JP2017207481A - 非接触三次元形状測定機、及び、これを用いた形状測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】測定ヘッドが一定速度で移動しない場合であっても、フレーム画像を精度良く合成して、高精度な形状測定を可能とする非接触三次元形状測定機を提供する。
【解決手段】測定ヘッド１０を光軸（Ｚ軸）方向に走査させながらカメラで撮像したフレーム画像と、その画像を取得した位置情報を元にして撮像対象の三次元形状を合成するようにされた非接触三次元形状測定機において、複数の生画像を撮像する間の測定ヘッド１０の走査位置ｄＺ₁、ｄＺ₂を検出する手段１２と、撮像された生画像１，２に対して、走査位置ｄＺ₁、ｄＺ₂の情報を利用した線形補間により補間画像を生成すると共に、補間画像を用いて合成フレーム画像を生成する手段と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、非接触三次元形状測定機、及び、これを用いた形状測定方法に係り、特に、インターレースカメラを備えた画像測定機や測定顕微鏡に用いるのに好適な、フレーム画像を精度良く合成して、高精度な形状測定が可能な非接触三次元形状測定機、及び、これを用いた形状測定方法に関する。

従来の画像測定機に搭載される非接触三次元形状合成方法には、合焦位置検出による三次元形状合成（Point From Focus；以下ＰＦＦ）と、白色光干渉を利用した三次元形状合成（White Light Interference；以下ＷＬＩ）があるが、どちらも測定ヘッドを光軸方向に走査させながら撮像した連続画像（ここで言う画像はフレーム画像）と、その画像を取得した位置情報を元にして三次元形状を合成している。

ここで、連続画像の撮像にインターレースカメラを用いた場合、図１（Ａ）に例示する如く、Ｚ軸方向に走査される測定ヘッド１０に搭載されるインターレースカメラは、奇数（Ｏｄｄ）及び偶数（Ｅｖｅｎ）の２つのフィールドに分けて１視野の範囲の画像が撮像されるため、三次元形状を合成するためには、Ｏｄｄ及びＥｖｅｎフィールド画像から、１視野の画像（フレーム画像）を合成する必要がある。

このフレーム画像の合成処理は、図１（Ａ）に示した如く、例えば位置Ｚ₂、Ｚ₃で撮像されたＯｄｄ及びＥｖｅｎフィールド画像（生画像）に対して、図１（Ｂ）に示す如く、それぞれ同じ位置Ｚ₂、Ｚ₃のＥｖｅｎ及びＯｄｄフィールドの補間画像（補間フィールド画像）を生成し、各位置Ｚ₂、Ｚ₃の生画像（Ｚ₂ではＯｄｄ、Ｚ₃ではＥｖｅｎ）と補間フィールド画像（Ｚ₂ではＥｖｅｎ、Ｚ₃ではＯｄｄ）を合成することで、図１（Ｃ）に示す如く、各位置Ｚ₂、Ｚ₃のフレーム画像を生成している。

特開２０００−２７０２１１号公報 特開２００９−４９５４７号公報 特開平９−２７４６６９号公報

しかしながら、従来のフレーム画像合成処理は、図２に例示する如く、一定時間間隔での画像の撮像と一定速度での測定ヘッド１０の移動により、測定ヘッドの走査方向に対して一定の距離間隔で画像が撮像されることを前提に合成処理を行っていた。即ち、ある位置のＯｄｄフィールド画像に対するＥｖｅｎの補間フィールド画像を生成する手法として、Ｏｄｄフィールド画像の前後のＥｖｅｎフィールド画像（図２ではＥｖｅｎ生画像１と２）を用い、各画素の輝度値Ｉ１_ijとＩ２_ijを単純平均した輝度値
Ｉ_ij＝（Ｉ１_ij＋Ｉ２_ij）/２
を有する画像をＥｖｅｎ補間フィールド画像としていた。

しかしながら、実際には、測定ヘッドの加減速中の速度変動や、低速移動時の速度リップルなどにより、測定ヘッドが一定速度で移動しない為、一定距離間隔での画像が撮像されない。特に測定ヘッドの移動にサーボモータを用いた場合には、動き始めと動き終わりの加速減が緩やかになるため、一定時間ピッチによる画像取得では、正確な一定空間ピッチでの画像取得が困難であった。その結果、正しくフレーム画像の合成ができず、測定精度が悪化するという問題点を有していた。

