JP2012168136A - 画像測定装置、オートフォーカス制御方法及びオートフォーカス制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】安価に測定誤差を校正し高精度且つ高速なコントラスト式のオートフォーカスを実現する。
【解決手段】画像測定装置は、ワークを撮像してその画像情報を転送するカメラと、カメラの合焦位置を制御してこれをＺ軸方向の位置情報として出力する位置制御部と、画像及び位置情報に基づいてワークの画像測定を行う画像測定機とを備える。位置制御部は、カメラの所定の撮像タイミングで位置情報を取得保持し、画像測定機は、合焦軸方向に沿って移動速度及び移動方向の少なくとも一つが異なるように複数回のＡＦサーチを行い、各ＡＦサーチのカメラからの画像情報及び位置制御部からの位置情報に基づき撮像タイミングと位置情報の取得タイミングとのずれ量を求め、このずれ量に基づいてＡＦサーチで求められた合焦位置を補正する。
【選択図】図１

Description

この発明は、被測定対象を撮像して得られた画像に基づき、非接触で被測定対象の測定を行う画像測定装置、オートフォーカス制御方法及びオートフォーカス制御プログラムに関する。

画像測定装置においては、一般消費者向けのデジタルカメラ等と比較して、精密な精度が要求されると共に、用途によってはスループットが要求される。このような要件を満たし、迅速且つ高精度な測定を行うべく、自動合焦（オートフォーカス）機能を備えた三次元画像測定装置が一般に知られている（特許文献１）。

特開２００１−３１９２１９号公報

コントラスト式のオートフォーカスでは、カメラ等の撮像手段の合焦位置を徐々に変化させつつ撮像を行い、撮像した画像のコントラストに基づき合焦位置を判断している。このような方法は、例えばカメラとソフトウェアのみによる容易な構成で実現が可能であるが、カメラとソフトウェアとを繋ぐ通信方式によっては、通信の競合などによって画像転送に不確定な遅延が生じたり、撮像手段が移動しながら撮像するため実際の画像の撮像位置とこの画像の取得位置とに一定のずれが生じたりする。このため、実際に画像を取得した位置の判断ができなくなり、正確な合焦位置の取得が困難となる場合があった。また、このずれは装置の個体差などによりそれぞれ異なり、そのまま測定誤差になってしまうため個別に校正するなどの対応が必要となっていた。

この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、安価に測定誤差を校正して高精度且つ高速なコントラスト式のオートフォーカスを実現することができる画像測定装置、オートフォーカス制御方法及びオートフォーカス制御プログラムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明に係る画像測定装置は、被測定対象を撮像してその画像情報を転送する撮像手段と、前記撮像手段の合焦位置を制御してこの合焦位置を合焦軸方向の位置情報として出力する位置制御手段と、前記画像情報及び位置情報に基づいて前記被測定対象の画像測定を行う画像測定手段とを備え、前記位置制御手段は、前記撮像手段の所定の撮像タイミングで前記位置情報を取得保持し、前記画像測定手段は、前記合焦軸方向に沿って移動速度及び移動方向の少なくとも一つが異なるように複数回のオートフォーカスサーチを行い、各オートフォーカスサーチにおいて前記撮像手段から転送された画像情報と前記位置制御手段から出力された位置情報とに基づいて前記撮像タイミングと前記位置情報の取得タイミングとのずれ量を求め、求められたずれ量に基づいてオートフォーカスサーチで求められた合焦位置を補正することを特徴とする。

前記画像測定手段は、例えば前記オートフォーカスサーチにおいて、前記撮像手段から転送された画像情報と前記位置制御手段から出力された位置情報とに基づいて合焦位置を求め、これら合焦位置の誤差分と前記撮像手段の移動速度とに基づいて前記ずれ量を求める。

また、前記画像測定手段は、例えば前記ずれ量に所定の初期値を設定し、前記各オートフォーカスサーチにおいて前記ずれ量を用いて補正された合焦位置の差分から前記ずれ量を補正する補正値を求め、この補正値で前記ずれ量を補正する処理を、前記補正値が所定値よりも小さくなるまで繰り返す。

前記ずれ量は、例えば前記撮像手段を第１の移動方向及びこの第１の移動方向とは反対の第２の移動方向に同一の移動速度でそれぞれ駆動することで求められる。

また、前記ずれ量は、前記撮像手段を一の移動方向に第１の移動速度及びこの第１の移動速度とは異なる第２の移動速度でそれぞれ駆動することで求められてもよい。

更に、前記ずれ量は、前記撮像手段を第１の移動方向に第１の移動速度で駆動すると共に、前記第１の移動方向とは反対の第２の移動方向に前記第１の移動速度とは異なる第２の移動速度で駆動することで求められてもよい。

前記ずれ量は、例えば時間により表される前記撮像手段のフレームレイテンシーである。

また、前記ずれ量は、前記撮像手段の前記移動速度及び移動方向と予め前記移動速度に対応した移動距離と前記撮像手段のフレームレイテンシーとからテーブルを参照して求められる距離により表されてもよい。

