JP5709851B2 - 画像測定プローブと操作方法 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象の物体の画像を取得する画像測定プローブ、例えば、ビデオまたはカメラプローブと、測定装置内でのその使用方法に関する。特に、本発明は、画像測定プローブによって撮影された画像を解析し、プロセッサを用いて測定装置の実時間制御に使用可能な数量を生成する方法に関する。

自動車または航空業界用等の部品の製造においては、多くの場合、これらの部品が所望の許容誤差範囲内で製造されていることを判定することが望ましい。従来、部品の特徴部の寸法は、その部品を座標測定器の上に載せ、座標測定機に搭載されたタッチプローブを関心対象の特徴部に接触させることによって測定される。座標は特徴部の周囲の異なる地点で張られ、それによってその寸法、形状および／または方位の判定が可能となる。

座標位置決め装置は一般に、検査対象の加工品を支持できるベースと、ベースに取り付けられてクイルを保持するフレームと、を備え、クイルは、例えば、加工品を検査するための加工品検査装置を保持するのに適している。ベース、フレームおよび／またはクイルは一般に、測定プローブ等の検査機器と加工品を少なくとも１つの軸に沿って、より一般的には相互に直交する３つの軸、Ｘ、ＹおよびＺに沿って相対的に移動できるように構成される。クイルによって保持される検査機器をこれらの軸に沿って駆動するために、モータを設けることができる。また、角度調整可能ヘッド（articulating head）を設け、その上に検査機器が取り付けられるようにすることも知られている。角度調整可能ヘッドは一般に、回転運動において１、２または３自由度を有し、プローブに取り付けられた検査機器が１、２またはそれ以上の回転軸の周囲で移動できるようになっている。このような角度調整可能ヘッドは、例えば特許文献１および特許文献２に記載されている。

特許文献１は間欠駆動型プローブヘッド（indexing probe head）を開示しており、このヘッドにおいては、モータを用いて、検査機器を所定の、すなわち「間欠駆動用に定められた」複数の方位の間で移動させる。ヘッドを所望の位置にセットしたら、装置のフレームおよび／またはクイルを移動させることにより、検査機器による部品の検査を行う。

特許文献３は、連続的角度調整可能ヘッド（continuous articulating head）である別の種類の角度調整可能ヘッドを開示している。この種類のヘッドでは、検査機器の方位は連続的な位置範囲のどの地点にも制御でき、すなわち、間欠駆動される複数の個別の位置のうちの１つに制御される場合とは異なる。その結果、間欠駆動型ヘッドと比較して、ヘッドの方位に対する制御をはるかに精密に行うことができる。多くの場合、連続的角度調整可能ヘッドは、能動的ヘッドのモータが常にサーボ式に制御され、例えば、検査機器の方位を保持するか、測定中などに検査機器の方位を変化させるために、検査機器の方位が制御されるという点で、「能動的（active）」または「サーボ型（servoing）」ヘッドである。しかしながら、当然のことながら、常にサーボ式に制御されるのではなく、ある位置にロックできる連続的角度調整可能ヘッドを設けることが可能であり、この場合、常にサーボ式制御を行う必要はない。

欧州特許第０６９０２８６号 欧州特許第０４０２４４０号 国際特許出願第９００７０９７号 ＰＣＴ英国特許出願第２００９／００１２６０号

タッチプローブ（touch probe）の使用には欠点がある。例えば、タッチプローブではアクセスが制限される可能性がある（例えば、非常に小さな孔の場合）。さらに、部品の表面に繊細なコーティングや仕上げが施されている場合、または部品が撓みやすく、接触プローブの力によって大きく変位する場合、ときとして部品との物理的接触を避けることが望ましい。

既存の非接触イメージング測定プローブ（non-contact imaging measurement probe）には、例えば、精度が低い、視野が狭い、また重量および／または大きさによる制約がある、といった問題が生じうる。

本発明は、改良された画像測定プローブシステムと、画像測定システムの改良された操作方法を提供する。

本願は、画像測定プローブを使った物体の検査方法を開示し、この方法では、物体と画像測定プローブが相互に関して移動可能である。この方法は、画像測定プローブによって取得された少なくとも１つの画像を処理して、フィードバックデータを得るステップを含む。この方法にはまた、画像測定プローブによって取得された少なくとも１つの画像を処理して、物体の少なくとも１つの特徴部を特定し、それに関する計測データを取得するステップを含めることができる。この方法にはさらに、フィードバックデータに基づいて画像測定プローブの動作を制御するステップを含めることができる。

本発明の第一の態様によれば、物体を測定するための画像測定プローブの操作方法が提供され、画像測定プローブは座標位置決め装置に搭載され、物体と画像測定プローブは測定動作中、相互に関して、少なくとも１自由度の直線運動および／または少なくとも１自由度の回転運動により移動可能であり、この方法は、画像測定プローブによって取得された少なくとも１つの画像を処理して、フィードバックデータを得るステップと、前記フィードバックデータに基づいて画像測定プローブと物体の間の物理的関係を制御するステップと、を含む。

本発明は特に、検査対象物体の画像を取得し、画像プロセッサおよび／またはエンドユーザ等の第三者システムにこれを供給して、画像処理中に画像処理技術、例えば特徴部認識技術を使用することによってその物体に関する計測データが得られるような種類の画像測定プローブに関する。当然のことながら、画像測定プローブにより、画像測定プローブの少なくとも１つの画像（および、例えば画像測定プローブの唯一の画像）と画像測定プローブの既知の位置のみから物体に関する計測データを得ることができる。このような画像測定プローブは一般に、ビデオ測定プローブまたはカメラ測定プローブと呼ばれ、本明細書では、画像測定プローブと総称する。これは、構造化された光ビーム（例えば直線状）を物体上に投影し、プロジェクタとカメラの既知の位置と角度を利用して、三角測量によりその物体による構造化された光の位置変形を解析することにより測定情報を取得する、周知の非接触測定用三角測量プローブとは異なる。特に、本発明により、三角測量以外の非接触プローブのためのフィードバック制御が可能となる。

適当な画像測定プローブは一般に、窓と、窓に入る光を検出するように配置された検出器を備える。好ましくは、検出器は二次元検出器であり、すなわち、二次元に配置された画素を有して、二次元画像を得ることができる。画像測定プローブはまた一般に、画像を検出器の上に形成するためのレンズを備える。このような画像測定プローブは一般に、測定対象となる画像を撮影し、これを外部システム、例えば計測システムに供給して計測解析が行われるようにする。画像測定プローブはまた一般に、検査対象物体を照明するための少なくとも１つの光源を備える。画像測定プローブは、検出器の視野のほぼ全体にわたって照明を提供するための少なくとも１つの光源を備えていてもよい。必要に応じて、画像測定プローブは、検出器の視野のうち選択した領域だけを照明するための少なくとも１つの光源を備えていてもよい。例えば、この少なくとも１つの光源は、スポット照明を提供するように構成できる。

本発明の方法には、画像測定プローブによって取得された少なくとも１つの画像を処理して、物体の少なくとも１つの特徴部を特定し、それに関する計測データを取得するステップを含めることができる。当然のことながら、特徴部を特定し、計測データを取得するために処理される少なくとも１つの画像は、フィードバックデータを取得するために処理される少なくとも１つの画像と同じ画像でも、異なる画像でもよい。

少なくとも１つの画像を処理して、計測データを取得するための計測システムを設けることができる。計測システムは、プローブと物理的に別箇とすることができ、さらに、座標位置決め装置の動作を制御するいずれのコントローラとも物理的に別箇とすることができる。

計測データには、測定体積内、例えば三次元座標空間内の物体の少なくとも１つの地点の位置に関するデータを含めることができる。例えば、計測データには、物体の特徴部、例えば物体の周縁または物体の孔の大きさおよび／または位置を含めることができる。計測データにはまた、物体の表面仕上げ、例えば物体の表面の粗さまたはいずれかの欠陥の有無に関するデータを含めることもできる。当然のことながら、計測学的データは、画像測定プローブの少なくとも１つの画像から抽出されたデータと、少なくとも１つの画像測定プローブの位置を示すテータを組み合わせることによって得られる。当然のことながら、画像測定プローブを示すこのようなデータは、座標位置決め装置上の位置センサから得ることができる。

物理的関係を制御するステップには、物体と画像測定プローブの少なくとも一方を移動させるステップを含めることができる。物理的関係を制御するステップには、画像測定プローブと物体の相対位置と方位の少なくとも一方を変化させるステップを含めることができる。

当然のことながら、画像測定プローブと物体は、相互に静的関係に保持することができ、本発明の方法を用いてこの静的関係を変化させることができる。これは、画像測定プローブと物体が少なくとも１つの相対位置と方位まで移動され、停止され、その後、物体の測定に使用可能な画像が撮影される場合に当てはまるかもしれない。

