JP5740647B2 - 画像測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、測定対象を撮像する事によって測定対象を測定する画像測定装置に関する。

オートフォーカス機能を備えた画像測定装置では、カメラ等の撮像装置又はその光学系を光軸方向に移動させながら順次測定対象の画像を取得し、最もコントラストの大きい画像が取得された光軸方向位置を測定対象に対する合焦位置とする（特許文献１）。

特開２００９−１６８６０７号公報

この様な画像測定装置は、カメラとソフトウェアのみにより容易に実現が可能である反面、オートフォーカスの処理に時間がかかるという問題があった。この様な問題を解決するために、カメラや光学系を高速に移動させる事も考えられるが、オートフォーカス時の画像取得のピッチが粗くなってしまい正確な合焦位置の取得が困難となる。

本発明は、このような点に鑑みなされたもので、高精度かつ高速なオートフォーカス処理が可能な画像測定装置を提供することを目的としている。

かかる課題を解決すべく、本発明に係る画像測定装置は、ワークを撮像する、フレームレートが可変の撮像装置と、ワークに対して光を照射する照明装置と、撮像装置の合焦位置を制御して合焦位置を合焦軸方向の位置情報として出力する位置制御システムと、位置制御システムによる合焦位置の制御に際して撮像装置のフレームレートを制御すると共に、撮像装置のフレームレートに応じて照明装置の光量を調整する制御装置とを備えたことを特徴としている。

本発明の一実施形態において、制御装置は、撮像装置の合焦位置の制御に際して、撮像装置の撮像範囲のうちの一部を受信し、撮像装置のフレームレートを増加させ、照明装置の光量を増加させることが可能である。この様な構成によれば、撮像装置のフレームレートの増加及びこれに伴う露光時間の減少を照明装置の光量の増加によって補うことが可能となり、高精度かつ高速なオートフォーカスが実現する。

また、本発明の別の実施形態に係る画像測定装置において、制御装置は、撮像装置から出力された垂直同期信号に応じて照明装置の光量を調整する様にしても良い。この様な構成では、撮像装置のフレームレートを切り替える際にも、常に一定の光量で撮像を行うことが可能となり、操作画面が一瞬明るくなったり暗くなったりすることがなく、優れた操作性を提供する事が可能である。

また、本発明の別の実施形態に係る画像測定装置において、制御装置は、撮像装置の合焦位置の制御に際して、撮像装置から出力された垂直同期信号の間隔から算出した第１のフレームレート、通常測定時に使用されている第２のフレームレートに応じて照明装置の光量を調整する様にしても良い。

また、本発明の別の実施形態に係る画像測定装置において、制御装置は、撮像装置のフレームレートに応じて撮像装置のゲインを調整する事も可能である。

本発明によれば、高精度かつ高速なオートフォーカス処理が可能になる。

本発明の第１実施形態に係る画像測定装置の全体図である。 同システムに係る画像測定装置の構成を示すブロック図である。 同システムに係る画像測定装置の一部の構成を表すブロック図である。 同システムにおけるオートフォーカスの方法を示す図である。 同システムにおけるオートフォーカスの方法を示すタイミングチャートである。 同システムにおける照明制御方法を説明する為のブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る画像測定装置における照明制御方法を説明する為のブロック図である。 同システムにおけるオートフォーカスの方法を示すタイミングチャートである。 本発明の第３実施形態に係る画像測定装置におけるオートフォーカスの方法を示すタイミングチャートである。

［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態に係る画像測定装置の構成について図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本施形態に係る画像測定装置の全体図である。画像測定装置は、ワーク３を撮像する撮像装置としてカメラ１４１が搭載された画像測定機１と、この画像測定機１と電気的に接続されたコンピュータ（以下、「ＰＣ」と呼ぶ。）２とを備えている。

画像測定機１は、次のように構成されている。即ち、試料移動手段１１の上には、試料台１２がその上面をベース面として水平面と一致するように載置され、試料移動手段１１の両側端から立設されたアーム支持体１３ａ，１３ｂの上端でＸ軸ガイド１３ｃを支持している。試料台１２は、試料移動手段１１によってＹ軸方向に駆動される。Ｘ軸ガイド１３ｃには、撮像ユニット１４がＸ軸方向に駆動可能に支持されている。撮像ユニット１４の下端には、カメラ１４１が装着されている。