本発明に係るオートフォーカス制御方法は、被測定対象を撮像してその画像情報を転送する撮像手段と、前記撮像手段の合焦位置を制御してこの合焦位置を合焦軸方向の位置情報として出力する位置制御手段と、前記画像情報及び位置情報に基づいて前記被測定対象の画像測定を行う画像測定手段とを備えた画像測定装置におけるオートフォーカス制御方法であって、前記位置制御手段によって前記撮像手段の所定の撮像タイミングで前記位置情報を取得保持する工程と、前記画像測定手段によって前記合焦軸方向に沿って移動速度及び移動方向の少なくとも一つが異なるように複数回のオートフォーカスサーチを行い、各オートフォーカスサーチにおいて前記撮像手段から転送された画像情報と前記位置制御手段から出力された位置情報とに基づいて前記撮像タイミングと前記位置情報の取得タイミングとのずれ量を求め、求められたずれ量に基づいてオートフォーカスサーチで求められた合焦位置を補正する工程とを備えたことを特徴とする。

本発明に係るオートフォーカス制御プログラムは、被測定対象を撮像してその画像情報を転送する撮像手段と、前記撮像手段の合焦位置を制御してこの合焦位置を合焦軸方向の位置情報として出力する位置制御手段と、前記画像情報及び位置情報に基づいて前記被測定対象の画像測定を行う画像測定手段とを備えた画像測定装置において実行されるオートフォーカス制御プログラムであって、コンピュータに、前記位置制御手段によって前記撮像手段の所定の撮像タイミングで前記位置情報を取得保持させる工程と、前記画像測定手段によって前記合焦軸方向に沿って移動速度及び移動方向の少なくとも一つが異なるように複数回のオートフォーカスサーチを行わせ、各オートフォーカスサーチにおいて前記撮像手段から転送された画像情報と前記位置制御手段から出力された位置情報とに基づいて前記撮像タイミングと前記位置情報の取得タイミングとのずれ量を求めさせ、求められたずれ量に基づいてオートフォーカスサーチで求められた合焦位置を補正させる工程とを実行させることを特徴とする。

本発明によれば、安価に測定誤差を校正して高精度且つ高速なコントラスト式のオートフォーカスを実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係る画像測定装置の全体構成を示す図である。 同画像測定装置の一部の構成を示すブロック図である。 同画像測定装置の一部の構成を示すブロック図である。 同画像測定装置におけるオートフォーカスの方法を示す図である。 同画像測定装置におけるオートフォーカスの方法を示すタイミングチャートである。 トリガ信号を用いたカメラマスタ方式による同画像測定装置の一部の構成を示すブロック図である。 同画像測定装置の画像取得タイミングとＺ値取得タイミングとのずれを示すタイミングチャートである。 同画像測定装置の画像取得タイミングとＺ値取得タイミングとのずれを示すタイミングチャートである。 同画像処理装置によるオートフォーカス制御処理の一部の補正値算出処理手順を示すフローチャートである。 同算出処理工程の一部を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る画像処理装置によるオートフォーカス制御処理の一部の補正値算出処理手順を示すフローチャートである。 同算出処理工程の一部を示す説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る画像測定装置において、トリガ信号を用いたカメラスレーブ方式による画像測定装置の一部の構成を示すブロック図である。 同画像測定装置の画像取得タイミングとＺ値取得タイミングとのずれを示すタイミングチャートである。 同画像測定装置の画像取得タイミングとＺ値取得タイミングとのずれを示すタイミングチャートである。

以下に、添付の図面を参照して、この発明に係る画像測定装置、オートフォーカス制御方法及びオートフォーカス制御プログラムの実施の形態を詳細に説明する。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る画像測定装置の全体構成を示すブロック図である。図２及び図３は、この画像測定装置の一部の構成を示すブロック図である。画像測定装置は、非接触型の画像測定機１と、この画像測定機１を駆動制御すると共に必要なデータ処理を実行するコンピュータシステム（以下、「ＰＣ」と呼ぶ。）２とを備えた構成されている。なお、ＰＣ２は、例えば測定結果等をプリントアウトするプリンタ４を備えている。

画像測定機１は、次のように構成されている。すなわち、試料移動手段である架台１１の上には、ワーク（被測定対象）３が載置される試料台（ステージ）１２がその上面をベース面として水平面と一致するように載置されている。架台１１は、その両側端から立設されたアーム支持体１３ａ，１３ｂの上端でＸ軸ガイド１３ｃを支持している。

試料台１２は、例えば架台１１に備えられた図示しないＹ軸駆動機構によってＹ軸方向に沿って駆動可能に構成されている。また、Ｘ軸ガイド１３ｃには、図示しないＸ軸駆動機構によってＸ軸方向に沿って駆動される撮像ユニット１４が支持されている。

撮像ユニット１４の下端には、カメラ１４１が試料台１２と対向するように装着されている。このカメラ１４１としては、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の種々のカメラを使用することが可能である。また、第１の実施形態においては、試料台１２上に配置されたワーク３を上方から撮像する方式を採用しているが、例えば床に設置されたワークを横方向から撮像するなどの他の方式を採用するようにしてもよい。

ＰＣ２は、コンピュータ本体２１と、入力手段であるキーボード２２、ジョイスティックボックス（以下、「Ｊ／Ｓ」と呼ぶ。）２３及びマウス２４と、ディスプレイの一例としてのＣＲＴ２５とを備えて構成されている。コンピュータ本体２１は、例えば図２に示すように構成されている。

