JP6290651B2 - 画像測定器 - Google Patents

Description

本発明は、画像測定器に係り、さらに詳しくは、ワークを撮影したワーク画像内のエッジを抽出してワークの寸法を測定する画像測定器の改良に関する。

画像測定器は、ワークを撮影してワーク画像を取得し、ワーク画像内のエッジを抽出してワークの寸法や形状を測定する装置である（例えば、特許文献１〜５）。通常、ワークは、Ｘ，Ｙ及びＺ軸方向に移動可能な可動ステージ上に載置される。可動ステージをＺ軸方向に移動させることにより、ワーク画像のピント合わせが行われ、Ｘ又はＹ軸方向に移動させることにより、ワークの視野内への位置調整が行われる。

ワーク画像は、可動ステージのＺ軸方向の位置に関わらず、ワークに対して極めて正確な相似形であることから、ワーク画像上の距離や角度を判定することにより、ワーク上における実際の寸法を検知することができる。エッジ抽出は、ワーク画像の輝度変化を解析してエッジ点を検出し、検出した複数のエッジ点に直線、円、円弧などの幾何学図形をフィッティングさせることにより行われ、ワークと背景との境界、ワーク上の凹凸を示すエッジが求められる。ワークの寸法は、この様にして求められるエッジ間の距離や角度、円形状のエッジの中心位置や直径として測定される。また、測定した寸法値と設計値との差分（誤差）を公差と比較して良否判定が行われる。

この様な画像測定器を用いてワークの外形を測定する場合、カメラとは反対側からステージ上のワークに照明光を照射する透過照明を利用することが多い。一方、ワーク上の非貫通孔、段差、凹凸を測定する場合には、カメラと同じ側からステージ上のワークに照明光を照射する落射照明が利用される。

特開２０１２−３２２２４号公報 特開２０１２−３２３４１号公報 特開２０１２−３２３４４号公報 特開２０１２−１５９４０９号公報 特開２０１２−１５９４１０号公報

従来の画像測定器では、落射照明を利用した寸法測定において、ワーク表面のテクスチャ、すなわち、加工跡、模様、微細な凹凸をエッジとして誤抽出してしまうことがあり、透過照明を利用する場合に比べ、寸法測定が安定し難いという問題があった。特に、撮影倍率が低いカメラを用いてステージ上のワークを撮影する場合に、安定してエッジを抽出することができないという問題があった。通常、寸法測定では、カメラの撮影軸に平行な垂直面がエッジとして抽出される。ところが、撮影倍率が低いカメラは、被写界深度が深いことから、垂直面の上端にフォーカスを合わせたとしても、垂直面の下端にもピントが合ってしまう。このため、垂直面の上端だけでなく垂直面の下端のテクスチャの影響も受けることになり、エッジを正しく抽出することが困難であった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、安定したエッジ抽出を行うことができる画像測定器を提供することを目的とする。特に、落射照明を利用した寸法測定において、ワーク表面のテクスチャをエッジとして誤抽出するのを抑制することができる画像測定器を提供することを目的とする。また、カメラの撮影軸方向に段差を有するワークを測定する場合に、段差をエッジとして正しく抽出することができる画像測定器を提供することを目的とする。

第１の本発明による画像測定器は、ワークを載置するためのステージと、上記ステージ上のワークを撮影し、ワーク画像を生成するカメラと、上記カメラの撮影軸方向に急峻に変化する光量分布を有し、上記ステージ上のワークに側方から照明光を照射する側射照明装置と、上記ワーク画像に対し、測定対象箇所を指定する測定対象箇所指定手段と、上記ステージ又は上記側射照明装置を上記撮影軸方向に移動させることにより、上記ステージに対する上記側射照明装置の相対位置を調整する相対位置調整手段と、上記相対位置を異ならせて撮影された２以上の上記ワーク画像について、上記測定対象箇所内の輝度変化を求め、相対位置を特定する相対位置特定手段と、特定された相対位置に基づいて上記相対位置調整手段を制御し、上記側射照明装置を駆動して上記ワーク画像を取得する撮像制御手段と、取得されたワーク画像に基づいて、上記測定対象箇所のエッジを抽出し、抽出したエッジに基づいて、上記測定対象箇所の寸法を求める寸法測定手段とを備えて構成される。

この画像測定器では、側射照明装置がカメラの撮影軸方向に急峻に変化する光量分布を有するので、ステージ上のワークに対する照明光の照射位置を撮影軸方向に局所化することができる。例えば、撮影軸方向に段差を有するワークを測定する場合に、段差の上端部又は下端部のいずれか一方にだけ照明光を照射してワークを撮影することができる。この様に照明光の照射位置を局所化することにより、測定対象箇所から撮影軸方向に離間した位置のテクスチャの影響を受け難くすることができる。このため、落射照明を利用した寸法測定において、ワーク表面のテクスチャをエッジとして誤抽出するのを抑制することができる。

また、測定対象箇所から撮影軸方向に離間した位置のテクスチャの影響を受け難いので、撮影倍率が低いカメラを用いてワークを撮影する場合であっても、所望のエッジを正しく抽出することができる。例えば、撮影軸方向に段差を有するワークを測定する場合に、段差の上端部或いは下端部にだけ照明光を照射してワークを撮影すれば、段差をエッジとして正しく抽出することができる。

さらに、相対位置を異ならせて撮影された２以上のワーク画像について、測定対象箇所内の輝度変化を求めて相対位置を特定するので、測定対象箇所のエッジを抽出するのに適切な照明光の照射位置を自動的に特定してワークを撮影することができる。