物理的関係を変化させるステップは、例えば計測の理由のために、すなわち画像測定プローブによって供給される画像を、それから測定情報を得るのにより適したものとするために行ってもよい。例えば、画像測定プローブによって取得された画像の品質を改善するために行ってもよい。例えば、画像測定プローブの相対位置および／または方位を変化させて、影の範囲を縮小し、または画像測定プローブの視野において物体の少なくとも一部の焦点レベルを高めてもよい。

画像測定プローブは、少なくとも１つの回転軸を有する角度調整可能ヘッドに搭載することができる。この場合、本発明の方法には、前記フィードバックデータに基づいて、前記少なくとも１つの軸の周囲で画像測定プローブの方位を変化させるステップを含めることができる。好ましくは、角度調整可能ヘッドは、連続的角度調整可能ヘッドである。したがって、好ましくは、角度調整可能ヘッドは間欠駆動型ではない角度調整可能ヘッドである。

物体と画像測定プローブは、測定動作中、相互に関して所定の方法で移動するように構成できる。したがって、画像測定プローブと物体の間の物理的関係を制御するステップには、前記フィードバックデータに基づいて、画像測定プローブと物体の間の所定の相対移動を変化させるステップを含めることができる。換言すれば、物理的関係を制御するステップには、前記フィードバックデータに基づいて、所定の相対移動を調整するステップを含めることができる。所定の相対移動を変化させるステップには、フィードバックデータに基づいて、画像測定プローブと物体の間の相対移動の所定の軌道を調整するステップを含めることができる。必要に応じて、変化させる前記ステップには、画像測定プローブと物体の間の所定の相対移動速度を調整するステップを含めることができる。

当然のことながら、フィードバックデータは、画像測定プローブの状態を示すデータとすることができる。画像測定プローブの状態には、画像測定プローブの条件、例えば測定対象の物体（または物体の特定の特徴部）に関するその位置および／または方位等を含めることができる。特に、測定プローブの状態には、画像測定プローブが取得している画像の少なくとも１つの品質を含めることができる。

好ましくは、フィードバックデータは定量的である。特に、好ましくは、フィードバックデータには数量または数値が含まれ、これは物体と画像測定プローブの間の物理的関係を制御する方法を決定するために使用できる。これは例えば、「良（OK）」または「不良（NOT OK）」のような単純な２状態とは異なり、座標位置決め装置の動作を継続または停止するために使用可能なフィードバック信号とすることができる。

フィードバックデータは、画像の少なくとも一部の少なくとも１つの特性を含み、および／またはこれに関していてもよい。特性は、画像の少なくとも一部のコントラスト、輝度または焦点の少なくとも１つに関していてもよい。したがって、フィードバックデータは、画像の少なくとも一部の少なくとも１つの特性に関する少なくとも１つの数量または数値を含み、および／またはこれに関していてもよい。

より詳しくは、フィードバックデータは、画像の特性の少なくとも１つのパラメータ記述を含み、および／またはこれに基づいていてもよい。したがって、フィードバックデータは好ましくは、物体の寸法情報の測定に基づくものではなく、物体とプローブの相対的な幾何学的関係の計算を必要としない。したがって、好ましくは、本発明により、非接触プローブのフィードバックによる制御が可能となり、物体の寸法特性または、例えば画像測定プローブと測定対象物体の間の幾何学的関係を測定しなくてもよく、例えば実際の相対位置と方位を測定する必要がない。

パラメータ記述は、画像の少なくとも一部の少なくとも１つの特性に関していてもよい。特性は、画像の少なくとも一部のコントラスト、輝度または焦点のうちの少なくとも１つに関係していてもよい。画像の特定の特性のパラメータ記述は、例えば画像の中の高輝度、高合焦度または高コントラストのうちの少なくとも１つの領域の形状を説明する少なくとも１つのパラメータを含んでいてもよい。画像のパラメータ記述は、未加工の画像データについて計算してもよい。例えば、画像は、フィルタを使用して前処理することができる。画像は、画像処理フィルタを使用して前処理することができる。画像を前処理することにより、画像の特定の特性のマップを作成できる。例えば、画像を前処理することによって、画像の複数の部分の、および必要に応じてほぼ全体の焦点、輝度またはコントラストのうちの少なくとも１つの測度、すなわち画像の少なくとも一部に関する焦点、輝度またはコントラストマップを得ることができる。高合焦度、高輝度または高コントラストの領域を説明するパラメータは、上記のような前処理された画像について計算できる。特性マップの分解能は、画像より低いかもしれない。例えば、画像画素の集合を処理して、１つの特性の数値を求めることができる。フィルタはまた、画像を前処理して、画像の各部分におけるコントラストまたは輝度レベルまたは、他の関心対象の特性を測定するためにも使用できる。

フィードバックデータには、ｉ）特定の特性を有する関心対象領域の主軸、ｉｉ）特定の特性に関する画像の重心が得られる、関心対象領域の一次画像モーメント、ｉｉｉ）主軸について計算される、特定の特性に関する他の画像モーメント、のうちの少なくとも１つを説明する少なくとも１つのパラメータを含み、および／またはそれに基づいていてもよい。例えば、フィードバックデータには、関心対象領域の二次画像モーメント（すなわち、特性の分散）および／または三次画像モーメント（すなわち、特性の分布の歪度）を含めることができる。当然のことながら、主軸（一般には、主要成分ベクトルまたは長軸および短軸とも呼ばれる）は、関心対象領域の最長軸と最短軸に対応する、ベストフィット直交ベクトルである。前述のように、特定の特性には、画像の高輝度、高コントラスト、高合焦度またはその他の特性のうちの少なくとも１つを含めることができる。画像の一部が高輝度、高コントラスト、高合焦度またはその他の特性を有するか否かは、標準的な画像処理技術を使用して確定でき、特定の画素または画素集合の関心対象の特性が所定の閾値に適合するか否かを判定するステップを含めることができる。

フィードバックデータには、光学測定器と物体の間の所望の移動ベクトルを含めることができる。

画像測定プローブは少なくとも１つのプロセッサを備えていてもよく、画像測定プローブによって取得された少なくとも１つの画像を処理して、フィードバックデータを取得するように構成できる。これは、フィードバックデータの生成のために通信リンクを通じてプロセッサに画像を送信する必要がなくなるという点で、有利となりうる。フィードバックデータは一般に、画像データほど大きくないため、送信時間が短く、使用する帯域幅も小さくて済む。したがって、フィードバックデータが物体検査装置のプローブの実時間制御に使用されている場合、プローブ内のプロセッサを使用してフィードバックデータを取得することが有利となりうる。

本発明の方法には、画像測定プローブと物体の間の物理的関係を制御して、画像測定プローブによって検出された光の量を変化させるステップを含めることができる。例えば、これは画像測定プローブにより検出される光の量を増減させることであってもよい。必要に応じて、これは、画像測定プローブにより捕捉可能な詳細レベルを低下させる原因となりうる、大量の光によるセンサのフラッディングを避けることであってもよい。

画像測定プローブは、固定焦点システムとすることができる。特に、画像測定プローブの焦点面は、画像測定プローブのイメージセンサに関して固定されていてもよい。必要に応じて、画像測定プローブの被写界深度は固定されていてもよい。これは、焦点面と画像測定プローブの間の距離とその被写界深度の少なくとも一方を調整できる画像測定プローブとは異なる。好ましくは、焦点面と画像測定プローブのイメージセンサとの間の距離は３５０ｍｍを超えず、より好ましくは２５０ｍｍを超えず、特に好ましくは１００ｍｍを超えない。好ましくは、焦点面と画像測定プローブのイメージセンサとの間の距離は１０ｍｍ未満ではなく、例えば５０mm未満ではない。好ましくは、画像測定プローブの被写界深度は５μｍ未満ではない。以下にさらに詳しく説明するように、特定の実施形態において、非常に浅い被写界深度が好ましいことがありうる。これは、画像測定プローブと物体の表面の間の距離に関する正確な情報が得られるようにするためかもしれない（一般には「高さ」または「オフセット」位置情報と呼ばれる）。このような場合、画像測定プローブの被写界深度は１ｍｍを超えない、好ましくは５００μｍを超えない、より好ましくは１００μｍを超えない、特に好ましくは５０μｍを超えず、例えば１０μｍを超えないことが好ましい可能性がある。

本発明の方法には、画像測定プローブと物体の間の物理的関係を制御して、物体の焦点の状態、例えば画像測定プローブの像面における物体の焦点の状態を変化させるステップを含めることができる。特に、これは物体の特定の部分を合焦した状態に保持し、および／または合焦領域を画像測定プローブによって得られた画像の特定の領域内に保持するのに有益となりうる。

