JP2016071010A - オートフォーカス装置、オートフォーカス方法、及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】倍率が変更される場合でも高精度にオートフォーカスを実行可能なオートフォーカス装置、オートフォーカス方法、及びプログラムを提供すること。【解決手段】本発明の一形態に係るオートフォーカス装置は、画像取得部と、パターン制御部と、焦点制御部とを具備する。前記画像取得部は、被写体の像を所定の倍率で結像する光学系と、前記結像された被写体の像を撮影する撮像部とを有する。前記パターン制御部は、前記光学系の前記所定の倍率に応じたサイズにてパターンを生成する生成部と、前記生成されたパターンを前記被写体に投影する投影部とを有する。前記焦点制御部は、前記光学系により前記所定の倍率で結像される前記投影されたパターンの像が、前記撮像部により撮影された画像をもとに、前記光学系の焦点位置を制御する。【選択図】図５

Description

本発明は、例えば測定や観察等のために被写体の画像を撮影するシステムに利用可能なオートフォーカス装置、オートフォーカス方法、及びプログラムに関する。

従来、被写体を撮影して得られる画像をコンピュータにより処理して、観察や測定等を行うシステムが知られている。例えばデジタル顕微鏡やＣＮＣ（Computer Numerical Control）画像測定機等において、そのようなシステムが用いられている。

特許文献１には、上記したデジタル顕微鏡や画像測定機等に適用可能なオートフォーカス装置について開示されている。特許文献１に記載のオートフォーカス装置では、被測定物の測定面に所定のパターンが投影される。そして所定のパターンが撮影された画像のコントラスト情報をもとに、オートフォーカスが実行される。これにより被測定物の材質に制約されることなく、種々の材質の被測定物に対してフォーカスを合わせることが可能となる（例えば特許文献１の明細書段落［０００４］［００１９］［００２０］等参照）。

特開平０９−３０４６８５号公報

高い精度にて測定や観察を行うために、対物レンズ等を含む光学系の倍率を変更させて撮影が行われる場合も多い。このように光学系の倍率が変更される場合でも、高精度にオートフォーカスを実行可能であることが求められる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、倍率が変更される場合でも高精度にオートフォーカスを実行可能なオートフォーカス装置、オートフォーカス方法、及びプログラムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るオートフォーカス装置は、画像取得部と、パターン制御部と、焦点制御部とを具備する。
前記画像取得部は、被写体の像を所定の倍率で結像する光学系と、前記結像された被写体の像を撮影する撮像部とを有する。
前記パターン制御部は、前記光学系の前記所定の倍率に応じたサイズにてパターンを生成する生成部と、前記生成されたパターンを前記被写体に投影する投影部とを有する。
前記焦点制御部は、前記光学系により前記所定の倍率で結像される前記投影されたパターンの像が、前記撮像部により撮影された画像をもとに、前記光学系の焦点位置を制御する。

このオートフォーカス装置では、被写体の像を結像する光学系の倍率に応じたサイズにてパターンが生成されて被写体に投影される。投影されたパターンの像は光学系により所定の倍率で結像され撮像部により撮影される。当該パターンの像が撮影された撮影画像をもとに光学系の焦点位置が制御される。これにより倍率が変更される場合でも、高精度にオートフォーカスを実行可能である。

前記生成部は、前記光学系の倍率の変更に応じて前記パターンのサイズを変更してもよい。
これにより倍率が変更される場合でも、高精度にオートフォーカスを実行可能である。

前記生成部は、前記光学系の倍率の増加に応じて前記パターンのサイズを小さくし、前記光学系の倍率の減少に応じて前記パターンのサイズを大きくしてもよい。
これにより結像されるパターンの像が大きくなりすぎたり小さくなりすぎたりして、焦点位置の制御に影響が出てしまうことを防ぐことができる。

前記生成部は、前記光学系の倍率が変更しても前記結像されるパターンの像のサイズが略一定となるように、前記パターンのサイズを変更してもよい。
これにより倍率が変更される場合でも、高精度にオートフォーカスを実行可能である。

前記生成部は、入射する光をもとに、前記サイズを変更して前記パターンを生成可能な光変調素子を有してもよい。
光変調素子を用いることで投影されるパターンのサイズを高精度に変更することが可能である。

