(57)【要約】【課題】物体の形状に関する情報を算出する際の調整の簡易化、または計測時間の短縮に有利な計測方法を提供する。【解決手段】この計測方法は、撮像素子を用いて物体を撮像して得られた画像に基づいて物体の形状に関する情報を算出するものであり、物体の設計情報を取得する取得工程Ｓ１０１と、取得工程Ｓ１０１で取得された設計情報から特定した物体のフォーカス方向の計測位置に、撮像素子を含む光学系のフォーカス位置を設定する設定工程Ｓ１０２と、設定工程Ｓ１０２で設定されたフォーカス位置で物体を撮像する撮像工程Ｓ１０４と、撮像工程Ｓ１０４で撮像された画像に基づいて物体の形状に関する情報を算出する算出工程Ｓ１０７とを含む。【選択図】図２
2016156745.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像素子を用いて物体を撮像して得られた画像に基づいて前記物体の形状に関する情報を算出する計測方法であって、
前記物体の設計情報を取得する取得工程と、
前記取得工程で取得された前記設計情報から特定した前記物体のフォーカス方向の計測位置に、前記撮像素子を含む光学系のフォーカス位置を設定する設定工程と、
前記設定工程で設定された前記フォーカス位置で前記物体を撮像する撮像工程と、
前記撮像工程で撮像された前記画像に基づいて前記物体の形状に関する情報を算出する算出工程と、
を含むことを特徴とする計測方法。
【請求項２】
前記取得工程において、前記物体の設計情報として、高さが互いに異なる２つの面の位置を取得し、
前記設定工程において、前記２つの面の位置に順に前記フォーカス位置を設定し、
前記撮像工程において、各フォーカス位置で前記物体を撮像する、
ことを特徴とする請求項１に記載の計測方法。
【請求項３】
前記撮像工程で撮像された前記画像を、前記設計情報に基づく前記物体の位置に合わせる位置合わせ工程を含み、
前記算出工程は、前記位置合わせ工程で合わせられた前記画像に基づいて前記物体の形状に関する情報を算出する、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の計測方法。
【請求項４】
前記算出工程は、前記画像から前記物体のエッジを検出することで前記物体の寸法を算出することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の計測方法。
【請求項５】
前記物体の前記計測位置にあるエッジに面取りが施されている場合、
前記設定工程は、前記設定されたフォーカス位置に、前記面取りの量により決定されるオフセット量を含ませる、
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の計測方法。
【請求項６】
前記設計情報は、前記物体のＣＡＤデータであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の計測方法。
【請求項７】
物体を撮像して得られた画像に基づいて前記物体の形状に関する情報を算出する計測装置であって、
前記物体を撮像する撮像素子を含む光学系と、
前記光学系のフォーカス位置を可変とする位置可変手段と、
前記物体の設計情報から特定した前記物体のフォーカス方向の計測位置に前記光学系のフォーカス位置を設定して、前記位置可変手段に、前記設定されたフォーカス位置を調整させた後、前記撮像素子に前記物体を撮像させ、前記撮像された前記画像に基づいて前記物体の形状に関する情報を算出する制御部と、
を有することを特徴とする計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測方法および計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
