(57)【要約】【課題】高速かつ高精度にフォーカス検出を実行できる画像測定装置のフォーカス検出方法、フォーカス検出機構、およびこのフォーカス検出機構を備えた画像測定装置を提供すること。【解決手段】被測定物Ｗに格子パターンを投影する格子フィルタ２６を回転駆動する回転駆動手段４０と、撮像手段３０および被測定物Ｗの間隔距離を調節する距離駆動手段５０とを連動させて、所定回転角度ごとの格子パターンを投影した被測定物Ｗを多重露光により撮像手段３０で撮像し、撮像した画像情報中の格子パターンのコントラスト値からフォーカス位置を算出する。従って、複数の距離位置で複数の画像を撮像する必要や複数の画像を画像処理する必要がないため、撮像や画像処理に掛かる時間を短縮でき、フォーカス検出を高速化できる。また、周波数領域情報に基づいてコントラスト値を算出するので、フォーカス検出を高精度化できる。【選択図】  図１
2005017805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物と交差する光軸上に設けられ当該被測定物を撮像する撮像手段を有し、撮像した画像から前記被測定物を測定する画像測定装置のフォーカス検出方法であって、
前記画像測定装置は、前記被測定物に向かって照明光を照射する発光光源を有した照明装置と、この発光光源と前記被測定物との間に設けられ、前記発光光源からの照明光を遮って当該被測定物に格子パターンを投影する格子フィルタと、この格子フィルタを回転駆動して前記被測定物に投影される格子パターンの格子角度を変更する回転駆動手段と、前記撮像手段および前記被測定物の少なくとも一方を駆動し、前記光軸に沿った互いの間隔距離を調節する距離駆動手段とを有し、
前記距離駆動手段および回転駆動手段を連動させて駆動して、所定回転角度ごとに前記格子フィルタの格子パターンを前記被測定物に投影するとともに、前記撮像手段にて、前記所定回転角度に応じた所定間隔距離ごとの前記被測定物を多重露光により撮像し、画像情報を取得する画像入力工程と、
取得した画像情報を周波数領域へ変換した周波数領域情報に基づいて、前記所定回転角度ごとのコントラスト値を算出するコントラスト値算出工程と、
前記コントラスト値が最大となる回転角度に応じた前記撮像手段および前記被測定物の間隔距離から、フォーカス位置を算出するフォーカス位置算出工程と
を備えたことを特徴とする画像測定装置のフォーカス検出方法。
【請求項２】
請求項１に記載の画像測定装置のフォーカス検出方法において、
前記コントラスト値算出工程は、
前記画像入力工程において取得した画像情報を周波数領域へ変換して周波数領域情報を算出する周波数変換工程と、
変換した周波数領域情報に、予め求めた前記格子フィルタの前記所定回転角度ごとの格子パターンに関する周波数フィルタを重ね合わせて、前記所定回転角度ごとの積画像を生成する積画像生成工程と、
生成した前記所定回転角度ごとの積画像の各々について、当該積画像を構成する画素ごとのパワーを積算するパワー積算工程と
を備えたことを特徴とした画像測定装置のフォーカス検出方法。
【請求項３】
請求項２に記載の画像測定装置のフォーカス検出方法において、
前記周波数変換工程にて算出される前記周波数領域情報は、二次元フーリエ変換により算出されることを特徴とした画像測定装置のフォーカス検出方法。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の画像測定装置のフォーカス検出方法において、
前記画像入力工程にて取得される前記画像情報は、１つであることを特徴とした画像測定装置のフォーカス検出方法。
【請求項５】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の画像測定装置のフォーカス検出方法において、
前記画像入力工程にて取得される前記画像情報は、２つ以上であることを特徴とした画像測定装置のフォーカス検出方法。
【請求項６】
被測定物と交差する光軸上に設けられ当該被測定物を撮像する撮像手段と、
前記被測定物に向かって照明光を照射する発光光源を有した照明装置と、
この照明装置と前記被測定物との間に設けられ、前記発光光源からの照明光を遮って当該被測定物に格子パターンを投影する格子フィルタと、
この格子フィルタを回転駆動して前記被測定物に投影される格子パターンの格子角度を変更する回転駆動手段と、
前記撮像手段および前記被測定物の少なくとも一方を駆動し、前記光軸に沿った互いの間隔距離を調節する距離駆動手段と、
前記距離駆動手段および回転駆動手段を連動させて駆動して、所定回転角度ごとに前記格子フィルタの格子パターンを前記被測定物に投影するとともに、前記所定回転角度に応じた所定間隔距離ごとの前記被測定物を前記撮像手段にて多重露光により撮像し、撮像した画像情報を周波数領域へ変換した周波数領域情報に基づいて前記所定回転角度ごとのコントラスト値を算出し、このコントラスト値が最大となる回転角度に応じた前記撮像手段および前記被測定物の間隔距離から、フォーカス位置を算出するフォーカス位置算出手段と
を備えたことを特徴とするフォーカス検出機構。
【請求項７】
請求項６に記載のフォーカス検出機構において、
前記フォーカス位置算出手段は、
前記取得した画像情報を周波数領域へ変換して周波数領域情報を算出し、この周波数領域情報に、予め求めた前記格子フィルタの前記所定回転角度ごとの格子パターンに関する周波数フィルタを重ね合わせて、前記所定回転角度ごとの積画像を生成し、これらの積画像の各々について、当該積画像を構成する画素ごとのパワーを積算して前記コントラスト値を算出する
ことを特徴とするフォーカス検出機構。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載のフォーカス検出機構において、
前記撮像手段の撮像動作は、前記照明装置、距離駆動手段、および回転駆動手段と連動して制御されることを特徴とするフォーカス検出機構。
【請求項９】
請求項６ないし請求項８のいずれかに記載のフォーカス検出機構において、
前記照明装置は、前記格子フィルタの前記所定回転角度に対応した時間間隔でフラッシュ状に点灯制御されることを特徴とするフォーカス検出機構。
【請求項１０】
被測定物と交差する光軸上に設けられ当該被測定物を撮像する撮像手段と、
この撮像手段と前記被測定物の間に設けられ、当該被測定物からの反射光を周波数変換するフーリエ変換レンズと、
前記被測定物に向かって照明光を照射する発光光源を有した照明装置と、
この照明装置と前記被測定物との間に設けられ、前記発光光源からの照明光を遮って当該被測定物に格子パターンを投影する格子フィルタと、
この格子フィルタを回転駆動して前記被測定物に投影される格子パターンの格子角度を変更する回転駆動手段と、
前記撮像手段および前記被測定物の少なくとも一方を駆動し、前記光軸に沿った互いの間隔距離を調節する距離駆動手段と、
前記距離駆動手段および回転駆動手段を連動させて駆動して、所定回転角度ごとに前記格子フィルタの格子パターンを前記被測定物に投影するとともに、前記所定回転角度に応じた所定間隔距離ごとの前記被測定物を、前記フーリエ変換レンズを介した前記撮像手段にて多重露光により撮像し、撮像したフーリエ変換画像情報に基づいて前記所定回転角度ごとのコントラスト値を算出し、このコントラスト値が最大となる回転角度に応じた前記撮像手段および前記被測定物の間隔距離から、フォーカス位置を算出するフォーカス位置算出手段と
を備えたことを特徴とするフォーカス検出機構。
【請求項１１】
請求項６ないし請求項１０のいずれかに記載のフォーカス検出機構を備え、
