JP2015121676A - デフォーカス制御装置およびデフォーカス制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来と同等の光学系を用いて高精度にエッジ勾配を検出し、デフォーカス制御の高精度化を実現する。
【解決手段】直線状の光学的にシャープなエッジを有する透過型ターゲット（３）は、カメラ（１０）により撮像された撮像画像におけるエッジの方向が、撮像画像の水平方向あるいは垂直方向に対して所定の傾きを有するように、ディスプレイの前面に接して配置され、画像処理部（２０）は、ディスプレイで一定輝度として表示され、透過型ターゲットを透過して得られた撮像画像から、エッジの方向と交差する垂直方向あるいは水平方向の１画素幅の１ライン分の画素値データを２ライン分抽出し、抽出した２ライン分の画素値データから、１画素分のピッチおよび勾配を算出することで、デフォーカス量を定量評価する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディスプレイの画像検査を行う際に、モアレ防止のデフォーカス状態を一定に制御することで、検査精度の向上を実現するデフォーカス制御装置およびデフォーカス制御方法に関する。

液晶パネル等のディスプレイの製造ラインにおいて、例えば、残像やムラなどの画像検査を行う際には、ディスプレイに表示させた特定の検査パタンをカメラで撮像し、画像処理を施すことで、不良箇所あるいは不良品を検出、判別することが行われる。

このとき、ディスプレイの画素とカメラの画素とが干渉してモアレが生じる場合がある。そして、撮影した画像に、本来はないはずのモアレ模様が発生してしまうことで、検出・判別精度に影響を与えてしまうこととなる。このようなモアレ模様の発生を防止するためには、カメラ側で敢えてデフォーカスさせて撮像することが考えられる。

しかしながら、検査装置が複数ある場合、あるいは１つの装置を多目的に使用する場合などには、装置間あるいは検査毎のデフォーカス状態が異なってしまうと、検査結果に悪影響が生じる。そこで、このような悪影響を回避するためには、デフォーカス状態を、あらかじめ決めた（例えば、モアレが生じないがなるべく合焦に近い）一定の状態に制御することが必要である。

具体的な方法として、例えば、
（方法１）レンズのフォーカスリングを特定の位置に合わせる
（方法２）ディスプレイ前方に特定距離を隔てて仮設置したターゲットパタンに合焦させる
（方法３）表示した水平や垂直のエッジパタンの撮像画像でエッジ波形の勾配を特定の値に合わせる
（方法４）専用の光学フィルタを用いてモアレ模様の発生を抑える
などがある（例えば、特許文献１参照）。

また、場合によっては、デフォーカス状態の指標となる量を取得し、これを用いて、画像処理手段において特徴量や結果などを最適フォーカスを含む特定のデフォーカス状態に補正することもある。デフォーカス状態の指標となる量としては、例えば、方法２で挙げたように、表示した水平や垂直エッジパタンを撮像した画像におけるエッジ波形の勾配などが用いられる。

特許５２８９５６１号公報

しかしながら、上述した従来の方法１〜４には、以下のような課題があり、精度や再現性が不十分であったり、コストが高かったりする問題があった。
まず、方法１は、目盛などを参照しても、合わせる毎にバラツキが生じる。この結果、精度や再現性は、４つの方法の中で最も劣ることとなる。

方法２は、被写界深度の一端でターゲットパタンに合焦させた場合と、他方の端で合焦させた場合とでは、ディスプレイの位置におけるデフォーカス状態が異なり、精度や再現性に影響が生じる。

方法３は、水平あるいは垂直のエッジパタンを撮像した画像のエッジ波形の勾配を用いているが、被写体のエッジ位置とカメラの画素位置との相対関係によって、得られる勾配にバラツキが生じ、精度に影響が生じることとなる。方法４は、特殊な光学部品を用いる必要があるとともに、カメラの構成が特殊であり、コストが高くなる。

そして、デフォーカスが著しいほど、精度や再現性の問題は軽減されるが、撮像画像を用いた本来の画像検査の精度や検出能は、劣化し易い。逆に、画像検査に適しており、モアレが生じないがなるべく合焦に近いデフォーカス状態を制御、管理することは、困難となる。

