JP2013092409A - Shape measurement device - Google Patents

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hair
axis direction
stage
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Hirokazu Seki
寛和 関
Hiroyuki Kuroiwa
弘行 黒岩
Kenji Koremura
賢次 是村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a shape measurement device which achieves accurate measurement of a cross-sectional shape (surface contour shape) of a hair surface, and a step in a hair surface.SOLUTION: A shape measurement device comprises a confocal imaging device which includes an object lens 13 to project a scanning beam to a hair to be measured and receives light reflected from the hair so as to take a confocal picture of the hair surface, hair supporting means 15 which supports a plurality of hairs in X-axis direction as the longitudinal axial direction and supports and arranges the hairs along Y-axis direction orthogonal to X-axis at a predetermined intervals, a stage 14 and driving means thereof which is movable in X-axis direction and Y-axis direction and supports the hair supporting means, means 16 which shifts the relative distance between the object lens 13 and the stage, and a signal processing device 10 which outputs the cross-sectional image data and/or a step data to indicate the size of a step existing in the hair surface. The stage moves along a movement route configured in a zigzag form, on the basis of the number of hairs to be measured and the coordinate data of a measuring point.

Description

本発明は、毛髪の表面形状、特に毛髪表面の断面画像や毛髪表面に存在する段差の大きさを示す段差情報を出力する形状測定装置に関するものである。   The present invention relates to a shape measuring device that outputs step information indicating the surface shape of hair, in particular, a cross-sectional image of the hair surface and the size of the step existing on the hair surface.

毛髪の表面には、薄い層状の毛小皮であるキューティクルが毛根から毛先に向かって形成されている。このキューティクルは、毛髪の痛み度合いと関連しており、キューティクルが剥がれると枝毛や切れ毛の原因となる。また、キューティクルの成分は、ケラチン(タンパク質)であり、アルカリ性の溶液に溶けやすい性質がある。よって、石鹸やシャンプーは油分を落とすアクカリ性のため、シャンプーを頻繁に用いると、キューティクルが剥離する原因となるだけでなく、キューティクルの毛羽立ちやリストアップの原因となる。これに対して、シャンプーの後に用いられるリンスは酸性であり、シャンプーされた毛髪を弱酸性に戻し、油分を補う効果がある。従って、毛髪表面の断面形状や段差の大きさを測定することは、シャンプーやリンス等の化粧品の性能評価を行う上で、極めて有益な方法である。   On the surface of the hair, a cuticle, which is a thin layered cuticle, is formed from the hair root to the hair tip. This cuticle is related to the degree of pain of the hair, and when the cuticle is peeled off, it causes split ends and cut hairs. In addition, the cuticle component is keratin (protein), and is easily dissolved in an alkaline solution. Therefore, since soap and shampoo have an acupuncture property that removes oil, frequent use of shampoo not only causes peeling of the cuticle, but also causes fluffing and listing of the cuticle. On the other hand, the rinse used after shampoo is acidic, and has the effect of returning the shampooed hair to weak acidity and supplementing the oil. Therefore, measuring the cross-sectional shape of the hair surface and the size of the step is a very useful method for evaluating the performance of cosmetics such as shampoos and rinses.

毛髪表面の凹凸形状を測定する方法として、レーザ顕微鏡を用いる測定方法が既知である(例えば、特許文献1参照)。この既知の測定方法では、測定されるべき毛髪について、そのレプリカが作成され、レプリカの表面の形状がレーザ顕微鏡により観察されている。そして、レプリカを光軸方向に移動させながら画像が形成され、一走査線上の凹凸データが取得されている。
特開平5−256631号公報
As a method for measuring the uneven shape of the hair surface, a measurement method using a laser microscope is known (for example, see Patent Document 1). In this known measuring method, a replica of the hair to be measured is created, and the shape of the surface of the replica is observed with a laser microscope. An image is formed while moving the replica in the optical axis direction, and unevenness data on one scanning line is acquired.
Japanese Patent Laid-Open No. 5-256631

毛髪表面の凹凸の大きさないし段差の大きさは、0.5μm程度である。従って、毛髪のレプリカを作成し、作成されたレプリカの表面形状を測定する方法では、測定誤差に加えてレプリカ作成工程における誤差が加算されるため、最終的な誤差が大きすぎ、測定データの信頼性に問題があった。   The unevenness of the hair surface is not large, and the level of the step is about 0.5 μm. Therefore, in the method of creating a hair replica and measuring the surface shape of the created replica, the error in the replica creation process is added in addition to the measurement error. There was a problem with sex.

各種化粧品の性能評価に有益なデータを取得するには、1本の毛髪について多数の測定点について測定を行って、測定精度を高める必要がある。しかしながら、1本の毛髪について手動で測定点を位置決めしながら測定したのでは、毛髪の測定点の位置合せが煩雑であり、測定に長時間かかる不具合が発生する。   In order to acquire data useful for performance evaluation of various cosmetics, it is necessary to measure a large number of measurement points for a single hair to increase measurement accuracy. However, if measurement is performed while manually positioning the measurement points for one hair, the alignment of the measurement points of the hair is complicated, and a problem that takes a long time for measurement occurs.

さらに、測定された凹凸データについて、手動で凹部及び凸部の高さ方向の位置を計測して段差の大きさを求めたのでは、高さ測定に長時間かかり、例えば性能評価に必要なデータの取得に1週間程度かかる不具合が生じてしまう。   Furthermore, with regard to the measured unevenness data, if the heights of the recesses and protrusions were manually measured to find the size of the step, it took a long time to measure the height, for example, data necessary for performance evaluation The problem that it takes about one week to acquire is generated.

本発明の目的は、毛髪表面の断面形状(表面輪郭形状)を直接測定でき、毛髪表面の段差の大きさを高精度に測定できる形状測定装置を実現することにある。
さらに、本発明の別の目的は、1回の測定操作により複数本の毛髪について測定できると共に各毛髪について多数の測定点が設定されても短時間で測定できる形状測定装置を提供することにある。
さらに、本発明の別の目的は、毛髪の表面段差の大きさを多数の測定点について自動的に測定できる形状測定装置を実現することにある。
An object of the present invention is to realize a shape measuring apparatus capable of directly measuring the cross-sectional shape (surface contour shape) of the hair surface and measuring the size of the step on the hair surface with high accuracy.
Furthermore, another object of the present invention is to provide a shape measuring apparatus that can measure a plurality of hairs by one measurement operation and can measure in a short time even if a large number of measurement points are set for each hair. .
Furthermore, another object of the present invention is to realize a shape measuring apparatus capable of automatically measuring the size of the surface step of the hair at a large number of measurement points.

本発明による形状測定装置は、毛髪の断面輪郭形状を測定する形状測定装置であって、
測定すべき毛髪に向けて走査ビームを投射する対物レンズを含み、毛髪からの反射光を受光して毛髪表面の共焦点画像を撮像する共焦撮像装置と、
複数の毛髪を、その長手軸線方向であるX軸方向に支持すると共にX軸と直交するY軸方向そって所定の間隔で整列支持する毛髪支持手段と、
前記X軸方向及びY軸方向に移動可能に支持され、前記毛髪支持手段を支持するステージと、
前記対物レンズとステージとの間の相対距離を変化させる手段と、
前記ステージをX軸方向及びY軸方向に移動させるステージ駆動手段と、
共焦点撮像装置から出力される画像信号に基づき、毛髪表面の断面画像情報及び/又は毛髪表面に存在する段差の大きさを示す段差情報を出力する信号処理装置とを有することを特徴とする。
The shape measuring device according to the present invention is a shape measuring device for measuring the cross-sectional contour shape of hair,
A confocal imaging device that includes an objective lens that projects a scanning beam toward the hair to be measured, receives reflected light from the hair, and images a confocal image of the hair surface;
Hair support means for supporting a plurality of hairs in the X-axis direction which is the longitudinal axis direction thereof and aligning and supporting the hairs at predetermined intervals along the Y-axis direction orthogonal to the X-axis;
A stage supported so as to be movable in the X-axis direction and the Y-axis direction and supporting the hair support means;
Means for changing the relative distance between the objective lens and the stage;
Stage driving means for moving the stage in the X-axis direction and the Y-axis direction;
And a signal processing device that outputs cross-sectional image information on the hair surface and / or step information indicating the size of the step existing on the hair surface based on the image signal output from the confocal imaging device.

