JP5897309B2 - Image processing method and apparatus - Google Patents

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Description

本発明は、画像処理方法及び装置に係り、より詳しくは、対象の情報(位置、明るさ、色、磁化等の物理的情報)を、画像化、視覚化する、計測技術としてのイメージング分野に関するものである。 The present invention relates to an image processing method and apparatus, and more particularly to the field of imaging as a measurement technique for imaging and visualizing target information (physical information such as position, brightness, color, and magnetization). Is.

ナノスケール、マイクロスケールといった微細な構造からの信号や、マクロなスケールであっても、微弱な信号の変化を捉えるためには、特殊な光学系や検出器を組み合わせる必要がある。例えば、一原子層の炭素膜であるグラフェンは、マイクロメートルのサイズスケールであり、さらに反射率が低いことから、高倍率、高精度の光学顕微鏡やCCDカメラ、特殊なフィルタ等を組み合わせることにより、はじめて観察が可能となる。 Special optical systems and detectors need to be combined in order to capture weak signal changes, even on signals from minute structures such as nanoscale and microscale, and even on a macroscale. For example, graphene, which is a monolayer carbon film, has a micrometer size scale and low reflectivity, so by combining a high magnification, high precision optical microscope, CCD camera, special filter, etc. Observation is possible for the first time.

すなわち、通常、見えないものを見えるようにする、いわゆるイメージング技術は、概して高価で特殊な装置に頼らざるを得ない状況にある。このことは、経済性の面で問題が多く、既存の装置に組み込む等の柔軟性や、新たな分野への利用する際の汎用性にも課題がある。 That is, the so-called imaging technique that makes it possible to see what is normally invisible is generally in a situation where it is necessary to rely on expensive and special devices. This has many problems in terms of economy, and there are also problems in flexibility such as incorporation into existing devices, and versatility when used in new fields.

本発明は、計測対象と測定系との相対的位置をシフトさせて取得した複数の画像を用いてかかる課題に対処しようとするものである。従来、デジタルカメラの手ぶれ補正等に代表されるように、対象を精密に測定するためには対象ないし測定系をしっかりと固定させるという固定観念があった。本発明は、計測対象と測定系との相対的位置をシフトさせて画像を取得するという、従来の固定観念とは逆の発想に基づくものである。 The present invention intends to cope with such a problem by using a plurality of images acquired by shifting the relative positions of the measurement target and the measurement system. Conventionally, as represented by camera shake correction of a digital camera, there has been a fixed idea that an object or a measurement system is firmly fixed in order to accurately measure the object. The present invention is based on the idea opposite to the conventional fixed idea of acquiring an image by shifting the relative position between a measurement object and a measurement system.

対象や画像取得装置の測定系を移動させることで、シフトした画像を得ること自体は、例えば、いわゆる画素ずらし手法(特許文献1〜3)においても行われている。画素ずらし手法は、CCDカメラやCMOSカメラ等の、受光セルを敷き詰めたイメージセンサを用いて画像を取得する際に、本来セルの大きさや配置で左右される解像度を向上させるべく、画素の位置を例えば半画素分ずらして撮像し、取得された画像を加算処理する手法である。本発明と画素ずらし手法とが互いに異質の技術思想であることは、本明細書を読み進めて行くことで明らかになる。 Obtaining a shifted image by moving the object and the measurement system of the image acquisition device itself is also performed in, for example, a so-called pixel shifting method (Patent Documents 1 to 3). The pixel shifting method uses pixel sensors to improve the resolution that is originally affected by the size and arrangement of cells when acquiring images using an image sensor with light receiving cells, such as a CCD camera or CMOS camera. For example, it is a technique in which images are taken while being shifted by half a pixel, and the acquired image is added. The fact that the present invention and the pixel shifting method are different technical ideas will become apparent by reading this specification.

画像解析において、微分フィルタを用いたエッジ検出が知られている。微分フィルタとしては、1次微分(差分)フィルタとしてソーベルフィルタや、2次微分(差分)フィルタとしてラプラシアンフィルタが知られている。ソーベルフィルタは、1つの画像に基づいて着目画素の近傍画素(2方向や6方向)の画素値、ラプラシアンフィルタは、1つの画像に基づいて着目画素の近傍画素(4方向や8方向)の画素値をそれぞれ用いる数値演算である。本発明の1つの態様でも、対象の輪郭を検出することができるが、本発明と微分フィルタを用いたエッジ検出とは互いに異質の技術思想であることは、本明細書を読み進めて行くことで明らかになる。 In image analysis, edge detection using a differential filter is known. As a differential filter, a Sobel filter is known as a primary differential (difference) filter, and a Laplacian filter is known as a secondary differential (difference) filter. The Sobel filter is based on one image and the pixel values of the neighboring pixels (2 directions and 6 directions) of the pixel of interest. The Laplacian filter is the neighboring pixel (4 directions and 8 directions) of the pixel of interest based on one image. This is a numerical calculation using each pixel value. Even in one aspect of the present invention, the contour of the object can be detected. However, the present invention and the edge detection using the differential filter are different from each other in the technical idea. Will become clear.

一般に空間分解能が高い顕微鏡として走査型顕微鏡が知られており、光学顕微鏡においても走査型のものがある(特許文献4)。走査型光学顕微鏡では、例えば、スポット光の照射位置に対して試料ステージをXY平面内で移動させながら得られた2次元マッピングデータから2次元画像を取得するものであり、つまり、走査型顕微鏡における走査は、1枚の2次元画像を取得するために行われるものである。本発明の1つの態様においても、XY平面内で移動可能な試料ステージを用いるが、本発明における試料ステージの移動が、走査型顕微鏡における試料ステージの移動と技術思想において異なるものであることは、本明細書を読み進めて行くことで明らかになる。 In general, a scanning microscope is known as a microscope having a high spatial resolution, and an optical microscope includes a scanning microscope (Patent Document 4). In a scanning optical microscope, for example, a two-dimensional image is acquired from two-dimensional mapping data obtained by moving a sample stage in an XY plane with respect to an irradiation position of a spot light. Scanning is performed in order to acquire one two-dimensional image. In one aspect of the present invention, a sample stage that can move in the XY plane is used. However, the movement of the sample stage in the present invention is different from the movement of the sample stage in the scanning microscope in terms of technical idea. It becomes clear by reading this specification.

特開平7−212660号JP 7-212660 A 特開平8−95153号JP-A-8-95153 特開2001−251491号JP 2001-251491 A 特開2003−255231号JP 2003-255231 A

上述のように、通常では観測が困難な微弱な画像情報を得るために、光学系や検出器は、とかく特殊で高価なものにならざるを得ない状況にある。このことが、コストの問題を生み、また、新たな観測システムへの応用を阻害する要因となっている。
本発明は、シンプルな構成で空間分解能を向上させることができ、低コストで汎用性を備えたイメージング手法を提供することを目的とするものである。
As described above, in order to obtain weak image information that is usually difficult to observe, the optical system and the detector must be special and expensive. This gives rise to cost problems and hinders application to new observation systems.
It is an object of the present invention to provide an imaging technique that can improve spatial resolution with a simple configuration and is versatile at low cost.

かかる課題を解決するべく本発明が採用した技術手段は、
対象の画像を取得する画像取得装置を用いた画像処理方法であって、
対象の画像をベース画像として取得するステップと、
前記ベース画像に対して結像面内で前記対象が所定量シフトしたN枚のシフト画像(N≧1)を取得するステップと、
前記ベース画像と各シフト画像の同じ座標の 画素同士の差分からN枚の差分画像(N≧1)を取得するステップと、
前記N枚の差分画像を加算して対象の差分積算画像を取得するステップと、
からなる画像処理方法、である。
The technical means adopted by the present invention to solve this problem are as follows:
An image processing method using an image acquisition device for acquiring a target image,
Obtaining a target image as a base image;
Obtaining N shift images (N ≧ 1) obtained by shifting the object by a predetermined amount in the imaging plane with respect to the base image;
Obtaining N difference images (N ≧ 1) from the difference between pixels of the same coordinates of the base image and each shift image;
Adding the N difference images to obtain a target difference integrated image;
An image processing method comprising:

1つの態様では、前記差分積算画像は、各シフト画像からベース画像を減算して積算することで得られる。
1つの態様では、前記画像処理方法は、さらに、ベース画像から前記差分積算画像を減算して対象の鮮鋭化画像を取得するステップを備える。
鮮鋭化画像を取得する際に、ベース画像に重みを付けてもよい。重みは、例えば、1倍〜20倍の範囲から選択される。
In one aspect, the difference accumulated image is obtained by subtracting a base image from each shift image and accumulating.
In one aspect, the image processing method further includes a step of subtracting the difference integrated image from a base image to obtain a target sharpened image.
When acquiring a sharpened image, the base image may be weighted. For example, the weight is selected from a range of 1 to 20 times.

シフト画像からベース画像を引いて積算して得られた差分積算画像が2次微分画像となる。そして、ベース画像からこの2次微分画像を引くことにより、高強度はより強く、弱強度はより弱くなり、輪郭が強調され、鮮鋭化された画像が得られる。
なお、差分画像のみを用いる場合、ある対象の輪郭のみを抽出するのであれば、差分画像の各画素の値の符号は問わない(白で強調するか、黒で強調するかの違い)ので、差分画像の符号反転を行い得ることが当業者に理解される。同様に、鮮鋭化画像の符号反転を適宜行い得ることも当業者に理解される。本明細書、特許請求の範囲の記載において、「加算すること」と「減算すること」は符号反転に応じて置換可能であることが当業者に理解される。
A difference integrated image obtained by subtracting the base image from the shift image and integrating is a secondary differential image. Then, by subtracting the secondary differential image from the base image, the high intensity is stronger, the weak intensity is weaker, the contour is emphasized, and a sharpened image is obtained.
In addition, when only the difference image is used, if only the outline of a certain target is extracted, the sign of the value of each pixel of the difference image does not matter (the difference between emphasizing with white or emphasizing with black) It will be understood by those skilled in the art that the sign inversion of the difference image can be performed. Similarly, those skilled in the art will understand that sign inversion of a sharpened image can be appropriately performed. It is understood by those skilled in the art that “adding” and “subtracting” can be replaced in accordance with the sign inversion in the description of the present specification and claims.

1つの態様では、前記所定量は、前記画像取得装置の空間分解能の1/10〜2倍の範囲の量である。
1つの態様では、前記所定量は、前記画像取得装置の空間分解能の1/5〜1倍の範囲の量である。
画像取得装置の空間分解能は、重要なスペックであり、既知ないし当該装置の構成から見積もることができる。例えば、実験で用いた光ファイバーイメージング装置では、ファイバ素線の直径である2〜3μmが空間分解能であると考えられ、実験で用いたノマルスキ微分干渉 光学顕微鏡(BX60)では、ほぼ1μmと見積もることができる。
In one aspect, the predetermined amount is an amount in the range of 1/10 to 2 times the spatial resolution of the image acquisition device.
In one aspect, the predetermined amount is an amount in the range of 1/5 to 1 times the spatial resolution of the image acquisition device.
The spatial resolution of the image acquisition device is an important specification, and can be estimated from known or the configuration of the device. For example, in the optical fiber imaging apparatus used in the experiment, it is considered that the fiber resolution of 2 to 3 μm is the spatial resolution, and in the Nomarski differential interference optical microscope (BX60) used in the experiment, it can be estimated to be approximately 1 μm. it can.

