(57)【要約】【課題】１枚の画像データによって測定を可能にする干渉測定における画像処理方法を提供する。【解決手段】撮像手段を備えた干渉測定装置により得られた縞画像の各画素の輝度データに基づいて、所定の画素およびその画素に隣接する複数の画素の中で最も高い輝度データをその画素の輝度データとして設定する処理を全ての画素について実行する第１の処理と、上記第１の処理を所定回数実行する第２の処理と、上記第２の処理で得られた各画素の輝度データに基づいて、所定の画素およびその画素に隣接する複数の画素の中で最も低い輝度データをその画素の輝度データとして設定する処理を全ての画素について実行する第３の処理と、上記第３の処理を所定回数実行する第４の処理と、上記第４の処理で得られた各画素の輝度データを二値化し、二値化した一方の値に対応する画素を選択する第５の処理を含む。【選択図】  図２
2007085921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像手段を備えた干渉測定装置により得られた縞画像の各画素の輝度データに基づいて、
所定の画素およびその画素に隣接する複数の画素の中で最も高い輝度データをその画素の輝度データとして設定する処理を全ての画素について実行する第１の処理と、
上記第１の処理を所定回数実行する第２の処理と、
上記第２の処理で得られた各画素の輝度データに基づいて、所定の画素およびその画素に隣接する複数の画素の中で最も低い輝度データをその画素の輝度データとして設定する処理を全ての画素について実行する第３の処理と、
上記第３の処理を所定回数実行する第４の処理と、
上記第４の処理で得られた各画素の輝度データを二値化し、二値化した一方の値に対応する画素を選択する第５の処理を含むことを特徴とする干渉測定における画像処理方法。
【請求項２】
請求項１記載の干渉測定における画像処理方法において、上記第１の処理を実行する所定回数と第３の処理を実行する所定回数は同数である干渉測定における画像処理方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の干渉測定における画像処理方法において、上記第１、第３の処理において、上記画素はマトリックス状に配置された正方画素であって、所定の画素およびその画素を囲む計９個の画素の輝度データ中から最も高いまたは低い輝度データがその画素の輝度データとして設定される干渉測定における画像処理方法。
【請求項４】
請求項１記載の干渉測定における画像処理方法において、上記第５の処理において、上記画素の選択は、上記二値化した一方の値に対応する画素が含まれる測定領域の選択であって、該測定領域に対応する画素の原輝度データを縞解析用データとする干渉測定における画像処理方法。
【請求項５】
請求項１記載の干渉測定における画像処理方法において、上記第５の処理において、画素の選択は、画素のアドレスの選択であって、該選択されたアドレスの画素に対応する原輝度データを縞解析用データとする干渉測定における画像処理方法。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項記載の干渉測定における画像処理方法において、上記所定回数をｘとすると、上記縞画像が形成される撮像手段の撮像面上において上記測定領域と画像周辺までの間の縦方向および横方向の画素数がそれぞれｘ個以上であること、および上記形成された縞画像の明暗１周期幅の画素数がｘの２倍以下であること、を特徴とする干渉測定における画像処理方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか一項記載の干渉測定における画像処理方法において、上記縞画像は、空間的位相シフト法によって得られた縞画像である干渉測定における画像処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、干渉測定における画像処理方法に関し、空間的位シフト法により干渉縞を発生させた縞画像から縞を切り出せる画像処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
干渉計により得られる被検レンズの干渉縞画像を撮像手段により撮像し、撮像した画像データを使用して種々の測定をする干渉測定装置、干渉測定方法が種々提案されている。例えば、時間的位相シフト法では、参照面を波長の数分の一ずつステップさせて干渉縞を時間的に強度変調し、それぞれの縞画像を撮像する。そうして、複数枚取得した縞画像から強度変調部分を抽出し、測定領域を決定している。また、空間的位シフト法では測定領域を決定する方法（有効画像の取得、切り出し方法）として、複数方向にキャリア縞を発生させて複数の画像を取得し、各画像のＯＲをとることにより測定領域を決定するものが知られている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００３-２８６１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、この従来方法では、複数枚の画像データを取得しなければならず、球面ミラーをシフトさせるなどの機構が必要であった。