本発明では、光ビームにより試料表面を2次元走査する共焦点撮像装置ないし共焦点走査装置を用い、対物レンズと毛髪との間の相対距離を変えながら複数の2次元共焦点画像を撮像する。撮像された2次元共焦点画像と対物レンズと毛髪との間の相対距離情報とを用い、毛髪表面の3次元画像を形成し、3次元画像情報を用いて毛髪の長手軸線方向に沿って切って示す断面形状画像を作成する。断面形状画像を形成することにより、毛髪の長手軸線方向の位置に対する表面高さ分布を示す表面高さ分布曲線が得られる。当該表面高さ分布曲線について微分処理を行うことにより、毛髪表面に存在する段差の山の部位に対応する第1の変曲点及びその表面高さ並びに谷の部位に相当する第2の変曲点及びその高さ位置が検出される。そして、これら第1の変曲点における表面高さ位置と第2の変曲点の表面高さ位置との差分を検出することにより、毛髪表面に形成された段差ないしキューティクルの大きさが自動的に測定することができる。   In the present invention, a plurality of two-dimensional confocal images are picked up while changing the relative distance between the objective lens and the hair using a confocal imaging device or a confocal scanning device that two-dimensionally scans the sample surface with a light beam. Using the imaged two-dimensional confocal image and relative distance information between the objective lens and the hair, a three-dimensional image of the hair surface is formed, and the three-dimensional image information is used to cut along the longitudinal axis direction of the hair. A cross-sectional shape image shown in FIG. By forming the cross-sectional shape image, a surface height distribution curve indicating the surface height distribution with respect to the position in the longitudinal axis direction of the hair is obtained. By performing a differentiation process on the surface height distribution curve, the first inflection point corresponding to the stepped mountain portion existing on the hair surface, the surface height, and the second inflection corresponding to the valley portion. A point and its height position are detected. Then, by detecting the difference between the surface height position at the first inflection point and the surface height position at the second inflection point, the size of the step or cuticle formed on the hair surface is automatically determined. Can be measured.

本発明では、毛髪を整列支持する支持手段を用い、測定される複数の毛髪を X軸方向及びこれと直交するY軸方向並びにX軸及びY軸と直交するZ軸方向に整列支持する。支持手段は、X軸方向に延在すると共にY軸方向にそって所定のピッチで形成した複数の支持溝を有し、これらの支持溝内に測定すべき毛髪を配置する。そして、ステージのX及びY方向の移動を制御するステージ制御手段を設け、ステージ制御手段によりジグザグ状のステージ移動経路を設定する。操作者がキーボードのような入力装置を用いて1回の測定操作により測定される毛髪の本数及び毛髪1本当たりの測定点数を入力すると、ステージの移動経路が自動的に規定されるので、1本の毛髪当たり多数の測定点が設定されても、短時間で測定を完了することができ、測定のスループットが大幅に同大する利点が達成される。   In the present invention, the support means for aligning and supporting the hair is used to align and support the plurality of hairs to be measured in the X-axis direction, the Y-axis direction orthogonal thereto, and the Z-axis direction orthogonal to the X-axis and Y-axis. The support means has a plurality of support grooves extending in the X-axis direction and formed at a predetermined pitch along the Y-axis direction, and the hair to be measured is placed in these support grooves. Then, stage control means for controlling the movement of the stage in the X and Y directions is provided, and a zigzag stage movement path is set by the stage control means. When the operator inputs the number of hairs measured by a single measurement operation using an input device such as a keyboard and the number of measurement points per hair, the movement path of the stage is automatically defined. Even if a large number of measurement points are set per hair, the measurement can be completed in a short time, and the advantage that the measurement throughput is substantially the same is achieved.

本発明では、測定される複数の毛髪をX、Y及びZ軸方向に整列支持する支持手段を用いると共に、ステージのX及びY軸方向に沿うジグザグ状の移動経路を設定するステージ制御手段を用いているので、1回の測定操作で多数の毛髪について測定できると共に毛髪1本当たりに多数の測定点が設定されても、短時間で毛髪表面の段差を測定することが可能である。   In the present invention, a support means for aligning and supporting a plurality of hairs to be measured in the X, Y, and Z axis directions and a stage control means for setting a zigzag movement path along the X and Y axis directions of the stage are used. Therefore, it is possible to measure a large number of hairs in one measurement operation, and even if a large number of measurement points are set for each hair, it is possible to measure the step on the hair surface in a short time.

本発明による形状測定装置の光学系の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the optical system of the shape measuring apparatus by this invention. 毛髪支持手段の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a hair support means. ステージの移動経路を示す図である。It is a figure which shows the movement path | route of a stage. 毛髪の断面形状を示す表面高さ分布曲線の実測値を示すグラフである。It is a graph which shows the actual value of the surface height distribution curve which shows the cross-sectional shape of hair. 信号処理装置の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a signal processing apparatus. キューティクルごとに段差の大きさを算出するアルゴリズムを示す図である。It is a figure which shows the algorithm which calculates the magnitude | size of a level | step difference for every cuticle.

図1は本発明による形状測定装置の光学系の構成を示す線図である。本発明では、共焦点撮像装置を用いて毛髪表面の断面輪郭形状を撮像する。図1を参照するに、照明光源1として、水銀ランプを用いる。尚、キセノンランプ等の水銀ランプ以外の種々の照明光源も用いることができる。照明光源1から出射した照明ビームは、複数の光ファイバが円形に積層された光ファイババンドル2に入射し、光ファイバを伝搬して、断面がほぼ円形の発散性ビームとして出射し、フィルタ3に入射する。フィルタ3は、入射した光ビームから例えば緑の波長光(e線:波長546nm)を出射させる。フィルタから出射した光ビームは、集束性レンズ4により平行ビームに変換されてスリット5に入射する。スリット5は、集束性レンズ4の瞳位置に配置され、第1の方向(紙面と直交する方向)に延在する細長い開口部を有する。ここで、第1の方向は、毛髪の長手軸線であるX方向に対応する。スリット5の開口部の幅は、例えば10〜20μmに設定する。従って、スリット5から第1の方向に延在する細長いライン状の光ビームが出射する。このライン状の光ビームは、ビームスプリッタとして機能するハーフミラー6で反射し、リレーレンズ7を経て走査装置として機能する振動ミラー8に入射する。   FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical system of a shape measuring apparatus according to the present invention. In this invention, the cross-sectional outline shape of the hair surface is imaged using a confocal imaging device. Referring to FIG. 1, a mercury lamp is used as the illumination light source 1. Various illumination light sources other than mercury lamps such as xenon lamps can also be used. The illumination beam emitted from the illumination light source 1 is incident on an optical fiber bundle 2 in which a plurality of optical fibers are stacked in a circle, propagates through the optical fiber, and is emitted as a divergent beam having a substantially circular cross section. Incident. The filter 3 emits, for example, green wavelength light (e line: wavelength 546 nm) from the incident light beam. The light beam emitted from the filter is converted into a parallel beam by the converging lens 4 and enters the slit 5. The slit 5 is disposed at the pupil position of the converging lens 4 and has an elongated opening extending in a first direction (a direction orthogonal to the paper surface). Here, the first direction corresponds to the X direction which is the longitudinal axis of the hair. The width of the opening of the slit 5 is set to 10 to 20 μm, for example. Therefore, an elongated line-shaped light beam extending in the first direction is emitted from the slit 5. This line-shaped light beam is reflected by the half mirror 6 that functions as a beam splitter, and enters a vibrating mirror 8 that functions as a scanning device via a relay lens 7.

振動ミラー8には、駆動回路9が接続され、駆動回路9は信号処理装置10から供給される制御信号に基づき振動ミラーを駆動する。振動ミラー8は、所定の偏向角度だけ回動し、入射するライン状の光ビームを第1の方向と直交する第2の方向(Y方向)に偏向するビーム走査装置として機能する。信号処理装置10は、振動ミラーの回転角度情報に基づいて、光ビームのY方向の位置情報を取得する。尚、振動ミラーの代りに、ポリゴンミラー等の他の走査装置を用いることも可能である。振動ミラー8から出射したライン状の光ビームは、リレーレンズ11及び12を経て対物レンズ13に入射する。   A drive circuit 9 is connected to the vibration mirror 8, and the drive circuit 9 drives the vibration mirror based on a control signal supplied from the signal processing device 10. The oscillating mirror 8 functions as a beam scanning device that rotates by a predetermined deflection angle and deflects an incident line-shaped light beam in a second direction (Y direction) orthogonal to the first direction. The signal processing device 10 acquires position information in the Y direction of the light beam based on the rotation angle information of the vibrating mirror. Note that other scanning devices such as a polygon mirror may be used instead of the vibrating mirror. The line-shaped light beam emitted from the vibrating mirror 8 enters the objective lens 13 through the relay lenses 11 and 12.

