JP2017090945A - 画像処理装置、画像処理方法、計測装置、及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】画像の歪み量の補正に有利な画像処理装置を提供する。【解決手段】所定の視野１５０により取得された被検物の画像を処理する画像処理装置であって、視野１５０を分割した複数の領域１５３の各々に画像の歪みに基づき求められた補正値を保持する補正テーブル１５２を記憶する記憶部と、画像から被検物のエッジ位置１５４を算出し、補正テーブル１５２を用いて算出したエッジ位置１５４を補正する演算部と、を有し、演算部は、記憶部に記憶された補正テーブル１５２から、算出したエッジ位置１５４を含む領域に保持された補正値を読み出して、該補正値により算出したエッジ位置１５４を補正する。【選択図】図３

Description

本発明は、画像処理装置、画像処理方法、計測装置、及びプログラムに関する。

被検物の画像を取得し、該画像から被検物のエッジ間距離を算出することで被検物の形状を求める装置がある。取得された画像に歪みがある場合、高精度にエッジ間距離を算出することが困難になる。画像の歪みは、例えば、装置に備えられた光学部品（レンズ等）の製造誤差や組立て誤差（偏芯等）により発生しうる。画像の一部分における歪み量を予め求め、その歪み量をもとに画像全体の歪み量を算出して歪みを補正する装置として、多項式を用いる装置（特許文献１）や補間法を用いる装置（特許文献２）がある。

特開２０１０−３２２６０号公報 特許第４４４５７１７号公報

しかしながら、局所的に大きな歪みが発生する場合、特許文献１の装置では、正確に歪み量を算出することが困難になる。一方、特許文献２の装置は、そのような歪みにも対応可能であるものの、補間法による演算負荷が大きくなり、歪み量の算出に膨大な時間が必要となる。

本発明は、例えば、画像の歪み量の補正に有利な画像処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、所定の視野により取得された被検物の画像を処理する画像処理装置であって、視野を分割した複数の領域の各々に画像の歪みに基づき求められた補正値を保持する補正テーブルを記憶する記憶部と、画像から被検物のエッジ位置を算出し、補正テーブルを用いて算出したエッジ位置を補正する演算部と、を有し、演算部は、記憶部に記憶された補正テーブルから、算出したエッジ位置を含む領域に保持された補正値を読み出して、該補正値により算出したエッジ位置を補正することを特徴とする。

本発明によれば、例えば、画像の歪み量の補正に有利な画像処理装置を提供することができる。

第１実施形態に係る画像処理装置を適用した計測装置の構成を示す概略図である。 画像の歪みを補正するフローチャートである。 被検物の画像、補正テーブルおよびエッジ座標を示す図である。 画像内におけるＸ方向に対する歪み量のグラフを示す図である。 第２実施形態に係る画像処理装置が読み出す補正テーブルを示す図である。

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。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る画像処理装置を適用した計測装置の構成を示す概略図である。計測装置１０は、第１照明装置１０２と、第２照明装置１１０と、画像取得ユニット１２０と、画像処理装置１３０とを有する。以下の図において、上下方向（鉛直方向）にＺ軸を取り、Ｚ軸に垂直な平面内に互いに直交するＸ軸およびＹ軸を取っている。被検物１０１は、ステージ１３４上に載置される。ステージ１３４は、アクチュエータ１３３によって駆動可能である。第１照明装置１０２は、リング状に配置された複数の光源から構成されたリング照明装置であり、被検物１０１を斜め方向から照明する。第２照明装置１１０は、同軸照明装置であり、被検物１０１を垂直方向から照明する。第２照明装置１１０は、光源１１１およびレンズ１１３を有する。光源１１１には、例えばＬＥＤやランプ、蛍光灯を用いることができる。レンズ１１３は、光源１１１から出射した光をコリメートし、画像取得ユニット１２０に導く。計測装置１０は、透過照明装置やドーム照明装置など、任意の照明装置を備えていても良い。

