JP2018116026A - 照明装置および透過部材 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば、光のパターンの明部と暗部との輝度の差をより大きくすることが可能な照明装置および透過部材を得る。【解決手段】照明装置は、明部と暗部とを含むパターン光を出射するプロジェクタと、プロジェクタと検査対象面との間に介在し、プロジェクタからの光を検査対象面に向けて透過させる透過部材と、を有し、透過部材は、プロジェクタからの光を平行光に偏向可能な第一の偏向部材と、第一の偏向部材からの平行光を収束光に偏向可能な第二の偏向部材と、を含む。【選択図】図１４

Description

本開示は、照明装置および透過部材に関する。

従来、検査対象面に光を照射し、当該検査対象面からの反射光を画像データとして撮像し、当該画像データの輝度変化等に基づいて、検査対象面の異常を検出する技術が提案されている。検査対象面には、例えば、照明装置から明部と暗部とを含む光のパターンが照射される。

特開２０１４−２１２５号公報

明部と暗部とを含む光のパターンが照射される検査は、光のパターンの明部と暗部との輝度の差がより大きい状態で行われることが望ましい。そこで、本開示の課題の一つは、例えば、光のパターンの明部と暗部との輝度の差をより大きくすることが可能な照明装置および透過部材を得ることである。

本開示の照明装置は、明部と暗部とを含むパターン光を出射するプロジェクタと、上記プロジェクタと検査対象面との間に介在し、上記プロジェクタからの光を上記検査対象面に向けて透過させる透過部材と、を有し、上記透過部材は、上記プロジェクタからの光を平行光に偏向可能な第一の偏向部材と、上記第一の偏向部材からの平行光を収束光に偏向可能な第二の偏向部材と、を含む。

図１は、実施形態の検査システムの構成例を示した図である。 図２は、実施形態の時間相関カメラの構成を示したブロック図である。 図３は、実施形態の時間相関カメラで時系列順に蓄積されたフレームを表した概念図である。 図４は、実施形態の照明装置が照射する縞パターンの一例を示した図である。 図５は、実施形態の照明制御部が照明装置に出力する縞パターンの例を示した図である。 図６は、実施形態のスクリーンを介した後の縞パターンを表した波の形状の例を示した図である。 図７は、実施形態の異常検出処理部における振幅に基づく異常検出処理の手順を示すフローチャートである。 図８は、実施形態の異常検出処理部における、位相に基づく異常検出処理の手順を示すフローチャートである。 図９は、実施形態の異常検出処理部における振幅および強度に基づく異常検出処理の手順を示すフローチャートである。 図１０は、実施形態の検査システムにおける被検査体の検査処理の手順を示すフローチャートである。 図１１は、変形例２の照明制御部が出力する縞パターンの切り替え例を示した図である。 図１２は、変形例２の照明制御部が、異常（欠陥）を含めた表面に縞パターンを照射した例を示した図である。 図１３は、実施形態および変形例１，２における照明装置、被検査体、および時間相関カメラの光学系を示す模式的かつ例示的な説明図である。 図１４は、実施形態および変形例１，２の照明装置に含まれるスクリーンの構成を示す断面図である。

（実施形態）
本実施形態の検査システムについて説明する。本実施形態の検査システムは、被検査体を検査するために様々な構成を備えている。図１は、本実施形態の検査システムの構成例を示した図である。図１に示されるように、本実施形態の検査システムは、ＰＣ１００と、時間相関カメラ１１０と、プロジェクタ１２１と、スクリーン１２２と、アーム１４０と、を備えている。

アーム１４０は、被検査体１５０を固定するために用いられ、ＰＣ１００からの制御に応じて、時間相関カメラ１１０が撮影可能な被検査体１５０の表面の位置と向きを変化させる。

プロジェクタ１２１は、被検査体１５０に光を照射する装置であって、ＰＣ１００からのパターンに従って、照射する光の強度を領域単位で制御できる。さらに、プロジェクタ１２１は、周期的な時間の遷移に従って当該領域単位の光の強度を制御できる。換言すれば、プロジェクタ１２１は、光の強度の周期的な時間変化及び空間変化を与えることができる。なお、具体的な光の強度の制御手法については後述する。

スクリーン１２２は、プロジェクタ１２１から出力された光を拡散させた上で、被検査体１５０に対して面的に光を照射する。本実施形態のスクリーン１２２は、プロジェクタ１２１から入力された周期的な時間変化及び空間変化が与えられた光を、面的に被検査体１５０に照射する。プロジェクタ１２１およびスクリーン１２２は、照明装置１２０を構成している。

時間相関カメラ１１０は、光学系２１０と、イメージセンサ２２０と、データバッファ２３０と、制御部２４０と、参照信号出力部２５０と、を備えている。図２は、本実施形態の時間相関カメラ１１０の構成を示したブロック図である。

光学系２１０は、撮影レンズ等を含み、時間相関カメラ１１０の外部の被写体（被検査体１５０を含む）からの光束を透過し、その光束により形成される被写体の光学像を結像させる。

イメージセンサ２２０は、光学系２１０を介して入射された光の強弱を光強度信号として画素毎に高速に出力可能なセンサとする。

本実施形態の光強度信号は、検査システムのプロジェクタ１２１（照明装置１２０）が被写体（被検査体１５０を含む）に対して光を照射し、当該被写体からの反射光を、イメージセンサ２２０が受け取ったものである。

イメージセンサ２２０は、例えば従来のものと比べて高速に読み出し可能なセンサであり、行方向（ｘ方向）、列方向（ｙ方向）の２種類の方向に画素が配列された２次元平面状に構成されたものとする。そして、イメージセンサ２２０の各画素を、画素Ｐ（１，１），……，Ｐ（ｉ，ｊ），……，Ｐ（Ｘ，Ｙ）とする（なお、本実施形態の画像サイズをＸ×Ｙとする。）。なお、イメージセンサ２２０の読み出し速度を制限するものではなく、従来と同様であってもよい。