すなわち、コンピュータ本体２１において、カメラ１４１から汎用のデジタルシリアル通信線としてのＵＳＢケーブル及びＵＳＢポート（図３参照）を介して転送され入力される撮像されたワーク３の画像情報は、インタフェース（以下、「Ｉ／Ｆ」と呼ぶ。）３１を介して多値画像として画像メモリ３２に格納される。

また、例えばＣＡＤデータによるオフラインティーチングが実行される場合は、図示しないＣＡＤシステムにより作成されるワーク３のＣＡＤデータは、Ｉ／Ｆ３３を介してＣＰＵ３５に入力される。ＣＰＵ３５に入力されたＣＡＤデータは、例えばＣＰＵ３５にてビットマップ等の画像情報に展開された後、画像メモリ３２に格納される。この画像メモリ３２に格納された画像情報は、表示制御部３６を介してＣＲＴ２５に表示される。

一方、キーボード２２、Ｊ／Ｓ２３及びマウス２４から入力されるコード情報や位置情報等は、Ｉ／Ｆ３４を介してＣＰＵ３５に入力される。ＣＰＵ３５は、ＲＯＭ３７に格納されたマクロプログラム及びＨＤＤ３８からＩ／Ｆ３９を介してＲＯＭ４０に格納された本発明に係るオートフォーカス（ＡＦ）制御プログラムを含む測定実行プログラムや測定結果表示プログラム等の各種プログラムに従って、測定実行処理や測定結果の表示処理等を実行する。

また、ＣＰＵ３５は、上記測定実行処理に従って、Ｉ／Ｆ４１を介して画像測定機１を駆動制御する。例えば、ＣＲＴ２５に表示されるカメラ１４１の撮像範囲外におけるワーク３の画像をＣＲＴ２５上のビデオウィンドウ２５ａ（図３参照）に表示する場合は、オペレータの操作によりＪ／Ｓ２３やマウス２４から入力された入力情報に基づき、画像測定機１のＸ，Ｙ軸駆動機構を制御して、試料台１２や撮像ユニット１４をＸ，Ｙ軸方向に相対的に移動させる。

そして、試料台１２や撮像ユニット１４が移動した位置において、後述するＺ軸駆動機構によってカメラ１４１をＺ軸方向（合焦軸方向）に沿って駆動してオートフォーカス処理を実行し、フォーカス位置（合焦位置）によりワーク３の撮像を行う。これにより、新たな撮像範囲内のワーク３の画像をＣＲＴ２５に表示する。なお、ＨＤＤ３８は、上記各種プログラムやデータ等を格納する記録媒体であり、ＲＡＭ４０は、各種プログラムを格納する他、各種処理におけるＣＰＵ３５のワーク領域を提供する。

第１の実施形態においては、画像測定機１は、図示しないコントローラを備えており、コントローラには、位置制御部１５１（図３参照）が含まれている。ＰＣ２は、例えばカメラ１４１に対してフレームレートを指定する信号や図示しない照明装置の光量を指定する信号等を送信することができるように構成されている。

カメラ１４１は、照明装置から光を照射されたワーク３をＰＣ２により指定されたフレームレートで撮像し、撮像した画像情報を上述したようにＵＳＢケーブル等を介してバルク転送によりＰＣ２に転送する。この際、位置制御部１５１からは同様にＵＳＢケーブルやＵＳＢポートを介してカメラ１４１の位置情報がＰＣ２に送信される。なお、照明装置としては、種々の照明が使用可能であり、例えばＰＷＭ制御のＬＥＤ等も用いることができる。

撮像ユニット１４は、カメラ１４１のＺ座標を検出して出力するリニアエンコーダ１４３と、カメラ１４１を測定ヘッド１４ａと共にＺ軸方向に沿って駆動するＺ軸駆動機構としてのカメラ駆動機構１４４と、カメラ駆動機構１４４を駆動するＺ軸モータ１４５十を備えている。Ｚ軸モータ１４５は、画像測定機１に備えられたパワーユニット１６を介して位置制御部１５１に接続されている。

また、リニアエンコーダ１４３は、スケール又は測定（検出）ヘッド１４ａがカメラ１４１と連動してＺ軸方向に移動するように取り付けられている。位置制御部１５１は、カメラ１４１のＺ座標を位置情報であるＺ値として取得するラッチカウンタ１５２と、取得したＺ値を例えば配列データとして保持するＺ値ラッチバッファ１５３とを備えている。

すなわち、位置制御部１５１は、後述するトリガ信号に応じてラッチカウンタ１５２がリニアエンコーダ１４３からカメラ１４１のＺ座標情報を取得し、Ｚ値ラッチバッファ１５３がこの取得したＺ座標情報をＺ値として保持するように構成されている。なお、カメラ１４１は、専用デジタル通信線である専用ＤＩＯ（デジタル入出力）ケーブルを介して位置制御部１５１と接続されている。

位置制御部１５１は、パワーユニット１６に対してＺ軸駆動命令を出力する。パワーユニット１６は、Ｚ軸モータ１４５に駆動電力を供給し、Ｚ軸モータ１４５は、カメラ駆動機構１４４によってカメラ１４１を駆動する。カメラ１４１は、上述したように任意のフレームレートでワーク３の撮像を行い、ＵＳＢケーブル等を介してＰＣ２に画像情報を転送する。