画像取得ユニット１２０は、光検出器１２１と、対物レンズ１２２と、ハーフミラー１２３とを有する。光検出器１２１は、被検物１０１からの像（反射光または散乱光）が結像される（受光する）。光検出器１２１には例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳを用いることができる。対物レンズ１２２は、第１のレンズ群１２２ａと第２のレンズ群１２２ｂから成り、被検物１０１の像を光検出器１２１に結像する。第１のレンズ群１２２ａおよび第２のレンズ群１２２ｂは部分的に、あるいは全ての光学素子がミラーから構成されていても良い。ハーフミラー１２３は、第１のレンズ群１２２ａと第２のレンズ群１２２ｂの間に配置される。

被検物１０１の像が光検出器１２１に結像されるプロセスは以下の通りである。第１照明装置１０２は、各光源を個別に制御して任意の方位の斜め方向から被検物１０１を照明する。第２照明装置１１０から導入された光は、ハーフミラー１２３によって部分的に反射され、第１のレンズ群１２２ａによって集光されて被検物１０１に垂直方向に照明される。ステージ１３４は、アクチュエータ１３３によって対物レンズ１２２の光軸１２４と平行な方向に駆動可能で、被検物１０１の表面にピントが合わせられるようになっている。ステージ１３４は、対物レンズ１２２の視野よりも大きな被検物を測定するために、光軸１２４と平行な方向だけでなく、垂直な方向（ＸＹ方向）に駆動可能となっていても良い。

被検物１０１によって反射または散乱された光は、再び対物レンズ１２２に取り込まれ、ハーフミラー１２３を透過し、第１のレンズ群１２２ｂを介して、被検物１０１の像が光検出器１２１に結像される。光検出器１２１に結像された被検物１０１の像は、画像処理装置１３０に転送される。

画像処理装置１３０は、例えば、ＰＣ（コンピュータ）やワークステーションであり、液晶モニタやブラウン管などの表示手段１３２およびハードディスクやＳＳＤなどの記憶部１３１や演算部（不図示）を備える。表示手段１３２は、被検物１０１の形状情報の算出結果を表示する。記憶部１３１は、各種のプログラムやデータの記憶と読み出しを行う。各種プログラムには、被検物１０１の形状を算出するための演算プログラムが含まれる。画像処理装置１３０（演算部）は、演算プログラムを読み出し、実行する。演算プログラムが実行されると、画像処理装置１３０は、被検物１０１の画像からエッジを検出し、さらにエッジの補正をする機能を発揮する。補正方法は、以下に詳述する。

図２は、画像処理装置１３０が実行する画像の歪みを補正するフローチャートである。図３（Ａ）〜（Ｄ）は、被検物１０１の画像、補正テーブルおよびエッジ座標を示す図である。これら図を用いて画像の歪みの補正方法を説明する。演算プログラムが実行されると、画像処理装置１３０は、光検出器１２１で取得した被検物１０１の画像を読み込む（Ｓ１０１）。図３（Ａ）は、光検出器１２１の所定の視野１５０にて結像された画像を示す図である。視野１５０は、複数の画素１５１から構成され、被検物１０１は、視野１５０内の網掛け部分である。画素１５１は、光検出器１２１に受光された光量の情報を保持している。続いて、画像処理装置１３０は、記憶部１３１から、図３（Ｂ）に示す補正テーブル１５２を読み出す（Ｓ１０２）。補正テーブル１５２は、分割された複数の領域１５３から構成され、それぞれがその領域における歪み補正パラメータ（補正値）を保持している。本実施形態では、領域１５３の大きさは画素１５１よりも小さく、画素１５１の１／２のサイズである。また、領域１５３は正方形で示されているが、三角形、長方形などのその他の多角形であっても良い。