イメージセンサ２２０は、光学系２１０によって透過された、被写体（被検査体１５０を含む）からの光束を受光して光電変換することで、被写体から反射された光の強弱を示した光強度信号（撮影信号）で構成される、２次元平面状のフレームを生成し、制御部２４０に出力する。本実施形態のイメージセンサ２２０は、読み出し可能な単位時間毎に、当該フレームを出力する。

本実施形態の制御部２４０は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等で構成され、ＲＯＭに格納された検査プログラムを実行することで、転送部２４１と、読出部２４２と、強度画像用重畳部２４３と、第１の乗算器２４４と、第１の相関画像用重畳部２４５と、第２の乗算器２４６と、第２の相関画像用重畳部２４７と、画像出力部２４８と、を実現する。なお、ＣＰＵ等で実現することに制限するものではなく、ＦＰＧＡ、またはＡＳＩＣで実現してもよい。

転送部２４１は、イメージセンサ２２０から出力された、光強度信号で構成されたフレームを、データバッファ２３０に、時系列順に蓄積する。

データバッファ２３０は、イメージセンサ２２０から出力された、光強度信号で構成されたフレームを、時系列順に蓄積する。

図３は、本実施形態の時間相関カメラ１１０で時系列順に蓄積されたフレームを表した概念図である。図３に示されるように、本実施形態のデータバッファ２３０には、時刻ｔ（ｔ＝ｔ０，ｔ１，ｔ２，……，ｔｎ）毎の複数の光強度信号Ｇ（１，１，ｔ），……，Ｇ（ｉ，ｊ，ｔ），……，Ｇ（Ｘ，Ｙ，ｔ）の組み合わせで構成された複数のフレームＦｋ（ｋ＝１，２，……，ｎ）が、時系列順に蓄積される。なお、時刻ｔで作成される一枚のフレームは、光強度信号Ｇ（１，１，ｔ），……，Ｇ（ｉ，ｊ，ｔ），……，Ｇ（Ｘ，Ｙ，ｔ）で構成される。

本実施形態の光強度信号（撮像信号）Ｇ（１，１，ｔ），……，Ｇ（ｉ，ｊ，ｔ），……，Ｇ（Ｘ，Ｙ，ｔ）には、フレーム画像Ｆｋ（ｋ＝１，２，……，ｎ）を構成する各画素Ｐ（１，１），……，Ｐ（ｉ，ｊ），……，Ｐ（Ｘ，Ｙ）が対応づけられている。

イメージセンサ２２０から出力されるフレームは、光強度信号のみで構成されており、換言すればモノクロの画像データとも考えることができる。なお、本実施形態は、解像度、感度、及びコスト等を考慮して、イメージセンサ２２０がモノクロの画像データを生成する例について説明するが、イメージセンサ２２０としてモノクロ用のイメージセンサに制限するものではなく、カラー用のイメージセンサを用いてもよい。

図２に戻り、本実施形態の読出部２４２は、データバッファ２３０から、光強度信号Ｇ（１，１，ｔ），……，Ｇ（ｉ，ｊ，ｔ），……，Ｇ（Ｘ，Ｙ，ｔ）をフレーム単位で、時系列順に読み出して、第１の乗算器２４４と、第２の乗算器２４６と、強度画像用重畳部２４３と、に出力する。

本実施形態の時間相関カメラ１１０は、読出部２４２の出力先毎に画像データを生成する。換言すれば、時間相関カメラ１１０は、３種類の画像データを作成する。

本実施形態の時間相関カメラ１１０は、３種類の画像データとして、強度画像データと、２種類の時間相関画像データと、を生成する。なお、本実施形態は、３種類の画像データを生成することに制限するものではなく、強度画像データを生成しない場合や、１種類又は３種類以上の時間相関画像データを生成する場合も考えられる。

本実施形態のイメージセンサ２２０は、上述したように単位時間毎に、光強度信号で構成されたフレームを出力している。しかしながら、通常の画像データを生成するためには、撮影に必要な露光時間分の光強度信号が必要になる。そこで、本実施形態では、強度画像用重畳部２４３が、撮影に必要な露光時間分の複数のフレームを重畳して、強度画像データを生成する。なお、強度画像データの各画素値（光の強度を表す値）Ｇ（ｘ，ｙ）は、以下に示す式（１）から導き出すことができる。なお、露光時間は、ｔ０とｔｎの時間差とする。

これにより、従来のカメラの撮影と同様に、被写体（被検査体１５０を含む）が撮影された強度画像データが生成される。そして、強度画像用重畳部２４３は、生成した強度画像データを、画像出力部２４８に出力する。

時間相関画像データは、時間遷移に応じた光の強弱の変化を示す画像データである。つまり、本実施形態では、時系列順のフレーム毎に、当該フレームに含まれる光強度信号に対して、時間遷移を示した参照信号を乗算し、参照信号と光強度信号と乗算結果である時間相関値で構成された、時間相関値フレームを生成し、複数の時間相関値フレームを重畳することで、時間相関画像データを生成する。

ところで、時間相関画像データを用いて、被検査体１５０の異常を検出するためには、イメージセンサ２２０に入力される光強度信号を、参照信号に同期させて変化させる必要がある。このために、プロジェクタ１２１が、上述したように、スクリーン１２２を介して周期的に時間変化および縞の空間的な移動を与えるような、面的な光の照射を行うこととした。

本実施形態では、２種類の時間相関画像データを生成する。参照信号は、時間遷移を表した信号であればよいが、本実施形態では、複素正弦波ｅ^-jωtを用いる。なお、角周波数ω、時刻ｔとする。参照信号を表す複素正弦波ｅ^-jωtが、上述した露光時間（換言すれば強度画像データ、時間相関画像を生成するために必要な時間）の一周期と相関をとるように、角周波数ωが設定されるものとする。換言すれば、プロジェクタ１２１およびスクリーン１２２等の照明部によって形成された面的かつ動的な光は、被検査体１５０の表面（反射面）の各位置で第一の周期（時間周期）での時間的な照射強度の変化を与えるとともに、表面に沿った少なくとも一方向に沿った第二の周期（空間周期）での空間的な照射強度の増減分布を与える。この面的な光は、表面で反射される際に、当該表面のスペック（法線ベクトルの分布等）に応じて複素変調される。時間相関カメラ１１０は、表面で複素変調された光を受光し、第一の周期の参照信号を用いて直交検波（直交復調）することにより、複素信号としての時間相関画像データを得る。このような複素時間相関画像データに基づく変復調により、表面の法線ベクトルの分布に対応した特徴を検出することができる。