前記光変調素子は、マイクロミラーデバイスであってもよい。
マイクロミラーデバイスを用いることで光の利用効率を向上させることができる。

前記光変調素子は、液晶パネルであってもよい。
液晶パネルを用いることで簡単な構成で装置を実現することができる。

前記生成部は、所定のサイズで前記パターンを生成する生成部材と、前記生成部材により生成されたパターンのサイズを変更するズームレンズとを有してもよい。
このように所定のサイズでパターンが生成され、そのサイズがズームレンズにより変更されてもよい。

本発明の一形態に係るオートフォーカス方法は、撮影対象となる被写体の像を所定の倍率で結像する光学系の、前記所定の倍率に応じたサイズでパターンを生成して、前記被写体に投影することを含む。
前記光学系により前記所定の倍率で結像される前記投影されたパターンの像が撮影された画像をもとに、前記光学系の焦点位置が制御される。

本発明の一形態に係るプログラムは、オートフォーカス装置に以下のステップを実行させる。
被写体の像を結像する光学系の倍率を検出するステップ。
前記検出された倍率をもとにパターンのサイズを算出するステップ。
前記算出されたサイズで前記パターンを生成して前記被写体に投影するステップ。
前記光学系により前記倍率で結像される前記投影されたパターンの像が撮影された画像をもとに、前記光学系の焦点位置を制御するステップ。

以上のように、本発明によれば、倍率が変更される場合でも高精度にオートフォーカスを実行することが可能となる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。

一実施形態に係る画像測定装置の構成例を示す概略図である。 画像表示装置の制御系の構成例を示すブロック図である。 パターン制御部の具体的な構成例を示す概略図である。 パターン生成部により生成されるパターンの一例を示す図である。 オートフォーカスの処理例を示すフローチャートである。 パターンの像がＣＣＤカメラにより撮影された撮影画像を示す模式図である。 光変調素子としてＤＭＤが用いられた場合の他の構成例を示す概略図である。 光変調素子として液晶パネルが用いられる場合の構成例を示す概略図である。 パターン生成部の他の実施形態の構成例を示す概略図である。 パターン生成部により生成されるパターンの他の例を示す図である。

以下、本発明に係る実施形態を、図面を参照しながら説明する。

［画像測定装置の構成］
図１は、本発明の一実施形態に係る画像測定装置の構成例を示す概略図である。本画像測定装置２００には、本発明の一実施形態に係るオートフォーカス装置が組み込まれている。当該オートフォーカス装置を構成する部分については、後に詳しく説明する。

画像測定装置２００は、ワーク（被写体）Ｗを載置しＸ及びＹ方向（図１の左右方向）へ移動可能なステージ１０と、このステージ１０に対してＺ軸方向（図１の上下方向）へ移動可能に設けられた光学系ユニット１１とを有する。ステージ１０及び光学系ユニット１１を移動させるための具体的な構成は限定されない。各方向において、ステージ１０及び光学系ユニット１１が相対的に移動可能となる任意の構成が採用されてよい。

光学系ユニット１１は、筐体１２と、対物レンズホルダ１３と、ＣＣＤカメラ２４と、照明部２５とを有する。対物レンズホルダ１３は、筐体１２の下部側の筒部１２Ａに、アクチュエータ１５を介して接続される。アクチュエータ１５は、筒部１２Ａ側に固定されたマグネット１６と、対物レンズホルダ１３側に固定されたコイル１７を有する。アクチュエータ１５が動作することで、対物レンズホルダ１３が光軸Ｌ方向（Ｚ軸方向）に移動可能となる。

図１に示すように、対物レンズホルダ１３には、光軸Ｌ上に位置するように対物レンズ１４が保持されている。対物レンズ１４は、対物レンズホルダ１３の移動にともなって、光軸Ｌ方向に移動する。本実施形態では、対物レンズ１４が移動することで、対物レンズ１４を含む結像光学系２９の焦点位置Ｐが制御される。光軸Ｌは、当該結像光学系２９の光軸に相当する。

ＣＣＤカメラ２４は、筐体１２の上部側で、光軸Ｌ上に配置される。ＣＣＤカメラ２４は、結像光学系２９により結像されたワークＷの像を撮影する撮像部として機能する。ＣＣＤカメラ２４に代えて、ＣＭＯＳカメラ等の他のデジタルカメラが用いられてもよい。照明部２５も、筐体１２の上部側に配置される。照明光を出射する光源として、ＬＥＤ等の固体光源や水銀ランプ等の任意の光源が用いられてよい。