対物レンズ13は、入射したライン状の光ビームを集束し、ステージ14に配置したプレート状の毛髪支持部材15上に整列支持される毛髪に向けて投射する。従って、毛髪の表面は、第1の方向(X方向)に延在するライン状の光ビームにより、直交する第2の方向(Y方向)に走査される。   The objective lens 13 focuses the incident line-shaped light beam and projects it toward the hair that is aligned and supported on the plate-like hair support member 15 disposed on the stage 14. Therefore, the surface of the hair is scanned in the second direction (Y direction) orthogonal to the linear light beam extending in the first direction (X direction).

対物レンズ13にはモータ16が連結され、信号処理装置10から供給される駆動制御信号により光軸方向に沿って移動することができる。対物レンズの光軸方向の位置は位置センサ17により検出され、信号処理装置10に供給される。ここで、モータ16は、対物レンズとステージ上の毛髪との間の光軸方向の相対距離、すなわち、光ビームの集束点と毛髪との間の相対距離を変化させる手段として機能する。尚、対物レンズは、例えば10nmの分解能で光軸方向に移動することができる。   A motor 16 is connected to the objective lens 13 and can be moved along the optical axis direction by a drive control signal supplied from the signal processing device 10. The position of the objective lens in the optical axis direction is detected by the position sensor 17 and supplied to the signal processing device 10. Here, the motor 16 functions as means for changing the relative distance in the optical axis direction between the objective lens and the hair on the stage, that is, the relative distance between the focal point of the light beam and the hair. The objective lens can move in the optical axis direction with a resolution of 10 nm, for example.

共焦点走査装置の特性より、対物レンズ13を光軸方向に移動させながら振動ミラー8を駆動して毛髪の表面の2次元共焦点画像を複数回撮像し、各画素毎に最大輝度値を発生する光軸方向の位置を検出することにより、毛髪表面の3次元形状情報(3次元画像)を取得することができる。また、取得した3次元形状情報に基づき、毛髪の表面形状を断面として示す表面輪郭形状(断面形状情報)を取得することができる。   Due to the characteristics of the confocal scanning device, the oscillating mirror 8 is driven while moving the objective lens 13 in the optical axis direction, and a two-dimensional confocal image of the hair surface is taken a plurality of times, and a maximum luminance value is generated for each pixel. By detecting the position in the optical axis direction, the three-dimensional shape information (three-dimensional image) of the hair surface can be acquired. Moreover, based on the acquired three-dimensional shape information, a surface contour shape (cross-sectional shape information) indicating the surface shape of the hair as a cross section can be acquired.

ステージ14は、XYステージにより構成され、信号処理装置10から供給される駆動信号に基づきX軸方向及びY軸方向に自在に移動する。また、ステージのX及びY方向の位置情報は、ステージ位置センサ18により検出され、ステージの位置情報として信号処理装置10に供給される。後述するように、ステージ14はX方向及びY方向にジッグザッグ状に移動し、1回の一連の撮像操作により複数本の毛髪について設定された複数の測定点の3次元画像を撮像する。尚、信号処理装置10は、画像情報を処理する処理装置として機能すると共にステージの移動を制御するステージ制御手段としても機能する。ステージの移動を制御するステージ制御手段として、信号処理装置10は別にコントローラを設けることも可能である。   The stage 14 is constituted by an XY stage, and freely moves in the X-axis direction and the Y-axis direction based on a drive signal supplied from the signal processing device 10. Further, the position information of the stage in the X and Y directions is detected by the stage position sensor 18 and supplied to the signal processing apparatus 10 as the position information of the stage. As will be described later, the stage 14 moves in a zigzag manner in the X direction and the Y direction, and captures a three-dimensional image of a plurality of measurement points set for a plurality of hairs by a series of imaging operations. The signal processing apparatus 10 functions as a processing apparatus that processes image information and also functions as a stage control unit that controls the movement of the stage. As a stage control means for controlling the movement of the stage, the signal processing apparatus 10 can be provided with a separate controller.

測定されるべき毛髪は、毛髪支持部材15上にX及びY方向に整列支持する。毛髪からの反射ビームは、対物レンズ13により集光され、リレーレンズ12及び11を経て振動ミラー8に入射し、振動ミラーによりデスキャンされる。振動ミラー8から出射した反射ビームは、結像レンズとして作用するレンズ7を通過し、ハーフミラー6を透過し、ポジショナ19を経てリニアイメージセンサ20に入射する。リニアイメージセンサ20は、第1の方向(X軸方向)と対応する方向に配列された複数の受光素子を有し、入射したライン状の反射ビームを受光する。リニアイメージセンサのライン状に配列された受光素子列は、枠により入射開口が制限されているから、各受光素子の前面にピンホールが配置されているものとほぼ同等である。従って、毛髪からの反射光をリニアイメージセンサにより受光することにより、共焦点光学系が構成される。   The hair to be measured is aligned and supported on the hair support member 15 in the X and Y directions. The reflected beam from the hair is collected by the objective lens 13, enters the vibrating mirror 8 through the relay lenses 12 and 11, and is descanned by the vibrating mirror. The reflected beam emitted from the vibrating mirror 8 passes through the lens 7 acting as an imaging lens, passes through the half mirror 6, and enters the linear image sensor 20 through the positioner 19. The linear image sensor 20 includes a plurality of light receiving elements arranged in a direction corresponding to the first direction (X-axis direction), and receives an incident line-shaped reflected beam. The light receiving element array arranged in the linear shape of the linear image sensor is almost equivalent to a light receiving element array in which a pin hole is disposed on the front surface of each light receiving element because the entrance opening is limited by the frame. Therefore, the confocal optical system is configured by receiving the reflected light from the hair with the linear image sensor.

リニアイメージセンサの各受光素子に蓄積された電荷は、信号処理装置10から供給される読出制御信号により順次読み出され、毛髪表面の1次元画像信号として出力される。リニアイメージセンサから出力される画像信号は、増幅器21で増幅され、信号処理装置10に供給される。信号処理装置は、画像処理ボードを有し、受け取った画像信号、振動ミラーの回転角度情報を用いて毛髪表面の2次元画像を生成する。   The electric charge accumulated in each light receiving element of the linear image sensor is sequentially read out by a read control signal supplied from the signal processing device 10, and is output as a one-dimensional image signal of the hair surface. The image signal output from the linear image sensor is amplified by the amplifier 21 and supplied to the signal processing device 10. The signal processing device includes an image processing board, and generates a two-dimensional image of the hair surface using the received image signal and rotation angle information of the vibrating mirror.

測定すべき毛髪は、その長手軸線がX方向に延在するように毛髪支持手段15に装着され、X方向に所定の間隔で設定された複数の測定点において、対物レンズの光軸方向の位置を変えながら2次元画像が撮像される。従って、信号処理装置10は、リニアイメージセンサ20から出力される画像信号と対物レンズの位置情報とを用いて、毛髪の3次元画像を各測定点ごとに順次撮像する。   The hair to be measured is attached to the hair support means 15 so that its longitudinal axis extends in the X direction, and the position of the objective lens in the optical axis direction at a plurality of measurement points set at predetermined intervals in the X direction. A two-dimensional image is picked up while changing. Therefore, the signal processing apparatus 10 sequentially captures a three-dimensional image of the hair for each measurement point using the image signal output from the linear image sensor 20 and the position information of the objective lens.

