JP3831451B2

JP3831451B2 - 光学式測定装置

Info

Publication number: JP3831451B2
Application number: JP12458396A
Authority: JP
Inventors: 俊作立花; 浩一小松
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1996-05-20
Filing date: 1996-05-20
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2016-05-20
Also published as: JPH09304022A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被測定物の像から被測定物の寸法や形状を測定する光学式測定装置に関する。詳しくは、被測定物の像を観察光学系で観察しながら被測定物の寸法や形状を測定する画像測定機や顕微鏡などの光学式測定装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
従来、画像測定機や顕微鏡などの光学式測定装置にあっては、倍率の異なる複数本の対物レンズを回転可能なターレットに取り付けたターレット式変倍機構やズームレンズを用いたズームレンズ式変倍機構を設け、これらの変倍機構により測定箇所を拡大観察できるようにしてある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の光学式測定装置において、測定箇所を変倍機構によって拡大倍率を変えながら観察する場合、次のような不具合があった。
まず、従来の光学式測定装置では、被測定物に照射する光の量が一定であるため、拡大倍率を変化させると、画面の明るさが変化し、操作者が見ずらい。とくに、変化量の大きい場合には画像が観察できない場合もあった。
【０００４】
また、従来の光学式測定装置では、拡大倍率を変化させたとき、レンズが動くため（ターレット式の場合には対物レンズが回転、ズームレンズ式の場合にはズームレンズがスライドするため）、観察画面が動き見ずらい。たとえば、ターレット式の場合には、図１１に示すように、ターレットの回転開始時（Ａ）には画面が流れ、ターレットの回転時（Ｂ）には画面が消え、ターレットの回転終了時（Ｃ）には拡大画面が現れる。従って、画面が流れることにより操作者に対して不快感を与えるうえ、画面が消える時間があるため前の画面と今の画面とを比較するのが困難であるという問題があった。
【０００５】
また、従来の光学式測定装置では、拡大倍率を変化させたとき、レンズが動くため、前の画面と今の画面とに画像のずれが生じやすい。たとえば、図１２に示すように、変倍前の画面（Ａ）に対して、変倍後の画面（Ｂ）の中心がＸおよびＹ軸方向にずれ、かつ、Ｚ軸方向（焦点方向）の位置がずれる場合がある。
【０００６】
本発明の目的は、このように倍率を変化させたときの課題を解消できる光学式測定装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学式測定装置は、被測定物に光を照射する照明系と、変倍光学系と、この変倍光学系で変倍された被測定物の像を観察可能な観察光学系とを備えた光学式測定装置であって、前記変倍光学系による変倍作動前に前記観察光学系で観察されている被測定物の画像をホールドするホールド手段と、変倍作動終了後に前記ホールド状態を解除するホールド解除手段とを備えていることを特徴とする。
このような構成によれば、変倍光学系による変倍時には、変倍作動前の観察光学系で観察された被測定物の画像がホールドされているから、画面が流れることもなく、また、画面が消えるようなこともないから、操作者に対して不快感を与えることもないうえ、前の画面と今の画面とを比較しやすい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図を参照しながら詳細に説明する。
図１は本実施形態にかかる画像測定機の正面図、図２は図１のII−II線断面図である。同画像測定機は、被測定物を載置しＸおよびＹ軸方向（図１の左右方向および図２の上下方向）へ移動可能なテーブル２０と、このテーブル２０に対して図示省略のコラムを介してＺ軸方向（図１の上下方向）へ昇降可能に設けられた光学系ユニット２１とから構成されている。
【００１１】
前記光学系ユニット２１は、筺体２２を有する。筺体２２の下面側には対物レンズ２３が、上面側にはＣＣＤカメラ２４および照明系としての照明装置２５がそれぞれ取り付けられている。ＣＣＤカメラ２４は、前記対物レンズ２３の光軸Ｌ上に配置され、その対物レンズ２３からの光から被測定物の像を観察可能な観察光学系を構成している。
