JP3430002B2 - 自動焦点合わせ方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像計測による寸
法測定や自動アライメント等を行う際に必要とされる、
対物レンズの合焦位置の自動設定作業に適用される自動
焦点合わせ方法に関し、特に、被撮像物をエンドミルや
ドリル等の捩じれ歯を有する棒状の回転工具としたとき
の自動焦点合わせ方法及びその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、顕微鏡を用いて画像計測を行うに
あたっては、顕微鏡の対物レンズを人為的に焦点合わせ
することにより被撮像物の映像を捉え、この映像に基づ
いた各種処理により被撮像物の寸法を測定する作業が行
われていた。しかし、この人為的な焦点合わせでは正確
に合焦位置を求めることは困難であり、寸法測定に大き
な誤差が生ずることを免れ得ないものとなっていた。そ
こで、レーザ光のスポットビームによるフォーカシング
や光路差分離によるフォーカシングを利用することによ
り、焦点合わせを自動的に行わせる方法が考え出され
た。しかし、前者においてはスポットビームの照射位置
によっては目標とする位置にフォーカスすることが難し
く、また後者においては被撮像物が光の反射率の低いも
のである場合には適用できないという問題があった。

【０００３】そこで、これらの問題点を解消するものと
して、被撮像物の画像処理による映像信号からコントラ
ストのピーク値並びに当該ピーク値に対応する位置を求
め、これらの値に基づいて顕微鏡の対物レンズの位置を
自動的に設定する、所謂コントラスト検出による自動焦
点合わせ方法が開発された。このコントラスト検出によ
る自動焦点合わせ方法を用いた技術の一例としては、特
開平５−２３６３１５号で開示される方法がある。この
方法では、対物レンズを被撮像物から離間するＺ軸方向
に原点より所定量ずつステップ移動させ、各ステップに
おけるテレビカメラにて撮影された被撮像物の撮影画像
からテレビ走査線上の映像信号を得ることにより各コン
トラスト値を求め、これらのコントラスト値のピーク値
近傍前後に位置するコントラスト値を重心演算し、その
演算値から対物レンズの焦点を合焦位置に自動設定する
際に必要なデータとしての、コントラスト値のピーク値
並びに当該ピーク値に対応する対物レンズの位置を割り
出すようにしている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】当然のことながら自動
設定される合焦位置は対物レンズの焦点深度の範囲内に
あることになるが、この対物レンズの焦点深度の範囲内
では一般に被撮像物のコントラスト値はあまり変化せ
ず、しかも再現性が悪いことが知られている。ところ
が、前述の特開平５−２３６３１５号による方法では、
重心演算に使用するデータとして、再現性が悪いピーク
値近傍のコントラスト値も用いることになっており、結
局のところ、この再現性が悪いデータに基づいて得られ
たコントラスト値のピーク値並びに当該ピーク値に対応
する位置についても、正確さに欠き、しかも再現性が悪
いという問題を生ずることになる。

【０００５】また、被撮像物を図７に示すボールエンド
ミルような棒状の回転工具とした場合、その形状・寸法
の測定には、従来、拡大投影器によって間接的に測定す
る方法や、回転工具をその回転軸回りに一定角度ずつ回
転させながら三次元測定器を用いて測定する方法が採ら
れてきた。しかし、これらの方法では、図７に示すボー
ルエンドミルように回転工具が捩じれ歯を有している場
合、その先端頂部にまで切れ刃リードがあるために、こ
の部分の測定が困難となるか、あるいは測定に長時間を
要することとなり、さらに作業者にはかなりの技能と労
力が必要とされるという問題がある。

【０００６】本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたものであり、捩じれ歯を有する棒状の回転工具を被
撮像物とし、この回転工具をその回転軸を中心に回転可
能にされたスピンドルに把持させることにより、回転工
具の形状・寸法を測定するようにした測定装置に関し
て、被撮像物としての回転工具の所定の領域における合
焦位置を正確に設定し、しかも再現性が良好に保たれる
ような自動焦点合わせ方法及びその装置を提供すること
を目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、請求項１にかかる発明によれば、まず、回転工具
を把持させたスピンドルを予め設定されたサーチ開始位
置からサーチ終了位置まで予め設定された第１の回転速
度で回転させながら、予め定められたサンプリング間隔
（時間）毎に、テレビカメラにより回転工具の画像を撮
影し、この撮影画像から抽出画像として所定の領域を抽
出し、この抽出画像のコントラスト値を算出するととも
にスピンドルの回転位置を検出する。しかる後、算出さ
れたサンプリング間隔毎のコントラスト値の中からその
最大値である最大コントラスト値を検索し、この最大コ
ントラスト値に基づいてコントラスト値に関する第１及
び第２の閾値を設定する。そして、算出されたサンプリ
ング間隔毎のコントラスト値の中から第１の閾値以上で
かつ第２の閾値以下のものを抽出し、この抽出されたコ
ントラスト値を所定の関数により近似することによって
サンプリング間隔毎のコントラスト値全体のピーク位置
を算出する。最後に、このコントラスト値のピーク位置
に基づいて対物レンズの合焦位置を算出し、この合焦位
置にスピンドルの回転位置を自動的に設定するようにし
た。