第２の本発明による画像測定器は、上記構成に加え、上記側射照明装置が、平行光からなる照明光又は平行光に近い拡がり角からなる照明光であって、上記光量分布の周縁部の変化領域が上記カメラの被写界深度よりも狭い上記照明光を照射するように構成される。

この様な構成によれば、カメラの被写界深度内に照明光の境界が位置するように、側射照明装置の相対位置を調整することにより、測定対象箇所から離間したテクスチャの影響を受けることなく、被写界深度内のエッジを正しく抽出することができる。

第３の本発明による画像測定器は、上記構成に加え、上記側射照明装置が、上記照明光を上記被写界深度よりも狭い範囲に照射するように構成される。この様な構成によれば、撮影軸方向に関してカメラの被写界深度内をピンポイントで照明することができるので、被写界深度内のエッジを正しく抽出することができる。

第４の本発明による画像測定器は、上記構成に加え、上記側射照明装置が、光源から上記撮影軸方向に出射された照明光を上記撮影軸方向と交差する方向へ反射するミラーと、上記ミラーにより反射された照明光の拡がり角を制限するスリットとを有するように構成される。

この様な構成によれば、光源から出射された照明光をミラーにより折り曲げるので、撮影軸方向と交差する方向に側射照明装置を小型化することができる。また、照明光の拡がり角をスリットにより制限するので、より平行光に近い照明光を照射することができる。

第５の本発明による画像測定器は、上記構成に加え、上記側射照明装置の上記スリットが、上記カメラの被写界深度よりも狭い間隙からなるように構成される。この様な構成によれば、カメラの被写界深度よりも狭い照明光を得ることができる。

第６の本発明による画像測定器は、上記構成に加え、上記カメラの撮影軸を取り囲むリング状の光源を有し、上記ステージ上のワークに拡散光を上方から照射する拡散照明装置を備え、上記側射照明装置が、上記拡散照明装置の上記光源に対して同心円状に配置された光源を有し、上記拡散照明装置の下端よりも上記撮影軸方向に鏡筒部を突出させて形成した段差部に上記スリットが形成されるように構成される。

この様な構成によれば、側射照明装置の光源が拡散照明装置の光源に対して同心円状に配置されるので、ワークの周囲を側方から照明することができる。また、拡散照明装置の下端よりも撮影軸方向に鏡筒部を突出させて形成した段差部にスリットが形成されるので、撮影軸方向と交差する方向に側射照明装置を大型化することなく、拡散照明装置及び側射照明装置を配置することができる。

第７の本発明による画像測定器は、上記構成に加え、上記測定対象箇所指定手段が、上記拡散照明装置の上記拡散光を照射して撮影された上記ワーク画像上の領域を測定対象箇所として指定するように構成される。この様な構成によれば、拡散光を照射して撮影されたワーク画像を用いることにより、ワークの全体像を確認しながら測定対象箇所を指定することができる。

第８の本発明による画像測定器は、上記構成に加え、２以上の上記測定対象箇所を相対位置に関連づけて保持する測定箇所情報記憶手段を備え、上記撮像制御手段が、上記測定箇所情報記憶手段に保持された測定対象箇所ごとに、対応する相対位置に上記ステージ又は上記側射照明装置を移動させ、上記ステージ上のワークに側方から上記側射照明装置の上記照明光を照射させて上記ワーク画像を取得することを繰り返すように構成される。この様な構成によれば、同一のワーク画像に対し、複数の測定対象箇所が指定されている場合に、ステージに対する側射照明装置の相対位置を調整しながら、これらの測定対象箇所のエッジを順次に抽出することができる。

第９の本発明による画像測定器は、上記構成に加え、上記相対位置特定手段が、上記側射照明装置の上記照明光を照射して撮影された複数の上記ワーク画像について、上記測定対象箇所のエッジ付近のコントラストを求め、求めたコントラストに基づいて、上記測定対象箇所に対応づける相対位置を特定するように構成される。この様な構成によれば、相対位置を異ならせて撮影された複数のワーク画像の中から、コントラストの大きいワーク画像が撮影された相対位置に基づいて、測定対象箇所に対応づける相対位置を特定することにより、エッジ抽出の安定性を向上させることができる。

第１０の本発明による画像測定器は、上記構成に加え、上記撮像制御手段が、上記照明光の照射位置が上記カメラの焦点位置に一致するように、上記相対位置調整手段を制御して上記ワーク画像を取得するように構成される。この様な構成によれば、ピントの合った画像領域内のエッジを正しく抽出することができる。

本発明によれば、安定したエッジ抽出を行うことができる画像測定器を提供することができる。特に、測定対象箇所から撮影軸方向に離間したテクスチャの影響を受け難いので、落射照明を利用した寸法測定において、ワーク表面のテクスチャをエッジとして誤抽出するのを抑制することができる画像測定器を提供することができる。また、カメラの撮影軸方向に段差を有するワークを測定する場合に、段差をエッジとして正しく抽出することができる画像測定器を提供することができる。

本発明の実施の形態による画像測定器１の一構成例を示した斜視図である。 図１の測定ユニット１０の構成例を模式的に示した説明図であり、測定ユニット１０を撮影軸と平行な垂直面により切断した場合の切断面が示されている。 図２のリング照明ユニット１４０の構成例を示した断面図である。 図３の側射照明装置４０の光量分布の一例を示した図である。 図２の測定ユニット１０の動作の一例を示した図であり、可動ステージ１２上のワークＷの上端部に側射照明の照明光２を照射する場合が示されている。 図２の測定ユニット１０の動作の一例を示した図であり、図５の状態で撮影されたワーク画像が示されている。 図２の測定ユニット１０の動作の一例を示した図であり、可動ステージ１２上のワークＷの中段部に側射照明の照明光２を照射する場合が示されている。 図２の測定ユニット１０の動作の一例を示した図であり、図７の状態で撮影されたワーク画像が示されている。 図１の制御ユニット２０内の機能構成の一例を示したブロック図である。 図１の画像測定器１における測定設定時の動作の一例を示したフローチャートである。 図１の画像測定器１における測定設定時の動作の一例を示したフローチャートである。 図１の画像測定器１における寸法測定時の動作の一例を示したフローチャートである。 側射照明装置４０の他の構成例を示した断面図である。 側射照明装置４０のその他の構成例を示した断面図である。