【０００４】
本発明はかかる従来の干渉測定装置の課題に基づいてなされたものであって、１枚の画像データによって測定を可能にする干渉測定における画像処理方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
かかる課題を解決する本発明は、撮像手段を備えた干渉測定装置により得られた縞画像の各画素の輝度データに基づいて、所定の画素およびその画素に隣接する複数の画素の中で最も高い輝度データをその画素の輝度データとして設定する処理を全ての画素について実行する第１の処理と、上記第１の処理を所定回数実行する第２の処理と、上記第２の処理で得られた各画素の輝度データに基づいて、所定の画素およびその画素に隣接する複数の画素の中で最も低い輝度データをその画素の輝度データとして設定する処理を全ての画素について実行する第３の処理と、上記第３の処理を所定回数実行する第４の処理と、上記第４の処理で得られた各画素の輝度データを二値化し、二値化した一方の値に対応する画素を選択する第５の処理を含むことに特徴を有する。
【０００６】
実際的には、上記第１の処理を実行する所定回数と第３の処理を実行する所定回数は同数とする。
【０００７】
好ましい実施形態では、上記第１、第３の処理において、上記画素はマトリックス状に配置された正方画素であって、所定の画素およびその画素を囲む計９個の画素の輝度データ中から最も高いまたは低い輝度データがその画素の輝度データとして設定される。
【０００８】
実際的には、第５の処理において、上記画素の選択は、上記二値化した一方の値に対応する画素が含まれる測定領域の選択であって、該測定領域に対応する画素の原輝度データが縞解析用データとされる。
また、第５の処理において、画素の選択は、画素のアドレスの選択であって、該選択されたアドレスの画素に対応する原輝度データを縞解析用データとしてよい。
【０００９】
上記所定回数をｘとすると、上記縞画像が形成される撮像手段の撮像面上において上記測定領域と画像周辺までの間の縦方向および横方向の画素数がそれぞれｘ個以上であること、および上記形成された縞画像の明暗１周期幅の画素数がｘの２倍以下であることが好ましい。
【００１０】
上記縞画像は、空間的位相シフト法によって得ることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、縞解析状態の縞画像１枚で測定領域（縞解析領域）の検出が可能になる。さらに干渉縞の強度分布がほぼ一様となるので、領域外との切り分けが容易になり、数個の画素内に収まるゴミやホコリなどのノイズの影響を受けなくなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明について、図示実施形態を参照して説明する。図１は、空間位相シフト法を適用した干渉計の実施形態である。
【００１３】
本発明を適用した干渉計は、図１に示すような構成からなっている。半導体レーザ１１から出射し、集光レンズ２１を経てハーフミラー２２でその進行方向を９０度曲げられたレーザ光はコリメータレンズ２３で平行光化されてハーフミラー２４を透過して基準平面板２５に至る。
【００１４】
基準平面板２５に入射した光の一部は反射されて、コリメータレンズ２４、ハーフミラー２３を経て干渉縞観察用ＣＣＤカメラ１２に入射する。一方、基準平面板２５を透過した光は、被検レンズ３１、カバーガラス２７を経て反射基準凹面鏡２８で折り返し、再びカバーガラス２７、被検レンズ３１を経て基準平面板２５を透過した後に、ハーフミラー２４、コリメータレンズ２３、ハーフミラー２２を経て干渉縞観察用ＣＣＤカメラ１２に入射する。
【００１５】
このように、基準平面板２５で反射されたレーザ光と、基準平面板２５及び被検レンズ３１を透過したレーザ光により、干渉縞観察用ＣＣＤカメラ１２の撮像面にこれらのレーザ光による干渉縞が形成される。
【００１６】
また、ハーフミラー２４は、基準平面板２５側から入射した光の一部の進行方向を９０度曲げることができる。ハーフミラー２４で反射された光は集光レンズ２６で点像化されて反射点像観察用ＣＣＤカメラ１３に入射する。この反射点像観察用ＣＣＤカメラ１３で撮像した点像は不図示のディスプレイ等に表示され、カバーガラス２７、反射基準凹面鏡２８のアラインメント等に使用される。
【００１７】
干渉縞観察用ＣＣＤカメラ１２は、撮像素子の受光面上にマトリックス状に配置された多数の画素（光電変換素子）を備え、多数の画素上に投影された干渉縞を光電変換して、その明るさ（強度）に応じた量の電荷に変換して蓄積する。そうして干渉縞観察用ＣＣＤカメラ１２は、蓄積した電荷を画素単位で読み出してＡ／Ｄ変換し、所定のフォーマットの画像信号に変換して出力する。
【００１８】
