JP4209023B2

JP4209023B2 - 画像計測システム及びその画像校正方法

Info

Publication number: JP4209023B2
Application number: JP00276899A
Authority: JP
Inventors: 直樹光谷; 宏配野; 川崎　　和彦
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 1999-01-08
Filing date: 1999-01-08
Publication date: 2009-01-14
Anticipated expiration: 2019-01-08
Also published as: JP2000205822A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、複数の撮像手段を使用して被計測対象を測定して得られた画像データから被計測対象の表面形状解析等を行う画像計測システム及びその画像校正方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複数の撮像装置を使用する画像計測システムとしては、例えば特開平２−２８７１０７号に開示されたレーザ干渉計等が知られている。このシステムでは、光源からの光を直交する２つの偏光に分割して参照面と被測定面に照射し、参照面及び被測定面からそれぞれ反射されてきた互いに直交する偏光を、波面分割光学系で３つの光束に分割し、互いに位相関係の異なる３つの干渉縞画像を３台の撮像装置でそれぞれ撮像するというものである。
【０００３】
このように複数台の撮像装置を用いて測定を行うシステムでは、各撮像装置で得られる画像データの座標系が一致していることが、計測誤差を発生させないための大きな条件となる。しかし、実際には複数の撮像装置は、別々の空間位置に配置されるため、各撮像装置に固有の座標系のずれを生じる。そこで、各撮像装置のずれを調整する必要があるが、従来は、複数台の撮像装置のうちの一つが持つ座標系を仮の基準とし、これに対して各撮像装置を、それぞれ６軸方向に調整できる調整機構で調整するようにしていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の計測システムでは、６軸方向の調整機構が大掛かりな上、撮像装置の台数に６を乗じた数だけ調整機構が必要で、手動で調整するには調整方法の困難さと調整の個人差が誤差を発生する原因となっていた。更には、各撮像装置の撮像系に固有の歪み等がある場合には、これを調整することは事実上不可能であった。
【０００５】
この発明は、このような問題点に鑑みなされたもので、各撮像系の物理的調整を不要とし、撮像系の座標ずれや歪みによる測定誤差の発生を効果的に防止することができる画像計測システム及びその画像校正方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る第１の画像計測システムは、被計測対象の同一部分を撮像する複数の撮像手段と、これら複数の撮像手段によって得られた複数の画像データから前記被計測対象を計測処理する画像計測処理手段とを有する画像計測システムにおいて、前記画像計測処理手段は、前記複数の撮像手段の空間的なずれに起因した各画像データの座標系のずれを補正するための画像校正手段を備え、前記画像校正手段は、座標値が既知の複数の着目点を含む校正用撮像対象の同一部分を各撮像手段で撮像することによって得られた画像データ上での前記着目点の座標値と、前記既知の座標値とから、前記座標系のずれを補正するための変換パラメータを算出する変換パラメータ算出手段と、前記算出された変換パラメータを記憶する変換パラメータ記憶手段と、前記各撮像手段で得られた前記被計測対象の画像データを前記変換パラメータ記憶手段に記憶された変換パラメータによって補正する補正手段とを備えたものであることを特徴とする。
【０００７】