前記フォーカス検出機構を構成するフォーカス位置算出手段は、記憶手段および演算手段を有したコンピュータで実行されることを特徴とする画像測定装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の画像測定装置において、
前記フォーカス検出機構を構成する照明装置、距離駆動手段、および回転駆動手段の動作は、前記コンピュータで制御されることを特徴とした画像測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像測定装置のフォーカス検出方法、フォーカス検出機構、およびこのフォーカス検出機構を備えた画像測定装置に関する。例えば、被測定物と交差する光軸上に設けられ被測定物を撮像する撮像手段を有し、撮像した画像から被測定物の形状等を測定する画像測定装置において、被測定物に対する撮像手段のフォーカス位置を検出するフォーカス検出方法、フォーカス検出機構、およびこれを備えた画像測定装置に関する。
【０００２】
【背景技術】
被測定物（ワーク）を撮像する撮像手段を備え、この撮像手段で撮像した画像を適宜画像処理して、ワークの形状、寸法等を測定する画像測定装置（非接触測定装置）において、ワークから撮像手段までの光学的距離を調整する合焦（フォーカス検出）方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１に記載された画像測定装置は、ワークを撮像してその画像データを出力する撮像手段としてのＣＣＤカメラと、ＣＣＤカメラとワークとの光学的距離を調整する合焦調整手段と、ワークを１ライン分だけ撮像するラインセンサと、このラインセンサで撮像された画像からコントラストを演算するコントラスト演算手段（回路）とを備えている。ラインセンサは、ワークとの光学的距離が、ＣＣＤカメラとワークとの光学的距離に等しくなる位置に設けられている。
【０００３】
特許文献１に記載されたフォーカス検出方法では、合焦調整手段でワークとＣＣＤカメラおよびラインセンサとの光学的距離を調整しながら、複数の距離位置においてラインセンサで撮像した画像からコントラストを求め、コントラストが最大となる位置をフォーカス位置として検出するようになっている。そして、検出したフォーカス位置に基づいて、ＣＣＤカメラとワークとの光学的距離を合焦調整手段で調整することで、ＣＣＤカメラで撮像する画像の焦点を合わせることができるように構成されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−２２６８０５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１の画像測定装置では、フォーカス検出において、複数の距離位置においてラインセンサで撮像した複数の画像に基づいて、フォーカス位置を検出するので、撮像する画像が１ライン分とはいえ、各々の画像を撮像するための時間、およびコントラスト演算手段で画像処理するための時間が掛かってしまい、高速にフォーカス検出できないという問題がある。
さらに、ラインセンサで撮像可能な１ライン分の画像に基づいて、フォーカス検出を実行するため、ＣＣＤカメラの撮像範囲全体の中で、焦点を合わせたい領域を任意に選択することができず、表面に凹凸を有するワークなどの場合には、フォーカスの精度を高めることができないという問題がある。
【０００６】
本発明の目的は、高速かつ高精度にフォーカス検出を実行できる画像測定装置のフォーカス検出方法、フォーカス検出機構、およびこのフォーカス検出機構を備えた画像測定装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のフォーカス検出方法は、被測定物と交差する光軸上に設けられ当該被測定物を撮像する撮像手段を有し、撮像した画像から前記被測定物を測定する画像測定装置のフォーカス検出方法であって、前記画像測定装置は、前記被測定物に向かって照明光を照射する発光光源を有した照明装置と、この照明装置と前記被測定物との間に設けられ、前記発光光源からの照明光を遮って当該被測定物に格子パターンを投影する格子フィルタと、この格子フィルタを回転駆動して前記被測定物に投影される格子パターンの格子角度を変更する回転駆動手段と、前記撮像手段および前記被測定物の少なくとも一方を駆動し、前記光軸に沿った互いの間隔距離を調節する距離駆動手段とを有し、前記距離駆動手段および回転駆動手段を連動させて駆動して、所定回転角度ごとに前記格子フィルタの格子パターンを前記被測定物に投影するとともに、前記撮像手段にて、前記所定回転角度に応じた所定間隔距離ごとの前記被測定物を多重露光により撮像し、画像情報を取得する画像入力工程と、取得した画像情報を周波数領域へ変換した周波数領域情報に基づいて、前記所定回転角度ごとのコントラスト値を算出するコントラスト値算出工程と、前記コントラスト値が最大となる回転角度に応じた前記撮像手段および前記被測定物の間隔距離から、フォーカス位置を算出するフォーカス位置算出工程とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
ここで、撮像手段としては、撮像管や撮像素子等の光学像を電気信号に変換する撮像部と、この撮像部に被測定物の像を結像させる撮像光学系とを備えたカメラが採用できる。そして、距離駆動手段にて撮像手段を駆動する際には、カメラやカメラが設けられた筐体等を駆動してもよく、また、撮像光学系のレンズ等を駆動してもよい。
【０００９】
このような構成によれば、撮像手段で撮像する画像情報は、多重露光により撮像されるので、距離駆動手段による撮像手段および被測定物の間隔距離について、複数位置で撮像された情報が含まれているため、複数の距離位置で複数の画像を撮像する必要がなく、画像情報を撮像するための時間を短縮できる。さらに、複数の画像を画像処理する必要もないため、画像処理に掛かる時間も短縮でき、フォーカス検出を高速に実行することができる。
また、コントラスト値算出工程において、取得した画像情報自体ではなく、画像情報を周波数領域へ変換した周波数領域情報に基づいて、コントラスト値を算出するので、被測定物表面の形状や模様等の影響を受けずに、フォーカス検出を精度よく実行することができる。すなわち、例えば表面が縞模様を有する被測定物の場合、その縞模様と格子フィルタによる格子パターンとが、格子フィルタの回転角度によっては干渉して、画像情報中のコントラストが大きく変化してしまうことがある。しかし、画像情報を周波数領域に変換することで、このような干渉によるコントラスト変化の影響を取り除き、撮像手段および被測定物の間隔距離に対応した格子パターンのコントラスト値を正確に算出することができる。
【００１０】
そして、距離駆動手段および回転駆動手段が連動して駆動されるので、撮像手段および被測定物の間隔距離に応じて、撮像した画像情報に含まれる格子パターンのコントラストが変化し、フォーカス位置に近い位置で撮像された格子パターンのコントラストが高くなる。これにより、多重露光により画像情報が取得され、複数の回転角度位置の格子パターンが撮像されていても、その画像情報から、高いコントラストの回転角度位置を算出することで、フォーカス位置を高精度に検出することができる。
さらに、多重露光により撮像する際に投影される格子パターンの格子角度を細かくする、すなわち回転駆動手段を制御して、所定回転角度を小さくすることが容易に実行できるので、回転角度に応じて求められるフォーカス位置の検出精度を向上させることができる。
【００１１】