図2は毛髪支持手段15及び装着された毛髪の状態を示す図であり、図2(A)は線図的平面図、図2(B)は側方から見た側面図であり、図2(C)は支持溝内に支持された毛髪の支持状態を示す図である。毛髪支持手段15は、支持プレート30を有する。支持プレート30には、第1の方向(X方向に対応する)に延在する支持溝31a〜31eを第1の方向と直交する第2の方向(Y方向に対応する)にそって所定の等間隔で形成する。尚、支持溝の数は5本に限られず、種々の本数に設定することができる。各支持溝31a〜31eの両端には、第1の把持手段32a〜32e及び第2の把持手段33a〜33eをそれぞれ設ける。支持溝31と第1及び第2の把持手段32及び33は同一軸線上に形成する。第1及び第2の把持手段32及び33は、V字状の溝と毛髪を把持する隙間を有し、毛髪の一端側をV字溝を介して隙間内に挟み込むことにより毛髪の端部が固定される。   2 is a view showing the hair support means 15 and the state of the attached hair, FIG. 2 (A) is a schematic plan view, and FIG. 2 (B) is a side view seen from the side. (C) is a figure which shows the support state of the hair supported in the support groove | channel. The hair support means 15 has a support plate 30. In the support plate 30, support grooves 31a to 31e extending in a first direction (corresponding to the X direction) are provided along a second direction (corresponding to the Y direction) orthogonal to the first direction. Form at equal intervals. The number of support grooves is not limited to five and can be set to various numbers. First holding means 32a to 32e and second holding means 33a to 33e are provided at both ends of each of the support grooves 31a to 31e, respectively. The support groove 31 and the first and second gripping means 32 and 33 are formed on the same axis. The first and second gripping means 32 and 33 have a V-shaped groove and a gap for gripping the hair, and the end portion of the hair is sandwiched in the gap via the V-shaped groove. Fixed.

支持溝31a〜31eは、図2(B)に示すように、毛髪を収納支持するためのV字状の断面を有する。尚、支持溝の断面形状は、V字状に限らず、毛髪を支持する種々の形状に設定することができる。測定すべき毛髪は、V字状の支持溝内に配置することにより、その長手軸線はX方向に延在するように配置され、その両端を把持手段32及び33により把持する。これにより、毛髪は、その長手方向にテンションが作用した状態に支持され、X方向及びY方向に整列する。また、長手軸線方向にそってテンションが作用した状態で支持されるので、毛髪の測定エリアのほぼ全長にわたって対物レンズの光軸方向(Z軸方向)に対しても直線状に整列する。この結果、毛髪支持手段15を、その支持溝31a〜31eがX方向に対して平行となるようにステージ14上に配置すれば、測定されるべき毛髪は、その長手軸線が光ビームの延在方向(X方向)と平行に配列される。   As shown in FIG. 2B, the support grooves 31a to 31e have a V-shaped cross section for accommodating and supporting hair. In addition, the cross-sectional shape of the support groove is not limited to the V shape, and can be set to various shapes for supporting the hair. The hair to be measured is placed in a V-shaped support groove so that its longitudinal axis extends in the X direction, and both ends thereof are gripped by gripping means 32 and 33. Thereby, the hair is supported in a state in which tension is applied in the longitudinal direction, and is aligned in the X direction and the Y direction. Further, since it is supported in a state in which tension is applied along the longitudinal axis direction, it is aligned linearly with respect to the optical axis direction (Z-axis direction) of the objective lens over almost the entire length of the measurement area of the hair. As a result, if the hair support means 15 is arranged on the stage 14 so that the support grooves 31a to 31e are parallel to the X direction, the hair to be measured has its longitudinal axis extending from the light beam. Arranged in parallel with the direction (X direction).

図3は、測定中におけるステージの移動経路を説明する図である。本例では、対物レンズ13はX及びY方向には固定され、毛髪が装着された毛髪支持手段を保持するステージ14をX及びY方向にジグザグ状に移動させて各毛髪に設定された測定点を順次移動する。本例では、毛髪支持手段15には、5本の毛髪がY方向に所定の間隔で整列支持され、ステージは、対物レンズの光軸が5本の毛髪上を順次走査するように移動する。各測定点において、ステージは静止し、対物レンズを光軸方向に移動させながら、ライン状の光ビームをY方向に走査して複数の2次元画像を撮像する。   FIG. 3 is a diagram for explaining a moving path of the stage during measurement. In this example, the objective lens 13 is fixed in the X and Y directions, and the measurement points set for each hair by moving the stage 14 holding the hair supporting means on which the hair is mounted in a zigzag manner in the X and Y directions. Move sequentially. In this example, the hair support means 15 aligns and supports five hairs at a predetermined interval in the Y direction, and the stage moves so that the optical axis of the objective lens sequentially scans the five hairs. At each measurement point, the stage is stationary, and while moving the objective lens in the optical axis direction, a linear light beam is scanned in the Y direction to capture a plurality of two-dimensional images.

ステージの移動経路40は、移動開始点41から移動終了点42に至る間にジグザグ状に設定する。初めに、移動開始点41から移動を開始、第1の測定点43aに到達する。第1の測定点において、複数の2次元画像を撮像する。続けて、所定のピッチだけX方向に移動し、第2の測定点43bに到達し、同様に複数の2次元画像を撮像する。この動作を設定された測定点について順次繰り返す。本例では、1本の毛髪について6個の測定点が設定されるものとし、6個の測定点についての撮像動作が終了すると、1本の毛髪についての撮像操作は終了する。最終的に、5本の毛髪についてそれぞれ6個の測定点において複数の2次元画像を撮像する。勿論、説明の便宜上6個の測定点を図示したが、1本の毛髪に対する測定点の数は任意に設定することができ、入力された本数情報に対応した数の測定点が設定される。また、1回の測定操作により測定する毛髪の本数も任意に設定することができる。   The stage movement path 40 is set in a zigzag manner from the movement start point 41 to the movement end point 42. First, the movement starts from the movement start point 41 and reaches the first measurement point 43a. A plurality of two-dimensional images are captured at the first measurement point. Subsequently, the robot moves in the X direction by a predetermined pitch, reaches the second measurement point 43b, and similarly takes a plurality of two-dimensional images. This operation is sequentially repeated for the set measurement points. In this example, six measurement points are set for one hair, and when the imaging operation for six measurement points is completed, the imaging operation for one hair is completed. Finally, a plurality of two-dimensional images are taken at six measurement points for each of the five hairs. Of course, six measurement points are shown for convenience of explanation, but the number of measurement points for one hair can be arbitrarily set, and the number of measurement points corresponding to the input number information is set. Further, the number of hairs to be measured by one measurement operation can be arbitrarily set.

1本の毛髪について設定される測定点の座標情報は、X方向のステージの移動距離とキーボート等の入力装置を介して信号処理装置に入力された測定点の数から求めることができる。そして、信号処理装置は、入力された測定点の数とX方向のステージの移動距離とに基づいて各測定点の座標を算出し、得られた測定点の座標情報に基づきステージ移動経路上に所定の間隔で移動するようにステージを制御する。   The coordinate information of the measurement points set for one hair can be obtained from the movement distance of the stage in the X direction and the number of measurement points input to the signal processing device via an input device such as a keyboard. Then, the signal processing device calculates the coordinates of each measurement point based on the input number of measurement points and the movement distance of the stage in the X direction, and on the stage movement path based on the coordinate information of the obtained measurement points. The stage is controlled to move at a predetermined interval.

図3(B)は、1本の毛髪に設定された撮像エリア43を示す。本例では、ライン状光ビームは毛髪の延在方向であるX方向に延在するように設定され、ライン状光ビームをX方向と直交するY方向に走査することにより毛髪の2次元画像を撮像する。この場合、Y方向の走査時間は、振動ミラー8の回動角度で規定され、毛髪の直径は高々200μm程度であるから、振動ミラーの回動角度は極めて小さいものである。この結果、2次元画像の撮像時間は極めて短時間となり、高いスループットが達成される。   FIG. 3B shows an imaging area 43 set for one hair. In this example, the line-shaped light beam is set to extend in the X direction, which is the extending direction of the hair. By scanning the line-shaped light beam in the Y direction orthogonal to the X direction, a two-dimensional image of the hair is obtained. Take an image. In this case, the scanning time in the Y direction is defined by the rotation angle of the vibration mirror 8 and the diameter of the hair is about 200 μm at most, so the rotation angle of the vibration mirror is extremely small. As a result, the imaging time of the two-dimensional image is extremely short, and high throughput is achieved.

