(57)【要約】【課題】撮像手段の撮像方向を変更した場合に、撮像手段の位置を校正可能な画像測定装置の校正方法を提供すること。【解決手段】画像測定装置は、対物レンズ３１を有するＣＣＤカメラ３と、撮像方向を変更させる姿勢変更装置と、ＣＣＤカメラ３とワークとを相対移動させて対物レンズ３１のオートフォーカス機能を有する移動機構と、ＣＣＤカメラ３の位置検出機構とを備える。校正方法は、対物レンズ３１の焦点深度ＤＦ以下の半径寸法に形成された球部１３を有し、その表面を基準面１４とする基準器１０を準備する準備工程と、撮像方向を変更する姿勢変更工程と、移動機構のオートフォーカス機能により、基準面１４に対物レンズ３１の焦点を合わせる焦点調整工程と、位置検出手段により撮像手段の位置情報を検出する位置検出工程とを備え、ＣＣＤカメラ３の位置を校正する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の焦点深度を有する対物レンズ、および、この対物レンズを介してワークを撮像し画像信号として出力する検出素子を有する撮像手段と、
この撮像手段の撮像方向を変更させる姿勢変更手段と、
前記ワークと前記撮像手段とを相対移動させる移動手段と、
前記ワークに対する前記対物レンズの焦点を合わせる焦点調整手段と、
前記撮像手段の測定位置を位置情報として出力する位置検出手段と、を備えた画像測定装置において、前記撮像方向を変更した際に、前記位置情報を校正する画像測定装置の校正方法であって、
前記対物レンズの焦点深度以下の半径寸法に形成された球部を有し、この球部の表面を基準面とする基準器を用意する準備工程と、
前記撮像手段の撮像方向を変更させる姿勢変更工程と、
前記移動手段により前記撮像手段を前記基準器に対して相対移動させて、前記焦点調整手段により前記基準面に前記対物レンズの焦点を合わせる焦点調整工程と、
前記位置検出手段により前記撮像手段の位置情報を検出する位置検出工程と、
を備えることを特徴とする画像測定装置の校正方法。
【請求項２】
請求項１に記載の画像測定装置の校正方法において、
前記移動手段は、前記ワークと前記撮像手段とを三次元方向に相対移動させることを特徴とする画像測定装置の校正方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の画像測定装置の校正方法において、
前記姿勢変更手段は、前記撮像手段の撮像方向を所定の軸中心に回動自在に支持することを特徴とする画像測定装置の校正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像測定装置の校正方法、具体的には、画像信号および位置情報からワークの表面性状を非接触式で測定する画像測定装置の校正方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定物を撮像した画像データに基づいて被測定物の形状、寸法を測定する画像測定機が用いられている。
図６に、従来の画像測定機の全体正面図を示す。
この画像測定機は、ベースとなる架台１と、架台１上に前後に移動自在に支持され、ワークが載置されるテーブル２と、ワークを撮像する撮像手段としてのＣＣＤカメラ３と、ＣＣＤカメラ３とワークとを相対移動させる移動機構４と、を備える。
図６において、テーブル２の幅方向（図中の左右方向）をＸ軸、テーブル２の移動方向をＹ軸、テーブル２の表面に直交する方向をＺ軸として、以降の説明を行なう。
【０００３】
移動機構４は、架台１の両端辺に立設されたビーム支持体４１と、ビーム支持体４１の上端に支持されたＸビーム４２と、Ｘビーム４２に摺動可能に設けられたＸスライダ４３と、Ｘスライダ４３に摺動可能に設けられたＺスライダ４４と、を備える。Ｚスライダ４４から垂下する状態でＣＣＤカメラ３はＺスライダ４４の先端に取り付けられる。
このような構成において、テーブル２にワークを載置し、ＣＣＤカメラ３をワークの被測定部分に応じて移動させ、ＣＣＤカメラ３でワークを撮像する。これによってワークの画像データが取得される。この画像データが図示しないホストコンピュータにより画像解析され、ワークの形状、寸法などが測定されるようになっている。