この方法には、画像測定プローブと物体の間の移動速度を、物体の焦点の状態に基づいて制御するステップを含めることができる。特に、画像測定プローブと物体の相対速度は、鮮鋭度（すなわち、合焦度）の変化率に依存していてもよい。特に、この方法には、画像形成された物体の少なくとも一部の鮮鋭度の変化率が大きく、例えば閾値を超えるときには少なくとも所定の速度で、および鮮鋭度の変化率が小さく、例えばその閾値に満たないときには所定の速度より低い速度で、画像測定プローブと物体を相互に関して移動させるステップを含めることができる。換言すれば、この方法には、画像形成された物体の少なくとも一部の鮮鋭度の変化率が大きいときには高速で、および鮮鋭度の変化率が小さいときには低速で、画像測定プローブと物体を相互に関して移動させるステップを含めることができる。特定の実施形態において、相対速度は速度の変化率に比例してもよい。この方法には、鮮鋭度の変化率の閾値が初めて越えられるまで、相対移動を所定の速度より速くならないように制御するステップを含めることができる。必要に応じて、画像測定プローブと物体の相対速度は、鮮鋭度の変化率の変化率（すなわち、合焦度の二次導関数）に依存してもよい。特に、この方法には、画像形成された物体の少なくとも一部の鮮鋭度の変化率の変化率が大きく、例えば閾値を超えるときには少なくとも所定の速度で、および鮮鋭度の変化率が小さく、例えばその閾値に満たないときには所定の速度より低速で、画像測定プローブと物体を相互に関して移動させるステップを含めることができる。特に、絶対的相対速度は、画像形成された物体の少なくとも一部の鮮鋭度の変化率の変化率が大きく、例えば閾値を超えるときには、鮮鋭度の変化率に比例するように制御することができる。さらに、最適焦点の位置は、鮮鋭度の変化率の変化率（すなわち、鮮鋭度の二次導関数）がいつ大きいか（例えば閾値を超える数値を有する、例えばその数値がほぼ最大であるとき）、および鮮鋭度の変化率（すなわち、鮮鋭度の一次導関数）がいつ低いか、例えばほぼゼロであるかを判断することによって見つけられる。

フィードバックデータは好ましくは、計測データより高い優先度で取得される。したがって、画像測定プローブによって取得された画像からは、物体に関する計測学的データが得られるだけでなく、フィードバックデータもまた、高い優先度で取得できる。このようなフィードバックデータを入手できることは、画像測定プローブの自動制御および／または監視に使用できるため、有益となりうる。

フィードバックデータは、ほぼ実時間で取得できる。フィードバックデータの取得と、変化させる前記ステップは、実時間で実行できる。すなわち、フィードバックデータは一般的な時間制約的方法で取得できる。したがって、その少なくとも１つのプロセッサは、画像測定プローブによって得られた少なくとも１つの画像を処理して、実時間フィードバックデータを取得するためのものとすることができる。これは有利となりえ、それは、希望に応じて、データを物体検査装置の実時間制御、例えば画像測定プローブの実時間制御に使用できるからであり、これについては以下に詳しく説明する。特に、撮影されている画像とその画像から得られるフィードバックデータに基づいて制御されている物理的関係の間の遅延は、理想的には２００ｍｓを超えず、好ましくは１００ｍｓを超えず、より好ましくは５０ｍｓを超えず、特に好ましくは３３ｍｓを超えず、例えば、２５ｍｎを超えない。

必要に応じて、フィードバックデータは、画像測定プローブと物体の間の物理的関係を制御する方法を自動的に判断するためにコントローラ（以下により詳しく説明する）によって使用されうる。したがって、本発明の方法には、コントローラによって画像測定プローブと物体の間の物理的関係を、前記フィードバックデータに基づいて制御するステップを含めることができる。フィードバックデータには単に、コントローラにより実行される制御命令を含めることができる。例えば、フィードバックデータには、コントローラのための移動ベクトル命令を含めることができる。例えば、移動ベクトル命令は、コントローラに対し、物体と画像測定プローブの相対位置、方位および／または速度を変化させるように物体検査装置を制御する方法を伝えることができる。

画像測定プローブは、少なくとも１つの画像を処理して、計測データを得るように構成されたプロセッサを備えていてもよい。必要に応じて、物体検査装置は画像測定プローブからの少なくとも１つの画像を受け取るように構成された計測システムをさらに備える。この計測システムは好ましくは、その少なくとも１つのプロセッサのうちの少なくとも１つを備える。必要に応じて、計測システムは、特徴部認識を実行して（例えば、正規化されたグレイスケール相関を使用）、測定対象の物体の少なくとも１つの特徴部を特定するように構成され、その少なくとも１つの特定された特徴部に関する計測データが得られる。

画像測定プローブがプロセッサを備える実施形態において、このプロセッサは、画像処理の作業負荷を光学検査装置の複数のプロセッサの間で分担させるために使用できる。

フィードバックデータは、計測データより高い優先度で取得することができる。好ましくは、フィードバックデータは、画像を解析して計測データを取得するために画像が計測システムに供給される優先度より高い優先度で生成され（、必要に応じてコントローラに供給され）る。したがって、画像測定プローブがフィードバックデータを生成するための少なくとも１つのプロセッサを備える実施形態においては、好ましくは、画像測定プローブは画像の供給より高い優先度でフィードバックデータを生成し、供給するように構成される。特に、好ましくは、画像測定プローブは、画像を計測システムに供給する前にフィードバックデータの生成を開始するように構成される。例えば、画像測定プローブは、画像を計測システムに送信する前に、フィードバックデータを生成して、コントローラに伝送するように構成できる。光学測定は、画像を計測システムに供給する前にその画像を圧縮するように構成できる。この場合、画像測定プローブは、画像を圧縮する前にフィードバックデータを生成するように構成できる。

当然のことながら、座標位置決め装置は、パラレルメカニズム型システム等の非直角測定装置、座標測定器（ＣＭＭ）等の直角測定装置または、画像測定プローブを搭載できるロボットアーム等、その他の種類の座標位置決め装置とすることができる。

本発明はまた、検査対象物体の画像を取得するための画像測定プローブと、画像測定プローブによって取得された少なくとも１つの画像を処理してフィードバックデータを得るための少なくとも１つのプロセッサを備える物体検査装置を提供する。

例えば、本願は、検査対象物体の画像を取得するための画像測定プローブと、ｉ）画像測定プローブによって取得された少なくとも１つの画像を処理してフィードバックデータを得るため、およびｉｉ）画像測定プローブによって取得された物体の少なくとも１つの画像を処理して、その物体の少なくとも１つの特徴部を特定し、それに関する計量学的データを得るための少なくとも１つのプロセッサを備える物体検査装置を開示する。必要に応じて、フィードバックデータは、コントローラ（以下により詳しく説明する）により、検査動作中に物体検査装置の動作の制御方法を自動的に決定するために使用されるデータとすることができる。

本発明の第二の態様によれば、座標位置決め装置と、座標位置決め装置に取り付けて、物体と画像測定プローブが測定動作中に少なくとも１自由度の直線運動および／または少なくとも１自由度の回転動作で相互に関して移動できるようにする、検査対象物体の画像を取得するための画像測定プローブと、画像測定プローブによって取得された少なくとも１つの画像を処理して、画像測定プローブの状態を示すフィードバックデータを得るための少なくとも１つのプロセッサと、前記フィードバックデータに基づいて画像測定プローブと物体の間の物理的関係を変化させるための少なくとも１つのコントローラを備える物体検査装置が提供される。

物体検査装置は、物体の検査中に物体検査装置の動作を制御するためのコントローラを備えていてもよい。好ましくは、コントローラはフィードバックデータを受け取り、これを使って物体検査装置の動作を制御する。

好ましくは、コントローラは、画像測定プローブと検査対象物体の間の相対移動を自動的に制御する装置である。好ましくは、コントローラは画像測定プローブと物体の相対移動の制御にフィードバックデータを使用する。好ましくは、コントローラは、フィードバックデータに基づいて画像測定プローブと物体の間の相対移動の所定の軌道を調整するように構成される。これは、寸法がほぼ分かっている物体を検査するとき、例えば物体を基準の物体と比較するときに有益となりうる。

画像測定プローブは、少なくとも１つの画像を処理して、計測データを取得するように構成されたプロセッサを備えていてもよい。必要に応じて、物体検査装置は、画像測定プローブから少なくとも１つの画像を受け取るように構成された計測システムをさらに備える。計測システムは好ましくは、上記の少なくとも１つのプロセッサのうちの少なくとも１つを備える。必要に応じて、計測システムは、特徴部認識を実行し（例えば、正規化されたグレイスケール相関を使用）、測定対象物体の少なくとも１つの特徴部を特定するように構成され、その少なくとも１つの特定された特徴部に関する計測データが得られる。

当然のことながら、本明細書では、窓を有するハウジングと、光源と、窓に入る光を検出するように構成された検出器と、検出器からの入力を受け取るプロセッサを備える光学検査装置が開示される。