図4は、図1〜図3に示す本発明による形状測定装置で実際に測定された1つの測定点における毛髪表面の断面形状(表面輪郭形状)を示す。図4において、横軸は毛髪の長手軸線方向位置を示し、縦軸は表面高さを示す。この測定データは、1つの測定点において撮像された毛髪の3次元画像の基準線(1本の走査線)上における表面高さ分布(表面高さ分布曲線)を示す。図4のデータに示されるように、毛髪表面に形成されているキューティクルの大きさが明瞭に撮像されており、各キューティクルは山の部分と谷の部分とで構成され、各キューティクルは毛髪の長手軸線方向に連続的に形成されている。この測定データより、表面高さ分布曲線における隣接する山の部分と谷の部分との間の表面高さがキューティクルの大きさないし毛髪表面の段差の大きさとなる。   FIG. 4 shows a cross-sectional shape (surface contour shape) of the hair surface at one measurement point actually measured by the shape measuring apparatus according to the present invention shown in FIGS. In FIG. 4, the horizontal axis indicates the position in the longitudinal axis direction of the hair, and the vertical axis indicates the surface height. This measurement data indicates a surface height distribution (surface height distribution curve) on a reference line (one scanning line) of a three-dimensional image of hair imaged at one measurement point. As shown in the data of FIG. 4, the size of the cuticle formed on the hair surface is clearly imaged, and each cuticle is composed of a peak portion and a valley portion, and each cuticle is a longitudinal portion of the hair. It is formed continuously in the axial direction. From this measurement data, the surface height between adjacent peak portions and valley portions in the surface height distribution curve is not the cuticle size or the step size of the hair surface.

図4の測定データに基づき、本発明では、表面高さ分布曲線の隣接する山の部位の高さ位置と谷の部位における高さ位置との距離の差を求め、毛髪の表面段差の大きさないしキューティクル段差の大きさとする。表面高さ分布曲線について微分処理を行い、微係数が正から負に転換する変曲点が谷の部分に相当し、微係数が負から正に転換する変曲点が谷の部分に相当する。従って、互いに隣接する変曲点の表面高さ方向位置の値を求めることにより、表面段差の大きさが求められる。   Based on the measurement data of FIG. 4, in the present invention, the difference in distance between the height position of the adjacent mountain portion and the height position of the valley portion of the surface height distribution curve is obtained, and the size of the surface step of the hair is determined. Or the size of the cuticle step. Differentiating the surface height distribution curve, the inflection point at which the derivative changes from positive to negative corresponds to the valley portion, and the inflection point at which the derivative changes from negative to positive corresponds to the valley portion. . Accordingly, the size of the surface step is obtained by obtaining the value of the position in the surface height direction of the inflection points adjacent to each other.

図5は、信号処理装置の一例を示す図である。初めに、ステージの移動経路の設定について説明する。キーボード装置のような入力装置50を介して、1回の測定操作により測定される毛髪の本数及び毛髪1本当たりの測定点数が入力される。この測定条件は、測定点ピッチ算出手段51に供給される。測定点ピッチ算出手段51は、ステージのX方向の移動全長距離d1(図3参照)と入力された毛髪1本当たりの測定点数から測定点間のピッチ(間隔)を算出する。算出された測定点間のピッチは毛髪の本数情報と共に移動経路設定手段52に供給される。移動経路設定手段52は、算出された測定点間のピッチd2と、毛髪支持手段15に形成されている支持溝のY方向の配列ピッチd3(図3参照)と、測定開始点41の座標とを用い、1回の測定操作におけるステージの移動経路を設定する。設定された移動経路は、ステージ駆動回路(図示せず)に供給され、ステージは設定された移動経路にそって測定点ごとに3次元画像を撮像する。そして、ステージが測定終了点42に到達すると、1回の測定操作は終了する。   FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a signal processing device. First, the setting of the stage movement path will be described. Through the input device 50 such as a keyboard device, the number of hairs measured by one measurement operation and the number of measurement points per hair are input. This measurement condition is supplied to the measurement point pitch calculation means 51. The measurement point pitch calculation means 51 calculates the pitch (interval) between measurement points from the total movement distance d1 in the X direction of the stage (see FIG. 3) and the input number of measurement points per hair. The calculated pitch between the measurement points is supplied to the movement path setting means 52 together with the information on the number of hairs. The movement path setting means 52 calculates the calculated pitch d2 between the measurement points, the arrangement pitch d3 of the support grooves formed in the hair support means 15 in the Y direction (see FIG. 3), and the coordinates of the measurement start point 41. Is used to set the stage movement path in one measurement operation. The set movement path is supplied to a stage drive circuit (not shown), and the stage captures a three-dimensional image for each measurement point along the set movement path. When the stage reaches the measurement end point 42, one measurement operation ends.

毛髪表面の断面として見た断面形状及び毛髪表面の凹凸の大きさを示す段差情報の生成方法について説明する。リニアイメージセンサ20から出力され、増幅器21に増幅された画像信号は、A/D変換器53によりデジタル信号に変換されて信号処理装置10に入力する。画像信号は2次元画像形成手段54に供給され、毛髪の2次元画像を表す2次元画像信号が形成される。形成された2次元画像信号は、最大輝度値検出手段55に供給される。最大輝度値検出手段55には、対物レンズ13の光軸方向の位置を検出する位置センサ17から対物レンズの位置情報も供給される。本発明では、対物レンズの光軸方向の位置を変えながら複数の2次元画像が撮像されるので、3次元画像形成手段5には対物レンズの焦点が光軸方向に変位した複数の2次元画像が順次入力する。   A method for generating step information indicating the cross-sectional shape viewed as a cross-section of the hair surface and the size of the unevenness of the hair surface will be described. The image signal output from the linear image sensor 20 and amplified by the amplifier 21 is converted into a digital signal by the A / D converter 53 and input to the signal processing device 10. The image signal is supplied to the two-dimensional image forming means 54, and a two-dimensional image signal representing a two-dimensional image of hair is formed. The formed two-dimensional image signal is supplied to the maximum luminance value detecting means 55. The maximum luminance value detection means 55 is also supplied with position information of the objective lens from the position sensor 17 that detects the position of the objective lens 13 in the optical axis direction. In the present invention, since a plurality of two-dimensional images are picked up while changing the position of the objective lens in the optical axis direction, the three-dimensional image forming means 5 has a plurality of two-dimensional images in which the focal point of the objective lens is displaced in the optical axis direction. Are input sequentially.

一方、共焦点撮像装置の特性として、毛髪表面からの反射光の強度は、対物レンズの焦点が毛髪表面と一致したとき最大となる。従って、対物レンズを光軸方向に変位させながら複数の2次元画像を撮像し、撮像素子から出力される輝度値が最大となるZ軸方向の位置を各画素ごとに検出することにより、毛髪表面の3次元画像が形成される。最大輝度値検出手段55は、順次入力する2次元画像について、位置センサ17から供給される対物レンズの光軸方向の位置情報を用いて輝度値が最大となるZ軸方向の位置を各画素ごとに検出する。そして、各画素の最大輝度値は共焦点画像形成手段56に供給され、毛髪表面の2次元共焦点画像が形成される。形成された2次元共焦点画像信号は画像メモリ57に供給され、必要に応じてモニタ等の表示装置に供給され、毛髪表面の2次元共焦点画像を表示することができる。   On the other hand, as a characteristic of the confocal imaging device, the intensity of the reflected light from the hair surface becomes maximum when the focus of the objective lens coincides with the hair surface. Therefore, by taking a plurality of two-dimensional images while displacing the objective lens in the optical axis direction, and detecting the position in the Z-axis direction where the luminance value output from the imaging element is maximum for each pixel, A three-dimensional image is formed. The maximum luminance value detecting means 55 uses the position information in the optical axis direction of the objective lens supplied from the position sensor 17 for the sequentially input two-dimensional image to determine the position in the Z-axis direction where the luminance value is maximum for each pixel. To detect. Then, the maximum luminance value of each pixel is supplied to the confocal image forming means 56, and a two-dimensional confocal image of the hair surface is formed. The formed two-dimensional confocal image signal is supplied to the image memory 57, and is supplied to a display device such as a monitor as necessary, so that a two-dimensional confocal image of the hair surface can be displayed.