＜画像測定器１＞
図１は、本発明の実施の形態による画像測定器１の一構成例を示した斜視図である。この画像測定器１は、ワークを撮影したワーク画像内のエッジを抽出してワークの寸法を測定する寸法測定装置であり、測定ユニット１０、制御ユニット２０、キーボード３１及びマウス３２により構成される。ワークは、その形状や寸法が測定される測定対象物である。

測定ユニット１０は、ディスプレイ装置１１、可動ステージ１２、ＸＹ調整つまみ１４ａ、Ｚ調整つまみ１４ｂ、電源スイッチ１５及び実行ボタン１６を備え、可動ステージ１２上のワークに可視光からなる検出光を照射し、その透過光又は反射光を受光してワーク画像を生成する。ワークは、可動ステージ１２の検出エリア１３内に載置される。また、測定ユニット１０は、ワーク画像をディスプレイ装置１１の表示画面１１ａに表示する。

ディスプレイ装置１１は、ワーク画像や測定結果を表示画面１１ａ上に表示する表示装置である。可動ステージ１２は、ワークを載置するための載置台であり、検出光を透過させる検出エリア１３が設けられている。検出エリア１３は、透明ガラスからなる円形状の領域である。この可動ステージ１２は、カメラの撮影軸に平行なＺ軸方向と、撮影軸に垂直なＸ軸方向及びＹ軸方向に移動させることができる。

ＸＹ調整つまみ１４ａは、可動ステージ１２をＸ軸方向又はＹ軸方向に移動させることにより、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の位置を調整するための操作部である。Ｚ調整つまみ１４ｂは、可動ステージ１２をＺ軸方向に移動させることにより、Ｚ軸方向の位置を調整するための操作部である。電源スイッチ１５は、測定ユニット１０及び制御ユニット２０の主電源をオン状態及びオフ状態間で切り替えるための操作部である。実行ボタン１６は、寸法測定を開始させるための操作部である。

制御ユニット２０は、測定ユニット１０による撮影や画面表示を制御し、ワーク画像を解析してワークの寸法を測定するコントローラ部であり、キーボード３１及びマウス３２が接続されている。電源投入後、検出エリア１３内にワークを配置して実行ボタン１６を操作すれば、ワークの寸法が自動的に測定される。

＜測定ユニット１０＞
図２は、図１の測定ユニット１０の構成例を模式的に示した説明図であり、測定ユニット１０を撮影軸と平行な垂直面により切断した場合の切断面が示されている。この測定ユニット１０は、ディスプレイ装置１１、可動ステージ１２、筐体１００、ステージ調整部１０１、鏡筒部１０２、照明位置調整部１０３、カメラ１１０，１２０、同軸落射照明ユニット１３０、リング照明ユニット１４０及び透過照明ユニット１５０により構成される。

ステージ調整部１０１、鏡筒部１０２、カメラ１１０，１２０、同軸落射照明ユニット１３０及び透過照明ユニット１５０は、筐体１００内に配置されている。ステージ調整部１０１は、制御ユニット２０からの駆動信号に基づいて、可動ステージ１２をＸ，Ｙ又はＺ軸方向に移動させ、ワークのＸ，Ｙ及びＺ軸方向の位置を調整する。

カメラ１１０は、撮影倍率の低い撮像装置であり、撮像素子１１１、結像レンズ１１２、絞り板１１３及び受光レンズ１１４により構成される。撮像素子１１１は、検出光を受光してワーク画像を生成する。この撮像素子１１１は、受光面を下方に向けて配置されている。結像レンズ１１２は、検出光を撮像素子１１１上に結像させる光学部材である。絞り板１１３は、検出光の透過光量を制限する光学絞りであり、結像レンズ１１２及び受光レンズ１１４間に配置されている。受光レンズ１１４は、ワークからの検出光を集光する光学部材であり、可動ステージ１２に対向させて配置されている。結像レンズ１１２、絞り板１１３及び受光レンズ１１４は、上下方向に延びる中心軸を中心として配置されている。

カメラ１２０は、撮影倍率の高い撮像装置であり、撮像素子１２１、結像レンズ１２２、絞り板１２３、ハーフミラー１２４及び受光レンズ１１４により構成される。撮像素子１２１は、検出光を受光してワーク画像を生成する。この撮像素子１２１は、受光面を水平方向に向けて配置されている。結像レンズ１２２は、検出光を撮像素子１２１上に結像させる光学部材である。絞り板１２３は、検出光の透過光量を制限する光学絞りであり、結像レンズ１２２及びハーフミラー１２４間に配置されている。受光レンズ１１４は、カメラ１１０と共通である。受光レンズ１１４を透過した検出光は、ハーフミラー１２４により水平方向に折り曲げられ、絞り板１２３及び結像レンズ１２２を介して撮像素子１２１に結像する。

撮像素子１１１及び１２１には、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices：電荷結合素子）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor：相補型金属酸化物半導体）などのイメージセンサが用いられる。受光レンズ１１４には、上下方向、すなわち、撮影軸方向の位置が変化しても、像の大きさを変化させない性質を有するテレセントリックレンズが用いられる。