好ましくは、プロセッサは実時間フィードバックを提供するように構成され、このフィードバックは、プロセッサが検出器上の画像から抽出するパラメータ記述に基づいていてもよい。画像の中の関心対象の特性は、画像のコントラスト、合焦度、輝度またはその他の何らかの特性であってもよい。画像の特定の特性のレベルのパラメータ記述は、画像の中の、例えば高輝度、高合焦度または高コントラストの領域の形状を説明するパラメータを含んでいてもよい。画像の中の高輝度レベルのパラメータ記述は、未加工の画像データについて計算されてもよい。画像は、特定のフィルタを使用して前処理し、画像の各部分の焦点の測度を表すようにすることができ、この前処理された画像について、高合焦度の領域を説明するパラメータを計算できる。同様のフィルタは、画像を前処理し、画像の各部分の中のコントラストレベル、または関心対象となるかもしれないその他の特性を測定するように設計できる。

プロセッサは、検出器上の画像の位置および／またはその他のパラメータ記述に関するフィードバックと検出器からの未処理のデータを出力してもよい。画像を説明するために使用できるパラメータとしては、高輝度、高コントラスト、高合焦度またはその他の特性を有する領域の主軸、高輝度、高コントラスト、高合焦度またはその他の特性を有する領域の、その特定の特性に関する画像の重心を明らかにする一次モーメント、主軸に関して計算される、特定の特性に関するその他の画像モーメント等がある。

プロセッサは、検出器上の画像の特定の特性の形状を説明するパラメータと、表面に関する計測データをコントローラにフィードバックしてもよい。

本明細書はまた、光学プローブで表面を測定する方法を開示しており、この方法は、表面に関して軌道に沿って光学プローブを移動させるステップと、検出器上の画像の輝度、コントラストまたは焦点等、１つまたは複数の特性の特徴を判断するステップと、画像の特徴を所定の範囲内に保つように光学プローブの軌道を調整するステップを含む。

画像の特性の特徴は、画像の中の高輝度の領域の位置を含んでいてもよく、所定の範囲には検出器上の区域を含めてもよい。画像の特性の位置は、合焦度の高い領域の位置であってもよい。画像の特性の位置は、高コントラストの領域であってもよい。

次に、本発明の好ましい実施形態を例として、添付の図面を参照しながら説明する。

角度調整可能プローブヘッドとその上に取り付けられたビデオプローブを有する座標測定器を示す図である。 図１に示されるビデオプローブの光学的配置を示す図である。 図２のビデオプローブの端面図であり、環状に配置されたＬＥＤを示す図である。 軌道に沿って、起伏面に関して移動されているビデオプローブを示す図である。 ビデオプローブの検出器の上の画像を示し、合焦度の高い領域を示す図である。 スタンドオフを縮小させたときの、図５Ａに対応する画像を示す図である。 スタンドオフを縮小させ、部品の平面が斜めで、プローブの光軸の周囲で回転させたときの、図５Ａに対応する画像を示す図である。 ビデオプローブの検出器の上の画像を示し、高コントラストの領域を示す図である。 ノズルガイドベーンのフィルム冷却孔の断面図である。 プローブが図７の位置Ａにあるときの、焦点レベルの測度を求めるようにフィルタ処理されたＴＴＬＩ区域の画像を示す図である。 図７Ａの画像の軸に沿った距離に対する焦点レベルを示すグラフである。 プローブが図７の位置Ｂにあるときの、焦点レベルの測度を求めるようにフィルタ処理されたＴＴＬＩ区域の画像を示す図である。 図７Ｃの画像の軸に沿った距離に対する焦点レベルを示すグラフである。 高レベルシステムのフローチャートである。 本発明の特定の実施形態による画像測定プローブの動作の工程を示すフローチャートである。 ある範囲の画像測定プローブのオフセット距離に関する物体の表面の名目上の鮮鋭度（すなわち、合焦度）および名目上の鮮鋭度の一次および二次導関数を示す図である。 ある範囲の画像測定プローブのオフセット距離に関する物体の表面の名目上の鮮鋭度（すなわち、合焦度）および名目上の鮮鋭度の一次および二次導関数を示す図である。 ある範囲の画像測定プローブのオフセット距離に関する物体の表面の名目上の鮮鋭度（すなわち、合焦度）および名目上の鮮鋭度の一次および二次導関数を示す図である。

図１は、本発明による物体検査装置を示し、この装置は、座標測定器（ＣＭＭ）１０と、画像測定プローブ（vision measurement probe）２０と、コントローラ２２と、ホストコンピュータ２３と、を含む。ＣＭＭ１０は、その上に部品を載置することができるテーブル１２と、テーブル１２に関してＸ、ＹおよびＺ方向に移動可能なクイル１４と、を有する。角度調整可能プローブヘッド（articulating probe head）１８がクイル１４に取り付けられ、それによって少なくとも２つの軸Ａ１、Ａ２の周囲での回転が可能となる。画像測定プローブ２０は、角度調整可能プローブヘッド１８に取り付けられ、テーブル１２の上に設置された部品１６の画像を取得するように構成される。画像測定プローブ２０はそれ故、ＣＭＭ１０によってＸ、ＹおよびＺ方向に移動可能であり、角度調整可能プローブヘッド１８によって軸Ａ１およびＡ２を中心に回転可能である。ＣＭＭまたは角度調整可能プローブヘッドによって上記以外にも移動させることができ、例えば、角度調整可能プローブヘッドによってビデオプローブの縦軸Ａ３の周囲での回転を可能にしてもよい。

ビデオプローブの部品１６に関する所望の移動軌道／行程は、ホストコンピュータ２３によって計算され、コントローラ２２に供給される。モータ（図示せず）がＣＭＭ１０と角度調整可能プローブヘッド１８に設けられ、画像測定プローブ２０を所望の位置／方位まで駆動し、これは、ＣＭＭ１０と角度調整可能プローブヘッド１８に駆動信号を送信するコントローラ２２により制御される。ＣＭＭと角度調整可能プローブヘッドの位置はトランスデューサ（図示せず）によって決定され、これらの位置はコントローラ２２にフィードバックされる。

画像測定プローブ２０の構成を図２にさらに詳しく示す。

図２は、画像測定プローブの内部レイアウトを示す簡略図である。光源２４、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）は、光ビームを発生してこれをレンズ２５と偏光フィルタ２１へと方向付け、偏光フィルタ２１は光源から偏光ビームを生成するために設けられている。この光は次に、開口部２７を通過することによって径が縮小されて、偏光ビームスプリッタ２６に至る。ビームスプリッタはビームを反射してレンズ２８へと向かわせ、レンズ２８は光を焦点面３１で合焦させる。光は、この時点では発散して、イメージングシステムの焦点面３０へと進む。表面から散乱により戻る光は、レンズ２８とビームスプリッタ２６を通過して、検出器３２の上に合焦される。検出器３２は２Ｄピクセル化検出器、例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）である。当然のことながら、ＣＣＤ以外の検出器、例えば相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）アレイも使用できる。

有利な態様としては、偏光式光源を使い、光源からの光が偏光ビームスプリッタ２６によって選択的に反射されて、表面３０に向けられるようにする。ビームスプリッタを通過してレンズ２８に向かう光のうちのわずかな部分だけが面３４によって反射されて検出器３２へと戻り、このスプリアス反射の大部分は光源に戻される。同様に、光のわずかな部分しか面３５を通過しないため、この面でも反射はない。それ故、面３４または３５での反射によって生成される可能性のあるカメラ上の輝点は低減または排除される。この装置はまた、表面によって散乱され、したがってランダムに偏向された照明光だけがカメラに戻るという利点を有する。別の構成、例えば、キューブ型以外のビームスプリッタを使って反射光を検出器から遠ざける構成も可能であり、これは本発明の範囲と趣旨に含まれる。

図のレイアウトは、「レンズ介在照明方式（through the lens illumination）」（ＴＴＬＩ）と呼ばれる。ＴＴＬＩシステムに開口部があることは、イメージングシステムの視野がＴＴＬＩによって照明される区域よりずっと大きいことを意味する。これには、光を狭い孔に向けることができ、部品のうち、孔が形成される表面に照明を当てずに済むという利点がある。光が孔の形成される表面に当たれば、その光は、孔の側壁による反射よりはるかに効果的に反射され、この反射光によって、関心対象の特徴部から戻される光、すなわち孔の側壁からの光が分からなくなってしまう。これは特に、カメラプローブの被写界深度が浅く、部品の、孔が形成される表面が、その被写界深度から外れている場合に当てはまる。検出器の中心のような基準点に関する各画素のＸとＹ方向の位置は校正から分かっており、それ故、基準点に関する検出画像の位置は判断できる。上記以外の各種のＴＴＬＩプローブの構成の詳細は、特許文献４であるＰＣＴ出願においてより詳しく記載されている。同出願で開示される趣旨は、この引用によって本願の明細書に援用される。

レンズ２８は、ビデオプローブの被写界深度が浅くなるように、例えば、±２０μｍとなるように選択できる。ある表面が合焦した状態で検出されれば、検出器からのその距離は、被写界深度に対応する範囲内であることが分かる。