尚、本実施形態においては試料台１２上に配置されたワーク３を撮像する形式をとっているが、当然他の形式でも良く、例えば床に設置されたワークを横方向から撮像する様な形式でも良い。又、カメラ１４１としてはＣＣＤ、ＣＭＯＳ等種々のカメラを使用可能である。

図２は、本施形態に係る画像測定装置のブロック図である。本実施形態において、画像測定装置は、例えば画像測定機１の内部にコントローラ１５を備えており、コントローラ１５は位置制御システム１５１及び照明制御装置１５２を備えている。また、撮像ユニット１４はワーク３に光を照射する照明装置１４２を備えている。ＰＣ２は位置制御システム１５１を介してカメラ１４１の焦点位置を制御する。また、ＰＣ２はカメラ１４１にフレームレートを指定する信号を、照明制御装置１５２に照明装置１４２の光量を指定する信号を送信する。カメラ１４１は照明装置１４２から光を照射されたワーク３を、指定されたフレームレートで撮像し、画像情報をＰＣ２に送信する。この際、位置制御システム１５１からはカメラ１４１の位置情報が送信される。尚、照明装置１４２としては種々の照明が使用可能であり、例えばＰＷＭ制御のＬＥＤ等も使用可能である。

次に、本実施形態に係る画像測定装置における撮像ユニット１４の構成について説明する。図３は、本実施形態に係る画像測定装置の一部の構成を示すブロック図である。本実施形態において、撮像ユニット１４は、カメラ１４１と、カメラ１４１のＺ座標を検出し、出力するリニアエンコーダ１４３と、カメラ１４１をＺ軸方向に駆動するカメラ駆動機構１４４と、カメラ駆動機構１４４を駆動するＺ軸モータ１４５とを備えている。Ｚ軸モータ１４５は、画像測定機１に備えられたパワーユニット１６を介して位置制御システム１５１により制御される。又、リニアエンコーダ１４３は、スケールまたは検出ヘッドがカメラ１４１と連動してＺ軸方向に移動する様に取り付けられている。位置制御システム１５１はラッチカウンタ及びＺ値ラッチバッファを備えており、トリガ信号に応じてリニアエンコーダ１４３からカメラ１４１のＺ座標情報を取得し、Ｚ値ラッチバッファに保持する。カメラ１４１は、ＵＳＢインターフェイスを介してＰＣ２と、専用ＤＩＯ（デジタル入出力）を介して位置制御システム１５１とそれぞれ接続されている。

位置制御システム１５１はパワーユニット１６に対してＺ軸駆動命令を出力する。パワーユニット１６はＺ軸モータ１４５に駆動電力を供給し、Ｚ軸モータ１４５は、カメラ駆動機構１４４によってカメラ１４１を駆動する。カメラ１４１は任意のフレームレートで撮像を行い、ＵＳＢインターフェイスを介してＰＣ２に画像情報を送信する。この際、カメラ１４１から位置制御システム１５１へトリガ信号として垂直同期信号が出力される様にしても良い。この場合、位置制御システム１５１は垂直同期信号を受信し、これに応じてリニアエンコーダ１４３からカメラ１４１のＺ座標を取得する。取得されたＺ座標はＺ値ラッチバッファに保持され、ラッチカウンタが更新される。保持されたＺ値は読み出し命令に応じてＰＣ２に送信される。尚、本実施形態においてはカメラ１４１をＺ軸方向に駆動しているが、カメラ１４１に設けられたレンズ等の光学系を調整する事によっても同様の動作が可能である。また、本実施形態においては、デジタルシリアル通信手段としてＵＳＢインターフェイスを使用しているが、Ｇｉｇ−Ｅ、ＦｉｒｅＷｉｒｅ等他の手段を用いることも当然可能である。

次に、本実施形態に係る画像測定装置のオートフォーカスの方法について説明する。図４は、本実施形態に係る画像測定装置のオートフォーカスの方法を説明する為の図であり、横軸はカメラ１４１のＺ座標を、縦軸はコントラストをそれぞれ表している。

本実施形態に係る画像測定装置のオートフォーカスにおいては、複数のＺ座標において撮像を行い、それぞれの座標位置における画像からコントラストを算出し、算出された複数のコントラストの中で最も高い数値を示した画像が取得されたＺ座標が合焦位置と判断される。図４の例においては、７か所のＺ座標（Ｚ１〜Ｚ７）において撮像を行っており、それぞれのＺ座標におけるコントラスト（Ｐ１〜Ｐ７）が計算されている。図４の例においては、Ｚ４におけるコントラストＰ４が最も高くなるため、Ｚ４が合焦位置と判断され、カメラ１４１のＺ座標はＺ４に合わされることになる。