なお、特許文献１には、ＯｄｄデータとＥｖｅｎデータの画像を合成することが記載され、特許文献２には、複数の画像の画像データの各々に重み付けして合成することが記載され、特許文献３には、対象物までの距離を予め求める事なく合成画像を生成することが記載されているが、いずれも、前記問題点を解決することはできなかった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、フレーム画像の合成方法を改善して、測定精度を向上することを課題とする。

本発明は、測定ヘッドを光軸方向に走査させながらカメラで撮像したフレーム画像と、その画像を取得した位置情報を元にして撮像対象の三次元形状を合成するようにされた非接触三次元形状測定機において、複数の生画像を撮像する間の測定ヘッドの走査位置を検出する手段と、撮像された生画像に対して、前記走査位置の情報を利用した線形補間により補間画像を生成すると共に、該補間画像を用いて合成フレーム画像を生成する手段と、を備えることにより前記課題を解決したものである。

ここで、前記カメラがインターレースカメラである場合は、前記複数の生画像を奇数及び偶数フィールドそれぞれの生画像とし、撮像した生画像の前記走査位置の情報を利用した線形補間により、それぞれ同じ位置の偶数及び奇数フィールドの補間画像を生成して、各位置の偶数フィールドの生画像と奇数フィールドの補間画像、及び、奇数フィールドの生画像と偶数フィールドの補間画像を合成することで合成フレーム画像を生成することができる。

又、前記カメラがノンインターレースカメラであり、複数の生画像間の補間画像を生成することができる。

又、前記非接触三次元形状測定機は、対物レンズ、カメラ及び照明ユニットを備えた、Point From Focus（ＰＦＦ）測定が可能な画像光学測定ヘッドと、干渉対物レンズ、カメラ及び照明ユニットを備えたWhite Light Interference（ＷＬＩ）光学測定ヘッドの少なくともいずれか一方を備えることができる。

又、前記走査位置を検出する手段は、Ｚ軸スケールとすることができる。

本発明は、又、対物レンズ、カメラ及び照明ユニットを備えた画像光学測定ヘッドを用いて非接触三次元形状測定機によりPoint From Focus（ＰＦＦ）測定を行うに際して、ワークに対し、対物レンズをＺ軸コラムに沿ってＺ軸方向に走査するステップと、画像光学測定ヘッドに搭載されたカメラから生画像を取得すると共に、Ｚ軸コラムに搭載されたＺ軸スケールからＺ座標値を取得することにより、定ピッチで画像とＺ座標値をスタックするステップと、取得された生画像に対して、走査位置の情報を利用して補間画像を生成し、該補間画像を利用して合成フレーム画像を生成するステップと、スタック画像から各ピクセル位置のコントラストカーブを生成するステップと、各ピクセルのコントラストピーク位置をＺ位置として３Ｄ形状を合成するステップとを含むことを特徴とする非接触三次元形状測定機の形状測定方法を提供するものである。

本発明は、又、干渉対物レンズ、カメラ及び照明ユニットを備えたWhite Light Interference（ＷＬＩ）光学測定へッドを用いて非接触三次元形状測定機によりＷＬＩ測定を行うに際して、干渉対物レンズをＺ軸方向に走査するステップと、ＷＬＩ光学測定ヘッドに搭載されたカメラから生画像を取得すると共に、Ｚ軸コラムに搭載されたＺ軸スケールからＺ座標値を取得することにより、定ピッチで画像とＺ座標値をスタックするステップと、取得された生画像に対して、走査位置の情報を利用して補間画像を生成し、該補間画像を利用して合成フレーム画像を生成するステップと、スタック画像の干渉稿から各ピクセルの干渉信号を生成するステップと、各ピクセルの干渉稿ピーク位置をＺ位置として３Ｄ形状を合成するステップとを含むことを特徴とする非接触三次元形状測定機の形状測定方法を提供するものである。

