JP5826611B2 - 硬さ試験機、及び硬さ試験方法 - Google Patents

Description

本発明は、硬さ試験機、及び硬さ試験方法に関する。

従来、ビッカース硬さ試験法、ヌープ硬さ試験法など、平面形状が多角形の圧子を試料の表面に押し付け、試料表面に生じる多角形のくぼみの対角線長さより硬度を測定する押し込み式の硬さ試験法はよく知られており、これは金属材料の機械的性質の評価に多く用いられている。

周知のように、ビッカース硬さ試験法は、ダイヤモンド正四角錘による圧子を使用し、試料表面に生じる正四角錘形状のくぼみの二つの対角線長さの平均値と圧子の試料に対する押し付け荷重との関係において硬度を示すものであり、ヌープ硬さ試験法は、ダイヤモンド長四角錘による圧子を使用し、試料表面に生じる長四角錘形状のくぼみの長い方の対角線長さと圧子の試料に対する押し付け荷重との関係において硬度を示すものである。

ところで、金属材料の硬さ試験と組織観察は同時に行われることが多い。一般に、周知の硬さ試験機では、金属材料の硬さ試験を行う際、撮像手段により得られた試料表面の撮影画像に対して、輝度値が所定の値を下回ったか否かにより２値化処理を実行し、試料表面に形成されたくぼみ領域を抽出する処理が行われる（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、組織観察のために試料表面に食刻（エッチング）処理を施して試験を行う場合においては、撮影画像の輝度分布が複雑なものとなり、試料表面に形成されたくぼみを認識することが困難であるため、くぼみの領域を正確に抽出することができなかった。

そこで、上記課題を解決するものとして、くぼみを形成する前後の試料表面を撮像し、くぼみ形成前の撮影画像とくぼみ形成後の撮影画像の差分によりくぼみ領域を抽出する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。

特許第４０２９８３２号公報 特許第３５５７７６５号公報

しかしながら、上記特許文献２記載の技術では、試料表面の撮影画像を２枚取得する必要があるため、処理が煩雑であるという問題がある。また、撮像手段の位置がずれること等によりくぼみを形成する前後で撮影位置が少しでも異なる場合、適切な差分画像を得ることができず、くぼみの領域を正確に抽出することができないという問題がある。

本発明は、エッチング処理を施した試料に対しても、くぼみ領域を正確且つ簡易に抽出することが可能な硬さ試験機、及び硬さ試験方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、上記目的を達成するためになされたものであり、
試料台に載置された試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみの寸法を計測することにより試料の硬さを測定する硬さ試験機において、
撮像手段を制御して前記試料の表面を撮像させ、当該試料の表面の画像データを取得する撮像制御手段と、
前記撮像制御手段により取得された試料の表面の画像データを２値化し、当該２値化された画像データに縮小処理及び膨張処理を行い、当該縮小処理及び膨張処理が行われた画像データの距離変換を行い、当該距離変換が行われた画像データを利用して前記圧子の形状に応じた閉領域を抽出するくぼみ領域抽出手段と、
前記くぼみ領域抽出手段により抽出された閉領域に基づいて、前記くぼみの寸法を計測するためのくぼみ計測用の頂点を抽出するくぼみ頂点抽出手段と、
前記くぼみ頂点抽出手段により抽出されたくぼみ計測用の頂点に基づいて、前記試料の硬さを算出する硬さ算出手段と、
を備え、
前記くぼみ領域抽出手段は、前記２値化された画像データに基づいて、くぼみ候補領域を抽出可能であるか否かを判定し、前記くぼみ候補領域を抽出不可能であると判定した場合に、前記試料の表面の画像データの輝度値に基づいて曲率画像データを求め、当該求められた曲率画像データを２値化し、当該２値化された曲率画像データに前記縮小処理及び前記膨張処理を行い、当該縮小処理及び膨張処理が行われた曲率画像データの距離変換を行い、当該距離変換が行われた曲率画像データを利用して前記圧子の形状に応じた閉領域を抽出することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の硬さ試験機において、
前記くぼみ領域抽出手段は、前記試料の表面の画像データの輝度値に対してガウシアンフィルタ処理を施した後、その微分値を算出し、当該算出された微分値を利用して画素毎にヘッセ行列式を計算し、その絶対値を画素値とする曲率画像データを求めることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の硬さ試験機において、
前記くぼみ領域抽出手段は、前記取得された試料の表面の画像データを参照して、シェーディング補正を施す必要があるか否かを判定し、前記シェーディング補正を施す必要があると判定した場合に、前記試料の表面の画像データに対してシェーディング補正を施すことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の硬さ試験機において、
表示手段を制御して前記硬さ算出手段により算出された試料の硬さを表示させる表示制御手段を備えることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、
試料台に載置された試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみの寸法を計測することにより試料の硬さを測定する硬さ試験機において、
撮像手段を制御して前記試料の表面を撮像させ、当該試料の表面の画像データを取得する撮像制御手段と、
前記撮像制御手段により取得された前記試料の表面の画像データの輝度値に基づいて曲率画像データを求め、曲率が所定値よりも小さい画素が閉領域を形成するように前記曲率画像データを修正し、当該修正された曲率画像データを参照して、前記曲率が前記所定値よりも小さい平坦部をくぼみ領域として抽出するくぼみ領域抽出手段と、
前記くぼみ領域抽出手段により抽出されたくぼみ領域に基づいて、前記試料の硬さを算出する硬さ算出手段と、を備えることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、
試料台に載置された試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみの寸法を計測することにより試料の硬さを測定する硬さ試験機の硬さ試験方法において、
撮像手段を制御して前記試料の表面を撮像させ、当該試料の表面の画像データを取得する撮像制御工程と、
前記撮像制御工程で取得された試料の表面の画像データを２値化し、当該２値化された画像データに縮小処理及び膨張処理を行い、当該縮小処理及び膨張処理が行われた画像データの距離変換を行い、当該距離変換が行われた画像データを利用して前記圧子の形状に応じた閉領域を抽出するくぼみ領域抽出工程と、
前記くぼみ領域抽出工程で抽出された閉領域に基づいて、前記くぼみの寸法を計測するためのくぼみ計測用の頂点を抽出するくぼみ頂点抽出工程と、
前記くぼみ頂点抽出工程で抽出されたくぼみ計測用の頂点に基づいて、前記試料の硬さを算出する硬さ算出工程と、
を含み、
前記くぼみ領域抽出工程は、前記２値化された画像データに基づいて、前記くぼみ候補領域を抽出可能であるか否かを判定し、前記くぼみ候補領域を抽出不可能であると判定した場合に、前記試料の表面の画像データの輝度値に基づいて曲率画像データを求め、当該求められた曲率画像データを２値化し、当該２値化された曲率画像データに前記縮小処理及び前記膨張処理を行い、当該縮小処理及び膨張処理が行われた曲率画像データの距離変換を行い、当該距離変換が行われた曲率画像データを利用して前記圧子の形状に応じた閉領域を抽出することを特徴とする硬さ試験方法である。