複素正弦波ｅ^-jωtは、ｅ^-jωt＝ｃｏｓωｔ−ｊ・ｓｉｎωｔと表すこともできる。従って、時間相関画像データの各画素値Ｃ（ｘ，ｙ）は、以下に示す式（２）から導き出すことができる。

本実施形態では、式（２）において、実数部を表す画素値Ｃ１（ｘ，ｙ）と、虚数部を表す画素値Ｃ２（ｘ，ｙ）と、に分けて２種類の時間相関画像データを生成する。

このため、参照信号出力部２５０は、第１の乗算器２４４と、第２の乗算器２４６と、に対してそれぞれ異なる参照信号を生成し、出力する。本実施形態の参照信号出力部２５０は、複素正弦波ｅ^-ｊωtの実数部に対応する第１の参照信号ｃｏｓωｔを第１の乗算器２４４に出力し、複素正弦波ｅ^-jωtの虚数部に対応する第２の参照信号ｓｉｎωｔを第２の乗算器２４６に出力する。このように本実施形態の参照信号出力部２５０は、互いにヒルベルト変換対をなす正弦波および余弦波の時間関数として表される２種類の参照信号を出力する例について説明するが、参照信号は時間関数のような時間遷移に応じて変化する参照信号であればよい。

そして、第１の乗算器２４４は、読出部２４２から入力されたフレーム単位で、当該フレームの光強度信号毎に、参照信号出力部２５０から入力された複素正弦波ｅ^-jωtの実数部ｃｏｓωｔを乗算する。

第１の相関画像用重畳部２４５は、撮影に必要な露光時間分の複数のフレームについて、第１の乗算器２４４の乗算結果を画素毎に重畳する処理を行う。これにより、第１の時間相関画像データの各画素値Ｃ１（ｘ，ｙ）が、以下の式（３）から導出される。

そして、第２の乗算器２４６は、読出部２４２から入力されたフレームの光強度信号に対して、参照信号出力部２５０から入力された複素正弦波ｅ^-jωtの虚数部ｓｉｎωｔを乗算する。

第２の相関画像用重畳部２４７は、撮影に必要な露光時間分の複数のフレームについて、第２の乗算器２４６の乗算結果を画素毎に重畳する処理を行う。これにより、第２の時間相関画像データの各画素値Ｃ２（ｘ、ｙ）が、以下の式（４）から導出される。

上述した処理を行うことで、２種類の時間相関画像データ、換言すれば２自由度を有する時間相関画像データを生成できる。

また、本実施形態は、参照信号の種類を制限するものでない。例えば、本実施形態では、複素正弦波ｅ^-jωtの実部と虚部の２種類の時間相関画像データを作成するが、光の振幅と、光の位相と、による２種類の画像データを生成してもよい。

なお、本実施形態の時間相関カメラ１１０は、時間相関画像データとして、複数系統分作成可能とする。これにより、例えば複数種類の幅の縞が組み合わされた光が照射された際に、上述した実部と虚部とによる２種類の時間相関画像データを、縞の幅毎に作成可能とする。このために、時間相関カメラ１１０は、２個の乗算器と２個の相関画像用重畳部とからなる組み合わせを、複数系統分備えるとともに、参照信号出力部２５０は、系統毎に適した角周波数ωによる参照信号を出力可能とする。

そして、画像出力部２４８が、２種類の時間相関画像データと、強度画像データと、をＰＣ１００に出力する。これにより、ＰＣ１００が、２種類の時間相関画像データと、強度画像データと、を用いて、被検査体１５０の異常を検出する。そのためには、被写体に対して光を照射する必要がある。

本実施形態のプロジェクタ１２１は、高速に移動する光パターンとして、縞パターンを照射することができる。図４は、本実施形態のプロジェクタ１２１が照射する縞パターンの一例を示した図である。図４に示す例では、縞パターンをｘ方向にスクロール（移動）させている例とする。白い領域が縞に対応した明領域、黒い領域が縞と縞との間に対応した間隔領域（暗領域）である。

本実施形態では、時間相関カメラ１１０が強度画像データ及び時間相関画像データを撮影する露光時間で、プロジェクタ１２１が照射する縞パターンが一周期分移動させる。これにより、プロジェクタ１２１は、光の強度の縞パターンの空間的な移動により光の強度の周期的な時間変化を与える。本実施形態では、図４の縞パターンが一周期分移動する時間を、露光時間と対応させることで、時間相関画像データの各画素には、少なくとも、縞パターン一周期分の光の強度信号に関する情報が埋め込まれる。

図４に示されるように、本実施形態では、プロジェクタ１２１が矩形波に基づく縞パターンを照射する例について説明するが、矩形波以外を用いてもよい。本実施形態では、プロジェクタ１２１がスクリーン１２２を介して照射されることで、矩形波の明暗の境界領域をぼかすことができる。

本実施形態では、プロジェクタ１２１が照射する縞パターンをＡ（１＋cos（ωｔ＋ｋｘ））と表す。すなわち、縞パターンには、複数の縞が反復的に（周期的に）含まれる。なお、被検査体１５０に照射される光の強度は０〜２Ａの間で調整可能とし、光の位相ｋｘとする。ｋは、縞の波数である。ｘは、位相が変化する方向である。

そして、フレームの各画素の光強度信号ｆ（ｘ，ｙ，ｔ）の基本周波数成分は、以下の式（５）として表すことができる。式（５）で示されるように、ｘ方向で縞の明暗が変化する。

