JP2022189938A - 光学検査装置、方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】被検物に係る情報を高精度に測定することができる光学検査装置を提供する。【解決手段】実施形態の光学検査装置は、第１の光学系と、第２の光学系と、撮像素子とを含む。第１の光学系は、第１の波長の光線を通過させ、前記第１の波長の光線に対して物体側にテレセントリック性を有している。第２の光学系は、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光線を通過させる。撮像素子は、前記第１の光学系を通過した前記第１の波長の光線と、前記第２の光学系を通過した前記第２の波長の光線とに基づいて、前記物体を撮像可能である。【選択図】 図１６

Description

本発明の実施形態は、光学検査装置、方法及びプログラムに関する。

様々な産業において、非接触での検査技術が重要となっている。

Walton L. Howes, "Rainbow schlieren and its applications", Appl. Optics, vol.23, No.14, 1984. J. S. Kim and T. Kanade, "Multiaperture telecentric lens for 3D reconstruction", Optics Letters, vol. 36, No. 7, 2011.

本発明が解決しようとする課題は、被検物に係る情報を高精度に測定することができる光学検査装置、方法及びプログラムを提供することである。

実施形態によれば、第１の波長の光線を通過させる第１の波長選択フィルターを有し、前記第１の波長の光線に対して物体側にテレセントリック性を有している第１の光学系と、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光線を通過させる第２の波長選択フィルターを有し、前記第１の波長選択フィルターと前記第２の波長選択フィルターとは共通のフィルターに配置されている、第２の光学系と、前記物体の物点から前記第１の光学系を通過した前記第１の波長の光線と、前記物点から前記第２の光学系を通過した前記第２の波長の光線とに基づいて、前記物体を撮像可能な撮像素子と、前記撮像素子からの画像データをカラー分離して色毎の画像データを生成し、前記色毎の画像データに基づいて、前記物体の物点における少なくとも前記第１の波長の光線と前記第２の波長の光線との各々の散乱角を算出する処理回路と、を具備する。

図１は、第１の実施形態に係る光学検査システムの構成の一例を示すブロック図である。 図２は、第１の実施形態に係る光学装置の構成の一例を示すｘ－ｚ断面図である。 図３は、第１の実施形態に係る光学装置の構成例の概略を示す鳥瞰図である。 図４は、第１の実施形態に係る光学装置の構成例の概略を示す側面図である。 図５は、第１の実施形態に係る第１のカラーフィルターの開口のｘ－ｙ断面の一例を示す模式図である。 図６は、第１の実施形態に係る算出処理の一例を示すフローチャートである。 図７は、第２の実施形態に係る処理回路の構成の一例を示すブロック図である。 図８は、第２の実施形態に係る光学装置の構成の一例を示すｘ－ｚ断面図である。 図９は、第２の実施形態に係る第２のカラーフィルターの開口のｘ－ｙ断面の一例を示す模式図である。 図１０は、第２の実施形態に係る第１のカラーフィルターの開口のｘ－ｙ断面の一例を示す模式図である。 図１１は、第２の実施形態に係る算出処理の一例を示すフローチャートである。 図１２は、第２の実施形態に係る実測評価における物点について説明するための図である。 図１３Ａは、第１のレンズから－ｚ側に１６０ｍｍ離れた位置に絞りが配置されて行われた実測評価で取得された画像である。 図１３Ｂは、第１のレンズから－ｚ側に２１０ｍｍ離れた位置に絞りが配置されて行われた実測評価で取得された画像である。 図１３Ｃは、第１のレンズから－ｚ側に２２５ｍｍ離れた位置に絞りが配置されて行われた実測評価で取得された画像である。 図１４は、第２の実施形態に係る実測評価の結果を示すグラフである。 図１５は、第３の実施形態に係る光学装置の構成の一例を示すｘ－ｚ断面図である。 図１６は、第４の実施形態に係る光学装置の構成の一例を示すｘ－ｚ断面図である。 図１７は、第４の実施形態に係る第１の波長選択フィルターの開口のｘ－ｙ断面の一例を示す模式図である。 図１８は、第４の実施形態に係る開口絞りの開口のｘ－ｙ断面の一例を示す模式図である。 図１９は、第４の実施形態に係る第２の波長選択フィルターの開口のｘ－ｙ断面の一例を示す模式図である。 図２０は、第４の実施形態の変形例に係る第１の波長選択フィルターの開口のｘ－ｙ断面の一例を示す模式図である。 図２１は、第５の実施形態に係る光学装置の構成の一例を示すｘ－ｚ断面図である。

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

各実施の形態の説明における光又は光線との記載は、可視光又は可視光線に限らない。ただし、以下の説明では、環境光として白色光が用いられている場合を例として説明をする。

（第１の実施形態）
まず、本実施形態に係る光学検査システム１の構成について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る光学検査システム１の構成の一例を示すブロック図である。図１に示すように、光学検査システム１は、光学検査装置１０及びディスプレイ９０を備える。光学検査装置１０は、光学装置２０、処理回路７０及びメモリ８０を備える。光学装置２０は、光学系３０及び撮像素子６０を備える。

図２は、本実施形態に係る光学装置２０の構成の一例を示すｘ－ｚ断面図である。図３は、本実施形態に係る光学装置２０の構成例の概略を示す鳥瞰図である。図４は、本実施形態に係る光学装置２０の構成例の概略を示す側面図である。なお、図２、図３及び図４には、物点Ｏから射出された光線の光線経路の一例が模式的に示されている。図２、図３及び図４に示すように、光学系３０は、第１のレンズ３１１及び第１のカラーフィルター３１３を備える。