上述した４つの方法のうち、方法３が、素性がよくてコストも低い。この方法３は、ディスプレイに表示した水平あるいは垂直エッジパタンを撮像して、その垂直あるいは水平波形を得ている。図５は、従来方法３の検出原理の説明図である。左側が黒、右側が白の垂直エッジパタン１０１をカメラ１０２で撮像すると、画素位置に応じて変化する画素値データを得ることができる。

そして、画素値データの変化に相当する勾配が特定の値となるように焦点調整を行うことで、デフォーカス状態を一定状態としている。このため、変化の急峻な波形を少ない画素数で表すことになり、その精度は、決して高くなく、エッジ位置とカメラ画素位置との相対関係によって得られるエッジの勾配にバラツキが生じる問題があった。

このような問題を解決するためには、エッジ波形の急峻な変化を、より多くの画素を用いて取得できれば、高精度のエッジ勾配を得ることができ、デフォーカス制御が高い精度で再現性よく行えることとなる。しかしながら、高解像度のカメラは、高価であり、解像度にも限界がある。また検査などの画像処理においては、画素数が多いために処理時間が長くなる。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、従来と同等の光学系を用いて高精度にエッジ勾配を検出し、デフォーカス制御の高精度化を実現することのできるデフォーカス制御装置およびデフォーカス制御方法を得ることを目的とする。

本発明に係るデフォーカス制御装置は、ディスプレイに表示した検査パタンをカメラで撮像することで得られる撮像画像に画像処理を施し、ディスプレイの画像検査を行う画像処理部を備えたデフォーカス制御装置であって、直線状の光学的にシャープなエッジを有し、ディスプレイの前面に接して配置されることで、ディスプレイに表示された画像を、透過させる部分と透過させない部分に分割する透過型ターゲットをさらに備え、透過型ターゲットは、カメラにより撮像された撮像画像におけるエッジの方向が、撮像画像の水平方向あるいは垂直方向に対して、０度より大きく９０度より小さい所定の傾きを有するように、カメラに対する相対位置が定められて配置され、画像処理部は、ディスプレイで一定輝度として表示され、透過型ターゲットを透過して得られた撮像画像から、エッジの方向と交差する垂直方向あるいは水平方向の１画素幅の１ライン分の画素値データを２ライン分抽出し、抽出した２ライン分の画素値データから、１画素分のピッチ、およびピッチに対する水平方向あるいは垂直方向の勾配を算出することで、デフォーカス量を定量評価するものである。

また、本発明に係るデフォーカス制御方法は、ディスプレイに表示した検査パタンをカメラで撮像することで得られる撮像画像に画像処理を施し、ディスプレイの画像検査を行う画像処理部により実行されるデフォーカス制御方法であって、ディスプレイに表示された画像を、透過させる部分と透過させない部分に分割してカメラを介して取得するために、直線状の光学的にシャープなエッジを有する透過型ターゲットを、カメラにより撮像された撮像画像におけるエッジの方向が、撮像画像の水平方向あるいは垂直方向に対して、０度より大きく９０度より小さい所定の傾きを有するように、カメラに対する相対位置を定めて配置するステップと、画像処理部において、ディスプレイで一定輝度として表示され、透過型ターゲットを透過した撮像画像を取得するステップと、エッジの方向と交差する垂直方向あるいは水平方向の１画素幅の１ライン分の画素値データを２ライン分抽出するステップと、デフォーカス量を定量評価するために、抽出した２ライン分の画素値データから、１画素分のピッチ、およびピッチに対する水平方向あるいは垂直方向の勾配を算出するステップとを備えるものである。

本発明によれば、垂直エッジパタンあるいは水平エッジパタンをあらかじめ決められた角度だけ傾けた状態で撮像し、撮像画像の水平方向あるいは垂直方向の画素値データの変化から１画素当たりの勾配を算出し、算出した勾配が一定量となるようにデフォーカス量を調整することにより、従来と同等の光学系を用いて高精度にエッジ勾配を検出し、デフォーカス制御の高精度化を実現することのできるデフォーカス制御装置およびデフォーカス制御方法を得ることができる。