また、この発明に係る画像校正方法は、複数の撮像手段で被計測対象の同一部分を撮像して得られた複数の画像データを使用して、前記被計測対象を計測処理するに際して、前記複数の撮像手段の空間的なずれに起因した各画像データの座標系のずれを補正するための画像校正方法であって、座標値が既知の複数の着目点を含む校正用撮像対象の同一部分を各撮像手段で撮像し、これによって得られた画像データ上での前記着目点の座標値と、前記既知の座標値とから、前記座標系のずれを補正するための変換パラメータを算出し、前記各撮像手段で得られた前記被計測対象の画像データを前記算出された変換パラメータによって補正することを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、複数の撮像手段のそれぞれ撮像系を機械的な調整機構によって位置調整するのではなく、各撮像手段で得られた画像データから、個々の撮像系の座標のずれや歪みを補正するための変換パラメータを算出し、この変換パラメータによって実際の計測画像を補正するようにしているので、各撮像系の物理的な調整が不要となり、撮像系の座標ずれや歪みによる測定誤差の発生も効果的に防止することができる。
【０００９】
この発明に係る第２の画像計測システムは、被測定対象の被検面の前面に１／４波長板を介して参照面が配置され前記参照面側から前記被検面側に光を照射することにより互いに直交する偏光面を有する前記被計測対象の被検面からの計測光と参照面からの参照光とによって光学的干渉縞を生成する手段と、この手段によって生成された光学的干渉縞の位相を互いに所定量だけシフトさせて複数の撮像手段にそれぞれ同時に入射させる手段とこれら複数の撮像手段によって得られた複数の画像データから前記被計測対象を計測処理する画像計測処理手段とを有する画像計測システムにおいて、前記画像計測処理手段は、前記複数の撮像手段の空間的なずれに起因した各画像データの座標系のずれを補正するための画像校正手段を備え、前記画像校正手段は、座標値が既知の複数の着目点を含む校正用撮像対象の同一部分を各撮像手段で撮像することによって得られた画像データ上での前記着目点の座標値と、前記既知の座標値とから、前記座標系のずれを補正するための変換パラメータを算出する変換パラメータ算出手段と、前記算出された変換パラメータを記憶する変換パラメータ記憶手段と、前記各撮像手段で得られた前記被計測対象の画像データを前記変換パラメータ記憶手段に記憶された変換パラメータによって補正する補正手段とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の好ましい実施例を説明する。
図１は、この発明の一実施例に係る位相シフトを利用したフィゾー型干渉計をの構成を示す図である。
光源１から出射されるコヒーレント光束は、拡大光学系２で拡大された平行光とされ、反射率と透過率とが偏光方向に依存しない無偏光型のハーフミラー３を透過して、参照面４で一部が反射され、残りが透過して１／４波長板５を介して被計測対象６の被検面６ａに照射される。被検面６ａから反射された計測光は、再度１／４波長板５を透過して、その偏光面が参照光の偏光面に対して９０゜回転されたのち、参照光と共に無偏光ハーフミラー３で反射され、無偏光ハーフミラー７，８及び全反射ミラー９からなる３分割光学系１０により３つの光学経路１１，１２，１３に分割される。
【００１１】
第１の光学経路１１を進行する参照光及び計測光は、１／２波長板１４及び偏光板１５を透過し、第２の光学経路１２を進行する参照光及び計測光は、１／４波長板１６及び偏光板１７を透過し、第３の光学経路１３を進行する参照光及び計測光は、偏光板１８のみを透過する。これにより、撮像装置２１，２２，２３では、光学系２４，２５，２６をそれぞれ介して位相がπ／２ずつずれた３枚の干渉縞画像が同時に撮像される。
【００１２】
図２（ａ），（ｂ），（ｃ）は、撮像装置２１，２２，２３でそれぞれ撮像される干渉縞パターンを示す図である。各干渉縞パターンは、αずつ位相がずれたパターンとなっている。これらパターンの画像データは、コンピュータ３０に入力されて、表面形状解析のための処理に供される。即ち、各撮像装置２１，２２，２３で得られる画像の二次元位置（ｘ，ｙ）における輝度を、それぞれＩ1，Ｉ2，Ｉ3とすると、波面の位相φ（ｘ，ｙ）は、次の数１のように求められることが知られている（Optical Shop Testing, Edit by Malacara:「Three-Step Algorithms」）。