Ｓ１０３では、画像処理装置１３０は、画像処理を実行して、網掛けで示した被検物１０１の画像からサブピクセル精度でエッジ位置を検出する。図３（Ｃ）は、被検物１０１の２辺において、エッジ検出を実行した例を示す。図３（Ｃ）に示されるように、エッジ検出によって各画素１５１について、エッジ座標１５４が算出される。エッジ検出には、キャニー法やゾーベルフィルターなど、任意のアルゴリズムを用いることができる。

Ｓ１０４では、画像処理装置１３０は、補正テーブル１５２における領域１５３のどこにエッジ座標（エッジ位置）１５４が含まれるか特定する。図３（Ｄ）に示されるように、各エッジ座標１５４は、領域１５３のいずれかに含まれる。Ｓ１０５では、画像処理装置１３０は、各領域１５３に保持された補正パラメータを用いて、各エッジ座標１５４を補正する。具体的には、座標値から補正パラメータを加算もしくは減算することで補正される。補間のように負荷の大きな演算を用いないので、短時間で歪みを補正することができる。

なお、補正テーブル１５２は、事前に歪み量を測定することにより作成される。例えば、既知のパターンを有する格子状やドット状のテストターゲットの画像を取得することにより、測定することができる。

被検物の形状を高精度に測定するためには、エッジ座標を高精度に求めることが必要である。キャニー法など、サブピクセルの精度でエッジを検出する一般的なアルゴリズムの精度は、画素の１／５以下、かつ１／１００以上である。歪みの補正の誤差がエッジ検出の精度よりもかなり大きい場合、測定精度は歪みの補正の誤差によって支配されるため、もっと高精度に歪みを補正するべきである。一方、歪み補正の誤差がエッジ検出の精度よりもかなり小さい場合、測定精度はエッジ検出の精度で決まるため、それ以上歪みを補正することは無意味である。

図４は、画像内におけるＸ方向に対する歪み量のグラフを示す図である。Δｘは領域１５３のｘ方向のサイズを表す。各領域１５３は、グラフの曲線上の黒点で示される歪み量を補正パラメータとして保持している。補正の精度は、隣り合う領域１５３に対応した各歪み量の差分ΔＤにより決まり、ΔＤが小さいほど精度はよい。領域１５３のサイズΔｘが大きくなるとΔＤも大きくなる場合があり、Δｘを小さくするとΔＤも小さくなる。しかし、Δｘが小さくなると、補正テーブルを構成する領域１５３の数が増え、補正テーブルのデータ量が増加する。Δｘを不必要に小さくすると、データ量が増えて記憶部１３１を圧迫し、演算時間が増加する可能性がある。補正精度および演算時間の２つの要求を両立させるためには、補正テーブル内のΔＤの最大値がエッジ検出精度と同程度、すなわち、画素の１／１００以上、かつ１／５以下となるようにΔｘを決定して、補正テーブルを作成することが望ましい。また、画像内におけるＸ方向に対する歪み量について説明したが、画像内におけるＹ方向に対する歪み量についても同様である。

なお、本発明は、多項式フィッティングなど、公知の歪み量補正技術と組み合わせても良い。樽型や糸巻き型の歪みや、レンズの偏心などによって生じるディストーションの非対称成分などは、低次（例えば１次〜５次）の多項式を用いたフィッティングによって、精度よく表される。補正量は、この多項式にエッジ座標を代入して算出される。多項式フィッティングによる補正後も残存する、リップルなどレンズの製造誤差に起因する局所的に変化する歪み量は、上述のように補正テーブルを用いて補正する。多項式フィッティングによって、大域的な歪みは補正されているので、ΔＤはその分だけ小さくなり、補正の精度が向上する。このように、本実施形態の画像処理装置は、局所的に大きな歪み量を高精度に短時間で補正することができる。