ｆ（ｘ，ｙ，ｔ）＝Ａ（１＋ｃｏｓ（ωｔ＋ｋｘ））
＝Ａ＋Ａ／２｛ｅ^j(ωt+kx)＋ｅ-^j(ωt+kx)｝……（５）

式（５）で示されるように、プロジェクタ１２１が照射する縞パターンの強度信号は、複素数として考えることができる。

そして、イメージセンサ２２０には、当該プロジェクタ１２１からの光が被写体（被検査体１５０を含む）から反射して入力される。

したがって、イメージセンサ２２０に入力される光強度信号Ｇ（ｘ，ｙ，ｔ）を、プロジェクタ１２１が照射された際のフレームの各画素の光強度信号ｆ（ｘ，ｙ，ｔ）とできる。そこで、強度画像データを導出するための式（１）に式（５）を代入すると、式（６）を導出できる。なお、位相ｋｘとする。

式（６）から、強度画像データの各画素には、露光時間Ｔに、プロジェクタ１２１が出力している光の強度の中間値Ａを乗じた値が入力されていることが確認できる。さらに、時間相関画像データを導出するための式（２）に式（５）を代入すると、式（７）を導出できる。なお、ＡＴ／２を振幅とし、ｋｘを位相とする。

これにより、式（７）で示された複素数で示された時間相関画像データは、上述した２種類の時間相関画像データと置き換えることができる。つまり、上述した実部と虚部とで構成される時間相関画像データには、被検査体１５０に照射された光強度変化における位相変化と振幅変化とが含まれている。換言すれば、本実施形態のＰＣ１００は、２種類の時間相関画像データに基づいて、プロジェクタ１２１から照射された光の位相変化と、光の振幅変化と、を検出できる。そこで、本実施形態のＰＣ１００が、時間相関画像データ及び強度画像データに基づいて、画素毎に入る光の振幅を表した振幅画像データと、画素毎に入る光の位相変化を表した位相画像データと、を生成する。

さらに、ＰＣ１００は、生成した振幅画像データと位相画像データとに基づいて、被検査体１５０の異常を検出する。

ところで、被検査体１５０の表面形状に凹凸に基づく異常が生じている場合、被検査体１５０の表面の法線ベクトルの分布には異常に対応した変化が生じている。また、被検査体１５０の表面に光を吸収するような異常が生じている場合、反射した光の強度に変化が生じる。法線ベクトルの分布の変化は、光の位相変化及び振幅変化のうち少なくともいずれか一つとして検出される。そこで、本実施形態では、時間相関画像データ及び強度画像データを用いて、法線ベクトルの分布の変化に対応した、光の位相変化及び振幅変化のうち少なくともいずれか一つを検出する。これにより、表面形状の異常を検出可能となる。本実施形態によれば、時間相関画像データに基づいて、光の振幅の変化と、光の位相の変化と、を検出することで、被検査体１５０に異常があることを推定できる。

図１に戻り、ＰＣ１００について説明する。ＰＣ１００は、検出システム全体の制御を行う。ＰＣ１００は、アーム制御部１０１と、照明制御部１０２と、制御部１０３と、を備える。

アーム制御部１０１は、被検査体１５０の時間相関カメラ１１０による撮像対象となる表面を変更するために、アーム１４０を制御する。本実施形態では、ＰＣ１００において、被検査体１５０の撮影対象となる表面を複数設定しておく。そして、時間相関カメラ１１０が被検査体１５０の撮影が終了する毎に、アーム制御部１０１が、当該設定に従って、時間相関カメラ１１０が設定された表面を撮影できるように、アーム１４０が被検査体１５０を移動させる。なお、本実施形態は撮影が終了する毎にアーム１４０を移動させ、撮影が開始する前に停止させることを繰り返すことに制限するものではなく、継続的にアーム１４０を駆動させてもよい。なお、アーム１４０は、搬送部、移動部、位置変更部、姿勢変更部等とも称されうる。

照明制御部１０２は、被検査体１５０を検査するためにプロジェクタ１２１が照射する縞パターンを出力する。本実施形態の照明制御部１０２は、少なくとも３枚以上の縞パターンを、プロジェクタ１２１に受け渡し、当該縞パターンを露光時間中に切り替えて表示するようにプロジェクタ１２１に指示する。

図５は、照明制御部１０２がプロジェクタ１２１に出力する縞パターンの例を示した図である。図５（Ｂ）に示す矩形波に従って、図５（Ａ）に示す黒領域と白領域とが設定された縞パターンが出力されるように、照明制御部１０２が制御を行う。

本実施形態で照射する縞パターン毎の縞の間隔は、検出対象となる異常（欠陥）の大きさに応じて設定されるものとしてここでは詳しい説明を省略する。

また、縞パターンを出力するための矩形波の角周波数ωは、参照信号の角周波数ωと同じ値とする。

図５に示されるように、照明制御部１０２が出力する縞パターンは、矩形波として示すことができるが、スクリーン１２２を介することで、縞パターンの境界領域をぼかす、すなわち、縞パターンにおける明領域（縞の領域）と暗領域（間隔の領域）との境界での光の強度変化を緩やかにする（鈍らせる）ことで、正弦波に近似させることができる。図６は、スクリーン１２２を介した後の縞パターンを表した波の形状の例を示した図である。図６に示されるように波の形状が、正弦波に近づくことで、計測精度を向上させることができる。また、縞に明度が多段階に変化するグレー領域を追加したり、グラデーションを与えたりしてもよい。また、カラーの縞を含む縞パターンを用いてもよい。

図１に戻り、制御部１０３は、振幅−位相画像生成部１０４と、異常検出処理部１０５と、を備え、時間相関カメラ１１０から入力された強度画像データと、時間相関画像データと、により、被検査体１５０の検査対象面の法線ベクトルの分布と対応した特徴であって、周囲との違いによって異常を検出する特徴を算出するための処理を行う。なお、本実施形態は、検査を行うために、複素数で示した時間相関画像データ（複素時間相関画像データと称す）の代わりに、複素数相関画像データの実部と虚部とで分けた２種類の時間相関画像データを、時間相関カメラ１１０から受け取る。

振幅−位相画像生成部１０４は、時間相関カメラ１１０から入力された強度画像データと、時間相関画像データと、に基づいて、振幅画像データと、位相画像データと、を生成する。振幅−位相画像生成部１０４は、画像取得部の一例である。