【０００８】ここで、上記請求項１にかかる発明の構成
について補足説明する。被撮像物である捩じれ歯を有す
る棒状の回転工具としては、例えばエンドミルやドリル
が挙げられるが、これに限定されるものではない。サン
プリング間隔は画像データを取得するタイミングを規定
する時間間隔であり、テレビカメラのフレーム間隔（時
間）の正数倍に設定される数値である。サンプリング間
隔を小さく設定するほど、一般に得られるデータの量は
多くなる。スピンドルの第１の回転速度は任意でよい
が、この第１の回転速度を大きく設定すると得られるデ
ータの量が少なくなるので精度は低下するが処理は速く
なり、逆に第１の回転速度を小さく設定すると得られる
データの量が多くなるので精度は高くなるが処理に時間
がかかるようになる。このように得られるデータの量は
サンプリング間隔とスピンドルの回転速度に依存するこ
とになる。コントラスト値のピーク位置に基づいて対物
レンズの合焦位置を算出する点については、単純に算出
されたコントラスト値のピーク位置を対物レンズの合焦
位置としてもよいが、請求項７に記載のようにオフセッ
ト値を加算することにより補正を加えるようにしてもよ
い。

【０００９】コントラスト値に関する第１及び第２の閾
値については、これらの閾値は、対物レンズの合焦位置
を求める際に必要なコントラスト値のピーク位置を算出
するためのデータとして、サンプリング間隔毎に得られ
たコントラスト値の中から必要とするコントラスト値を
抽出する際に使用する閾値であり、第２の閾値は第１の
閾値よりも大きく設定するものである。そして、この第
１及び第２の閾値はサンプリング間隔毎のコントラスト
値の中から検索された最大コントラスト値を基準にした
ときの比率を基に表されるものである。例えば、最大コ
ントラスト値の基準値を１としたときの第１の閾値の比
率を０．７、第２の閾値の比率を０．８とした場合に
は、実際の最大コントラスト値が２００であったとすれ
ば、第１の閾値は１４０（２００×０．７）、第２の閾
値は１６０（２００×０．８）となる。

【００１０】一般に、被撮像物の画像処理による映像信
号から得られたコントラスト値の分布は、図３に示すよ
うに正規分布に類似した山形状を呈するものとなる。こ
のような正規分布に類似した分布において、そのピーク
位置を算出するものとして最も一般的に使用されている
方法は、ピーク位置近傍にある複数のコントラスト値の
データを抽出し、この抽出データを二次関数やガウス関
数などの近似関数により近似することによって、コント
ラスト値の分布全体のピーク位置を算出するというもの
である。ところが、前述したように、対物レンズの焦点
深度の範囲内では被撮像物のコントラスト値はあまり変
化しないので、コントラスト値の分布は図３の実線で示
すように焦点深度の範囲内ではほぼ平坦な山形状とな
り、その結果ピーク位置近傍にある複数のコントラスト
値のデータを基にコントラスト値の分布全体のピーク位
置算出するようにすると、算出されたピーク位置の再現
精度が悪くなり、最終的にこのピーク位置より決定され
る合焦位置の精度についても悪くなるという問題を生じ
ていた。

【００１１】この対物レンズの焦点深度に起因するピー
ク位置の再現性の悪化に対処するために、本発明では、
上記の構成とすることにより、映像信号から得られたコ
ントラスト値の中から、ピーク位置近傍の両側すなわち
図３の斜線部に示す領域のデータを抽出し、この抽出デ
ータを二次関数やガウス関数などの所定の関数により近
似することによって、コントラスト値の分布全体のピー
ク位置を算出するようにした。

【００１２】サーチ開始位置及びサーチ終了位置とによ
り規定されるサーチ範囲は、請求項１に記載の一連の処
理を行わせる前に予め設定しておく必要がある。前述し
たように、コントラスト値のピーク位置を算出する際に
は最大コントラスト値に基づいて設定された２つの閾値
の範囲内にあるコントラスト値のデータが必要となるの
で、スピンドルの回転中に得られたコントラスト値のデ
ータにはこの２つの閾値の範囲内にあるコントラスト値
が含まれるようにするとともに対物レンズの焦点深度の
範囲がその中央部を占めるように、サーチ範囲すなわち
サーチ開始位置及びサーチ終了位置が設定されなければ
ならない。このサーチ開始位置及びサーチ終了位置の設
定は、請求項１に記載の一連の処理の前に自動的に行わ
せることもできる。

【００１３】すなわち、請求項２にかかる発明によれ
ば、請求項１にかかる発明において、サーチ開始位置及
びサーチ終了位置の設定に関し、スピンドルを予め設定
された回転範囲について予め設定された第２の回転速度
で回転させながら、予め定められたサンプリング間隔毎
に、テレビカメラにより回転工具の画像を撮影し、この
撮影画像から抽出画像として所定の領域を抽出し、この
抽出画像のコントラスト値を算出するとともにスピンド
ルの回転位置を検出し、サンプリング間隔毎のコントラ
スト値の中からその最大値である最大コントラスト値を
検索し、この最大コントラスト値に基づいてコントラス
ト値に関する第３の閾値を設定し、コントラスト値の漸
増時における第３の閾値に最も近傍のコントラスト値に
基づいてサーチ開始位置を設定するとともに、コントラ
スト値の漸減時における第３の閾値に最も近傍のコント
ラスト値に基づいてサーチ終了位置を設定するようにし
た。

【００１４】ここで、上記請求項２にかかる発明の構成
について補足説明する。スピンドルの回転範囲について
は、予想されるサーチ範囲をすべてカバーできるもので
あればよく、極端に言えばスピンドルの１周分（３６０
°）を設定してもよいが、現実的にはサーチ範囲をある
程度推定した上で設定することが好ましい。コントラス
ト値に関する第３の閾値については、この閾値は、サー
チ範囲を規定するサーチ開始位置及びサーチ終了位置を
求める際に必要なコントラスト値を算出するためのデー
タとして、サンプリング間隔毎に得られたコントラスト
値の中から必要とするコントラスト値を抽出する際に使
用する閾値であり、第１の閾値よりも小さく設定する。