プロセッサ３６もまた、ハウジングの中に設置される。プロセッサは検出器からのデータを受け取り、出力３８をコントローラ２２とコンピュータ２３に供給する。

当然のことながら、本発明による画像測定プローブ２０は、ＴＴＬＩ装置を含んでいなくてもよい。実際に、画像測定プローブは、必ずしも光源を有していなくてもよい。例えば、物体を周辺光によって照明することもできる。しかしながら、当然のことながら、画像測定プローブを環状照明モードで動作させることも可能である。このモードでは、表面が環状に配置されたＬＥＤによって照明される。図３は、このような画像測定プローブの平面図であり、画像測定プローブのハウジングの前面４０が窓４２の周囲に環状に配置されたＬＥＤ４４を有していることが分かる。

前述のように、画像測定プローブ２０は、角度調整可能プローブヘッド１８とその上に搭載されたＣＭＭ１０の移動によって、加工物の表面に関して移動される。画像測定プローブ２０の位置は好ましくは、表面を合焦した状態に保持し（これは、被写界深度が浅い場合に特に重要である）、および／または光点を表面の正しい部分（例えば、物体の周縁）に保持するように制御される。

未知の部品、または既知であってもその公称寸法から逸脱した部品については、画像測定プローブからのフィードバックを受け取って、画像測定プローブの位置と方位を実時間で調整できるようにすることが望ましい。

次に、フィードバックデータを生成する工程を、図４から図９に関して説明する。まず図８を参照すると、本発明の実施例の高レベルシステムのフローチャート１００が示されている。一般的な動作工程では、ステップ１０２で、ＰＣ２３がコントローラ２２に対し、ビデオ測定プローブ２０の所望の移動行程を説明するデータを供給する。移動行程データには、軌道データのほか、速度データを含めることができる。移動行程データは、例えば検査対象物体の３Ｄコンピュータモデルの解析を通じて自動的に生成しても、あるいは、例えばオペレータが一連の命令を入力することによって、手作業で生成してもよい。

ステップ１０４で、コントローラ２２はＣＭＭ１０の動作を制御し、これには、画像測定プローブ２０を移動行程データに従って測定対象物体１６に関して駆動する角度調整可能ヘッド１８の動作も含まれる。同時に、コントローラ２２はフィードバックデータを受け取り（以下により詳しく説明する）、これを使って、画像測定プローブ２０と物体１６の間の相対移動に対するその制御を実時間で調整する（以下により詳しく説明する）。さらに、画像測定プローブ２０は、測定動作中に画像を取得して、これをコントローラ２２に供給する。当然のことながら、画像測定プローブ２０は、コントローラ２２に送信するべき画像を画像測定プローブのメモリの中に保存しておき、測定動作終了後に画像をコントローラ２２に供給するように構成することができる。

ステップ１０６で、コントロー２２は、画像測定プローブ２０から受け取った画像をＰＣ２３に供給し、ＰＣ２３は画像を解析して、計測データを取得する。当然のことながら、ＰＣ２３によって行われる解析の種類は、エンドユーザの要望によって様々である。特定の例においては、画像の前処理によって、関心対象の領域の輝度とコントラストを正規化してもよい。すると、解析では、画像と既知の１つまたは複数のパターンとの二次元相関解析が行われ、その後、相関パターンの適合度合いと、その位置、大きさおよび基準からのずれ等を含む相関データが保存および／または報告されてもよい。

当然のことながら、上記以外にも、本発明のさまざまな実施態様が可能である。例えば、画像測定プローブ２０は、測定動作終了までの全画像を保存してから、これらをコントローラ２２に伝送してもよい。さらに、画像測定プローブ２０は、ＰＣ２３への直接接続手段を有し、画像をＰＣ２３に直接供給してもよい。他の実施形態において、ＰＣ２３とコントローラ２２は同一の機器であってもよい。

図４は、一例としての画像測定プローブ２０を示しており、これは連続的に変化する表面４６に対して斜めに位置付けられている。前述のように、画像測定プローブの被写界深度は浅い。表面４６がビデオプローブの焦点面４８と交差する場所では、画像は鮮鋭に見える。図５はこれに対応する、検出器上の画像を示す。

図５は、画素５２の二次元アレイを含む検出器５０を概略的に示している。検査対象物体の画像は検出器全体を通じて撮影されるが、焦点面上には物体表面の一部しかないため（図４参照）、画像のある領域だけが合焦している。ハイライトされている領域５６は、画像の中の、ほぼ合焦している（すなわち、焦点値が所定の焦点閾値に達しているか、またはこれを越える）部分に対応する。画像はプロセッサ３６により解析可能であり、それによって画像面（すなわち、検出器のＸ、Ｙ座標）のどこに合焦領域があるか判断される。

図５Ａに示されるように、検出器５０はセグメント５４に分割される。１つのセグメントには、例えば４００（２０×２０）の画素があってもよい。各セグメント内の画素が解析されて、そのセグメント内にある特定の特性、例えば焦点のレベルを定量化する１つの数値が計算される。それ故、各セグメントの、例えば焦点のレベルには１つの数値が与えられ、周波数成分のもっとも高いセグメントがもっとも大きい数値を有することになる。このような解析には、１つの画像の中の画素の間の数値の変化を観察することを含めることができる。これは例えば、ハイパスフィルタを用いて実行できる。これに加えて、あるセグメント内の画素値をローパスフィルタ（例えば、ボックスカーフィルタ、ハミングフィルタまたはガウス曲線）に通すことによって重みづけ係数を用いることができる。これが画素セグメント５４の全てについて行われると、画像の焦点マップが得られるが、その分解能は原画像より低い。当然のことながら、検出器をセグメントに分割する必要はなく、各画素を解析することによって各画素の焦点値を取得できる。それ故、焦点の重心は、焦点マップの中の（例えば、検出器のＸ、Ｙ座標における）数値のひろがり分布から判断できる。

この実施形態において、Ｙ座標に沿った重心の位置を利用して、画像測定プローブと表面の間のスタンドオフを判断できる。図４に示されるように画像測定プローブが表面に対して斜めに位置付けられている場合、スタンドオフが減少すると、重心はＹ軸に沿って上がり、スタンドオフが増大すると、重心はＹ軸に沿って下がる。

図５Ｂは、スタンドオフが縮小された場合の図５Ａの検出器を示す。合焦度の高い領域の重点は、Ｙ軸に沿って上に移動している。

画像処理の当業者にとっては当然のことながら、画像モーメントの計算は、画像の各種の特性の分布の解析において有益となりうる。例えば、その計算によって、画像全体に渡る画素の輝度、コントラストまたは焦点の分布に関する情報が得られる。

周知のように、画像の一次モーメントは関心対象の特性の重心（例えば、焦点分布の重心）に対応し、画像の二次モーメントは関心対象の特性の分散（例えば、焦点分布のひろがり）に対応し、画像の三次モーメントは分布の歪度（例えば、画像全体を通じた合焦度の変化のひろがりがどれだけ対称であるか）に関する。

一次、二次および三次画像モーメントは画像の１つの軸に沿った上記の特性に関しており、したがって、二次元画像の場合、画像モーメントは一般に、２つの直交する軸の各々について計算される。さらに、画像モーメントは一般に、その画像の中の関心対象の特定の特性の主軸（一般的に長軸と短軸または主要成分とも呼ばれる）について計算される。当然のことながら、主軸は一般に、関心対象領域の最長軸と最短軸に対応するベストフィット直交ベクトルである。例えば、図５Ａと５Ｂについては、関心対象の特性は焦点であり、前述のように、画像のフィルタ処理によって焦点マップが作られている。焦点マップは、画像がほぼ合焦している領域５６があることを示しており、合焦領域（すなわち、関心対象領域）の主軸９０は画像のＸおよびＹ軸にほぼ沿って延びる。しかしながら、図５Ｃにおいては、表面は、画像測定プローブ２０に対して、検出器全体にわたって合焦領域が斜めに延びるような態勢にある。したがって、この場合、図５Ｃの中の合焦領域５６の主軸は、画像検出器のＸおよびＹ軸に平行ではなく、矢印９０によって示されるように、それらに対して斜めに延びる。主軸に沿って二次および三次画像モーメントを計算することにより、ＸおよびＹ軸に沿って計算した場合よりも的確で有益な情報が得られ、これは、得られる結果の相関性が非常に低く、すなわち、それらが非常に独立しているからである。したがって、これらの数値の一方の強度に対して行われる動作は、関心対象の数値には最大限の影響を与え、他方の数値にはほとんど影響を与えない。