最大輝度値検出手段55は、位置センサ17から供給される対物レンズの光軸方向(Z軸方向)の位置情報を用いて、最大輝度値を発生する各画素の光軸方向の位置を検出してZ軸画像形成手段58に供給する。Z軸画像形成手段58は、輝度値が最大となる各画素のZ軸方向の位置を示すZ軸画像を形成する。このZ軸画像は、断面形状形成手段59に供給される。断面形状形成手段59は、毛髪の延在方向であるX方向に沿う基準線ないし走査線上の各画素のZ軸方向の位置を抽出し、断面形状を形成する。すなわち、Z軸画像は、毛髪表面のZ軸方向の位置を各画素ごとに示す情報であるから、任意の基準線ないし走査線に沿う画素のZ軸方向の位置を抽出することにより、毛髪表面を断面として表示する断面画像、すなわち基準線に沿う毛髪表面の高さ分布曲線(Z軸プロファイル)が得られる。この表面高さ分布曲線は、図4に示すように、毛髪の延在方向の位置に対する毛髪の表面高さを連続的に示す曲線である。尚、基準線の設定方法として、例えば毛髪支持手段に形成された支持溝のY軸方向の中心座標を通りX方向に延在する直線を用いることができる。得られた毛髪の断面画像信号は、メモリ60に供給する。そして、必要に応じて毛髪の断面輪郭形状(表面高さ分布曲線)をモニタ上に表示することができる。   The maximum luminance value detection means 55 detects the position of each pixel that generates the maximum luminance value in the optical axis direction using the position information in the optical axis direction (Z-axis direction) of the objective lens supplied from the position sensor 17. To the Z-axis image forming means 58. The Z-axis image forming unit 58 forms a Z-axis image indicating the position in the Z-axis direction of each pixel having the maximum luminance value. The Z-axis image is supplied to the cross-sectional shape forming unit 59. The cross-sectional shape forming means 59 extracts the position in the Z-axis direction of each pixel on the reference line or scanning line along the X direction, which is the hair extending direction, and forms a cross-sectional shape. That is, since the Z-axis image is information indicating the position of the hair surface in the Z-axis direction for each pixel, by extracting the position of the pixel along the Z-axis direction along an arbitrary reference line or scanning line, the hair surface Is obtained as a cross-sectional image, that is, a hair surface height distribution curve (Z-axis profile) along the reference line. As shown in FIG. 4, this surface height distribution curve is a curve that continuously indicates the surface height of the hair with respect to the position in the extending direction of the hair. As a method for setting the reference line, for example, a straight line extending in the X direction through the center coordinate in the Y axis direction of the support groove formed in the hair support means can be used. The obtained hair cross-sectional image signal is supplied to the memory 60. And the cross-sectional outline shape (surface height distribution curve) of hair can be displayed on a monitor as needed.

毛髪の表面高さ分布曲線(Z軸プロファイル)を示す断面形状信号は、微分手段61に供給される。微分手段61は、入力した表面高さ分布曲線について、毛髪の延在方向の距離を変数として微分処理を行い、微係数を算出する。算出された微係数は、第1の変曲点検出手段62及び第2の変曲点検出手段63にそれぞれ供給される。第1の変曲点検出手段62は、微係数が正から負に反転する変曲点を検出し、その表面高さ位置、すなわち、毛髪表面の山の部位の高さ方向(Z軸方向)の位置を各山の部位ごとに出力する。また、第2の変曲点検出手段63は、微係数が負から正に反転する変曲点を検出し、その表面高さ、すなわち、毛髪表面の谷の部位における高さ方向の位置を各谷の位置ごとに出力する。   A cross-sectional shape signal indicating the hair surface height distribution curve (Z-axis profile) is supplied to the differentiating means 61. The differentiating means 61 performs a differentiation process on the input surface height distribution curve using the distance in the hair extending direction as a variable, and calculates a differential coefficient. The calculated derivative is supplied to the first inflection point detection means 62 and the second inflection point detection means 63, respectively. The first inflection point detection means 62 detects an inflection point where the derivative is inverted from positive to negative, and the surface height position, that is, the height direction (Z-axis direction) of the crest portion of the hair surface. Is output for each mountain part. Further, the second inflection point detecting means 63 detects the inflection point at which the derivative is inverted from negative to positive, and determines the surface height, that is, the position in the height direction at the valley portion of the hair surface. Output for each valley position.

第1及び第2の変曲点検出手段62及び63から出力される表面高さ情報は、第1及び第2の加算手段64及び65にそれぞれ供給される。第1の加算手段64は、山の部位の高さ位置の値を加算する。また、第2の加算手段65は、谷の部位の表面高さ位置の値を加算する。第1及び第2の加算手段から出力される加算値は、差分手段66に供給する。差分手段66は、山の部位の高さ位置の値の加算出力と谷の部位における高さ位置の値の加算出力との差分を算出し、段差情報として出力する。すなわち、1つの測定点における毛髪表面の山の部位と谷の部位との高さ方向の差分の平均値が出力される。この平均値は、毛髪表面に形成されているキューティクルの大きさの平均値を指標するデータとなる。   The surface height information output from the first and second inflection point detection means 62 and 63 is supplied to the first and second addition means 64 and 65, respectively. The first adding means 64 adds the value of the height position of the mountain part. The second adding means 65 adds the value of the surface height position of the valley part. The added values output from the first and second addition means are supplied to the difference means 66. The difference means 66 calculates the difference between the addition output of the height position value of the mountain region and the addition output of the height position value of the valley region, and outputs the difference as step information. That is, the average value of the difference in the height direction between the peak portion and the valley portion on the hair surface at one measurement point is output. This average value is data indicating the average value of the size of the cuticle formed on the hair surface.

勿論、図5に示す毛髪表面の段差の大きさを指標する情報は一例であり、これ以外の種々の方法により毛髪表面の段差ないしキューティクルの大きさを指標するデータを算出することも可能である。例えば、毛髪の長手軸線方向に隣接する谷の部位と山の部位の高さ方向位置の値の差分(各キューティクルの大きさ)をそれぞれ算出し、算出された差分を加算して平均値を求めることも可能である。或いは、平均値以外のデータとして、標準偏差を算出して出力することも可能である。   Of course, the information indicating the size of the step on the hair surface shown in FIG. 5 is merely an example, and it is possible to calculate data indicating the size of the step on the hair surface or the size of the cuticle by various other methods. . For example, the difference (the size of each cuticle) between the height direction position values of the valley portion and the mountain portion adjacent to each other in the longitudinal axis direction of the hair is calculated, and the calculated difference is added to obtain the average value. It is also possible. Alternatively, the standard deviation can be calculated and output as data other than the average value.

差分手段66からの出力は、毛髪の1つの測定点の表面段差出力である。従って、各毛髪に設定された複数の測定点において測定された段差データから毛髪1本についての平均値を算出することができる。差分手段66からの出力信号を毛髪の段差算出手段67に供給する。毛髪の段差算出手段67には、移動経路設定手段からの供給される移動経路情報も供給される。毛髪の段差算出手段は、各毛髪ごとに設定された測定点についての段差の平均値が供給され、この平均値を用いて1本の毛髪についての段差の平均値を算出する。或いは、1本の毛髪について、段差の平均値だけでなく、平均値に加えて標準偏差等の各種データを算出することも可能である。   The output from the difference means 66 is the surface level difference output of one measurement point of hair. Therefore, an average value for one hair can be calculated from the step data measured at a plurality of measurement points set for each hair. An output signal from the difference means 66 is supplied to the hair level calculation means 67. The hair level difference calculating means 67 is also supplied with the movement path information supplied from the movement path setting means. The hair level calculating means is supplied with the average value of the level difference for the measurement points set for each hair, and calculates the average level value of the level difference for one hair using this average value. Alternatively, not only the average value of the steps but also various data such as standard deviation can be calculated for one hair in addition to the average value.