【００１５】この第３の閾値からサーチ開始位置及びサ
ーチ終了位置を求める方法について図５を参照して説明
すると、コントラスト値の分布はスピンドルの回転開始
位置からピーク位置までは漸増し、一方、ピーク位置か
らスピンドルの回転終了位置までは漸減しているので、
サーチ開始位置はコントラスト値の漸増時における第３
の閾値に最も近傍のコントラスト値に対応するスピンド
ルの回転位置とし、一方、サーチ終了位置はコントラス
ト値の漸減時における第３の閾値に最も近傍のコントラ
スト値に対応するスピンドルの回転位置とする。この第
３の閾値についても、前記第１及び第２の閾値と同様
に、サンプリング間隔毎のコントラスト値の中から検索
された最大コントラスト値を基準にしたときの比率を基
に表される。例えば、最大コントラスト値の基準値を１
としたときの第３の閾値の比率を０．５とした場合に
は、実際の最大コントラスト値が２００であったとすれ
ば、第３の閾値は１００（２００×０．５）となる。

【００１６】この請求項２にかかる発明により、サーチ
範囲を規定するサーチ開始位置及びサーチ終了位置につ
いても自動的に算出できるので、種類の異なる回転工具
がランダムに流れてくるようなラインにおいても、回転
工具の種類毎に事前にサーチ範囲を設定する必要性はな
くなる。なお、このサーチ範囲を設定する処理において
はコントラスト値のデータを必要以上に多く取得する必
要性はないので、請求項２で規定する第２の回転速度は
請求項１で規定する第１の回転速度よりも大きく設定し
ても構わない。ただし、取得データの信頼性を確保する
ために、対物レンズの焦点深度の範囲内で少なくとも２
点以上のデータを取得できる必要がある。

【００１７】請求項３にかかる発明によれば、請求項２
にかかる発明において、第２の回転速度にサンプリング
間隔を乗じた値をオフセット値として算出し、このオフ
セット値を補正値として請求項２において算出されたサ
ーチ開始位置及びサーチ終了位置のそれぞれを補正する
ようにした。本発明ではコントラスト値はスピンドルの
回転途中にサンプリング間隔毎に得るようにしているか
ら、得られたコントラスト値のデータはスピンドルの回
転速度の影響を受けることになる。この影響を加味する
ためには、請求項２に記載のスピンドルの第２の回転速
度にサンプリング間隔を乗じた値をオフセット値とし、
このオフセット値を補正値として、算出されたサーチ開
始位置及びサーチ終了位置のそれぞれに加算するように
すればよい。

【００１８】請求項４にかかる発明によれば、請求項１
乃至３のいずれかにかかる発明において、サンプリング
間隔はテレビカメラのフレーム間隔と同一とするように
した。一般に、サンプリング間隔はテレビカメラのフレ
ーム間隔の正数倍となるようにすればよいが、サンプリ
ング間隔をテレビカメラのフレーム間隔と同一とするよ
うに設定すれば、得られるコントラスト値が多くなるの
で、コントラスト値のピーク位置をより正確に算出する
ことができるようになるばかりでなく、サンプリング間
隔をテレビカメラのフレーム間隔と同期させることによ
り、演算装置内の処理が簡素化される。

【００１９】請求項５にかかる発明によれば、請求項１
乃至４のいずれかにかかる発明において、算出されたサ
ンプリング間隔毎のコントラスト値は抽出画像の標準偏
差より求めるようにした。一般に標準偏差は領域全体の
特徴を示す指標として用いられているので、抽出画像の
標準偏差よりコントラスト値を求めるようにすれば、コ
ントラスト値のピーク位置を算出する際には不要な要素
であるゴミやほこり等の局所的な影響を排除したコント
ラスト値を得ることができる。

【００２０】請求項６にかかる発明によれば、請求項１
乃至４のいずれかにかかる発明において、算出されたサ
ンプリング間隔毎のコントラスト値は抽出画像を微分処
理した後の画像中の濃度上位部分の平均値より求めるよ
うにした。これにより、濃度上位部分の範囲を抽出画像
に応じて適切に選択することにより、請求項５にかかる
発明と同様に、コントラスト値のピーク位置を算出する
際には不要な要素であるゴミやほこり等の局所的な影響
を排除したコントラスト値を得ることができる。

【００２１】請求項７にかかる発明によれば、請求項１
乃至６のいずれかにかかる発明において、請求項１に記
載のスピンドルの第１の回転速度にサンプリング間隔を
乗じた値をオフセット値として算出し、このオフセット
値をコントラスト値のピーク位置に加算した値を対物レ
ンズの合焦位置とするようにした。理論的には算出され
たコントラスト値のピーク位置を対物レンズの合焦位置
とすればよいわけであるが、実際には、前述の請求項３
にかかる発明と同様に、スピンドルの回転速度の影響を
加味した方がよい。すなわち、この影響を加味するため
には、請求項１に記載のスピンドルの第１の回転速度に
サンプリング間隔を乗じた値をオフセット値とし、この
オフセット値を算出されたコントラスト値のピーク位置
に加算することにより、対物レンズの合焦位置を正確に
算出するようにすればよい。