トリガ信号は、カメラ１４１及び位置制御部１５１のいずれか一方から他方に出力されるもので、第１の実施形態においては、カメラ１４１から位置制御部１５１に出力される垂直同期（Ｖｓｙｎｃ）信号がトリガ信号として用いられるカメラマスタ方式が採用される。この場合、位置制御部１５１は、この垂直同期信号を受信し、これに応じてリニアエンコーダ１４３からラッチカウンタ１５２がカメラ１４１のＺ座標を取得して、Ｚ値ラッチバッファ１５３に保持する。

これに伴い、ラッチカウンタ１５２が更新され、Ｚ値ラッチバッファ１５３に保持されたＺ値は、ＰＣ２からの読み出し命令（要求命令）に応じてＺ値配列データとしてＰＣ２に出力され、ＣＲＴ２５上のカウンタウィンドウ２５ｂ（図３参照）に表示される。なお、第１の実施形態においては、カメラ１４１をＺ軸方向に沿って駆動しているが、カメラ１４１に設けられたレンズ等の光学系を調整することによっても同様の動作が可能である。また、汎用のデジタルシリアル通信線としてＵＳＢインタフェースを使用しているが、例えばＧｉｇ−Ｅ、ＦｉｒｅＷｉｒｅ等の他のデジタルシリアル規格により通信を行うようにしてもよい。また、デジタルシリアル規格でなく、アナログ通信手段（ＮＴＳＣ出力、コンポジット出力）を用いることも可能である。アナログ通信手段を用いる場合には、ＰＣ２側は、フレームグラバを介して画像を取得する。

このように構成された画像測定装置においては、本発明に係るオートフォーカス制御方法により例えば次のようにオートフォーカス処理が実行される。図４は、画像測定装置におけるオートフォーカスの方法を示す図である。オートフォーカス処理に際して、まず、例えばカメラ１４１をワーク３に近い下方のオートフォーカス開始位置に移動させる。そして、これを上方に所定の移動速度で移動させながら一定の画像取得間隔で複数のＺ座標（Ｚ０〜Ｚ８）において撮像を行う。

その後、それぞれのＺ座標位置における画像情報からコントラストを算出することで、図４に示すようなコントラストカーブＣＵＶが得られる。こうして得られたコントラストカーブＣＵＶにおける算出された複数のコントラストの中で、最も高い数値を示したものに対応するＺ座標がフォーカス（合焦）位置と判断される。

ここで、例えば９箇所のＺ座標（Ｚ０〜Ｚ８）において撮像を行い、転送先のＰＣ２側でＺ０〜Ｚ８の画像情報をナンバリングし、それぞれのＺ座標におけるコントラスト（Ｐ０〜Ｐ８）が計算されているとする。この場合、Ｚ４の位置におけるコントラストＰ４が最も高くなる。このため、Ｚ４の位置がフォーカス位置と判断され、カメラ１４１のＺ座標はＺ合わされることとなる。

しかし、上記のように９箇所のＺ座標（Ｚ０〜Ｚ８）において撮像を行ったとしても、実際に位置制御部１５１にてラッチされるＺ値は、Ｚ値取得タイミングの遅延（すなわち、撮像期間（露光期間）の中心とＺ値の取得タイミングとのずれ量）の影響で、Ｚ座標（Ｚ０〜Ｚ８）とはずれることとなる。これにより、正確なコントラストカーブＣＵＶを得ることができなくなってしまう。第１の実施形態に係る画像測定装置では、このようなずれを予め補正して垂直同期信号に応じてＺ位置をラッチすることで、コントラストカーブＣＵＶのピーク位置を正確に算出できる構成としている。

なお、このようなコントラスト式のオートフォーカスにおいては、画像情報の出力位置を増やすことによってより正確なフォーカス位置を把握することができるが、出力位置を増やした場合、カメラ１４１からＰＣ２へ転送するデータ量が増加してしまうこととなる。上記のようにカメラ１４１とＰＣ２とはＵＳＢケーブル等によって接続されているため、画像情報の転送速度は例えば最大で４００Ｍｂｐｓ程度に制限されてしまい、オートフォーカス処理にかかる時間が増えてしまうこととなる。

このため、第１の実施形態に係る画像測定装置では、オートフォーカスの際にカメラ１４１による撮像範囲のうちの一部の画像のみを切り出してＰＣ２へ転送することによって、カメラ１４１からＰＣ２へ送信するデータ量を低減させて、フレームレートを挙げるようにしている。

この様子の概略的な全体像を、図５を参照して説明する。図５は、画像測定装置におけるオートフォーカスの方法を示すタイミングチャート、すなわちオートフォーカス時においてカメラ１４１とＰＣ２との間で通信される信号を示すタイミングチャートである。図５の上段にはＰＣ２のソフトウェア（以下、「Ｓ／Ｗ」と呼ぶ。）からカメラ１４１に送信される信号の一部を、下段にはカメラ１４１からＰＣ２のＳ／Ｗに送信される信号を示している。なお、以降において、特に明記しない限りＰＣ２及びＳ／Ｗを含めてＰＣ２と略記することとする。

まず、オートフォーカスが開始される前のライブ表示においては、カメラ１４１からＰＣ２へ、撮像範囲全ての画像情報が送信されている。このとき送信される画像は、例えば図５の左下に示すようになる。そして、タイミングＳ１においてＰＣ２からカメラ１４１へ画像出力停止命令が送信される。