載置台上に置かれた物体に光を照明し、その物体を撮像して得られた画像からエッジ検出を行うことで、物体の寸法（形状）を計測する方法がある。この方法では、物体を撮像する際に焦点深度から外れる部分の画像がぼやけて不鮮明になる場合があり、このような画像の不鮮明さは、高精度に形状を求める上で望ましくない。そこで、特許文献１は、複数の画像を取得し、各画像から焦点深度範囲内の画像領域を抽出し、それぞれの画像領域をつなぎ合わせることで、物体の全体においてピントの合った画像を取得する立体形状検査機を開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３１３０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、複数の焦点が合った画像を取得するために、画像取得の度にＺ軸方向のオートフォーカスにてフォーカス位置調整を行ったり、フォーカス位置調整を行うティーチングプログラムを作成する必要がある。
【０００５】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、例えば、物体の形状に関する情報を算出する際の調整の簡易化、または計測時間の短縮に有利な計測方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は、撮像素子を用いて物体を撮像して得られた画像に基づいて物体の形状に関する情報を算出する計測方法であって、物体の設計情報を取得する取得工程と、取得工程で取得された設計情報から特定した物体のフォーカス方向の計測位置に、撮像素子を含む光学系のフォーカス位置を設定する設定工程と、設定工程で設定されたフォーカス位置で物体を撮像する撮像工程と、撮像工程で撮像された画像に基づいて物体の形状に関する情報を算出する算出工程と、を含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、例えば、物体の形状に関する情報を算出する際の調整の簡易化、または計測時間の短縮に有利な計測方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態に係る計測装置の構成を示す図である。
【図２】一実施形態における計測工程の流れを示すフローチャートである。
【図３】物体の基準面位置と設計情報における高さとの関係を示す図である。
【図４】物体の設計情報とＸＹ投影形状と画像の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。
【００１０】
まず、本発明の一実施形態に係る計測方法の説明に際し、この計測方法を適用し得る計測装置の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る計測装置１２の構成を示す概略図である。計測装置１２は、部品または部品を製造するための金型などの物体４を被計測物とし、物体４の表面位置を非接触で計測することで物体４の形状に関する情報を算出し、ひいては物体４の形状を特定する非接触３次元計測装置である。なお、以下の各図において、物体４が載置される載置台５の表面５ａ内に互いに直交するＸ軸およびＹ軸を取り、ＸＹ平面に垂直な方向にＺ軸を取っている。
【００１１】
計測装置１２は、光源１と、コリメートレンズ２ａと、対物レンズ２ｂと、結像レンズ２ｃと、ハーフミラー３と、撮像素子７と、載置台５と、制御部１０とを備える。このうち、コリメートレンズ２ａ、対物レンズ２ｂ、結像レンズ２ｃ、ハーフミラー３および撮像素子７は、投光系および受光系を含む光学系である。光源１は、インコヒーレントな光源であり、例えばＬＥＤやランプである。光源１から射出された光束は、コリメートレンズ２ａで平行光束にされ、ハーフミラー３を透過し、対物レンズ２ｂを経て、載置台（部材）５上に置かれた物体４に照射される。本実施形態では、載置台５の表面５ａは、Ｚ軸方向の基準面となっている。また、光学系のフォーカス方向は、Ｚ軸方向に沿う方向であるものとする。計測装置１２は、さらに、物体４上の計測すべき位置に高精度にフォーカス位置を調整するため、載置台５をＺ軸方向に移動可能とする駆動部（位置可変手段）８と、載置台５の移動量を計測するＺ軸位置計測部９とを備える。駆動部８は、例えばアクチュエータである。Ｚ軸位置計測部９は、例えばエンコーダである。物体４で反射された光は、対物レンズ２ｂを経てハーフミラー３に戻り、部分的に反射され、さらに結像レンズ２ｃを経て、撮像素子（イメージセンサ）７で画像が取得される。制御部１０は、計測装置１２内の各構成要素の動作制御や、各動作に伴って得られた計測結果などを取得、解析する。特に、制御部１０は、撮像素子７から取得した画像に基づいてエッジ検出を行い、物体４の寸法計測を行わせる。