【００２２】請求項８に係る発明によれば、対物レンズ
を備える顕微鏡に搭載されたテレビカメラにより撮影さ
れた被撮像物の撮影画像からコントラスト値を求めるこ
とにより、対物レンズの焦点を合焦位置に自動的に設定
するようにした自動焦点合わせ装置において、被撮像物
としての捩じれ歯を有する棒状の回転工具の回転軸を中
心にこの回転工具を回転可能にしたスピンドルと、この
スピンドルを予め設定されたサーチ開始位置からサーチ
終了位置まで予め設定された回転速度で回転駆動させる
駆動モータと、この駆動モータの回転駆動中に予め定め
られたサンプリング間隔毎に回転工具の画像を撮影する
テレビカメラと、前記サンプリング間隔毎にスピンドル
の回転位置を検出するエンコーダと、前記サンプリング
間隔毎にテレビカメラが取得した撮影画像に関して、こ
の撮影画像から抽出画像として所定の領域を抽出し、こ
の抽出画像のコントラスト値を算出し、このコントラス
ト値の中からその最大値である最大コントラスト値を検
索し、この最大コントラスト値に基づいてコントラスト
値に関する第１及び第２の閾値を設定し、前記抽出画像
のコントラスト値の中から前記第１の閾値以上でかつ第
２の閾値以下のものを抽出し、この抽出されたコントラ
スト値を所定の関数により近似することによって前記抽
出画像のコントラスト値全体のピーク位置を算出し、こ
のピーク位置に基づいて対物レンズの合焦位置を算出す
る演算制御装置と、を有し、この演算制御装置により算
出された前記合焦位置にスピンドルの回転位置を自動的
に設定するようにしたことを特徴とする自動焦点合わせ
装置を提供した。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態につい
て図面を参照して説明する。図２は本発明の自動焦点合
わせ方法が適用される自動焦点合わせ装置の概略図を示
したものである。１は図示しない対物レンズを有する顕
微鏡、２は顕微鏡１に連結装備されたテレビカメラ２で
ある。Ｗは被撮像物としての捩じれ歯を有する棒状の回
転工具であり、図７にその一例としてのボールエンドミ
ルを示す。回転工具Ｗはその切削回転軸を中心に回転可
能にされたスピンドル３に把持されている。スピンドル
３は駆動モータ４により駆動されるが、本発明ではスピ
ンドル３の回転位置を高精度に位置決め制御する必要が
あるため、駆動モータ４としてはサーボモータを使用し
ている。５は、駆動モータ４によりスピンドル３の回転
位置を検出するためのエンコーダである。フレームメモ
リ６はテレビカメラ２により撮影された回転工具Ｗの画
像を記憶するためのメモリであり、このフレームメモリ
６に接続されたモニタテレビ８により撮影画像をモニタ
できるようにされている。

【００２４】演算制御装置７は本発明の自動焦点合わせ
方法の処理を統括する装置であり、フレームメモリ６に
記憶された撮影画像やエンコーダ５により検出されたス
ピンドル３の回転位置に基づいて後述する自動焦点合わ
せ方法の処理を行ったり、駆動モータ４に対してスピン
ドル３を回転動作させるための回転指令を出力したりす
る。演算制御装置７に接続されたワークメモリ９は演算
制御装置７により算出されたデータ、例えばコントラス
ト値やスピンドル３の回転位置などを一時的に記憶して
おくためのメモリである。

【００２５】なお、図２には示していないが、顕微鏡１
とスピンドル３との相対位置を変更可能にするための駆
動機構が、顕微鏡１またはスピンドル３を保持する図示
しないステージに具備されている。この駆動機構によ
り、顕微鏡１とスピンドル３との相対位置は垂直方向
（紙面の上下方向）及び水平方向（紙面の左右方向）に
変更可能にされるので、被撮像物としての回転工具Ｗ上
のあらゆる測定点について形状・寸法測定が可能にな
る。また、図６は、顕微鏡１とスピンドル３に把持され
た回転工具Ｗとの位置関係を回転工具Ｗの先端から見た
場合を示している。図６に示すように、顕微鏡１と回転
工具Ｗの刃部との距離は、駆動モータ４によりスピンド
ル３を正逆いずれかの方向に回転させることによって調
整することができる。

【００２６】次に、演算制御装置７にて統括制御される
本発明の自動焦点合わせ方法の一実施形態について、図
１に示すフローチャート、及び図３に示すコントラスト
値の分布の一例を示すグラフに基づいて説明する。

【００２７】ステップ１１：スピンドル３をサーチ開始
位置に位置決めする。 図３に示すサーチ開始位置とサーチ終了位置とにより規
定されるサーチ範囲は、コントラスト値のデータを得る
ためのスピンドル３の回転動作範囲を示すものである。
本発明では、前述したように、コントラスト値のピーク
位置を算出する際には最大コントラスト値に基づいて設
定された２つの閾値の範囲内にあるコントラスト値のデ
ータが必要となるので、スピンドル３の回転中に得られ
たコントラスト値のデータにはこの２つの閾値の範囲内
にあるコントラスト値が含まれるようにするとともに対
物レンズの焦点深度の範囲がその中央部を占めるよう
に、サーチ範囲すなわちサーチ開始位置及びサーチ終了
位置が設定されなければならない。このサーチ範囲は、
図１に示す一連の処理を行わせる前に予め設定しておけ
ばよいが、後述するように別途設けた処理フローにより
自動的に設定するようにしてもよい。

【００２８】ステップ１２：スピンドル３の回転を開始
する。 スピンドル３をサーチ終了位置へ向けて、予め設定され
た回転速度にて回転させる。スピンドル３の回転は、駆
動モータ４を正逆いずれかの方向に回転させることによ
ってなされる。この場合のスピンドル３の回転速度すな
わち第１の回転速度は予め任意に設定することができ
る。サンプリング間隔の設定値にも影響されるが、一般
に、回転速度を大きく設定すると得られるデータの量が
少なくなるので精度は低下するが処理は速くなり、逆に
回転速度を小さく設定すると得られるデータの量が多く
なるので精度は高くなるが処理に時間がかかるようにな
る。したがって、この第１の回転速度の設定に際して
は、精度と処理時間の釣り合いを考慮する必要がある。
なお、以下のステップ１３〜１５の処理は、スピンドル
３の回転中に行われるものである。