また、被測定物を撮像する画像測定用の撮像手段により、フォーカス検出用の画像情報を取得し、この画像情報に基づいてフォーカス位置を算出することができるので、従来の画像測定装置と比較して、装置を簡単な構造にし、かつ小型化することができる。すなわち、特許文献１の画像測定装置では、フォーカス検出を実行するためにラインセンサ等を必要とするため、装置の構造が複雑になるとともに、大型化してしまうという問題があったが、本発明によれば、撮像手段が画像測定およびフォーカス検出の両方に利用可能なので、装置構造の簡素化および小型化を図ることができる。
【００１２】
請求項２に記載のフォーカス検出方法は、請求項１に記載の画像測定装置のフォーカス検出方法において、前記コントラスト値算出工程は、前記画像入力工程において取得した画像情報を周波数領域へ変換して周波数領域情報を算出する周波数変換工程と、変換した周波数領域情報に、予め求めた前記格子フィルタの前記所定回転角度ごとの格子パターンに関する周波数フィルタを重ね合わせて、前記所定回転角度ごとの積画像を生成する積画像生成工程と、生成した前記所定回転角度ごとの積画像の各々について、当該積画像を構成する画素ごとのパワーを積算するパワー積算工程とを備えたことを特徴とする。
【００１３】
ここで、周波数変換工程にて周波数領域情報を算出する方法としては、二次元フーリエ変換（二次元ＦＦＴ）や、ウィノグラード変換、カルーネン・レーベ変換、離散コサイン変換（ＤＣＴ）等の直交変換手法が採用でき、また、これら以外にも、画像情報を周波数成分に変換する直交変換手法であれば採用可能である。
また、予め求めておく格子フィルタの所定回転角度ごとの格子パターンに関する周波数フィルタとしては、被測定物を含まない格子パターンのみを撮像した画像情報から直交変換により算出した、格子パターンの周波数領域情報が利用できる。さらに、計算機等を用いたシミュレーションによって作成した格子パターンの画像情報を周波数変換した周波数フィルタを利用してもよい。
【００１４】
このような構成によれば、周波数変換工程によって取得した画像情報を周波数領域情報に変換することで、所定回転角度ごとのコントラスト値を算出する処理を高速に実行できる。この際、周波数領域情報に変換する画像情報として、フォーカス検出を実行する範囲の画像情報のみを周波数領域へ変換するようにすれば、撮像手段による撮像範囲全体の中で、焦点を合わせたい範囲を選択することができるので、ワークの表面形状によらず、フォーカス検出の精度を向上させることができる。さらに、焦点を合わせたい範囲のみについて、周波数変換工程、積画像生成工程、パワー積算工程、フォーカス位置算出工程を実行すればよいので、これらの処理に掛かる情報量を低減して、処理を高速化することができる。
【００１５】
請求項３に記載のフォーカス検出方法は、請求項２に記載の画像測定装置のフォーカス検出方法において、前記周波数変換工程にて算出される前記周波数領域情報は、二次元フーリエ変換により算出されることを特徴とする。
【００１６】
このような構成によれば、二次元データである画像情報を直交変換して周波数領域情報を算出する手法として、二次元フーリエ変換（二次元ＦＦＴ）を採用することで、周波数変換工程における処理を高速に実行することができる。
【００１７】
請求項４に記載のフォーカス検出方法は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の画像測定装置のフォーカス検出方法において、前記画像入力工程にて取得される前記画像情報は、１つであることを特徴とする。
【００１８】
このような構成によれば、撮像手段で撮像する１つの画像情報の中に、多重露光により複数位置で撮像された情報が含まれるため、画像情報を撮像するための時間をさらに短縮することができる。さらに、画像処理を実行する画像情報も１つでよいため、画像処理に掛かる時間も短縮でき、フォーカス検出をより高速に実行することができる。
【００１９】
請求項５に記載のフォーカス検出方法は、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の画像測定装置のフォーカス検出方法において、前記画像入力工程にて取得される前記画像情報は、２つ以上であることを特徴とする。
【００２０】
このような構成によれば、多重露光により複数位置で撮像された画像情報を２つ以上の複数個取得することで、撮像手段と被測定物との距離範囲（フォーカス検出範囲）を拡大することができる。すなわち、格子フィルタを０度から１８０度まで回転させると０度の場合と同一の格子パターンが投影される（１サイクル＝１８０度である）ため、１サイクルごとに画像情報を撮像し、その画像情報を複数取得することによって、１つの画像情報中に含まれる格子パターン同士の角度が重ならず、画像情報の数に応じたフォーカス検出範囲についてフォーカス検出を確実に実行できる。
また、フォーカス検出範囲を拡大するのみならず、距離駆動手段の駆動速度を格子フィルタの回転速度に対して相対的に遅く（フォーカス検出ピッチを細かく）することで、フォーカス検出の精度を向上させることができる。この際、距離駆動手段の駆動速度を遅くしても、複数の画像情報を撮像することで、フォーカス検出範囲を短縮することなく、所定の距離範囲についてフォーカス検出を実行することができる。
【００２１】
請求項６に記載のフォーカス検出機構は、被測定物と交差する光軸上に設けられ当該被測定物を撮像する撮像手段と、前記被測定物に向かって照明光を照射する発光光源を有した照明装置と、この照明装置と前記被測定物との間に設けられ、前記発光光源からの照明光を遮って当該被測定物に格子パターンを投影する格子フィルタと、この格子フィルタを回転駆動して前記被測定物に投影される格子パターンの格子角度を変更する回転駆動手段と、前記撮像手段および前記被測定物の少なくとも一方を駆動し、前記光軸に沿った互いの間隔距離を調節する距離駆動手段と、前記距離駆動手段および回転駆動手段を連動させて駆動して、所定回転角度ごとに前記格子フィルタの格子パターンを前記被測定物に投影するとともに、前記所定回転角度に応じた所定間隔距離ごとの前記被測定物を前記撮像手段にて多重露光により撮像し、撮像した画像情報を周波数領域へ変換した周波数領域情報に基づいて前記所定回転角度ごとのコントラスト値を算出し、このコントラスト値が最大となる回転角度に応じた前記撮像手段および前記被測定物の間隔距離から、フォーカス位置を算出するフォーカス位置算出手段とを備えたことを特徴とする。
【００２２】
このような構成によれば、請求項１に記載の発明と同様の作用効果を奏することができる。
すなわち、フォーカス検出を高速、かつ高精度に実行することができる。また、従来の画像測定装置と比較して、装置を簡単な構造にし、かつ小型化することができる。
【００２３】
請求項７に記載のフォーカス検出機構は、請求項６に記載のフォーカス検出機構において、前記フォーカス位置算出手段は、前記取得した画像情報を周波数領域へ変換して周波数領域情報を算出し、この周波数領域情報に、予め求めた前記格子フィルタの前記所定回転角度ごとの格子パターンに関する周波数フィルタを重ね合わせて、前記所定回転角度ごとの積画像を生成し、これらの積画像の各々について、当該積画像を構成する画素ごとのパワーを積算して前記コントラスト値を算出することを特徴とする。
【００２４】
このような構成によれば、請求項２に記載の発明と同様に、所定回転角度ごとのコントラスト値を算出する処理を高速に実行できる。
【００２５】
請求項８に記載のフォーカス検出機構は、請求項６または請求項７に記載のフォーカス検出機構において、前記撮像手段の撮像動作は、前記照明装置、距離駆動手段、および回転駆動手段と連動して制御されることを特徴とする。