請求項７に記載の発明は、
試料台に載置された試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみの寸法を計測することにより試料の硬さを測定する硬さ試験機の硬さ試験方法において、
撮像手段を制御して前記試料の表面を撮像させ、当該試料の表面の画像データを取得する撮像制御工程と、
前記撮像制御工程で取得された前記試料の表面の画像データの輝度値に基づいて曲率画像データを求め、曲率が所定値よりも小さい画素が閉領域を形成するように前記曲率画像データを修正し、当該修正された曲率画像データを参照して、前記曲率が前記所定値よりも小さい平坦部をくぼみ領域として抽出するくぼみ領域抽出工程と、
前記くぼみ領域抽出工程で抽出されたくぼみ領域に基づいて、前記試料の硬さを算出する硬さ算出工程と、を備えることを特徴とする硬さ試験方法である。

本発明によれば、エッチング処理を施した試料のように、２値化された画像データからくぼみ候補領域を抽出不可能である場合であっても、画像データの輝度値に基づいて曲率画像データを求めて２値化することで、圧子の形状に応じた閉領域を抽出することができるので、エッチング処理を施した試料に対しても、くぼみ領域を抽出することができる。また、試料の表面の画像データを２枚取得する必要がないので、撮影位置のずれに伴う不都合を防止することができることとなって、くぼみ領域を正確に抽出することができる。さらに、試料の表面の画像データを２枚取得する必要がないので、くぼみ領域の抽出処理を簡易なものとすることができる。

本発明に係る硬さ試験機の全体構成を示す斜視図である。 本発明に係る硬さ試験機の試験機本体を示す模式図である。 本発明に係る硬さ試験機の硬さ測定部を示す模式図である。 本発明に係る硬さ試験機の制御構造を示すブロック図である。 本発明に係る硬さ試験機のくぼみ形成後の動作を示すフローチャートである。 エッチング処理が施された試料Ｓの表面の撮影画像の一例を示す図である。 本発明に係る硬さ試験機のくぼみ領域抽出処理を示すフローチャートである。 本発明に係る硬さ試験機の曲率画像を用いた２値化処理を示すフローチャートである。 図８の処理中で求められた曲率画像の一例を示す図である。 図９の曲率画像を２値化した画像の一例を示す図である。 図１０の２値化画像を修正した画像の一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明において、図１におけるＸ方向を左右方向とし、Ｙ方向を前後方向とし、Ｚ方向を上下方向とする。また、Ｘ−Ｙ面を水平面とする。