【００１２】
次に、本実施形態に係る計測方法について説明する。図２は、本実施形態における計測工程の流れを示すフローチャートである。まず、計測工程を開始するに際し、載置台５の基準面５ａ上に物体４が載置される。ここで、基準面５ａとフォーカス面６との間の距離は、予め保証されている。具体的には、基準面５上の基準位置Ｚ０（図３参照）が撮像素子７と共役な条件となる載置台５のＺ軸位置を予め設定しておく。ただし、基準面５ａは、図２に示すように物体４が載置される面と同一面（同一の高さ）に限定されるものではなく、載置台５上でその高さ分も保証するという前提の上、必ずしも物体４が載置される面と同一面でなくともよい。
【００１３】
次に、制御部１０は、物体４の設計情報を取得する（取得工程：ステップＳ１０１）。ここで、物体４の設計情報とは、物体４を製造または成形するに際して用いられた寸法値、面形状やエッジ位置を含む情報であり、例えばＣＡＤデータである。この設計情報は、制御部１０に回線を介して電気的に接続されている記憶部１１に、予め記憶させておくことが望ましい。この場合、制御部１０は、ステップＳ１０１では、記憶部１１から設計情報を適宜読み込む。
【００１４】
次に、制御部１０は、ステップＳ１０１で取得した設計情報から、ＸＹ方向の寸法を計測する（以下、単に「ＸＹ計測」という。）時のフォーカス位置を設定する（設定工程：ステップＳ１０２）。具体的には、制御部１０は、設計情報から読み取った物体４の高さ情報（フォーカス方向の計測位置）と、基準面５ａとに基づいて、ＸＹ計測時のフォーカス位置を算出する。図３は、物体４の設計情報に基づく高さ情報と、Ｚ軸方向の基準面５ａとを示す概念図である。なお、ＸＹ計測位置については、設計情報に登録されていない場合もあるため、ユーザーが設計情報に基づいて簡易的に設定できるようにすることが望ましい。特に本実施形態では、計測装置１２は、ＸＹ計測位置として、第１計測位置Ｘ１と第２計測位置Ｘ２とを計測するものとする。ここで、物体４が載置台５上に載置された後、第１計測位置Ｘ１または第２計測位置Ｘ２を計測するためのフォーカス位置は、基準面５ａからそれぞれＺ１、Ｚ２の高さ位置に設定される。なお、計測位置のエッジ（稜線）に面取りが施されている場合には、フォーカス位置を高さ位置Ｚ１、Ｚ２から規定のオフセット量の分だけ下げた位置（基準面５ａに向かって移動した位置）に設定してもよい。これにより、面取りが施されていることによる計測エラーを低減させることができる。この場合、オフセット量は、ＸＹ計測時にパラメータとしてユーザーが設定できるようにしてもよいし、設計情報から面取り量を読み取り、それに応じて自動で設定してもよい。
【００１５】
次に、制御部１０は、ステップＳ１０２で算出されたフォーカス位置に基づいて、光学系のフォーカス位置が物体４の各面の位置、つまり、Ｚ１又はＺ２の高さ位置に合うように、物体４が載置されている載置台５をＺ軸方向に適宜移動させる（ステップＳ１０３）。この載置台５の移動には、駆動部８とＺ軸位置計測部９とが用いられる。次に、制御部１０は、光源１に光を照射させ、物体４に照射された光の反射強度画像（２次元画像）を撮像素子７に撮像させる（撮像工程：ステップＳ１０４）。
【００１６】
次に、制御部１０は、すべてのフォーカス位置（本実施形態では２つの高さ位置Ｚ１、Ｚ２）での画像取得が完了したかどうかを判断する（ステップＳ１０５）。ここで、制御部１０は、まだ高さ位置Ｚ１をフォーカス位置としての画像しか取得していないと判断した場合には（Ｎｏ）、ステップＳ１０３に戻る。そして、制御部１０は、フォーカス位置が高さ位置Ｚ２となるように載置台５を移動し、高さ位置Ｚ２に対する位置で撮像を行い、物体の画像を取得する。一方、ステップＳ１０５にて、制御部１０は、物体４の有する面の位置に対応するすべてのフォーカス位置での画像取得が完了したと判断した場合には（Ｙｅｓ）、以下のステップＳ１０６に移行する。