なお、本実施形態では、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸の各々について、以下のように定義する。ｚ軸は、第１のレンズ３１１の光軸である。＋ｚ方向は、第１のレンズ３１１から撮像素子６０の撮像面６１へ向かう方向である。ｘ軸及びｙ軸は、互いに直交し、また、ｚ軸と直交する。－ｘ方向は、例えば重力方向である。ここで、例えば、図２に示す光学装置２０のｘ－ｚ断面図では、＋ｚ方向は、左から右へ向かう方向であり、－ｘ方向は、上から下へ向かう方向であり、＋ｙ方向は、紙面に垂直に奥から手前へ向かう方向である。

第１のレンズ３１１は、被検物上の物点Ｏから射出された光線を、撮像素子６０の撮像面６１上の像点に結像させる。被検物は、物体の一例である。第１のレンズ３１１は、共有されているレンズの一例である。第１のレンズ３１１の像側焦点距離ｆは、焦点距離ｆ１である。第１のレンズ３１１は、例えば光学ガラスで形成されているが、これに限らない。第１のレンズ３１１は、例えば、アクリル樹脂（Polymethyl methacrylate：ＰＭＭＡ）、ポリカーボネイト（Polycarbonate：ＰＣ）等の光学プラスチックで形成されていてもよい。なお、第１のレンズ３１１は、１つのレンズであってもよいし、複数のレンズが組み合わさった光学系であってもよい。

第１のカラーフィルター３１３は、第１のレンズ３１１の像側焦点に配置されている。つまり、第１のカラーフィルター３１３は、第１のレンズ３１１の＋ｚ側に焦点距離ｆ１だけ離れた位置に配置されている。第１のカラーフィルター３１３は、第１のレンズ３１１を通過した光線束の＋ｚ軸方向を天頂方向とする立体角を制限する。第１のカラーフィルター３１３の開口は、第１のレンズ３１１の像側の焦点面に位置しているとも表現できる。第１のカラーフィルター３１３は、図示しない支持部材及び波長選択部材を備える。支持部材は、開口を有する。波長選択部材は、支持部材の開口に設けられている。波長選択部材の中心は、ｚ軸上に位置している。波長選択部材は、特定の波長スペクトルの光線を透過させる性質を有する。なお、透過は、通過と表現されてもよい。波長選択部材は、例えばカラーフィルターである。

なお、波長選択部材は、可視光域の何れの波長の光線も透過させる透明な部材と、可視光域の何れの波長の光線も透過させない黒色の部材とを含み得る。透明な部材は、白色光（可視光）を透過させるとも表現できる。なお、透明な部材は、設けられていなくてもよい。

ここで、第１のカラーフィルター３１３の構成について、より詳細に説明をする。図５は、本実施形態に係る第１のカラーフィルター３１３の開口のｘ－ｙ断面の一例を示す模式図である。図５に示すように、第１のカラーフィルター３１３の開口及び波長選択部材の外形は、例えば円形であるが、多角形であってもよい。第１のカラーフィルター３１３の波長選択部材は、複数の波長選択領域を有する。本実施形態では、複数の波長選択領域が、例えば、同軸の同心円状に設けられている場合を例として説明をする。また、波長選択領域を規定する各々の同心円の半径を、外側から順にｒ０、ｒ１、ｒ２と記載する。図５に示すように、第１のカラーフィルター３１３の波長選択領域は、外側から順に、第１の領域Ａ１と、第２の領域Ａ２と、第３の領域Ａ３との、３つの領域に同心円状に分割されている。

第１の領域Ａ１は、半径ｒ１から半径ｒ０の領域である。第１の領域Ａ１には、緑色の光線を透過させる緑色透過フィルターが設けられている。緑色透過フィルターは、第３の波長選択フィルターの一例である。つまり、第１のカラーフィルター３１３の第１の領域Ａ１は、緑色の光線を透過させる領域である。図面において、斜め破線のハッチングが付されている領域は、緑色の光線を透過させる領域である。

第２の領域Ａ２は、半径ｒ２から半径ｒ１の領域である。第２の領域Ａ２には、赤色の光線を透過させる赤色透過フィルターが設けられている。赤色透過フィルターは、第２の波長選択フィルターの一例である。つまり、第１のカラーフィルター３１３の第２の領域Ａ２は、赤色の光線を透過させる領域である。図面において、格子状のハッチングが付されている領域は、赤色の光線を透過させる領域である。

第３の領域Ａ３は、半径ｒ２以下の領域である。第３の領域Ａ３には、青色の光線を透過させる青色透過フィルターが設けられている。青色透過フィルターは、第１の波長選択フィルターの一例である。つまり、第１のカラーフィルター３１３の第３の領域Ａ３は、青色の光線を透過させる領域である。図面において、ドットのハッチングが付されている領域は、青色の光線を透過させる領域である。

このように、第１の波長選択フィルター、第２の波長選択フィルター及び第３の波長選択フィルターは、第１のカラーフィルター３１３として、一体に構成されている。このとき、各波長選択フィルターは、第１のレンズ３１１の光軸に対して回転対称に配置されている。また、第１の波長選択フィルターは、主光線が第１のレンズ３１１の像側焦点を通る光線の光線経路上に配置されている。ここで、青色の光線は、例えば、波長スペクトルのピーク波長が４５０ｎｍであるものとする。青色を示す光線の波長は、第１の波長の一例である。また、赤色の光線は、例えば、波長スペクトルのピーク波長が６５０ｎｍであるものとする。赤色を示す光線の波長は、第２の波長の一例である。また、緑色の光線は、例えば、波長スペクトルのピーク波長が５３０ｎｍであるものとする。緑色を示す光線の波長は、第３の波長の一例である。