筐体１２内には、照明部２５の下方に形成されたミラー２６と、光軸Ｌ上に配置されたビームスプリッタ２７が配置される。ミラー２６は、照明部２５から出射された照明光を光軸Ｌに向けて略直角に反射する。ビームスプリッタ２７は、ミラー２６により反射された照明光を光軸Ｌ上の対物レンズ１４に向けて反射する。またビームスプリッタ２７は、ワークＷから反射された光を光軸Ｌ方向に沿って透過する。

また筐体１２内には、倍率の異なる複数（例えば、１倍、２倍、６倍）のチューブレンズ（結像レンズ）２８（２８Ａ−２８Ｃ）と、これら複数のチューブレンズ２８Ａ−２８Ｃを保持するターレット３２と、ターレット３２の中心に接続される軸部３１が配置される。軸部３１は、光軸Ｌと異なる位置にその光軸Ｌと平行に設けられ、ターレット３２は、この軸部３１を中心に回転可能に設けられる。３つのチューブレンズ２８Ａ−２８Ｃは、軸部３１から光軸Ｌまでの距離を半径とする円周上に等間隔に取り付けられる。

軸部３１は、筐体１２の上部側に配置された駆動モータ４４と、クラッチ４３を介して連結される。駆動モータ４４が動作することでターレット３２が回転し、チューブレンズ２８の切替えが行われる。すなわち複数のチューブレンズ２８Ａ−２８Ｃのいずれか１つが、光軸Ｌ上に選択的に配置される。

チューブレンズ２８が光軸Ｌに一致する角度位置にてターレット３２を位置決めするための方法や構成は限定されない。例えばターレット３２の所定の位置に形成された切欠きが、筐体１２側の所定の位置に形成された凸部と係合することで、位置決めが行われてもよい。またターレット３２の回転角度を検出するセンサ等が適宜用いられてもよい。

また画像測定装置２００は、オートフォーカスを実行するためのパターンを生成して、ワークＷに投影するパターン制御部２０を有する。本実施形態では、パターン制御部２０は、照明部２５と、パターン生成部２２と、ミラー２６と、投影レンズ２１と、ビームプリッタ２７とを有する。従って照明部２５、ミラー２６、及びビームスプリッタ２７は、照明光をワークＷに照射する際にも動作し、またパターンをワークＷに投影する際にも動作することになる。なおパターン生成用の光を出射する照明装置が、照明部２５とは別個に設けられてもよい。パターン制御部２０の詳しい構成については後に説明する。

図２は、画像表示装置１００の制御系の構成例を示すブロック図である。図２に示すように、画像測定装置２００は、装置の各機構の動作を制御するメインコントローラ５０を有する。メインコントローラ５０には、照明部２５、パターン生成部２２、アクチュエータ１５、及び駆動モータをそれぞれ制御する制御部（符号５１−５４）が接続される。

またメインコントローラ５０には、フレームグラバ５５、Ｘ軸エンコーダ５６Ｘ、Ｙ軸エンコーダ５６Ｙ、及びＺ軸エンコーダ５６Ｚが接続される。フレームグラバ５５は、ＣＣＤカメラ２４により撮影された撮影画像を取込む。Ｘ及びＹ軸エンコーダ５６Ｘ及び５６Ｙは、ステージ１０のＸ及びＹ方向の各位置を検出する。Ｚ軸エンコーダ５６Ｚは、光学系ユニット１１のＺ方向の位置（対物レンズ１４のＺ方向の位置）を検出する。

さらにメインコントローラ５０には、液晶やＥＬ（Electro-Luminescence）等を用いた表示部５７を制御する表示制御部５８と、ユーザからの指示が入力される入力部５９とが接続される。入力部５９は、例えばタッチパネルやボタン等の入力デバイスからなる。

メインコントローラ５０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及びＲＯＭ（Read Only Memory）等を有し、ＣＰＵがＲＯＭに予め記録されているプログラムをＲＡＭにロードして実行することにより、種々の処理が実行される。メインコントローラ５０の具体的な構成は限定されず、任意のハードウェア及びソフトウェアが適宜用いられてよい。