1つの態様では、前記シフト画像は、対象あるいは/および画像取得装置の測定系を移動させることで取得される。
対象の移動は、典型的には移動機構(例えば、ピエゾ駆動ステージ、ベルトコンベア)上の対象を当該移動機構により移動させるものであるが、対象自身が機械的な移動手段や振動手段を有している場合、対象(典型的には生物)が自己運動する場合も含む。
画像取得装置の測定系を移動させる場合には、測定系全体を移動させる場合、測定系の一部を移動させる場合を含む。例えば、光学系の画像取得装置の測定系が、光学系と検出器を備えている場合に、「光学系+検出器」を移動させる場合、「検出器」を移動させる場合がある。
1つの態様では、前記N枚のシフト画像は、ベース画像に対してx方向に2方向、y方向に2方向、斜め方向に4方向シフトした8つの画像である。
1つの態様では、前記N枚のシフト画像は、ベース画像に対してx方向に2方向、y方向に2方向シフトした4つの画像である。
1つの態様では、前記N枚のシフト画像は、ベース画像に対してx方向あるいはy方向の2方向にシフトした2つの画像である。
シフト方向は、反対方向のペア(x方向に2方向のように)の場合に限定されるものではなく、1方向を含む奇数方向でもよく、また、回転も含む。
In one aspect, the shift image is acquired by moving a target or / and a measurement system of an image acquisition device.
The movement of the object is typically to move the object on a moving mechanism (for example, a piezo drive stage, a belt conveyor) by the moving mechanism, but the object itself has mechanical moving means and vibration means. In this case, the case where a subject (typically a living organism) moves by itself is included.
In the case of moving the measurement system of the image acquisition device, the case of moving the entire measurement system and the case of moving a part of the measurement system are included. For example, when the measurement system of the optical image acquisition apparatus includes an optical system and a detector, when moving the “optical system + detector”, the “detector” may be moved.
In one aspect, the N shifted images are eight images shifted in two directions in the x direction, two directions in the y direction, and four directions in the oblique direction with respect to the base image.
In one aspect, the N shifted images are four images shifted in two directions in the x direction and two directions in the y direction with respect to the base image.
In one aspect, the N shifted images are two images shifted in two directions, the x direction and the y direction, with respect to the base image.
The shift direction is not limited to a pair of opposite directions (such as two directions in the x direction), and may be an odd direction including one direction, and also includes rotation.

本発明は、対象の画像を取得する画像取得装置を用いた画像処理装置としても実現され、当該画像処理装置は、
対象の画像をベース画像として取得する手段と、
前記ベース画像に対して結像面内で前記対象が所定量シフトしたN枚のシフト画像(N≧1)を取得する手段と、
画像処理部と、を備え、
前記画像処理部は、前記ベース画像と各シフト画像の同じ座標の画素同士の差分からN枚の差分画像(N≧1)を取得し、前記N枚の差分画像を加算して対象の差分積算画像を取得する。
The present invention is also realized as an image processing device using an image acquisition device that acquires a target image.
Means for acquiring a target image as a base image;
Means for acquiring N shift images (N ≧ 1) in which the object is shifted by a predetermined amount within the imaging plane with respect to the base image;
An image processing unit,
The image processing unit acquires N difference images (N ≧ 1) from a difference between pixels having the same coordinates in the base image and each shift image, and adds the N difference images to add a difference of a target. Get an image.

1つの態様では、前記画像処理部は、各シフト画像からベース画像を減算して積算することで差分積算画像を取得し、ベース画像から前記差分積算画像を減算して対象の鮮鋭化画像を取得する。   In one aspect, the image processing unit acquires a difference integrated image by subtracting and integrating a base image from each shift image, and acquires a target sharpened image by subtracting the difference integrated image from the base image. To do.

本発明において、対象の画像を取得する画像取得装置は、対象のベース画像およびシフト画像を取得できるものであればよく、具体的には、光学顕微鏡(実体顕微鏡、位相差顕微鏡、微分干渉顕微鏡、偏光顕微鏡、蛍光顕微鏡を含む)、透過型電子顕微鏡、超音波顕微鏡、デジタルカメラ、ファイバースコープ、サーモグラフィ、磁気共鳴(MR)イメージング装置、超音波イメージング装置、光超音波イメージング装置、ラマン分光装置、顕微ラマン分光装置、放射線イメージング装置(X線、アルファ線、ベータ線、ガンマ線、中性子線を含む)が例示される。
後述する実施形態では、光ファイバーイメージング装置、ノマルスキ微分干渉光学顕微鏡の2種類の画像取得装置を用いて実験を行った。本手法を光ファイバーイメージング装置、ノマルスキ微分干渉光学顕微鏡以外の他の画像取得装置に適用することは、当業者において適宜実行できることが理解される。
本発明における、対象あるいは/および画像取得装置の測定系のシフト方向は、結像面に対して平行する方向である。すなわち、対象を移動させる場合において、シフト方向は、光学的な画像取得装置においては光軸に対して垂直方向、電子線や放射線を用いた画像取得装置においてはビーム軸に対して垂直方向である。
In the present invention, the image acquisition device for acquiring the target image may be any device as long as it can acquire the target base image and shift image. Specifically, an optical microscope (stereoscopic microscope, phase contrast microscope, differential interference microscope, (Including polarization microscope, fluorescence microscope), transmission electron microscope, ultrasonic microscope, digital camera, fiberscope, thermography, magnetic resonance (MR) imaging device, ultrasonic imaging device, optical ultrasonic imaging device, Raman spectroscopic device, microscope Examples include Raman spectroscopic devices and radiation imaging devices (including X-rays, alpha rays, beta rays, gamma rays, and neutron rays).
In the embodiments to be described later, experiments were performed using two types of image acquisition devices, an optical fiber imaging device and a Nomarski differential interference optical microscope. It will be understood by those skilled in the art that this technique can be appropriately executed by those skilled in the art to apply to other image acquisition apparatuses other than the optical fiber imaging apparatus and the Nomarski differential interference optical microscope.
In the present invention, the shift direction of the measurement system of the object or / and the image acquisition device is a direction parallel to the imaging plane. That is, when moving the object, the shift direction is perpendicular to the optical axis in an optical image acquisition device, and perpendicular to the beam axis in an image acquisition device using an electron beam or radiation. .

本発明では、対象の位置を測定系に対して相対的にシフトさせて撮影してシフト画像を取得し、ベース画像とシフト画像の差分画像を取得する(シフト画像からベース画像を差し引く)という簡便な演算操作で、検出すべき信号以外のノイズのかなりの部分(測定系の時間的・空間的揺らぎ、より具体的には、光源の揺らぎ、光学系の揺らぎ、検出器の揺らぎ等)を除去することができ、信号強度の試料位置依存性のみを差分画像として高感度に検出できる。得られた差分画像を加算してなる差分積算画像は、対象の空間2次微分イメージであり、空間2次微分イメージをベース画像から減算することで、空間分解能が向上された画像を得ることができる。 In the present invention, a shift image is acquired by shifting the target position relative to the measurement system, and a difference image between the base image and the shift image is acquired (the base image is subtracted from the shift image). With a simple operation, a significant part of noise other than the signal to be detected (temporal and spatial fluctuations in the measurement system, more specifically, fluctuations in the light source, fluctuations in the optical system, fluctuations in the detector, etc.) are removed. Thus, only the sample position dependency of the signal intensity can be detected as a difference image with high sensitivity. The difference integrated image formed by adding the obtained difference images is a target spatial second-order differential image, and an image with improved spatial resolution can be obtained by subtracting the second-order spatial differential image from the base image. it can.

既存のイメージング装置(各種顕微鏡、カメラ、検査装置等)の試料ステージの位置をシフトしながら撮影し、演算するという簡便な方法で空間分解能を向上させることができる。既に可動ステージを備えている装置においては、撮影プロセスや演算方法を変更するのみでよく、また、可動ステージを備えていない既存の装置に本発明を適用する場合であっても、可動ステージを追加するだけでよく、低コストでイメージング装置を実現することができる。 Spatial resolution can be improved by a simple method of photographing and calculating while shifting the position of the sample stage of an existing imaging apparatus (various microscopes, cameras, inspection apparatuses, etc.). For devices that already have a movable stage, it is only necessary to change the imaging process and calculation method, and even when the present invention is applied to an existing device that does not have a movable stage, a movable stage is added. The imaging apparatus can be realized at low cost.

本発明の効果は上記記載に限定されるものではなく、その他の効果は、本明細書の記載から明らかになる。 The effects of the present invention are not limited to the above description, and other effects will become apparent from the description of the present specification.

本発明の実施形態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows embodiment of this invention. 本発明の概念を説明する図である。It is a figure explaining the concept of this invention. シフト画像の取得(空間2次微分イメージングプロセス)を示す図である。ベース画像Cと、4方向にシフトした4つのシフト画像C1〜4を示す。ノイズ成分はゼロである。画像は、中央にグレースケールの印(画素値0.9)を備えた白色(画素値1)の十字形であり、シフト量は1画素である。It is a figure which shows acquisition of a shift image (spatial secondary differential imaging process). A base image C 0 and four shifted images C 1 to 4 shifted in four directions are shown. The noise component is zero. The image is a white (pixel value 1) cross with a gray scale mark (pixel value 0.9) in the center, and the shift amount is 1 pixel. 図3を画素値で表示した図である。It is the figure which displayed FIG. 3 by the pixel value. イメージングプロセス例(1方向の場合)を示す図であり、上図はベース画像、中央図は差分画像、下図は鮮鋭化画像である。It is a figure which shows the example of an imaging process (in the case of 1 direction), an upper figure is a base image, a center figure is a difference image, and a lower figure is a sharpened image. イメージングプロセス例(2方向の場合)を示す図であり、上図はベース画像、中央図は差分積算画像、下図は鮮鋭化画像である。It is a figure which shows the example of an imaging process (in the case of 2 directions), an upper figure is a base image, a center figure is a difference integration image, and a lower figure is a sharpened image. イメージングプロセス例(4方向の場合)を示す図であり、上図はベース画像、中央図は差分積算画像、下図は鮮鋭化画像である。It is a figure which shows the example of an imaging process (in the case of 4 directions), an upper figure is a base image, a center figure is a difference integration image, and a lower figure is a sharpened image. 鮮鋭化画像におけるベース画像の重みの効果を示す図である。It is a figure which shows the effect of the weight of the base image in a sharpened image. シフト量が1/5画素の場合のシフト画像の取得(4方向の場合)示す図である。ベース画像Cと、4方向にシフトした4つのシフト画像C1〜4を示す。ノイズ成分はゼロである。It is a figure which shows acquisition (in the case of 4 directions) of the shift image in case a shift amount is 1/5 pixel. A base image C 0 and four shifted images C 1 to 4 shifted in four directions are shown. The noise component is zero. シフト量が1/5画素の場合のイメージングプロセス例(4方向の場合)を示す図であり、上図はベース画像、中央図は差分積算画像、下図は鮮鋭化画像である。It is a figure which shows the example of an imaging process (in the case of 4 directions) in case shift amount is 1/5 pixel, an upper figure is a base image, a center figure is a difference integration image, and a lower figure is a sharpened image. 鮮鋭化画像におけるベース画像の重みの効果を示す図である。シフト量は1/5画素分である。It is a figure which shows the effect of the weight of the base image in a sharpened image. The shift amount is 1/5 pixel. 実験に用いた光ファイバーイメージング装置を示す図である。It is a figure which shows the optical fiber imaging device used for experiment. 8方向のシフト画像の取得を示す図である。It is a figure which shows acquisition of the shift image of 8 directions. 差分積算画像と鮮鋭化画像のシフト量依存性(シフト量:0μm、0.25μm、0.5μm)を示す図である。It is a figure which shows the shift amount dependence (shift amount: 0 micrometer, 0.25 micrometer, 0.5 micrometer) of a difference integration image and a sharpened image. 差分積算画像と鮮鋭化画像のシフト量依存性(シフト量:1μm、2μm、3μm)を示す図である。It is a figure which shows the shift amount dependence (shift amount: 1 micrometer, 2 micrometers, 3 micrometers) of a difference integration image and a sharpened image. 差分積算画像と鮮鋭化画像のシフト量依存性(シフト量:4μm、5μm)を示す図である。It is a figure which shows the shift amount dependence (shift amount: 4 micrometers, 5 micrometers) of a difference integration image and a sharpened image. グラフェンホールバーの観測結果を示す図である。It is a figure which shows the observation result of a graphene hole bar. 単層グラフェン/グラファイトの観察結果を示す図である。It is a figure which shows the observation result of single layer graphene / graphite. 単層/二層グラフェンの観察結果を示す図である。It is a figure which shows the observation result of single layer / bilayer graphene. 単層/多層グラフェンの観察結果を示す図である。It is a figure which shows the observation result of a single layer / multilayer graphene. 単層/多層グラフェンの観察結果を示す図である。It is a figure which shows the observation result of a single layer / multilayer graphene. 単層/多層グラフェンの観察結果を示す図である。It is a figure which shows the observation result of a single layer / multilayer graphene. 単層/多層グラフェンの観察結果を示す図である。It is a figure which shows the observation result of a single layer / multilayer graphene. 鮮鋭化画像におけるベース画像の重みの効果(観察結果)を示す図である。It is a figure which shows the effect (observation result) of the weight of the base image in a sharpened image. 鮮鋭化画像におけるベース画像の重みの効果(観察結果)を示す図である。It is a figure which shows the effect (observation result) of the weight of the base image in a sharpened image. 鮮鋭化画像におけるベース画像の重みの効果(観察結果)を示す図である。It is a figure which shows the effect (observation result) of the weight of the base image in a sharpened image. 鮮鋭化画像におけるベース画像の重みの効果(観察結果)を示す図である。It is a figure which shows the effect (observation result) of the weight of the base image in a sharpened image. 観察対象(Olympus Microscope BX-60により取得されたもの)を示す図である。It is a figure which shows the observation object (what was acquired by Olympus Microscope BX-60). ベルトコンベアを用いた検査装置としての実施形態(適用1)を示す図である。It is a figure which shows embodiment (application 1) as an inspection apparatus using a belt conveyor. ベルトコンベアを用いた検査装置としての実施形態(適用2)を示す図である。It is a figure which shows embodiment (application 2) as an inspection apparatus using a belt conveyor. ベルトコンベアを用いた検査装置としての実施形態(適用3)を示す図である。It is a figure which shows embodiment (application 3) as an inspection apparatus using a belt conveyor.