本発明の実施の形態１におけるデフォーカス制御装置の構成図である。 本発明の実施の形態１における透過型ターゲットの説明図である。 本発明の実施の形態１における画像処理部による勾配算出方法に関する説明図である。 本発明の実施の形態１における画像処理部による勾配算出方法に関する別の説明図である。 従来方法３の検出原理の説明図である。

以下、本発明のデフォーカス制御装置およびデフォーカス制御方法の好適な実施の形態につき、図面を用いて説明する。
本発明は、ディスプレイの表示輝度は一定として、ディスプレイの上に配置する透過型ターゲットのエッジ方向を、撮像画像の水平方向あるいは垂直方向に対して所定量だけ傾けることで、従来と同等の光学系を用いた場合にも、高精度に算出できるエッジ勾配を用いてデフォーカス量の定量評価を実現することを技術的特徴としている。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるデフォーカス制御装置の構成図である。ディスプレイ１の前面には、光拡散部２と、透過型ターゲット３とが接して設置されている。そして、本実施の形態１におけるデフォーカス制御装置は、ディスプレイの画像を取得するカメラ１０と、カメラ１０で撮像された画像から勾配を算出する画像処理部２０と、カメラ１０で撮像された画像を表示する表示部３０とを備えて構成されている。

そして、画像処理部２０で算出される勾配があらかじめ決められた一定値となるように、カメラ１０に接続されたレンズ１１を調整して焦点位置合わせを行うことで、デフォーカス量を定量的に合わせ込むことができる。なお、デフォーカス量を調整するには、以下の２つの方法がある。
（調整方法１）手動調整
画像処理部２０で算出された勾配を表示部３０に表示させ、その表示内容を見ながら、オペレータがレンズ１１を調整し、一定の勾配に合わせ込む。
（調整方法２）自動調整
画像処理部２０で算出された勾配が一定の勾配となるように、レンズ１１を自動調整できる構成を備えることで、自動調整も可能である。具体的には、レンズに自動フォーカス調整用の機構があれば、画像処理結果に基づいてフォーカス調整の自動化を実現できる。

図２は、本発明の実施の形態１における透過型ターゲット３の説明図である。透過型ターゲット３は、図２に例示したように、光学的にシャープな直線状のエッジを有するものであり、このエッジが水平方向あるいは垂直方向から、例えば、５〜１５°程度と少し傾いた状態（すなわち、０度より大きく９０度より小さい所定の傾きを有し、水平方向および垂直方向とは一致しない状態）で設置されている。

なお、図２では、垂直エッジおよび水平エッジを持った透過型ターゲット３を、傾けて設置した場合を例示しているが、傾きのあるエッジを有するターゲットを用いることも可能である。また、エッジを撮像した画像が、水平方向または垂直方向から所定の角度を持って傾いていればよく、カメラ側を傾けてもよい。

次に、本実施の形態１におけるデフォーカス制御方法を、具体的に説明する。ディスプレイ１には、全面あるいは少なくとも透過型ターゲット３のエッジ部分を含む領域で、同一輝度のパタンを発光させ、これをカメラ１０で撮像する。

図３は、本発明の実施の形態１における画像処理部２０による勾配算出方法に関する説明図である。まず始めに、図３（ａ）に示すように、画像処理部２０は、垂直方向から所定角度だけ傾いて設置された透過型ターゲット３を撮像したことにより得られた画像について、垂直方向に２画素ピッチ離れた２本のラインＬ１、Ｌ２の画素値データを抽出する。

図３（ｂ）は、２本のラインＬ１、Ｌ２の画素値データの変化を示した図であり、横軸が画素位置、縦軸が画素値（輝度値）を示している。画素値は、例えば、黒パタンが０、白パタンが２５５の輝度階調として得られ、黒パタンから白パタンへと切り変わるところは、輝度値が０から２５５に、図３（ｂ）に示すように遷移していくこととなる。