毛髪表面の段差測定の変形例について説明する。本例では、毛髪表面に存在するキューティクルを検出し、検出されたキューティクルごとにキューティクル段差を検出する。図6はキューティクルごとに段差の大きさを算出するアルゴリズムを示す図である。初めに、Z軸画像形成手段により形成された各画素ごとにZ軸方向の位置データで構成されるZ軸画像から、Z軸方向の位置を濃淡輝度に変換した濃淡輝度画像を形成する。この場合、例えばZ軸方向の位置が低いほど低輝度とし、表面の高さが高くなるにしたがって高輝度とする。生成された輝度画像と、共焦点画像形成手段により形成された各画素が最大輝度値を示す共焦点画像とを組み合わせて、濃淡輝度情報で構成されるF−Z画像を生成する(ステップ1)。尚、組み合わせの方法として、例えば各画素ごとに輝度値を加算してF−Z画像とすることができる。   A modification of the step measurement on the hair surface will be described. In this example, a cuticle existing on the hair surface is detected, and a cuticle step is detected for each detected cuticle. FIG. 6 is a diagram showing an algorithm for calculating the step size for each cuticle. First, from the Z-axis image formed by the position data in the Z-axis direction for each pixel formed by the Z-axis image forming means, a grayscale luminance image is formed by converting the position in the Z-axis direction to grayscale luminance. In this case, for example, the lower the position in the Z-axis direction, the lower the luminance, and the higher the surface height, the higher the luminance. The generated luminance image and the confocal image in which each pixel formed by the confocal image forming unit has the maximum luminance value are combined to generate an FZ image composed of grayscale luminance information (step 1). . As a combination method, for example, luminance values can be added for each pixel to obtain an FZ image.

続いて、F−Zフィルタを用いて低輝度の部分についてマスキング処理を行い、F−Z画像について急激に輝度が低下する部分を抽出する(ステップ2)毛髪表面のキューティクルは、ウロコ状に形成され、毛髪の長手軸線方向にそって表面高さが徐々に高くなり、最も高い位置に到達すると急激に低くなる特性がある。従って、F−Z画像についてマスキング処理を行うことにより、キューティクルの毛髪の長手軸線方向において高さが急激に低下する境界が検出され、検出された境界は隣接するキューティクルの境界に対応する。   Subsequently, a masking process is performed on the low-luminance portion using the FZ filter, and a portion where the luminance is suddenly reduced is extracted from the FZ image (step 2). The cuticle on the hair surface is formed in a scale shape. The surface height gradually increases along the longitudinal axis direction of the hair, and when it reaches the highest position, it has a characteristic of rapidly decreasing. Therefore, by performing a masking process on the FZ image, a boundary where the height sharply decreases in the longitudinal axis direction of the hair of the cuticle is detected, and the detected boundary corresponds to the boundary of the adjacent cuticle.

続いて、Z軸画像から毛髪の基準線に沿う断面形状プロファイル(表面高さ分布曲線)を抽出する(ステップ3)。   Subsequently, a cross-sectional profile (surface height distribution curve) along the hair reference line is extracted from the Z-axis image (step 3).

断面形状プロファイルにステップ2で形成された境界画像を重ね合わせ、各キューティクルの境界を示す境界部を設定し、隣接する境界部により区分けされる領域を測定区間として設定する(ステップ4)。この境界部を設定することにより、断面形状プロファイルにおける個々のキューティクルのX軸線方向の範囲が設定される。   The boundary image formed in step 2 is superimposed on the cross-sectional shape profile, a boundary portion indicating the boundary of each cuticle is set, and a region divided by the adjacent boundary portion is set as a measurement section (step 4). By setting this boundary portion, a range in the X-axis direction of each cuticle in the cross-sectional profile is set.

設定された各測定区間内の最も高い部位の表面高さ方向の位置(最大値)と最も低い部位の表面高さ方向位置(最小値)を抽出し、最大値と最小との差分を形成する。得られた差分は、キューティクル段差の高さないし大きさを示す。例えば、得られた段差の大きさについて平均値を算出し、当該測定点における段差の大きさとすることができる。本例では、各キューティクルごとに段差の大きさを測定しているので、毛髪支持手段に取り付けられた毛髪が光軸方向に湾曲しても、Z軸方向の整列誤差の無いキューティクル段差が測定される利点が達成される。   The position in the surface height direction (maximum value) and the surface height direction position (minimum value) of the lowest part in each set measurement section are extracted, and the difference between the maximum value and the minimum value is formed. . The obtained difference indicates the height or size of the cuticle step. For example, an average value can be calculated for the size of the obtained step and set as the size of the step at the measurement point. In this example, since the size of the step is measured for each cuticle, even if the hair attached to the hair support means is bent in the optical axis direction, the cuticle step without alignment error in the Z-axis direction is measured. Benefits are achieved.

本発明は上述した実施例だけに限定されず、種々の変更や変形が可能である。例えば、上述した実施例では、共焦点撮像装置としてライン状の光ビームを用いて毛髪表面を走査する構成としたが、単一のレーザビームを用いて毛髪表面を走査する共焦点撮像装置ないし共焦点走査装置を用いることも可能である。この場合、例えばレーザ光源から出射したレーザビームを2次元スキャナを用いてX及びY方向に2次元走査し、対物レンズを光軸方向に移動させながら当該走査ビームを毛髪表面に向けて投射する。毛髪表面からの反射光は対物レンズを介して例えばラインセンサのような撮像装置により受光して、毛髪表面の2次元画像及び3次元画像を形成する。そして、図5又は図6に示す信号処理を行い、毛髪表面の断面形状画像を得ることも可能である。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes and modifications can be made. For example, in the above-described embodiments, the confocal imaging device is configured to scan the hair surface using a line-shaped light beam, but the confocal imaging device or the confocal imaging device that scans the hair surface using a single laser beam. It is also possible to use a focus scanning device. In this case, for example, a laser beam emitted from a laser light source is two-dimensionally scanned in the X and Y directions using a two-dimensional scanner, and the scanning beam is projected toward the hair surface while moving the objective lens in the optical axis direction. The reflected light from the hair surface is received by an imaging device such as a line sensor through the objective lens to form a two-dimensional image and a three-dimensional image of the hair surface. And it is also possible to obtain the cross-sectional shape image of the hair surface by performing the signal processing shown in FIG.

さらに、上述した実施例では、走査ビームの集束点と毛髪表面との間の距離を変化させる方法として、対物レンズを光軸方向に移動させたが、毛髪を支持するステージを対物レンズの光軸方向にそって移動させることにより走査ビームの集束点と毛髪表面との間の相対距離を変化させることも可能である。   Further, in the above-described embodiment, as a method of changing the distance between the focal point of the scanning beam and the hair surface, the objective lens is moved in the optical axis direction, but the stage that supports the hair is placed on the optical axis of the objective lens. It is also possible to change the relative distance between the focal point of the scanning beam and the hair surface by moving along the direction.

1 光源
2 光ファイバ
3 フィルタ
4 集束レンズ
5 スリット
6 ハーフミラー
7 レンズ
8 振動ミラー
9 駆動回路
10 信号処理装置
11,12 リレーレンズ
13 対物レンズ
14 ステージ
15 毛髪支持手段
16 モータ
17 位置センサ
18 ステージ位置センサ
19 ポジショナ
20 リニアイメージセンサ
21 増幅器
30 支持プレート
30a〜30e 支持溝
31 毛髪
40 ステージ移動経路
41 走査開始点
42 走査終了点
43 測定点

DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source 2 Optical fiber 3 Filter 4 Focusing lens 5 Slit 6 Half mirror 7 Lens
8 Vibration mirror
DESCRIPTION OF SYMBOLS 9 Drive circuit 10 Signal processor 11, 12 Relay lens 13 Objective lens 14 Stage 15 Hair support means 16 Motor 17 Position sensor 18 Stage position sensor 19 Positioner 20 Linear image sensor 21 Amplifier 30 Support plate 30a-30e Support groove 31 Hair 40 Stage Movement path 41 Scan start point 42 Scan end point 43 Measurement point

Claims (9)