硬さ試験機１００は、例えば、圧子１４ａの平面形状が矩形状に形成されたビッカース硬さ試験機であり、図１及び図２に示すように、試験機本体１０と、制御部６と、操作部７と、モニタ８等を備えている。

試験機本体１０は、試料Ｓの硬さ測定を行う硬さ測定部１と、試料Ｓを載置する試料台２と、試料台２を移動させるＸＹステージ３と、試料Ｓの表面に焦点を合わせるためのＡＦステージ４と、試料台２（ＸＹステージ３、ＡＦステージ４）を昇降する昇降機構部５等を備えている。

硬さ測定部１は、図３に示すように、試料Ｓの表面を照明する照明装置１１と、試料Ｓの表面を撮像するＣＣＤカメラ１２と、圧子１４ａを備える圧子軸１４と対物レンズ１５を備え、回転することにより圧子軸１４と対物レンズ１５との切り替えが可能なターレット１６等により構成されている。

照明装置１１は、光を照射することにより試料Ｓの表面を照明するものであり、照明装置１１から照射される光は、レンズ１ａ、ハーフミラー１ｄ、ミラー１ｅ、対物レンズ１５を介して試料Ｓの表面に到達する。

ＣＣＤカメラ１２は、試料Ｓの表面から対物レンズ１５、ミラー１ｅ、ハーフミラー１ｄ、ミラー１ｇ、及びレンズ１ｈを介して入力された反射光に基づき、当該試料Ｓの表面や圧子１４ａにより試料Ｓの表面に形成されるくぼみを撮像して画像データを取得し、複数フレームの画像データを同時に蓄積、格納可能なフレームグラバ１７を介して、制御部６に出力する。
これにより、ＣＣＤカメラ１２は、撮像手段として機能する。

圧子軸１４は、制御部６が出力する制御信号に応じて駆動される負荷機構部（図示省略）により、試料台２に載置された試料Ｓに向け移動され、先端部に備えた圧子１４ａを試料Ｓの表面に所定の試験力で押し付ける。

対物レンズ１５は、それぞれ異なる倍率からなる集光レンズであり、ターレット１６の下面に複数保持されており、ターレット１６の回転により試料Ｓの上方に配置されることで、照明装置１１から照射される光を一様に試料Ｓの表面に照射させる。

ターレット１６は、下面に圧子軸１４と複数の対物レンズ１５を取り付け、Ｚ軸方向を中心に回転することにより、当該圧子軸１４と複数の対物レンズ１５の中の何れか一つを切り替えて試料Ｓの上方に配置可能なように構成されている。つまり、圧子軸１４を試料Ｓの上方に配置することで試料Ｓの表面にくぼみを形成し、対物レンズ１５を試料Ｓの上方に配置することで、当該形成されたくぼみを観察することが可能となる。

試料台２は、上面に載置される試料Ｓを試料固定部２ａで固定する。
ＸＹステージ３は、制御部６が出力する制御信号に応じて駆動する駆動機構部（図示省略）により駆動され、試料台２を圧子１４ａの移動方向（Ｚ軸方向）に垂直な方向（Ｘ軸，Ｙ軸方向）に移動させる。
ＡＦステージ４は、制御部６が出力する制御信号に応じて駆動され、ＣＣＤカメラ１２が撮像した画像データに基づき試料台２を微細に昇降させ、試料Ｓの表面に焦点を合わせる。
昇降機構部５は、制御部６が出力する制御信号に応じて駆動され、試料台２（ＸＹステージ３、ＡＦステージ４）を上下方向に移動させることで、試料台２と対物レンズ１５との間の相対距離を変化させる。

操作部７は、キーボード７１、マウス７２等により構成されており、硬さ試験を行う際のユーザによる入力操作を実行させる。そして、操作部７により所定の入力操作がなされると、その入力操作に応じた所定の操作信号が制御部６に出力される。

具体的には、操作部７は、上記キーボード７１やマウス７２等を介して、くぼみの合焦位置を決定する条件をユーザに選択させることができる。
また、操作部７は、ユーザに、試料台２（昇降機構部５及びＡＦステージ４）の移動する範囲（試料台２と対物レンズ１５との間の相対距離の範囲）を指定させることができる。
また、操作部７は、ユーザに、当該硬さ試験機１００による硬さ試験を実施する際の試験条件値を入力させることができる。そして、入力された試験条件値は制御部６に送信される。ここで、試験条件値とは、例えば、試料Ｓの材質、圧子１４ａにより試料Ｓに負荷される試験力（Ｎ）、対物レンズ１５の倍率、等の値である。
また、操作部７は、ユーザに、くぼみの合焦位置の決定を手動で行う手動モード、あるいは自動で行う自動モードの何れかを選択させることができる。