本発明においては、例えばインターレースカメラを用いた場合には、図３に概要を示す如く、例えばＥｖｅｎ補間フィールド画像を生成する際に、測定ヘッド１０で撮像したフィールド画像の、例えばＺ軸スケール１２によって得た位置情報（Ｚ座標値ｄＺ₁、ｄＺ₂）を利用した線形補間によって得られた輝度値
Ｉ_ij＝｛(ｄＺ₂−ｄＺ₁)＊Ｉ１_ij＋ｄＺ₁＊Ｉ２_ij｝／ｄＺ₂
により、画像を生成するようにしている。

従って、従来の単純平均によるフレーム画像合成に比べると、高精度化が期待できる。又、インターレースカメラで取得したフィールド画像に欠損が生じた場合でも、本発明を使用することで、欠損していない隣接するフィールド画像から、補間フィールド画像を正確に生成できるので、精度の劣化を防ぐことができる。

なお、本発明の適用対象は、インターレースカメラを用いたものに限定されず、ノンインターレースのプログレッシブなカメラを用いた場合で、複数の生画像間の補間画像を合成する場合にも同様に適用できる。

インターレースカメラでフレーム画像を合成する方法の説明図 従来のフィールド画像の補間処理の説明図 インターレースカメラを用いた場合の本発明による線形補間を用いたフィールド画像の補間処理の原理の説明図 本発明が適用される非接触三次元形状測定機の一例の全体構成を示す斜視図 同じくシステム構成を示すブロック図 ＰＦＦ測定の手順を示す流れ図 ＰＦＦ測定の原理を示す説明図 ＷＬＩ測定のＭｉｒａｕ型の光学系の構成を示す図 同じくマイケルソン型の光学系の構成を示す断面図 ＷＬＩ測定の手順を示す流れ図 ＷＬＩ測定の原理を示す説明図 ノンインターレースカメラを用いた場合の本発明による線形補間を用いたフィールド画像の補間処理の原理の説明図

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態及び実施例に記載した内容により限定されるものではない。又、以下に記載した実施形態及び実施例における構成要件には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。更に、以下に記載した実施形態及び実施例で開示した構成要素は適宜組み合わせてもよいし、適宜選択して用いてもよい。

本発明の実施形態は、図４に全体構成、図５にシステム構成を示す如く、ＸＹステージ２２とＺ軸コラム２４を備えた非接触三次元形状測定機２０において、対物レンズ３２、ＣＣＤカメラ３４及び照明ユニット３８を備えた、ＰＦＦ測定が可能な画像光学測定ヘッド３０と、干渉対物レンズ４２、ＣＣＤカメラ４４及び照明ユニット４８を備えたＷＬＩ光学測定ヘッド４０の２つの測定ヘッドの両方またはいずれか一方を備えている。

前記Ｚ軸コラム２４には、図示しないＺ軸スケール（図３の符号１２）が配設され、測定ヘッド３０、４０のＺ軸方向位置が細かく測定可能とされている。

前記画像光学測定ヘッド３０は、図５に詳細に示す如く、前記ＣＣＤカメラ３４と、対物レンズ３２を入れ替えるためのパワーターレット３６とを備え、前記照明ユニット３８は、例えば、白色ＬＥＤによる透過照明３８ａ、白色ＬＥＤによる垂直落射照明３８ｂ、及び、白色ＬＥＤによるプログラム制御リング照明３８ｃを備えている。

前記ＷＬＩ光学測定ヘッド４０は、同じく図５に詳細に示す如く、前記ＣＣＤカメラ４４と、顕微鏡ユニット４６とを備え、前記照明ユニット４８は、例えばハロゲン電球による垂直落射照明を備えている。

図５において、６０は本体部を遠隔操作するためのリモートボックス、６２はハロゲンコントローラ、６４は除振台、７０は、画像光学測定ヘッド用のフレームグラバ７４、ＷＬＩ光学測定ヘッド用のフレームグラバ７６、ビデオタイミング入力インターフェース（Ｉ／Ｆ）７８を含むコンピュータ（ＰＣ）本体７２と、マウス８０と、キーボード８２と、モニタ８４とを備えたコンピュータ部、８６はソフトウェアである。