【００２９】ステップ１３：サンプリング間隔毎に回転
工具Ｗの画像を撮影する。 テレビカメラ２にて回転工具Ｗの画像を撮影し、撮影画
像を得る。サンプリング間隔は画像データを取得するタ
イミングを規定する時間間隔であり、テレビカメラのフ
レーム間隔（時間）の正数倍に設定される数値である。
サンプリング間隔をテレビカメラのフレーム間隔と同一
とするように設定すれば、得られるコントラスト値が多
くなるので、コントラスト値のピーク位置をより正確に
算出することができるようになる。また、サンプリング
間隔をテレビカメラのフレーム間隔と同期させることに
より、演算装置内の処理が簡素化されるという利点もあ
る。

【００３０】ステップ１４：サンプリング間隔毎に撮影
画像から抽出画像を得る。 ステップ１３において得られた撮影画像の中の所定の領
域の画像データを抽出し、これを抽出画像としてフレー
ムメモリ６に記憶する。抽出領域は任意に設定してよい
が、抽出領域内に回転工具Ｗの輪郭が含まれるようにす
ることにより、図３に示すコントラスト値の分布の山形
状が急峻となり、コントラスト値のピーク位置の算出精
度が高くなる。

【００３１】ステップ１５：サンプリング間隔毎に抽出
画像のコントラスト値を算出するとともに、スピンドル
３の回転位置を検出する。 演算制御装置７はフレームメモリ６に記憶された抽出画
像のデータを読み込み、コントラスト値を算出する。コ
ントラスト値の算出にはいくつかの方法があるが、この
うち抽出画像の標準偏差により算出する方法を用いれ
ば、コントラスト値のピーク位置を算出する際には不要
な要素であるゴミやほこり等の局所的な影響を排除した
コントラスト値を得ることができる。また、別の方法と
して、抽出画像を微分処理した後の画像中の濃度上位部
分の平均値よりコントラスト値を算出する方法を用いれ
ば、濃度上位部分の範囲を抽出画像に応じて適切に選択
することにより、標準偏差を用いる場合と同様な効果が
得られる。一方、演算制御装置７はエンコーダ５により
このサンプリング点におけるスピンドル３の回転位置を
検出する。具体的には、駆動モータとしてのサーボモー
タには一般に位置検出器としてのエンコーダが付属され
ており、このエンコーダによりサーボモータの回転位置
を検出することにより、スピンドル３の回転位置を検出
することができる。なお、スピンドル３の回転位置の検
出は、図１のフローチャートのステップ１３〜１６のル
ープ内であればよく、例えばステップ１３やステップ１
４において行わせるようにしてもよい。求められたコン
トラスト値及び検出されたスピンドル３の回転位置はワ
ークメモリ９内に一時的に記憶される。

【００３２】ステップ１６：スピンドル３がサーチ終了
位置に到達したか？。 スピンドル３がサーチ終了位置に到達していない場合
（ステップ１６Ｎ）は、再度ステップ１３以降の処理を
繰り返す。一方、スピンドル３がサーチ終了位置に到達
していた場合（ステップ１６Ｙ）は、ステップ１７以降
の処理を行う。

【００３３】ステップ１７：最大コントラスト値を検索
する。 ワークメモリ９内に記憶されたコントラスト値の中か
ら、その最大値としての最大コントラスト値を検索す
る。

【００３４】ステップ１８：最大コントラスト値を基準
にして第１及び第２の閾値を設定する。 コントラスト値に関する第１及び第２の閾値について
は、これらの閾値は、対物レンズの合焦位置を求める際
に必要なコントラスト値のピーク位置を算出するための
データとして、サンプリング間隔毎に得られたコントラ
スト値の中から必要とするコントラスト値を抽出する際
に使用する閾値であり、第２の閾値は第１の閾値よりも
大きく設定するものである。そして、この第１及び第２
の閾値はステップ１７において検索された最大コントラ
スト値を基準にしたときの比率を基にして自動的に設定
される。例えば、最大コントラスト値の基準値を１とし
たときの第１の閾値の比率を０．７、第２の閾値の比率
を０．８とそれぞれした場合には、実際の最大コントラ
スト値が２００であったとすれば、第１の閾値は１４０
（２００×０．７）、第２の閾値は１６０（２００×
０．８）となる。

【００３５】ステップ１９：第１の閾値以上でかつ第２
の閾値以下のコントラスト値を抽出する。 ワークメモリ９内に記憶されたコントラスト値の中か
ら、ステップ１８において設定された２つの閾値の範囲
内すなわち第１の閾値以上でかつ第２の閾値以下のコン
トラスト値を抽出する。具体的には、図３の斜線部で示
す領域に含まれるコントラスト値が抽出されることにな
る。

【００３６】ステップ２０：抽出されたコントラスト値
よりピーク位置を算出する。 ステップ１９において抽出されたコントラスト値より、
ステップ１５において算出されたコントラスト値全体の
ピーク位置を算出する。このピーク位置の算出にあたっ
ては、一般によく知られている二次関数やガウス関数な
どの近似関数を用いればよい。すなわち、図３の斜線部
で示す２つの領域に含まれるコントラスト値に対して二
次関数やガウス関数などの近似関数を適用することによ
り、ピーク位置を推定することができる。