以上のように、本実施形態によれば、画像の歪み量の補正に有利な画像処理装置を提供することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る画像処理装置について説明する。本実施形態に係る画像処理装置は、読み出す補正テーブルが第１実施形態と異なる。図５は、本実施形態に係る画像処理装置が読み出す補正テーブル２５２を示した図である。補正テーブル２５２に含まれる領域２５３は、第１実施形態の補正テーブルに含まれる領域１５３と異なり、大きさが異なる領域２５３ａおよび領域２５３ｂを有する。領域２５３ａは、画素の１／２のサイズであり、領域２５３ｂは、画素の３／２のサイズである。

歪みの変化量が小さい箇所では、領域２５３のサイズΔｘを大きくしても、ΔＤは補正のために許容される値を超えない。一方、歪みの変化量が大きい箇所では、領域２５３のサイズΔｘを小さくしなければ、補正のために必要なΔＤを得ることができない。歪みの変化量は画像内において均一でない場合が多い。そのため、好ましいΔｘは、画像内の箇所により異なる。図５は、中心部分において、その周囲より歪みの変化量が小さくなっている場合である。この場合、上記のように領域２５３ｂのサイズを大きくしても、測定精度には大きく影響しない。また、一部の領域のサイズを大きくすることで、補正テーブルのデータ量を小さくすることができ、記憶部１３１を圧迫することがなく、高速に補正を行うことがきる。なお、本実施形態では、領域のサイズを２種類としたが、より多くの種類から構成されていてもよい。このように、本実施形態によっても画像の歪み量の補正に有利な画像処理装置を提供することができる。

なお、上記実施形態における歪み量は、対物レンズ１２２の歪みにより発生することを想定しているが、その他要因により発生する歪み量であっても対応可能である。

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。

１３０ 画像処理装置
１３１ 記憶部
１５０ 視野
１５２ 補正テーブル
１５３ 領域
１５４ エッジ座標

Claims (8)

1. 所定の視野により取得された被検物の画像を処理する画像処理装置であって、
   前記視野を分割した複数の領域の各々に前記画像の歪みに基づき求められた補正値を保持する補正テーブルを記憶する記憶部と、
   前記画像から前記被検物のエッジ位置を算出し、前記補正テーブルを用いて前記算出したエッジ位置を補正する演算部と、を有し、
   前記演算部は、前記記憶部に記憶された前記補正テーブルから、前記算出したエッジ位置を含む前記領域に保持された前記補正値を読み出して、該補正値により前記算出したエッジ位置を補正することを特徴とする画像処理装置。
2. 前記複数の領域の大きさは、互いに隣り合う前記領域に保持された前記補正値の差分の最大値が画素の１／１００以上、かつ１／５以下となるように決定されることを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
3. 前記複数の領域の大きさは、それぞれ異なることを特徴とする請求項１または２に記載の画像処理装置。
4. 前記演算部は、前記補正テーブルに加え、前記算出したエッジ位置に基づき前記画像の補正値を求める多項式を用いて前記算出したエッジ位置を補正することを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の画像処理装置。
5. 所定の視野により取得された被検物の画像を処理する画像処理方法であって、
   前記画像および、前記視野を分割した複数の領域の各々に前記画像の歪みに基づき求められた補正値を保持する補正テーブルを読み出す工程と、
   前記画像から前記被検物のエッジ位置を算出する工程と、
   前記読み出した前記補正テーブルから、前記算出したエッジ位置を含む前記領域に保持された前記補正値を読み出して、該補正値により前記算出したエッジ位置を補正する工程と、を有することを特徴とする画像処理方法。
6. 被検物の画像から前記被検物のエッジ位置を算出し、算出したエッジ位置から前記被検物のエッジ間距離を求めることで前記被検物の形状を計測する計測装置であって、
   請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の画像処理装置または請求項５に記載の画像処理方法を用いて、前記算出したエッジ位置を補正することを特徴とする計測装置。
7. コンピュータで実行されることにより、該コンピュータを請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の画像処理装置として機能させることを特徴とするプログラム。
8. コンピュータに請求項５に記載の画像処理方法を実行させるためのプログラム。