モニタ８は、例えば、ＬＣＤなどの表示装置により構成されており、操作部７において入力された硬さ試験の設定条件、硬さ試験の結果、ＣＣＤカメラ１２が撮像した試料Ｓの表面や試料Ｓの表面に形成されるくぼみの画像等を表示する。
これにより、モニタ８は、表示手段として機能する。

制御部６は、図４に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）６１、ＲＡＭ（Random Access Memory）６２、記憶部６３等を備えて構成され、記憶部６３に記憶された所定のプログラムが実行されることにより、所定の硬さ試験を行うための動作制御等を行う機能を有する。

ＣＰＵ６１は、記憶部６３に格納された処理プログラム等を読み出して、ＲＡＭ６２に展開して実行することにより、硬さ試験機１００全体の制御を行う。

ＲＡＭ６２は、ＣＰＵ６１により実行された処理プログラム等を、ＲＡＭ６２内のプログラム格納領域に展開するとともに、入力データや上記処理プログラムが実行される際に生じる処理結果等をデータ格納領域に格納する。

記憶部６３は、例えば、プログラムやデータ等を記憶する記録媒体（図示省略）を有しており、この記録媒体は、半導体メモリ等で構成されている。また、記憶部６３は、ＣＰＵ６１が硬さ試験機１００全体を制御する機能を実現させるための各種データ、各種処理プログラム、これらプログラムの実行により処理されたデータ等を記憶する。より具体的には、記憶部６３は、例えば、ＸＹステージ制御プログラム、自動合焦プログラム、くぼみ形成プログラム、撮像制御プログラム、くぼみ領域抽出プログラム、くぼみ頂点抽出プログラム、硬さ算出プログラム、表示制御プログラム等を格納している。

次に、本実施形態に係る硬さ試験機１００の動作について説明する。
まず、ＣＰＵ６１は、記憶部６３内に格納されたＸＹステージ制御プログラムを実行することにより、試料Ｓの表面の所定領域がＣＣＤカメラ１２の真下に位置するようにＸＹステージ３を移動させる。
次に、ＣＰＵ６１は、記憶部６３内に格納された自動合焦プログラムを実行することにより、硬さ測定部１のＣＣＤカメラ１２によって得られる画像データに基づいて、ＡＦステージ４を昇降させ、試料Ｓの表面に対する自動合焦を行う。
そして、ＣＰＵ６１は、記憶部６３内に格納されたくぼみ形成プログラムを実行することにより、圧子１４ａを所定の試験力で試料Ｓの表面に押し付けてくぼみを形成する。

次に、本実施形態に係る硬さ試験機１００のくぼみ形成後の動作について、図５、図７、及び図８のフローチャートを参照して説明する。この処理は、ＣＰＵ６１が記憶部６３に格納されている各種プログラムを実行することにより実現される。なお、本実施形態では、試料Ｓの表面にエッチング処理が施されている場合を例示して説明する。

まず、ＣＰＵ６１は、記憶部６３内に格納された撮像制御プログラムを実行することにより、ＣＣＤカメラ１２を制御して試料Ｓの表面を撮像させ、試料Ｓの表面の画像データを取得する（ステップＳ１：撮像制御工程）。本実施形態では、試料Ｓの表面にエッチング処理が施されているので、図６に示すように、くぼみ領域と背景とが判別しづらい画像データが取得される。

次に、ＣＰＵ６１は、記憶部６３内に格納されたくぼみ領域抽出プログラムを実行することにより、ステップＳ１で取得された試料Ｓの表面の画像データに基づいて、試料Ｓの表面に形成されたくぼみの領域を抽出する処理を行う（ステップＳ２：くぼみ領域抽出工程）。

具体的には、図７に示すように、まず、ＣＰＵ６１は、図５のステップＳ１で取得された試料Ｓの表面の画像データを参照して、シェーディング補正を施す必要があるか否かを判定する（ステップＳ２１）。ここで、シェーディング補正とは、光学系や撮像系の特性による輝度ムラに対して、一様な明るさの画像になるように補正する処理のことである。ステップＳ２１の判定は、例えば、画像データの四隅の小領域の輝度値の変動に基づいて、小領域ごとの輝度値に所定値以上のバラツキがみられるか否かを判定することにより行われる。シェーディング補正を施す必要があると判定した場合（ステップＳ２１：ＹＥＳ）は、試料Ｓの表面の画像データに対してシェーディング補正を施した後（ステップＳ２２）、ステップＳ２３へと移行する。一方、シェーディング補正を施す必要がないと判定した場合（ステップＳ２１：ＮＯ）は、シェーディング補正を施すことなく、ステップＳ２３へと移行する。