この様なコントラスト式のオートフォーカスにおいては、画像出力位置を増やす事によってより正確な合焦位置を把握できる。しかしながら画像出力位置を増やした場合、カメラ１４１からＰＣ２へ送信するデータ量が増加してしまう。本実施形態において、カメラ１４１とＰＣ２とはＵＳＢインターフェイスによって接続されている為、画像データの転送速度は４００Ｍｂｐｓ程度に制限されてしまい、オートフォーカスにかかる時間が増えてしまう。このため、本実施形態に係る画像測定装置においては、オートフォーカス時に、撮像範囲のうちの一部の画像のみを切り出して送信する事によって、カメラ１４１からＰＣ２へ送信するデータ量を低減させ、フレームレートを上げるようにしている。

このオートフォーカス処理を、図５を参照して説明する。図５は、本実施形態に係る画像測定装置のオートフォーカス時において、カメラ１４１とＰＣ２との間で通信される信号を示すタイミングチャートである。上段にはＰＣ２からカメラ１４１に送信される信号の一部を、下段にはカメラ１４１からＰＣ２に送信される信号をそれぞれ示している。

オートフォーカスが開始される前のライブ表示状態では、カメラ１４１からＰＣ２へ、例えば図５の左下の様に、撮像範囲全ての画像データが送信されている。タイミングＳ１においてＰＣ２からカメラ１４１へ画像出力停止の命令が送信されると、カメラ１４１の画像出力が停止され、カメラ１４１から位置制御システム１５１に、ラッチカウンタをリセットする旨の命令が送信される。ラッチカウンタがリセットされると、カメラ１４１はオートフォーカス開始位置まで駆動される。

タイミングＳ２においては、ＰＣ２からカメラ１４１に、画像出力範囲を指定する旨の命令が送信される。これによって、カメラ１４１からＰＣ２に送信される画像の範囲が、例えば図５の下部の中央の図のように限定される。この際、同時に垂直同期信号を出力する旨の命令を行うことも可能である。続いてタイミングＳ３においてＰＣ２からカメラ１４１に画像出力開始の命令がなされ、カメラ１４１からＰＣ２へ画像データ及びタイムスタンプが出力される。また、タイミングＳ２において垂直同期信号を出力する旨の命令がされていた場合には、カメラ１４１から位置制御システム１５１へ垂直同期信号が送信され、カメラ１４１の画像取得時のＺ座標及びタイムスタンプが保持される。また、垂直同期信号を使用しない場合には、カメラ１４１のフレームレートからカメラ１４１の撮像のタイミングを計算し、計算したタイミングでカメラ１４１のＺ座標を取得する等、異なる方法によってカメラ１４１と位置制御システム１５１との同期を行う事も可能である。

オートフォーカスが終了したタイミングＳ４では、ＰＣ２からカメラ１４１へ画像出力停止の命令がされる。続いてタイミングＳ５において、オートフォーカス中のカメラ１４１の設定（画像出力範囲の指定及び垂直同期信号の出力）を解除する旨の信号が送信される。また、位置制御システム１５１には、ＰＣ２からＺ移動停止命令、ラッチ終了命令及びラッチ数読み出し命令が送信される。位置制御システム１５１は、カメラ１４１の移動を停止させ、ラッチカウンタ及びＺ値ラッチバッファの動作を停止させ、ＰＣ２にラッチ数を送信する。続いてＰＣ２から位置制御システム１５１にラッチデータの読み出し命令が出力され、位置制御システム１５１からＰＣ２にＺ値ラッチバッファ内のデータ（Ｚ座標及びタイムスタンプ）が送信される。ＰＣ２はタイムスタンプから画像情報とＺ座標とを対応付け、画像情報から算出したコントラストとＺ値との関係を把握する。その後、最もコントラストが大きい画像が得られたＺ値を合焦位置と判断し、カメラ１４１のＺ座標を、算出した合焦位置まで移動させる。

最後にタイミングＳ６においてライブ表示の画像出力を再開する旨の命令がされると、オートフォーカス動作が終了し、通常の撮像範囲全ての画像データの送信が再開される。この際、カメラ１４１からＰＣ２へ送信される画像は、図５の右下に示すように、オートフォーカス開始前と同様のサイズになる。