なお、ＰＦＦ測定用三次元形状測定機の場合は、ＷＬＩ光学測定ヘッド４０、干渉対物レンズ４２、ＷＬＩ光学測定ヘッド用のフレームグラバ７６が省略される。一方、ＷＬＩ測定用三次元形状測定機の場合は、ＰＦＦ測定は行われない。

以下、図６及び図７を参照して、ＰＦＦ測定の手順を説明する。

まずステップ１００で、図７（Ａ）に示す如く、ワーク８に対し、対物レンズ３２をＺ軸コラム２４に沿ってＺ軸方向に走査する。

次いでステップ１１０で、図７（Ｂ）に示す如く、定ピッチで画像とＺ座標値をスタックする。具体的には、画像光学測定ヘッド３０に搭載されたＣＣＤカメラ３４から生画像を取得すると共に、Ｚ軸コラム２４に搭載されたＺ軸スケール（図示省略）からＺ座標値を取得する。

次いでステップ１２０で、本発明により、図３に示したような方法で、取得された生画像（Ｏｄｄ／Ｅｖｅｎ）に対して、それぞれの補間フィールド画像（Ｅｖｅｎ／Ｏｄｄ）を生成し、ステップ１３０で、合成フレーム画像を生成する。

次いでステップ１４０で、図７（Ｃ）に示す如く、スタック画像から各ピクセル位置のコントラストカーブを生成する。

次いでステップ１５０で、図７（Ｄ）に示す如く、各ピクセルのコントラストピーク位置をＺ位置として３Ｄ形状を合成する。

このようにして、インターレースカメラを用いたＰＦＦによる画像測定の形状測定精度を高めることができる。

次に、同じくインターレースカメラを用いたＷＬＩ測定について説明する。

この場合、Ｍｉｒａｕ型の光学系は図８に示す如く構成され、マイケルソン型の光学系は図９に示す如く構成される。

いずれの構成においても、照明ユニット４８中の白色光源４９から照射された照明光は、干渉対物レンズ４２のビームスプリッタ５２により、参照ミラー５０への光束と、ワーク８への光束に２分割される。ここで干渉対物レンズ４２をＺ軸方向に走査すると、参照ミラー５０から反射した光束と、ワーク８表面から反射した光束の光路差がゼロとなる位置を中心に干渉縞が発生する。そこで、この干渉縞の強度のピーク位置をＣＣＤカメラ４４の各ピクセル位置で検出することにより、ワーク８表面の三次元形状を得ることができる。図において、５４はコリメータレンズ、５６はビームスプリッタ、５８はチューブレンズである。

以下、このＷＬＩ測定の手順を図１０を参照して説明する。

まずステップ２００で、干渉対物レンズ４２をＺ軸方向に走査する。

次いでステップ２１０で、定ピッチで画像とＺ座標値をスタックする。ここで、ＷＬＩ光学測定ヘッド４０に搭載されたＣＣＤカメラ４４から生画像を取得すると共に、Ｚ軸コラム２４に搭載されたＺ軸スケール（図示省略）からＺ座標値を取得する。

次いでステップ２２０で、本発明により、図３に示したような方法で、取得された生画像（Ｏｄｄ／Ｅｖｅｎ）に対して、それぞれの補間フィールド画像（Ｅｖｅｎ／Ｏｄｄ）を生成し、ステップ２３０で、合成フレーム画像を生成する。

次いでステップ２４０で、図１１に示す如く、スタック画像の干渉縞から各ピクセル位置の干渉信号を生成する。

次いでステップ２５０で、各ピクセルの干渉縞ピーク位置をＺ位置として３Ｄ形状を合成する。

このようにして、インターレースカメラを用いたＷＬＩによる画像測定の形状測定精度を向上することができる。

なお前記実施形態においては、いずれも、本発明がインターレースカメラを用いた三次元形状測定機に適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、図１２に原理を示す如く、ノンインターレースカメラを用いた三次元形状測定機や測定顕微鏡にも同様に適用することができる。カメラもＣＣＤカメラに限定されない。又、測定原理もＰＦＦ測定やＷＬＩ測定に限定されない。