次に、ＣＰＵ６１は、図５のステップＳ１で取得された試料Ｓの表面の画像データ又はステップＳ２２でシェーディング補正が施された試料Ｓの表面の画像データに対して、濃淡値を用いた２値化処理を行う（ステップＳ２３）。具体的には、白黒濃淡画像である原画像（試料Ｓの表面の画像）の画像データを白と黒の２階調に変換する。即ち、ＣＰＵ６１は、例えば、各画素の輝度値（明るさ）が所定の閾値を上回っていれば黒、下回っていれば白に置き換える。これにより、試料Ｓの表面の画像データは、２値化の黒部分が原画像に対してより黒く、２値化の白部分が原画像に対してより白く表示されることとなる。例えば、試料Ｓの表面に形成されたくぼみの領域は、背景画素に比べて輝度値が低く、白画素で表示されることとなる。なお、ステップＳ２３で２値化された画像データは、記憶部６３に記憶される。
そして、ＣＰＵ６１は、ステップＳ２３で２値化された画像データのコピーデータを生成し、当該２値化画像データのコピーデータを用いて２値化画像データの縮小処理及び膨張処理を行う。さらに、ＣＰＵ６１は、縮小処理及び膨張処理が行われた画像データの距離変換を行う。なお、縮小処理及び膨張処理、並びに距離変換については、従来公知の技術や、本出願人による特願２０１１−２０１３０５において提案されている技術を用いることができる。

次に、ＣＰＵ６１は、ステップＳ２３で距離変換が行われた２値化画像データ又は後述する図８のステップＳ２６４で距離変換が行われた２値化画像データを利用して、圧子１４ａの形状に応じた閉領域の抽出処理を行う（ステップＳ２４）。なお、具体的な抽出処理については、従来公知の技術や、本出願人による特願２０１１−２０１３０５において提案されている技術を用いることができるため、詳細な説明は省略する。

次に、ＣＰＵ６１は、ステップＳ２４で行われた抽出処理により閉領域が抽出されたか否かを判定する（ステップＳ２５）。即ち、ＣＰＵ６１は、２値化された画像データに基づいて、くぼみ候補領域としての閉領域を抽出可能であるか否かを判定する。ここで、くぼみ候補領域とは、試料Ｓの表面に形成されたくぼみ領域の候補となる領域のことである。ステップＳ２５の判定は、具体的には、記憶部６３に一又は複数の閉領域が記憶されたか否かを判定することにより行われる。記憶部６３に一又は複数の閉領域が記憶された、即ち、閉領域が抽出されたと判定した場合（ステップＳ２５：ＹＥＳ）は、当該くぼみ領域抽出処理を終了し、図５のステップＳ３へと移行する。一方、記憶部６３に一又は複数の閉領域が記憶されていない、即ち、閉領域が抽出されていないと判定した場合（ステップＳ２５：ＮＯ）は、曲率画像を用いた２値化処理を行う（ステップＳ２６）。

具体的には、図８に示すように、まず、ＣＰＵ６１は、図５のステップＳ１で取得された試料Ｓの表面の画像データの輝度値に対してガウシアンフィルタ処理を施した後、その微分値を算出する（ステップＳ２６１）。ここで、ガウシアンフィルタ処理とは、ノイズの低減を目的として、注目画素に近いほど、平均値を計算するときの重みを大きくし、遠くなるほど重みを小さくなるようにガウス分布の関数を用いてレートを計算することにより、画像の輝度値を平滑化するための処理のことである。ここで、微分後の値Ａは、ガウシアンフィルタをＧ、試料Ｓの表面の画像データをＩとすると、次の数１により表される。

次に、ＣＰＵ６１は、ステップＳ２６１で算出された微分値Ａを利用して画素毎にヘッセ行列式Ｈを計算し、その絶対値を画素値とする曲率画像データを求める（ステップＳ２６２）。ここで、ヘッセ行列式Ｈは、次の数２により表される。
ステップＳ２６２の処理により、例えば、図９に示すような曲率画像データを得ることができる。

次に、ＣＰＵ６１は、ステップＳ２６２で求められた曲率画像データを２値化する（ステップＳ２６３）。具体的には、白黒濃淡画像である曲率画像データを白と黒の２階調に変換する。即ち、ＣＰＵ６１は、例えば、各画素の画素値（曲率の絶対値の大きさ）が所定の閾値を上回っていれば黒、下回っていれば白に置き換える。これにより、曲率画像データは、濃淡値の変動が大きい所は黒く、濃淡値の変動が小さい所は白く表示されることとなる。例えば、試料Ｓの表面に形成されたくぼみの領域は、背景画素に比べて曲率が小さいため、図１０に示すように、白画素で表示されることとなる。