上記のような構成を有する画像測定装置２００において、対物レンズ１４、ビームスプリッタ２７、及びチューブレンズ２８は、ワークＷの像を所定の倍率で結像する結像光学系２９として機能する。当該結像光学系２９と、撮像部として機能するＣＣＤカメラ２４により、本実施形態に係る画像取得部が実現される。

またパターン制御部２０に含まれる要素のうち、照明部２５及びパターン生成部２２により、本実施形態に係る「生成部」が実現される。またミラー２６、投影レンズ２１、及びビームスプリッタ２７により本実施形態に係る「投影部」が実現される。

またメインコントローラ５０のＣＰＵが所定のプログラムを実行することで、本実施形態に係る焦点制御部が実現される。画像取得部、パターン制御部２０、及び焦点制御部が、本実施形態において、オートフォーカス装置として機能する要素となる。

また所定のプログラムに従って動作するＣＰＵにより、倍率情報の取得ステップ、パターンのサイズの算出ステップ、パターンの投影ステップ、焦点位置の制御ステップが実行される。すなわちメインコントローラ５０は、本発明に係るオートフォーカスを実行する情報処理装置としても機能する。またメインコントローラ５０は、本発明に係るプログラムに沿って、情報処理方法としてオートフォーカスを実行することが可能である。

メインコントローラ５０のＲＯＭ等は記憶部として動作可能であり、プログラムの他にパターンのサイズを算出するためのテーブル等が記憶される。メインコントローラ５０とは別にＨＤＤ（Hard Disk Drive）等が設けられ、これが記憶部として機能してもよい。

図３は、パターン制御部２０の具体的な構成例を示す概略図である。上記したようにパターン制御部２０は、照明部２５と、パターン生成部２２と、投影レンズ２１と、ビームスプリッタ２７とを有する。なお図３では、ミラー２６の図示が省略されており、照明部２５、パターン生成部２２、投影レンズ２１、及びビームスプリッタ２７が、略直線上に配置されている。また図３では、光軸Ｌに沿って並ぶワークＷ、対物レンズ１４、チューブレンズ２８、及びＣＣＤカメラ２４が図示されている。

パターン生成部２２は、集光レンズ６０と、第１及び第２の反射ミラー６１及び６２と、反射型のデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）６３とを有する。ＤＭＤ６３は、画素に対応する複数の微小ミラーが平面上に配列された素子である。各微小ミラーは傾斜角度が個別に制御され、各微小ミラーごとで、入射する光に対してＯＮ状態及びＯＦＦ状態をとることができる。例えば所定の基準方向に対して傾斜角度が＋α°に制御されるとＯＮ状態となり、入射する光は投影対象に向けて反射される。一方傾斜角度が−α°に制御されるとＯＦＦ状態となり、入射する光は光を遮断する遮断部等に反射される。

複数の微小ミラーのうち所定の微小ミラーをＯＮ状態とすることで、任意の形状及び任意のサイズを有するパターンを生成することができる。また微小ミラーをＯＮ状態及びＯＦＦ状態の間で高速にスイッチングすることで、投影される画像（対応する画素）の輝度を制御することも可能である。ＤＭＤ６３は、本実施形態において、入射する光をもとに、サイズを変更してパターンを生成可能な光変調素子として機能する。

図３に示す集光レンズ６０及び第１の反射ミラー６１により、照明部２５からの光がＤＭＤ６３の複数の微小ミラーに照射される。そしてＯＮ状態の微小ミラーにより反射された光が、第２の反射ミラー６２を介して投影レンズ２１に照射される。これによりＤＭＤ６３により生成されたパターンが、投影レンズ２１及びビームスプリッタ２７を介してワークＷに投影される。

図４は、パターン生成部２２により生成されるパターンの一例を示す図である。本実施形態では、複数の正三角形６６が、辺部６７を介して隣接するもの同士が互い異なる色（輝度）となるように、２次元状に並べられたパターン６５が生成される。パターン６５のサイズＳは、典型的には並べられる正三角形６６のサイズにより規定される。例えば正三角形６５の１つの辺部６７の長さによりパターン６５のサイズＳが規定される。又は１つの頂点からそれに対向する辺部６７までの距離によりパターンのサイズＳが規定されてもよい。

また本実施形態では、隣接する正三角形６６の一方が白色（最高輝度）となり、他方が黒色（最低輝度）で生成される。これに限定されず、隣接するもの同士が異なる色となるのであれば、グレー（中間輝度）等が適宜使用されてよい。使用される色（輝度）は、隣接する正三角形６６の境界部分にて輝度が変化するように適宜設定されてよい。なおカラー画像が生成可能である場合では、ＲＧＢ等の色が適宜使用されてもよい。