[A]イメージング装置
[A−1]イメージング装置における画像処理の概要
本発明の画像処理装置(イメージング装置)の実施形態のブロック図を図1に示す。画像処理装置は、対象の画像を取得する画像取得部(測定系)と、測定系に対して対象を相対的に移動させる手段と、を備えている。以下の説明においては、光学的な画像取得装置に基づいて本発明の実施形態を説明するが、本発明に適用され得る画像取得装置は、光学的な画像取得装置に限定されない。
[A] Imaging device
[A-1] Overview of Image Processing in Imaging Apparatus FIG. 1 shows a block diagram of an embodiment of an image processing apparatus (imaging apparatus) according to the present invention. The image processing apparatus includes an image acquisition unit (measurement system) that acquires an image of a target, and a unit that moves the target relative to the measurement system. In the following description, an embodiment of the present invention will be described based on an optical image acquisition device, but an image acquisition device that can be applied to the present invention is not limited to an optical image acquisition device.

画像取得部と移動手段とによって、ベース画像と、シフト画像と、が取得される。すなわち、画像取得部と移動手段とから、対象の位置を固定して、対象の画像をベース画像として取得する手段と、対象あるいは/および画像取得装置の測定系を移動させることで、前記ベース画像に対して結像面内で当該対象が所定量シフトしたN枚のシフト画像(N≧1)を取得する手段と、が構成される。 A base image and a shift image are acquired by the image acquisition unit and the moving means. That is, the base image is moved by moving the target and / or the measurement system of the image acquisition device by fixing the target position and acquiring the target image as a base image from the image acquisition unit and the moving unit. Means for acquiring N shift images (N ≧ 1) in which the target is shifted by a predetermined amount in the imaging plane.

画像処理装置は、画像処理部を備えている。画像処理部は、ベース画像と各シフト画像の同じ座標の 画素同士の画素値(信号強度)の差分からN枚の差分画像(N≧1)を取得し、当該N枚の差分画像の同じ座標の画素同士の画素値(信号強度)を加算して対象の差分積算画像を取得する。N=1の場合は、差分画像=差分積算画像となる。画像処理部は、各シフト画像からベース画像を減算して積算することで差分積算画像を取得し、ベース画像から前記差分積算画像を減算して対象の鮮鋭化画像を取得する。 The image processing apparatus includes an image processing unit. The image processing unit obtains N difference images (N ≧ 1) from the difference in pixel value (signal intensity) between pixels having the same coordinates in the base image and each shift image, and the same coordinates in the N difference images. The pixel value (signal intensity) between the pixels is added to obtain the target difference integrated image. When N = 1, difference image = difference integration image. The image processing unit obtains a difference accumulated image by subtracting and integrating the base image from each shift image, and obtains a target sharpened image by subtracting the difference accumulated image from the base image.

画像処理装置は、表示部を備えており、取得した画像(すなわち、ベース画像、シフト画像)、取得した画像を用いて計算したデータ等は表示部に適宜表示可能となっている。 The image processing apparatus includes a display unit, and an acquired image (that is, a base image, a shift image), data calculated using the acquired image, and the like can be appropriately displayed on the display unit.

画像処理部は、汎用コンピュータ(入力部、出力部、演算部、記憶部、表示部等を備える)から構成することができる。取得した画像データ、計算データは記憶部に記憶され、各種計算は演算部によって実行される。画像処理装置の表示部は、汎用コンピュータの表示部から構成することができる。 The image processing unit can be configured from a general-purpose computer (including an input unit, an output unit, a calculation unit, a storage unit, a display unit, and the like). The acquired image data and calculation data are stored in the storage unit, and various calculations are executed by the calculation unit. The display unit of the image processing apparatus can be configured from a display unit of a general-purpose computer.

本実施形態に係る画像処理方法は、対象の位置を固定して、対象の画像をベース画像として取得するステップと、対象あるいは/および画像取得装置の測定系を移動させることで、前記ベース画像に対して結像面内で当該対象が所定量シフトした1つあるいは複数のシフト画像を取得するステップと、前記ベース画像と各シフト画像の同じ座標の画素同士の差分から1つあるいは複数の差分画像を取得するステップと、前記1つあるいは複数の差分画像の同じ座標の画素同士を加算して対象の差分積算画像を取得するステップと、を備えている。 In the image processing method according to the present embodiment, the target position is fixed, the target image is acquired as a base image, and the measurement system of the target or / and the image acquisition device is moved to the base image. On the other hand, obtaining one or a plurality of shift images in which the target is shifted by a predetermined amount in the imaging plane, and one or a plurality of difference images from the difference between pixels of the same coordinates of the base image and each shift image And a step of adding pixels having the same coordinates of the one or more difference images to obtain a target difference integrated image.

各ステップにおいて取得された画像は、画像データとして数値で取得されていればよく、必ずしも表示装置に表示される必要はない。例えば、最終的に得られる差分積算画像のみを表示し、他の画像は表示しなくてもよい。 The image acquired in each step only needs to be acquired as a numerical value as image data, and is not necessarily displayed on the display device. For example, only the finally obtained difference integrated image may be displayed and other images may not be displayed.

各ステップは、必ずしも時系列を特定するものではなく、 一部のステップが同時に実行されてもよい。例えば、複数の差分画像を取得するステップと、対象の差分積算画像を取得するステップとは、同時に実行されてもよい。複数の差分画像を取得するステップと、対象の差分積算画像を取得するステップと、差分積算画像にベース画像を加算するステップと、を同時に実行してもよい。また、時系列的にベース画像の取得の前にシフト画像を取得してもよい。例えば、1方向に移動する対象を連続的に撮影し、連続する3枚の画像のセットにおいて、画像をベース画像とし、画像t−1、画像t+1をそれぞれシフト画像としてもよい。これについては、後述するベルトコンベアを用いた検査装置への適用1、2を参照することができる。 Each step does not necessarily specify a time series, and some steps may be executed simultaneously. For example, the step of acquiring a plurality of difference images and the step of acquiring a target difference integrated image may be performed simultaneously. You may perform simultaneously the step which acquires a some difference image, the step which acquires the difference integrated image of object, and the step which adds a base image to a difference integrated image. Alternatively, the shift image may be acquired before acquiring the base image in time series. For example, an object moving in one direction may be taken continuously, and in a set of three consecutive images, the image t may be a base image, and the images t−1 and t + 1 may be shifted images. About this, the application 1 and 2 to the test | inspection apparatus using the belt conveyor mentioned later can be referred.

本発明の概念図を図2に示す。図2に示すように、ベース画像は、真の信号と試料位置に依存しないノイズとからなる。シフト画像もまた、試料位置に依存しないノイズを含んでいる。シフト画像が、ベース画像に対して左側にシフトした第1シフト画像と、ベース画像に対して右側にシフトした第2シフト画像と、からなるとすると、ベース画像から第1シフト画像を減算した差分画像と、ベース画像から第2シフト画像を減算した差分画像とを加算することで、差分積算画像を取得する。差分積算画像が、シフト方向における光強度の空間2次微分マッピングとなっている。差分積算画像は、対象の輪郭の情報である。 A conceptual diagram of the present invention is shown in FIG. As shown in FIG. 2, the base image consists of a true signal and noise that does not depend on the sample position. The shifted image also includes noise that does not depend on the sample position. If the shift image is composed of a first shift image shifted to the left with respect to the base image and a second shift image shifted to the right with respect to the base image, a difference image obtained by subtracting the first shift image from the base image And a difference image obtained by subtracting the second shift image from the base image is added to obtain a difference integrated image. The difference integrated image is a spatial second derivative mapping of the light intensity in the shift direction. The difference integration image is information on the contour of the target.

本実施形態の特徴は、光学系と検出器を含めた測定系全部を、試料に対して相対的に微少量シフトすることで、信号強度の試料位置依存性のみを抽出できる(差分法)こと、この操作により生成される差分積算画像が空間2次微分イメージとなること、にある。イメージング装置において、対象の位置をシフトして撮影し、画像間の演算(足し引き)を行うと、差分法による観測装置となる。ここで、装置の空間分解能に相当する程度の距離だけ対象をシフトさせると、検出すべき信号以外のノイズのかなりの部分(光源の揺らぎ、光学系の揺らぎ、検出器の揺らぎ等)を除去することができ、装置の空間分解能を向上できる。すなわち、「信号の揺らぎ(ノイズ)」=「光源の揺らぎ」+「光学系の揺らぎ」+「スキャニングの揺らぎ」+「検出器の揺らぎ」+「その他の揺らぎ」とすると、位置シフトにより変化しないノイズは、ほぼキャンセルできる。 The feature of this embodiment is that only the sample position dependence of the signal intensity can be extracted by shifting the entire measurement system including the optical system and the detector by a small amount relative to the sample (difference method). The difference integrated image generated by this operation is a spatial second-order differential image. In the imaging apparatus, if the position of the object is shifted and photographed, and calculation (addition and subtraction) between images is performed, an observation apparatus based on the difference method is obtained. Here, if the object is shifted by a distance corresponding to the spatial resolution of the apparatus, a considerable part of noise other than the signal to be detected (light source fluctuation, optical system fluctuation, detector fluctuation, etc.) is removed. And the spatial resolution of the apparatus can be improved. That is, if “signal fluctuation (noise)” = “light source fluctuation” + “optical system fluctuation” + “scanning fluctuation” + “detector fluctuation” + “other fluctuations”, there is no change due to the position shift. Noise can be almost canceled.

図2の下側に、微分フィルタによる処理を比較のために示す。微分フィルタが、着目画素の近傍画素の画素値を用いる数値演算であるのに対して、本発明では、対象に対して光学系、検出器を含む測定系を、あるいは結像に対して検出器を、所定量シフトし、実際に取得した複数の画像の同じ 座標の画素間の画素値を用いるものであり、両者は全く異なる。これらの手法によって得られる結果が全く異なるものであることは、後述する実験結果から明らかである。 The processing by the differential filter is shown for comparison on the lower side of FIG. Whereas the differential filter is a numerical operation using the pixel value of the pixel near the pixel of interest, in the present invention, an optical system for the object, a measurement system including a detector, or a detector for imaging Is shifted by a predetermined amount, and pixel values between pixels having the same coordinates in a plurality of actually acquired images are used, and they are completely different. It is clear from the experimental results described later that the results obtained by these methods are completely different.

典型的には、上記画像処理方法は、さらに、ベース画像から前記差分積算画像を減算して対象の鮮鋭化画像を取得するステップを備えている。すなわち、差分積算画像にベース画像を加算する。この場合、ベース画像に重み(例えば、1〜20倍)を付けてもよい。シフト画像からベース画像を引いて積算すると差分積算画像が2次微分画像となる。そして、ベース画像からこの2次微分画像を引くことにより、高強度はより強く、弱強度はより弱くなり、輪郭が強調され、鮮鋭化された画像が得られる。なお、差分画像のみを用いる場合、ある対象の輪郭のみを抽出するのであれば、 差分画像の符号反転を行い得ることが当業者に理解される。同様に、鮮鋭化画像の符号反転を適宜行い得ることも当業者に理解される。2次微分画像は数学的には、シフト画像からベース画像を差し引くことで得られ、その意味において、差分積算画像は、シフト画像からベース画像を引いたものを積算したものと定義することができ、鮮鋭化画像は、ベース画像からこの差分積算画像を引くことにより得られる。この定義に従うと、差分積算画像では、輪郭の明るい側が暗く、暗い側が明るくなってしまい、不自然な印象となる。実際の実験データの差分積算画像では、符号反転して、明るい側をより明るく、暗い側を暗くし、見やすくしている。 Typically, the image processing method further includes a step of subtracting the difference integrated image from a base image to obtain a target sharpened image. That is, the base image is added to the difference accumulated image. In this case, the base image may be weighted (for example, 1 to 20 times). When the base image is subtracted from the shift image and integrated, the difference integrated image becomes a second-order differential image. Then, by subtracting the second-order differential image from the base image, the high intensity is stronger, the weak intensity is weaker, the contour is emphasized, and a sharpened image is obtained. It should be understood by those skilled in the art that when only the difference image is used, the sign of the difference image can be reversed if only the contour of a certain target is extracted. Similarly, those skilled in the art will understand that sign inversion of a sharpened image can be appropriately performed. The second-order differential image is mathematically obtained by subtracting the base image from the shift image, and in that sense, the difference accumulated image can be defined as the sum of the shift image minus the base image. The sharpened image is obtained by subtracting this difference integrated image from the base image. According to this definition, in the difference integrated image, the bright side of the contour is dark and the dark side is bright, resulting in an unnatural impression. In the difference accumulated image of actual experimental data, the sign is inverted so that the bright side is brighter and the dark side is darker for easy viewing.