振幅画像データは、画素毎に入る光の振幅を表した画像データとする。位相画像データは、画素毎に入る光の位相を表した画像データとする。

本実施形態は振幅画像データの算出手法を制限するものではないが、例えば、振幅−位相画像生成部１０４は、２種類の時間相関画像データの画素値Ｃ１（ｘ，ｙ）及びＣ２（ｘ，ｙ）から、式（８）を用いて、振幅画像データの各画素値Ｆ（ｘ，ｙ）を導き出せる。

そして、本実施形態では、振幅画像データの画素値（振幅）と、強度画像データの画素値と、に基づいて、異常が生じている領域があるか否かを判定できる。例えば、強度画像データの画素値（ＡＴ）を２で除算した値と、振幅画像データの振幅（打ち消し合いが生じない場合にはＡＴ／２となる）と、がある程度一致する領域は異常が生じていないと推測できる。一方、一致していない領域については、振幅の打ち消しが生じていると推測できる。なお、具体的な手法については後述する。

同様に、振幅−位相画像生成部１０４は、画素値Ｃ１（ｘ，ｙ）及びＣ２（ｘ，ｙ）から、式（９）を用いて、位相画像データの各画素値Ｐ（ｘ，ｙ）を導き出せる。

異常検出処理部１０５は、振幅−位相画像生成部１０４により生成された振幅画像データ、及び位相画像データにより、検査対称面の法線ベクトルの分布と対応した特徴であって、周囲との違いによって、被検査体１５０の異常に関連する特徴を検出する。本実施形態では、法線ベクトルの分布に対応した特徴として、複素時間相関画像の振幅の分布を用いた例について説明する。なお、複素時間相関画像の振幅の分布とは、複素時間相関画像の各画素の振幅の分布を示したデータであり、振幅画像データに相当する。異常検出処理部は、演算処理部の一例である。

次に、本実施形態の異常検出処理部１０５における振幅に基づく異常検出処理について説明する。図７は、本実施形態の異常検出処理部１０５における当該処理の手順を示すフローチャートである。

まず、異常検出処理部１０５は、振幅画像データの各画素に格納された、光の振幅値（を表した画素値）から、当該画素を基準（例えば中心）として、Ｎ×Ｎ領域の平均振幅値を減算し（ステップＳ１１０１）、振幅の平均差分画像データを生成する。振幅の平均差分画像データは、振幅の勾配に対応する。なお、整数Ｎは実施の態様に応じて適切な値が設定されるものとする。

次に、異常検出処理部１０５は、減算により生成された振幅の平均差分画像データに対して、予め定められた振幅の閾値を用いたマスク処理を行う（ステップＳ１１０２）。

さらに、異常検出処理部１０５は、平均差分画像データのマスク領域内について画素毎に標準偏差を算出する（ステップＳ１１０３）。なお、本実施形態では、標準偏差に基づいた手法について説明するが、標準偏差を用いた場合に制限するものではなく、例えば平均値等を用いてもよい。

そして、異常検出処理部１０５は、平均を引いた振幅画素値が−４．５σ（σ：標準偏差）より小さい値の画素を、異常（欠陥）がある領域として検出する（ステップＳ１１０４）。

上述した処理手順により、各画素の振幅値（換言すれば、振幅の分布）から、被検査体１５０の異常を検出できる。しかしながら、本実施形態は、複素時間相関画像の振幅の分布から異常を検出することに制限するものではない。検査対称面の法線ベクトルの分布と対応した特徴として、位相の分布の勾配を用いてもよい。そこで、次に位相の分布の勾配を用いた例について説明する。

次に、本実施形態の異常検出処理部１０５における位相に基づく異常検出処理について説明する。図８は、本実施形態の異常検出処理部１０５における当該処理の手順を示すフローチャートである。

まず、異常検出処理部１０５は、位相画像データの画素毎の光の位相値（を表した画素値）から、当該画素を基準（例えば中心）として、Ｎ×Ｎ領域の平均位相値を減算し（ステップＳ１２０１）、位相の平均差分画像データを生成する。位相の平均差分画像データは、位相の勾配に対応する。

次に、異常検出処理部１０５は、減算により生成された位相の平均差分画像データの大きさ（絶対値）と、閾値とを比較し、平均差分画像データの大きさが閾値以上となる画素を、異常（欠陥）のある画素として検出する（ステップＳ１２０２）。

このステップＳ１２０２の検出結果により、異常検出処理部１０５は、平均差分画像データの正負、すなわち、画素の位相値と平均位相値との大小関係によって、凹凸を判別することができる（ステップＳ１２０３）。画素の位相値と平均位相値とのどちらが大きい場合に凸となるかは、各部の設定によって変化するが、大小関係が異なると、凹凸が異なる。

なお、他の手法によって得られた位相の分布の勾配から、異常を検出することができる。例えば、異常検出処理部１０５は、別の手法として、正規化された時間相関画像データのＮ×Ｎの領域の平均ベクトルと、正規化された各画素のベクトルとの差の大きさが、閾値よりも大きい場合に、異常（欠陥）がある画素として検出することができる。また、位相の分布の勾配に限られず、位相の分布に対応する情報に基づいて被検査体１５０の異常を検出すればよい。

次に、本実施形態の異常検出処理部１０５における振幅および強度に基づく異常検出処理について説明する。図９は、本実施形態の異常検出処理部１０５における当該処理の手順を示すフローチャートである。

まず、異常検出処理部１０５は、時間相関画像データと強度画像データとから、各画素について、次の式（１００）を用いて、振幅（を表す画素値）Ｃ（ｘ，ｙ）（式（７）参照）と強度（を表す画素値）Ｇ（ｘ，ｙ）（式（６）参照）との比Ｒ（ｘ，ｙ）を算出する（ステップＳ１３０１）。