［画像測定装置の動作］
画像測定装置２００の動作として、主にオートフォーカス実行時の動作を説明する。図５は、オートフォーカスの処理例を示すフローチャートである。

まず結像光学系２９の倍率が検出される（ステップ１０１）。例えば対物レンズ１４が固定式である場合には、光軸Ｌ上に配置されたチューブレンズ２８の種類が検出される。これはターレット３２の回転位置等から自動的に検出される。そして対物レンズ１４の倍率と、光軸Ｌ上に配置されたチューブレンズ２８の倍率とをもとに結像光学系２９の倍率が検出（算出）される。

対物レンズ１４が交換可能である場合には、例えば対物レンズホルダ１３に装着された対物レンズ１４の種類又は倍率がユーザにより入力部５９に入力される。当該入力された情報をもとに、結像光学系２９の倍率が検出される。あるいは装着される対物レンズ１４が自動的に識別可能であり、その識別結果をもとに倍率が検出されてもよい。対物レンズ１４を自動的に識別するための方法や構成として任意の技術が用いられてよい。

なお結像光学系２９の倍率の算出に、対物レンズ１４及びチューブレンズ２８の倍率のみならず、他の光学部材等に起因するパラメータが用いられてもよい。またメインコントローラ５０のＲＯＭ等からなる記憶部に、対物レンズ１４及びチューブレンズ２８の組み合わせと、それに対応する結像光学系２９の倍率とが格納されたテーブルが記憶されてもよい。当該テーブルが参照されることで、結像光学系２９の倍率を簡単に検出することが可能となる。その他、種々の方法が用いられてよい。

パターン６５のサイズＳが算出される（ステップ１０２）。すなわち結像光学系２９の倍率（ワークＷの像を結像する際の「所定の倍率」に相当）に応じたサイズＳが算出される。

図６は、結像光学系２９の倍率に応じたサイズＳを説明するための図であり、ワークＷに投影されたパターン６５の像がＣＣＤカメラ２４により撮影された撮影画像７０を示す模式図である。パターン制御部２０によりワークＷにパターン６５が投影されると、当該パターン６５の像が結像光学系２９により所定の倍率で結像される。そして結像されたパターン６５の像がＣＣＤカメラ２４により撮影される。

図６Ａ−Ｃに示すように、結像光学系２９の倍率により、撮影画像７０内に表示されるパターン６５'のサイズＳは異なってくる。例えば結像光学系２９の倍率が高い場合には、撮像画像７０内のパターン６５'のサイズＳは大きくなり（図６Ａ）、倍率が低い場合には、撮像画像７０内のパターン６５'のサイズＳは小さくなる（図６Ｃ）。倍率が中間の大きさの場合には、パターン６５'のサイズＳも中間の大きさとなる（図６Ｂ）。

結像光学系６５の焦点位置の調整は、図６に示す撮影画像７０のコントラストをもとに実行される。図６Ａ−Ｃに示すように、結像光学系２９の倍率により撮影画像７０内のパターン６５'のサイズＳが変化すると、撮影画像７０から得られるコントラストの情報も変化してしまう。この結果、結像光学系２９の倍率によりフォーカス精度が変動してしまうことが起こり得る。また高倍率の場合や低倍率の場合では、十分なフォーカス精度が得られないといったことも起こり得る。

このような問題を解決するために、本発明では、結像光学系２９の倍率に応じたサイズＳが算出される。すなわち結像光学系２９の倍率の変更に応じてパターン６５のサイズＳが変更される。これにより倍率が変更される場合でも高精度にオートフォーカスを実行することが可能となる。

典型的には、結像光学系２９の倍率の増加に応じてパターン６５のサイズＳは小さく設定される。また結像光学系２９の倍率の減少に応じてパターン６５のサイズＳは大きく設定される。これにより例えば結像されるパターン６５の像（パターン６５'）が大きくなりすぎたり小さくなりすぎたりして、焦点位置の制御に影響が出てしまうことを防ぐことができる。