同軸落射照明ユニット１３０は、可動ステージ１２上のワークに照明光を上方から照射する落射照明装置であり、照射光の光軸を撮影軸に一致させている。この同軸落射照明ユニット１３０は、水平方向に向けて配置された光源１３１と、光源１３１から出射された照明光を下方に折り曲げるハーフミラー１３２とにより構成される。

結像レンズ１１２，１２２、絞り板１１３，１２３、ハーフミラー１２４，１３２及び受光レンズ１１４は、鏡筒部１０２内に配置されている。

透過照明ユニット１５０は、可動ステージ１２上のワークに照明光を下方から照射する透過照明装置であり、光源１５１、ミラー１５２及び集光レンズ１５３により構成される。光源１５１は、水平方向に向けて配置されている。光源１５１から出射された照明光は、ミラー１５２により反射され、集光レンズ１５３を介して出射される。この照明光は、可動ステージ１２を透過し、その透過光の一部は、ワークにより遮断され、他の一部が受光レンズ１１４に入射する。

リング照明ユニット１４０は、可動ステージ１２上のワークに照明光を上方又は側方から照射する落射照明装置であり、カメラ１１０及び１２０の撮影軸を取り囲むリング形状からなる。照明ユニット１３０〜１５０の光源には、ＬＥＤ（発光ダイオード）やハロゲンランプが用いられる。照明位置調整部１０３は、リング照明ユニット１４０を撮影軸方向に移動させることにより、可動ステージ１２に対する側射照明装置４０の相対位置を調整する相対位置調整手段である。ワークの照明方法としては、透過照明、リング照明又は同軸落射照明のいずれかを選択することができる。

＜リング照明ユニット１４０＞
図３は、図２のリング照明ユニット１４０の構成例を示した断面図である。このリング照明ユニット１４０は、平行光に近い拡がり角からなる照明光２を側方から照射する側射照明装置４０と、拡散光を照射する拡散照明装置５０とを同軸に配置した照明装置である。

側射照明装置４０は、配線基板４１、光源４２、鏡筒部４３、ミラー４４、拡散板４５及びスリット４６により構成される落射照明装置であり、撮影軸方向に急峻に変化する光量分布を有している。鏡筒部４３は、撮影軸方向に延びる円筒形状の内部空間からなり、配線基板４１、光源４２、ミラー４４及び拡散板４５が収容されている。

配線基板４１及び光源４２は、鏡筒部４３の天蓋部に配置され、ミラー４４、拡散板４５及びスリット４６は、鏡筒部４３の底部に配置されている。光源４２は、下方に向けた状態で配線基板４１上に配設されている。例えば、光源４２には、ＬＥＤ（発光ダイオード）が用いられ、２以上のＬＥＤが円周上に配置されたリング状光源からなる。

ミラー４４は、光源４２から撮影軸方向に出射された照明光２を撮影軸方向と交差する方向へ反射する光学部材である。このミラー４４は、円環形状の反射板からなり、４５°程度傾斜させて配置されている。光源４２から出射された照明光２をミラー４４により折り曲げるので、光源４２からスリット４６までの光路長を確保しつつ、撮影軸方向と交差する方向に側射照明装置４０を小型化することができる。

スリット４６は、ミラー４４により反射された照明光２の拡がり角を制限する拡がり角制限部であり、撮影軸方向の間隙であって、周方向に延びる形状からなる。このスリット４６は、光源４２から一定の距離だけ離間した位置に配置される。照明光２の拡がり角をスリット４６により制限するので、より平行光に近い照明光２を照射することができる。例えば、スリット４６は、低倍率撮影用のカメラ１１０の被写界深度よりも狭い間隙からなる。

拡散板４５は、照明光２を周方向に拡散させる高アスペクト比の拡散板であり、ミラー４４とスリット４６との間に配置されている。この拡散板４５は、撮影軸方向に延びる円筒形状からなる。この様な拡散板４５を配置することにより、光源４２が離散的に配置された多数のＬＥＤからなる場合であっても、周方向に光量ムラが生じるのを防止することができる。

側射照明装置４０の投光窓から出射される照明光２の光軸は、水平方向に対し、０°以上４５°以下の範囲内で傾斜している。例えば、照明光２の光軸は、水平方向に対し、３０°程度傾斜している。

拡散照明装置５０は、配線基板５１、光源５２及び拡散板５３により構成される落射照明装置であり、光源５２がカメラ１１０及び１２０の撮影軸を取り囲むリング状の光源からなる。光源５２は、下方に向けた状態で配線基板５１上に配設されている。拡散板５３は、光源５２から出射された照明光を周方向及び径方向に拡散させる光学部材である。この拡散板５３は、円環形状を有し、撮影軸に平行な垂直面による断面形状が円弧状の曲面からなる。拡散光は、可動ステージ１２上のワークに対し、上方或いは側方から照射される。

側射照明装置４０の鏡筒部４３は、拡散照明装置５０の径方向外方に形成され、光源４２は、拡散照明装置５０の光源５２に対して同心円状に配置されている。また、拡散照明装置５０の下端よりも撮影軸方向に鏡筒部４３を突出させて形成した段差部３にスリット４６が形成されている。側射照明装置４０の光源４２が拡散照明装置５０の光源５２に対して同心円状に配置されるので、ワークの周囲を側方から照明することができる。また、段差部３にスリット４６が形成されるので、撮影軸方向と交差する方向に側射照明装置４０を大型化することなく、拡散照明装置５０及び側射照明装置４０を配置することができる。

図４は、図３の側射照明装置４０の光量分布の一例を示した図である。図中には、横軸を光量とし、縦軸をＺ軸方向の位置として、可動ステージ１２の検出エリア１３付近における照明光２の光量分布が示されている。この図には、照明光２がＺ軸方向の位置Ｚｏを中心として概ね線対称な光量分布を有する場合が示されている。