【０００４】
ところで、以上の画像測定機においては、測定の目的やワークの形状に応じてＣＣＤカメラ３に取付けられた対物レンズを交換した場合に、その交換に伴って対物レンズの取付姿勢がわずかに変化するため、ＣＣＤカメラ３の位置校正（座標校正）が行なわれている（例えば、特許文献１）。
特許文献１に記載の校正方法では、図６に示すように、校正装置１０１を用いる。校正装置１０１は、中心軸Ｄを有する円柱部１１０を備え、円柱部１１０は、上端面１１３および基準側面１２０を有する。
校正する際には、まず、校正装置１０１をテーブル２に固定し、ＣＣＤカメラ３で上端面１１３を撮像して、そのＺ軸座標を求める。これはＣＣＤカメラ３のオートフォーカス機構を使用して行う。
次に、基準側面１２０の輪郭を求めて中心軸ＤのＸ−Ｙ座標を求める。
これらの座標値と、前回校正時の測定結果との差から、ＣＣＤカメラ３の交換による取付誤差が算出され、ＣＣＤカメラ３の位置を校正することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１６５６３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の画像測定機では、ＣＣＤカメラ３の撮像方向がＺ軸方向に固定されていたが、近年、画像測定機の使用範囲を拡大させるために、ＣＣＤカメラ３をＺスライダ４３に、例えばＺ軸方向に対して傾斜可能に取り付けて、ＣＣＤカメラ３の姿勢を変更可能にして使用したいという要請がある。
しかしながら、ＣＣＤカメラ３を交換した場合だけでなく、ＣＣＤカメラ３の撮像方向を変更した場合にも、その都度、変更後の撮像方向での位置校正が必要となり、特許文献１に記載の方法では、校正することができないという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、撮像手段の撮像方向を変更した場合でも、撮像手段の位置を校正することができる画像測定装置の校正方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の画像測定装置の校正方法は、所定の焦点深度を有する対物レンズ、および、この対物レンズを介してワークを撮像し画像信号として出力する検出素子を有する撮像手段と、この撮像手段の撮像方向を変更させる姿勢変更手段と、前記ワークと前記撮像手段とを相対移動させる移動手段と、前記ワークに対する前記対物レンズの焦点を合わせる焦点調整手段と、前記撮像手段の測定位置を位置情報として出力する位置検出手段と、を備えた画像測定装置において、前記撮像方向を変更した際に、前記位置情報を校正する画像測定装置の校正方法であって、前記対物レンズの焦点深度以下の半径寸法に形成された球部を有し、この球部の表面を基準面とする基準器を用意する準備工程と、前記撮像手段の撮像方向を変更させる姿勢変更工程と、前記移動手段により前記撮像手段を前記基準器に対して相対移動させて、前記焦点調整手段により前記基準面に前記対物レンズの焦点を合わせる焦点調整工程と、前記位置検出手段により前記撮像手段の位置情報を検出する位置検出工程と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
ここで、対物レンズとは、ワークに最も接近して配置されるレンズを意味する。
また、姿勢変更手段としては、撮像手段の撮像方向を少なくとも２方向に変更できる構造を備えていればよい。また、移動手段としては、少なくとも２方向の撮像方向に沿って、撮像手段およびワークが互いに接近するように相対移動できる構造を備えていればよい。
また、焦点調整手段としては、撮像手段または移動手段にオートフォーカス機構を備えることによって構成されたものが例示される。すなわち、移動手段により撮像手段をワークに対して相対移動させることで焦点を合わせる構成としてもよい。あるいは、焦点調整手段としては、移動手段により撮像手段を定位置に位置決めした後、撮像手段の対物レンズをワークに対して相対移動させることで焦点を合わせる構成としてもよい。
【００１０】