【００１２】
前記筺体２２内には、前記照明装置２５から出射された光を直角にかつ光軸Ｌに向かって反射させるミラー２６と、光軸Ｌ上において前記ミラー２６からの反射光を対物レンズ２３に反射させるビームスプリッタ２７と、倍率の異なる複数（たとえば、１Ｘ，２Ｘ，６Ｘ）のチューブレンズ２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃと、これら複数のチューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃのいずれか１つを前記光軸Ｌ上に選択的に切換可能な切換手段２９とがそれぞれ設けられている。ここに、前記チューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃおよび切換手段２９から、本実施形態の変倍光学系が構成されている。
【００１３】
前記切換手段２９は、前記光軸Ｌと異なる位置にその光軸Ｌと平行な軸３１を中心として回転可能に設けられかつその軸３１から前記光軸Ｌまでの距離を半径とする円周上に前記複数のチューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃを等間隔（１２０度間隔）で取り付けたターレット３２と、前記各チューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃが前記光軸Ｌに一致したそれぞれの角度位置で前記ターレット３２を位置決めする位置決め手段３３と、前記ターレット３２の軸３１にクラッチ４３を介して連結されたターレット駆動モータ４４とを含んで構成されいる。なお、４５はターレット３２の回転角度を検出するターレットセンサである。
【００１４】
前記位置決め手段３３は、前記ターレット３２の外周面の１２０度間隔位置に切欠形成された３つの凹部５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃと、前記ターレット３２の外周面に常時接する方向へ付勢され前記凹部５１Ａ〜５１Ｃに係合可能なベアリング５２とを備えている。ベアリング５２は、図３および図４に示すように、筺体２２の上面に取り付けられたＬ字状ブラケット５３に片持ち支持構造の板ばね５４を介して支持されている。
【００１５】
図５は本実施形態にかかる画像測定機の制御装置を示すブロック図である。同制御装置は、ＣＰＵ７１を備える。ＣＰＵ７１には、表示制御部７２を介してＣＲＴ７３が、照明制御部７４を介して前記照明装置２５が、フレームグラバ７５およびゲイン制御部７６を介して前記ＣＣＤカメラ２４が、ターレット駆動制御部７７を介して前記ターレット駆動モータ４４およびターレットセンサ４５が、それぞれ接続されている。また、テーブル２０をＸ，Ｙ軸方向へ移動させるＸ，Ｙ軸駆動系７８Ｘ，７８Ｙおよびテーブル２０のＸ，Ｙ軸方向の位置を検出するＸ，Ｙ軸エンコーダ７９Ｘ，７９Ｙと、光学系ユニット２１をＺ軸方向へ移動させるＺ軸駆動系７８Ｚおよび光学系ユニット２１のＺ軸方向の位置を検出するＺ軸エンコーダ７９Ｚと、指令入力部８１と、メモリ８２とがそれぞれ接続されている。
【００１６】
前記メモリ８２には、前記ＣＣＤカメラ２４で撮影された画像情報を記憶する画像情報記憶エリア８３、前記各チューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃ毎に予め求められたオフセット値Ｘ_A,Ｙ_A,Ｚ_A，Ｘ_B,Ｙ_B,Ｚ_B，Ｘ_C,Ｙ_C,Ｚ_Cを記憶するオフセット値記憶エリア８４、各軸エンコーダ７９Ｘ〜７９Ｚで検出された各軸方向の位置データＸ，Ｙ，Ｚを記憶するカウンタ８５などが設けられている。なお、オフセット値Ｘ_A,Ｙ_A,Ｚ_A〜Ｘ_C,Ｙ_C,Ｚ_Cをオフセット値記憶エリア８４に記憶させるにあたっては、たとえば、図１２に示すように、各チューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃを光軸Ｌ上に位置させ、このときの画像の各軸方向のずれを予め求め、これらをオフセット値記憶エリア８４に記憶させる。
【００１７】
以上の構成において、照明装置２５から光を出射すると、その光は、ミラー２６で反射されたのち、ビームスプリッタ２７で反射されて対物レンズ２３を通じてテーブル２０上に載置された被測定物に照射される。対物レンズ２３からの光は、ビームスプリッタ２７を通ったのち、選択されたチューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃの倍率に拡大または縮小され、ＣＣＤカメラ２４に結像される。ＣＣＤカメラ２４の画像は縦、横に並んだ画素によって画像情報に変換される。各画素の画像情報は、メモリ８２内の画像データ記憶エリア８３にデジタル化された０〜２５５間の濃淡値として記憶される。