【００２６】
このような構成によれば、照明装置、距離駆動手段、および回転駆動手段に連動させて、撮像手段の撮像動作を制御することで、画像情報の取得を効率よく実施することができる。
【００２７】
請求項９に記載のフォーカス検出機構は、請求項６ないし請求項８のいずれかに記載のフォーカス検出機構において、前記照明装置は、前記格子フィルタの前記所定回転角度に対応した時間間隔でフラッシュ状に点灯制御されることを特徴とする。
【００２８】
このような構成によれば、照明装置を格子フィルタの回転角度に対応した時間間隔でフラッシュ状に点灯することで、多重露光により取得される画像情報中の所定角度ごとの格子パターンを、ぶれることなく鮮明に撮像することができる。すなわち、回転駆動手段により回転する格子フィルタが投影された格子パターンを連続的に撮像すると、格子パターンの画像がぶれてしまい、所定角度ごとに投影された格子パターンの画像が得られない。このため、フラッシュ状に点灯した照明装置の点灯時のみ格子パターンが投影されるようにすることで、所定角度ごとの格子パターンを撮像することができる。
【００２９】
請求項１０に記載のフォーカス検出機構は、被測定物と交差する光軸上に設けられ当該被測定物を撮像する撮像手段と、この撮像手段と前記被測定物の間に設けられ、当該被測定物からの反射光を周波数変換するフーリエ変換レンズと、前記被測定物に向かって照明光を照射する発光光源を有した照明装置と、この照明装置と前記被測定物との間に設けられ、前記発光光源からの照明光を遮って当該被測定物に格子パターンを投影する格子フィルタと、この格子フィルタを回転駆動して前記被測定物に投影される格子パターンの格子角度を変更する回転駆動手段と、前記撮像手段および前記被測定物の少なくとも一方を駆動し、前記光軸に沿った互いの間隔距離を調節する距離駆動手段と、前記距離駆動手段および回転駆動手段を連動させて駆動して、所定回転角度ごとに前記格子フィルタの格子パターンを前記被測定物に投影するとともに、前記所定回転角度に応じた所定間隔距離ごとの前記被測定物を、前記フーリエ変換レンズを介した前記撮像手段にて多重露光により撮像し、撮像したフーリエ変換画像情報に基づいて前記所定回転角度ごとのコントラスト値を算出し、このコントラスト値が最大となる回転角度に応じた前記撮像手段および前記被測定物の間隔距離から、フォーカス位置を算出するフォーカス位置算出手段とを備えたことを特徴とする。
【００３０】
このような構成によれば、請求項６に記載の発明と同様の作用効果を奏することができる。
すなわち、フォーカス検出を高速、かつ高精度に実行することができる。さらに、フーリエ変換レンズを採用したことで、フーリエ変換レンズを通過した被測定物の反射光がフーリエ変換画像情報として撮像手段で撮像されるので、専用の演算回路や計算機等を用いた周波数変換演算を実行しなくてもよく、演算に掛かる時間を短縮して、フォーカス検出をより高速に実行することができる。
【００３１】
請求項１１に記載の画像測定装置は、前記したいずれかのフォーカス検出機構を備え、前記フォーカス検出機構を構成するフォーカス位置算出手段は、記憶手段および演算手段を有したコンピュータで実行されることを特徴とする。
【００３２】
このような構成によれば、請求項６ないし請求項１０に記載の発明と同様の作用効果を奏することができる。
さらに、フォーカス位置算出手段が、コンピュータで実行されることで、取得された画像情報から瞬時にフォーカス位置を算出することができ、フォーカス検出にかかる作業効率を向上させることができる。この際、コンピュータの記憶手段に周波数領域情報の算出手順や、予め求めた格子パターンの周波数フィルタ、積画像の生成手順、コントラスト値の算出手順、フォーカス位置の算出手順等を、プログラムまたはデータとして記憶しておき、演算手段でプログラム等を読み出して実行することで、フォーカス検出にかかる処理をさらに効率的に実施できる。
【００３３】
請求項１２に記載の画像測定装置は、請求項１１に記載の画像測定装置において、前記フォーカス検出機構を構成する照明装置、距離駆動手段、および回転駆動手段の動作は、前記コンピュータで制御されることを特徴とする。
【００３４】
このような構成によれば、照明装置、距離駆動手段、および回転駆動手段の動作をコンピュータで制御することで、これらの各装置および手段を連動させて、確実に動作させることができ、フォーカス検出の精度を確保することができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るフォーカス検出機構、およびフォーカス検出機構を備えた画像測定装置の好適な実施形態を挙げ、図面に基づいて詳しく説明する。なお、以下の説明にあたって、同一構成要件については、同一符号を付し、その説明を省略もしくは簡略化する。
図１ないし図９には、本発明の第１実施形態に係る画像測定装置１が示され、図１０には、第２実施形態に係る画像測定装置の一部が示されている。
【００３６】
〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係る画像測定装置１の概略構成を示す図である。図２は、画像測定装置１の構成を示すブロック図である。
図１において、画像測定装置１は、被測定物としてのワークＷに照明光を照射して、ワークＷからの反射光を撮像する装置本体部１０と、この装置本体部１０で撮像されたワークＷの画像を処理するとともに、画像装置本体部１０の動作を制御する装置制御部６０とを備えて構成されている。これらの装置本体部１０と装置制御部６０とは、ケーブル２で接続されている。
【００３７】
装置本体部１０は、中空箱状の筐体１１と、ワークＷを載置するステージ１２と、ステージ１２上面と直交して上下に延びる光軸Ａを囲んで設けられたリング照明装置１３とを備えている。そして、筐体１１内部には、ワークＷの直上から照明光を照射する照明装置２０と、ワークＷからの反射光を受光し撮像する撮像手段３０とが設けられている。筐体１１のステージ１２と対向する底面には、光軸Ａを中心とした開口が設けられており、この開口を通してワークＷからの反射光が撮像手段３０に到達可能になっている。また、筐体１１およびステージ１２は、光軸Ａと交差する平面二方向（Ｘ、Ｙ方向）に移動操作可能に構成されており、適宜ワークＷの測定部位の調整ができるようになっている。
【００３８】
リング照明装置１３は、光軸Ａに対して斜め方向からリング状光束の照明光をワークＷに照射するもので、光軸Ａを中心とする中空リング状の筐体１４と、筐体１４内に配された発光光源としての白色発光ダイオード（ＬＥＤ）１５とを備えている。ＬＥＤ１５は、光軸Ａを囲んでリング状に複数設けられており、平面視で四方向に分割され、フロント部、バック部、レフト部、およびライト部に分けられている。そして、この分割されたフロント部、バック部、レフト部、およびライト部は、それぞれ独立に照明光の強度が制御されるようになっている。
【００３９】
照明装置２０は、発光光源としてのキセノンフラッシュランプ２１と、キセノンフラッシュランプ２１から拡散する照明光を集光するレンズ２２，２３と、照明光を光軸Ａに向かって反射する反射ミラー２４とを備えている。そして、光軸Ａ上には、反射ミラー２４で反射された照明光をワークＷに向かって反射するハーフミラー２５が設けられており、キセノンフラッシュランプ２１から照射された照明光は、光軸Ａに沿って直上からワークＷに照射されるようになっている。また、ワークＷで反射された反射光は、撮像手段３０に向かってハーフミラー２５を透過できるようになっている。キセノンフラッシュランプ２１は、ケーブル２を介して装置制御部６０に設けられた照明制御装置７１に接続されている。