【００１３】
【数１】

【００１４】
このとき、各撮像装置２１，２２，２３に固有の歪みや座標のずれ等が生じていると、計測精度が低下する。そこで、このシステムでは、各撮像装置２１，２２，２３の歪みをソフト的に補正するための画像校正機能を有している。
【００１５】
図３は、このような画像校正機能を有するコンピュータ３０によって実現される画像計測処理システムを示す機能ブロック図である。画像計測処理システムは、画像処理部３１、変換パラメータ算出部３２、変換パラメータ記憶部３３、歪解消変換処理部３４及び表面形状解析処理部３５を備えている。画像処理部３１は、各撮像装置２１，２２，２３で得られた画像データに対してフィルタ処理や特徴抽出処理、図芯算出処理等を施す。変換パラメータ算出部３２は、各撮像装置２１，２２，２３毎に、画像校正用の撮像対象を撮像して得られた校正用の画像データから歪み補正用の変換パラメータを算出する。変換パラメータ記憶部３３は、算出された変換パラメータを記憶する。歪解消変換処理部３４は、変換パラメータ記憶部３３に記憶された変換パラメータに基づいて、計測用の画像データに対して歪解消用の補正処理を施す。表面形状解析処理部３５は、歪解消された計測用の画像データに基づいて表面形状の解析処理を実行する。
【００１６】
次に、このシステムの画像校正処理及び表面形状計測処理の詳細を説明する。
図４（ａ）は画像校正処理、図４（ｂ）は表面形状計測処理をそれぞれ説明するためのフローチャートである。
まず、画像校正処理では、校正用の撮像対象を撮像する（Ｓ１）。校正用の撮像対象としては、例えば図５に示すように、それぞれが分離している所定の面積を持つ複数の図形（この例では円）４１を含むものを使用する。但し、各図形４１の図芯（重心位置）Ｐの座標値は既知である。この図形４１を含む撮像対象４２を、被計測対象６の位置にセットし、各撮像装置２１，２２，２３から得られた画像データを取り込む（Ｓ２）。そして、取り込まれた画像データに対し、フィルタリング処理、特徴抽出処理、図芯検出処理等を適宜施して図芯Ｐの座標を求め、求められた図芯Ｐの座標値と本来の座標値とのずれ量から各撮像装置２１，２２，２３に固有の回転、縮尺、平行移動及び歪を補正するための変換パラメータを以下のように算出する（Ｓ３）。
【００１７】
即ち、図６に示すように、各図形４１の図芯Ｐの理想的な座標位置を（ｘ_i，ｙ_i）（ｉ＝１〜Ｎ）、実際に観測された座標位置を（ｘ_i′，ｙ_i′）とすると、これらの間の回転、縮尺、平行移動、歪みを含めた変換式は、下記数２に示すアフィン変換式を利用することができる。
【００１８】
【数２】

【００１９】
ここで、変換パラメータａ₁，ａ₂，ｂ₁，ｂ₂，ｃ₁，ｃ₂は、下記数３で示す誤差Ｅの最小値を求めることにより算出することができる（最小二乗法）。求められた変換パラメータは、変換パラメータ記憶部３３に格納される。
【００２０】
【数３】

【００２１】
一方、計測時には、図４（ｂ）に示すように、撮像装置２１，２２，２３でそれぞれ計測対象を撮像し（Ｓ１１）、３つの画像データを取り込んだのち（Ｓ１２）、フィルタリング、特徴抽出等の処理を適宜施したのち、歪解消変換処理を実行する（Ｓ１３）。歪解消変換処理は、変換パラメータ記憶部３３に記憶されている変換パラメータを使用して各画像データ毎に実行する。歪みが解消された各画像データを用いて表面形状解析処理を実行する（Ｓ１４）。
【００２２】
なお、以上のシステムにおいて、考えられる変換パラメータとしては、例えば図７（ａ），（ｂ）に示すように、計測光路の光軸Ｃと直交する断面Ａに沿った平行移動量Ｌ１、Ｌ２、同図（ｃ），（ｄ）に示すように、同断面Ａを基準とした法線の傾き量θ１，θ２、同図（ｅ）に示すように、同断面Ａを基準とした光軸回りの回転移動量φ、同図（ｆ）に示すように、光束が非コリメート光束である場合の焦点位置補正量Ｆ等が挙げられる。
【００２３】