カメラ１４１の画像出力が停止されると、カメラ１４１から位置制御部１５１に、ラッチカウンタ１５２をリセットする旨の命令が送信される。ラッチカウンタ１５２がリセットされると、カメラ１４１は上述したようにカメラ駆動機構１４４によりオートフォーカスサーチ開始位置まで駆動される。なお、カメラ１４１のオートフォーカスサーチ開始位置への移動後にラッチカウンタ１５２がリセットされてもよい。

タイミングＳ２においては、ＰＣ２からカメラ１４１に送信される画像の範囲が、例えば図５の中央下に示すように限定される。この際、同時に垂直同期信号を出力する旨の命令を行うことも可能である。続いて、タイミングＳ３においてＰＣ２からカメラ１４１に画像出力命令がなされ、カメラ１４１からＰＣ２へ画像情報が出力（転送）される。なお、この画像情報と共にシリアル番号情報（タイムスタンプ）が出力されてもよい。

また、タイミングＳ２において垂直同期信号を出力する旨の命令がされていた場合には、カメラ１４１から位置制御部１５１へ垂直同期信号が送信され、垂直同期信号に同期してカメラ１４１の画像取得時のＺ座標が保持される。なお、上記タイムスタンプが出力されている場合は、Ｚ座標と共に保持されてもよい。

また、垂直同期信号を使用しない場合には、後述するものの他、例えばカメラ１４１のフレームレートからカメラ１４１の撮像のタイミングを計算し、計算したタイミングでカメラ１４１のＺ座標を取得するなど、種々の異なる方式によってカメラ１４１と位置制御部１５１との同期を行うこともできる。

オートフォーカスが終了したタイミングＳ４では、ＰＣ２からカメラ１４１へ画像出力停止命令がなされる。続いて、タイミングＳ５において、オートフォーカス中のカメラ１４１の設定（画像出力範囲の指定及び垂直同期信号の出力）を解除する旨の信号が送信される。

また、位置制御部１５１には、ＰＣ２からＺ軸方向の移動停止命令、ラッチ終了（停止）命令及びラッチ数読み出し（要求）命令が送信される。位置制御部１５１は、カメラ１４１の移動を停止させ、ラッチカウンタ１５２及びＺ値ラッチバッファ１５３の動作を停止させ、ＰＣ２にラッチ数を送信する。

続いて、ＰＣ２から位置制御部１５１にラッチされたＺ値配列データの読み出し命令が行われ、位置制御部１５１からＰＣ２にＺ値ラッチバッファ１５３内のＺ値配列データ（Ｚ座標等）が送信される。ＰＣ２は、転送された画像情報とＺ座標との整合を行い、画像情報から算出したコントラストとＺ値との関係を把握する。その後、上記の方法によってフォーカス位置を判断し、カメラ１４１のＺ座標を算出したフォーカス位置まで移動させる。

最後に、タイミングＳ６においてライブ表示の画像出力を再開する旨の命令がされると、オートフォーカス動作が終了し、通常の測定が再開される。この際、カメラ１４１からＰＣ２へ転送される画像は、図５の右下に示すように、オートフォーカス開始前と同様のサイズになる。

このような方法では、オートフォーカス時にカメラ１４１からＰＣ２に転送する画像のサイズを減縮しており、ＵＳＢケーブル等の転送レートに拘わらずカメラ１４１のフレームレートを大幅に増加させることが可能となる。次に、第１の実施形態に係る垂直同期信号を用いたオートフォーカス処理での上記ずれの補正処理についてのカメラマスタ方式によるものを説明する。

図６は、垂直同期信号を用いたカメラマスタ方式による画像測定装置の一部の構成を示すブロック図である。図７及び図８は、画像測定装置の画像取得タイミングとＺ値取得タイミングとのずれを示すタイミングチャートである。また、図９は、同画像処理装置によるオートフォーカス制御処理の一部の補正値算出処理手順を示すフローチャート、図１０はこの算出処理工程の一部を示す説明図である。

なお、図６に示す構成は、上記図３において示したものと同様である。この場合においては、撮像ユニット１４のカメラ１４１からＵＳＢケーブル等を介してＰＣ２に画像情報（ｉｍａｇｅ）が転送されると共に、ワーク３の撮像完了後にカメラ１４１から専用ＤＩＯケーブルを介して位置制御部１５１に垂直同期（Ｖｓｙｎｃ）信号が出力される。そして、位置制御部１５１においてこのときのＺ座標（Ｚ位置）がラッチされる。

すなわち、図７に示すように、カメラ１４１がグローバルシャッタ方式のＣＣＤで構成された場合は、撮像による１フレームの露光期間（撮像期間）の中心（中間点）の画像取得タイミングと、実際のＺ位置取得タイミングとのずれ量（Ｆｒａｍｅ Ｌａｔｅｎｃｙ：以下、「ＦＬ」と呼ぶ。）だけ上記中心より後の露光期間の終了時にカメラ１４１から垂直同期信号が出力される。そして、位置制御部１５１においてこのときのＺ座標（Ｚ位置）がラッチされる。

一方、図８に示すように、カメラ１４１がローリングシャッタ方式のＣＭＯＳで構成された場合は、ＦＬだけ１フレームの露光期間の中心から前の１ピクセルの露光期間の終了時にカメラ１４１から垂直同期信号が出力され、位置制御部１５１においてこのときのＺ位置がラッチされる。