照明光２の光量分布は、可動ステージ１２上のワークに照明光２を照射した場合のワーク上の照度分布に相当し、Ｚ軸方向の位置Ｚｏにおいて最大値Ｋｍとなり、位置Ｚｏから離間するのに従って急激に光量が低下している。照明光２の照射部分と非照射部分との境界を明瞭化することにより、より微細な凹凸をエッジとして正しく抽出するという観点から、光量分布の周縁部における変化領域ΔＺａ及びΔＺｂは、狭いほど良い。

例えば、変化領域ΔＺａ及びΔＺｂは、光量が最大値Ｋｍの９０％程度から１０％程度に変化する領域であり、低倍率撮影用のカメラ１１０の被写界深度よりも狭い。この様に構成することにより、カメラ１１０の被写界深度内に照明光２の境界が位置するように、リング照明ユニット１４０の相対位置を調整することにより、測定対象箇所から離間したテクスチャの影響を受けることなく、被写界深度内のエッジを正しく抽出することができる。

また、照明光２のＺ軸方向の幅ΔＺｃは、カメラ１１０の被写界深度に比べて十分に狭く、照明光２がカメラ１１０の被写界深度よりも狭い範囲に照射される。この様に構成することにより、撮影軸方向に関してカメラ１１０の被写界深度内をピンポイントで照明することができるので、被写界深度内のエッジを正しく抽出することができる。

図５は、図２の測定ユニット１０の動作の一例を示した図であり、可動ステージ１２上のワークＷの上端部に側射照明の照明光２を照射する場合が示されている。また、図６は、図２の測定ユニット１０の動作の一例を示した図であり、図５の状態で撮影されたワーク画像が示されている。

側射照明装置４０は、撮影軸方向に急峻に変化する光量分布を有するので、可動ステージ１２上のワークＷに対する照明光２の照射位置を撮影軸方向に局所化することができる。このため、撮影軸方向に段差を有するワークＷを測定する場合に、段差の上端部にだけ照明光２を照射してワークＷを撮影することができる。

この例では、ワークＷの上端部にだけ照明光２が照射され、ワーク画像では、上端部のエッジ付近で輝度が大きく変化している。この様に照明光２の照射位置を局所化することにより、測定対象箇所から撮影軸方向に離間した位置のテクスチャの影響を受け難くすることができる。

図７は、図２の測定ユニット１０の動作の一例を示した図であり、可動ステージ１２上のワークＷの中段部に側射照明の照明光２を照射する場合が示されている。また、図８は、図２の測定ユニット１０の動作の一例を示した図であり、図７の状態で撮影されたワーク画像が示されている。

この例では、ワークＷの中段部にだけ照明光２が照射され、ワーク画像では、中段部のエッジ付近で輝度が大きく変化している。この様に照明光２の照射位置を局所化することにより、測定対象箇所から撮影軸方向に離間した位置のテクスチャの影響を受け難くすることができる。

＜制御ユニット２０＞
図９は、図１の制御ユニット２０内の機能構成の一例を示したブロック図である。この制御ユニット２０は、撮像制御部２１、ワーク画像記憶部２２、測定対象箇所指定部２３、測定箇所情報記憶部２４、相対位置特定部２５及び寸法測定部２６により構成される。

撮像制御部２１は、ユーザ操作に基づいて、カメラ１１０，１２０、照明位置調整部１０３及び照明ユニット１３０〜１５０を制御し、カメラ１１０又は１２０からワーク画像を取得してワーク画像記憶部２２内に格納する。

測定対象箇所指定部２３は、ワーク画像に対し、測定対象箇所を指定する。例えば、測定対象箇所指定部２３は、ユーザ操作に基づいて、拡散照明装置５０の拡散光を照射して撮影されたワーク画像上の領域を測定対象箇所として指定する。拡散光を照射して撮影されたワーク画像を用いることにより、ワークの全体像を確認しながら測定対象箇所を指定することができる。測定箇所情報記憶部２４には、測定対象箇所を示す位置情報や測定種別が測定箇所情報として保持される。

相対位置特定部２５は、可動ステージ１２に対する側射照明装置４０の相対位置を異ならせて撮影された２以上のワーク画像について、測定対象箇所内の輝度変化を求め、相対位置を特定する。上記２以上のワーク画像は、同一のワークが側射照明装置４０による照明を利用して撮影されたワーク画像である。例えば、相対位置特定部２５は、側射照明装置４０により照明光２を照射して撮影された複数のワーク画像のそれぞれについて、測定対象箇所内の画像のコントラストを求め、求めたコントラスト同士を比較し、最もコントラストが大きくなるワーク画像が撮影された相対位置を測定対象箇所に対応づける相対位置として特定する。

一般に、画像のコントラストが大きいほど、エッジ抽出は安定する。この様な測定対象箇所のコントラストをエッジ抽出の安定度を示す評価値として求め、側射照明装置４０の相対位置を異ならせて撮影された複数のワーク画像の中から評価値が高いワーク画像、すなわち、コントラストが大きいワーク画像を抽出して相対位置を特定することにより、エッジ抽出の安定性を向上させることができる。

なお、測定対象箇所に対応づける相対位置を特定する方法には、複数のワーク画像の中から測定対象箇所内のコントラストが最大のワーク画像を特定し、当該ワーク画像が得られた相対位置とする上記方法以外にもある。例えば、可動ステージ１２に対する側射照明装置４０の相対位置が異なる３以上のワーク画像に基づいて、相対位置ごとのコントラストからなる分布を求め、この分布に２次曲線等の曲線を当てはめることにより、コントラストが最大となる相対位置を推定するような構成であっても良い。