当然のことながら、画像モーメントは以下のように計算できる。

式中、ｉとｊはそれぞれｘとｙ軸のモーメントの次数であり、Ｍは生モーメント(raw moment)を表すスカラーであり、Ｉ（ｘ，ｙ）は、位置（ｘ，ｙ）における関心対象の特性の大きさを表す。この特性は、強度、コントラストまたは合焦度、またはその他の画像情報を表すことができる。ｘ、ｙ座標は、画像センサに関するもの、長軸と短軸に関するもの、あるいは他の任意の直交軸に関するものとすることができる。したがって、当然のことながら、
モーメント 説明 統計における類似項目
Ｍ ₀₀ 全数値の総和 データセットの全数値の総和
Ｍ ₀₁ Ｙの一次モーメント Ｙデータの平均
Ｍ ₁₀ Ｘの一次モーメント Ｘデータの平均
Ｍ ₁₁ ＸＹの二次モーメント ＸとＹの相関
Ｍ ₂₀ Ｙの二次モーメント Ｙデータの分散
Ｍ ₀₂ Ｘの二次モーメント Ｘデータの分散
Ｍ ₀₃ Ｙの三次モーメント Ｙデータの歪度
Ｍ ₃₀ Ｘの三次モーメント Ｘデータの歪度
となる。画像内の関心対象の特性の分布の主軸（すなわち、長軸と短軸）は、画像センサまたはその他の固定の任意軸の周辺の二次までのモーメントを計算することによって推測できる点に留意することが有益である。換言すれば、関心対象の特性の分布の共分散行列の固有ベクトルが主軸である。共分散行列は以下のように構成できる。

この行列の固有ベクトルは、通常の方法で見出すことができる。

主軸ベクトルが分かると、その後のモーメントは、これらのベクトルに沿って、重心の周辺で計算できる。これは、画像を回転させて、Ｙを例えば短軸に対応させ、Ｘを例えば長軸に対応させることによって実現してもよい。これによって、モーメントは並進および回転に対して不変となり、これはいくつかの状況において望ましい属性である。

図５Ｃは、スタンドオフが縮小され、部品の平面が斜めであり、画像測定プローブの光軸の周囲で回転された図５Ａの検出器を示す。この状況では、合焦線(focus line)の重心は、検出器全体を通じて移動している。

検出器上の重心の実際の位置と、検出器上の重心のある所望の位置に関する重心の実際の位置を、フィードバックデータとしてコントローラにフィードバックすることが可能である。コントローラは、この情報を使ってＣＭＭ１０および／または角度調整可能プローブヘッド１８への要求信号を調整し、画像測定プローブのスタンドオフを検出器上の重心の所望の位置に戻すことができる。したがって、多くの状況において、フィードバックデータには単純に、関心対象領域の重心の位置またはある所望の位置に関するその位置を含めることができる。

ある状況では、焦点線は非常に長くなるかもしれず、焦点線の重心を判断することは難しい場合がある。これは、前述のように、主軸に沿って二次モーメントの大きさを調べることによって検出できる。二次モーメントが大きい、すなわち主軸に沿った分散が大きい場合、計算による重心が画像内のノイズによって大きく変化することがありうる。したがって、重心をセンサ上の標的位置に戻すために適用される、この軸に沿った補正量を減らし、表面を追跡するのに使用されるサーボ命令に対する画像ノイズの影響を小さくすることが望ましい。次に、フィードバックデータの計算方法の一例を、図９を参照しながら説明する。フィードバックデータの計算工程２００は、ステップ２０２で画像測定プローブが画像を撮影することから始まる。

次に、ステップ２０４で、画像測定プローブ２０のプロセッサ３６が、解析またはフィルタ処理を実施して特性マップ（この例では焦点マップ）を作成し（前述のとおり）、画像セグメントの各々の特定の特性（例えば、焦点）のレベルを確定する。ステップ２０６で、検出器の中心を零点位置として（または、その他の任意の固定地点、例えば、画像モーメントの数値を計算できる座標系／基準における選択された固定地点）、画像センサのＸおよびＹ軸（またはその他の任意の固定された軸系）の周囲の合焦領域の分布の全ての総和、重心、分散および相関関係（すなわち、Ｍ₀₀、Ｍ₁₀、Ｍ₀₁、Ｍ₂₀、Ｍ₀２およびＭ₁₁）がプロセッサ３６によって計算される。

ステップ２０８で、プロセッサ３６は、共分散行列から画像の合焦領域の主軸（例えば、長軸と短軸）９０を確定する（詳しくは上記を参照）。ステップ２１０で、プロセッサ３６は、検出器の中心（またはその他の任意の固定地点）を零点位置として、主軸周辺の（すなわち、それに関する）合焦領域の一次モーメント（すなわち、重心）を計算する。さらに、ステップ２１０で、プロセッサ３６は重心を零点位置として、主軸周辺の合焦領域の二次モーメント（すなわち分散）を計算する（あるいは、これは検出器の中心をその軸系として、それ以前に計算したＭ₀₀、Ｍ₁₀、Ｍ₀₁、Ｍ₂₀、Ｍ₀₂から導き出されてもよい）。

次に、ステップ２１２で、フィードバックデータが計算され、コントローラ２２に供給される。前述の実施形態において、フィードバックデータは、二次モーメントの小さいほうの主軸に基づくため、合焦領域のより狭い面を表している。コントローラ２２は次に、このフィードバックデータを使って、ＣＭＭ２０または、特にプローブヘッド１８の軸を選択された主軸の方向に制御して、一次モーメントを小さくする。この特定の実施形態では、主軸を説明する少なくとも１つのベクトルを単位ベクトルと呼ぶことができ、この場合、少なくとも１つの移動軸に関する大きさを示すスカラー値が供給される。

最後に、ステップ２１４で、画像測定プローブによって得られた画像がコントローラ２２に供給される。当然のことながら、画像測定プローブによって得られた画像の全てをコントローラに供給しなければならないわけではない。さらに、コントローラに供給される画像のいずれかまたは全部が、フィードバックデータを得るために使用された画像と同じでなければならないわけではない。

したがって、フィードバックデータは、合焦線の重心を、プローブの対物面における検出器上の重心の所望の位置へと移動させるのに必要な調整量を説明するベクトルを計算できるような位置、またはある所望の位置に関する位置とすることができる。当然のことながら、フィードバックデータはベクトルそのものであってもよい。図５Ｂは、このような調整ベクトルに対応するベクトル５８を示す。このベクトルは、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向への調整を行うためのＣＭＭ座標系および／または角度調整を行うためのプローブヘッドの座標系に変換できる。

上記の方法のいずれかを使用して、画像測定プローブのスタンドオフを、検出器に対する表面の角度を自動的に考慮して、加工品の表面の勾配の変化を補償するように調整することができる。

したがって、上記を鑑み、当然のことながら、制御ループまたは高速応答を必要とするその他のルーチンの一部として使用可能なフィードバックデータは、状況に応じて、
関心対象パラメータの分布の総和（すなわち、Ｍ₀₀）、
軸に関する関心対象パラメータの分布の重心を示す、画像の中心またはその他の固定軸系の周囲で（すなわち、シフト不変とならないようにする）得られたＸとＹの一次モーメント（すなわち、Ｍ₁₀、Ｍ₀₁）、
選択された軸に関する関心対象パラメータの分布の分散と相関関係を示すＸ、ＹおよびＸＹの二次モーメント（Ｍ₂₀、Ｍ₀₂、Ｍ₁₁）、
関心対象パラメータの分布の主軸（すなわち、長軸と短軸）を示す、共分散行列またはそれから導き出された固有ベクトル（または、それから導き出されたその他同様の情報）、
関心対象パラメータの分布の歪度の測度となる、主軸（すなわち、長軸と短軸）に沿った、重心を中心とする三次モーメント（Ｍ₃₀、Ｍ₀₃）、
のうちの少なくとも１つを含み、および／またはそれに基づく。

公称寸法の誤差の程度がカメラの被写界深度より大きい部品の表面を検査する場合、またはカメラを使って部品の位置と方位を検証する場合、画像を高速で合焦させるために画像測定プローブを移動させることが重要となりうる。一般的な現在の方法では、指定されたエンドポイントに向かって一定の速度で移動させ、できるだけ素早く画像を撮影する。部品からの距離に対する鮮鋭度（合焦度）をグラフにすると、釣鐘曲線となり、合焦が最適なのは釣鐘曲線の頂点で、このピークの両側では焦点が外れ、曲線の裾野では、焦点が合わないために、どの画像においても詳細部が完全に失われる。画像収集速度が限定されている場合、移動速度が速過ぎると、釣鐘曲線のサンプルが少な過ぎ、その結果、ピーク位置の推測が不正確となり、したがって、被写界深度の低いカメラでは最適な焦点が得られない。この問題を克服するために、２パス方式を使用してもよい。高速移動で大まかな焦点位置を確定し、限定的な範囲でのより低速な２回目のパスで画像焦点の精度を改善できる。

改良された方法では、フィードバックデータを使って、関心領域内で合焦度がどれだけ素早く変化するかに応じて移動速度を制御することにより、１回の移動で合焦位置に移動でき、オーバーシュートがほとんどなくなる。図１０（ａ）は、比較的平坦な表面の場合の、画像測定プローブと物体表面の間のオフセット距離に対する名目上の鮮鋭度（すなわち、合焦度）のグラフを示す。図のように、グラフは、ほぼ釣鐘曲線の形状である。単純な実施形態において、釣鐘曲線の裾野と裾野の間で動作する場合、鮮鋭度の変化率が大きいときには高速移動を使用でき、鮮鋭度の変化率の減少とともに速度を低下させる。これは例えば、焦点フィードバック信号の一次導関数を解析し、ゼロクロス点、すなわち鮮鋭度の変化率がゼロである場所を探して、最適な焦点を判断することによって実行できる。したがって、当然のことながら、画像測定プローブの速度は、ゼロクロス点に近づくにつれて低下させることができる。ゼロクロス点を越えたら、画像測定プローブを逆転させて、最適焦点の位置に戻すことができる。