干渉縞観察用ＣＣＤカメラ１２から出力された画像信号は、パソコン１４に入力される。パソコン１４は、入力した画像信号を、一画面分の画素単位のデジタル画像データ（輝度データ）としてメモリする。そうして、メモリしたデジタル画像データを利用して、本発明の画像処理方法に基づく画像処理を施す。また、パソコン１４に接続されたディスプレイ１５には、干渉縞観察用ＣＣＤカメラ１２が撮像した画像および処理過程が表示される。
【００１９】
次に、本発明の干渉測定方法における画像処理方法の実施形態について説明する。図２は、画像処理方法によって処理された画像の様子を説明する図である。同図（Ａ）は、図１の干渉縞観察用ＣＣＤカメラ１２で得られた画像（原画像）を示し、同図（Ｂ）は膨張処理を２回実施した後の画像を示し、同図（Ｃ）は膨張処理を４回実施した後の画像を示し、同図（Ｄ）は膨張処理を１０回実施し、かつその後縮小処理を１０回実施した後の画像を示している。
【００２０】
膨張処理を１回施すことにより明部の縞の幅が拡大していることが分かる（図２（Ｂ））。さらに膨張処理を４回施すことにより明部の縞幅が拡大し、さらに明部の輪郭が上下左右に拡大していることが分かる（図４（Ｃ））。膨張処理を１０回、縮小処理を１０回施すことにより、明部の縞が融合して一体化し、輪郭は膨張処理を４回施したときよりも縮小していることが分かる（図４（Ｄ））。
【００２１】
なお、一般的な干渉縞観察用ＣＣＤカメラ１２は各画素の輝度データを８ビット、２５６階調程度で撮像するが、図示実施形態の画像は６階調程度に圧縮してある。画素数は、一般的には多い方が好ましいが、限定されない。
【００２２】
膨張処理および縮小処理の実施形態について、さらに図３乃至図５を参照して説明する。図３、図５は、説明を容易にするため、全画素から、３×３画素、図４は５×５画素抜き出して示したものである。本実施形態では、各画素に符号Ｐmnを付して識別してある。符号Ｐmnにおいて、添え字ｍは垂直方向位置を、添え字ｎは水平方向位置を表していて、左上の画素をＰ11としてある。
【００２３】
「膨張処理」
メモリした１枚分のデジタル画像データ（各画素の画像データ）に基づいて、第１、第２の処理である膨張処理を実行する。
【００２４】
ステップ１：まず、メモリした各画素の画像データ、この実施形態では画像データとして輝度データを順番に読み出して、隣接する画素の輝度データと比較する。この実施形態では、画素Ｐ22の輝度データを、その画素Ｐ22を中央の画素として囲む８個の画素Ｐ11乃至Ｐ13、Ｐ21、Ｐ23、Ｐ31乃至Ｐ33の輝度データとそれぞれ比較している（図２（Ａ））。そうして、上記計９個の画素Ｐ11乃至Ｐ33の輝度データの中で最も大きい輝度データ、つまり最も明るい輝度データを選択して、その輝度データを中央の画素Ｐ22の輝度データとして、原画像データとは別個のワークエリアに書き込む。図では左下の画素Ｐ31が最も明るい最大輝度データなので、その画素Ｐ31の最大輝度データが中央の画素Ｐ22の輝度データとして設定される。
【００２５】
ステップ２：ステップ１の処理を、他の全ての画素について実行し、原画像データとは別個のワークエリアに新たな画像データを書き込む。図３には、５×５個の画素について、処理前の原画像データに基づく画像を（Ａ）に、ステップ１１、１２の処理を一回実施した処理後の画像データに基づく画像を（Ｂ）に示した。この図から、例えば最も高輝度の画素Ｐ53に着目すると、画素Ｐ53に隣接する画素Ｐ42、Ｐ43、Ｐ44、Ｐ52、Ｐ54に画素Ｐ53の輝度データが設定されていることが分かる。
以上のステップ１、２が第１の処理である。
【００２６】
ステップ３；ステップ１、２の処理で得た画像データに基づいて、ステップ１、２の処理を所定回数繰り返す。本実施形態では、所定回数を１０回に設定してある。このステップ３の処理が第３の処理である。好ましい所定回数ｘの設定は干渉縞の明暗の１周期幅（ピッチ）内に含まれる画素数の５/４回程度が良い。
【００２７】
なお、ステップ１、２の処理において、１回目は、メモリから原画像データを読み出しながら比較し、比較結果をメモリの新たなワークエリアに書き込む。２回目以降のステップ１、２の処理は、ワークエリアに書き込んだ画像データを順に読み出しながら比較し、メモリの新たなワークエリアに書き込む処理を繰り返す。
【００２８】
「縮小処理」
ステップ１乃至３の膨張処理によって得られ、新たなワークエリアにメモリされた各画素の輝度データに基づいて、第３、第４の処理である縮小処理を実行する。
【００２９】
ステップ４：まず、メモリした膨張処理済みの各画素の輝度データを読み出して、その画素の輝度データおよびその画素を中央の画素として囲む８個の画素の輝度データとそれぞれ比較する。そうして、上記９個の輝度データの中で最も小さい輝度データ、つまり最も暗い輝度データを選択して、その輝度データを中央の画素の輝度データとして、原画像データとは別個のワークエリアに書き込む。図では右上の画素が最も暗い最小輝度データなので、その最小輝度データが中央の画素の輝度データとして設定される。
【００３０】
ステップ５：ステップ４の処理を全ての画素について実行し、原画像データとは別個のワークエリアに新たな画像データが書き込まれる。
以上ステップ４、５の処理が第３の処理である。