この構成において、球部の半径寸法が対物レンズの焦点深度以下に設定されているため、基準面のうち対物レンズに最も接近する位置と、撮像手段からの基準面の輪郭を形成する部分と、の両方が対物レンズの焦点深度の範囲内に入り、焦点調整工程で対物レンズの焦点を基準面に確実に合わせることができる。さらに位置検出工程で、撮像手段の位置情報を検出することができる。そして、検出された位置情報と、変更前の校正による位置情報との差から、撮像方向の変更による位置情報の誤差が算出され、撮像手段の位置を校正することができる。
従って、姿勢変更工程にて撮像手段の撮像方向を任意の方向に変更した際に、変更後の撮像方向での撮像手段の位置情報を校正することができる。
また、撮像手段を交換した場合も、上述と同じ方法で交換後の撮像手段の位置情報を算出し、交換前の校正による位置情報との差から、交換による取付誤差が算出され、撮像手段の位置を校正することができる。
【００１１】
本発明では、前記移動手段は、前記ワークと前記撮像手段とを三次元方向に相対移動させることが好ましい。
ここで、例えば、移動手段が、互いに直交する三軸方向に撮像手段を移動可能に構成されていてもよい。または、移動手段が、平面方向に撮像手段を移動可能に構成され、ワークを載置するテーブル等がその平面の直交方向に移動可能に構成されていてもよい。
この構成において、移動手段により撮像手段がワークに対して三次元方向に相対移動するので、撮像手段が一次元方向（直線方向）や二次元方向（平面方向）にしか相対移動できない場合よりも、ワークに対する撮像手段の撮像可能範囲が拡大され、測定範囲を大きくできる。
【００１２】
本発明では、前記姿勢変更手段は、前記撮像手段の撮像方向を所定の軸中心に回動自在に支持することが好ましい。
この構成において、姿勢変更手段によって撮像方向を所定の軸中心に回動させることができるので、撮像手段を姿勢変更手段から一度取り外して、姿勢を変えた状態で取り付けるという手間が不要となり、容易に撮像方向を変更できる。
また、撮像方向を所定の軸回りの任意の方向に変更させることができるので、ワークの被測定部分に対する任意の方向からの測定が可能となる。また、撮像方向の姿勢変更を遠隔操作で自動的に行なう場合に適合させ易い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
＜実施形態の構成＞
本実施形態における画像測定機の基本的構成としては、背景技術（図６）で説明した構成に同様であるが、ＣＣＤカメラ３の取付部分の構成に特徴を有する。
図１は、本実施形態に係る画像測定装置としての画像測定機の全体正面図である。
画像測定機は、ベースとなる架台１と、架台１上に前後に移動自在に支持され、ワークが載置されるテーブル２と、ワークを撮像する撮像手段としてのＣＣＤカメラ（非接触式プローブ）３と、ＣＣＤカメラ３とワークとを相対移動させる移動手段としての移動機構４と、ＣＣＤカメラ３の測定位置を位置情報として検出する位置検出手段としての位置検出装置５と、を備える。
ＣＣＤカメラ３を移動させる移動機構４の構成については背景技術で説明した構成と同じであるので、同一部材には同一の符号を付して詳細な説明を割愛する。
【００１４】
移動機構４のＺスライダ４４には、ＣＣＤカメラ３の撮像方向を少なくとも２方向に変更できる姿勢変更手段としての姿勢変更装置（プローブヘッド）４５が取り付けられ、この姿勢変更装置４５にＣＣＤカメラ３が取り付けられる。
姿勢変更装置４５は、Ｚスライダ４４に対してＺ軸方向に平行な軸Ａを中心に回転自在に支持される第１回転部４６と、第１回転部４６に対して軸Ａに直交する軸Ｂを中心に回転自在に支持される第２回転部４７と、を有する。撮像方向が軸Ａと所定角度αをなす軸Ｃに平行となる状態で、ＣＣＤカメラ３は第２回転部４７の先端に取り付けられ、ＣＣＤカメラ３はＺスライダ４４に対して首振り自在となる。
【００１５】
ＣＣＤカメラ３は、所定の焦点距離Ｆおよび焦点深度ＤＦを有する対物レンズ３１（図２）と、対物レンズ３１を介してワークを撮像し画像信号として出力する図示しない検出素子とを内蔵している。
また、画像測定機は、テーブル２を移動させるとともに、Ｘスライダ４３およびＺスライダ４４を摺動させてワークに対する対物レンズ３１の焦点を合わせる焦点調整手段であるオートフォーカス機能を具備している。