当然のことながら、最適焦点の名目上の位置が分からない場合、図１０（ｂ）に示されるように、表面が完全に焦点から外れたとき、すなわち釣鐘曲線の両側において、鮮鋭度の変化率はゼロであるため、幾分かの不明瞭さがありうる。改良された方法では、鮮鋭度の変化率の変化率（すなわち、図１０（ｃ）に示される二次導関数）のほか、鮮鋭度の変化率（図１０（ａ）に示される一次導関数）を考慮することによって、事実上、無制限の許容差で、名目上の焦点位置を得ることができる。最適焦点（釣鐘曲線のピーク）において、一次導関数は低いが、二次導関数の絶対値は高くなり、これに対して、単純な方法を適用できる領域を越えると（釣鐘曲線の裾野においては）、一次導関数と二次導関数の絶対値はいずれも低くなる。したがって、一次導関数と二次導関数の絶対値が低いときには高速移動が使用され、両方が高くなると、より低速の移動が使用され、速度は二次導関数の絶対値が高いときの一次導関数に比例する。一般に、釣鐘曲線の裾野はノイズに敏感であるため、適当なフィルタ処理と閾値選択が必要である。

使用するのがもっとも単純な方法か、より高度な技術かを問わず、最適焦点がオーバーシュートされると、合焦度の変化率はマイナスとなり、その結果、論理的には速度が逆転し、画像が最適焦点に向かって戻される。この動作モードは、フィードバックデータを使って軌道ではなく速度を制御し、制御命令は、１枚の画像から得られたフィードバックデータではなく、一連の合焦度データに基づく。これは、画像測定プローブがコントローラに単純な焦点測定パラメータを報告することによって実行されてもよく、コントローラ自体は焦点変化率をモニタして、速度を制御する。あるいは、合焦度の変化率をプローブ内で計算して、フィードバックパラメータとして返してもよく、コントローラはそのパラメータを操作して速度を制御でき、またはプローブが所望の速度を計算して、これをフィードバックパラメータとして返してもよい。どちらの方法が選択されても、必ずしも測定が行われた画像をコントローラに送信しなくてもよく、これは、必要なデータ容量が少なくて済み、焦点測定のもとになる画像がより迅速に得られることを意味する。すなわち、ある移動速度で、より高密度の焦点データポイントを収集でき、したがって、プローブから画像を回復するために利用可能なデータ帯域幅に関係なく、速度をより速くでき、または合焦精度をより高くすることができる。

上記の方法は、画像の焦点を使ってフィードバックデータを得る実施形態に関する。後述のように、同様の方法は、画像測定プローブが、図２に関して説明したような「レンズ介在照明方式（through the lens illumination）」モードで使用されているときにも利用できる。この場合、光点が加工品の表面に投射され、光点の画像の解析によってフィードバックが得られる。

図６は、表面から反射された光点６０の画像が形成された検出器を示している。ビデオプローブがレンズ介在照明方式モードであるとき、焦点レベルではなく画像のコントラストが解析される。

部品が光点の焦点範囲の付近にあるとき、検出器には通常、その光点のうち、合焦している部分の明るい画像が形成される。光点の明るい部分（画像のうち、照明され、合焦している唯一の部分）と暗い背景の間のコントラストを使って、検出器の上の合焦点の画像の位置を判断することができる。したがって、画像の焦点を計算する代わりに、輝度を使用でき、画素の輝度の数値は前述の焦点の数値と同様に処理される。

前述のＴＴＬＩ方式を使用する場合、ＴＴＬＩビームの形状は円錐形である（図２の２９）。したがって、光点の直径は、画像測定プローブと照明されている部品との間の距離とともに変化する。それ故、表面までの距離は、周知の画像処理技術を使って光点の大きさを判断することによって知ることができる。例えば、閾値とベストフィット解析を全ての、または選択された通常点について実行して、光点の位置を見つけてもよい。

ＴＴＬＩ光点画像から収集された情報を最適化するために、光点の形状と光点の大きさのデータを組み合わせることができる。光点形状の情報は被写界深度の浅いイメージングシステムでより詳細となり、光点の大きさは、より被写界深度の深いイメージングシステムでより詳細となるため、データを組み合わせると、レンズ系に応じた何らかの重み付けを適用できる。

前述の実施形態と同様に、光点の画像から計算されるパラメータを使い、ビデオプローブのスタンドオフと角度を調整するために、コントローラにフィードバックを供給することができる。再び前述の実施形態と同様に、このようなパラメータは、検出器上の光点の、フィルタ処理された画像からも計算できる。前述の実施形態では、画像のフィルタ処理によって焦点マップが作成された。この実施形態においても同様の方法により、例えばコントラストまたは輝度マップを作成できる。

前述のように、光の強度レベルまたは焦点レベルの画像モーメントを使用する技術を用いて、画像の中のある領域が連続表面と交差する像面によって形成されているか、またこれがシルエットと交差するかを検証してもよい。図７は、ノズルガイドベーン（ＮＧＶ）のフィルム冷却孔７０とその測定部分７２の検査を示している。検査時に、このような特徴部のシルエットに焦点が合う位置にプローブを自動的に位置付けることができると有利である。位置Ａにおいて、ＴＴＬＩによる照明区域の画像は、フィルタ処理によって（上記の技術を使用）、焦点レベルの測度（すなわち、焦点マップ）を表すようになされており、これが図７Ａに概略的に示されている。合焦曲線７６の両側には、焦点レベルが滑らかに低下する領域７８がある。軸８０に沿った焦点レベルの断面が図７Ｂに示されている。このグラフはピーク値の周囲でほぼ対称である点に留意する。次に、座標測定器を概してＮＧＶの冷却孔の軸７４の方向に沿って下方に移動させ、その際、前述の方法を用いて、合焦線がＴＴＬＩ光点の中心に留まるようにする。この移動が起きているとき、各画像（画像はフィルタ処理されて焦点レベルの測度を示している）について、主軸に沿って三次モーメントが計算され、この三次モーメントは焦点プロファイルの非対称性または歪度の測度である。位置ＢでのＴＴＬＩの画像の、フィルタ処理によって焦点レベルの測度を示すようにされた後のものが図７Ｃに示されている。この地点に到達すると、シルエットに焦点が合う。軸８４に沿った焦点レベルの断面が図７Ｄに示されている。このグラフは、ピーク周囲での対称性がはるかに低いことが分かる。この地点で、重心での焦点レベルと歪度は最大である。一旦設置されと、シルエットまたはその他同様の特徴部は、以下の方法を使って追跡することができる。

歪度等について査定される量として、焦点レベルではなく画像強度だけを使って同様の解析を行うこともまた可能である点に留意する。この場合、強度は滑らかに変化するが、変化の符号は、査定されている特徴部と、それがどれだけの光を散乱によってプローブに戻すかによって異なる。表面の散乱特性が高い場合、図７Ａの画像は中間のグレイ（中間強度）から明るいグレイ（高強度）に徐々に変化し、また徐々に中間のグレイに戻り、図７Ｃの画像は中間のグレイから徐々に明るいグレイになり、その後突然黒になる。表面の散乱特性が低い場合、図７Ａの画像は、中間のグレイから暗いグレイ（低強度）に徐々に変化し、徐々に中間のグレイに戻り、図７Ｃの画像は中間のグレイから、徐々に暗いグレイになり、その後突然黒になる。このような遷移は、強度の変化率または勾配を、表面が特定の領域の中で検出されるか否か（焦点が合っているか否か）を示す絶対強度に関する閾値と組み合わせて調べることによって特定でき、この閾値は、その特徴部が散乱によりプローブに戻すことがわかっている光の量に基づいて選択される。

また、ある区域の合焦度の測度を計算する際に、焦点レベルを確定するために簡便なパスフィルタを使用することにより、図７Ｄに示される歪度を平均化できる点にも留意する。この種の解析を行う場合、突然の遷移を保存する、より高度なフィルタ、例えばウェーブレット解析を使って「合焦度の測度」を確定することが有利である。

ある特徴部、例えばシルエット又は穴の周縁等を測定する場合、画像（または、特徴部を目立たせるために合焦度またはその他の特性が使われている場合はフィルタ処理された画像）の中の周縁またはシルエットの形状は、処理しやすくするために、多項式または関数的記述によって説明できる。関数は前方に投影して、その周縁が、提案されているＣＭＭとプローブヘッドの軌道上のどこになるかを推測することができる。これをフィードバックと組み合わせて、光点をどこまで移動させなければならないかを明確にし、レーザ光点を特徴部と同じ方向に移動させ、周縁またはシルエットを視野内に保持することができる。使用される多項式または関数的記述のパラメータをフィードバックデータとしてもよい。