【００１７】
次に、制御部１０は、ステップＳ１０４で取得した画像から物体４の位置（または姿勢）を認識し、画像を設計情報に基づく物体の位置に合わせて、物体４のＸＹ計測位置を特定する（位置合わせ工程：ステップＳ１０６）。図４は、物体４の設計情報とＸＹ投影形状の画像との関係を示す図である。まず、制御部１０は、（Ａ）として示す物体４の設計情報から、（Ｂ）として示すＸＹ投影形状を算出する。次に、制御部１０は、ＸＹ投影形状と、ステップＳ１０４で取得した画像との間で、ＸＹ投影形状を移動または回転させながら、両データ間の相関を求める。次に、制御部１０は、最も相関が高くなるＸＹ投影形状の位置（または姿勢）を算出するなどの方法を用いることで、物体４の位置を決定する。そして、制御部１０は、物体４の設計情報に予め登録されているＸＹ計測位置、または、ユーザーが指定したＸＹ計測位置を記憶部１１から取得して、最終的にＸＹ計測位置を合わせ、特定する。これにより、計測装置１２は、（Ｃ）として示すように、ＸＹ計測位置を自動で取得することができるので、ＸＹ方向の基準面を手動で設定する必要がなくなり、計測時の煩雑さを軽減することができる。
【００１８】
そして、制御部１０は、ステップＳ１０６で特定したＸＹ計測位置と、物体４の位置とから画像のエッジ検出を行い、物体４のＸＹ方向の寸法を算出する（算出工程：ステップＳ１０７）。ここで、エッジ検出の方法としては、例えば、画像の輝度情報の変化に基づいてエッジを検出する方法などが挙げられる。
【００１９】
これにより、本実施形態に係る計測方向（計測装置１２）では、まず、光学系のフォーカス位置とＺ軸方向の基準面５ａとの間の距離を予め保証しているので、基準面５ａをユーザーが手動で調整する必要がない。また、物体４の設計情報からフォーカス位置を設定し、そのフォーカス位置に基づいて載置台５を移動させるので、ユーザーがオートフォーカス指示を行う必要がない。同様に、ユーザーが予めフォーカス位置を指定したティーチングプログラムを作成（準備）する必要がないため、簡便かつ高速に物体４の形状に関する情報を算出することができる。したがって、物体４が結像レンズ２ｃの焦点深度以上の段差を有するものであっても、ユーザーが物体４を載置台５上に置くだけで、わずらわしい調整作業を行うことなく、計測装置１２は、計測時間を抑えつつ高精度な計測を行うことができる。
【００２０】
以上のように、本実施形態によれば、物体の形状に関する情報を算出する際の調整の簡易化、または計測時間の短縮に有利な計測方法および計測装置を提供することができる。
【００２１】
なお、上記説明では、フォーカス位置を変化させる際の位置可変手段を、物体４を載置する載置台５とし、載置台５をＺ軸方向に移動させるものとした。しかしながら、本発明はこれに限らず、例えば、撮像素子７を含む光学系、または、撮像素子７を含まず、対物レンズ２ｂ等を含む光学系を位置可変手段として移動させることで、フォーカス位置を変化させるものとしてもよい。さらには、載置台５および上記の光学系がともに位置可変手段として移動するものとしてもよい。また、物体４は互いに高さが異なる２つの面を有する場合の実施形態を説明したが、１つの平面から成る物体４を計測する場合にも上記計測方法を適用することができる。また、上記実施形態では、物体の形状に関する情報として、物体の寸法を算出したが、物体のエッジの位置のみを算出したり、物体の面の輪郭を求めたりすることもできる。
【００２２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。
【符号の説明】
【００２３】
７    撮像素子
１０  制御部
１２  計測装置
【図１】
2016156745.tif 000003
【図２】
2016156745.tif 000004
【図３】
2016156745.tif 000005
【図４】
2016156745.tif 000006