Ｒ（ｘ，ｙ）＝Ｃ（ｘ，ｙ）／Ｇ（ｘ，ｙ）……（１００）

次に、異常検出処理部１０５は、比Ｒ（ｘ，ｙ）と閾値とを比較し、比Ｒ（ｘ，ｙ）の値が対応する閾値以下となる画素を、異常（欠陥）のある画素として検出する（ステップＳ１３０２）。また、異常検出処理部１０５は、比Ｒ（ｘ，ｙ）と閾値とを比較し、比Ｒ（ｘ，ｙ）の値が対応する別の閾値以上となる画素を、ムラ（汚れ等）のある画素として検出する（ステップＳ１３０３）。法線ベクトルの分布の異常により、振幅の打ち消し合い（減殺）が顕著となった場合には、強度に比べて振幅がより大きく下がる。一方、法線ベクトルの分布にはそれほどの異常は無いものの被検査体１５０の表面の汚れ等によって光の吸収が顕著となった場合には、振幅に比べて強度がより大きく下がる。よって、異常検出処理部１０５は、ステップＳ１３０２およびステップＳ１３０３による異常種別の検出が可能となる。

次に、本実施形態の検査システムにおける被検査体１５０の検査処理について説明する。図１０は、本実施形態の検査システムにおける上述した処理の手順を示すフローチャートである。なお、被検査体１５０は、すでにアーム１４０に固定された状態で、検査の初期位置に配置されているものとする。

本実施形態のＰＣ１００が、プロジェクタ１２１に対して、被検査体１５０を検査するための縞パターンを出力する（ステップＳ１４０１）。

プロジェクタ１２１は、ＰＣ１００から入力された縞パターンを格納する（ステップＳ１４２１）。そして、プロジェクタ１２１は、格納された縞パターンを、時間遷移に従って変化するように表示する（ステップＳ１４２２）。なお、プロジェクタ１２１が表示を開始する条件は、縞パターンが格納された際に制限するものではなく、例えば検査者がプロジェクタ１２１に対して開始操作を行った際でもよい。

そして、ＰＣ１００の制御部１０３が、時間相関カメラ１１０に対して、撮影の開始指示を送信する（ステップＳ１４０２）。

次に、時間相関カメラ１１０が、送信されてきた撮影指示に従って、被検査体１５０を含む領域について撮像を開始する（ステップＳ１４１１）。次に、時間相関カメラ１１０の制御部２４０が、強度画像データと、時間相関画像データと、を生成する（ステップＳ１４１２）。そして、時間相関カメラ１１０の制御部２４０が、強度画像データと、時間相関画像データと、を、ＰＣ１００に出力する（ステップＳ１４１３）。

ＰＣ１００の制御部１０３は、強度画像データと、時間相関画像データと、を受け取る（ステップＳ１４０３）。そして、振幅−位相画像生成部１０４は、受け取った強度画像データと時間相関画像データとから、振幅画像データと、位相画像データとを生成する（ステップＳ１４０４）。

そして、異常検出処理部１０５が、振幅画像データと、位相画像データとに基づいて、被検査体１５０の異常検出制御を行う（ステップＳ１４０５）。そして、異常検出処理部１０５は、異常検出結果を、ＰＣ１００が備える（図示しない）表示装置に出力する（ステップＳ１４０６）。

異常検出結果の出力例としては、強度画像データを表示するとともに、振幅画像データと位相画像データとに基づいて異常が検出された領域に対応する、強度画像データの領域を、検査者が異常を認識できるように装飾表示するなどが考えられる。また、視覚に基づく出力に制限するものではなく、音声等で異常が検出されたことを出力してもよい。

制御部１０３は、当該被検査体１５０の検査が終了したか否かを判定する（ステップＳ１４０７）。検査が終了していないと判定した場合（ステップＳ１４０７：Ｎｏ）、アーム制御部１０１が、予め定められた設定に従って、次の検査対象となる被検査体１５０の表面が、時間相関カメラ１１０で撮影できるように、アームの移動制御を行う（ステップＳ１４０８）。アームの移動制御が終了した後、制御部１０３が、再び時間相関カメラ１１０に対して、撮影の開始指示を送信する（ステップＳ１４０２）。

一方、制御部１０３は、当該被検査体１５０の検査が終了したと判定した場合（ステップＳ１４０７：Ｙｅｓ）、終了指示を時間相関カメラ１１０に対して出力し（ステップＳ１４０９）、処理を終了する。

そして、時間相関カメラ１１０は、終了指示を受け付けたか否かを判定する（ステップＳ１４１４）。終了指示を受け付けていない場合（ステップＳ１４１４：Ｎｏ）、再びステップＳ１４１１から処理を行う。一方、終了指示を受け付けた場合（ステップＳ１４１４：Ｙｅｓ）、処理を終了する。

なお、プロジェクタ１２１の終了処理は、検査者が行ってもよいし、他の構成からの指示に従って終了してもよい。

また、本実施形態では、時間相関カメラ１１０を用いて生成された強度画像データと、時間相関画像データと、を生成する例について説明した。しかしながら、強度画像データと、時間相関画像データと、を生成するために時間相関カメラ１１０を用いることに制限するものではなく、アナログ的な処理で実現可能な時間相関カメラや、それと等価な動作をする撮像システムを用いてもよい。例えば、通常のデジタルスチルカメラが生成した画像データを出力し、情報処理装置が、デジタルスチルカメラが生成した画像データを、フレーム画像データとして用いて参照信号を重畳することで、時間相関画像データを生成してもよいし、イメージセンサ内で光強度信号に参照信号を重畳するようなデジタルカメラを用いて、時間相関画像データを生成してもよい。

（変形例１）
上記実施形態では、周囲との違いに基づいて、異常に関連する特徴を検出する例について説明したが、周囲との違いに基づいて当該特徴を検出することに制限するものではなく、参照形状のデータ（参照データ、例えば、時間相関データや、振幅画像データ、位相画像データ等）との差異に基づいて当該特徴を検出してもよい。この場合、参照データの場合とで、空間位相変調照明（縞パターン）の位置合わせおよび同期が必要となる。

本変形例では、異常検出処理部１０５が、予め（図示しない）記憶部に記憶された、参照表面から得られた振幅画像データ及び位相画像データと、被検査体１５０の振幅画像データ及び位相画像データと、を比較し、被検査体１５０の表面と参照表面との間で、光の振幅及び光の位相とのうちいずれか一つ以上について所定の基準以上の違いがあるか否かを判定する。