このようないわゆるあおりや大きな回転ずれ等があった場合、撮像装置２１，２２，２３の上下左右の方向性を決定づけるために、校正用撮像対象４２の図芯Ｐの間隔を、例えば図８に示すように、非整数倍にしておくことが望ましい。このようにすると、ランドマークプレート等を撮像装置２１，２２，２３で撮像した際の、そのマークの座標系における方向性がチェックし易くなる。但し、校正用撮像対象４２の図芯Ｐの不等ピッチの与え方やマークの付け方（例えばディレクションマークを設ける等）によっては、図芯Ｐのピッチを非整数倍にする必要はない。
【００２４】
変換パラメータは、例えば図９に示すように、隣接する３つの図芯Ｐで作られる三角形毎に前述したアフィン変換等を適用して変換パラメータを求めるようにしても良い。このようにして各三角形毎に変換パラメータを算出すると、各三角形内の変換処理は、アフィン変換等の線形変換処理を使用するが、各三角形毎に変換パラメータは異なるので、画像全体として非線形変換処理的な効果を得ることができるという利点がある。
【００２５】
なお、上述した本発明の実施例の干渉計の構造上の利点について述べれば次の通りである。
即ち、特開平２−２８７１０７号では、参照面に対する被検面の形状の差に相当する位相情報を偏光面を直交関係に保ったまま取り出す方法として、透過波面の歪み測定用にはマッハツェンダー干渉計が、また反射光を利用する面形状測定用にはマイケルソン型干渉計が示してある。しかし、面形状測定用の干渉計としてマイケルソン型干渉計を用いると、偏光半透鏡を通過後に参照面側と被検面側に分割された光は、それぞれ独立の光路を経るために測定環境の揺らぎの影響を受けやすいという問題点がある。また、それぞれ独立に介在している光学部品の面精度の影響を受けてしまうために、高精度測定にはあまり向かないという欠点もある。
【００２６】
一方、面形状を高精度に測定するための干渉計として、一般に共通光路型で光学部品点数の少ないフィゾー型干渉計が多く用いられている。この干渉計の特徴は、共通光路型であるために揺らぎの影響を受けにくいことと、参照面以外の光学部品の面精度を受けないことにある。しかし、フィゾー型干渉計は参照光と計測光とを同じ偏光面で発生させて干渉させる光学系であるため、このままでは上記で説明したような偏光板を使用して位相シフト干渉縞を同時に発生させるシステムには適用できない。
【００２７】
これに対し、上述した装置では、図１の１／４波長板５を通過する際に４５度偏光し、検出面６ａで反射後、再び１／４波長板を通過することによって、参照面４からの反射光と９０度直交させ、共通光路をそれぞれ干渉させることなく独立して取り出すことができる。その結果、２次元情報取得装置としてマイケルソン型干渉計で示してある特開平２−２８７１０７号の装置と比べると、空気揺らぎなどの外乱に影響され難く、高精度に位相シフト干渉縞発生が見込めて、且つ少ない光学部品点数でシステムを構築することができる。
【００２８】
【発明の効果】
以上述べたように、この発明によれば、複数の撮像手段のそれぞれ撮像系を機械的な調整機構によって位置調整するのではなく、各撮像手段で得られた画像データから、個々の撮像系の座標のずれや歪みを補正するための変換パラメータを算出し、この変換パラメータによって実際の計測画像を補正するようにしているので、各撮像系の物理的な調整が不要となり、撮像系の座標ずれや歪みによる測定誤差の発生も効果的に防止することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例に係るフィゾー型干渉計の構成を示す図である。
【図２】同干渉計で撮像される３つの干渉縞画像を示す図である。
【図３】同干渉計における画像計測処理システムの機能ブロック図である。
【図４】同画像計測処理システムの画像校正処理と画像計測処理とを示すフローチャートである。
【図５】同画像校正処理で使用される校正用撮像対象を示す図である。
【図６】実際の座標系と歪みを含む撮像座標系とを示す図である。
【図７】撮像座標系のずれを補正するための変換パラメータの例を示す図である。
【図８】校正用撮像対象の他の例を示す図である。
【図９】変換パラメータ算出の他の例を説明するための図である。
【符号の説明】