なお、本実施形態に係る光学系３０は、テレセントリック光学系４０及び非テレセントリック光学系５０を備えると表現できる。テレセントリック光学系４０は、第１の光学系の一例である。非テレセントリック光学系５０は、第２の光学系の一例である。テレセントリック光学系４０は、第１のレンズ３１１と、第１のカラーフィルター３１３とを含む。テレセントリック光学系４０は、青色の光線に対してテレセントリック性を有する光学系である。テレセントリック光学系４０は、物体側テレセントリック光学系である。物体側テレセントリック光学系では、入射瞳は無限遠の位置にあり、物体空間で光軸と主光線とが平行である。物体側テレセントリック光学系は、被写体側テレセントリック光学系と表現されてもよい。非テレセントリック光学系５０は、第１のレンズ３１１と、第１のカラーフィルター３１３とを含む。非テレセントリック光学系５０は、青色の光線を通過させる光学系である。非テレセントリック光学系５０は、青色の光線に対してテレセントリック性を有していない光学系である。つまり、テレセントリック光学系４０及び非テレセントリック光学系５０は、少なくとも１つのレンズを共有すると表現できる。このとき、共有されているレンズは、例えば第１のレンズ３１１であり、テレセントリック光学系４０の光軸上に配置されている。また、図２に示すように、テレセントリック光学系４０の光軸と、非テレセントリック光学系５０の光軸とは同軸である。

なお、非テレセントリック光学系は、エントセントリック光学系、拡大光学系、縮小光学系等のテレセントリック性を有していない光学系である。

撮像素子６０は、第１のレンズ３１１の像側焦点より＋ｚ側に配置されている。撮像素子６０の撮像面６１と第１のレンズ３１１の像側主点との間の光路長Ｌは、光路長Ｌ１である。撮像素子６０の撮像面６１は、第１のレンズ３１１の結像面に位置している。つまり、撮像素子６０の撮像面６１は、第１のカラーフィルター３１３より－ｚ側に配置されている。撮像素子６０は、例えば、Charge-Coupled Device（ＣＣＤ）である。撮像素子６０は、例えば単板式のカラーＣＣＤであるが、３板式のカラーＣＣＤであってもよい。撮像素子６０は、撮像面６１に入射した光線について、ピクセル毎の受光強度を出力する。つまり、撮像素子６０は、撮像面６１に入射した光線の受光位置と受光強度とを出力する。撮像素子６０は、ＣＣＤに限らず、Complementary Metal-Oxide Semiconductor（ＣＭＯＳ）等の撮像センサであってもよいし、受光素子であってもよい。撮像素子６０は、テレセントリック光学系４０を通過した光線と、前記非テレセントリック光学系５０を通過した光線とに基づいて、物体を撮像可能であると表現できる。なお、撮像素子６０は、物点Ｏから射出された光線のうち、テレセントリック光学系４０を通過した光線と、非テレセントリック光学系５０を通過した光線とを撮像可能であるとも表現できる。また、撮像素子６０は、物点Ｏから射出された光線のうち、テレセントリック光学系４０を通過した光線と、非テレセントリック光学系５０を通過した光線とを同軸で撮像するように構成されているとも表現できる。

処理回路７０は、例えば、Central Processing Unit（ＣＰＵ）、Application Specific Integrated Circuit（ＡＳＩＣ）等の集積回路である。処理回路７０として、汎用のコンピュータが用いられてもよい。処理回路７０は、専用回路として設けられている場合に限らず、コンピュータで実行されるプログラムとして設けられていてもよい。この場合、プログラムは、集積回路内の記憶領域、メモリ８０等に記録されている。処理回路７０は、撮像素子６０及びメモリ８０に接続されている。処理回路７０は、撮像素子６０の出力に基づいて、被検物に係る情報を算出する。被検物に係る情報は、物体に係る情報の一例である。処理回路７０は、色抽出部７１及び散乱角算出部７２としての機能を有する。色抽出部７１は、撮像素子６０の出力に基づいて、撮像面に到達した光線のＲＧＢ毎の強度を取得する。色抽出部７１は、撮像素子６０が出力した画像データをカラー分離して色毎の画像データを生成する。色抽出部７１は、生成部の一例である。散乱角算出部７２は、色毎の画像データに基づいて物点Ｏを含む被検物に係る情報を算出する。具体的には、散乱角算出部７２は、色毎の画像データに基づいて撮像された光線の色を特定する。散乱角算出部７２は、撮像された光線の色、すなわち撮像面６１に到達した光線のＲＧＢ毎の強度に基づいて、被検物の物点Ｏにおける環境光の散乱角を算出する。散乱角算出部７２は、算出部の一例である。被検物の物点Ｏにおける散乱角は、被検物に係る情報の一例である。

なお、処理回路７０は、光学検査装置１０の外部にあってもよい。この場合、撮像素子６０の出力は、光学検査装置１０の外部へ出力されたり、メモリ８０へ記録されたりすればよい。つまり、被検物に係る情報の算出は、光学検査装置１０の内部で行われてもよいし、外部で行われてもよい。