【００１８】
さて、測定にあたっては、まず、所望の倍率に倍率設定したのち、測定を行う。
〔倍率設定操作〕
これには、図６に示す手順で処理を行う。まず、ステップ（以下、ＳＴと略す）１において、指令入力部８１からターレット回転指令を入力する。すると、ＣＰＵ７１は、ＳＴ２において、ＣＲＴ７３に表示されている画像をホールドする。つまり、ＣＣＤカメラ２４で撮影されている画像情報を画像データ記憶エリア８３にストアし、その画像情報をＣＲＴ７３に継続して表示させる。こののち、ＳＴ３でターレット駆動制御部７７を介してターレット駆動モータ４４を駆動させる。ここで、ターレットセンサ４５からの信号に基づき、所望のチューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃが光軸Ｌ上に位置する角度だけ回転したとき、モータ４４を停止させる。
【００１９】
これにより、いずれかのチューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃが光軸Ｌの近傍に達するとともに、ベアリング５２が対応する凹部５１Ａ〜５１Ｃに嵌合し始める。ここで、クラッチ４３を分離すると、モータ４４がターレット３２から切り離されるから、つまり、モータ４４の回転抵抗がなくなるから、ターレット３２は嵌合し始めた凹部５１Ａ〜５１Ｃがベアリング５２に完全に嵌まり込む角度位置まで自動的に回転されて位置決めされる。
【００２０】
次に、ＳＴ４において光量自動調整を行ったのち、ＳＴ５においてターレット光軸オフセットの処理を行う。なお、これらの処理については、後述する。次に、ＳＴ６において画像のホールド状態を解除する。これにより、図７に示すように、ＣＲＴ７３には、ホールドされていた画像に代わって、選択されたチューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃの倍率の拡大画像が表示される。図７において、（Ａ）はＳＴ２でホールドしたときの画面、（Ｂ）はＳＴ３〜ＳＴ５の処理中に表示されている画面、（Ｃ）はＳＴ６でホールド解除されたときの画面である。従って、変倍時にも画面が流れることがないため、操作者に対して不快感を与えることがなく、また、途中で画面が消えることがないため、前の画面と今の画面とを比較するのが容易にできる。ここに、ＣＰＵ７１は、ホールド手段およびホールド解除手段を構成している。
【００２１】
（光量自動調整）
光量自動調整の処理は、図８に示す手順で行われる。まず、ＳＴ４−１において、ＣＣＤカメラ２４の画像中の領域を指定したのち、ＳＴ４−２へ進みその領域中の画素値の最高値Ｎmax ＜２５４かを判断する。ここで、Ｎmax ＜２５４であれば、ＳＴ４−３へ進み照明装置２５の光量が最大かを判断する。光量が最大でなければ、ＳＴ４−４へ進み光量を増加（一定量）させたのち、ＳＴ４−２へ戻る。一方、光量が最大であれば、ＳＴ４−５へ進みゲイン制御部７６を通じてカメラゲインをアップ（一定量）させたのち、ＳＴ４−２へ戻る。従って、Ｎmax ＜２５４であれば、光量が最大でないことを条件として光量が一定量ずつ増加され、光量が最大の条件ではカメラゲインが一定量ずつアップされていく。
【００２２】
また、ＳＴ４−２において、Ｎmax ＜２５４でなければ、ＳＴ４−６へ進みＮmax ＞２５４かを判断する。ここで、Ｎmax ＞２５４であれば、ＳＴ４−７へ進みゲイン制御部７６を通じてカメラゲインが最小かを判断する。カメラゲインが最小であれば、ＳＴ４−８へ進み光量を減少（一定量）させたのち、ＳＴ４−２へ戻る。一方、カメラゲインが最小でなければ、ＳＴ４−９へ進みカメラゲインをダウン（一定量）させたのち、ＳＴ４−２へ戻る。従って、Ｎmax ＞２５４であれば、カメラゲインが最小であることを条件として光量が一定量ずつ減少され、カメラゲインが最小でない条件ではカメラゲインが一定量ずつダウンされていく。従って、Ｎmax ＞２５４の条件では、カメラゲインができるだけ小さく設定されるため、電気的ノイズが減少し、周囲の外乱光に強く、被測定物のエッジのコントラストが大きくなる。
【００２３】
また、ＳＴ４−６において、Ｎmax ＞２５４でなければ、つまり、Ｎmax ＝２５４になったとき、図６のフローへ戻る。このようにして、拡大倍率が変化するごとに、照明装置２５の光量とＣＣＤカメラ２４のカメラゲインとが最適値に自動設定される。ここに、ＣＰＵ７１は、光量調整手段を構成している。
【００２４】
（ターレット光軸オフセット）