次に、ＣＰＵ６１は、ステップＳ２６３で２値化された画像データに対して修正処理を施す（ステップＳ２６４）。ここで、修正処理とは、ステップＳ２６３で曲率画像データを２値化した際、図１０に示すように、くぼみ領域に相当する曲率が小さい画素（白画素）が離散してしまうことがあるため、これらが閉領域を形成するように画像データを修正する処理のことである。具体的には、まず、くぼみ領域のうち圧子１４ａの頂点及び稜線に相当する位置が照明により高輝度となることを利用して、画像の中心付近に形成されるハイライト領域Ｅ１（圧子１４ａの頂点位置に相当）を抽出し、ハイライト領域Ｅ１とこれに隣接する連結白画素を含む包絡矩形Ｅ２を求めたうえで、包絡矩形Ｅ２を上下左右に四分割して各象限の白画素の数をカウントする。次に、４象限のうち白画素数が最大の象限と白画素数が最小の象限を除いた２つの象限の白画素数の平均を算出し、求められた白画素数と圧子１４ａの形状から推定されるくぼみ領域の面積とに基づいて閉領域を形成するように画像データを修正する。ステップＳ２６４の処理により、例えば、図１１に示すような修正画像を得ることができる。なお、ステップＳ２６４で修正された２値化画像データは、記憶部６３に記憶される。
そして、ＣＰＵ６１は、図７のステップＳ２３と同様、２値化された画像データのコピーデータを生成し、当該２値化画像データのコピーデータを用いて２値化画像データの縮小処理及び膨張処理を行った後、縮小処理及び膨張処理が行われた画像データの距離変換を行う。画像データの距離変換が行われた後、当該曲率画像を用いた２値化処理を終了し、図７のステップＳ２４へと移行する。

次に、図５に示すように、ＣＰＵ６１は、記憶部６３内に格納されたくぼみ頂点抽出プログラムを実行することにより、ステップＳ２のくぼみ領域抽出処理で抽出された閉領域の輪郭に基づいて、くぼみの寸法を計測するためのくぼみ計測用の頂点を抽出する処理を行う（ステップＳ３：くぼみ頂点抽出工程）。なお、具体的な抽出処理については、従来公知の技術や、本出願人による特願２０１１−２０１３０５において提案されている技術を用いることができるため、詳細な説明は省略する。

次に、ＣＰＵ６１は、記憶部６３内に格納された硬さ算出プログラムを実行することにより、ステップＳ３で抽出されたくぼみ計測用の頂点に基づいて、試料Ｓの硬さを算出する（ステップＳ４：硬さ算出工程）。具体的には、ステップＳ３で抽出されたくぼみ計測用の頂点の座標位置を参照してくぼみの対角線長さを計測し、当該計測された対角線長さに基づいて試料Ｓの硬さ値を算出する。

次に、ＣＰＵ６１は、記憶部６３内に格納された表示制御プログラムを実行することにより、モニタ８を制御してステップＳ４で算出された試料Ｓの硬さ値を表示させる（ステップＳ５：表示制御工程）。

以上のように、本実施形態に係る硬さ試験機１００によれば、ＣＣＤカメラ１２を制御して試料Ｓの表面を撮像させ、当該試料Ｓの表面の画像データを取得する撮像制御手段（ＣＰＵ６１）と、撮像制御手段により取得された試料Ｓの表面の画像データを２値化し、当該２値化された画像データに縮小処理及び膨張処理を行い、当該縮小処理及び膨張処理が行われた画像データの距離変換を行い、当該距離変換が行われた画像データを利用して圧子１４ａの形状に応じた閉領域を抽出するくぼみ領域抽出手段（ＣＰＵ６１）と、くぼみ領域抽出手段により抽出された閉領域に基づいて、くぼみの寸法を計測するためのくぼみ計測用の頂点を抽出するくぼみ頂点抽出手段（ＣＰＵ６１）と、くぼみ頂点抽出手段により抽出されたくぼみ計測用の頂点に基づいて、試料Ｓの硬さを算出する硬さ算出手段（ＣＰＵ６１）と、を備え、くぼみ領域抽出手段は、２値化された画像データに基づいて、くぼみ候補領域を抽出可能であるか否かを判定し、くぼみ候補領域を抽出不可能であると判定した場合に、試料Ｓの表面の画像データの輝度値に基づいて曲率画像データを求め、当該求められた曲率画像データを２値化し、当該２値化された曲率画像データに縮小処理及び膨張処理を行う。
このため、エッチング処理を施した試料Ｓのように、２値化された画像データからくぼみ候補領域を抽出不可能である場合であっても、画像データの輝度値に基づいて曲率画像データを求めて２値化することで、圧子１４ａの形状に応じた閉領域を抽出することができるので、エッチング処理を施した試料に対しても、くぼみ領域を抽出することができる。また、試料Ｓの表面の画像データを２枚取得する必要がないので、撮影位置のずれに伴う不都合を防止することができることとなって、くぼみ領域を正確に抽出することができる。さらに、試料Ｓの表面の画像データを２枚取得する必要がないので、くぼみ領域の抽出処理を簡易なものとすることができる。