この様な方法では、カメラ１４１からＰＣ２に送信する画像のサイズを減縮しており、ＵＳＢインターフェイスの転送レートに関わらずカメラ１４１のフレームレートを大幅に増加させる事が可能となる。しかしながら、この様な方法においては１フレーム毎の露光時間が減少し、取得画像の光量が減少してしまう。これによってコントラストが低下し、オートフォーカスの精度も低下してしまう。

この様な問題を解決すべく、本実施形態においてはオートフォーカス時に照明装置１４２の光量を増加させている。この照明制御を、図６を参照して説明する。図６は、本実施形態に係る画像測定装置における照明制御方法を説明する為のブロック図である。

ＰＣ２には、照明制御装置１５２及びカメラ１４１が並列に接続されており、照明制御装置１５２には照明装置１４２が接続されている。オートフォーカスが開始されると、前述の通り図５のタイミングＳ１において、画像出力停止の命令が送信され、タイミングＳ３において信号出力開始の命令がされる。本実施形態においては、タイミングＳ１からＳ３までの間、即ち、カメラ１４１からＰＣ２への画像出力が停止し、指定されたフレームレートで画像出力が再開されるまでの間に、ＰＣ２から照明制御装置１５２に、明るさ指令が送信される。

これにより、カメラ１４１のフレームレートの増加に応じて照明装置１４２の光量を増加させることによって、露光時間の減少に伴う光量の減少を補い、コントラストの低下を防ぐことが可能となる。従って、コントラストの正確さを維持したまま単位時間あたりの画像情報の取得フレーム数を大幅に増加させることが可能となり、高精度かつ高速なオートフォーカスが可能となる。また、この様な構成は既存のＰＣ及び画像測定機を流用し、ソフトウェアのみによって簡便かつ安価に実現可能である。尚、取得画像の明るさやコントラスト等の平均値をＰＣ２によって算出し、これに応じて照明制御装置１５２を制御する事も可能である。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係る画像測定装置について説明する。本実施形態に係る画像測定装置では、照明装置１４２の光量を、カメラ１４１から出力された垂直同期信号から制御している。

図７は、本実施形態に係る画像測定装置における照明制御方法を説明する為のブロック図である。本実施形態に係る画像測定装置は基本的には実施形態１に係る画像測定装置と同じであるが、本実施形態においてはコントローラ１５にフレームレート検出器１５３及び標準フレームレート保持部１５４が更に含まれており、カメラ１４１及び照明制御装置１５２に接続されている点において異なっている。本実施形態においては、カメラ１４１からフレームレート検出器１５３に垂直同期信号が出力される。フレームレート検出器１５３は垂直同期信号からカメラ１４１のフレームレートを算出し、照明制御装置１５２に出力する。照明制御装置１５２には、算出されたフレームレートと標準フレームレート保持部１５４から出力された標準フレームレートとの差分が入力される。この際、ＰＣ２から出力されたワーク表面の色や反射率等によって決定される照度を基準値として、照明制御装置１５２に入力し、更に、フレームレートによって照度を調整する様にしても良い。

図８は、本実施形態に係る画像測定装置の照明装置１４２の光量、カメラ１４１のゲイン及びカメラ１４１から出力される信号を示すタイミングチャートである。図の上段には照明装置１４２の光量が、中段にはカメラ１４１のゲインが、下段にはカメラ１４１から出力される信号がそれぞれ示してある。通常の測定時には照明装置１４２の光量は一定の値であるが、タイミングＳ１１においてオートフォーカスが開始されると、カメラ１４１から出力された垂直同期信号に応じて照明制御装置１５２が照明装置１４２の光量を増加させる。また、タイミングＳ１２においてオートフォーカスが終了すると、カメラ１４１からの垂直同期信号の出力の停止に応じて照明制御装置１５２が照明装置１４２の光量を通常測定時の光量まで戻す。尚、本実施形態においてはオートフォーカス中にのみカメラ１４１から垂直同期信号が出力されているが、常に垂直同期信号を出力していても良い。

実施形態１においては、カメラ１４１のフレームレートと照明装置１４２の光量とをＰＣ２によって別々に制御していたため、ＰＣ２による計算処理の遅延等によってカメラ１４１へ命令するタイミングと照明装置１４２へ命令するタイミングとの間で後れを生じる恐れがある。このため、通常測定とオートフォーカスとを切り替える際にＰＣ２で表示される画像が、一瞬暗くなったり、逆に一瞬明るくなりすぎるなど、測定操作上、好ましくない現象が生じる可能性がある。しかしながら、本実施形態においては、カメラ１４１のフレームレートと照明装置１４２の光量とを垂直同期信号によって直接同期させているため、通常測定とオートフォーカスとを切り替える際にも常に適切な光量で撮像を行うことが可能であり、ＰＣ２の画面上で明るさが変動する等の不具合を防止することができる。