本変形例は、上記実施形態と同じ構成の検査システムを用い、参照表面として正常な被検査体１５０の表面を用いる例とする。

プロジェクタ１２１がスクリーン１２２を介して縞パターンを照射している間に、時間相関カメラ１１０が、正常な被検査体１５０の表面を撮像し、時間相関画像データを生成する。そして、ＰＣ１００が、時間相関カメラ１１０で生成された時間相関画像データを入力し、振幅画像データ及び位相画像データを生成し、ＰＣ１００の図示しない記憶部に振幅画像データ及び位相画像データを記憶させておく。そして、時間相関カメラ１１０が、異常が生じているか否か判定したい被検査体１５０を撮像し、時間相関画像データを生成する。そして、ＰＣ１００が、時間相関画像データから、振幅画像データ及び位相画像データを生成した後、記憶部に記憶されていた、正常な被検査体１５０の振幅画像データ及び位相画像データと比較する。その際に、正常な被検査体１５０の振幅画像データ及び位相画像データと、検査対象の被検査体１５０の振幅画像データ及び位相画像データと、の比較結果を、異常を検出する特徴を示したデータとして出力する。そして、異常を検出する特徴が、当該所定の基準以上の場合に、被検査体１５０に対して異常があると推測できる。

これにより、本変形例では、正常な被検査体１５０の表面と差異が生じているか否か、換言すれば、被検査体１５０の表面に異常が生じているか否かを判定できる。なお、振幅画像データ及び位相画像データの比較手法は、どのような手法を用いてもよいので、説明を省略する。

さらに、本変形例では参照表面の違いに基づいて、異常を検出する特徴を示したデータを出力する例について説明したが、参照表面の違いと、上記実施形態で示した周囲との違いと、を組み合わせて、異常を検出する特徴を算出してもよい。組み合わせる手法は、どのような手法を用いてもよいので、説明を省略する。

（変形例２）
上記実施形態では、ｘ方向に縞パターンを動かして、被検査体１５０の異常（欠陥）を検出する例について説明した。しかしながら、ｘ方向に垂直なｙ方向で急峻に法線の分布が変化する異常（欠陥）が被検査体１５０に生じている場合、ｘ方向に縞パターンを動かすよりも、ｙ方向に縞パターンを動かす方が欠陥の検出が容易になる場合がある。そこで、変形例では、ｘ方向に移動する縞パターンと、ｙ方向に移動する縞パターンとを、交互に切り替える例について説明する。

本変形例の照明制御部１０２は、所定の時間間隔毎に、プロジェクタ１２１に出力する縞パターンを切り替える。これにより、プロジェクタ１２１は、一つの検査対象面に対して、異なる方向に延びた複数の縞パターンを出力する。

図１１は、本変形例の照明制御部１０２が出力する縞パターンの切り替え例を示した図である。図１１の（Ａ）では、照明制御部１０２は、プロジェクタ１２１が表示する縞パターンをｘ方向に遷移させる。その後、（Ｂ）に示されるように、照明制御部１０２は、プロジェクタ１２１が表示する縞パターンをｙ方向に遷移させる。

そして、ＰＣ１００の制御部１０３は、図１１の（Ａ）の縞パターン照射から得られた時間相関画像データに基づいて、異常検出を行い、図１１の（Ｂ）の縞パターン照射から得られた時間相関画像データに基づいて、異常検出を行う。

図１２は、本変形例の照明制御部１０２が、異常（欠陥）１６０１を含めた表面に縞パターンを照射した例を示した図である。図１２に示す例では、異常（欠陥）１６０１が、ｘ方向に延びている。この場合、照明制御部１０２は、ｘ方向に交差するｙ方向、換言すれば異常（欠陥）１６０１の長手方向に交差する方向に縞パターンが移動するように設定する。当該設定により、検出精度を向上させることができる。

本変形例の検査システムにおいて、被検査体１５０に生じる欠陥の長手方向がランダムな場合には、複数方向（例えば、ｘ方向、及び当該ｘ方向に交差するｙ方向等）で縞パターンを表示することで、欠陥の形状を問わずに当該欠陥の検出が可能となり、異常（欠陥）の検出精度を向上させることができる。また、異常の形状に合わせた縞パターンを投影することで、異常の検出精度を向上させることができる。

（照明装置）
図１３は、上記実施形態および上記変形例における照明装置１２０、被検査体１５０、および時間相関カメラ１１０の光学系を示す説明図である。

図１３に示されるように、照明装置１２０は、プロジェクタ１２１とスクリーン１２２とを含んでいる。プロジェクタ１２１は、図４，５，１１に示されるような明領域（明部）と暗領域（暗部）とを含む縞パターンのようなパターン光を出射する。パターン光は、縞パターンには限定されず、例えば、格子状に配列された明領域および暗領域を含むパターン光等であってもよい。

パターン光は、スクリーン１２２を経由して、被検査体１５０に投影され、当該被検査体１５０に投影されたパターン光が、時間相関カメラ１１０によって撮影される。言い換えると、パターン光は、被検査体１５０の検査対象面において反射され、時間相関カメラ１１０は、当該検査対象面で反射されたパターン光を撮影する。そして、上述したように、時間相関カメラ１１０は、被検査体１５０の表面、すなわち検査対象面において複素変調（直交変調）されたパターン光を復調（直交復調、直交検波）することにより、検査対象面を検査する。

ここで、図１３を参照すれば、スクリーン１２２は、入射面１２２ａと、当該入射面１２２ａとは反対側の出射面１２２ｂと、を有し、プロジェクタ１２１から出射されたパターン光を時間相関カメラ１１０に向けて収束するレンズとして機能していることが理解できよう。プロジェクタ１２１から出射されたパターン光は、屈折しながらスクリーン１２２を透過している。プロジェクタ１２１、スクリーン１２２、検査対象面（被検査体１５０）、および時間相関カメラ１１０の配置（距離）は、時間相関カメラ１１０においてパターン光が収束するよう、設定される。スクリーン１２２は、透過部材の一例である。

図１４は、スクリーン１２２の構成を示す断面図である。スクリーン１２２は、厚さ方向に積層された四つの部材を含んでいる。スクリーン１２２では、入射面１２２ａ側から出射面１２２ｂ側に向けて、四つの部材として、第一フレネルレンズ１２３、第二フレネルレンズ１２４、透明プレート１２５、およびぼかしシート１２６が、この順で積層されている。なお、これら四つの部材は、互いに接着等されることによって一体化されてもよいし、四つの部材とは別の結合部材（不図示）によって一体化されてもよい。