測定箇所情報記憶部２４には、２以上の測定対象箇所が相対位置に関連づけて保持される。測定対象箇所及び相対位置は、測定箇所情報として保持される。撮像制御部２１は、相対位置特定部２５により特定された相対位置に基づいて照明位置調整部１０３を制御し、側射照明装置４０を駆動してワーク画像を取得する。寸法測定部２６は、撮像制御部２１により取得されたワーク画像に基づいて、測定対象箇所のエッジを抽出し、抽出したエッジに基づいて、測定対象箇所の寸法を求め、測定結果を出力する。

可動ステージ１２に対する側射照明装置４０の相対位置を異ならせて撮影された２以上のワーク画像に基づいて、相対位置を特定するので、測定対象箇所のエッジを抽出するのに適切な照明光２の照射位置を自動的に特定してワークを撮影することができる。

撮像制御部２１は、測定箇所情報記憶部２４に保持された測定対象箇所ごとに、対応する相対位置に側射照明装置４０を移動させ、可動ステージ１２上のワークに側方から側射照明装置４０の照明光２を照射させてワーク画像を取得することを繰り返す。この様に構成することにより、同一のワーク画像に対し、複数の測定対象箇所が指定されている場合に、可動ステージ１２に対する側射照明装置４０の相対位置を調整しながら、これらの測定対象箇所のエッジを順次に抽出することができる。

また、撮像制御部２１は、照明光２の照射位置がカメラ１１０の焦点位置に一致するように、照明位置調整部１０３を制御してワーク画像を取得する。この様に構成することにより、ピントの合った画像領域内のエッジを正しく抽出することができる。

寸法値などの測定結果は、ディスプレイ装置１１に表示される。また、制御ユニット２０は、ワークを連続して測定するための測定設定データを作成する。この測定設定データは、位置決め情報、測定箇所情報、測定対象箇所ごとの設計値や公差を示す情報からなる。位置決め情報は、ワーク画像を解析してワークの位置や姿勢を検出するための情報である。

図１０及び図１１のステップＳ１０１〜Ｓ１１５は、図１の画像測定器１における測定設定時の動作の一例を示したフローチャートである。まず、制御ユニット２０は、リング照明ユニット１４０の拡散照明装置５０を点灯し、可動ステージ１２上のワークをカメラ１１０により撮影し（ステップＳ１０１，Ｓ１０２）、カメラ１１０から取得したワーク画像をディスプレイ装置１１に表示する。

次に、制御ユニット２０は、ユーザ操作を受け付け、ワーク画像に対し、測定対象箇所が指定されれば（ステップＳ１０３）、拡散照明装置５０に代えて側射照明装置４０を点灯し、可動ステージ１２上のワークをカメラ１１０により撮影する（ステップＳ１０４，Ｓ１０５）。制御ユニット２０は、照明光２を側方から照射して撮影されたワーク画像に基づいて、測定対象箇所内の輝度変化を求め、エッジ付近のコントラストをエッジ抽出の安定度を示す評価値として算出する（ステップＳ１０６）。

制御ユニット２０は、照明位置調整部１０３を制御して、予め定められた２以上のＺ軸方向の位置にリング照明ユニット１４０を順次に移動させながら、ステップＳ１０５及びＳ１０６の処理手順を繰り返す（ステップＳ１０７）。そして、制御ユニット２０は、可動ステージ１２に対する側射照明装置４０の相対位置、すなわち、照明位置が異なる複数のワーク画像の評価値を比較し、測定対象箇所に対応づける相対位置を算出する（ステップＳ１０８）。

次に、制御ユニット２０は、照明位置を調整するために、照明位置調整部１０３を制御して、評価値から算出した相対位置にリング照明ユニット１４０を移動させる（ステップＳ１０９）。そして、制御ユニット２０は、可動ステージ１２上のワークを撮影してワーク画像を取得する（ステップＳ１１０）。

制御ユニット２０は、取得したワーク画像に基づいて、測定対象箇所のエッジを抽出し（ステップＳ１１１）、抽出したエッジに基づいて、測定対象箇所の寸法値を算出し（ステップＳ１１２）、エッジや寸法値を測定結果としてディスプレイ装置１１に表示する（ステップＳ１１３）。

制御ユニット２０は、ユーザ操作を受け付け、異なる測定対象箇所が指定されれば、ステップＳ１０３以降の処理手順を繰り返し（ステップＳ１１４）、全ての測定対象箇所について、寸法測定が完了すれば、測定設定データを作成してこの処理を終了する（ステップＳ１１５）。

図１２のステップＳ２０１〜Ｓ２１１は、図１の画像測定器１における寸法測定時の動作の一例を示したフローチャートである。まず、制御ユニット２０は、ユーザ操作を受け付け、連続測定対象のワークに応じた測定設定データを選択する（ステップＳ２０１）。

次に、制御ユニット２０は、測定ユニット１０の実行ボタン１６が操作されれば（ステップＳ２０２）、測定設定データとして保持された測定対象箇所を読み出し（ステップＳ２０３）、照明位置を調整するために、照明位置調整部１０３を制御して、測定対象位置に対応づけられた相対位置にリング照明ユニット１４０を移動させる（ステップＳ２０４）。そして、制御ユニット２０は、側射照明装置４０を点灯し、可動ステージ１２上のワークを撮影してワーク画像を取得する（ステップＳ２０５）。