[A−2]画像処理部における演算
画像処理部が実行する画像の足し引きについて説明する。本実施形態において、複数の画像の足し引きは、各画像の同じ座標の画素の画素値(信号強度)同士の足し引きである。試料を載置したステージを移動させる前の画像(すなわち取得したい画像)をベース画像として、ステージを上下左右斜めの8方向に移動した際に取得した画像をシフト画像1〜8とすると、差分積算画像の計算は2次元画像の足し引きになる。式で表せば、(シフト画像+シフト画像+シフト画像+シフト画像+シフト画像+シフト画像+シフト画像+シフト画像)−ベース画像×8、となる。例えば、画素(M5,N5)に着目すると、{シフト画像の画素(M5,N5)の値+シフト画像の画素(M5,N5)の値+シフト画像の画素(M5,N5)の値+シフト画像の画素(M5,N5)の値+シフト画像の画素(M5,N5)の値+シフト画像の画素(M5,N5)の値+シフト画像の画素(M5,N5)の値+シフト画像の画素(M5,N5)の値}−ベース画像の画素(M5,N5)の値×8、となる。このように、数値演算(ラプラシアンフィルタ)が、近接する画素間の演算であるのに対して、本実施形態では、複数の画像上の同じ位置(座標)の画素間の演算となる。
[A-2] The image subtraction performed by the arithmetic image processing unit in the image processing unit will be described. In the present embodiment, the addition of a plurality of images is an addition of pixel values (signal strength) of pixels having the same coordinates in each image. Assuming that the image before moving the stage on which the sample is placed (that is, the image to be acquired) is the base image 0 , and the images acquired when the stage is moved in the eight directions of up, down, left, and right are the shift images 1 to 8 , the difference The calculation of the integrated image is a subtraction of the two-dimensional image. Expressed by the equation, (shift image 1 + shift image 2 + shift image 3 + shift image 4 + shift image 5 + shift image 6 + shift image 7 + shift image 8 ) −base image 0 × 8. For example, when focusing on the pixel (M5, N5), {the value of the pixel (M5, N5) of the shift image 1 + the value of the pixel (M5, N5) of the shift image 2 + the pixel (M5, N5) of the shift image 3 Value + value of pixel (M5, N5) of shift image 4 + value of pixel (M5, N5) of shift image 5 + value of pixel (M5, N5) of shift image 6 + pixel of shift image 7 (M5, N5) ) Value + shifted image 8 pixel (M5, N5) value} −base image 0 pixel (M5, N5) value × 8. As described above, the numerical calculation (Laplacian filter) is a calculation between adjacent pixels, whereas in the present embodiment, the calculation is performed between pixels at the same position (coordinates) on a plurality of images.

画像処理部が実行する処理を、図3〜図11に示す画像データに基づいて説明する。図3は、シフト画像の取得(空間2次微分イメージングプロセス)を示す図であり、ベース画像Cと、4方向にシフトした4つのシフト画像C1〜4を示す。ノイズ成分はゼロである。画像は、中央にグレースケールの印(画素値0.9)を備えた白色(画素値1)の十字形であり、十字形の周囲の画素値は0となっている。処理を簡略化するべく、便宜上、シフト量は1画素とした。図4は、図3を画素値で表示した図である。ベース画像C、4つのシフト画像C1〜4の各座標の画素の値を比較することで、シフト画像C1〜4が、それぞれ、ベース画像Cを左方向、右方向、上方、下方に1画素分シフトさせた画像であることが読み取れる。ベース画像CがXY平面内にあるとすると、シフト画像C、CはX方向に2方向シフトした画像、シフト画像C、CはY方向に2方向シフトした画像ということができる。 Processing executed by the image processing unit will be described based on the image data shown in FIGS. FIG. 3 is a diagram showing acquisition of a shift image (spatial second-order differential imaging process), and shows a base image C 0 and four shift images C 1 to 4 shifted in four directions. The noise component is zero. The image is a white (pixel value 1) cross having a gray scale mark (pixel value 0.9) in the center, and the pixel values around the cross are 0. In order to simplify the processing, the shift amount is set to one pixel for convenience. FIG. 4 is a diagram in which FIG. 3 is displayed with pixel values. By comparing the pixel values of the coordinates of the base image C 0 and the four shift images C 1 to 4 , the shift image C 1 to 4 can shift the base image C 0 leftward, rightward, upward, and downward, respectively. It can be read that the image is shifted by one pixel. Assuming that the base image C 0 is in the XY plane, the shifted images C 1 and C 2 can be referred to as images shifted in two directions in the X direction, and the shifted images C 3 and C 4 can be referred to as images shifted in two directions in the Y direction. .

図5は、イメージングプロセス例(1方向の場合)を示す図であり、上図はベース画像、中央図は差分画像、下図は鮮鋭化画像である。シフト画像は、ベース画像Cを左方向に1画素分シフトさせたシフト画像Cである。差分画像は、シフト画像Cからベース画像Cを減算することで得られる。鮮鋭化画像は、ベース画像Cから上記差分画像を減算することで得られる。 FIG. 5 is a diagram illustrating an example of an imaging process (in the case of one direction), in which the upper diagram is a base image, the center diagram is a difference image, and the lower diagram is a sharpened image. Shift image is shifted image C 1 obtained by one pixel shifted base image C 0 in the left direction. Difference image is obtained by the shift image C 1 subtracts the base image C 0. Sharpened image can be obtained by the base image C 0 is subtracted the difference image.

図6は、イメージングプロセス例(2方向の場合)を示す図であり、上図はベース画像、中央図は差分積算画像、下図は鮮鋭化画像である。シフト画像は、ベース画像Cを左方向に1画素分シフトさせたシフト画像C、ベース画像Cを右方向に1画素分シフトさせたシフト画像Cである。差分積算画像は、シフト画像C、Cを加算し、ベース画像C×2を減算することで得られる。鮮鋭化画像は、ベース画像Cから上記差分積算画像を減算することで得られる。 FIG. 6 is a diagram illustrating an example of an imaging process (in the case of two directions), in which the upper diagram is a base image, the central diagram is a difference integrated image, and the lower diagram is a sharpened image. Shift image base image C 0 shift image C 1 obtained by one pixel shifted leftward, a shift image C 2 obtained by one pixel shifted base image C 0 in the right direction. The difference integrated image is obtained by adding the shift images C 1 and C 2 and subtracting the base image C 0 × 2. Sharpened image can be obtained by the base image C 0 is subtracted the difference accumulated image.

図7は、イメージングプロセス例(4方向の場合)を示す図であり、上図はベース画像、中央図は差分積算画像、下図は鮮鋭化画像である。シフト画像は、ベース画像Cを左方向、右方向、上方向、下方向にそれぞれ1画素分シフトさせてなるシフト画像C1〜4である。差分積算画像は、シフト画像C、C、C、Cを加算し、ベース画像C×4を減算することで得られる。鮮鋭化画像は、ベース画像Cから上記差分積算画像を減算することで得られる。 FIG. 7 is a diagram illustrating an example of an imaging process (in the case of four directions), in which the upper diagram is a base image, the central diagram is a difference integrated image, and the lower diagram is a sharpened image. Shift image base image C 0 leftward, rightward, upward, and shift the image C 1 to 4 comprising by each one pixel shifted downward. The difference accumulated image is obtained by adding the shift images C 1 , C 2 , C 3 , C 4 and subtracting the base image C 0 × 4. Sharpened image can be obtained by the base image C 0 is subtracted the difference accumulated image.

図8は、鮮鋭化画像の取得におけるベース画像Cの重みの効果を示す図である。左から順に、重みが、−1、−0.5、1、10、20となっている。 Figure 8 is a diagram showing the effect of the weight of the base image C 0 at the acquisition of the sharpened image. The weights are -1, -0.5, 1, 10, and 20 in order from the left.

シフト量が画素の整数倍でない場合は、面積比で信号強度を分割する。図9は、シフト量が1/5画素の場合のシフト画像の取得(4方向の場合)を示す図である。ベース画像Cと、4方向にシフトした4つのシフト画像C1〜4を示す。ノイズ成分はゼロである。 When the shift amount is not an integer multiple of the pixel, the signal intensity is divided by the area ratio. FIG. 9 is a diagram illustrating acquisition of a shift image (in the case of four directions) when the shift amount is 1/5 pixel. A base image C 0 and four shifted images C 1 to 4 shifted in four directions are shown. The noise component is zero.

図10は、シフト量が1/5画素の場合のイメージングプロセス例(4方向の場合)を示す図であり、上図はベース画像、中央図は差分積算画像、下図は鮮鋭化画像である。シフト画像は、ベース画像Cを左方向、右方向、上方向、下方向にそれぞれ1/5画素分シフトさせてなるシフト画像C1〜4である。差分積算画像は、シフト画像C、C、C、Cを加算し、ベース画像C×4を減算することで得られる。鮮鋭化画像は、ベース画像Cから上記差分積算画像を減算することで得られる。シフト量が小さくなった分、差分積算画像、鮮鋭化画像の各画素の値の絶対値は小さくなっているが、シフト量=1の場合と同様の画像パターンが得られた。 FIG. 10 is a diagram showing an imaging process example (in the case of four directions) when the shift amount is 1/5 pixel. The upper diagram is a base image, the central diagram is a difference integrated image, and the lower diagram is a sharpened image. Shift image base image C 0 leftward, rightward, upward, and shift the image C 1 to 4 comprising by each 1/5 pixel shifted downward. The difference accumulated image is obtained by adding the shift images C 1 , C 2 , C 3 , C 4 and subtracting the base image C 0 × 4. Sharpened image can be obtained by the base image C 0 is subtracted the difference accumulated image. Although the absolute value of the value of each pixel of the difference integrated image and the sharpened image is reduced by the amount of shift, the same image pattern as in the case of shift amount = 1 was obtained.

図11は、鮮鋭化画像におけるベース画像の重みの効果を示す図である。シフト量は1/5画素分である。左から順に、重みが、−1、−0.5、1、10、20となっている。シフト量=1の場合に比べると、ベース画像に重みを加えると、輪郭が目立たなくなる傾向がある。 FIG. 11 is a diagram illustrating the effect of the weight of the base image in the sharpened image. The shift amount is 1/5 pixel. The weights are -1, -0.5, 1, 10, and 20 in order from the left. Compared to the shift amount = 1, when the weight is applied to the base image, the contour tends to be inconspicuous.

[A−3] 対象/画像取得装置の測定系の移動
対象を移動させる手段としては、典型的には、ピエゾ素子を用いたピエゾ駆動ステージを例示することができる。このようなピエゾ駆動ステージは、光学顕微鏡において、試料を探索したり、見やすい位置に移動させる等の目的で広く 使用されている。また、ピエゾ駆動ステージは、特許文献4に例示されるように走査型顕微鏡において、2次元画像を取得するための走査ステージとしても用いられている。しかしながら、これらのピエゾ駆動ステージの利用は、本実施形態における複数のシフトした画像を処理し、 画像の鮮鋭化に利用するための移動とは技術思想が異なる。
[A-3] As a means for moving the movement target of the measurement system of the target / image acquisition apparatus, a piezo drive stage using a piezo element can be typically exemplified. Such a piezo-drive stage is widely used in an optical microscope for the purpose of searching for a sample or moving it to an easily viewable position. The piezo drive stage is also used as a scanning stage for acquiring a two-dimensional image in a scanning microscope as exemplified in Patent Document 4. However, the use of these piezo drive stages has a different technical idea from the movement for processing a plurality of shifted images and using them for image sharpening in this embodiment.