１…光源、３，７，８…無偏光型ハーフミラー、４…参照面、５，１６…１／４波長板、６…被計測対象、９…全反射ミラー、１０…分割光学系、１１，１２，１３…光学経路、１４…１／２波長板、１５，１７，１８…偏光板、２１，２２，２３…撮像装置、３０…コンピュータ、３１…画像処理部、３２…変換パラメータ算出部、３３…変換パラメータ記憶部、３４…歪み解消変換処理部、３５…表面形状解析処理部。

Claims

被計測対象の同一部分を撮像する複数の撮像手段と、
これら複数の撮像手段によって得られた複数の画像データから前記被計測対象を計測処理する画像計測処理手段と
を有する画像計測システムにおいて、
前記画像計測処理手段は、
前記複数の撮像手段の空間的なずれに起因した各画像データの座標系のずれを補正するための画像校正手段を備え、
前記画像校正手段は、
座標値が既知の複数の着目点を含む校正用撮像対象の同一部分を各撮像手段で撮像することによって得られた画像データ上での前記着目点の座標値と、前記既知の座標値とから、前記座標系のずれを補正するための変換パラメータを算出する変換パラメータ算出手段と、
前記算出された変換パラメータを記憶する変換パラメータ記憶手段と、
前記各撮像手段で得られた前記被計測対象の画像データを前記変換パラメータ記憶手段に記憶された変換パラメータによって補正する補正手段と
を備えたものであることを特徴とする画像計測システム。
被測定対象の被検面の前面に１／４波長板を介して参照面が配置され前記参照面側から前記被検面側に光を照射することにより互いに直交する偏光面を有する前記被計測対象の被検面からの計測光と参照面からの参照光とによって光学的干渉縞を生成する手段と、
この手段によって生成された光学的干渉縞の位相を互いに所定量だけシフトさせて複数の撮像手段にそれぞれ同時に入射させる手段と
これら複数の撮像手段によって得られた複数の画像データから前記被計測対象を計測処理する画像計測処理手段と
を有する画像計測システムにおいて、
前記画像計測処理手段は、
前記複数の撮像手段の空間的なずれに起因した各画像データの座標系のずれを補正するための画像校正手段を備え、
前記画像校正手段は、
座標値が既知の複数の着目点を含む校正用撮像対象の同一部分を各撮像手段で撮像することによって得られた画像データ上での前記着目点の座標値と、前記既知の座標値とから、前記座標系のずれを補正するための変換パラメータを算出する変換パラメータ算出手段と、
前記算出された変換パラメータを記憶する変換パラメータ記憶手段と、
前記各撮像手段で得られた前記被計測対象の画像データを前記変換パラメータ記憶手段に記憶された変換パラメータによって補正する補正手段と
を備えたことを特徴とする画像計測システム。
複数の撮像手段で被計測対象の同一部分を撮像して得られた複数の画像データを使用して、前記被計測対象を計測処理するに際して、前記複数の撮像手段の空間的なずれに起因した各画像データの座標系のずれを補正するための画像校正方法であって、
座標値が既知の複数の着目点を含む校正用撮像対象の同一部分を各撮像手段で撮像し、
これによって得られた画像データ上での前記着目点の座標値と、前記既知の座標値とから、前記座標系のずれを補正するための変換パラメータを算出し、前記各撮像手段で得られた前記被計測対象の画像データを前記算出された変換パラメータによって補正する
ことを特徴とする画像計測システムの画像校正方法。
前記校正用撮像対象として、それぞれが互いに分離して所定の面積を有し、その図芯の座標値が既知の複数の図形を含むものを使用することを特徴とする請求項３記載の画像計測システムの画像校正方法。
前記図芯の間隔は、互いに非整数倍であることを特徴とする請求項４記載の画像計測システムの画像校正方法。
前記変換パラメータは、計測光路の光軸と直交する断面に沿った平行移動量、同断面を基準とした法線の傾き量、同断面を基準とした光軸回りの回転移動量、及び光束が非コリメート光束である場合の焦点位置補正量の少なくとも１つであることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項記載の画像計測システムの画像校正方法。
前記変換パラメータは、隣接する３つの図芯によって形成される三角形毎に算出されることを特徴とする請求項４又は５記載の画像計測システムの画像校正方法。