そして、画像処理部２０は、２本のラインＬ１、Ｌ２それぞれについて、黒パタンの画素値と白パタンの画素値との輝度差を１に正規化した際に、中間点である１／２の位置に対応する画素位置を、Ｐ１、Ｐ２として算出する。次に、画像処理部２０は、Ｐ１とＰ２の画素位置の差分の１／２の値を算出することで、カメラ１０の１画素分のピッチを算出できる。

次に、画像処理部２０は、図３（ｃ）に示すように、ラインＬ１あるいはラインＬ２の画素値データの遷移状態から、Ｐ１あるいはＰ２における勾配を求め、１画素に対応する画素値データの変化量を得ることができる。

そして、最もピントが合った状態では、この傾きの大きさ（すなわち、絶対値）が最も１に近い状態となり、デフォーカス状態が進む（すなわち、画像ボケがより大きくなる）に従って、傾きの大きさが小さくなることになる。ただし、最もピントが合った状態では、モアレが生じてしまう。そこで、最もピントが合った状態の勾配量より小さい値を有し、モアレが生じないがなるべく合焦に近い所定勾配量をあらかじめ設定しておき、画像処理部２０で算出される勾配が、所定勾配量に一致するようにレンズ１１を自動調整あるいは手動調整する。

ここで、本実施の形態１では、図３（ａ）に示すように、所定角度傾けたエッジパタンの画素値データの遷移に基づいて、勾配を算出している。この結果、従来と同等の光学系を用いた場合にも、白パタンから黒パタンに遷移する間に含まれる画素数をより多くすることができ、勾配を高精度に求めることができる。

すなわち、エッジを傾けることで、図３（ａ）で垂直方向の２ラインＬ１、Ｌ２として得られる画素値データは、輝度値が徐々に変化していく複数の画素からなり、垂直エッジに対して水平方向に１ラインを引いた場合の１画素を、より高分解能化したことと等価となる。
上記では２画素ピッチ離れた２本のラインを抽出して傾きを求める場合の例について説明したが、２画素ピッチ以外にも１画素ピッチや３画素ピッチなどでも同様に傾きを求めることができ、あるいは３本以上のラインを抽出して用いてもよい。

図４は、本発明の実施の形態１における画像処理部２０による勾配算出方法に関する別の説明図である。この図４では、ほぼエッジに沿ってエッジをまたいだ垂直あるいは水平の１画素幅の波形を３本抽出した場合を例示している。そして、この図４では、２画素分離れたラインＬ１とラインＬ３に基づいて、カメラ１０の１画素分のピッチを求め、さらに、ラインＬ１、Ｌ３の間のラインＬ２から勾配を算出している。

上述したように、適切なデフォーカス状態となる所定勾配量をあらかじめ設定しておき、それぞれの検査装置において、あるいは検査条件の設定を行う毎に、勾配量が所定勾配量になるようにフォーカス調整を行う。そして、フォーカス調整後は、フォーカスを固定し、また、透過型ターゲットを取り除いた後、本来の目的であるディスプレイの残像、ムラ、その他の検査を開始する。

なお、手動でフォーカス制御を行う場合には、エッジの勾配量を、適切なデフォーカス状態となる所定勾配量に近づけることはできても、ほぼ同じとすることは容易ではない。そのような場合には、例えば、所定勾配量と、実際の調整後の勾配量との比により、画像処理の中での補正処理としてデフォーカス管理を行うことも有効である。

また、ディスプレイの輝度の均一性が問題となる場合には、透過型ターゲット３を設置していない状態で撮像した画像を用い、処理画像の輝度の正規化を行うことができる。

また、光拡散部２は、透過型ターゲットやレンズなどで反射した光がディスプレイに映り込むのを防止する効果はあるが、このような反射光が軽微であれば必ずしも設置は必要ではない。