【００４０】
照明装置２０のレンズ２２，２３間、すなわちキセノンフラッシュランプ２１からワークＷに向かって照射される照明光を遮る位置には、ワークＷに格子パターンを投影する格子フィルタ２６が設けられている。この格子フィルタ２６は、互いに平行に形成され、キセノンフラッシュランプ２１の照明光を透過可能な複数のスリット２６Ａ（図５）を有しており、これらのスリット２６Ａを通過した照明光によりワークＷに格子パターン２６Ｂ（図５）が投影されるようになっている。そして、格子フィルタ２６は、回転駆動手段４０により回転駆動可能に構成されている。回転駆動手段４０は、駆動モータ４１を備えており、この駆動モータ４１は、ケーブル２を介して装置制御部６０に設けられたモータ制御装置７２に接続されている。
【００４１】
撮像手段３０は、光軸Ａに沿って配置されワークＷからの反射光を集光する集光レンズ３１，３２と、集光レンズ３１，３２からの光を受光する電荷結合素子３３を有するＣＣＤカメラ３４とを備えて構成されている。
ＣＣＤカメラ３４は、ワークＷからの反射光を電荷結合素子３３で受光し、ワークＷの画像を撮像する。撮像された画像は、有限個の画素から構成された画像データであり、例えば画像サイズは５１２×５１２画素である。各画素は例えば８ビットのデータであり、この８ビットのデータは、受光した光の強度を０〜２５５の２５６階調に区分した濃淡値（受光強度値）で示す。また、ＣＣＤカメラ３４は、１秒間に数十フレーム例えば３０フレーム（３０ｆｐｓ  ）の画像を連続的に取得することができるようになっている。そして、ＣＣＤカメラ３４からの画像データは、ケーブル２を介して装置制御部６０に設けられたカメラ制御部としてのフレームグラバ７４に出力される。
【００４２】
撮像手段３０とワークＷとの間隔距離（フォーカス距離）は、筐体１１を光軸Ａに沿った方向（Ｚ方向）に駆動する距離駆動手段としての５０により調整可能に構成されている。距離駆動手段５０は、ステージ１２側に設けられ光軸Ａに平行に延びるガイドレール５１と、このガイドレール５１に沿って駆動され筐体１１に取り付けられた駆動部５２とを備えている。そして、駆動部５２は、ケーブル２を介して装置制御部６０に設けられたフォーカス制御装置７３に接続されている。なお、これらのガイドレール５１および駆動部５２は、ラックおよびピニオンやウォームギア等から構成でき、その際、駆動部５２がサーボモータ等を有していればよい。また、ガイドレール５１および駆動部５２がリニアモータ等から構成されていてもよい。
【００４３】
装置制御部６０は、ＣＣＤカメラ３４からの画像データを受け取って画像処理し、出力表示するコンピュータ６１と、このコンピュータ６１に接続された照明制御装置７１、モータ制御装置７２、およびフォーカス制御装置７３と、コンピュータ６１に一体に設けられたフレームグラバ７４とを備えて構成されている。照明制御装置７１は、コンピュータ６１からの指令を受け、照明装置２０に印加する印加電流を制御することで、照明装置２０の点灯を制御する。モータ制御装置７２は、コンピュータ６１からの指令を受け、回転駆動手段４０の駆動モータ４１に印加する印加電流を制御することで、駆動モータ４１の駆動を制御し、格子フィルタ２６の回転駆動を制御する。フォーカス制御装置７３は、コンピュータ６１からの指令を受け、距離駆動手段５０の駆動部５２に印加する印加電流を制御することで、駆動部５２の駆動を制御し、筐体１１の光軸Ａに沿った移動を制御する。フレームグラバ７４は、コンピュータ６１からの指令を受け、撮像手段３０に外部トリガ信号（パルス）を送信してＣＣＤカメラ３４の露光を制御する。
なお、照明制御装置７１、モータ制御装置７２、およびフォーカス制御装置７３は、コンピュータ６１と一体に設けられていてもよく、また、カメラ制御手段は、コンピュータ６１と別体に設けられていてもよい。
【００４４】
図２において、コンピュータ６１は、画像測定に関する各種のパラメータ（指示値）を設定入力する入力手段６２と、各種のプログラムやデータを記憶し格納する記憶手段としてのメモリ６３と、ＣＣＤカメラ３４からの画像データを処理する画像処理手段としての画像処理部６４と、画像処理部６４での処理結果を出力表示する表示手段としての表示部（ＣＲＴ）６５とを備えている。そして、コンピュータ６１は、装置制御部６０全体を制御する演算手段としてのＣＰＵ（中央制御装置）６６を備え、ＣＰＵ６６と、入力手段６２、メモリ６３、画像処理部６４、ＣＲＴ６５とは、バスを介して接続されている。
【００４５】
また、照明制御装置７１、モータ制御装置７２、フォーカス制御装置７３、およびフレームグラバ７４は、図２に示すように、照明制御部（照明制御装置）７１、モータ制御部（モータ制御装置）７２、フォーカス制御部（フォーカス制御装置）７３、およびカメラ制御部（フレームグラバ）７４として、それぞれコンピュータ６１に実装された機能の一部として組み込むことができる。さらに、照明制御部７１、モータ制御部７２、フォーカス制御部７３、およびカメラ制御部７４を、プログラミングされたソフトウェアとしてメモリ６３に記憶させ、ＣＰＵ６６にて演算処理することで、照明装置２０や、回転駆動手段４０、距離駆動手段５０、および撮像手段３０を制御するように構成してもよい。
【００４６】
入力手段６２は、外部に臨んで設けられ手動操作可能に設けられたレバーあるいはボタン等で構成されている。入力手段６２では、照明装置２０や、回転駆動手段４０、距離駆動手段５０、および撮像手段３０を制御するための指示値が入力される。そして、入力手段６２で設定入力された指示値はバスを介してＣＰＵ６６に送られる。
ＣＰＵ６６は、入力手段６２から送られた指示値に基づいて、照明制御部７１、モータ制御部７２、フォーカス制御部７３、およびカメラ制御部７４に指令して、照明装置２０や、回転駆動手段４０、距離駆動手段５０、および撮像手段３０を制御する。さらに、ＣＰＵ６６は、メモリ６３に記憶されたプログラム（例えば、コントラスト値算出プログラム、フォーカス位置算出プログラム等）を読み出し、これらのプログラムを実行することによって、撮像手段３０のワークＷに対するフォーカス距離を検出する。
画像処理部６４は、撮像手段３０で撮像された画像データを処理してエッジ検出等を行い、ワークＷの形状、寸法、色等を演算処理にて求める。
ＣＲＴ６５は、画像処理部６４で求められた画像測定結果を表示する。
【００４７】
次に、画像測定装置１における画像測定方法について、図３ないし図９に基づいて説明する。図３および図４は、画像測定装置１における画像測定方法を示すフローチャート、およびフォーカス検出における画像入力工程を示すフローチャートである。
【００４８】
図３において、先ず、入力手段６２から指示値を入力する（ＳＴ１）。この指示値としては、照明装置２０や、回転駆動手段４０、距離駆動手段５０、および撮像手段３０を制御するための指示値や、画像測定の実行範囲やフォーカス検出範囲を設定するための指示値等がある。
指示値が入力されると、ＣＰＵ６６は、照明制御部７１、モータ制御部７２、フォーカス制御部７３、およびカメラ制御部７４に指令して、照明装置２０や、回転駆動手段４０、距離駆動手段５０、および撮像手段３０を初期化する（ＳＴ２）。
次に、ＣＰＵ６６は、照明制御部７１、モータ制御部７２、フォーカス制御部７３、およびカメラ制御部７４に指令して、照明装置２０や、回転駆動手段４０、距離駆動手段５０、および撮像手段３０を制御して、画像情報Ｐ１（図７（Ａ））を取得する（ＳＴ３）。