結像光学系２９の倍率が変更しても、結像されるパターン６５の像のサイズＳが略一定となるように、パターン６５のサイズが変更されてもよい。例えばステップ１０１で検出された倍率と反比例の関係が成り立つように、パターン６５のサイズが変更されてもよい。すなわち結像光学系２９の基準となる倍率に対して、基準となるサイズＳでパターン６５が生成される。基準となるサイズＳは、例えば撮影画像７０から適正にコントラストが算出可能となるサイズである。そして基準倍率からの倍率の変更と、基準サイズからのサイズＳの変更との間に、反比例の関係が成り立つように制御が行われる。

撮影画像７０内のパターン６５'のサイズＳが略一定に維持される場合に限定されるわけではない。例えば倍率の変更による撮影画像７０内のパターン６５'のサイズＳの変化が許容される範囲内となるように、パターン６５のサイズＳが制御されてもよい。許容される範囲とは、撮影画像７０から適正にコントラストが算出可能となる範囲である。適正にコントラストが算出されるか否かの基準は、使用される画像測定装置２００ごとに、所望のフォーカス精度等をもとに適宜設定されればよい。

サイズＳの算出は、例えばテーブルが参照されることで実行される。メインコントローラ５０のＲＯＭ等からなる記憶部に、結像光学系２９の倍率と、これに対応するパターン６５のサイズＳとが格納されたテーブルが記憶される。このテーブルが参照されることで、結像光学系２９の倍率に応じたサイズを簡単に算出することができる。もちろん他の方法が用いられてもよい。

ＤＭＤ６３が制御され、ステップ１０２にて算出されたサイズＳにてパターン６５が生成される。生成されたパターン６５は、ワークＷに投影される（ステップ１０３）。投影されたパターン６５が撮影された撮影画像７０をもとに、オートフォーカスが実行される（ステップ１０４）。具体的には、撮影画像７０のコントラストが最も高くなる位置に、対物レンズ１４が移動される。これにより自動的に結像光学系２９の焦点位置が調整される。焦点が合わされると、パターン６５の投影が解除され、ワークＷの撮影画像が生成される。当該撮影画像をもとに、ワークＷの寸法や形状等が測定される。

以上、本実施形態に係る画像測定装置２００では、ワークＷの像を結像する結像光学系２９の倍率に応じたサイズＳにてパターン６５が生成されてワークＷに投影される。投影されたパターン６５の像は結像光学系２９により所定の倍率で結像されＣＣＤカメラ２４により撮影される。当該パターン６５の像が撮影された撮影画像７０をもとに結像光学系２９の焦点位置が制御される。これにより倍率が変更される場合でも、高精度にオートフォーカスを実行することが可能となる。なお所定の倍率による結像は、ワークＷの像を実際の大きさよりも拡大する場合と、縮小する場合の両方を含む。

図７は、光変調素子としてＤＭＤが用いられた場合の他の構成例を示す概略図である。図７に示すパターン生成部８０は、集光レンズ８１と、ＤＭＤ８２とを有し、これらと照明部２５との配置が適宜設定されている。すなわち照明部２５と集光レンズ８１は、照明光が集光レンズ８１を介して直接ＤＭＤ８２に照射される位置に配置される。そしてＤＭＤ８２は、ＯＮ状態の微小ミラーにより反射された光が、直接投影レンズ２１に照射される位置に配置される。このような構成を採用することで、第１及び第２の反射ミラー６１及び６２を省略することが可能となり、構成の簡略化や部品コストの低減を図ることが可能となる。

＜その他の実施形態＞
本発明は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態を実現することができる。

図８は、光変調素子として液晶パネルが用いられる場合の構成例を示す概略図である。図８Ａに示すパターン生成部９０は、集光レンズ９１と、透過型の液晶パネル９２とを有する。照明部２５から出射された照明光は集光レンズ９１を介して液晶パネル９２に照射される。液晶パネル９２により、結像光学系の倍率に応じたサイズにてパターンが生成され、投影レンズ２１に照射される。

図８Ｂに示すパターン生成部１００は、ビームスプリッタ１０１と、集光レンズ１０２と、反射型の液晶パネル１０３とを有する。照明部２５からの照明光はビームスプリッタ１０１を透過し、集光レンズ１０２を介して、液晶パネル１０３に照射される。液晶パネル１０３により、結像光学系の倍率に応じたサイズにてパターンが生成され、ビームスプリッタ１０１に向けて出射される。ビームプリッタ１０１は、液晶パネル１０３により出射されたパターンを、投影レンズ２１に向けて反射する。図８Ａ及びＢに示すように、光変調素子として、透過型又は反射型の液晶パネルが用いられてもよい。