特に、本実施形態に係る硬さ試験機１００によれば、くぼみ領域抽出手段は、試料Ｓの表面の画像データの輝度値に対してガウシアンフィルタ処理を施した後、その微分値を算出し、当該算出された微分値を利用して画素毎にヘッセ行列式を計算し、その絶対値を画素値とする曲率画像データを求めるので、精度が高く信頼性のある試験結果を得ることが可能となる。

また、本実施形態に係る硬さ試験機１００によれば、くぼみ領域抽出手段は、取得された試料Ｓの表面の画像データを参照して、シェーディング補正を施す必要があるか否かを判定し、シェーディング補正を施す必要があると判定した場合に、試料Ｓの表面の画像データに対してシェーディング補正を施すので、取得された試料Ｓの表面の画像データに、光学系や撮像系の特性による輝度ムラが生じている場合であっても、自動的にシェーディング補正が施されることとなって、試験結果に対する輝度ムラの影響を排除することができる。

以上、本発明に係る実施形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。

例えば、上記では、試料Ｓの表面の画像データの輝度値に基づいて曲率画像データを求め、当該曲率画像データを２値化することで、曲率が所定値（閾値）よりも小さい平坦部がくぼみ領域として抽出されるようにしている。このとき、上記実施形態では、ステップ２６４の修正処理や、縮小処理及び拡張処理を施すことによって、曲率が所定値よりも小さい領域が圧子の形状に応じた閉領域となるようにくぼみ領域を補正したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の従来公知の補正処理を用いて、くぼみ領域を補正するようにしてもよい。

また、上記実施形態では、モニタ８を制御して図５のステップＳ４（硬さ算出工程）で算出された試料Ｓの硬さ値を表示させるようにしているが、これに限定されるものではない。例えば、音声を出力可能なスピーカ等を設けるようにし、算出された試料Ｓの硬さ値を音声出力させるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、図７のステップＳ２３で２値化された画像データ及び図８のステップＳ２６４で修正された２値化画像データを記憶部６３に記憶させるようにしているが、これに限定されるものではなく、例えば、ＲＡＭ６２に記憶させるようにしてもよい。

また、上記実施形態では、硬さ試験機１００として圧子１４ａの平面形状が矩形状に形成されたビッカース硬さ試験機を例示して説明しているが、これに限定されるものではない。例えば、ビッカース硬さ試験機同様に圧子の平面形状が矩形状に形成されたヌープ硬さ試験機や、圧子の形状が球形状に形成されたブリネル硬さ試験機に適用することも可能である。

その他、硬さ試験機１００を構成する各装置の細部構成及び細部動作に関しても、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能である。

１００ 硬さ試験機
１０ 試験機本体
１ 硬さ測定部
１１ 照明装置
１２ ＣＣＤカメラ（撮像手段）
１４ 圧子軸
１４ａ 圧子
１５ 対物レンズ
１６ ターレット
１７ フレームグラバ
２ 試料台
３ ＸＹステージ
４ ＡＦステージ
５ 昇降機構部
６ 制御部
６１ ＣＰＵ（撮像制御手段、くぼみ領域抽出手段、くぼみ頂点抽出手段、硬さ算出手段、表示制御手段）
６２ ＲＡＭ
６３ 記憶部
７ 操作部
８ モニタ（表示手段）
Ｓ 試料

Claims (7)