【００３７】ステップ２１：ピーク位置を基にして対物
レンズの合焦位置を設定する。 ステップ２０において算出されたコントラスト値のピー
ク位置に基づいて対物レンズの合焦位置を算出し、この
合焦位置にスピンドル３の回転位置を自動的に設定する
ようにする。ここで、算出されたコントラスト値のピー
ク位置に基づいて対物レンズの合焦位置を算出する点に
ついて詳述すると、単純に、算出されたコントラスト値
のピーク位置を対物レンズの合焦位置としてもよいが、
スピンドル３の回転速度による影響を考慮し、スピンド
ル３の回転速度にサンプリング間隔を乗じた値をオフセ
ット値とし、このオフセット値を算出されたコントラス
ト値のピーク位置に加算することにより、スピンドル３
の回転速度による影響を排除した合焦位置を算出するよ
うにすれば、より精度が高くなる。

【００３８】次に、本発明の自動焦点合わせ方法におけ
る、サーチ範囲を自動的に算出するための一実施形態に
ついて、図４に示すフローチャート、及び図５に示すサ
ーチ範囲を説明するためのコントラスト値の分布を示す
グラフに基づいて説明する。

【００３９】ステップ３１：スピンドル３を回転開始位
置に位置決めする。 回転開始位置及び回転終了位置で規定される回転範囲に
ついては、予想されるサーチ範囲をすべてカバーできる
ものであればよく、極端に言えばスピンドル３の回転可
能な全範囲を設定してもよいが、現実的にはサーチ範囲
をある程度推定した上で設定することが好ましい。

【００４０】ステップ３２：スピンドル３の回転を開始
する。 スピンドル３を回転終了位置へ向けて、予め設定された
回転速度にて回転させる。このサーチ範囲を設定する処
理においては、前述の図１に示したピーク位置を算出す
る処理と比してコントラスト値のデータを必要以上に多
く取得する必要性はないので、スピンドル３の回転速度
すなわち第２の回転速度は、前述のピーク位置の算出処
理過程における第１の回転速度よりも大きく設定しても
構わない。ただし、得られたデータの信頼性を確保する
ために、対物レンズの焦点深度の範囲内で少なくとも２
点以上のデータを取得できるようにする。なお、以下の
ステップ３３〜３５の処理は、スピンドル３の回転中に
行われるものである。

【００４１】ステップ３３：サンプリング間隔毎に回転
工具Ｗの画像を撮影する。 テレビカメラ２にて回転工具Ｗの画像を撮影し、撮影画
像を得る。サンプリング間隔はテレビカメラのフレーム
間隔（時間）の正数倍に設定する。サンプリング間隔を
テレビカメラのフレーム間隔と同一とするように設定す
れば、得られるコントラスト値が多くなるので、サーチ
範囲をより正確に算出することができるようになる。

【００４２】ステップ３４：サンプリング間隔毎に撮影
画像から抽出画像を得る。 ステップ３３において得られた撮影画像の中の所定の領
域の画像データを抽出し、これを抽出画像としてフレー
ムメモリ６に記憶する。抽出領域は任意に設定してよい
が、抽出領域内に回転工具Ｗの輪郭が含まれるようにす
る。

【００４３】ステップ３５：サンプリング間隔毎に抽出
画像のコントラスト値を算出するとともに、スピンドル
３の回転位置を検出する。 演算制御装置７はフレームメモリ６に記憶された抽出画
像のデータを読み込み、コントラスト値を算出する。こ
の場合も前述の図１に示したピーク位置を算出する処理
と同様に、抽出画像の標準偏差を求める方法や抽出画像
を微分処理した後の画像中の濃度上位部分の平均値を求
める方法によりコントラスト値を算出する。一方、演算
制御装置７はエンコーダ５によりこのサンプリング点に
おけるスピンドル３の回転位置を検出する。なお、スピ
ンドル３の回転位置の検出は、図４のフローチャートの
ステップ３３〜３６のループ内であればよく、例えばス
テップ３３やステップ３４において行わせるようにして
もよい。求められたコントラスト値及び検出されたスピ
ンドル３の回転位置はワークメモリ９内に一時的に記憶
される。

【００４４】ステップ３６：スピンドル３が回転終了位
置に到達したか？。 スピンドル３が回転終了位置に到達していない場合（ス
テップ３６Ｎ）は、再度ステップ３３以降の処理を繰り
返す。一方、スピンドル３が回転終了位置に到達してい
た場合（ステップ３６Ｙ）は、ステップ３７以降の処理
を行う。

【００４５】ステップ３７：最大コントラスト値を検索
する。 ワークメモリ９内に記憶されたコントラスト値の中か
ら、その最大値としての最大コントラスト値を検索す
る。

【００４６】ステップ３８：最大コントラスト値を基準
にして第３の閾値を設定する。 第３の閾値は、サーチ範囲を規定するサーチ開始位置及
びサーチ終了位置を求める際に必要なコントラスト値を
算出するためのデータとして、サンプリング間隔毎に得
られたコントラスト値の中から必要とするコントラスト
値を抽出する際に使用する閾値であり、第１の閾値より
も小さく設定する。この第３の閾値についても、前記第
１及び第２の閾値と同様に、サンプリング間隔毎のコン
トラスト値の中から検索された最大コントラスト値を基
準にしたときの比率を基にして自動的に設定される。例
えば、最大コントラスト値の基準値を１としたときの第
３の閾値の比率を０．５とした場合には、実際の最大コ
ントラスト値が２００であったとすれば、第３の閾値は
１００（２００×０．５）となる。

【００４７】ステップ３９：コントラス値の漸増時と漸
減時のそれぞれにおいて、第３の閾値に最も近傍のコン
トラス値を抽出する。 ワークメモリ９内に記憶されたコントラスト値の中か
ら、ステップ３８において設定された第３の閾値に最も
近傍のコントラス値を抽出する。詳しくは、図５に示す
ように、回転開始位置からピーク位置までのコントラス
ト値の漸増時における第３の閾値に最も近傍のコントラ
ス値（Ｐ₁ ）、及びピーク位置から回転終了位置までの
コントラスト値の漸減時における第３の閾値に最も近傍
のコントラス値（Ｐ₂ ）をそれぞれ抽出する。