対象や画像取得装置の測定系を移動させること自体は、特許文献1〜3においても行われており、本発明におけるシフト画像を取得する際に、これらの文献に開示された手法を採用してもよい。しかしながら、画素ずらし手法は、CCDカメラやCMOSカメラ等の、セルを敷き詰めたイメージセンサを用いて画像を取得する際に、本来、受光セルの大きさや配置で左右される空間分解能を向上させるべく、画素の位置を例えば半画素分ずらして撮像し、取得された画像を加算処理する手法であり、したがって、ノイズも加算されるものであり、本願発明とは異なる点に留意されたい。特許文献2、3にもピエゾ駆動ステージが開示されているが、特許文献2、3に開示された画素ずらし法は、取得された画像を加算処理するものであり、本発明における差分画像の取得、差分積算画像の取得という構成を備えておらず、両者は全く異質の技術思想に基づくものである。本発明と画素ずらし法とは、前者がシフト量として空間分解能を基準としているのに対して、後者の移動量は画素サイズを基準としているという点において異なる。画素ずらし法は、CCDカメラやCMOSカメラ等の、受光セルを敷き詰めてなるイメージセンサを備えた画像取得装置に有効に適用されるものであり、例えば、空間分解能がファイバ素線の直径で決まっている光ファイバーイメージング装置や、レンズの収差、光の波長で決まっている光学装置では、画素ずらし手法を適用する意義は無い。測定系の空間分解能が画素サイズで決まっている場合、結果的に本発明と画素ずらし法における移動量はオーバーラップし得るが、両者の全体構成が異なることは上述の通りである。 Moving the measurement system of the object and the image acquisition device itself is also performed in Patent Documents 1 to 3, and when acquiring the shift image in the present invention, the methods disclosed in these documents are adopted. Also good. However, the pixel shifting method, when acquiring an image using an image sensor in which cells are spread, such as a CCD camera or a CMOS camera, originally improves the spatial resolution that is influenced by the size and arrangement of the light receiving cells. Note that this is a technique in which pixel positions are shifted by, for example, half a pixel and an acquired image is added, and therefore noise is also added, which is different from the present invention. Patent Documents 2 and 3 also disclose a piezo drive stage. However, the pixel shift methods disclosed in Patent Documents 2 and 3 add the acquired images, and acquire the difference image in the present invention. However, it does not have a configuration for acquiring a difference integrated image, and both are based on completely different technical ideas. The present invention differs from the pixel shifting method in that the former is based on spatial resolution as the shift amount, whereas the latter is based on the pixel size. The pixel shifting method is effectively applied to an image acquisition device having an image sensor in which light receiving cells are spread, such as a CCD camera or a CMOS camera. For example, the spatial resolution is determined by the diameter of the fiber strand. There is no significance in applying the pixel shifting method to optical fiber imaging devices or optical devices determined by lens aberration and light wavelength. When the spatial resolution of the measurement system is determined by the pixel size, as a result, the movement amount in the present invention and the pixel shift method can overlap, but the overall configuration of both is different as described above.

対象を移動させることに代えて、あるいは、それに加えて、画像取得装置の測定系を移動させてもよい。例えば、先端が周期的に振動したイメージングファイバと、それに同期して画像を取得するようにしてもよい。画像取得装置の測定系を移動させることには、測定系全体を移動させる場合、測定系の一部の要素のみを移動させる場合が含まれる。より具体的には、測定系が光学系と検出器を備えている場合に、測定系全部を対象に対して微少量シフトする場合、あるいは、光学系による結像に対して、検出器を微少量シフトする場合が含まれる。 Instead of or in addition to moving the object, the measurement system of the image acquisition device may be moved. For example, an imaging fiber whose tip is periodically oscillated and an image may be acquired in synchronization therewith. Moving the measurement system of the image acquisition apparatus includes moving the entire measurement system and moving only some elements of the measurement system. More specifically, when the measurement system includes an optical system and a detector, the detector is finely shifted when the entire measurement system is shifted by a small amount relative to the object, or for image formation by the optical system. This includes the case of a small shift.

対象あるいは/および画像取得装置の測定系(光学系+検出器)の移動について、さらに、説明を加える。画像取得装置を、対象+光学系+検出器として捉えると、まず、光学系と検出器が固定された、「対象」+「光学系+検出器」については、シフトは相対的であり、「対象」、「光学系+検出器」どちらをシフトさせても効果は同じである。また、対象と光学系が固定された、「対象+光学系」+「検出器」についても、「検出器」のみをシフトさせても、「対象+光学系」をシフトさせても同じ効果が得られる。 The movement of the measurement system (optical system + detector) of the object or / and the image acquisition apparatus will be further described. When the image acquisition device is regarded as an object + optical system + detector, first, regarding “object” + “optical system + detector” in which the optical system and the detector are fixed, the shift is relative, The effect is the same regardless of whether the “object” or “optical system + detector” is shifted. In addition, with respect to “object + optical system” + “detector” in which the object and the optical system are fixed, the same effect can be obtained by shifting only “detector” or “object + optical system”. can get.

ここで、光学系と検出器が固定された場合と、対象と光学系が固定された場合では、除去できるノイズが異なる点に留意されたい。前者は主に光学系と検出器によるノイズを除去できるのに対して、後者は、主に検出器によるノイズのみを除去できると考えられる。例えば、画像取得装置としてデジタルカメラを用いた場合、後者の手法を用いることが考えられ、「対象+光学系」と「検出器」の相対的な位置のシフトにより本発明を実現でき、対象と光学系が固定されていれば、対象の光学系による結像を新たな対象とし、検出器に転写する装置とみなすことができる。カメラ内のイメージセンサを微少量シフトさせつつ連続的に撮像し、内部演算して記録・表示する装置が考えられる。シャッタースピードに対して、通常の対象は動いていないと見なせるので、移動させるのは測定系のイメージセンサのみとなる。このとき、対象、カメラ内部のレンズ系に対して、CCDあるいはCMOSイメージセンサのみが動くことになる。シフト量は空間分解能、すなわちイメージセンサのセルサイズ程度である。デジタルカメラのノイズの多くを占めているCCDあるいはCMOSイメージセンサの素子の不均一による感度のばらつき等を改善できると考えられる。 Here, it should be noted that the noise that can be removed differs between when the optical system and the detector are fixed and when the target and the optical system are fixed. The former can mainly remove noise due to the optical system and the detector, whereas the latter can mainly eliminate only noise due to the detector. For example, when a digital camera is used as an image acquisition device, it is conceivable to use the latter method, and the present invention can be realized by a relative position shift between “object + optical system” and “detector”. If the optical system is fixed, the image formed by the target optical system can be regarded as a new target and transferred to the detector. A device that continuously captures images while shifting the image sensor in the camera by a small amount, and records / displays the images by performing internal calculation is conceivable. Since it can be considered that the normal object is not moving with respect to the shutter speed, only the image sensor of the measurement system is moved. At this time, only the CCD or CMOS image sensor moves with respect to the target and the lens system inside the camera. The shift amount is about the spatial resolution, that is, the cell size of the image sensor. It is thought that sensitivity variations due to non-uniformity of CCD or CMOS image sensor elements, which account for a lot of noise in digital cameras, can be improved.

[A−4]ベース画像とシフト画像との距離
ベース画像に対するシフト画像の移動量は、画像取得装置の空間分解能程度が望ましいと考えられる。しかしながら、空間分解能の定義自体が識別可能な2点間の距離という曖昧なものであり、「見える」・「見えない」の判断は、脳の高度の計算により行われ、画像として輪郭をどの程度強調した方が見やすいか、物の質感を損なわないかは、見る側の個人差があり、また、画像となっている対象によっても異なる。したがって、本実施形態で採用し得る移動量には幅があり、1つの態様では、ベース画像に対するシフト画像の移動量は、画像取得装置の空間分解能の1/10〜2倍である。さらに好ましい範囲では、空間分解能の1/5〜1倍である。移動量のかかる範囲は、後述する実験結果から裏付けられる範囲である。空間分解能の1/10程度では実際に、微弱であるもののエッジ情報が得られている。一方、移動量は、空間分解能よりも大きな値の場合も含まれ、空間分解能の数倍、例えば2倍程度までであれば、ベース画像に比べてより明瞭に見える場合もあり得る。
[A-4] It is considered that the shift amount of the shift image relative to the distance base image between the base image and the shift image is preferably about the spatial resolution of the image acquisition device. However, the definition of spatial resolution is ambiguous, the distance between two points that can be identified, and the judgment of “visible” or “invisible” is made by calculating the level of the brain, and how much is the contour as an image Whether the emphasis is easier to see or the texture of the object is not impaired depends on the individual on the viewing side, and also differs depending on the object that is the image. Therefore, the amount of movement that can be employed in this embodiment has a range, and in one aspect, the amount of movement of the shift image relative to the base image is 1/10 to 2 times the spatial resolution of the image acquisition device. In a more preferable range, it is 1/5 to 1 times the spatial resolution. This range of movement amount is a range supported by the experimental results described later. In fact, the edge information is obtained although it is weak at about 1/10 of the spatial resolution. On the other hand, the amount of movement includes a value larger than the spatial resolution, and if it is several times the spatial resolution, for example, about twice, it may be seen more clearly than the base image.

画像取得装置の空間分解能は、重要なスペックであり、既知ないし当該装置の構成から見積もることができる。例えば、実験で用いた光ファイバーイメージング装置では、ファイバ素線の直径である2〜3μmが空間分解能であると考えられ、実験で用いたノマルスキ微分干渉光学顕微鏡(BX60)では、ほぼ1μmと見積もることができる。したがって、当業者であれば、用いられる画像取得装置の空間分解能に基づいて当該空間分解能の1/10〜2倍の範囲から適当なシフト量(典型的には、空間分解能程度)を設定することができる。 The spatial resolution of the image acquisition device is an important specification, and can be estimated from known or the configuration of the device. For example, in the optical fiber imaging apparatus used in the experiment, it is considered that the diameter of the fiber strand of 2 to 3 μm is the spatial resolution, and in the Nomarski differential interference optical microscope (BX60) used in the experiment, it can be estimated as approximately 1 μm. it can. Accordingly, a person skilled in the art sets an appropriate shift amount (typically about spatial resolution) from a range of 1/10 to 2 times the spatial resolution based on the spatial resolution of the image acquisition device used. Can do.

典型的には、移動量は、各方向において実質的に同じ量(なるべく誤差を最小とする)に設定される。例えば、4方向の4つのシフト画像において、ベース画像に対する各シフト画像の移動量は実質的に同じである。なお、通常、イメージング装置は定量的な解析に用いるというより、見えるか見えないかの判断に用いられているため、シフト画像間で移動量にばらつきがあっても、移動量が上記所定の範囲に入っていれば効果はある。なお、移動量が異なる場合に、輪郭の強度を合わせるために移動量に応じて差分画像に重みを付けてもよい。 Typically, the movement amount is set to substantially the same amount in each direction (as much as possible to minimize the error). For example, in four shift images in four directions, the amount of movement of each shift image with respect to the base image is substantially the same. In general, the imaging apparatus is used not for quantitative analysis but for judging whether it can be seen or not. Therefore, even if there is variation in the movement amount between the shift images, the movement amount is within the predetermined range. If it is in, there is an effect. When the movement amount is different, the difference image may be weighted according to the movement amount in order to match the contour strength.

[A−5]画像の重み付け
差分積算画像を取得する際、特定の差分画像のみ加算する、あるいは重み付けをしてもよい。例えば、ベース画像と上下左右斜めの8方向の8枚のシフト画像1〜8がある場合に、8枚の差分画像の一部のみを選択して加算してもよい(この場合、選択されなかった差分画像の重みは0である。)。また、例えば、4方向シフト画像において、シフト量が上下左右で異なる場合等に、差分画像に重みを付けてもよい。厳密には、(画像−画像)/(画像のシフト量)+(画像−画像)/(画像のシフト量)+・・・とすることで、輪郭の強度(画素強度の傾き)を同じにすることができる。また、特殊な用途で、たとえば縦方向の輪郭のみを強調したいというような場合に、重みを変えてもよい。どのように重みを付けるかは、目的や用途等に応じて当業者において適宜設定し得る。
[A-5] When obtaining a weighted difference integrated image of an image, only a specific difference image may be added or weighted. For example, when there are 8 shift images 1 to 8 in the eight directions of the base image 0 and the top / bottom / left / right slant, only a part of the eight difference images may be selected and added (in this case, selected) The weight of the difference image that did not exist is 0). In addition, for example, in the case of a four-direction shift image, the difference image may be weighted when the shift amount differs vertically and horizontally. Strictly speaking, by setting (image 1 −image 0 ) / (shift amount of image 1 ) + (image 2 −image 0 ) / (shift amount of image 2 ) +. Can be made the same. Further, the weight may be changed in a special application, for example, when it is desired to emphasize only the vertical contour. How to apply the weight can be appropriately set by those skilled in the art according to the purpose and application.