以上のように、実施の形態１によれば、垂直エッジパタンあるいは水平ヘッジパタンをあらかじめ決められた角度だけ傾けた状態で撮像し、撮像画像の水平方向あるいは垂直方向の画素値データの変化から１画素当たりの勾配を高精度に算出している。さらに、適切なデフォーカス状態となる所定勾配量に合わせ込むようにレンズ調整を行うことで、モアレの発生を抑制した上で、ディスプレイの残像、ムラ、その他の検査を安定した精度で実行することが可能となる。

１ ディスプレイ、２ 光拡散部、３ 透過型ターゲット、１０ カメラ、１１ レンズ、２０ 画像処理部、３０ 表示部。

Claims (5)

1. ディスプレイに表示した検査パタンをカメラで撮像することで得られる撮像画像に画像処理を施し、前記ディスプレイの画像検査を行う画像処理部を備えたデフォーカス制御装置であって、
   直線状の光学的にシャープなエッジを有し、前記ディスプレイの前面に接して配置されることで、前記ディスプレイに表示された画像を、透過させる部分と透過させない部分に分割する透過型ターゲットをさらに備え、
   前記透過型ターゲットは、前記カメラにより撮像された前記撮像画像における前記エッジの方向が、前記撮像画像の水平方向あるいは垂直方向に対して、０度より大きく９０度より小さい所定の傾きを有するように、前記カメラに対する相対位置が定められて配置され、
   前記画像処理部は、前記ディスプレイで一定輝度として表示され、前記透過型ターゲットを透過して得られた撮像画像から、前記エッジの方向と交差する垂直方向あるいは水平方向の１画素幅の１ライン分の画素値データを２ライン分抽出し、抽出した前記２ライン分の画素値データから、１画素分のピッチ、および前記ピッチに対する水平方向あるいは垂直方向の勾配を算出することで、デフォーカス量を定量評価する
   デフォーカス制御装置。
2. 請求項１に記載のデフォーカス制御装置であって、
   前記撮像画像、および前記画像処理部で算出された前記勾配を表示する表示部をさらに備え、
   前記表示部に表示される前記勾配が、適切なデフォーカス状態となる値としてあらかじめ設定された所定勾配量と一致するように、前記カメラに取り付けられたレンズのフォーカスを手動調整可能とする
   デフォーカス制御装置。
3. 請求項１に記載のデフォーカス制御装置であって、
   前記カメラは、外部からの指令信号に基づいてフォーカス状態を自動調整可能な機構を有し、
   前記画像処理部は、算出した前記勾配が、適切なデフォーカス状態となる値としてあらかじめ設定された所定勾配量に一致するように、前記カメラに対する前記指令信号を生成することで、前記カメラに取り付けられたレンズのフォーカスを自動調整可能とする
   デフォーカス制御装置。
4. 請求項２に記載のデフォーカス制御装置であって、
   前記画像処理部は、手動調整完了後に算出した前記勾配と、前記所定勾配量との比率に応じて、前記画像検査を行う際に補正処理を行う
   デフォーカス制御装置。
5. ディスプレイに表示した検査パタンをカメラで撮像することで得られる撮像画像に画像処理を施し、前記ディスプレイの画像検査を行う画像処理部により実行されるデフォーカス制御方法であって、
   前記ディスプレイに表示された画像を、透過させる部分と透過させない部分に分割して前記カメラを介して取得するために、直線状の光学的にシャープなエッジを有する透過型ターゲットを、前記カメラにより撮像された前記撮像画像における前記エッジの方向が、前記撮像画像の水平方向あるいは垂直方向に対して、０度より大きく９０度より小さい所定の傾きを有するように、前記カメラに対する相対位置を定めて配置するステップと、
   前記画像処理部において、
   前記ディスプレイで一定輝度として表示され、前記透過型ターゲットを透過した撮像画像を取得するステップと、
   前記エッジの方向と交差する垂直方向あるいは水平方向の１画素幅の１ライン分の画素値データを２ライン分抽出するステップと、
   デフォーカス量を定量評価するために、抽出した前記２ライン分の画素値データから、１画素分のピッチ、および前記ピッチに対する水平方向あるいは垂直方向の勾配を算出するステップと
   を備えるデフォーカス制御方法。

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