１０…測定ヘッド
１２…Ｚ軸スケール
２０…非接触三次元形状測定機
２２…ＸＹステージ
２４…Ｚ軸コラム
３０…画像光学（ＰＦＦ）測定ヘッド
３２…対物レンズ
３４、４４…ＣＣＤカメラ
３８、４８…照明ユニット
４０…ＷＬＩ光学測定ヘッド
７０…コンピュータ部
７２…コンピュータ（ＰＣ）本体
８６…ソフトウェア

Claims (7)

1. 測定ヘッドを光軸方向に走査させながらカメラで撮像したフレーム画像と、その画像を取得した位置情報を元にして撮像対象の三次元形状を合成するようにされた非接触三次元形状測定機において、
   複数の生画像を撮像する間の測定ヘッドの走査位置を検出する手段と、
   撮像された生画像に対して、前記走査位置の情報を利用した線形補間により補間画像を生成すると共に、該補間画像を用いて合成フレーム画像を生成する手段と、
   を備えたことを特徴とする非接触三次元形状測定機。
2. 前記カメラがインターレースカメラであり、前記複数の生画像が奇数及び偶数フィールドそれぞれの生画像であり、撮像した生画像の前記走査位置の情報を利用した線形補間により、それぞれ同じ位置の偶数及び奇数フィールドの補間画像を生成して、各位置の偶数フィールドの生画像と奇数フィールドの補間画像、及び、奇数フィールドの生画像と偶数フィールドの補間画像を合成することで合成フレーム画像を生成するようにされていることを特徴とする請求項１に記載の非接触三次元形状測定機。
3. 前記カメラがノンインターレースカメラであり、複数の生画像間の補間画像を生成するようにされていることを特徴とする請求項１に記載の非接触三次元形状測定機。
4. 前記非接触三次元形状測定機が、対物レンズ、カメラ及び照明ユニットを備えた、Point From Focus（ＰＦＦ）測定が可能な画像光学測定ヘッドと、干渉対物レンズ、カメラ及び照明ユニットを備えたWhite Light Interference（ＷＬＩ）光学測定ヘッドの少なくともいずれか一方を備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の非接触三次元形状測定機。
5. 前記走査位置を検出する手段が、Ｚ軸スケールであることを特徴とする請求項１に記載の非接触三次元形状測定機。
6. 対物レンズ、カメラ及び照明ユニットを備えた画像光学測定ヘッドを用いて非接触三次元形状測定機によりPoint From Focus（ＰＦＦ）測定を行うに際して、
   ワークに対し、対物レンズをＺ軸コラムに沿ってＺ軸方向に走査するステップと、
   画像光学測定ヘッドに搭載されたカメラから生画像を取得すると共に、Ｚ軸コラムに搭載されたＺ軸スケールからＺ座標値を取得することにより、定ピッチで画像とＺ座標値をスタックするステップと、
   取得された生画像に対して、走査位置の情報を利用して補間画像を生成し、該補間画像を利用して合成フレーム画像を生成するステップと、
   スタック画像から各ピクセル位置のコントラストカーブを生成するステップと、
   各ピクセルのコントラストピーク位置をＺ位置として３Ｄ形状を合成するステップとを含むことを特徴とする非接触三次元形状測定機の形状測定方法。
7. 干渉対物レンズ、カメラ及び照明ユニットを備えたWhite Light Interference（ＷＬＩ）光学測定へッドを用いて非接触三次元形状測定機によりＷＬＩ測定を行うに際して、
   干渉対物レンズをＺ軸方向に走査するステップと、
   ＷＬＩ光学測定ヘッドに搭載されたカメラから生画像を取得すると共に、Ｚ軸コラムに搭載されたＺ軸スケールからＺ座標値を取得することにより、定ピッチで画像とＺ座標値をスタックするステップと、
   取得された生画像に対して、走査位置の情報を利用して補間画像を生成し、該補間画像を利用して合成フレーム画像を生成するステップと、
   スタック画像の干渉稿から各ピクセルの干渉信号を生成するステップと、
   各ピクセルの干渉稿ピーク位置をＺ位置として３Ｄ形状を合成するステップとを含むことを特徴とする非接触三次元形状測定機の形状測定方法。