ターレット光軸オフセットの処理は、図９に示す手順で行われる。まず、ＳＴ５−１において、オフセット値記憶エリア８４の中から選択されたチューブレンズチューブレンズ２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃに対応するオフセット値Ｘ_A,Ｙ_A,Ｚ_A〜Ｘ_C,Ｙ_C,Ｚ_Cを読み出したのち、ＳＴ５−２において、そのオフセット値Ｘ_A,Ｙ_A,Ｚ_A〜Ｘ_C,Ｙ_C,Ｚ_Cで各軸のカウンタ８５の値を補正する。たとえば、図１０に示すように、変倍前の状態（Ａ）のカウンタ値がＸ＝０．０００，Ｙ＝０．０００，Ｚ＝０．０００で、変倍後の状態（Ｂ）ではＸ＝０．１００，Ｙ＝０．０５０，Ｚ＝０．０５だけずれが生じていた場合、これらの値Ｘ＝０．１００，Ｙ＝０．０５０，Ｚ＝０．０５をカウンタ８５にセットする。
次に、ＳＴ５−３において、そのオフセット値分テーブル２０をＸ，Ｙ軸方向へ、また、光学系ユニット２１をＺ軸方向へそれぞれ移動させる。これにより、画像のずれを補正することができる。ここに、ＣＰＵ７１は、補正手段を構成している。
【００２５】
〔測定〕
測定にあたっては、ＣＣＤカメラ２４で撮像された被測定物の画像がＣＲＴ７３に表示されているから、その画面を見ながら被測定物の寸法や形状などを測定する。
【００２６】
本実施形態によれば、ターレット３２の回転により選択したチューブレンズ２８Ａ〜２８Ｂを光軸Ｌに位置させて倍率設定を行うときに、その倍率変化に応じて照明装置２５の光量を変化させるようにしたので、倍率が変化しても、常に一定の明るさで被測定物を観察することができる。
このとき、照明装置２５の光量とＣＣＤカメラ２４のカメラゲインとが予め定めた範囲内で最適値になるように調整するようにしたので、光量をできるだけ高く維持しつつ、カメラゲインを小さくできる。従って、電気的ノイズが減少し、周囲の外乱光に強く、被測定物のエッジのコントラストを大きくできる。
【００２７】
また、倍率設定作動前にＣＣＤカメラ２４で撮影された画像をストアしその画像をＣＲＴ７３に表示させておき、倍率設定作動終了後にストア画像を解除してＣＣＤカメラ２４で撮影された画像をＣＲＴ７３に表示させるようにしたので、画面が流れることもなく、また、画面が消えるようなこともないから、操作者に対して不快感を与えることもないうえ、前の画面と今の画面とを比較しやすい。
【００２８】
また、オフセット値記憶エリア８４に各チューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃ毎のオフセット値Ｘ_A,Ｙ_A,Ｚ_A〜Ｘ_C,Ｙ_C,Ｚ_Cを記憶しておき、いずれかのチューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃが選択されたとき、オフセット値記憶エリア８４の中から選択されたチューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃに対応するオフセット値Ｘ_A,Ｙ_A,Ｚ_A〜Ｘ_C,Ｙ_C,Ｚ_Cを読み出し、そのオフセット値Ｘ_A,Ｙ_A,Ｚ_A〜Ｘ_C,Ｙ_C,Ｚ_Cを補正値としてカウンタ８５の値を補正するようにしたので、変倍時の画像のずれに基づく誤差を補正できる。
【００２９】
また、対物レンズ１４とＣＣＤカメラ２４との間に、倍率の異なる３つのチューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃを円周状に配置したターレット３２を回転自在に設け、このターレット３２を含んでいずれか１つのチューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃを対物レンズ２３の光軸Ｌ上に切り換える切換手段２９を構成したので、たとえば、対物レンズターレット方式に比べて、複数本の対物レンズを必要としないから、安価にでき、かつ、リング照明などの外付け照明も利用できる。
【００３０】
また、切換手段２９を、対物レンズ２３の光軸Ｌと異なる位置にその光軸Ｌと平行な軸３１を中心として回転可能に設けられかつその中心から対物レンズ２３の光軸Ｌまでの距離を半径とする円周上に複数のチューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃを取り付けたターレット３２と、各チューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃが対物レンズ２３の光軸Ｌに一致したそれぞれの角度位置でターレット３２を位置決めする位置決め手段３３とを含んで構成したので、ターレット３２を回転させていくと、各チューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃが対物レンズ２３の光軸Ｌに一致した角度位置でターレット３２が位置決め手段３３によって位置決めされるから、各チューブレンズ２８Ａ〜２８Ｃを対物レンズ２３の光軸Ｌに簡単に一致させることができる。