従って、オートフォーカス処理に際して上記ＦＬを測定してＺ値の補正値を求めてこれを用いるようにすれば、画像測定機１の構成変更や仕様変更などに影響されずにコントラストカーブＣＵＶのピーク位置を正確に算出して高精度なオートフォーカス動作を確実に行うことができる。より具体的には、ＦＬにオートフォーカス動作時のカメラ１４１の移動速度を掛けた値でＺ値を補正すればよい。

このように、第１の実施形態においては、例えばＵＳＢケーブル等を介した通信において通信競合などにより、カメラ１４１からの画像情報のＰＣ２への転送に遅延が生じたとしても、専用ＤＩＯケーブルを介して撮像完了後に出力された垂直同期信号に応じて各画像に対応するＺ位置は位置制御部１５１にてラッチされる。

また、後述するようにＦＬを測定してＺ値の補正値を算出した上で、ＰＣ２で転送された画像情報とＺ位置との整合を行えば、この補正値を用いた高精度なオートフォーカスが可能となる。このオートフォーカス動作における補正値の算出処理は、例えば次のように実行される。以下に、図９のフローチャートと共に図１０を参照しながら、第１の実施形態による補正値の算出処理について説明する。

まず、オートフォーカス動作が開始されると、図９に示すように、ＰＣ２は例えばＦＬを０にして（ステップＳ１００）、位置制御部１５１に測定ヘッド１４ａを下端のＡＦサーチ開始位置に移動させる（ステップＳ１０２）。そして、移動速度Ｖ１（例えば、３ｍｍ／ｓｅｃ）で測定ヘッド１４ａを上方に移動させてＡＦサーチを実行する（ステップＳ１０４）。

このとき、図１０の左側に示すように、カメラ１４１はワーク３から離れる上方向へ移動速度Ｖ１で移動するため、図１０の右側に示すような真の画像取得位置ＩＰからＺ位置のずれＥ１（＝Ｅ／２）ｍｍだけずれた状態でＺ値が位置制御部１５１にラッチされることとなる。

上方向へのＡＦサーチを実行したら、ＰＣ２は得られたＺ値に基づきＦＬによる補正処理も含めてコントラストカーブＣＵＶを求め、フォーカス位置Ｚｆｏｃｕｓ１を取得する（ステップＳ１０６）。次に、上方に移動した測定ヘッド１４ａを、図１０の中央に示すように、移動速度Ｖ１で下方に移動させてＡＦサーチを実行する（ステップＳ１０８）。

このとき、図１０の中央に示すように、カメラ１４１はワーク３に近付く下方向へ移動速度Ｖ１で移動するため、図１０の右側に示すような真の画像取得位置ＩＰからＺ位置のずれＥ２（＝Ｅ／２）ｍｍだけずれた状態でＺ値が位置制御部１５１にラッチされることとなる。

下方向へのＡＦサーチを実行したら、ＰＣ２は得られたＺ値に基づきＦＬによる補正処理も含めてコントラストカーブＣＵＶを求め、フォーカス位置Ｚｆｏｃｕｓ２を取得する（ステップＳ１１０）。なお、このときのフォーカス位置Ｚｆｏｃｕｓ１，２のずれは−Ｅｍｍとなる。そして、ＰＣ２は、ＦＬの補正値ＦＬｔｅｍｐを算出する（ステップＳ１１２）。補正値ＦＬｔｅｍｐは、次式により算出することができる。

［数１］
ＦＬｔｅｍｐ＝−Ｅ／（−２Ｖ１）
＝Ｅ／（２Ｖ１）
＝｛（Ｚｆｏｃｕｓ２−Ｚｆｏｃｕｓ１）／Ｖ１｝／２

そして、ＰＣ２は、算出した補正値ＦＬｔｅｍｐをＦＬに加算して新たなＦＬを設定する（ステップＳ１１４）。ＦＬを設定したら、補正値ＦＬｔｅｍｐが予め設定された基準値よりも小さいか否かを判断し（ステップＳ１１６）、小さいと判断した場合（ステップＳ１１６のＹ）は本フローチャートによる一連の処理を終了する。

一方、小さくないと判断した場合（ステップＳ１１６のＮ）は、ＡＦサーチの繰り返し数が予め設定された上限数よりも少ないか否かを判断する（ステップＳ１１８）。少ないと判断した場合（ステップＳ１１８のＹ）は、上記ステップＳ１０２に移行して処理を繰り返し、少なくないと判断した場合（ステップＳ１１８のＮ）は、ＣＲＴ２５等にエラー警告表示等を行ってエラーを報知し（ステップＳ１２０）、一連の処理を終了する。なお、ＡＦサーチの移動方向は入れ替えて実行してもよい。

このような処理で設定されたＦＬを用いてオートフォーカス制御を実行すれば、画像測定装置のパラメータ校正を自動化して安価に測定誤差を校正することができる。これと共に、画像測定機１やカメラ１４１等の構成変更や仕様変更などがあってもコントラストカーブＣＵＶのピーク位置を正確に算出して高精度なオートフォーカス動作を確実に行うことができる。

なお、ずれ量は、ＦＬのように時間として求める他、距離として求めることもできる。この場合、例えばカメラ１４１の移動速度とＦＬとから移動距離が求められるテーブルを予めＰＣ２に設けておけばよい。