メモリ８０は、撮像素子６０又は処理回路７０の出力を記憶する。メモリ８０には、第１のレンズ３１１の焦点距離ｆ１、第１のレンズ３１１と撮像面６１との間の距離及び第１のカラーフィルター３１３の複数の波長選択領域の配置等が記録されている。なお、メモリ８０に、光線のＲＧＢ毎の強度と、散乱角との関係が予め記録されていてもよい。メモリ８０は、例えばフラッシュメモリのような不揮発性メモリであるが、揮発性メモリをさらに有していてもよい。

ディスプレイ９０は、処理回路７０の出力を表示する。処理回路７０の出力は、例えば、撮像素子６０の出力した画像データに基づく画像、操作用画面等を含む。ディスプレイ９０は、例えば液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイである。なお、ディスプレイ９０は設けられていなくてもよい。この場合、処理回路７０の出力は、メモリ８０に記録されたり、光学検査システム１の外部に設けられたディスプレイに表示されたり、光学検査システム１の外部に設けられたメモリに記録されたりすればよい。

次に、本実施形態に係る光学検査システム１の動作について、図面を参照して詳細に説明する。以下の説明において、被検物上の任意の物点Ｏから射出された光線は、被検物上の任意の物点Ｏにおいて散乱された環境光である。なお、環境光は、白色光であるとする。

まず、任意の物点Ｏから射出されて第１のレンズ３１１へ入射した光線について説明する。図２には、第１のレンズ３１１へ入射したとき、主光線が光軸に平行である光線Ｂと、主光線が光軸に対してθｒの傾きを有する光線Ｒと、主光線が光軸に対してθｇの傾きを有する光線Ｇが光線の一例として示されている。なお、図２において、光線Ｒ及び光線Ｇは、主光線のみ示されている。図面において、青色の光線として撮像される光線Ｂは破線で示されており、赤色の光線として撮像される光線Ｒは一点鎖線で示されており、緑色の光線として撮像される光線Ｇは二点鎖線で示されている。

光線Ｂは、第１のレンズ３１１を通過した後、第１のカラーフィルター３１３の第３の領域Ａ３へ入射する光線である。ここで、第１のカラーフィルター３１３の開口面は、第１のレンズ３１１の像側焦点面に配置されている。また、第３の領域Ａ３は、第１のカラーフィルター３１３の開口面の中心に設けられている。第１のカラーフィルター３１３の第３の領域Ａ３へ入射した光線Ｂのうち、青色の光線Ｂは、第１のカラーフィルター３１３を通過できる。第１のカラーフィルター３１３を出射した青色の光線Ｂは、撮像面６１へ入射する。このように、任意の物点Ｏから射出されて第１のレンズ３１１へ入射した光線のうち、第１のレンズ３１１の光軸と平行な光線Ｂは、青色の光線Ｂとして、撮像面６１へ到達する。

光線Ｒは、第１のレンズ３１１を通過した後、第１のカラーフィルター３１３の第２の領域Ａ２へ入射する光線である。ここで、第２の領域Ａ２は、第１のカラーフィルター３１３の第３の領域Ａ３より外側であって、第３の領域Ａ３と同軸の同心円状の領域である。第１のカラーフィルター３１３の第２の領域Ａ２へ入射した光線Ｒのうち、赤色の光線Ｒは、第１のカラーフィルター３１３を通過できる。第１のカラーフィルター３１３を出射した赤色の光線Ｒは、撮像面６１へ入射する。このように、任意の物点Ｏから射出されて第１のレンズ３１１へ入射した光線のうち、第１のレンズ３１１の光軸に対してθｒの傾きを有する光線Ｒは、赤色の光線Ｒとして、撮像面６１へ到達する。

光線Ｇは、第１のレンズ３１１を通過した後、第１のカラーフィルター３１３の第１の領域Ａ１へ入射する光線である。ここで、第１の領域Ａ１は、第１のカラーフィルター３１３の第２の領域Ａ２よりさらに外側であって、第３の領域Ａ３及び第２の領域Ａ２と同軸の同心円状の領域である。第１のカラーフィルター３１３の第１の領域Ａ１へ入射した光線Ｇのうち、緑色の光線Ｇは、第１のカラーフィルター３１３を通過できる。第１のカラーフィルター３１３を出射した緑色の光線Ｇは、撮像面６１へ入射する。このように、任意の物点Ｏから射出されて第１のレンズ３１１へ入射した光線のうち、第１のレンズ３１１の光軸に対してθｇの傾きを有する光線Ｇは、緑色の光線Ｇとして、撮像面６１へ到達する。ここで、θｇは、θｒより大きい。

このように、本実施形態に係る光学装置２０では、任意の物点Ｏから射出された光線は、第１のレンズ３１１へ入射したときの光軸との成す角に応じた色の光線として撮像される。つまり、本実施形態に係る光学装置２０では、任意の物点Ｏから射出された光線は、光線と光軸との成す角が小さい順に、青色、赤色、緑色の光線として色分離される。ここで、光線と光軸との成す角をθとすると、０≦θ＜θｒのとき、任意の物点Ｏから射出された光線は、青色の光線として色分離される。θｒ≦θ＜θｇのとき、任意の物点Ｏから射出された光線は、赤色の光線として色分離される。θｇ≦θのとき、任意の物点Ｏから射出された光線は、緑色の光線として色分離される。