【００３１】
ステップ６：ステップ４、５の処理で得た画像データについて、ステップ４、５の処理を繰り返す。本実施形態では、ステップ４、５の処理を膨張処理と同回数である１０回繰り返す。以上の処理によって、図２（Ｄ）に示した画像として表示される画像データが得られる。
ステップ６の処理が第４の処理である。
【００３２】
以上の膨張、縮小処理により、２画素×２画素程度の小さなゴミ等のノイズ画像が除去されるので、干渉縞画像の最大輪郭、つまり縞解析領域を正確に検出し、抽出することができる。
【００３３】
「縞解析領域検出処理」
ステップ６の処理によって得られた画像データの中から、測定に使用する縞画像領域を選択し、画素を抽出する第５の処理である縞解析領域検出処理を実行する。
【００３４】
ステップ７：以上のステップ１乃至ステップ６の処理によって得られた画像（図２（Ｄ））の輝度データを二値化し、ラベリングする。つまり、明るい画素と暗い画素とに識別し、またその画素のアドレスにフラグを立てる。そうして、ラベリングした一方のグループ（一方の二値）の画素、この実施形態では明るい画素、その画素が含まれる領域を選択する。選択した画素に対応する原画像データが縞解析データとなり、領域が縞解析領域となる。図２（Ｄ）に示した実施形態では、白色の画素が選択される画素であり、その画素が含まれる領域が縞解析領域となる。
【００３５】
選択された画素、縞解析領域の画素に対応する原画像データをメモリから読み出して、干渉縞に基づく球面収差等の収差解析が、所定のアルゴリズムに基づいて、例えばパソコン１４により実行される。
【００３６】
以上の通り本発明の実施形態によれば、１枚の画像データを取得すれば自動測定に必要な測定領域を抽出することができるので、干渉測定装置の光学部材を動かして複数枚の画像データを取得する必要が無い。
【００３７】
本発明に適した干渉測定装置により得た原縞画像を図６（Ａ）に、その一部拡大画像を（Ｂ）に示した。これらの画像より、本発明の画像処理方法を適用する干渉測定装置は、次の条件を満足することが望ましくまたは必要であることが分かる。
【００３８】
(1)  膨張処理を繰り返す所定回数をｘとすると、撮像面（撮像素子の画素面）において、縞解析領域（解析に使用する領域）から縦方向および横方向の画面周辺までの画素数がｘ個以上存在すること。
(2)  撮像素子の受光面に形成された干渉縞の明暗の１周期幅（ピッチ）内に含まれる画素数がｘの２倍以下、干渉縞の明暗の１周期幅（ピッチ）内に含まれる画素数が４画素以上であること。
(1)の条件を満足しない場合は、膨張処理時に処理範囲が撮像面の領域を超えてしまうため、正確に縞解析領域を検出できなくなる。
(2)の上限の２ｘ倍を超えた場合は、干渉縞の明暗の暗の部分が一様化にならず、縞解析領域を二値化とラベリングで検出できなくなる。下限倍より小さい場合は、空間的位相シフト法による縞解析そのものが不可能になる。
【００３９】
本発明は、以上の条件(1)、(2)を満足する干渉測定装置に適用すれば、所期の作用効果を奏することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の干渉測定における画像処理方法を適用した干渉測定装置および画像処理装置の概要を示す図である。
【図２】同干渉縞測定装置により撮像した縞画像に本発明の画像処理方法の実施形態を施した様子を説明する図であって、（Ａ）は原縞画像を、（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）は途中の段階の縞画像を示した図である。
【図３】同画像処理方法の実施形態における第１の処理（膨張処理）を説明する図であって、（Ａ）は処理前の画素および隣接する画素に関する原画像を示し、（Ｂ）は処理後の画像を示す図である。
【図４】同画像処理方法の実施形態における第１の処理結果を説明する図であって、（Ａ）は処理前の原縞画像を、（Ｂ）は処理後の縞画像を示す図である。
【図５】同画像処理方法の実施形態における第２の処理（縮小処理）を説明する図であって、（Ａ）は処理前の画素および隣接する画素に関する原画像を示し、（Ｂ）は処理後の画像を示す図である。
【図６】同画像処理方法に適用可能な画素および縞画像の条件を説明する図であって、（Ａ）は原縞画像を、（Ｂ）はその一部拡大画像を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１１  半導体レーザ
１２  干渉縞観察用ＣＣＤカメラ
１３  反射点像観察用ＣＣＤカメラ
１４  パソコン
２１  集光レンズ
２２  ハーフミラー
２３  コリメータレンズ
２４  ハーフミラー
２５  基準平面板
２６  集光レンズ
２７  カバーガラス
２８  反射基準凹面鏡
３１  被検レンズ
【図１】
2007085921.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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