第一フレネルレンズ１２３は、図１３に示されるようなプロジェクタ１２１から出射されて放射状に広がる光を、入射面１２２ａにおいて屈折することにより、第一フレネルレンズ１２３内をスクリーン１２２の厚さ方向（図１３，１４における横方向）に向かう平行光に偏向する。第一フレネルレンズ１２３は、第一の偏向部材の一例である。

第二フレネルレンズ１２４は、第一フレネルレンズ１２３からの平行光を、第一フレネルレンズ１２３とは反対側の面において屈折することにより、第一フレネルレンズ１２３とは反対側の焦点に向けて収束する収束光に偏向する。第二フレネルレンズ１２４は、第二の偏向部材の一例である。なお、スクリーン１２２は、第一フレネルレンズ１２３または第二フレネルレンズ１２４に代えて、球面レンズを含んでもよい。

透明プレート１２５は、透明の部材であって、例えば、アクリル樹脂やガラスである。透明プレート１２５を介して第二フレネルレンズ１２４の反対側に、ぼかしシート１２６が配置されている。ぼかしシート１２６は、透明プレート１２５とは反対側に、微細な凹凸を含む出射面１２２ｂを有する。出射面１２２ｂにおける微細な凹凸により、パターン光が拡散され、当該パターン光の明領域と暗領域との境界がぼける。

ぼかしシート１２６は、例えば、透明プレート１２５に貼り付けられている。この場合、透明プレート１２５は、ぼかしシート１２６の支持部材として機能する。ぼかしシート１２６は、ぼかし部材の一例であり、透明プレート１２５は、支持部材の一例である。なお、ぼかしシート１２６は、比較的柔軟な可撓性のシートであるが、スクリーン１２２は、これに代えて、比較的硬質なプレート（ぼかしプレート）を含んでもよい。

以上、説明したように、上記実施形態および変形例１，２では、照明装置１２０は、プロジェクタ１２１と、スクリーン１２２（透過部材）とを含み、スクリーン１２２は、プロジェクタ１２１からの光を平行光に偏向する第一フレネルレンズ１２３（第一の偏向部材）と、第一フレネルレンズ１２３からの平行光を収束光に偏向する第二フレネルレンズ１２４（第二の偏向部材）と、含んでいる。このような構成により、例えば、パターン光を時間相関カメラ１１０に収束させ易くなる。すなわち、時間相関カメラ１１０は、照明装置１２０からの光をむらなく受けることができるため、相関振幅のばらつきをより小さくすることができる。仮に、光を収束させない場合にあっては、中心が明るく端部に近付くほど暗くなる画像が得られるが、その場合、画像の中心付近の振幅値と画像の端部付近の振幅値とに差が生じるため、検査のための画像処理がより難しくなってしまう。本実施形態によれば、そのような不都合が生じ難くなる。また、光の収束により、明領域（明部）と暗領域（暗部）とで輝度値の差がより大きい画像が得られるため、ノイズを相対的により小さくすることができ、相関演算における誤差をより小さくできるという利点もある。なお、時間相関カメラ１１０ではないカメラによって撮影された画像に基づく画像検査においても、明部と暗部との輝度値の差がより大きいパターン光を用いることができ、当該画像検査においても、明部と暗部との輝度値の差が大きいことによる利点を享受することができる。

また、上記実施形態および変形例１，２では、スクリーン１２２（透過部材）は、ぼかしシート１２６（ぼかし部材）を含んでいる。よって、本実施形態によれば、例えば、プロジェクタ１２１や、第一フレネルレンズ１２３、第二フレネルレンズ１２４等からの高周波成分を除去することができるため、よりノイズの少ない画像を得ることができる。

また、上記実施形態および変形例１，２では、スクリーン１２２（透過部材）は、透明プレート１２５（支持部材）を含んでいる。よって、本実施形態によれば、例えば、スクリーン１２２の剛性および強度をより高くすることができる。よって、例えば、スクリーン１２２に含まれる他の部材（第一の偏向部材や、第二の偏向部材、ぼかし部材）として、比較的剛性や強度の低い部材を用いることができる。

なお、上述した実施形態のＰＣ１００で実行される検査プログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｋ）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供される。

また、上述した実施形態のＰＣ１００で実行される検査プログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。また、上述した実施形態のＰＣ１００で実行される検査プログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成してもよい。

本発明のいくつかの実施形態及び変形例を説明したが、これらの実施形態及び変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態及び変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１２０…照明装置、１２１…プロジェクタ、１２２…スクリーン（透過部材）、１２３…第一フレネルレンズ（第一の偏向部材）、１２４…第二フレネルレンズ（第二の偏向部材）、１２５…透明プレート（支持部材）、１２６…ぼかしシート（ぼかし部材）。

Claims (4)

1. 明部と暗部とを含むパターン光を出射するプロジェクタと、
   前記プロジェクタと検査対象面との間に介在し、前記プロジェクタからの光を前記検査対象面に向けて透過させる透過部材と、
   を有し、
   前記透過部材は、
   前記プロジェクタからの光を平行光に偏向可能な第一の偏向部材と、
   前記第一の偏向部材からの平行光を収束光に偏向可能な第二の偏向部材と、
   を含んだ、照明装置。
2. 前記透過部材は、前記第二の偏向部材に対して前記第一の偏向部材の反対側に設けられ、前記検査対象面に照射されたパターン光において前記明部と前記暗部との境界をぼかすぼかし部材を含んだ、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記透過部材は、無色透明な支持部材を含んだ、請求項１または２に記載の照明装置。
4. プロジェクタと検査対象面との間に介在し、前記プロジェクタからの光を前記検査対象面に向けて透過させる透過部材であって、
   前記プロジェクタからの光を平行光に偏向可能な第一の偏向部材と、
   前記第一の偏向部材からの平行光を収束光に偏向可能な第二の偏向部材と、
   を含む、透過部材。

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