと同様の操作性でプローブヘッドへ取付可能となったので、画像プローブの任意回転角度・任意傾斜角度操作が可能になり、ワークの任意方向からの測定が可能になり、ワーク測定の柔軟性を飛躍的に向上させることができる。
（３）これらの効果に加え、落射照明光源とリング照明光源とを任意に切り換えられるので、良質の画像を撮像することができ、測定精度を向上させることができる。
（４）照明光源は、撮像時のみ点灯させれば良いので、発熱を抑制することができ、撮像系への熱による精度劣化を防ぐことができ、測定精度を向上させることができる。
（５）照明光源は、複数の半導体発光素子で構成されており、各半導体発光素子は、各々独立又はブロック毎に点灯／消灯・明るさ制御することができるため、任意方向からの照明が可能になり、良質の画像が撮像可能になる。
（６）照明光源を一体化（カートリッジ化）することができるので、保守・交換作業が容易になる。
（７）シャーシ及びカバーをマグネシウム合金で形成したので、重量が５００グラム以下の交換式画像プローブを実現することができ、従来のタッチプローブと同様の操作性での測定が実現可能になる。

本発明の一実施例に係る画像プローブの外観を示す正面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。 同画像プローブの図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。 同画像プローブに使用されるシャーシの断面図である。 同画像プローブに使用される落射照明光源を示す図である。 同画像プローブに使用されるリング照明光源を示す側方部分断面図（ａ）及び下方平面図（ｂ）である。 同画像プローブが装着されるプローブヘッドを示す斜視図である。 同画像プローブの制御回路を示すブロック図である。 本発明の他の実施例に係る画像プローブの外観を示す正面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。

符号の説明

１…画像プローブ、１１…本体部、１２…マウント部、１３…リング照明光源、１４，１６…コネクタ、１５…シャンク部、２１…前カバー、２２…後カバー、２３…シャーシ、２４…対物レンズ、２５…ハーフミラー、２６…撮像レンズ、２７…ＣＣＤカメラ、２８…落射照明光学ユニット、２９…結合光学ユニット、３１…落射照明光源。

Claims (10)

1. ワークを撮像してその画像データを出力する固体撮像素子と、
   この固体撮像素子に前記ワークの画像を結像させる撮像光学系と、
   前記ワークを落射照明するための照明光を発生させる半導体発光素子からなる落射照明光源と、
   この落射照明光源からの照明光を前記撮像光学系に合流させて前記撮像光学系を介して前記ワークに導く照明光学系と、
   これら固体撮像素子、撮像光学系、落射照明光源及び照明光学系を所定の位置関係を保ったまま支持すると共に、前記落射照明光源及び照明光学系と密着する、放熱効果がプラスチックよりも高いシャーシと、
   これらを収容するカバーとを備え、
   前記シャーシ及び／又は前記カバーは、マグネシウム合金で形成され、
   全体の重量が５００グラム以下であると共に、三次元測定機の三次元移動可能なプローブヘッドに測定プローブとしてマウント部又はシャンク部を介して着脱自在に取付可能な画像プローブ。
2. 前記撮像光学系は、前記ワークの近傍に配置される対物レンズと、前記固体撮像素子の近傍に配置される撮像レンズと、これら対物レンズと撮像レンズとの間に光軸に対して斜めに配置されたハーフミラーとを備え、
   前記照明光学系は、前記落射照明光源からの照明光を前記撮像光学系のハーフミラーに導いて前記撮像光学系と合流させるものである
   ことを特徴とする請求項１記載の画像プローブ。
3. 三次元測定機のプローブヘッドに着脱自在に装着されると共に、前記プローブヘッドへの着脱によって前記落射照明光源及び固体撮像素子への入出力信号及び電源が接続又は切り離しされるコネクタ機能を有するマウント部を備えてなることを特徴とする請求項１又は２記載の画像プローブ。
4. 三次元測定機のプローブヘッドに着脱自在に装着されるシャンク部と、
   前記落射照明光源及び固体撮像素子への入出力信号及び電源と接続するためのコネクタと
   を備えてなることを特徴とする請求項１又は２記載の画像プローブ。
5. 前記撮像光学系を取り囲むように配置され、前記撮像光学系の周囲から前記ワークを照射する半導体発光素子からなるリング照明光源を備え、
   前記落射照明光源と前記リング照明光源とを選択的に、又は同時に照明可能に構成してなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の画像プローブ。
6. 前記落射照明光源及び／又は前記リング照明光源は、前記固体撮像素子の撮像時にのみ点灯されるものであることを特徴とする請求項５記載の画像プローブ。
7. 前記落射照明光源及び／又はリング照明光源からの照明光は、拡散板を介して前記ワークを照明するものである請求項１〜６のいずれか１項記載の画像プローブ。
8. 前記落射照明光源及び／又はリング照明光源は、複数の半導体発光素子から構成されることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項記載の画像プローブ。
9. 前記複数の半導体発光素子は、一括又はブロック毎若しくは各々独立に点灯／消灯又は明るさ制御されるものであることを特徴とする請求項８記載の画像プローブ。
10. 前記落射照明光源及び／又は前記リング照明光源は、カートリッジ化されたものであることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載の画像プローブ。

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