毛髪の断面輪郭形状を測定する形状測定装置であって、
測定すべき毛髪に向けて走査ビームを投射する対物レンズを含み、毛髪からの反射光を受光して毛髪表面の画像を撮像する共焦点撮像装置と、
複数の毛髪を、その長手軸線方向であるX軸方向に支持すると共にX軸と直交するY軸方向そって所定の間隔で整列支持する毛髪支持手段と、
前記X軸方向及びY軸方向に移動可能に支持され、前記毛髪支持手段を支持するステージと、
前記対物レンズとステージとの間の相対距離を変化させる手段と、
前記ステージをX軸方向及びY軸方向に移動させるステージ移動手段と、
共焦点撮像装置から出力される画像信号に基づき、毛髪表面の断面情報及び/又は毛髪表面に存在する段差の大きさを示す段差情報を出力する信号処理装置とを有することを特徴とする形状測定装置。
A shape measuring device for measuring the cross-sectional contour shape of hair,
A confocal imaging device that includes an objective lens that projects a scanning beam toward the hair to be measured, receives reflected light from the hair, and images an image of the hair surface;
Hair support means for supporting a plurality of hairs in the X-axis direction which is the longitudinal axis direction thereof and aligning and supporting the hairs at predetermined intervals along the Y-axis direction orthogonal to the X-axis;
A stage supported so as to be movable in the X-axis direction and the Y-axis direction and supporting the hair support means;
Means for changing the relative distance between the objective lens and the stage;
Stage moving means for moving the stage in the X-axis direction and the Y-axis direction;
A shape measurement comprising: a signal processing device that outputs cross-sectional information on the hair surface and / or step information indicating the size of the step existing on the hair surface based on an image signal output from the confocal imaging device apparatus.
請求項1に記載の形状測定装置において、さらに、前記ステージの移動経路を設定するステージ制御手段を有し、当該ステージ制御手段は、毛髪についての測定点を示す座標情報に基づき、X軸方向及びY軸方向にそってジグザグ状のステージ移動経路を設定し、1回の測定操作により複数本の毛髪について形状測定が行われると共に各毛髪について複数の測定点について形状測定が行われることを特徴とする形状測定装置。   The shape measuring apparatus according to claim 1, further comprising stage control means for setting a movement path of the stage, the stage control means based on coordinate information indicating measurement points on the hair and in the X-axis direction and A zigzag stage moving path is set along the Y-axis direction, and shape measurement is performed for a plurality of hairs by one measurement operation, and shape measurement is performed for a plurality of measurement points for each hair. Shape measuring device. 請求項2に記載の形状測定装置において、前記ステージ制御手段は、入力された毛髪の本数及び毛髪1本当たりの測定点の数に基づき、前記移動経路中に設定される測定点のX軸及びY軸方向の座標を示す座標情報を形成する手段を有することを特徴とする形状測定装置。   The shape measuring apparatus according to claim 2, wherein the stage control means includes an X axis of measurement points set in the movement path and a number of measurement points per hair and the number of measurement points per hair. A shape measuring apparatus comprising means for forming coordinate information indicating coordinates in the Y-axis direction. 請求項1、2又は3に記載の形状測定装置において、前記毛髪支持手段は毛髪を支持する支持プレートを有し、当該支持プレートの表面には、前記X軸方向に延在すると共に前記Y軸方向に沿って所定の間隔で形成され、毛髪が配置される複数の支持溝が形成され、各支持溝のX軸方向の両端には毛髪を把持する把持手段がそれぞれ設けられ、測定されるべき毛髪は支持溝中に配置されると共に把持手段により把持されることにより、前記X及びY軸方向並びにZ軸方向に整列支持されることを特徴とする形状測定装置。   The shape measuring apparatus according to claim 1, 2, or 3, wherein the hair support means includes a support plate for supporting hair, and the surface of the support plate extends in the X-axis direction and the Y-axis. A plurality of support grooves that are formed at predetermined intervals along the direction and in which the hair is arranged are formed, and gripping means for gripping the hair is provided at both ends in the X-axis direction of each support groove, and should be measured. A shape measuring apparatus characterized in that hair is aligned and supported in the X and Y axis directions and the Z axis direction by being placed in a support groove and being gripped by a gripping means. 請求項1から4までのいずれか1項に記載の形状測定装置において、前記共焦点撮像装置は前記対物レンズとステージ上の毛髪との間の相対距離を変えながら複数の2次元画像を撮像し、
前記信号処理装置は、共焦点撮像装置から出力される画像信号を用いて、毛髪の長手軸線に対する表面高さ分布を示す表面高さ分布曲線を形成する手段と、表面高さ分布曲線から前記長手軸線方向の微係数分布を算出する微分手段と、微係数が正から負に反転する変曲点及びその表面高さを検出する第1の変曲点検出手段と、微係数が負から正に反転する変曲点及びその表面高さを検出する第2の変曲点検出手段とを有し、
前記第1の変曲点検出手段及び第2の変曲点検出手段からの出力信号に基づいて毛髪表面の段差の大きさを示す段差情報を出力することを特徴とする形状測定装置。
5. The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the confocal imaging device captures a plurality of two-dimensional images while changing a relative distance between the objective lens and the hair on the stage. ,
The signal processing device uses the image signal output from the confocal imaging device to form a surface height distribution curve indicating a surface height distribution with respect to the longitudinal axis of the hair, and from the surface height distribution curve, the length Differentiating means for calculating the differential coefficient distribution in the axial direction, first inflection point detecting means for detecting the inflection point at which the differential coefficient reverses from positive to negative, and its surface height, and the differential coefficient from negative to positive An inflection point to be inverted and a second inflection point detecting means for detecting the surface height thereof,
A shape measuring apparatus that outputs step information indicating the size of the step on the hair surface based on output signals from the first and second inflection point detecting means.
請求項5に記載の形状測定装置において、前記信号処理装置は、さらに、前記第1の変曲点検出手段から出力される各変曲点における表面高さを加算する第1の加算手段と、前記第2の変曲点検出手段から出力される各変曲点における表面高さを加算する第2の加算手段と、第1の加算手段からの出力と第2の加算手段からの出力との差分を算出する差分手段とを含み、前記差分手段から1つの測定点における毛髪表面の段差情報の平均値が出力されることを特徴とする形状測定装置。   6. The shape measuring apparatus according to claim 5, wherein the signal processing device further includes first addition means for adding the surface height at each inflection point output from the first inflection point detection means, A second addition means for adding the surface height at each inflection point output from the second inflection point detection means; an output from the first addition means; and an output from the second addition means. A shape measuring apparatus comprising: a difference means for calculating a difference, wherein an average value of step information on the hair surface at one measurement point is output from the difference means. 請求項6に記載の形状測定装置において、前記信号処理装置は、さらに、前記差分手段からの出力信号と前記ステージ制御手段から出力されるステージ移動経路情報とを用いて、各毛髪について設定された複数の測定点の段差データの平均値を算出する手段を有することを特徴とする形状測定装置。   7. The shape measuring apparatus according to claim 6, wherein the signal processing device is further set for each hair using an output signal from the difference means and stage movement path information output from the stage control means. A shape measuring apparatus comprising means for calculating an average value of step data at a plurality of measurement points. 請求項1から4までのいずれか1項に記載の形状測定装置において、前記共焦点撮像装置は前記対物レンズとステージ上の毛髪との間の相対距離を変えながら複数の2次元画像を撮像し、
前記信号処理装置は、共焦点撮像装置から出力される画像信号を用いて、毛髪の長手軸線に対する表面高さ分布を示す表面高さプロファイルを形成する手段と、表面高さプロファイルから各キューティクルの前記長手軸線方向範囲を求める手段と、各キューティクルごとに表面高さの最大値と最小値とを求める手段とを有し、
求めた表面高さの最大値と最小値とに基づいてキューティクル段差情報を出力することを特徴とする形状測定装置。
5. The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the confocal imaging device captures a plurality of two-dimensional images while changing a relative distance between the objective lens and the hair on the stage. ,
The signal processing device uses the image signal output from the confocal imaging device to form a surface height profile indicating a surface height distribution with respect to the longitudinal axis of the hair, and from the surface height profile, the cuticle of each cuticle Means for determining the longitudinal axis range, and means for determining the maximum and minimum surface height for each cuticle,
A shape measuring apparatus that outputs cuticle step information based on the maximum and minimum values of the obtained surface height.
請求項1から8までのいずれか1項に記載の形状測定装置において、前記共焦点型撮像装置は、光ビームを発生する光源装置と、光源装置から出射した光ビームを2次元走査するスキャナと、スキャナから出射した光ビームを測定されるべき毛髪に向けて投射する対物レンズと、毛髪から出射した反射ビームを対物レンズを介して受光する光検出手段とを含むことを特徴とする形状測定装置。

9. The shape measuring apparatus according to claim 1, wherein the confocal imaging device includes a light source device that generates a light beam, a scanner that two-dimensionally scans the light beam emitted from the light source device, and the like. A shape measuring apparatus comprising: an objective lens that projects a light beam emitted from a scanner toward the hair to be measured; and a light detection means that receives a reflected beam emitted from the hair via the objective lens .

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