また、本実施形態に係る光学装置２０では、任意の物点Ｏから射出された光線のうち、第１のレンズ３１１へ入射したとき、主光線が光軸に平行である光線Ｂは、青色の光線として分離されている。つまり、本実施形態に係る光学装置２０は、青色の光線について、テレセントリック性を有するテレセントリック光学系であると表現できる。一方で、本実施形態に係る光学装置２０は、赤色の光線Ｒ及び緑色の光線Ｇについて、テレセントリック性を有していない非テレセントリック光学系であると表現できる。

ここで、処理回路７０の動作について図面を参照して説明する。図６は、本実施形態に係る算出処理の一例を示すフローチャートである。本実施形態に係る処理回路７０は、算出処理において、撮像素子６０の出力に基づいて、被検物に係る情報を算出する。

ステップＳ１１において、色抽出部７１としての処理回路７０は、撮像素子６０の出力に基づいて、任意の物点Ｏから出射して撮像面６１へ入射した光線のＲＧＢ毎の強度を取得する。これにより、画像データはカラー分離される。

ステップＳ１２において、色抽出部７１としての処理回路７０は、任意の物点Ｏから出射して撮像面６１へ入射した光線の色を特定する。

ステップＳ１３において、散乱角算出部７２としての処理回路７０は、特定された光線の色に基づいて、物点Ｏにおける環境光の散乱角を算出する。ここで、本実施形態に係る光学装置２０において、第１のカラーフィルター３１３の複数の波長選択領域は、同心円状に配置されている。つまり、本実施形態に係る光学装置２０において、第１のカラーフィルター３１３の波長選択領域は、第１のレンズ３１１の光軸まわりに回転対称である。このため、任意の物点Ｏにおける散乱角に応じて光線は色分離される。散乱角算出部７２としての処理回路７０は、特定された光線の色が青色であるとき、物点Ｏにおける散乱角は、０≦θ＜θｒであると算出する。散乱角算出部７２としての処理回路７０は、特定された光線の色が赤色であるとき、物点Ｏにおける散乱角は、θｒ≦θ＜θｇであると算出する。散乱角算出部７２としての処理回路７０は、特定された光線の色が緑色であるとき、物点Ｏにおける散乱角は、θｇ≦θであると算出する。

このように、本実施形態に係る光学検査装置１０では、撮像された光線の色に基づいて、物点Ｏにおける散乱角が判別可能である。つまり、物点Ｏにおける散乱角を色によって判別できるという効果がある。

なお、本実施形態では、物点Ｏで散乱された環境光に基づいて、物点Ｏを含む被検物に係る情報が算出される場合を例として説明したが、これに限らない。例えば、光学検査装置１０は、光源をさらに備えていてもよい。この場合、光源と第１のレンズ３１１との間に、光源から発せられた光線を屈折又は散乱させることができる媒質が存在したか否かに係る情報、当該媒質による屈折又は散乱の程度に係る情報を取得することができる。例えば、光学検査装置１０は、光源の代わりに、透過性のドットパターン等を備え、物点Ｏが、被検面の何れの位置であるかを特定できるように構成されていてもよい。当該特定は、ピクセルマッチング、エッジ検出等の画像処理によって実現可能である。

以上説明したように、本実施形態に係る技術によれば、被検物の表面の散乱特性又は３次元空間内の屈折率分布を高精度に測定することができる。

（第２の実施形態）
以下、本実施形態に係る光学検査システム１について、図面を参照して詳細に説明する。ここでは、第１の実施形態との相違点について主に説明し、同一の部分については同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態において、赤色の光線の波長は、第１の波長の一例である。また、青色の光線の波長は、第２の波長の一例である。

まず、本実施形態に係る光学検査システム１の構成について説明をする。

図７は、本実施形態に係る処理回路７０の構成の一例を示すブロック図である。処理回路７０は、色抽出部７１、像面位置取得部７３及び物点位置算出部７４としての機能を有する。色抽出部７１は、撮像素子６０の出力に基づいて、撮像面に到達した光線のＲＧＢ毎の強度を取得する。色抽出部７１は、生成部の一例である。色抽出部７１は、撮像素子６０が出力した画像データをカラー分離して色毎の画像データを生成する。像面位置取得部７３及び物点位置算出部７４は、算出部の一例である。算出部は、色毎の画像データに基づいて物点Ｏを含む被検物に係る情報を算出する。具体的には、像面位置取得部７３は、色抽出部７１の出力に基づいて、撮像面６１におけるＲＧＢ毎の光線の入射位置を取得する。像面位置取得部７３は、色毎の画像データの各々における物点Ｏから射出された光線の撮像位置を特定する。物点位置算出部７４は、撮像面６１における光線の撮像位置に基づいて、被検物の物点Ｏの３次元位置を算出する。つまり、物点位置算出部７４は、複数の撮像位置に基づいて被検物に係る情報として物点Ｏの３次元位置を算出する。被検物の物点Ｏの３次元位置は、被検物に係る情報の一例である。物点Ｏの３次元位置は、被検物である物体上の点の３次元位置と表現されてもよい。

図８は、本実施形態に係る光学装置２０の構成の一例を示すｘ－ｚ断面図である。なお、図８には、物点Ｏから射出された光線の主光線の光線経路の一例が模式的に示されている。図８に示すように、本実施形態に係る光学系３０は、第１のレンズ３２１、第２のカラーフィルター３２５及び第１のカラーフィルター３２３を備える。