【００３１】
また、ターレット３２の軸３１にクラッチ４３を介してモータ４４を連結したので、このモータ４４によってターレット３２を自動的に所定角度位置まで回転させることができる。ここで、ターレット３２が所定角度位置に達したとき、クラッチ４３の切り離しによってモータ４４をターレット３２から切り離すと、モータ４４の回転抵抗がなくなるから、ターレット３２を位置決め手段３３によって所定角度位置に正確に位置決めすることができる。
【００３２】
また、位置決め手段３３を、ターレット３２の外周面に切欠形成された凹部５１Ａ〜５１Ｃと、ベアリング５２と、このベアリング５２をターレット３２の外周面に接する方向へ付勢する板ばね５４とを含んで構成したから、ターレット３２が所定角度位置に達したとき、つまり、ベアリング５２にいずれかの凹部５１Ａ〜５１Ｃが嵌まり始めたとき、クラッチ４３の切り離しによってモータ４４がターレット３２から切り離されると、ベアリング５２に凹部５１Ａ〜５１Ｃが入り込む方向にターレット３２が自動的に回転されるため、簡単な構成によりターレット３２を正確に位置決めすることができる。
【００３３】
以上述べた実施形態では、光量自動調整において、照明装置２５の光量とカメラゲインとを最適値になるように調整するようにしたが、カメラゲインに代えてフレームグラバ７５のゲインを調整するようにしてもよい。
また、光量の調整についても、上記実施形態で述べた方法に限らず、現在の光量に対して、チューブレンズ２８Ａ〜２８Ｂの倍率の変化から求めた係数を乗算して新たな光量（Ｌ₂）を決定するようにしてもよい。
たとえば、現在の光量をＬ₁、チューブレンズ２８Ａ〜２８Ｂの倍率の変化が１Ｘから２Ｘに変化した場合、新たな光量Ｌ₂を、Ｌ₂＝Ｌ₁×（２Ｘ／１Ｘ）＝Ｌ₁×２から求めるようにしてもよい。
また、有効画像の面積比を考慮して、新たな光量Ｌ₂を、Ｌ₂＝Ｌ₁×（２Ｘ／１Ｘ）²＝Ｌ₁×４から求めるようにしてもよい。
【００３４】
また、変倍光学系の構成としては、上記実施形態で述べたチューブレンズターレット方式に限らず、倍率の異なる複数本の対物レンズをターレットに取り付けた変倍光学系、あるいは、ズームレンズを用いた変倍光学系などでもよい。
【００３５】
【発明の効果】
本発明の光学式測定装置によれば、変倍光学系による変倍作動前に観察光学系で観察されている被測定物の画像をホールドするホールド手段と、変倍作動終了後に前記ホールド状態を解除するホールド解除手段とを備えているから、変倍光学系による変倍時には、変倍作動前の観察光学系で観察された被測定物の画像がホールドされているから、画面が流れることもなく、また、画面が消えるようにこともないから、操作者に対して不快感を与えることもないうえ、前の画面と今の画面とを比較しやすい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかる画像測定機の側面図である。
【図２】図１のII−II線断面図である。
【図３】同上実施形態における位置決め手段を示す拡大図である。
【図４】図３のIV−IV線断面図である。
【図５】同上実施形態における制御装置を示すブロック図である。
【図６】同上実施形態における倍率設定操作の一連の手順を示すフローチャートである。
【図７】同上実施形態におけるホールド画面およびホールド解除画面を示す図である。
【図８】同上実施形態における光量自動調整の処理手順を示すフローチャートである。
【図９】同上実施形態におけるターレット光軸オフセットの処理手順を示すフローチャートである。
【図１０】同上実施形態におけるターレット光軸オフセットの処理に伴う動作を示す図である。
【図１１】従来の変倍時における画像の流れを示す図である。
【図１２】従来の変倍時における画像の位置ずれを示す図である。
【符号の説明】
２０テーブル
２４ＣＣＤカメラ（観察光学系）
２５照明装置（照明系）
２８Ａ〜２８Ｃチューブレンズ（変倍光学系の構成要素）
２９切換手段（変倍光学系の構成要素）
７１ＣＰＵ（光量調整手段、ホールド手段、ホールド解除手段、補正手段）
８３画像情報記憶エリア（画像情報記憶手段）
８４オフセット値記憶エリア（オフセット値記憶手段）

Claims

被測定物に光を照射する照明系と、変倍光学系と、この変倍光学系で変倍された被測定物の像を観察可能な観察光学系とを備えた光学式測定装置であって、
前記変倍光学系による変倍作動前に前記観察光学系で観察されている被測定物の画像をホールドするホールド手段と、変倍作動終了後に前記ホールド状態を解除するホールド解除手段とを備えていることを特徴とする光学式測定装置。