【００４９】
画像入力工程ＳＴ３では、図４に示すように、照明装置２０や、回転駆動手段４０、距離駆動手段５０、および撮像手段３０を連動させて、多重露光により撮像された画像情報Ｐ１が取得される。
すなわち、ＳＴ３１において、回転駆動手段４０の駆動モータ４１を駆動して格子フィルタ２６を回転させるとともに、距離駆動手段５０の駆動部５２を駆動して筐体１１および撮像手段３０をワークＷから離れる方向（または、近づく方向）に移動開始させる。これに続いて、撮像手段３０のＣＣＤカメラ３４の露光を開始する（ＳＴ３２）。
そして、格子フィルタ２６の回転角度に応じて、所定の回転角度ごとに照明装置２０のキセノンフラッシュランプ２１をフラッシュ点灯させる（ＳＴ３３）。このキセノンフラッシュランプ２１をフラッシュ点灯を指示値に応じた回数（多重露光回数）だけ繰り返す（ＳＴ３４）。その後、ＣＣＤカメラ３４の露光を終了する（ＳＴ３５）とともに、回転駆動手段４０の駆動モータ４１を停止して格子フィルタ２６の回転を停止させ、距離駆動手段５０の駆動部５２を停止して筐体１１および撮像手段３０の移動を停止させる（ＳＴ３６）。
【００５０】
以上のＳＴ３１〜ＳＴ３６により取得される画像情報について、図５〜図７に基づいて説明する。図５および図６は、フォーカス検出における格子フィルタ２６および格子パターン２６Ｂが投影されたワークＷを模式的に示す図である。図７（Ａ），（Ｂ）は、フォーカス検出における多重露光により取得された画像情報Ｐ１、およびフォーカス検出範囲の画像情報Ｐ２を模式的に示す図である。
【００５１】
格子フィルタ２６のスリット２６Ａを通過したキセノンフラッシュランプ２１の照明光は、図５、６に示すように、格子フィルタ２６の回転角度に応じた格子パターン２６ＢとしてワークＷに投影される。なお、図６（Ａ）〜（Ｄ）には、所定回転角度として３０度ごとに投影された格子パターン２６Ｂが示されている。そして、これらの格子パターン２６Ｂが投影されたワークＷを多重露光によって撮像したことにより、図７（Ａ）に示すように、１つの画像情報Ｐ１中に、複数角度の格子パターン２６Ｂが重なって撮像されている。また、図７（Ｂ）には、取得された画像情報Ｐ１のうち、フォーカス検出を実行する範囲の画像情報Ｐ２が拡大されて示されている。
なお、格子パターン２６Ｂを投影する所定回転角度は、入力手段６２から入力する指示値によって設定可能であり、例えば、０度から９０度までを９分割した１０度とすることができる。所定回転角度を１０度とした場合には、０度から９０度までの１０通りの格子パターン２６ＢがワークＷに投影され、これらの格子パターン２６Ｂが多重露光された画像情報Ｐ１が取得されることとなる。
また、距離駆動手段５０を駆動する速度は、入力手段６２から入力する指示値によって設定可能であり、例えば、格子フィルタ２６を１０度回転させるごとに、０．５ｍｍずつ移動するように設定することができる。
【００５２】
次に、再び図３を参照して、画像入力工程ＳＴ３で取得された画像情報Ｐ１のうち、フォーカス検出を実行する範囲の画像情報Ｐ２に関して、格子フィルタ２６の所定回転角度ごとのコントラスト値を算出する（ＳＴ４）。このコントラスト値算出工程ＳＴ４は、周波数変換工程ＳＴ４１と、積画像生成工程ＳＴ４２と、パワー積算工程ＳＴ４３とを備えている。周波数変換工程ＳＴ４１、および積画像生成工程ＳＴ４２では、図８（Ａ），（Ｂ）に模式的に示す、画像情報Ｐ２を周波数領域に変換した周波数領域情報Ｆ１、および周波数領域情報Ｆ１に周波数フィルタを重ね合わせて生成した積画像Ｆ２が得られる。
【００５３】
すなわち、周波数変換工程ＳＴ４１において、画像情報Ｐ２を構成する画素の濃淡値を、二次元フーリエ変換により周波数領域へ変換して、周波数領域情報Ｆ１が算出される。また、積画像生成工程ＳＴ４２において、周波数領域情報Ｆ１に、所定回転角度ごとの格子パターン２６Ｂに関する周波数フィルタを重ね合わせ（掛け合わせ）て、所定回転角度ごとの積画像Ｆ２が生成される。ここで、格子パターン２６Ｂに関する周波数フィルタは、予めワークＷが載置されない状態で投影した格子パターン２６Ｂを、格子フィルタ２６の所定回転角度ごとに撮像し、この撮像したデータを周波数変換したものである。このような周波数フィルタは、所定回転角度ごとの格子パターン２６Ｂに対応して予め用意され、メモリ６３に記憶されている。
なお、周波数フィルタは、実際に撮像した格子パターン２６Ｂに基づくものに限らず、計算機等を用いたシミュレーションによって作成した格子パターンの画像情報から周波数変換したものであってもよい。
【００５４】
そして、パワー積算工程ＳＴ４３では、所定回転角度ごとの積画像Ｆ２の各々について、積画像を構成する画素ごとのパワーを積算して、積画像Ｆ２のコントラスト値を算出する。すなわち、所定回転角度ごとの積画像Ｆ２は、周波数領域情報Ｆ１と所定回転角度ごとの周波数フィルタとを掛け合わせて生成されているため、積画像Ｆ２ごとに撮像された格子パターン２６Ｂのコントラストが異なり、このコントラストが大きい（フォーカスが合っている）ほど、積算したパワーＷｉ（積画像Ｆ２のコントラスト値）が大きくなる。
以上のコントラスト値算出工程ＳＴ４における各処理は、撮像手段３０で取得された画像情報Ｐ１，Ｐ２と、メモリ６３から読み出したコントラスト値算出プログラムとに基づいて、ＣＰＵ６６が演算することで実行されるようになっている。
【００５５】
次に、フォーカス位置算出工程ＳＴ５において、ＣＰＵ６６は、メモリ６３からフォーカス位置算出プログラムを読み出し、所定回転角度ごとの積画像Ｆ２のコントラスト値に基づいてフォーカス位置を算出する。すなわち、回転駆動手段４０および距離駆動手段５０は、モータ制御部７２およびフォーカス制御部７３を介したＣＰＵ６６の指令によって連動して駆動されているため、格子フィルタ２６の回転角度と、撮像手段３０およびワークＷの間隔距離（フォーカス距離Ｚ）とは、一義的に関係づけられている。このため、格子フィルタ２６の回転角度をフォーカス距離Ｚに置き換え、このフォーカス距離Ｚと積画像Ｆ２のパワーＷｉ（コントラスト値）とは、図９のグラフに示す曲線のようになる。図９において、グラフは、横軸をフォーカス距離Ｚとし、縦軸をパワーＷｉ（コントラスト値）とし、積画像Ｆ２ごとのパワーＷｉをプロットしたもので、これらのプロット点が回帰曲線で結ばれている。この曲線は、ピーク値を有した形状になっており、このピーク値に対応したフォーカス距離Ｚが、フォーカス位置を示すフォーカス距離Ｚｆとなる。
【００５６】
このようなフォーカス位置を示すフォーカス距離Ｚｆは、積画像Ｆ２ごとのパワーＷｉおよびフォーカス距離Ｚｉから、次の式で算出される。
【００５７】
【数  １】
2005017805.tif 000003
【００５８】
以上のように、フォーカス位置を示すフォーカス距離Ｚｆは、積画像Ｆ２ごとのフォーカス距離Ｚｉに、積画像Ｆ２ごとのパワーＷｉを掛け、重み付け平均して算出されるため、積画像Ｆ２ごとのフォーカス距離Ｚｉのうちの１つと、フォーカス距離Ｚｆとが一致していなくても、精度よくフォーカス距離Ｚｆを算出できるようになっている。
以上のＳＴ３〜ＳＴ５によって、本発明のフォーカス検出方法が構成されている。
なお、フォーカス位置算出工程ＳＴ５において、積画像Ｆ２ごとのパワーＷｉにピーク値が現れない場合、すなわち、撮像したフォーカス距離Ｚの範囲にフォーカス位置がない場合には、距離駆動手段５０の制御範囲を初期化、変更して、ＳＴ２〜ＳＴ５の各工程を再度実行するようにしてもよい。
【００５９】