制御ユニット２０は、取得したワーク画像に基づいて、測定対象箇所のエッジを抽出し（ステップＳ２０６）、抽出したエッジに基づいて、測定対象箇所の寸法値を算出する（ステップＳ２０７）。制御ユニット２０は、他に測定対象箇所があれば、ステップＳ２０３からステップＳ２０７までの処理手順を繰り返し（ステップＳ２０８）、全ての測定対象箇所について、寸法測定が完了すれば、エッジや寸法値を測定結果としてディスプレイ装置１１に表示し（ステップＳ２０９）、測定結果を保存する（ステップＳ２１０）。

制御ユニット２０は、他に連続測定対象のワークがあれば、ステップＳ２０２以降の処理手順を繰り返し、他に連続測定対象のワークがなければ、この処理を終了する（ステップ２１１）。

本実施の形態によれば、側射照明装置４０がカメラ１１０及び１２０の撮影軸方向に急峻に変化する光量分布を有するので、可動ステージ１２上のワークに対する照明光２の照射位置を撮影軸方向に局所化することができる。この様な照射位置の局所化により、測定対象箇所から撮影軸方向に離間した位置のテクスチャの影響を受け難くなるので、落射照明を利用した寸法測定において、ワーク表面のテクスチャをエッジとして誤抽出するのを抑制することができる。

また、測定対象箇所から撮影軸方向に離間した位置のテクスチャの影響を受け難いので、撮影倍率が低いカメラ１１０を用いてワークを撮影する場合であっても、所望のエッジを正しく抽出することができる。さらに、相対位置を異ならせて撮影された２以上のワーク画像について、測定対象箇所内の輝度変化を求めて相対位置を特定するので、測定対象箇所のエッジを抽出するのに適切な照明光２の照射位置を自動的に特定してワークを撮影することができる。

なお、本実施の形態では、光源４２から撮影軸方向に出射された照明光をミラー４４により撮影軸方向と交差する方向へ反射させる側射照明装置４０の例について説明したが、本発明は側射照明装置４０の構成をこれに限定するものではない。例えば、ミラー４４を備えず、光源４２から水平方向に出射された照明光をスリット４６により絞り込むことにより、平行光に近い拡がり角からなる照明光２を側方から照射する構成であっても良い。

図１３は、側射照明装置４０の他の構成例を示した断面図である。この側射照明装置４０は、配線基板４１、光源４２、鏡筒部４３及びスリット４６により構成される。鏡筒部４３は、水平方向に延びる内部空間を有する。配線基板４１及び光源４２は、鏡筒部４３の右端部に配置され、スリット４６は、鏡筒部４３の左端に形成されている。

光源４２は、水平方向の左側に向けた状態で配線基板４１上に配設されている。スリット４６は、光源４２から出射された照明光２の拡がり角を制限する。このスリット４６は、光源４２から一定の距離だけ離間した位置に配置される。この様な側射照明装置４０であっても、カメラ１１０及び１２０の撮影軸方向に急峻に変化する光量分布を有する落射照明装置を実現することができる。

図１４は、側射照明装置４０のその他の構成例を示した断面図であり、図中の（ａ）には、集光レンズ４７を用いて平行光に近い拡がり角からなる照明光２を得る場合が示され、（ｂ）には、レーザー光を生成する光源４２を用いて平行光からなる照明光２を得る場合が示されている。

図中の（ａ）に示す側射照明装置４０は、配線基板４１、光源４２、鏡筒部４３及び集光レンズ４７により構成される。鏡筒部４３は、水平方向に延びる内部空間を有する。配線基板４１及び光源４２は、鏡筒部４３の右端部に配置され、集光レンズ４７は、鏡筒部４３の左端に配置されている。

光源４２は、水平方向の左側に向けた状態で配線基板４１上に配設されている。集光レンズ４７は、光源４２から出射された照明光２を集光することにより、平行光に近い狭い角度の拡がり角からなる照明光２を得る光学部材である。

図中の（ｂ）に示す側射照明装置４０は、レーザー光を生成するレーザー発振器を備えた光源４２により構成される。光源４２は、水平方向の左側に向けて配置され、レーザー発振器から出射されたレーザー光が平行光からなる照明光２として側方から照射される。この様な側射照明装置４０であっても、カメラ１１０及び１２０の撮影軸方向に急峻に変化する光量分布を有する落射照明装置を実現することができる。

また、本実施の形態では、可動ステージ１２に対する側射照明装置４０の相対位置を異ならせて撮影された複数のワーク画像に基づいて、測定対象箇所に対応づける相対位置を特定する場合の例について説明した。しかし、測定対象箇所に対応づける相対位置を特定する方法は、これ以外にも存在する。例えば、ワークのＺ軸方向の高さを測定する高さ測定手段を備え、高さの測定結果に基づいて、測定対象箇所に対応づける相対位置を特定しても良い。また、ワークの形状や寸法を示す設計情報に基づいて、測定対象箇所に対応づける相対位置を特定しても良い。

また、本実施の形態では、測定対象箇所のエッジ付近のコントラストに基づいて、エッジ抽出の安定度を評価する場合の例について説明したが、本発明は、エッジ抽出の安定度を評価する方法をこれに限定するものではない。例えば、測定対象箇所について、輝度の平均値を求め、輝度の平均値に基づいて、エッジ抽出の安定度を評価しても良い。輝度の平均値が高いほど、エッジ抽出の安定度が高い。或いは、測定対象箇所内で輝度の変化量が大きな領域以外の領域について、輝度ムラを求め、輝度ムラに基づいて、エッジ抽出の安定度を評価しても良い。輝度ムラが少ないほど、エッジ抽出の安定度が高い。