なお、本実施形態では、ｚ軸は、第１のレンズ３２１の光軸である。＋ｚ方向は、第１のレンズ３２１から撮像素子６０の撮像面６１へ向かう方向である。ｘ軸及びｙ軸は、互いに直交し、また、ｚ軸と直交する。－ｘ方向は、例えば重力方向である。ここで、例えば、図８に示す光学装置２０のｘ－ｚ断面図では、＋ｚ方向は、左から右へ向かう方向であり、－ｘ方向は、上から下へ向かう方向であり、＋ｙ方向は、紙面に垂直に奥から手前へ向かう方向である。

第１のレンズ３２１は、被検物上の物点Ｏから射出された光線を、撮像素子６０の撮像面６１上の像点に結像させる。第１のレンズ３２１は、共有されているレンズの一例である。第１のレンズ３２１の像側焦点距離ｆは、焦点距離ｆ２である。第１のレンズ３２１は、第１の実施形態に係る第１のレンズ３１１に対応する。第１のレンズ３２１の像側主点と撮像面６１の間の光路長Ｌは、光路長Ｌ２である。ただし、第１のレンズ３２１は、第１のレンズ３１１と同様のレンズであってもよいし、異なるレンズであっていてもよい。

図８に示すように、第２のカラーフィルター３２５は、第１のレンズ３２１に隣接して配置されている。第２のカラーフィルター３２５は、第１のレンズ３２１の＋ｚ側に配置されている。図９は、本実施形態に係る第２のカラーフィルター３２５の開口のｘ－ｙ断面の一例を示す模式図である。図９に示すように、第２のカラーフィルター３２５の開口に設けられた波長選択部材は、第１の領域Ａ１及び第２の領域Ａ２の２つの同心円状の波長選択領域を有する。

第１の領域Ａ１は、半径ｒ１から半径ｒ０の領域である。第１の領域Ａ１には、赤色の光線を透過させる赤色透過フィルターが設けられている。第２のカラーフィルター３２５の有する赤色透過フィルターは、第４の波長選択フィルターの一例である。つまり、第２のカラーフィルター３２５の第１の領域Ａ１は、赤色の光線を透過させる領域である。

第２の領域Ａ２は、半径ｒ１以下の領域である。第２の領域Ａ２には、青色の光線を透過させる青色透過フィルターが設けられている。第２のカラーフィルター３２５の有する青色透過フィルターは、第５の波長選択フィルターの一例である。つまり、第２のカラーフィルター３２５の第２の領域Ａ２は、青色の光線を透過させる領域である。第２の領域Ａ２は、第１のレンズ３２１の光軸上に配置されている。

なお、第２のカラーフィルター３２５は、第１のレンズ３２１の－ｚ側に配置されていてもよい。

図８に示すように第１のカラーフィルター３２３は、第１のレンズ３２１の像側焦点に配置されている。つまり、第１のカラーフィルター３２３は、第１のレンズ３２１の＋ｚ側に焦点距離ｆ２だけ離れた位置に配置されている。第１のカラーフィルター３２３は、第２のカラーフィルター３２５の＋ｚ側に焦点距離ｆ２だけ離れた位置に配置されていると表現されてもよい。第１のカラーフィルター３２３の開口は、第１のレンズ３２１の像側の焦点面に位置しているとも表現できる。第１のカラーフィルター３２３は、第１の実施形態に係る第１のカラーフィルター３１３に対応する位置に配置されている。

図１０は、本実施形態に係る第１のカラーフィルター３２３の開口のｘ－ｙ断面の一例を示す模式図である。図１０に示すように、第１のカラーフィルター３２３の開口に設けられた波長選択部材は、第１の領域Ａ１及び第２の領域Ａ２の２つの同心円状の波長選択領域を有する。

第１の領域Ａ１は、半径ｒ１から半径ｒ０の領域である。第１の領域Ａ１には、青色の光線を透過させる青色透過フィルターが設けられている。第１のカラーフィルター３２３の有する青色透過フィルターは、第２の波長選択フィルターの一例である。つまり、第１のカラーフィルター３２３の第１の領域Ａ１は、青色の光線を透過させる領域である。

第２の領域Ａ２は、半径ｒ１以下の領域である。第２の領域Ａ２には、赤色の光線を透過させる赤色透過フィルターが設けられている。第１のカラーフィルター３２３の有する赤色透過フィルターは、第１の波長選択フィルターの一例である。つまり、第１のカラーフィルター３２３の第２の領域Ａ２は、赤色の光線を透過させる領域である。第２の領域Ａ２は、第１のレンズ３２１の光軸上に配置されている。

このように、第１の波長選択フィルター及び第２の波長選択フィルターは、第１のカラーフィルター３２３として、一体に構成されている。このとき、各波長選択フィルターは、第１のレンズ３２１の光軸に対して回転対称に配置されている。また、第１の波長選択フィルターは、主光線が第１のレンズ３２１の像側焦点を通る光線の光線経路上に配置されている。

次に、本実施形態に係る光学検査システム１の動作について説明をする。

被検面上の任意の物点Ｏから光線Ｂ及び光線Ｒを含む光線が射出される。これらの光線は、物点Ｏにおいて反射又は散乱された環境光等の光線である。任意の物点Ｏから射出された光線のうち、第１のレンズ３２１を介して第２のカラーフィルター３２５及び第１のカラーフィルター３２３を通過した光線は、撮像素子６０の撮像面６１へ入射する。