差分積算画像にベース画像を加算して対象の鮮鋭化画像を取得する際に、ベース画像に重み付けをしてもよい。どのように重み付けを行うかは、目的や用途等に応じて、例えば1倍〜20倍の範囲から当業者において適宜選択し得る。 When the base image is added to the difference accumulated image to obtain the target sharpened image, the base image may be weighted. How to perform weighting can be appropriately selected by those skilled in the art from the range of 1 to 20 times, for example, depending on the purpose and application.

[A―6]ベース画像に対するシフト画像の移動方向
1つの態様では、複数のシフト画像は、ベース画像に対してx方向に2方向、y方向に2方向、斜め方向に4方向にシフトした8つの画像である。この場合、8方向2次微分イメージが得られ、全角度の変化をほぼ均等に強調することができる。なお、1つのベース画像に対して9つ以上のシフト画像を取得してもよい。
[A-6] Movement direction of shift image with respect to base image In one aspect, the plurality of shift images are shifted in two directions in the x direction, two directions in the y direction, and four directions in the oblique direction with respect to the base image. It is one image. In this case, an 8-direction second-order differential image is obtained, and changes in all angles can be emphasized almost uniformly. Note that nine or more shift images may be acquired for one base image.

1つの態様では、複数のシフト画像は、ベース画像に対してx方向に2方向、y方向に2方向シフトした4つの画像である。この場合、4方向2次微分イメージが得られ、縦、横の変化を強調することができる。 In one aspect, the plurality of shifted images are four images that are shifted in two directions in the x direction and two directions in the y direction with respect to the base image. In this case, a quadratic second-order differential image is obtained, and vertical and horizontal changes can be emphasized.

1つの態様では、複数のシフト画像は、ベース画像に対してx方向あるいはy方向の2方向にシフトした2つの画像である。この場合、2方向2次微分イメージが得られ、縦あるいは横の変化を強調することができる。 In one aspect, the plurality of shifted images are two images shifted in two directions, the x direction and the y direction, with respect to the base image. In this case, a bi-directional second-order differential image is obtained, and vertical or horizontal changes can be emphasized.

単に輪郭を強調したい場合には、特に、対象の輪郭の一部だけ抽出したいという用途においては、1方向のみのシフト画像を用いて、1枚のベース画像と1枚のシフト画像から差分画像(=差分積算画像)を求めてもよい。実際には、左右にシフトするとして、例えば対象の左がプラス(白)、右がマイナス(黒)となって強調される。つまり、斜めから日が指して、より立体的に見えるような効果もある。1方向シフト画像の計算例を図5に示す。 When the contour is simply to be emphasized, in particular, in a case where only a part of the target contour is to be extracted, a difference image (from one base image and one shift image is used using a shift image in only one direction. = Difference integrated image) may be obtained. In actuality, for example, the left and right of the object are emphasized with a plus (white) and a right with a minus (black). In other words, there is also an effect that the sun looks from an oblique direction and looks more three-dimensional. A calculation example of the one-direction shifted image is shown in FIG.

シフト画像は、ベース画像に対して回転するものでもよい。例えば、ある角速度で等速円運動している対象に対しては、撮像のタイミングを調整することによって、「装置の空間分解能」程度(所定量の範囲内)でシフトしている対象の領域のみ、有効になると考えられる。すなわち、撮像のタイミングを制御することによって、すべての領域におけるイメージングが可能となる。この時、2次微分されるのはあくまで接線方向のみであり、特定のパターンのみ観測したいというような用途に用いられ得るものである点に留意されたい。撮像のタイミングの調整については、たとえば、ステッピングモータやサーボモータを用いて、一定の角度で回転を止めて撮像し、また次の角度にシフトして撮像するという方法と、一定速度で回転する対象を連続撮影する方法がある。後者の場合、検出器の露光時間(検出時間)内では、対象がほぼ静止していると考えられるくらいに低速で回転させるか、あるいは、検出時間を短くする必要がある。ここで言う静止とは、検出時間内では、空間分解能程度で規定されるシフト量に対して、無視できる範囲内でしか、対象が移動しない、という意味である。検出時間を短くするためには、シャッタースピードを上げ、露光時間を短くしても良いし、シャッターが開いた状態で充分に短いパルス光を照射することで、実際上の露光時間を短くしても良い。ステッピングモータ等で一定の角度で回転を止めて撮像する方法であれば、ベース画像とその両側の2つのシフト画像をとれば良いので、回転方向としては、ベース画像を取得した後、2方向に往復回転して、両側のシフト画像を取得する(ベース画像→右シフト画像→左シフト画像)場合、1方向で連続的に取得する(右シフト画像→ベース画像→左シフト画像)の場合がある。また、一定速度で回転する対象を連続的に撮像する場合は、低速であれば1方向に回転しつつ、ベース画像とその両側の2つのシフト画像を連続的に取得すればよい。
[A―7]他の実施形態
The shift image may be rotated with respect to the base image. For example, for an object that is moving at a constant angular velocity at a constant speed, only the area of the object that is shifted by about the “spatial resolution of the device” (within a predetermined amount) by adjusting the imaging timing. It will be effective. That is, by controlling the timing of imaging, imaging in all areas is possible. At this time, it should be noted that the second-order differentiation is only in the tangential direction, and it can be used for the purpose of observing only a specific pattern. Regarding the adjustment of the imaging timing, for example, using a stepping motor or servo motor, stop the rotation at a certain angle, and then shift to the next angle to capture the image. There is a way to shoot continuously. In the latter case, within the exposure time (detection time) of the detector, it is necessary to rotate the target at such a low speed that the object is considered to be almost stationary, or to shorten the detection time. The term “still” as used herein means that the object moves only within a negligible range with respect to the shift amount defined by the spatial resolution within the detection time. In order to shorten the detection time, the shutter speed can be increased and the exposure time can be shortened, or the actual exposure time can be shortened by irradiating a sufficiently short pulse light with the shutter open. Also good. If it is a method of stopping rotation at a fixed angle with a stepping motor or the like, it is sufficient to take a base image and two shift images on both sides thereof. Rotating back and forth to acquire shift images on both sides (base image → right shift image → left shift image) may be acquired continuously in one direction (right shift image → base image → left shift image). . In addition, when continuously imaging an object that rotates at a constant speed, the base image and the two shifted images on both sides thereof may be acquired continuously while rotating in one direction at a low speed.
[A-7] Other embodiments

光学的に2次元画像を取得する方法としては、大きく分けて、
1.センサ部を1個(0次元)もつ検出器(光電子増倍管等)を用い、2次元面で走査する手法、
2.1次元のセンサアレイを用いて、アレイ(長軸)に対して垂直方向に走査する手法、
3.2次元イメージセンサをもつ検出器(CCDなど)を用いて、一度に画像を取得する方法、などがあり、本実施形態は、典型的には手法3に適用される。しかしながら、本発明の他の実施形態は、手法2にも適用し得る。具体的には、センサアレイをアレイ(長軸)方向に空間分解能程度シフトし、その後、垂直方向に対象物をアレイによる検出幅程度一方向にシフトする、この動作を繰り返すことで、上下方向のみ2次微分された2次元イメージが取得できる。これに関連して、後述するベルトコンベアを用いた検査装置への適用3を参照することができる。
As a method for optically acquiring a two-dimensional image, it is roughly divided into:
1. A method of scanning on a two-dimensional surface using a detector (photomultiplier tube, etc.) with one sensor part (0 dimension),
2. A method of scanning in a direction perpendicular to the array (long axis) using a one-dimensional sensor array,
3. There is a method of acquiring an image at a time using a detector (CCD or the like) having a two-dimensional image sensor, and this embodiment is typically applied to Method 3. However, other embodiments of the present invention may also be applied to technique 2. Specifically, the sensor array is shifted by about the spatial resolution in the array (major axis) direction, and then the object is shifted in the vertical direction by about the detection width of the array in one direction. A second-order differentiated two-dimensional image can be acquired. In this connection, reference can be made to Application 3 to an inspection apparatus using a belt conveyor, which will be described later.

本発明の画像処理装置を、ベルトコンベアを用いた検査装置としての実施形態に基づいて説明する。このような検査装置は、液晶パネルやシリコン基板、電子デバイスなど、およそベルトコンベアに乗る対象の形状や表面のデリケートな傷の有無等を検査することに用いられ得る。例えば、ベース画像およびシフト画像を取得する速度に対して、ベルトコンベアが十分に遅いのであれば、単に対象をベルトコンベアで検査装置の画像取得部の直下に運び、それを静止している物として、画像取得部の「光学系+検出器」をシフトし、取得した画像を差分積算することができる。以下に、より具体的に説明する。 The image processing apparatus of the present invention will be described based on an embodiment as an inspection apparatus using a belt conveyor. Such an inspection apparatus can be used for inspecting the shape of a target on a belt conveyor, the presence or absence of a delicate flaw on a surface, such as a liquid crystal panel, a silicon substrate, or an electronic device. For example, if the belt conveyor is sufficiently slow relative to the speed at which the base image and the shift image are acquired, the object is simply carried directly under the image acquisition unit of the inspection device by the belt conveyor, and the object is stationary. Then, the “optical system + detector” of the image acquisition unit can be shifted, and the acquired images can be integrated by difference. More specific description will be given below.

ベルトコンベアを用いた検査装置への適用1において、シフト画像の取得のためのシフトは、ベルトコンベアの移動(移動方向をXとする)により行う。適用1について、図29に基づいて説明する。対象をベルトコンベア上に載置して搬送し、検査装置の画像取得部の直下でベルトコンベアの移動を停止して対象を静止させ、2次元画像を撮像する。次いで、対象をベルトコンベアで空間分解能程度一方向にシフトし、静止、撮像する。これを繰り返しおこない、ベース画像とシフト画像(1枚または2枚)を取得する。あるいは、対象が静止していると見なせる程度に撮像を高速でおこなうことにより、ベルトコンベア上を移動している対象を連続的に撮像し、ベース画像とシフト画像(1枚または2枚)を取得する。ベース画像とシフト画像の差分画像を取得することで、左右方向(X方向)のみ2次微分された2次元イメージが取得できる。 In the application 1 to the inspection apparatus using the belt conveyor, the shift for acquiring the shift image is performed by moving the belt conveyor (the moving direction is X). Application 1 will be described with reference to FIG. The object is placed and conveyed on the belt conveyor, and the movement of the belt conveyor is stopped immediately below the image acquisition unit of the inspection apparatus to make the object stationary and take a two-dimensional image. Next, the object is shifted in one direction by the belt conveyor to the extent of spatial resolution, and is stationary and imaged. This is repeated to obtain a base image and a shift image (one or two images). Alternatively, by capturing images at a high speed to such an extent that the object can be considered to be stationary, the object moving on the belt conveyor is continuously imaged to obtain a base image and a shift image (one or two images). To do. By acquiring the difference image between the base image and the shift image, a two-dimensional image obtained by second-order differentiation only in the left-right direction (X direction) can be acquired.