【００１６】
本実施形態に係る基準器（基準球）１０は、図１に示すように、基準器１０をテーブル２に載置して着脱自在に固定する固定部１１と、固定部１１に立設する軸部１２と、軸部１２の先端に設けられる微小な球部１３とを備える。
図２は、球部１３に対物レンズ３１の焦点が合った状態でのＣＣＤカメラ３および基準器１０の位置関係を示す。
球部１３は、図２に示すように、対物レンズ３１の焦点深度ＤＦ以下の半径寸法を有し、この球部１３の表面は、ＣＣＤカメラ３の位置校正用の基準面１４として用いられる。
球部１３の半径寸法は、対物レンズ３１の倍率との関係で設定される。すなわち、対物レンズ３１が高倍率ほど、対物レンズ３１特有の焦点深度ＤＦは小さくなるので、例えば、１０倍率の対物レンズ３１における焦点深度ＤＦが８μmの場合、球部１３の半径寸法は、８μm以下に設定される。
軸部１２の直径寸法は、少なくとも球部１３との接続部分において、球部１３の直径寸法よりも小さく設定される。
【００１７】
＜実施形態の作用・効果＞
ＣＣＤカメラ３の撮像方向を変更した際に、ＣＣＤカメラ３の位置情報を校正するには、まず、基準器１０を取付ねじ等でテーブル２に固定する（準備工程Ｓ１）。次に、姿勢変更装置４５によりＣＣＤカメラ３の撮像方向を所定の方向に変更する（姿勢変更工程Ｓ２）。そして、テーブル２および移動機構４を相対移動させて、球部１３にＣＣＤカメラ３を接近させる。この際、まず、ＣＣＤカメラ３の撮像方向に球部１３が位置するようにテーブル２および移動機構４を相対移動させ、その後、ＣＣＤカメラ３を撮像方向に沿って球部１３に接近させる。そして、テーブル２および移動機構４によるオートフォーカス機能により、基準面１４に対物レンズ３１の焦点を合わせる（焦点調整工程Ｓ３）。
【００１８】
図３は、基準面１４に対物レンズ３１の焦点が合った状態においてＣＣＤカメラ３が撮像した球部１３の画像２０を示す。
この状態では、図２に示すように、基準面１４のうち対物レンズ３１に最も接近する位置Ｐと、ＣＣＤカメラ３から見た基準面１４の輪郭を形成する部分Ｒと、の両方が対物レンズ３１の焦点深度ＤＦの範囲内に位置している。そして、位置検出装置５によりＣＣＤカメラ３の位置情報を検出する（位置検出工程Ｓ４）。すなわち、位置検出装置５は、テーブル２、Ｘスライダ４３およびＺスライダ４４の移動方向における位置座標をそれぞれ検出し、各位置座標よりＣＣＤカメラ３の位置情報を算出する。
この位置情報と、変更前の校正による位置情報との差から、撮像方向の変更による位置情報の誤差が算出され、ＣＣＤカメラ３の位置を校正することができる。
【００１９】
図４は、オートフォーカス時のＣＣＤカメラ３および球部１３の位置関係を示す。図中の○印および×印は、焦点の合否を示す。
図４（Ａ）に示す位置関係では、球部１３の位置Ｐおよび部分Ｒの両方が焦点深度ＤＦの範囲に入っていないため、ＣＣＤカメラ３の焦点が合っていない。この状態から両者を接近させると、図４（Ｂ）に示す位置関係となり、球部１３の位置Ｐが焦点深度ＤＦの範囲に入るが、部分Ｒは入っていない。さらに、接近させると、図４（Ｃ）に示す位置関係となり、球部１３の位置Ｐおよび部分Ｒの両方が焦点深度ＤＦの範囲に入り、ＣＣＤカメラ３の焦点が合う。
このように本実施形態では、基準器１０の半径が対物レンズ３１の焦点深度ＤＦ以下に設定されているため、前述の位置Ｐおよび部分Ｒの両方が同時に対物レンズ３１の焦点深度ＤＦの範囲内に入り、対物レンズ３１の焦点を基準面１４に確実に合わせることができる。
従って、ＣＣＤカメラ３の撮像方向がどの方向に変更されても、上述の方法で、ＣＣＤカメラ３の位置を校正することができる。
【００２０】
また、非接触式プローブであるＣＣＤカメラ３を回転させた場合、その回転機構である姿勢変更装置４５の精度上、その回転機構にエンコーダを設けてプローブの先端位置を推定するよりも、回転する前と後で同じワークを測ることによって、回転後の先端位置を校正したほうが確実に校正を実施できる。このことから、従来のタッチプローブではマスターボールと呼ばれる真球度の高い球を利用してプローブの先端位置を校正している。これは、プローブを回転させてどの方向から測っても球の値は同じであるからである。