まず、第１のレンズ３２１へ入射したとき、第１のレンズ３２１の光軸に対して平行であった光線について考える。これらの光線は、第１のレンズ３２１の像側焦点に配置されている第１のカラーフィルター３２３の第２の領域Ａ２へ入射する。図８に示すように、これらの光線のうち、第１のレンズ３２１を介して第２のカラーフィルター３２５の第１の領域Ａ１を透過した赤色の光線Ｒは、第１のカラーフィルター３２３の第２の領域Ａ２を透過できる。一方で、第１のレンズ３２１を介して第２のカラーフィルター３２５の第２の領域Ａ２を透過した青色の光線は、赤色の成分がないため、第１のカラーフィルター３２３の第２の領域Ａ２を透過できない。

次に、第１のレンズ３２１へ入射したとき、第１のレンズ３２１の光軸に対して平行ではなかった光線について考える。これらの光線は、第１のレンズ３２１の像側焦点に配置されている第１のカラーフィルター３２３の第１の領域Ａ１又は第１のカラーフィルター３２３の第１の領域Ａ１より外側の領域へ入射する。つまり、これらの光線は、第１のカラーフィルター３２３の第２の領域Ａ２へ入射しない。これらの光線のうち、第１のレンズ３２１を介して第２のカラーフィルター３２５の第１の領域Ａ１を透過した赤色の光線は、青色の成分がないため、第１のカラーフィルター３２３の第１の領域Ａ１を透過できない。一方で、図８に示すように、第１のレンズ３２１を介して第２のカラーフィルター３２５の第２の領域Ａ２を透過した青色の光線Ｂは、第１のカラーフィルター３２３の第１の領域Ａ１を透過できる。

このように、本実施形態に係る光学系３０は、赤色の光線について、物体側にテレセントリック性を有するテレセントリック光学系である。一方で、本実施形態に係る光学系３０は、青色の光線について、物体側にテレセントリック性を有していない非テレセントリック光学系である。本実施形態に係る光学系３０において、テレセントリック光学系の光軸と非テレセントリック光学系の光軸とは一致している。

撮像素子６０は、任意の物点Ｏから射出された光線のうち、テレセントリック光学系としての光学系３０を通過した赤色の光線Ｒと、非テレセントリック光学系としての光学系３０を通過した青色の光線Ｂとを同時に撮像する。撮像素子６０は、撮像して得られた撮像データを処理回路７０へ出力する。非テレセントリック光学系は、通常レンズ光学系と表現されてもよい。

ここで、処理回路７０の動作について説明する。本実施形態に係る処理回路７０は、撮像素子６０の出力に基づいて、被検物の３次元形状を算出する。計測処理では、物点Ｏの３次元位置を算出する算出処理が実行される。算出処理は、以下の色抽出処理、像面位置取得処理及び物点位置算出処理を含む。図１１は、本実施形態に係る算出処理の一例を示すフローチャートである。

ステップＳ２１において、処理回路７０は色抽出処理を実行する。色抽出部７１としての処理回路７０は、撮像データを色分離して、色毎の画像データを抽出する。なお、画像データと記載しているが、画像として表示可能なデータに限らず、撮像素子６０の各色のピクセル毎の光線強度が抽出されていればよい。

ステップＳ２２において、処理回路７０は像面位置取得処理を実行する。像面位置取得部７３としての処理回路７０は、各色の画像データに基づいて、色毎に光線の撮像位置を特定する。なお、光線が撮像された撮像位置は、光線の撮像面６１への入射位置とも表現できる。像面位置取得部７３としての処理回路７０は、例えば画像データにエッジ強調等の画像処理を施し、物点Ｏと対応する撮像位置を特定する。このとき、例えば検出されたエッジの形状に対して、ピクセルマッチング等の画像処理が行われ得る。

なお、物点Ｏとして点光源が用いられている場合には、例えば、画像データにおいて輝度値が高い位置を撮像位置として特定すればよい。また、物点Ｏとして、例えば透過型のドットパターン等が用いられている場合には、例えば、上述のエッジ検出、ピクセルマッチング等の画像処理が行われればよい。

ステップＳ２３において、処理回路７０は、物点位置算出処理を実行する。物点位置算出部７４としての処理回路７０は、撮像面６１における各色の光線の撮像位置に基づいて、被検物の物点Ｏの３次元位置を算出する。

ここで、物点位置算出処理について、より具体的に説明する。

３次元空間における物点Ｏの位置を示す座標を（ｘ、ｙ、ｚ）とする。物点Ｏから射出されてテレセントリック光学系としての光学系３０を通過した赤色の光線Ｒの撮像面６１への入射位置を示す座標を（ｐ、ｑ）とする。また、物点Ｏから射出されて非テレセントリック光学系としての光学系３０を通過した青色の光線Ｂの撮像面６１への入射位置を示す座標を（Ｐ、Ｑ）とする。なお、撮像面６１への入射位置は、光線の撮像位置である。

第２のカラーフィルター３２５の中心領域の半径を半径ｒ０とする。つまり、半径ｒ０は、第２のカラーフィルター３２５の第２の領域Ａ２の半径ｒ１である。ここで、第２のカラーフィルター３２５の第２の領域Ａ２は、青色の光線Ｂが透過する領域である。また、第１のカラーフィルター３２３の中心領域の半径を半径ｒ１とする。つまり、半径ｒ１は、第１のカラーフィルター３２３の第２の領域Ａ２の半径ｒ１である。ここで、第１のカラーフィルター３２３の第２の領域Ａ２は、赤色の光線Ｒが透過する領域である。