また、本実施の形態では、ユーザ操作に基づいて測定対象箇所が指定されれば、可動ステージ１２に対する側射照明装置４０の相対位置を異ならせながら可動ステージ１２上のワークを撮影してワーク画像を取得し、得られた複数のワーク画像に基づいて、測定態様箇所に対応づける相対位置を特定する場合の例について説明した。しかし、測定対象箇所に対応づける相対位置を特定する方法は、これ以外にも存在する。例えば、可動ステージ１２に対する側射照明装置４０の相対位置を異ならせながら可動ステージ１２上のワークを撮影してワーク画像を取得し、得られたワーク画像ごとにエッジ抽出を行い、複数のワーク画像から抽出されたエッジ群を共通のワーク画像上に表示する。その様なエッジ群の中から測定対象とするエッジを指定するような構成であっても良い。

また、本実施の形態では、照明位置調整部１０３がリング照明ユニット１４０のＺ軸方向の位置を調整することにより、可動ステージ１２に対する側射照明装置４０の相対位置が調整される場合の例について説明したが、本発明は、相対位置調整手段の構成をこれに限定するものではない。例えば、可動ステージ１２をＺ軸方向に移動させ、或いは、可動ステージ１２及び側射照明装置４０をそれぞれＺ軸方向に移動させることにより、可動ステージ１２に対する側射照明装置４０の相対位置を調整するような構成であっても良い。

１ 画像測定器
１０ 測定ユニット
１１ ディスプレイ装置
１１ａ 表示画面
１２ 可動ステージ
１４ａ ＸＹ調整つまみ
１４ｂ Ｚ調整つまみ
１５ 電源スイッチ
１６ 実行ボタン
１００ 筐体
１０１ ステージ調整部
１０２ 鏡筒部
１０３ 照明位置調整部
１１０，１２０ カメラ
１３０ 同軸落射照明ユニット
１４０ リング照明ユニット
１５０ 透過照明ユニット
２０ 制御ユニット
２１ 撮像制御部
２２ ワーク画像記憶部
２３ 測定対象箇所指定部
２４ 測定箇所情報記憶部
２５ 相対位置特定部
２６ 寸法測定部
３１ キーボード
３２ マウス
４０ 側射照明装置
４１ 配線基板
４２ 光源
４３ 鏡筒部
４４ ミラー
４５ 拡散板
４６ スリット
５０ 拡散照明装置
２ 照明光
３ 段差部

Claims (9)

1. ワークを載置するためのステージと、
   上記ステージ上のワークを撮影し、ワーク画像を生成するカメラと、
   上記カメラの撮影軸方向に急峻に変化する光量分布を有し、平行光からなる照明光又は平行光に近い拡がり角からなる照明光を、上記ステージ上のワークに側方から照射する側射照明装置と、
   上記ワーク画像に対し、２以上の測定対象箇所を指定する測定対象箇所指定手段と、
   上記ステージに対し、上記側射照明装置を上記撮影軸方向に移動させることにより、上記ステージに対する上記側射照明装置の相対位置を調整する相対位置調整手段と、
   上記相対位置を異ならせて撮影された２以上の上記ワーク画像のそれぞれについて、上記２以上の測定対象箇所内の輝度変化を求め、求めた輝度変化に基づいて、各測定対象箇所に対応づける相対位置を特定する相対位置特定手段と、
   ２以上の上記測定対象箇所を、上記相対位置特定手段により特定された相対位置に関連づけて保持する測定箇所情報記憶手段と、
   上記測定箇所情報記憶手段に保持された２以上の測定対象箇所ごとに、対応する相対位置に上記側射照明装置を移動させるように上記相対位置調整手段を制御し、上記側射照明装置を駆動して上記ワーク画像を取得する撮像制御手段と、
   取得されたワーク画像に基づいて、上記測定対象箇所のエッジを抽出し、抽出したエッジに基づいて、上記測定対象箇所の寸法を求める寸法測定手段とを備えたことを特徴とする画像測定器。
2. 上記側射照明装置は、上記光量分布の周縁部の変化領域が上記カメラの被写界深度よりも狭い上記照明光を照射することを特徴とする請求項１に記載の画像測定器。
3. 上記側射照明装置は、上記照明光を上記被写界深度よりも狭い範囲に照射することを特徴とする請求項２に記載の画像測定器。
4. 上記側射照明装置は、光源から上記撮影軸方向に出射された照明光を上記撮影軸方向と交差する方向へ反射するミラーと、上記ミラーにより反射された照明光の拡がり角を制限するスリットとを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の画像測定器。
5. 上記側射照明装置の上記スリットは、上記カメラの被写界深度よりも狭い間隙からなることを特徴とする請求項４に記載の画像測定器。
6. 上記カメラの撮影軸を取り囲むリング状の光源を有し、上記ステージ上のワークに拡散光を上方から照射する拡散照明装置を備え、
   上記側射照明装置は、上記拡散照明装置の上記光源に対して同心円状に配置された光源を有し、上記拡散照明装置の下端よりも上記撮影軸方向に鏡筒部を突出させて形成した段差部に上記スリットが形成されることを特徴とする請求項４又は５に記載の画像測定器。
7. 上記測定対象箇所指定手段は、上記拡散照明装置の上記拡散光を照射して撮影された上記ワーク画像上の領域を測定対象箇所として指定することを特徴とする請求項６に記載の画像測定器。
8. 上記相対位置特定手段は、上記側射照明装置の上記照明光を照射して撮影された複数の上記ワーク画像について、上記測定対象箇所のエッジ付近のコントラストを求め、求めたコントラストに基づいて、上記測定対象箇所に対応づける相対位置を特定することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の画像測定器。
9. 上記撮像制御手段は、上記照明光の照射位置が上記カメラの焦点位置に一致するように、上記相対位置調整手段を制御して上記ワーク画像を取得することを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の画像測定器。