しかしながら、ＣＣＤカメラ３のような画像プローブの場合、ワークのエッジを検出するという測定原理から、球の様に表面の高さがなだらかに変化するものに対するフォーカスが難しく、球のエッジの判別ができない。そのため、画像プローブではタッチプローブのような従来のマスターボールを使用することができなかった。本実施形態では、画像プローブの焦点深度より小さな半径をもった球部１３を備えた基準器１０を利用することによって、フォーカスが可能となり、球部１３を測定することでＣＣＤカメラ３の位置を校正することが可能となる。
【００２１】
また、修理などのためにＣＣＤカメラ３を交換した場合や、対物レンズ３１を測定条件に応じて交換した場合にも、同じ方法で交換後のＣＣＤカメラ３の位置情報を算出し、交換前の校正による位置情報との差から、交換による取付誤差が算出され、ＣＣＤカメラ３の位置を校正することができる。
【００２２】
＜変形例＞
本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、前記実施形態の基準器１０は、球部１３の半径が焦点深度ＤＦ以下に設定されていればよいので、図５に示すように、焦点深度ＤＦと、球部１３Ａの半径とが一致しても、原理上、焦点を合わせることでき、ＣＣＤカメラ３の位置を校正することができる。
【００２３】
また、前記実施形態の校正方法において、例えば自動測定可能な三次元測定機等では、校正用パートプログラムを用いてもよい。すなわち、ＣＣＤカメラ３の対物レンズ３１の光軸（軸Ｃ）が基準器１０の球部１３の中心と交差するように、ＣＣＤカメラ３を位置決めする。次に、校正パートプログラムを実行させると、前記の各校正手順が自動的に順次実行されて、自動校正が完了する。
【００２４】
また、ワークをＣＣＤカメラ３で撮像するにあたって、ワークを載置したテーブル２を移動させるとともに、ＣＣＤカメラ３を二次元的に移動させる例を示したが、少なくともワークとＣＣＤカメラ３を相対移動させる構成であればよく、例えば、テーブル２を固定した状態で、ＣＣＤカメラ３が三次元的に移動自在に設けられてもよい。
【実施例１】
【００２５】
以下に、本発明の基準器１０の実施例として、対物レンズ３１の倍率に対応した球部１３の半径寸法の設定例を示す。
対物レンズの倍率      焦点深度（μm）      球部の半径寸法（μm）
１倍                ３０６              １００〜３００
３倍                  ５６                ３０〜５０
５倍                  ２３                １０〜２０
１０倍                    ８                  ８以下
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、撮像手段によりワークの表面性状を非接触式で測定する画像測定装置において、撮像手段の撮像方向を変更した際に、撮像手段の位置情報を校正する方法に利用でき、例えば、画像測定機の校正方法として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に係る画像測定装置の全体正面図。
【図２】前記画像測定装置の撮像手段および基準器の位置関係を示す模式図。
【図３】前記撮像手段により撮像された基準器の画像を示す図
【図４】前記基準器の焦点合わせを説明する模式図。
【図５】前記実施形態の変形例に係る基準器を示す模式図。
【図６】従来の画像測定装置の全体正面図。
【符号の説明】
【００２８】
３…ＣＣＤカメラ（撮像手段）
４…移動機構（移動手段、焦点調整手段）
５…位置検出装置（位置検出手段）
１０…基準器
１３，１３Ａ…球部
１４…基準面
３１…対物レンズ
４５…姿勢変更装置（姿勢変更手段）。
【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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