ベルトコンベアを用いた検査装置への適用2において、シフト画像の取得のためのシフトは、ベルトコンベアの移動(X方向)及び2次元イメージセンサのシフト(Y方向)により行う。適用2について、図30に基づいて説明する。適用1と同様に、対象をベルトコンベア上に載置して搬送し、検査装置の画像取得部の直下でベルトコンベアの移動を停止して対象を静止させ、2次元画像を撮像する。次いで、対象をベルトコンベアで空間分解能程度一方向にシフトし、静止、撮像する。次いで、静止した対象に対して、画像取得部の2次元イメージセンサをベルトコンベアの進行方向に対して垂直方向(Y方向)に空間分解能程度の微少量シフトしつつ当該対象を撮像したのち、ベルトコンベアで対象を空間解像度程度一方向にシフトし、ベース画像とシフト画像(4枚)を取得する。あるいは、2次元イメージセンサのシフトと撮像を高速でおこなうことにより、ベルトコンベア上を移動している対象を連続的に撮像し、ベース画像とシフト画像(4枚)を取得する。これにより、XY方向に2次微分された2次元イメージが取得できる。 In the application 2 to the inspection apparatus using the belt conveyor, the shift for acquiring the shift image is performed by the movement of the belt conveyor (X direction) and the shift of the two-dimensional image sensor (Y direction). Application 2 will be described with reference to FIG. Similar to Application 1, the object is placed on the belt conveyor and transported, and the movement of the belt conveyor is stopped immediately below the image acquisition unit of the inspection device, the object is stopped, and a two-dimensional image is captured. Next, the object is shifted in one direction by the belt conveyor to the extent of spatial resolution, and is stationary and imaged. Next, the object is imaged while shifting the two-dimensional image sensor of the image acquisition unit in a direction perpendicular to the traveling direction of the belt conveyor (Y direction) by a slight amount of spatial resolution with respect to the stationary object. The object is shifted in one direction about the spatial resolution by the conveyor, and the base image and the shifted image (four images) are acquired. Alternatively, the object moving on the belt conveyor is continuously imaged by shifting and imaging the two-dimensional image sensor at high speed, and a base image and shift images (four images) are acquired. Thereby, a two-dimensional image second-order differentiated in the XY direction can be acquired.

ベルトコンベアを用いた検査装置への適用3において、シフト画像の取得のためのシフトは、センサアレイの長軸方向のシフト(Y方向)により行う。適用3について、図31に基づいて説明する。センサアレイを空間分解能程度アレイの長軸方向にシフトしつつ対象の部分を撮像し、ベース画像とシフト画像(1枚または2枚)を取得する。さらに、アレイに対し垂直方向にベルトコンベアで対象をアレイによる検出幅程度一方向にシフトし、同様の操作を繰り返す。あるいは、センサアレイのシフトと撮像を高速でおこなうことにより、ベルトコンベア上を移動している対象を連続的に撮像し、複数枚のベース画像とシフト画像を取得する。これにより、Y方向のみ2次微分された2次元イメージが取得できる。適用3において、ベース画像、シフト画像は、センサアレイに対応する細幅画像である。センサアレイによるベース細幅画像と、アレイ方向に片側あるいは両側シフトして得られたシフト細幅画像の差分積算画像は、シフト方向の2次微分細幅画像となる。この操作を、ベルトコンベヤをセンサアレイによる検出幅分動かして、繰り返し行い、2次微分細幅画像をつなぎあわせることで、2次元の差分積算画像(アレイ方向の2次微分イメージ)が得られる。センサアレイの幅は、1列あるいは複数列である。適用3では、細幅画像をつなぎ合わせるためだけにベルトコンベアによる対象のシフトを行っている。特に、長尺の対象の検査等において有利であると考えられる。 In the application 3 to the inspection apparatus using the belt conveyor, the shift for acquiring the shift image is performed by shifting the sensor array in the major axis direction (Y direction). Application 3 will be described with reference to FIG. The target portion is imaged while shifting the sensor array in the major axis direction of the array by spatial resolution, and a base image and a shifted image (one or two images) are acquired. Further, the object is shifted in one direction by a belt conveyor in the direction perpendicular to the array in the same direction as the detection width by the array, and the same operation is repeated. Alternatively, by shifting and imaging the sensor array at a high speed, the object moving on the belt conveyor is continuously imaged, and a plurality of base images and shift images are acquired. Thereby, a two-dimensional image obtained by second-order differentiation only in the Y direction can be acquired. In Application 3, the base image and the shift image are narrow-width images corresponding to the sensor array. A difference integrated image of the base narrow-width image obtained by the sensor array and the shifted narrow-width image obtained by shifting one or both sides in the array direction becomes a second-order differential narrow-width image in the shift direction. This operation is repeated by moving the belt conveyor by the detection width of the sensor array, and the second-order differential narrow-width images are joined together to obtain a two-dimensional difference accumulated image (second-order differential image in the array direction). The width of the sensor array is one column or a plurality of columns. In application 3, the object is shifted by the belt conveyor only for joining the narrow images. In particular, it is considered advantageous in inspection of a long object.

次に、対象が移動している場合(例えば、生物が運動している場合)について考察する。本発明の移動する対象への適用については、2通りのアプローチが考えられる。第1のアプローチは、生物の移動速度に対して、充分速く、シフト画像を取得する方法である。この方法は、「光学系+検出器」をシフトさせることになるが、対象の速さに対して、シフト及び撮像の速さが充分速く、対象がほぼ静止していると見なせることが重要である。第2のアプローチは、対象の運動を、シフト量に置き換える方法である。この場合、対象のシフトは当該対象の自己運動によって実現され、装置のシフトは必要がなく、検出のタイミングを制御し、取得画像の演算(方向という概念がなくなるので、異なる時間に取得した画像間の演算)を行うことになる。ただし、対象の静止画像が取得出来る程度に検出時間(露光時間)は短い必要がある。この方法を応用すれば、無秩序に動いている複数の生物の中から、ある一定範囲の速度で動いている物だけの輪郭を強調し、抽出することができる。この場合の速度は、シフト画像の時間間隔により、間隔が短ければ、速く動くもの、長ければ、ゆっくり動く物の輪郭が強調される。静止している物は、差分積算画像で見ると、完全に消去される。すなわち、ある時間間隔で撮像を行い、差分画像をとると、その時間間隔でちょうど装置の空間分解能程度移動した物の輪郭のみ強調され、それより速い物はボケた背景となり、遅い物は消去されることになる。 Next, a case where the target is moving (for example, a case where a living organism is moving) will be considered. There are two possible approaches for applying the present invention to moving objects. The first approach is a method of acquiring a shift image that is sufficiently fast with respect to the moving speed of the organism. This method shifts the “optical system + detector”, but it is important that the speed of shifting and imaging is sufficiently high relative to the speed of the object, and that the object can be regarded as almost stationary. is there. The second approach is a method of replacing the movement of the object with the shift amount. In this case, the shift of the object is realized by the self-motion of the object, the apparatus does not need to be shifted, the timing of detection is controlled, and the calculation of the acquired image (the concept of direction is eliminated, so the images acquired at different times Is calculated). However, the detection time (exposure time) needs to be short enough to obtain a target still image. By applying this method, it is possible to emphasize and extract the contours of only moving objects at a certain range of speed from a plurality of organisms that move randomly. In this case, due to the time interval of the shift image, the outline of the moving object is emphasized when the interval is short and the object slowly moving is emphasized when the interval is long. A stationary object is completely erased when viewed in the difference accumulated image. In other words, when taking images at a certain time interval and taking a difference image, only the outline of the object that has moved by about the spatial resolution of the device at that time interval is emphasized, faster objects become blurred backgrounds, and slower objects are erased. Will be.

[B]実験例1
[B−1]実験概要
ピエゾ駆動ステージを用いた空間2次微分イメージング装置を製作した。図12に実験装置を示す。CCDカメラ、イメージファイバ光学系、ピエゾ素子駆動ステージを結合させて、試料表面からの光信号の変化を二次元画像として高感度に検出するための装置である。イメージファイバは、非整列タイプであるが、整列タイプのイメージファイバを用いてもよい。駆動ステージとして、フォーカス調整のZ軸を加えた、高精度3軸ピエゾ素子駆動ステージ、およびコントローラを選定した。また、検出器として、ノイズの少ない天体観測用のペルチェ冷却CCDカメラを採用した。光源は、ハロゲンランプを選定し、バンドパスフィルタにより赤色光を選択、照射した。イメージファイバ直下の試料の位置をピエゾ素子駆動ステージにより微少量変化させ、取得イメージの差分をとることにより、光源、ファイバ光学系、検出器の時間的・空間的揺らぎをほぼキャンセルしつつ、試料からの光信号の位置依存性のみを高感度に検出する。
[B] Experimental Example 1
[B-1] Outline of Experiment A spatial second-order differential imaging apparatus using a piezo drive stage was manufactured. FIG. 12 shows an experimental apparatus. This is a device for detecting a change in the optical signal from the sample surface as a two-dimensional image with high sensitivity by combining a CCD camera, an image fiber optical system, and a piezo element driving stage. The image fiber is a non-aligned type, but an aligned type image fiber may be used. A high-accuracy 3-axis piezo element drive stage with a Z axis for focus adjustment and a controller were selected as the drive stage. In addition, a Peltier-cooled CCD camera for astronomical observation with low noise was adopted as the detector. As the light source, a halogen lamp was selected, and red light was selected and irradiated by a band pass filter. By slightly changing the position of the sample directly under the image fiber with the piezo element drive stage and taking the difference of the acquired images, the temporal and spatial fluctuations of the light source, fiber optical system, and detector are almost cancelled. Only the position dependence of the optical signal is detected with high sensitivity.

光学系と検出器を含めた測定系全部を、試料に対して相対的に微少量シフトすることで、信号強度の試料位置依存性のみを抽出する。この操作により生成される差分積算画像が空間2次微分イメージとなる。試料はピエゾ駆動ステージ上にあり、ピエゾ駆動ステージによってXY面内を微少量移動させることができる。光学系、検出器に対して、試料のみを4回(あるいは8回)一定量シフトし、それぞれの画像データ(4回シフトの場合は4枚のシフト画像、8回シフトの場合は8枚のシフト画像)を取得する。図13に、ベース画像Cと上下左右斜めの8方向の8枚のシフト画像C1〜8を示す。ベース画像CがXY平面内にあるとすると、シフト画像C、CはX方向に2方向シフトした画像、シフト画像C、CはY方向に2方向シフトした画像、シフト画像C5〜8は斜め方向に4方向シフトした画像であるということができる。図13におけるハニーカム状を構成する各六角形はファイバ素線を示す。図13におけるシフト量は、イメージファイバのファイバ素線の直径に相当する量である。ベース画像の信号強度を、4枚のシフト画像の場合は4倍(あるいは、8枚のシフト画像の場合は8倍)し、シフトして得られた4枚(あるいは8枚)のシフト画像の信号強度の積算から差し引くことにより、ベース画像の空間2次微分イメージが得られる。 Only the sample position dependency of the signal intensity is extracted by shifting the entire measurement system including the optical system and the detector by a slight amount relative to the sample. The difference integrated image generated by this operation becomes a spatial second-order differential image. The sample is on a piezo drive stage and can be moved in a small amount in the XY plane by the piezo drive stage. Only the sample is shifted a fixed amount 4 times (or 8 times) with respect to the optical system and detector, and each image data (4 shift images in the case of 4 shifts, 8 images in the case of 8 shifts) Shift image). 13 shows a base image C 0 and the eight vertical and lateral oblique 8-direction shift image C 1 to 8. Assuming that the base image C 0 is in the XY plane, the shift images C 1 and C 2 are images shifted in two directions in the X direction, the shift images C 3 and C 4 are images shifted in two directions in the Y direction, and the shift image C It can be said that 5 to 8 are images shifted in four directions in an oblique direction. Each hexagon which comprises the honey-cam shape in FIG. 13 shows a fiber strand. The shift amount in FIG. 13 is an amount corresponding to the diameter of the fiber strand of the image fiber. The signal intensity of the base image is 4 times (or 8 times for 8 shift images) in the case of 4 shift images, and 4 (or 8) shift images obtained by shifting are used. By subtracting from the signal intensity integration, a spatial second derivative image of the base image is obtained.

[B−2]実験結果
差分積算画像と鮮鋭化画像のシフト量依存性を、図14(シフト量:0μm、0.25μm、0.5μm)、図15(シフト量:1μm、2μm、3μm)、図16(シフト量:4μm、5μm)に示す。図14〜図16において、上図(−2nd derivative)は、差分積算画像、下図(0th−2nd derivative)は鮮鋭化画像である。空間分解能の1/10程度(0.25μm)のシフト量でも、エッジの情報が得られている。2または3μm あたりが最適だと思われる。それ以上のシフト量(4μm、5μm)では、輪郭が太くなり、やや不自然な印象を受けるものの、中央部グラフェンは判別出来る。最適なシフト量は分解能程度2−3μm(ファイバ素線の直径)であると考えられる。
[B-2] Experimental result The shift amount dependency between the difference accumulated image and the sharpened image is shown in FIG. 14 (shift amount: 0 μm, 0.25 μm, 0.5 μm), FIG. 15 (shift amount: 1 μm, 2 μm, 3 μm). FIG. 16 (shift amount: 4 μm, 5 μm). 14 to 16, the upper diagram (−2 nd derivative) is a difference integrated image, and the lower diagram (0 th −2 nd derivative) is a sharpened image. Edge information can be obtained even with a shift amount of about 1/10 (0.25 μm) of the spatial resolution. Around 2 or 3 μm seems to be optimal. If the shift amount is more than 4 μm or 5 μm, the contour becomes thick and the image in the central portion can be discriminated, although the image is somewhat unnatural. The optimum shift amount is considered to be about 2-3 μm (the diameter of the fiber strand) with a resolution.