ＤＭＤや液晶パネルのように光変調素子が用いられることで、ワークに投影されるパターンを高精度に変更して生成することが可能となる。なおＤＭＤ、液晶パネル、及び照明部からの照明光や生成されたパターンを導く光学系の具体的な構成は限定されず、任意の構成が採用されてよい。また任意の光学部材等が適宜使用されてよい。

光変調素子に液晶パネルが用いられる場合、偏光子及び検光子等の光学部材が使用される場合が多く、当該光学部材にて光量が損失してしまう場合がある。すなわち照明部からの出射光の利用効率が低下してしまう場合がある。この対応策として高輝度の照明装置を使用する場合、コストアップや照明装置からの発熱により問題が発生する可能性がある。

光変調素子にＤＭＤが用いられる場合、上記した偏光子や検光子が不要となるので、照明部からの照明光を効率よく利用することが可能となる。従って上記した問題の発生を防ぐことができる。一方で光変調素子に透過型又は反射型の液晶パネルを用いることで、簡単な構成で装置を組み立てたり、設計の自由度を向上させる点で有利となる場合がある。なおＤＭＤ及び液晶パネル以外の光変調素子が用いられてもよい。

図９は、パターン生成部の他の実施形態の構成例を示す概略図である。このパターン生成部１１０は、集光レンズ１１１と、所定のサイズでパターンを生成する生成部材１１２と、生成部材１１２により生成されたパターンのサイズを変更するズームレンズ１１３とを有する。生成部材１１２としては、例えばレクチル等の、定まったサイズのパターンが描かれた投影板が用いられる。あるいは通電により所定のパターンのみを生成可能な液晶板が用いられてもよい。メインコントローラ５０によりズームレンズ１１３のズーム位置が制御されることで、結像光学系の倍率に応じたサイズにてパターンを生成することが可能となる。このような構成とすることで装置の簡素化や制御の簡略化を図ることができる。

またパターン生成部として、ＤＭＤや液晶パネル等の光変調素子と、ズームレンズとがともに用いられてもよい。光変調素子によるサイズの変更に加えて、ズームレンズによりさらにサイズを変更することで、パターンサイズの微調整等が可能となる。その結果、パターンの生成精度を向上させることが可能となる。

図１０は、パターン生成部により生成されるパターンの他の例を示す図である。図１０Ａに示すパターン１２０は、隣接する者同士が互い異なる色（輝度）となるように、斜め方向に並べられた複数の正方形１２１から構成されている（いわゆるチェッカーパターン）。例えばパターン１２０のサイズＳは、正方形１２１のサイズにより規定される。このようなパターン１２０が用いられてもよい。その他、ＣＣＤカメラによりパターンが撮影された撮影画像から適正にコントラストが算出可能であるのなら、パターンの構成は限定されない。

例えば単位となる形状が、互いに直交する２軸補方向に並べられる。そして各軸方向において、隣接するもの同士が互いに異なる色（輝度）となるように、換言すれば境界にて輝度が変化するように、パターンが形成される。単位となる形状は限定されず、任意の形状でよい。また並べられる形状が、全て完全に同じ形状ではなく、異なる形状が並べられてもよい。パターンのサイズは、例えば単位となる形状のサイズにより規定される。

また図１０Ｂに示すパターン１３０のように、１軸方向に延在するように単位形状（長方形）１３１が設定され、これに直交する軸に沿って複数の単位形状１３１が並べられてもよい。隣接するもの同士の境界には、輝度が変化する輝度変更部１３２が設定される。パターン１３０のサイズＳは、単位形状１３１により規定される。

その他、適当な数及びサイズの輝度変更部が含まれるように、不定形の形状が複数並べられたパターンが用いられてもよい。この場合、例えば１つの形状に着目して、当該形状のサイズをもとに、パターンサイズの変更が実行されればよい。

結像光学系の焦点位置の調整は、対物レンズの位置調整により実行される場合に限定されるわけではない。例えば光学系ユニット全体を移動させることで、オートフォーカスが実行されてもよい。その他、撮影されるワークのピントを合わせる方法として、任意の方法が用いられてよい。いずれにせよ上記で説明したように、結像光学系の倍率に応じてパターンのサイズを制御することにより、高精度のオートフォーカスが実行可能となる。