［第２の実施形態］
図１１は、本発明の第２の実施形態に係る画像処理装置によるオートフォーカス制御処理の一部の補正値算出処理手順を示すフローチャートである。図１２は、算出処理工程の一部を示す説明図である。なお、以降において、既に説明した部分と重複する箇所には同一の符号を附して説明を割愛し、本発明に特に関連のない部分については説明を省略することがあるとする。

第２の実施形態に係る画像測定装置は、上記第１の実施形態に係るものと同様であり、トリガ信号として垂直同期信号を用いる点も同じであるが、ＡＦサーチの実行態様が第１の実施形態のものとは相違している。すなわち、ＡＦサーチの移動方向が同一で移動速度が異なるように実施される。第２の実施形態に係るオートフォーカス動作における補正値の算出処理は、例えば次のように実行される。以下に、図９のフローチャートと共に図１１のフローチャートを参照しつつ図１２を参照して本処理について説明する。

図９及び図１１に示すように、上記ステップＳ１００〜Ｓ１０６までの処理の後、ＰＣ２は、位置制御部１５１に測定ヘッド１４ａを下端のＡＦサーチ開始位置に再度移動させる（ステップＳ１０７）。なお、ここまでの処理においては、図１２の左側に示すように、カメラ１４１はワーク３から離れる上方向へ移動速度Ｖ１で移動し、図１２の右側に示すような真の画像取得位置ＩＰからＺ位置のずれＥ１ｍｍだけずれた状態でＺ値が位置制御部１５１にラッチされており、コントラストカーブＣＵＶに基づくフォーカス位置Ｚｆｏｃｕｓ１が取得されている。

そして、移動速度Ｖ１とは異なる移動速度Ｖ２（例えば、５ｍｍ／ｓｅｃ）で測定ヘッド１４ａを上方に移動させてＡＦサーチを実行する（ステップＳ１０９）。これにより、図１２の中央に示すように、真の画像取得位置ＩＰからＺ位置のずれＥ２ｍｍだけずれた状態でＺ値が位置制御部１５１にラッチされる。その後、上記ステップＳ１１０へ移行してフォーカス位置Ｚｆｏｃｕｓ２を取得し、図９に示す以降の処理を実行する。

なお、このときのフォーカス位置Ｚｆｏｃｕｓ１，２のずれはＥ２−Ｅ１ｍｍとなる。ＰＣ２は、上記ステップＳ１１２においてＦＬの補正値ＦＬｔｅｍｐを、例えば次式により算出する。

［数２］
ＦＬｔｅｍｐ＝（Ｅ２−Ｅ１）／（Ｖ２−Ｖ１）
＝Ｅ／（Ｖ２−Ｖ１）
＝（Ｚｆｏｃｕｓ２−Ｚｆｏｃｕｓ１）／（Ｖ２−Ｖ１）

なお、第２の実施形態においては、ＡＦサーチ時のカメラ１４１の移動方向を下から上へ向かう方向としたが、上から下へ向かう方向で実行するようにしてもよい。このようにしても画像測定装置のパラメータ校正を自動化して安価に測定誤差を校正し、コントラストカーブＣＵＶのピーク位置を正確に算出して高精度なオートフォーカス動作を確実に行うことができる。

その他、図示は省略するが、例えばＡＦサーチを、カメラ１４１を下から上へ移動速度Ｖ１で移動させると共に、上から下へ移動速度Ｖ２で移動させるようにしてＦＬを測定し、これに基づき補正値ＦＬｔｅｍｐを得てオートフォーカス動作を実行するようにしてもよい。

［第３の実施形態］
図１３は、本発明の第３の実施形態に係る画像測定装置において、トリガ信号を用いたカメラスレーブ方式による画像測定装置の一部の構成を示すブロック図である。図１４及び図１５は、画像測定装置の画像取得タイミングとＺ値取得タイミングとのずれを示すタイミングチャートである。

第３の実施形態に係る画像測定装置の構成は、上記第１及び第２の実施形態に係るものと同様であるが、図１３に示すように、トリガ信号が位置制御部１５１からカメラ１４１に専用ＤＩＯケーブルを介して出力されるカメラスレーブ方式が採用されている点が第１の実施形態のものとは相違している。

すなわち、図１４及び図１５に示すように、カメラ１４１がグローバルシャッタ方式のＣＣＤで構成された場合であっても、ローリングシャッタ方式のＣＭＯＳで構成された場合であっても、撮像による１フレームの露光期間の中心から、ＦＬだけ前の露光期間の開始時に位置制御部１５１から出力されたトリガ信号がカメラ１４１に入力される。そして、位置制御部１５１においては、トリガ信号の出力と同時にＺ位置がラッチされる。このような構成であっても画像測定装置のパラメータ校正を自動化して安価に測定誤差を校正し、コントラストカーブＣＵＶのピーク位置を正確に算出して高精度なオートフォーカス動作を確実に行うことができる。