次に、算出されたフォーカス位置（フォーカス距離Ｚｆ）に従って、ＣＰＵ６６は、フォーカス制御部７３に指令して、距離駆動手段５０を駆動し、フォーカス位置を調整し（ＳＴ６）、カメラ制御部７４に指令して、撮像手段３０を制御し、測定用の画像を撮像する（ＳＴ７）。
そして、撮像された画像データが画像処理部６４に入力され、画像処理部６４で画像処理を実行し（ＳＴ８）、画像測定結果をＣＲＴ６５に表示して画像測定が終了する。
【００６０】
なお、画像入力工程ＳＴ３で取得する画像情報Ｐ１は、１つに限らず、２つ以上の複数の画像情報Ｐ１を取得するように構成してもよい。複数の画像情報Ｐ１を撮像する際には、回転駆動手段４０および距離駆動手段５０を駆動する速度を一定にして、撮像手段３０の移動距離を長くして、フォーカス距離Ｚの範囲を拡げてもよい。また、撮像手段３０の移動距離が一定であれば、距離駆動手段５０の駆動速度を遅くするか、または、回転駆動手段４０の駆動速度を上げ、かつ照明装置２０のフラッシュ間隔を短くすることで、画像情報Ｐ１におけるフォーカス距離Ｚの分割間隔を小さくしてもよい。この際、１つの画像情報Ｐ１を撮像する間に、格子フィルタ２６を１８０度（１サイクル）ずつ回転させるようにすれば、１つの画像情報中に含まれる格子パターン２６Ｂ同士の角度が重ならず、画像情報の数に応じたフォーカス検出範囲についてフォーカス検出を確実に実行できる。
そして、複数の画像情報Ｐ１は、一度の画像入力工程ＳＴ３の中で連続的に撮像可能であり、コントラスト値算出工程ＳＴ４、およびフォーカス位置算出工程ＳＴ５では、複数の画像情報Ｐ１の各々について演算処理を実行すればよい。このようにすることで、フォーカス検出可能な距離を延長して、調整範囲を拡大することができる。または、フォーカス距離Ｚを細かく分割することで、フォーカス検出の精度を向上させることができる。
【００６１】
以上のような本実施形態によれば、次のような効果が得られる。
（１）撮像手段３０で撮像する画像情報Ｐ１は、多重露光により撮像されるので、距離駆動手段５０により制御される撮像手段３０およびワークＷの間隔距離（フォーカス距離Ｚ）について、複数位置で撮像された情報が画像情報Ｐ１に含まれている。従って、複数の距離位置で複数の画像を撮像する必要がなく、画像情報Ｐ１を撮像するための時間を短縮できる。さらに、複数の画像を画像処理する必要もないため、画像処理に掛かる時間も短縮でき、フォーカス検出を高速に実行することができる。
【００６２】
（２）距離駆動手段５０および回転駆動手段４０が連動して駆動されるので、フォーカス距離Ｚに応じて、撮像した画像情報Ｐ１に含まれる格子パターン２６Ｂのコントラストが変化し、フォーカス位置のフォーカス距離Ｚｆに近い位置で撮像された格子パターン２６Ｂのコントラストが高くなる。これにより、多重露光により複数の回転角度位置の格子パターン２６Ｂが撮像された１つの画像情報Ｐ１から、コントラストの高い回転角度位置を算出することで、フォーカス位置を高精度に検出することができる。
【００６３】
（３）多重露光により撮像する際に投影される格子パターン２６Ｂの格子角度を細かくする、すなわち回転駆動手段４０を制御して、所定回転角度を小さくすることが容易に実行できるので、回転角度に応じて求められるフォーカス位置の検出精度を向上させることができる。
【００６４】
（４）画像測定の際にワークＷを撮像する撮像手段３０により、測定用画像撮像に先立ち、フォーカス検出用の画像情報Ｐ１を取得し、この画像情報Ｐ１に基づいてフォーカス位置を算出することができるので、従来の画像測定装置のようなラインセンサやコントラスト演算回路等を不要にでき、装置を簡単な構造にし、かつ小型化することができる。
【００６５】
（５）画像入力工程ＳＴ３で取得した画像情報Ｐ１を、周波数変換工程ＳＴ４１によって周波数領域情報Ｆ１に変換することで、所定回転角度ごとのコントラスト値を算出する処理を高速に実行できる。また、周波数領域情報Ｆ１を算出する手法として、二次元フーリエ変換（二次元ＦＦＴ）を採用することで、周波数変換工程ＳＴ４１における処理を高速に実行することができる。
【００６６】
（６）周波数領域情報Ｆ１に変換する画像情報Ｐ１として、フォーカス検出を実行する範囲の画像情報Ｐ２のみを周波数領域へ変換するようにすれば、撮像手段３０による撮像範囲全体の中で、焦点を合わせたい範囲を選択することができるので、ワークＷの表面形状に凹凸がある場合でも、フォーカス検出の精度を向上させることができる。
【００６７】
（７）さらに、焦点を合わせたい範囲のみについて、周波数変換工程ＳＴ４１、積画像生成工程ＳＴ４２、パワー積算工程ＳＴ４３、およびフォーカス位置算出工程ＳＴ５を実行すればよいので、これらの処理に掛かる情報量を低減して、処理を高速化することができる。
【００６８】
（８）また、照明装置２０、距離駆動手段５０、および回転駆動手段４０に連動させて、撮像手段３０の撮像動作を制御することで、画像情報Ｐ１の取得を効率よく実施することができる。さらに、これらをコンピュータ６１で制御することで、各装置および手段を連動させて、確実に動作させることができ、フォーカス検出の精度を確保することができる。
【００６９】
（９）照明装置２０を格子フィルタ２６の回転角度に対応した時間間隔でフラッシュ状に点灯することで、多重露光により取得される画像情報Ｐ１中の所定角度ごとの格子パターン２６Ｂを、ぶれることなく鮮明に撮像することができる。
【００７０】
（１０）フォーカス位置を算出する演算が、コンピュータ６１で実行されることで、取得された画像情報Ｐ１から瞬時にフォーカス位置を算出することができ、フォーカス検出にかかる作業効率を向上させることができる。この際、コンピュータ６１のメモリ６３にコントラスト値算出手順、フォーカス位置算出手順や、予め求めた格子パターン２６Ｂの周波数フィルタ、積画像Ｆ２の生成手順等を、プログラムまたはデータとして記憶しておき、ＣＰＵ６６段でプログラム等を読み出して実行することで、フォーカス検出にかかる処理をさらに効率的に実施できる。
【００７１】
（１１）多重露光により複数位置で撮像された画像情報Ｐ１を２つ以上の複数個取得すれば、フォーカス検出可能な距離を延長して、調整範囲を拡大することができる。または、フォーカス距離Ｚを細かく分割することで、フォーカス検出の精度を向上させることができる。
【００７２】
〔第２実施形態〕
図１０（Ａ），（Ｂ）は、第２実施形態に係る画像測定装置における装置本体部１０Ａ，１０Ｂの概略構成を示す図である。第２実施形態の画像測定装置では、フォーカス検出用の撮像手段８０が、画像測定用のＣＣＤカメラ３４と別体に設けられた点が前述の第１実施形態と相違する。それ以外の構成（照明装置２０や装置制御部６０）は、第１実施形態と略同様である。
【００７３】
図１０（Ａ）において、撮像手段８０は、光軸Ａ上におけるハーフミラー２５と集光レンズ３１との間に配置されたハーフミラー８１と、ハーフミラー８１からの反射光の光軸上に配置されたフーリエ変換レンズ８２と、フーリエ変換レンズ８２を通過した光を受光する電荷結合素子８３を有するＣＣＤカメラ８４とを備えて構成されている。ワークＷからの反射光はハーフミラー８１によって、その一部が集光レンズ３１，３２およびＣＣＤカメラ３４の側へ透過し、残りの一部がフーリエ変換レンズ８２およびＣＣＤカメラ８４の側へ反射されるようになっている。
【００７４】
図１０（Ｂ）において、撮像手段８０は、第１実施形態の反射ミラー２４に代えて配置されたハーフミラー８１と、ハーフミラー８１からの透過光の光軸上に配置されたフーリエ変換レンズ８２と、フーリエ変換レンズ８２を通過した光を受光する電荷結合素子８３を有するＣＣＤカメラ８４とを備えて構成されている。すなわち、ハーフミラー８１は、照明装置２０からの照明光をハーフミラー２５に向かって反射するとともに、ハーフミラー２５で反射されたワークＷからの反射光をフーリエ変換レンズ８２およびＣＣＤカメラ８４の側へ透過するようになっている。