本発明に係るオートフォーカス装置及び方法を適用することが可能な画像測定装置の種類は限定されない。ワークを撮影することで得られる被写体画像を用いて測定や観察等を実行する装置であれば、どのような装置にも本発明は適用可能である。例えばＣＮＣ画像測定機、ＣＮＣ三次元測定機、硬さ試験機等が挙げられる。また光学顕微鏡で得られた拡大像をデジタルカメラにより撮影するデジタル顕微鏡においても本発明は適用可能である。

以上説明した各形態の特徴部分のうち、少なくとも２つの特徴部分を組み合わせることも可能である。また上記で記載した種々の効果は、あくまで例示であって限定されるものではなく、また他の効果が発揮されてもよい。

Ｐ…焦点位置
Ｓ…サイズ
Ｗ…ワーク（被写体）
２０…パターン制御部
２１…投影レンズ
２２、８０、９０、１００、１１０…パターン生成部
２４…ＣＣＤカメラ
２５…照明部
２６…ミラー
２７…ビームスプリッタ
２８…チューブレンズ
２９…結像光学系
５０…メインコントローラ
６３、８２…デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）
６５、１２０、１３０…パターン
６５'…撮影画像内のパターン
７０…撮影画像
９２…透過型の液晶パネル
１０３…反射型の液晶パネル
１１２…生成部材
１１３…ズームレンズ
２００…画像測定装置

Claims (10)

1. 被写体の像を所定の倍率で結像する光学系と、前記結像された被写体の像を撮影する撮像部とを有する画像取得部と、
   前記光学系の前記所定の倍率に応じたサイズにてパターンを生成する生成部と、前記生成されたパターンを前記被写体に投影する投影部とを有するパターン制御部と、
   前記光学系により前記所定の倍率で結像される前記投影されたパターンの像が、前記撮像部により撮影された画像をもとに、前記光学系の焦点位置を制御する焦点制御部と
   を具備するオートフォーカス装置。
2. 請求項１に記載のオートフォーカス装置であって、
   前記生成部は、前記光学系の倍率の変更に応じて前記パターンのサイズを変更する
   オートフォーカス装置。
3. 請求項２に記載のオートフォーカス装置であって、
   前記生成部は、前記光学系の倍率の増加に応じて前記パターンのサイズを小さくし、前記光学系の倍率の減少に応じて前記パターンのサイズを大きくする
   オートフォーカス装置。
4. 請求項２又は３に記載のオートフォーカス装置であって、
   前記生成部は、前記光学系の倍率が変更しても前記結像されるパターンの像のサイズが略一定となるように、前記パターンのサイズを変更する
   オートフォーカス装置。
5. 請求項１から４のうちいずれか１項に記載のオートフォーカス装置であって、
   前記生成部は、入射する光をもとに、前記サイズを変更して前記パターンを生成可能な光変調素子を有する
   オートフォーカス装置。
6. 請求項５に記載のオートフォーカス装置であって、
   前記光変調素子は、マイクロミラーデバイスである
   オートフォーカス装置。
7. 請求項５に記載のオートフォーカス装置であって、
   前記光変調素子は、液晶パネルである
   オートフォーカス装置。
8. 請求項１から４のうちいずれか１項に記載のオートフォーカス装置であって、
   前記生成部は、所定のサイズで前記パターンを生成する生成部材と、前記生成部材により生成されたパターンのサイズを変更するズームレンズとを有する
   オートフォーカス装置。
9. 撮影対象となる被写体の像を所定の倍率で結像する光学系の、前記所定の倍率に応じたサイズでパターンを生成して、前記被写体に投影し、
   前記光学系により前記所定の倍率で結像される前記投影されたパターンの像が撮影された画像をもとに、前記光学系の焦点位置を制御する
   オートフォーカス方法。
10. 被写体の像を結像する光学系の倍率を検出するステップと、
    前記検出された倍率をもとにパターンのサイズを算出するステップと、
    前記算出されたサイズで前記パターンを生成して前記被写体に投影するステップと、
    前記光学系により前記倍率で結像される前記投影されたパターンの像が撮影された画像をもとに、前記光学系の焦点位置を制御するステップと
    をオートフォーカス装置に実行させるプログラム。