１ 画像測定機
２ コンピュータシステム（ＰＣ）
３ ワーク（被測定対象）
４ プリンタ
１１ 架台
１２ 試料台（ステージ）
１３ａ，１３ｂ アーム支持体
１３ｃ Ｘ軸ガイド
１４ 撮像ユニット
１４ａ 測定（検出）ヘッド
１６ パワーユニット
２１ コンピュータ本体
２２ キーボード
２３ ジョイスティックボックス（Ｊ／Ｓ）
２４ マウス
２５ ＣＲＴ
１４１ カメラ
１４３ リニアエンコーダ
１４４ カメラ駆動機構
１４５ Ｚ軸モータ
１５１ 位置制御部
１５２ ラッチカウンタ
１５３ Ｚ値ラッチバッファ

Claims (10)

1. 被測定対象を撮像してその画像情報を転送する撮像手段と、
   前記撮像手段の合焦位置を制御してこの合焦位置を合焦軸方向の位置情報として出力する位置制御手段と、
   前記画像情報及び位置情報に基づいて前記被測定対象の画像測定を行う画像測定手段とを備え、
   前記位置制御手段は、前記撮像手段の所定の撮像タイミングで前記位置情報を取得保持し、
   前記画像測定手段は、前記合焦軸方向に沿って移動速度及び移動方向の少なくとも一つが異なるように複数回のオートフォーカスサーチを行い、各オートフォーカスサーチにおいて前記撮像手段から転送された画像情報と前記位置制御手段から出力された位置情報とに基づいて前記撮像タイミングと前記位置情報の取得タイミングとのずれ量を求め、求められたずれ量に基づいてオートフォーカスサーチで求められた合焦位置を補正する
   ことを特徴とする画像測定装置。
2. 前記画像測定手段は、前記オートフォーカスサーチにおいて、前記撮像手段から転送された画像情報と前記位置制御手段から出力された位置情報とに基づいて合焦位置を求め、これら合焦位置の誤差分と前記撮像手段の移動速度とに基づいて前記ずれ量を求める
   ことを特徴とする請求項１記載の画像測定装置。
3. 前記画像測定手段は、前記ずれ量に所定の初期値を設定し、前記各オートフォーカスサーチにおいて前記ずれ量を用いて補正された合焦位置の差分から前記ずれ量を補正する補正値を求め、この補正値で前記ずれ量を補正する処理を、前記補正値が所定値よりも小さくなるまで繰り返す
   ことを特徴とする請求項２記載の画像測定装置。
4. 前記ずれ量は、前記撮像手段を第１の移動方向及びこの第１の移動方向とは反対の第２の移動方向に同一の移動速度でそれぞれ駆動することで求められる
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の画像測定装置。
5. 前記ずれ量は、前記撮像手段を一の移動方向に第１の移動速度及びこの第１の移動速度とは異なる第２の移動速度でそれぞれ駆動することで求められる
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の画像測定装置。
6. 前記ずれ量は、前記撮像手段を第１の移動方向に第１の移動速度で駆動すると共に、前記第１の移動方向とは反対の第２の移動方向に前記第１の移動速度とは異なる第２の移動速度で駆動することで求められる
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の画像測定装置。
7. 前記ずれ量は、時間により表される前記撮像手段のフレームレイテンシーである
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の画像測定装置。
8. 前記ずれ量は、前記撮像手段の前記移動速度及び移動方向と予め前記移動速度に対応した移動距離と前記撮像手段のフレームレイテンシーとからテーブルを参照して求められる距離により表される
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の画像測定装置。
9. 被測定対象を撮像してその画像情報を転送する撮像手段と、前記撮像手段の合焦位置を制御してこの合焦位置を合焦軸方向の位置情報として出力する位置制御手段と、前記画像情報及び位置情報に基づいて前記被測定対象の画像測定を行う画像測定手段とを備えた画像測定装置におけるオートフォーカス制御方法であって、
   前記位置制御手段によって前記撮像手段の所定の撮像タイミングで前記位置情報を取得保持する工程と、
   前記画像測定手段によって前記合焦軸方向に沿って移動速度及び移動方向の少なくとも一つが異なるように複数回のオートフォーカスサーチを行い、各オートフォーカスサーチにおいて前記撮像手段から転送された画像情報と前記位置制御手段から出力された位置情報とに基づいて前記撮像タイミングと前記位置情報の取得タイミングとのずれ量を求め、求められたずれ量に基づいてオートフォーカスサーチで求められた合焦位置を補正する工程とを備えた
   ことを特徴とするオートフォーカス制御方法。
10. 被測定対象を撮像してその画像情報を転送する撮像手段と、前記撮像手段の合焦位置を制御してこの合焦位置を合焦軸方向の位置情報として出力する位置制御手段と、前記画像情報及び位置情報に基づいて前記被測定対象の画像測定を行う画像測定手段とを備えた画像測定装置において実行されるオートフォーカス制御プログラムであって、
    コンピュータに、
    前記位置制御手段によって前記撮像手段の所定の撮像タイミングで前記位置情報を取得保持させる工程と、
    前記画像測定手段によって前記合焦軸方向に沿って移動速度及び移動方向の少なくとも一つが異なるように複数回のオートフォーカスを行わせ、各オートフォーカスサーチにおいて前記撮像手段から転送された画像情報と前記位置制御手段から出力された位置情報とに基づいて前記撮像タイミングと前記位置情報の取得タイミングとのずれ量を求めさせ、求められたずれ量に基づいてオートフォーカスサーチで求められた合焦位置を補正させる工程とを実行させる
    ことを特徴とするオートフォーカス制御プログラム。

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