1. 試料台に載置された試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみの寸法を計測することにより試料の硬さを測定する硬さ試験機において、
   撮像手段を制御して前記試料の表面を撮像させ、当該試料の表面の画像データを取得する撮像制御手段と、
   前記撮像制御手段により取得された試料の表面の画像データを２値化し、当該２値化された画像データに縮小処理及び膨張処理を行い、当該縮小処理及び膨張処理が行われた画像データの距離変換を行い、当該距離変換が行われた画像データを利用して前記圧子の形状に応じた閉領域を抽出するくぼみ領域抽出手段と、
   前記くぼみ領域抽出手段により抽出された閉領域に基づいて、前記くぼみの寸法を計測するためのくぼみ計測用の頂点を抽出するくぼみ頂点抽出手段と、
   前記くぼみ頂点抽出手段により抽出されたくぼみ計測用の頂点に基づいて、前記試料の硬さを算出する硬さ算出手段と、
   を備え、
   前記くぼみ領域抽出手段は、前記２値化された画像データに基づいて、くぼみ候補領域を抽出可能であるか否かを判定し、前記くぼみ候補領域を抽出不可能であると判定した場合に、前記試料の表面の画像データの輝度値に基づいて曲率画像データを求め、当該求められた曲率画像データを２値化し、当該２値化された曲率画像データに前記縮小処理及び前記膨張処理を行い、当該縮小処理及び膨張処理が行われた曲率画像データの距離変換を行い、当該距離変換が行われた曲率画像データを利用して前記圧子の形状に応じた閉領域を抽出することを特徴とする硬さ試験機。
2. 前記くぼみ領域抽出手段は、前記試料の表面の画像データの輝度値に対してガウシアンフィルタ処理を施した後、その微分値を算出し、当該算出された微分値を利用して画素毎にヘッセ行列式を計算し、その絶対値を画素値とする曲率画像データを求めることを特徴とする請求項１に記載の硬さ試験機。
3. 前記くぼみ領域抽出手段は、前記取得された試料の表面の画像データを参照して、シェーディング補正を施す必要があるか否かを判定し、前記シェーディング補正を施す必要があると判定した場合に、前記試料の表面の画像データに対してシェーディング補正を施すことを特徴とする請求項１又は２に記載の硬さ試験機。
4. 表示手段を制御して前記硬さ算出手段により算出された試料の硬さを表示させる表示制御手段を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の硬さ試験機。
5. 試料台に載置された試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみの寸法を計測することにより試料の硬さを測定する硬さ試験機において、
   撮像手段を制御して前記試料の表面を撮像させ、当該試料の表面の画像データを取得する撮像制御手段と、
   前記撮像制御手段により取得された前記試料の表面の画像データの輝度値に基づいて曲率画像データを求め、曲率が所定値よりも小さい画素が閉領域を形成するように前記曲率画像データを修正し、当該修正された曲率画像データを参照して、前記曲率が前記所定値よりも小さい平坦部をくぼみ領域として抽出するくぼみ領域抽出手段と、
   前記くぼみ領域抽出手段により抽出されたくぼみ領域に基づいて、前記試料の硬さを算出する硬さ算出手段と、を備えることを特徴とする硬さ試験機。
6. 試料台に載置された試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみの寸法を計測することにより試料の硬さを測定する硬さ試験機の硬さ試験方法において、
   撮像手段を制御して前記試料の表面を撮像させ、当該試料の表面の画像データを取得する撮像制御工程と、
   前記撮像制御工程で取得された試料の表面の画像データを２値化し、当該２値化された画像データに縮小処理及び膨張処理を行い、当該縮小処理及び膨張処理が行われた画像データの距離変換を行い、当該距離変換が行われた画像データを利用して前記圧子の形状に応じた閉領域を抽出するくぼみ領域抽出工程と、
   前記くぼみ領域抽出工程で抽出された閉領域に基づいて、前記くぼみの寸法を計測するためのくぼみ計測用の頂点を抽出するくぼみ頂点抽出工程と、
   前記くぼみ頂点抽出工程で抽出されたくぼみ計測用の頂点に基づいて、前記試料の硬さを算出する硬さ算出工程と、
   を含み、
   前記くぼみ領域抽出工程は、前記２値化された画像データに基づいて、前記くぼみ候補領域を抽出可能であるか否かを判定し、前記くぼみ候補領域を抽出不可能であると判定した場合に、前記試料の表面の画像データの輝度値に基づいて曲率画像データを求め、当該求められた曲率画像データを２値化し、当該２値化された曲率画像データに前記縮小処理及び前記膨張処理を行い、当該縮小処理及び膨張処理が行われた曲率画像データの距離変換を行い、当該距離変換が行われた曲率画像データを利用して前記圧子の形状に応じた閉領域を抽出することを特徴とする硬さ試験方法。
7. 試料台に載置された試料の表面に圧子により所定の試験力を負荷してくぼみを形成させ、当該くぼみの寸法を計測することにより試料の硬さを測定する硬さ試験機の硬さ試験方法において、
   撮像手段を制御して前記試料の表面を撮像させ、当該試料の表面の画像データを取得する撮像制御工程と、
   前記撮像制御工程で取得された前記試料の表面の画像データの輝度値に基づいて曲率画像データを求め、曲率が所定値よりも小さい画素が閉領域を形成するように前記曲率画像データを修正し、当該修正された曲率画像データを参照して、前記曲率が前記所定値よりも小さい平坦部をくぼみ領域として抽出するくぼみ領域抽出工程と、
   前記くぼみ領域抽出工程で抽出されたくぼみ領域に基づいて、前記試料の硬さを算出する硬さ算出工程と、を備えることを特徴とする硬さ試験方法。