【００４８】ステップ４０：抽出されたコントラスト値
よりサーチ範囲を設定する。 ステップ３９において抽出された漸増時におけるコント
ラスト値（Ｐ₁ ）に対応するスピンドル３の回転位置を
サーチ開始位置とし、一方、漸減時におけるコントラス
ト値（Ｐ₂ ）に対応するスピンドル３の回転位置をサー
チ終了位置とする。

【００４９】なお、第２の回転速度にサンプリング間隔
を乗じた値をオフセット値として算出し、このオフセッ
ト値を補正値として、ステップ４０において算出された
サーチ開始位置及びサーチ終了位置のそれぞれを補正す
るようにしてもよい。これにより、スピンドル３の回転
速度の影響を加味したサーチ開始位置及びサーチ終了位
置を求めることができる。

【００５０】

【発明の効果】請求項１及び８にかかる発明によれば、
対物レンズの焦点深度に起因するピーク位置の再現性の
悪化に対処するために、撮影画像から得られたコントラ
スト値の中から、対物レンズの焦点深度内に位置するデ
ータを除く、ピーク位置近傍の両側のデータを抽出し、
この抽出データを二次関数やガウス関数などの所定の関
数により近似することによって、コントラスト値の分布
全体のピーク位置を算出するようにしたので、ピーク位
置近傍のデータを利用する方法に比して、コントラスト
値のピーク位置すなわち対物レンズの合焦位置の精度及
び再現性が向上するものとなった。そのため、対物レン
ズと被撮像物である回転工具の刃部輪郭との合焦位置の
自動設定を良好に行うことが可能な自動焦点合わせ方法
及びその装置を提供できるものとなった。

【００５１】請求項２にかかる発明によれば、請求項１
にかかる発明において、コントラスト値のデータを得る
ためのスピンドルのサーチ範囲を自動的に設定するよう
にしたので、種類の異なる回転工具がランダムに流れて
くるようなラインにおいても、回転工具の種類毎に事前
にサーチ範囲を設定する必要性はなくなった。

【００５２】請求項３にかかる発明によれば、請求項２
にかかる発明において、スピンドルの回転速度にサンプ
リング間隔を乗じた値をオフセット値とし、このオフセ
ット値を補正値として算出されたサーチ開始位置及びサ
ーチ終了位置のそれぞれに加算するようにした。そのた
め、スピンドルの回転速度による影響が排除された、よ
り正確なサーチ開始位置及びサーチ終了位置が算出され
るものとなった。

【００５３】請求項４にかかる発明によれば、請求項１
乃至３のいずれかにかかる発明において、サンプリング
間隔はテレビカメラのフレーム間隔と同一とするように
した。そのため、得られるコントラスト値の数について
はサンプリング間隔をテレビカメラのフレーム間隔の正
数倍としたときよりも多くなるので、コントラスト値の
ピーク位置をより正確に算出することができるようにな
るばかりでなく、サンプリング間隔をテレビカメラのフ
レーム間隔と同期させることにより、演算装置内の処理
が簡素化されるものとなった。

【００５４】請求項５にかかる発明によれば、請求項１
乃至４のいずれかにかかる発明において、コントラスト
値は抽出画像の標準偏差より求めるようにした。そのた
め、コントラスト値のピーク位置を算出する際には不要
な要素であるゴミやほこり等の局所的な影響を排除した
コントラスト値を得ることができるものとなった。

【００５５】請求項６にかかる発明によれば、請求項１
乃至４のいずれかにかかる発明において、コントラスト
値は抽出画像を微分処理した後の画像中の濃度上位部分
の平均値より求めるようにした。そのため、濃度上位部
分の範囲を抽出画像に応じて適切に選択することによ
り、請求項５にかかる発明と同様に、コントラスト値の
ピーク位置を算出する際には不要な要素であるゴミやほ
こり等の局所的な影響を排除したコントラスト値を得る
ことができるものとなった。

【００５６】請求項７にかかる発明によれば、請求項１
乃至６のいずれかにかかる発明において、スピンドルの
回転速度にサンプリング間隔を乗じた値をオフセット値
として算出し、このオフセット値をコントラスト値のピ
ーク位置に加算した値を対物レンズの合焦位置とするよ
うにした。そのため、コントラスト値を得る際のスピン
ドルの回転速度による影響が排除された、より正確な合
焦位置が算出されるものとなった。

【００５７】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の自動焦点合わせ方法の一実施形態を示
すフローチャートである。

【図２】本発明の自動焦点合わせ方法が適用される自動
焦点合わせ装置の一例を示す概略図である。

【図３】コントラスト値の分布の一例を示すグラフであ
る。

【図４】本発明の自動焦点合わせ方法における、サーチ
範囲を自動的に算出するための一実施形態を示すフロー
チャートである。

【図５】サーチ範囲を説明するための、コントラスト値
の分布を示すグラフである。

【図６】顕微鏡１とスピンドル３に把持された回転工具
Ｗとの位置関係を回転工具Ｗの先端から見た図である。

【図７】本発明における被撮像物である捩じれ歯を有す
る棒状の回転工具の一例としてのボールエンドミルを示
す図である。

【符号の説明】

１ 顕微鏡 ２ テレビカメラ ３ スピンドル ４ 駆動モータ ５ エンコーダ ６ フレームメモリ ７ 演算制御装置 ８ モニタテレビ ９ ワークメモリ Ｗ 回転工具