図17のグラフェンホールバーの観測結果に示すように、ファイバの直径と同程度の幅の単層グラフェンが識別できた。ラプラシアンフィルタを用いた数値演算では、当該単層グラフェンは判別不能である。 As shown in the observation result of the graphene hole bar in FIG. 17, single-layer graphene having the same width as the fiber diameter could be identified. The single-layer graphene cannot be determined by numerical calculation using a Laplacian filter.

図18の単層グラフェン/グラファイトの観察結果に示すように、単層グラフェンや、複雑な積層状態が明瞭に観察できた。マーカーも判別できた。ラプラシアンフィルタを用いた数値演算では、当該マーカーは判別不能である。 As shown in the observation result of single-layer graphene / graphite in FIG. 18, single-layer graphene and a complicated stacking state could be clearly observed. Markers could also be identified. In the numerical calculation using the Laplacian filter, the marker cannot be identified.

図19の単層/二層グラフェンの観察結果に示すように、単層および2層グラフェンの積層状態が明瞭に観察できた。ラプラシアンフィルタを用いた数値演算では、当該積層状態は判別不能である。 As shown in the observation result of single-layer / double-layer graphene in FIG. 19, the laminated state of single-layer and double-layer graphene could be clearly observed. In the numerical calculation using the Laplacian filter, the lamination state cannot be determined.

[B−3]まとめ
・ピエゾ駆動ステージを用いた空間2次微分イメージング装置を製作した。
・単層および多層グラフェン試料を用いて、反射光による観察を行った。
・その結果、本手法による明らかな解像度の向上が確認された。
・駆動ステージの最適なシフト量は、本装置では空間分解能を決めているイメージングファイバのファイバ素線の直径程度であった。
・この解像度の向上は、数値演算による2次微分画像処理(ラプラシアンフィルタ)では実現されないことを確認した。
[B-3] Summary • A spatial second-order differential imaging apparatus using a piezo drive stage was manufactured.
-Observation by reflected light was performed using single layer and multilayer graphene samples.
・ As a result, it was confirmed that the resolution was clearly improved by this method.
• The optimum shift amount of the drive stage was about the diameter of the fiber strand of the imaging fiber that determines the spatial resolution in this device.
-It was confirmed that this improvement in resolution was not realized by second-order differential image processing (Laplacian filter) by numerical calculation.

[C]実験例2
[C−1]実験概要
位置シフトによる空間2次微分イメージング手法を一般的な光学顕微鏡に適用した。光学顕微鏡としては、オリンパスBX60を用いた。ネジ式手動ステージのために、厳密なシフトは出来ない。今回のシフト量は、おおよそ1±0.5μm程度である。
[C] Experimental example 2
[C-1] Outline of Experiment A spatial second-order differential imaging technique using position shift was applied to a general optical microscope. Olympus BX60 was used as the optical microscope. Because of the screw-type manual stage, a strict shift is not possible. The shift amount this time is approximately 1 ± 0.5 μm.

今回使用した顕微鏡の分解能を見積もると、CCDのRGB出力のR成分(赤)を用いたこと、対物レンズの開口数が0.4であること、から、
となり、ほぼ1μm程度であると考えられる。
When estimating the resolution of the microscope used this time, the R component (red) of the RGB output of the CCD was used, and the numerical aperture of the objective lens was 0.4.
Therefore, it is considered to be about 1 μm.

[C−2]実験結果
図20、図21に、単層/多層グラフェンの観察を示す。
・単層グラフェンはベース画像と比較してより明瞭に観察できた。
・多層グラフェンについては、積層状態がベース画像と比較してより明瞭になった。
・多層グラフェン中のマーカーが明瞭に観察できた。従来の方法では、ラプラシアンフィルタを用いた数値演算を実行してようやく、見える程度である。
・ラプラシアンフィルタを用いた数値演算よりも、明らかに明瞭なイメージが得られた。
[C-2] Experimental Results FIGS. 20 and 21 show the observation of single layer / multilayer graphene.
-Single-layer graphene could be observed more clearly than the base image.
-For multilayer graphene, the lamination state became clearer than the base image.
-Markers in multilayer graphene were clearly observed. In the conventional method, the numerical operation using the Laplacian filter is finally performed until it can be seen.
・ A clearer image was obtained than numerical computation using the Laplacian filter.

図22、図23に、単層/多層グラフェンの観察を示す。
・単層/2層グラフェンはベース画像と比較してより明瞭に観察できた。
・多層グラフェンについては、積層によると思われる模様が見えた。従来の方法では、ラプラシアンフィルタを用いた数値演算しても、ほとんど見えない。
・ラプラシアンフィルタを用いた数値演算よりも、明らかに明瞭なイメージが得られた。
22 and 23 show the observation of single layer / multilayer graphene.
-Single-layer / double-layer graphene could be observed more clearly than the base image.
・ As for multilayer graphene, a pattern that seems to be due to lamination was visible. In the conventional method, even if a numerical calculation using a Laplacian filter is performed, it is hardly visible.
・ A clearer image was obtained than numerical computation using the Laplacian filter.

[C−3]まとめ
・位置シフトによる空間2次微分イメージング手法を光学顕微鏡に適用した。
・ネジ式手動ステージを用いたため、正確なシフトは出来なかったにもかかわらず(おおよそ1±0.5μm)、本手法による明らかな解像度の向上が確認された。
・ラプラシアンフィルタを用いた数値演算では得られない情報が、確かに得られることを確認した。
・装置の空間分解能程度で正確にシフトすれば、より解像度が向上すると考えられる。
[C-3] Summary • A spatial second-order differential imaging technique using position shift was applied to an optical microscope.
・ Due to the use of a screw-type manual stage, an accurate shift was not achieved (approximately 1 ± 0.5μm), but a clear resolution improvement was confirmed by this method.
-Confirmed that information that cannot be obtained by numerical calculation using Laplacian filter can be obtained.
・ It is thought that the resolution will be improved if it is shifted accurately with the spatial resolution of the device.

[D]実験例3
鮮鋭化画像Cを取得する際(C=kC−C差分積算)のベース画像Cの重みkについて比較実験を行った。実験結果を図24〜図27に示す。
1≦k:k=20程度までは輪郭が強調され、それ以上では位置シフトの効果があまりない。
0≦k<1:差分積算画像と大きな違いは見られなかった。
k<0:画素強度が相対的に変化し、凸凹の形状も変化する。有効性はあまりないと考えられる。
本発明を限定するものではないが、1≦k≦20が適当であると考えられる。
[D] Experimental example 3
A comparative experiment was performed on the weight k of the base image C 0 when the sharpened image C was acquired (C = kC 0 −C difference accumulation ). Experimental results are shown in FIGS.
1 ≦ k: The contour is emphasized up to about k = 20, and the effect of position shift is not so much above that.
0 ≦ k <1: There was no significant difference from the difference integrated image.
k <0: The pixel intensity changes relatively, and the uneven shape also changes. It seems that it is not very effective.
Although not limiting the present invention, 1 ≦ k ≦ 20 is considered appropriate.

Claims (9)

対象の画像を取得する画像取得装置を用いた画像処理方法であって、
対象の画像をベース画像として取得する ステップと、
前記ベース画像に対して結像面内で前記対象が所定量シフトしたN枚のシフト画像(N≧1)を取得するステップと、
前記ベース画像と各シフト画像の同じ座標の画素同士の差分からN枚の差分画像(N≧1)を取得するステップと、
前記N枚の差分画像を加算して対象の差分積算画像を取得するステップと、
からなり、
前記差分積算画像は、各シフト画像からベース画像を減算して積算することで得られ、
さらに、ベース画像から前記差分積算画像を減算して対象の鮮鋭化画像を取得するステップを備える、画像処理方法。
An image processing method using an image acquisition device for acquiring a target image,
Acquiring a target image as a base image;
Obtaining N shift images (N ≧ 1) obtained by shifting the object by a predetermined amount in the imaging plane with respect to the base image;
Obtaining N difference images (N ≧ 1) from the difference between pixels of the same coordinates of the base image and each shift image;
Adding the N difference images to obtain a target difference integrated image;
Tona is,
The difference integration image is obtained by subtracting the base image from each shift image and integrating,
Furthermore, the image processing method which comprises the step which subtracts the said difference integration image from a base image, and acquires the sharpening image of object .
前記所定量は、前記画像取得装置の空間分解能の1/10〜2倍の範囲の量である、請求項に記載の画像処理方法。 The image processing method according to claim 1 , wherein the predetermined amount is an amount in a range of 1/10 to 2 times a spatial resolution of the image acquisition device. 前記所定量は、前記画像取得装置の空間分解能の1/5〜1倍の範囲の量である、請求項に記載の画像処理方法。 The image processing method according to claim 2 , wherein the predetermined amount is an amount in a range of 1/5 to 1 times a spatial resolution of the image acquisition device. 前記シフト画像は、対象あるいは/および画像取得装置の測定系を移動させることで取得される、請求項1〜いずれか1項に記載の画像処理方法。 The shift image is subject or / and is obtained by moving the measuring system of the image acquisition apparatus, an image processing method according to any one of claims 1-3. 前記N枚のシフト画像は、
ベース画像に対してx方向に2方向、y 方向に2方向、斜め方向に4方向シフトした8つの画像、あるいは、
ベース画像に対してx方向に2方向、y 方向に2方向シフトした4つの画像、あるいは、
ベース画像に対してx方向に2方向あるいはy方向に2方向シフトした2つの画像、あるいは、
ベース画像に対してx方向に1方向あるいはy方向に1方向シフトした1つの画像、である、請求項1〜いずれか1項に記載の画像処理方法。
The N shifted images are
8 images shifted in 2 directions in the x direction, 2 directions in the y direction, and 4 directions in the diagonal direction with respect to the base image, or
4 images shifted in 2 directions in the x direction and 2 directions in the y direction with respect to the base image, or
Two images shifted in two directions in the x direction or two directions with respect to the base image, or
It is a single image, which is one direction shifted in one direction or the y-direction in the x-direction relative to the base image, the image processing method according to any one of claims 1-4.
前記シフト画像は、ベース画像を回転させた画像である、請求項1〜いずれか1項に記載の画像処理方法。 The shift image is an image obtained by rotating the base image, the image processing method according to any one of claims 1-3. 対象の画像を取得する画像取得装置を用いた画像処理装置であって、
対象の画像をベース画像として取得する手段と、
前記ベース画像に対して結像面内で前記対象が所定量シフトしたN枚のシフト画像(N≧1)を取得する手段と、
画像処理部と、を備え、
前記画像処理部は、前記ベース画像と各シフト画像の同じ座標の画素同士の差分からN枚の差分画像(N≧1)を取得し、前記N枚の差分画像を加算して対象の差分積算画像を取得し
前記画像処理部は、各シフト画像からベース画像を減算して積算することで前記差分積算画像を取得し、ベース画像から前記差分積算画像を減算して対象の鮮鋭化画像を取得する、
画像処理装置。
An image processing apparatus using an image acquisition apparatus for acquiring a target image,
Means for acquiring a target image as a base image;
Means for acquiring N shift images (N ≧ 1) in which the object is shifted by a predetermined amount within the imaging plane with respect to the base image;
An image processing unit,
The image processing unit acquires N difference images (N ≧ 1) from a difference between pixels having the same coordinates in the base image and each shift image, and adds the N difference images to add a difference of a target. Get an image ,
The image processing unit obtains the difference accumulated image by subtracting and integrating a base image from each shift image, and obtains a target sharpened image by subtracting the difference accumulated image from the base image.
Image processing device.
前記所定量は、前記画像取得装置の空間分解能の1/10〜2倍の範囲の量である、請求項に記載の画像処理装置。 The image processing apparatus according to claim 7 , wherein the predetermined amount is an amount in a range of 1/10 to 2 times a spatial resolution of the image acquisition device. 前記所定量は、前記画像取得装置の空間分解能の1/5〜1倍の範囲の量である、請求項に記載の画像処理装置。
The image processing apparatus according to claim 8 , wherein the predetermined amount is an amount in a range of 1/5 to 1 times a spatial resolution of the image acquisition device.
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