【００７５】
そして、図１０（Ａ），（Ｂ）いずれにおいても、ハーフミラー８１からの光（ワークＷの実像）は、フーリエ変換レンズ８２に入射し、フーリエ変換された光（フーリエ変換像）として射出される。そして、このフーリエ変換された光は、フーリエ変換画像としてＣＣＤカメラ８４の電荷結合素子８３で受光、撮像される。ＣＣＤカメラ８４で撮像されたフーリエ変換画像は、フーリエ変換画像情報（データ）として、図示しないケーブルおよびフレームグラバを介してコンピュータに出力される。また、ＣＣＤカメラ８４は、コンピュータからの指令を受けたフレームグラバから送信される外部トリガ信号（パルス）で露光制御されるようになっている。
【００７６】
以上のような本実施形態の画像測定装置における画像測定方法は、図３、４のフローチャートに基づいて説明した第１実施形態の場合と略同様であり、図３中のコントラスト値算出工程ＳＴ４に含まれる周波数変換工程ＳＴ４１が省略される点が相違する。すなわち、本実施形態において、フーリエ変換レンズ８２を通過した光は、周波数変換された光（フーリエ変換像）となるため、第１実施形態における周波数変換工程ＳＴ４１を省略することができる。
なお、本実施形態において、画像入力工程ＳＴ３において制御されるＣＣＤカメラとは、撮像手段８０が有するＣＣＤカメラ８４を意味する。
また、フーリエ変換レンズ８２を用いて周波数変換を実行する本実施形態では、画像入力工程ＳＴ３における発光光源（キセノンフラッシュランプ２１）をフラッシュ点灯（ＳＴ３３）させなくてもよい。このため、発光光源としてフラッシュ点灯しないハロゲンランプを利用してもよい。
【００７７】
以上のような本実施形態によれば、前述の（１）〜（３）、（８）〜（１１）の効果と略同様の効果に加えて、次のような効果が得られる。
（１２）フーリエ変換レンズ８２を採用したことで、フーリエ変換レンズ８２を通過したワークＷの反射光がフーリエ変換画像情報としてＣＣＤカメラ８４で撮像されるので、専用の演算回路や計算機等を用いた周波数変換演算を実行しなくてもよく、演算に掛かる時間を短縮して、フォーカス検出をより高速に実行することができる。
【００７８】
なお、本発明のフォーカス検出方法、フォーカス検出機構、およびフォーカス検出機構を備えた画像測定装置は、上述の実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えることができる。
【００７９】
例えば、前記実施形態では、画像測定装置１は、それぞれ別体として設けられた装置本体部１０および装置制御部６０を備えて構成されていたが、これに限らず、これらの装置本体部および装置制御部が一体に構成されていてもよい。また、装置本体部１０には、照明装置２０、撮像手段３０、回転駆動手段４０、距離駆動手段５０が一体に設けられていたが、照明装置および回転駆動手段を一体とし、撮像手段および距離駆動手段を一体として、これらをそれぞれ別体として設けてもよい。
【００８０】
また、前記実施形態では、装置制御部６０が、メモリ６３や画像処理部６４、ＣＰＵ６６等を備えるコンピュータ６１を備えたが、これに限らず、記憶手段や演算手段等をそれぞれ個別の機器で構成してもよい。また、装置制御部６０と装置本体部１０とは、ケーブル２で接続されたものに限らず、制御信号や画像データ等が無線の通信手段により送受信可能に構成されてもよい。
【００８１】
また、前記実施形態では、照明装置２０をフォーカス検出用として使用したが、これに限らず、格子フィルタを発光光源の前方位置に対して移動可能に設ければ落射照明としても利用可能である。また、照明装置２０の発光光源としてキセノンフラッシュランプ２１を採用したが、これに限らず、発光ダイオードを採用してもよい。さらに、照明装置２０の発光光源がフラッシュ点灯する構成としたが、これに限らず、発光光源とワークとの間、あるいはワークと撮像手段との間にシャッター装置を設け、このシャッター装置を開閉することで、照明装置２０からの照明光を断続的に遮り、格子フィルタの格子パターンを所定回転角度ごとに撮像するように構成することも可能である。このようにすれば、キセノンフラッシュランプや発光ダイオードの他に、フラッシュ点灯しないハロゲンランプを発光光源として利用できるようになる。
【００８２】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明のフォーカス検出方法、フォーカス検出機構、およびこのフォーカス検出機構を備えた画像測定装置によれば、高速かつ高精度なフォーカス検出を実行できるという効果を奏し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る画像測定装置の概略構成を示す図である。
【図２】前記画像測定装置の構成を示すブロック図である。
【図３】前記画像測定装置における画像測定方法を示すフローチャートである。
【図４】前記画像測定方法における画像入力工程を示すフローチャートである。
【図５】前記画像測定方法のフォーカス検出時の格子フィルタ、および格子パターンが投影されたワークを模式的に示す図である。
【図６】（Ａ）〜（Ｄ）は、前記格子パターンが投影されたワークを模式的に示す図である。
【図７】（Ａ）、（Ｂ）は、前記フォーカス検出時に取得される画像情報、およびフォーカス検出範囲の画像情報を模式的に示す図である。
【図８】（Ａ）、（Ｂ）は、前記フォーカス検出範囲の画像情報を周波数領域に変換した周波数領域情報、および周波数領域情報に基づいて生成される積画像を模式的に示す図である。
【図９】前記積画像のパワーをフォーカス距離についてグラフ化した図である。
【図１０】（Ａ）、（Ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る画像測定装置の一部の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
１      画像測定装置
２０      照明装置
２１      ハロゲンランプ（発光光源）
２６      格子フィルタ
２６Ｂ      格子パターン
３０，８０      撮像手段
４０      回転駆動手段
５０      距離駆動手段
６１      コンピュータ
６３      メモリ（記憶手段）
６６      ＣＰＵ（演算手段）
７１      照明制御装置（照明制御部）
７２      モータ制御装置（モータ制御部）
７３      フォーカス制御装置（フォーカス制御部）
７４      フレームグラバ（カメラ制御部）
８２      フーリエ変換レンズ
Ａ      光軸
Ｆ１      周波数領域情報
Ｆ２      積画像
Ｐ１，Ｐ２      画像情報
ＳＴ３      画像入力工程
ＳＴ４      コントラスト値算出工程
ＳＴ４１      周波数変換工程
ＳＴ４２      積画像生成工程
ＳＴ４３      パワー積算工程
ＳＴ５      フォーカス位置算出工程
Ｗ      ワーク（被測定物）
Ｗｉ      パワー
Ｚ，Ｚｆ，Ｚｉ      フォーカス距離（間隔距離）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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