図２に示されるように、ビデオプローブにはプロセッサ３６が設けられる。プロセッサがない場合、ビデオプローブは検出器からの未加工または圧縮された画像データを出力でき、これがコントローラによって解析される。このような装置には多数の欠点がある。第一に、プローブシステムはコントローラにより実行されている作業量および、したがってその動作速度をコントロールできない。それ故、コントローラは、検出器からのデータを解析して、ＣＭＭと角度調整可能プローブヘッドに実時間でフィードバックを供給することを保証できない。第二に、画像データを適時に送信するには、圧縮されていたとしても、高い帯域幅の通信リンクが必要であり、その実現はコストが掛かり、複雑である。第三に、送信しなければならないデータの量が多いほど、例えば電気的ノイズやタイミングの問題によってデータ内でのエラーの発生可能性が高くなり、したがってエラー検出と補正機能が必要となる。

これを克服するために、ビデオプローブ内のプロセッサ３６が検出器のデータを解析し、制御フィードバックを実時間で供給できる。これは、必ずしも画像をプローブからコントローラに送信しなくてもよいため、画像を利用可能な帯域幅に適合させるために圧縮が必要となったとしても、その圧縮によって画像データが劣化する可能性がなくなるという点でも有利である。

プロセッサはまた、データの計測的解析を実施し、制御フィードバックとともに計測データを出力してもよい。あるいは、計測的解析（優先度が低い）はコントローラまたはホストＰＣ２３の中で行われてもよく、この場合、検出器からの未加工のデータが制御フィードバック（優先度が高い）とともに出力される。これには、プロセッサ３６に必要な処理能力が小さくて済むという利点があり、制御フィードバックの作業と計測的解析は、処理能力、通信帯域幅、待ち時間および解析の優先度に応じて、プローブ、コントローラおよびホストＰＣの間で分担される。

上記の方法は、可視光に反応する画像測定プローブの使用に関している。当然のことながら、画像測定プローブは、他の周波数の他の形態の放射光、例えば近紫外線から遠赤外線の範囲のどの波長に反応してもよい。

Claims (29)

1. 測定対象物体の画像を取得し、これを供給するための画像測定プローブの操作方法であって、
   前記画像測定プローブは座標位置決め装置の連続的角度調整可能ヘッドに取り付けられ、
   前記連続的角度調整可能ヘッドは少なくとも１つの回転軸を有し、
   前記物体と画像測定プローブは、測定動作中、その少なくとも１つの回転軸の周囲で、および少なくとも１自由度の直線運動で相互に関して移動でき、かつ測定動作中に所定の方法で相対移動するように構成される、前記操作方法において、
   前記画像測定プローブによって取得された少なくとも１つの画像を処理してフィードバックデータを得るステップと、
   コントローラが、前記画像測定プローブと前記物体との前記所定の方法での前記相対移動を制御するステップであって、前記フィードバックデータを受け取り、前記フィードバックデータに基づいて前記相対移動を調整するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記画像測定プローブによって取得された少なくとも１つの画像を処理して、前記物体の少なくとも１つの特徴部を特定し、それに関する計測データを得るステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記所定の相対移動を調整するステップは、前記画像測定プローブと物体の相対位置および方位のうちの少なくとも一方を変化させるステップを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記所定の相対移動を調整するステップは、前記フィードバックデータに基づいて、前記少なくとも１つの軸の周囲で前記画像測定プローブの方位を変化させるステップを含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記所定の相対移動を調整するステップは、前記フィードバックデータに基づいて、前記画像測定プローブと前記物体との間の相対移動の所定の軌道を調整するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 前記所定の相対移動を変化せる前記ステップは、前記画像測定プローブと物体との間の所定の相対移動速度を変化させるステップを含むことを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の方法。
7. 前記フィードバックデータは、前記画像の特性の少なくとも１つのパラメータ記述に基づくことを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 前記特性は、前記画像の少なくとも一部のコントラスト、輝度または焦点のうちの少なくとも１つに関することを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記少なくとも１つのパラメータ記述は、特定の関心対象領域の重心に関することを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
10. 前記少なくとも１つのパラメータ記述は、特定の関心対象領域の主軸に関する少なくとも１つのパラメータを含むことを特徴とする請求項７から９のいずれかに記載の方法。
11. 前記フィードバックデータは、前記光学測定機器と物体との間の所望の移動ベクトルを含むことを特徴とする請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記画像測定プローブは少なくとも１つのプロセッサを備え、前記画像測定プローブによって取得された少なくとも１つの画像を処理して、前記フィードバックデータを得るように構成されていることを特徴とする請求項１から１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記画像測定プローブと物体との間の物理的関係を制御して、前記画像測定プローブによって検出される光の量を変化させるステップを含むことを特徴とする請求項１から１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記画像測定プローブは固定焦点システムであることを特徴とする請求項１から１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記画像測定プローブと物体との間の物理的関係を制御して、前記画像測定プローブの像面において前記物体の焦点の状態を変化させるステップを含むことを特徴とする請求項１から１４のいずれかに記載の方法。
16. 前記フィードバックデータは、前記計測データより高い優先度で取得されることを特徴とする請求項２に記載の方法。
17. 前記フィードバックデータの取得と前記変化させるステップが実時間で行われることを特徴とする請求項１から１６のいずれかに記載の方法。
18. 物体検査装置であって、
    少なくとも１つの回転軸を有する連続的角度調整可能ヘッドを備える座標位置決め装置と、
    検査対象物体の画像を取得して供給する画像測定プローブであって、前記連続的角度調整可能ヘッドに取り付けて、前記物体と画像測定プローブが測定動作中、前記少なくとも１つの回転軸の周囲で、および少なくとも１自由度の直線運動で相互に関して移動できるようにするための画像測定プローブと、
    前記画像測定プローブによって取得された少なくとも１つの画像を処理して、前記画像測定プローブの状態を示すフィードバックデータを得るための、少なくとも１つのプロセッサと、
    測定動作中に、前記画像測定プローブと前記物体との所定の相対移動を制御する少なくとも１つのコントローラであって、前記フィードバックデータを受け取り、前記フィードバックデータに基づいて、前記画像測定プローブと前記物体との前記所定の相対移動を調整する、コントローラと、
    を備えることを特徴とする物体検査装置。
19. 前記画像測定プローブによって取得された前記物体の少なくとも１つの画像を処理して、前記物体の少なくとも１つの特徴部を特定し、それに関する計測データを得るための、少なくとも１つのプロセッサをさらに備えることを特徴する請求項１８に記載の装置。
20. 前記画像測定プローブは、前記フィードバックデータを得るために、前記少なくとも１つのプロセッサを備えることを特徴とする請求項１８または１９に記載の物体検査装置。
21. 前記コントローラは、前記画像測定プローブと物体との相対位置および方位のうちの少なくとも一方を変化させるように構成されることを特徴とする請求項１８から２０のいずれかに記載の物体検査装置。
22. 前記コントローラは、前記フィードバックデータに基づいて、前記画像測定プローブと物体との間の相対移動の所定の軌道を調整するように構成されることを特徴とする請求項１８から２１に記載の物体検査装置。
23. 前記コントローラは、前記画像測定プローブと物体の間の前記所定の相対移動速度を変化させるように構成されることを特徴とする請求項１８から２２に記載の物体検査装置。
24. 前記画像測定プローブから少なくとも１つの画像を受け取るように構成された計測システムをさらに備え、少なくとも１つの画像を処理して前記計測データを得るように構成された、前記少なくとも１つのプロセッサを備えることを特徴とする請求項１９に記載の物体検査装置。
25. 前記フィードバックデータは、前記少なくとも１つの画像が前記計測システムに供給される優先度より高い優先度で生成されることを特徴とする請求項２４に記載の物体検査装置。
26. 前記フィードバックデータは、前記画像の少なくとも１つの特定の特性に基づく少なくとも１つのパラメータ記述を含むことを特徴とする請求項１８から２５のいずれかに記載の物体検査装置。
27. 前記特性は、前記画像の少なくとも一部のコントラスト、輝度または焦点のうちの少なくとも１つに関することを特徴とする請求項２６に記載の物体検査装置。
28. 前記少なくとも１つのパラメータ記述は、前記画像のうち、所定の基準を満たす特性を有する関心対象領域の形状に関する少なくとも１つのパラメータを含むことを特徴とする請求項２６または２７に記載の物体検査装置。
29. 座標位置決め装置の角度調整可能ヘッドに取り付けて、測定対象物体の画像を撮影し、外部計測システムに供給するための画像測定プローブであって、
    前記画像測定プローブは、撮影された少なくとも１つの画像からフィードバックデータを生成し、供給するようにも構成され、かつ前記画像測定プローブは、前記フィードバックデータを受け取って前記画像測定プローブと前記測定対象物の物理的関係を制御するコントローラによって、使用されることを特徴とする画像測定プローブ。

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