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04N 5/232 G02B 7/36

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】対物レンズを備える顕微鏡に搭載されたテ
   レビカメラにより撮影された被撮像物の撮影画像からコ
   ントラスト値を求めることにより、前記対物レンズの焦
   点を合焦位置に自動的に設定するようにした自動焦点合
   わせ方法において、 被撮像物としての捩じれ歯を有する棒状の回転工具を該
   回転工具の回転軸を中心に回転可能にされたスピンドル
   に把持させ、 該スピンドルを予め設定されたサーチ開始位置からサー
   チ終了位置まで予め設定された第１の回転速度で回転さ
   せながら、予め定められたサンプリング間隔毎に、前記
   テレビカメラにより前記回転工具の画像を撮影し、該撮
   影画像から抽出画像として所定の領域を抽出し、該抽出
   画像のコントラスト値を算出するとともにスピンドルの
   回転位置を検出し、 該サンプリング間隔毎のコントラスト値の中からその最
   大値である最大コントラスト値を検索し、 該最大コントラスト値に基づいてコントラスト値に関す
   る第１及び第２の閾値を設定し、 前記サンプリング間隔毎のコントラスト値の中から前記
   第１の閾値以上でかつ第２の閾値以下のものを抽出し、 該抽出されたコントラスト値を所定の関数により近似す
   ることによって前サンプリング間隔毎のコントラスト値
   全体のピーク位置を算出し、 該コントラスト値のピーク位置に基づいて前記対物レン
   ズの合焦位置を算出し、 該合焦位置に前記スピンドルの回転位置を自動的に設定
   するようにしたことを特徴とする自動焦点合わせ方法。
2. 【請求項２】前記サーチ開始位置及びサーチ終了位置の
   設定に関し、 前記スピンドルを予め設定された回転範囲について予め
   設定された第２の回転速度で回転させながら、予め定め
   られたサンプリング間隔毎に、前記テレビカメラにより
   前記回転工具の画像を撮影し、該撮影画像から抽出画像
   として所定の領域を抽出し、該抽出画像のコントラスト
   値を算出するとともにスピンドルの回転位置を検出し、 該サンプリング間隔毎のコントラスト値の中からその最
   大値である最大コントラスト値を検索し、 該最大コントラスト値に基づいてコントラスト値に関す
   る第３の閾値を設定し、 前記コントラスト値の漸増時における前記第３の閾値に
   最も近傍のコントラスト値に基づいて前記サーチ開始位
   置を設定するとともに、前記コントラスト値の漸減時に
   おける前記第３の閾値に最も近傍のコントラスト値に基
   づいて前記サーチ終了位置を設定するようにしたことを
   特徴とする請求項１に記載の自動焦点合わせ方法。
3. 【請求項３】前記第２の回転速度に前記サンプリング間
   隔を乗じた値をオフセット値として算出し、該オフセッ
   ト値を補正値として請求項２において算出されたサーチ
   開始位置及びサーチ終了位置のそれぞれを補正するよう
   にしたことを特徴とする請求項２に記載の自動焦点合わ
   せ方法。
4. 【請求項４】前記サンプリング間隔は前記テレビカメラ
   のフレーム間隔と同一とするようにしたことを特徴とす
   る請求項１乃至３のいずれかに記載の自動焦点合わせ方
   法。
5. 【請求項５】前記サンプリング間隔毎のコントラスト値
   は前記抽出画像の標準偏差より求めるようにしたことを
   特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の自動焦点
   合わせ方法。
6. 【請求項６】前記サンプリング間隔毎のコントラスト値
   は前記抽出画像を微分処理した後の画像の濃度上位部分
   の平均値より求めるようにしたことを特徴とする請求項
   １乃至４のいずれかに記載の自動焦点合わせ方法。
7. 【請求項７】前記第１の回転速度に前記サンプリング間
   隔を乗じた値をオフセット値として算出し、該オフセッ
   ト値を前記コントラスト値のピーク位置に加算した値を
   前記対物レンズの合焦位置とするようにしたことを特徴
   とする請求項１乃至６のいずれかに記載の自動焦点合わ
   せ方法。
8. 【請求項８】対物レンズを備える顕微鏡に搭載されたテ
   レビカメラにより撮影された被撮像物の撮影画像からコ
   ントラスト値を求めることにより、前記対物レンズの焦
   点を合焦位置に自動的に設定するようにした自動焦点合
   わせ装置において、 被撮像物としての捩じれ歯を有する棒状の回転工具の回
   転軸を中心に該回転工具を回転可能にしたスピンドル
   と、該スピンドルを予め設定されたサーチ開始位置からサー
   チ終了位置まで予め設定された回転速度で回転駆動させ
   る駆動モータと、 該駆動モータの回転駆動中に予め定められたサンプリン
   グ間隔毎に前記回転工具の画像を撮影するテレビカメラ
   と、 前記サンプリング間隔毎に前記スピンドルの回転位置を
   検出するエンコーダと、 前記サンプリング間隔毎に前記テレビカメラが取得した
   撮影画像に関して、該撮影画像から抽出画像として所定
   の領域を抽出し、該抽出画像のコントラスト値を算出
   し、該コントラスト値の中からその最大値である最大コ
   ントラスト値を検索し、該最大コントラスト値に基づい
   てコントラスト値に関する第１及び第２の閾値を設定
   し、前記抽出画像のコントラスト値の中から前記第１の
   閾値以上でかつ第２の閾値以下のものを抽出し、該抽出
   されたコントラスト値を所定の関数により近似すること
   によって前記抽出画像のコントラスト値全体のピーク位
   置を算出し、該ピーク位置に基づいて前記対物レンズの
   合焦位置を算出する演算制御装置と、 を有し、 該演算制御装置により算出された前記合焦位置に前記ス
   ピンドルの回転位置を自動的に設定するようにしたこと
   を特徴とする自動焦点合わせ装置。