また、垂直同期信号出力機能を有するカメラは数多く流通しており、フレームレート検出器１５３及び標準フレームレート保持部１５４も簡便に作製可能である。更に、既存のコントローラ１５のうちマイコン等が搭載されているものを使用する場合は、この追加回路をファームウェアによって実装する事も可能である。従って、この様な構成は非常に安価に実現する。

［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係る画像測定装置について説明する。本実施形態に係る画像測定装置は、第２の実施形態に係る画像測定装置とほぼ同じであるが、後述する一定条件下においてカメラ１４１のゲインを操作する点で異なっている。

図９は、本実施形態に係る画像測定装置のオートフォーカス中の照明装置１４２の光量、カメラ１４１のゲイン及びカメラ１４１から出力される信号を示すタイミングチャートである。図９は基本的には図８と同じであるが、オートフォーカス時に照明装置１４２の光量が最大出力となっている点及びカメラ１４１のゲインを増加している点において異なっている。

本実施形態に係る画像測定装置においては、オートフォーカス時に照明装置１４２の光量を増加させているが、この様な場合に必要な光量が照明装置１４２の最大出力を上回ってしまう可能性がある。本実施形態においては、照明装置１４２の光量の不足分をカメラ１４１のゲインを増加させることによって補っている。この様な構成によれば、照明装置１４２の光量が足りない場合においても、操作性に優れ、高精度かつ高速なオートフォーカスを実現する事が可能である。

１…画像測定機、２…コンピュータ（ＰＣ）、３…ワーク、１１…試料移動手段、１２…試料台、１３ａ、ｂ…アーム支持体、１３ｃ…Ｘ軸ガイド、１４…撮像ユニット、１５…コントローラ、１６…パワーユニット、１４１…カメラ、１４２…照明装置、１４３…リニアエンコーダ、１４４…カメラ駆動機構、１４５…Ｚ軸モータ、１５１…位置制御システム、１５２…照明制御装置、１５３…フレームレート検出器、１５４…標準フレームレート保持部。

Claims (5)

1. ワークを撮像し、フレームレートが可変であり、垂直同期信号を出力する撮像装置と、
   前記ワークに対して光を照射する照明装置と、
   前記撮像装置の合焦位置を制御して前記合焦位置を合焦軸方向の位置情報として出力する位置制御システムと、
   前記位置制御システムによる合焦位置の制御に際して前記撮像装置のフレームレートを制御すると共に、前記撮像装置のフレームレートに応じて前記照明装置の光量を調整する制御装置と
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記撮像装置から出力された前記垂直同期信号から、前記撮像装置のフレームレートを検出するフレームレート検出器と、
   前記フレームレート検出器から検出されたフレームレートを取得し、前記合焦位置の制御の前後において、前記撮像装置における取得画像の光量が変化しない様に、前記照明装置の光量を調整する照明制御装置と
   を備えたことを特徴とする画像測定装置。
2. ワークを撮像する、フレームレートが可変の撮像装置と、
   前記ワークに対して光を照射する照明装置と、
   前記撮像装置の合焦位置を制御して前記合焦位置を合焦軸方向の位置情報として出力する位置制御システムと、
   前記位置制御システムによる合焦位置の制御に際して前記撮像装置のフレームレートを制御すると共に、前記撮像装置のフレームレートに応じて前記照明装置の光量を調整する制御装置と
   を備えたことを特徴とする画像測定装置。
3. 前記制御装置は、前記撮像装置の合焦位置の制御に際して、
   前記撮像装置の撮像範囲のうちの一部を受信し、
   前記撮像装置のフレームレートを増加させ、
   前記照明装置の光量を増加させる
   ことを特徴とする請求項１又は２記載の画像測定装置。
4. 前記制御装置は、前記撮像装置の合焦位置の制御に際して、前記撮像装置から出力された垂直同期信号の間隔から算出した第１のフレームレート、通常測定時に使用されている第２のフレームレートに応じて前記照明装置の光量を調整する
   ことを特徴とする請求項１記載の画像測定装置。
5. 前記制御装置は、前記撮像装置のフレームレートに応じて前記撮像装置のゲインを調整する
   ことを特徴とする請求項１乃至４記載の画像測定装置。

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