このとき、幾何光学により、非テレセントリック光学系としての光学系３０を通過した青色の光線Ｂの撮像位置は、

となる。ただし、式（１）の右辺の第２項は、第２のカラーフィルター３２５の第２の領域Ａ２の端部を通過する周辺光線（marginal ray）を意味する。

一方、幾何光学により、テレセントリック光学系としての光学系３０を通過した赤色の光線Ｒの撮像位置は、

となる。ただし、式（２）の右辺の第２項は、第１のカラーフィルター３２３の第２の領域Ａ２の端部を通過する周辺光線である。

式（１）及び式（２）より、物点Ｏの３次元空間における位置は、各光線の撮像位置を用いて、

と表すことができる。

本実施形態に係る処理回路７０は、式（３）を用いて、撮像データより物点Ｏの３次元位置を算出することができる。また、像面位置取得処理において、被検物上の複数の物点Ｏに対応した複数の撮像位置が色毎に取得される。このため、本実施形態に係る処理回路７０は、撮像データより被検物の３次元形状を算出できるという効果を有する。

ここで、本実施形態に係る光学検査システム１に係る実測評価について説明する。図１２は、本実施形態に係る実測評価における物点Ｏについて説明するための図である。実測評価では、図１２に示す絞り３０１が、図８における物点Ｏを含むｘ－ｙ平面に配置された。絞り３０１には、開口３０１ａが設けられている。実測評価では、絞り３０１の開口３０１ａを通過した光線が撮像された。つまり、本実測評価における物点Ｏは、開口３０１ａの内部の任意の位置である。図１２に示すように、開口３０１ａは、光軸を中心とした円環状の領域である。また、図面において実線の斜線のハッチングが付されている領域は、可視光を透過させない領域である。なお、本実施形態では、開口３０１ａが用いられた実測評価について説明しているが、リング状の照明が用いられても同様の効果が得られ得る。リング状の照明は、例えば円環状に配列された複数の発光ダイオード（Light Emitting diode：ＬＥＤ）である。

図１３Ａは、第１のレンズ３２１から－ｚ側に１６０ｍｍ離れた位置に絞り３０１が配置されて行われた実測評価で撮像素子６０により取得された画像である。図１３Ｂは、第１のレンズ３２１から－ｚ側に２１０ｍｍ離れた位置に絞り３０１が配置されて行われた実測評価で撮像素子６０により取得された画像である。図１３Ｃは、第１のレンズ３２１から－ｚ側に２２５ｍｍ離れた位置に絞り３０１が配置されて行われた実測評価で撮像素子６０により取得された画像である。なお、図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１３Ｃにおいて、実線の斜線のハッチングが付されている領域は、光学系３０を通過した光線が撮像されなかった領域である。また、ドットのハッチングが付されている円環状の領域は、青色の光線が撮像された領域である。また、格子状のハッチングが付されている円環状の領域は、赤色の光線が撮像された領域である。

図１４は、本実施形態に係る実測評価の結果を示すグラフである。図１４に示すグラフにおいて、横軸は実測評価が行われたときの第１のレンズ３２１及び絞り３０１の間の実際の距離を示し、縦軸は本実施形態に係る算出処理により画像データに基づいて算出された第１のレンズ３２１及び絞り３０１の間の距離である。プロット６１０、プロット６２０及びプロット６３０は、それぞれ図１３Ａ、図１３Ｂ及び図１３Ｃの画像から得られた距離である。図１４に示すように、絞り３０１の実際の距離と、画像データに基づいて算出された距離とが略同一の値となることが分かる。

このように、本実施形態に係る光学検査システム１によれば、物点Ｏの３次元位置を高精度に測定することができる。なお、物点Ｏの３次元位置は、被検物に係る情報の一例である。つまり、本実施形態に係る技術によれば、被検物の３次元表面形状を高精度に測定することができる。

（第３の実施形態）
以下、本実施形態に係る光学検査システム１について、図面を参照して詳細に説明する。ここでは、第２の実施形態との相違点について主に説明し、同一の部分については同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態において、赤色の光線の波長は、第１の波長の一例である。また、青色の光線の波長は、第２の波長の一例である。

まず、本実施形態に係る光学検査システム１の構成について説明をする。

図１５は、本実施形態に係る光学装置２０の構成の一例を示すｘ－ｚ断面図である。なお、図１５には、物点Ｏから射出された光線の主光線の光線経路の一例が模式的に示されている。図１５に示すように、本実施形態に係る光学系３０は、第１のレンズ３３１、第２のカラーフィルター３３５及び第１のカラーフィルター３３３を備える。

なお、本実施形態では、ｚ軸は、第１のレンズ３３１の光軸である。＋ｚ方向は、第１のレンズ３３１から撮像素子６０の撮像面６１へ向かう方向である。ｘ軸及びｙ軸は、互いに直交し、また、ｚ軸と直交する。－ｘ方向は、例えば重力方向である。ここで、例えば、図８に示す光学装置２０のｘ－ｚ断面図では、＋ｚ方向は、左から右へ向かう方向であり、－ｘ方向は、上から下へ向かう方向であり、＋ｙ方向は、紙面に垂直に奥から手前へ向かう方向である。

第１のレンズ３３１は、被検物上の物点Ｏから射出された光線を、撮像素子６０の撮像面６１上の像点に結像させる。第１のレンズ３３１は、共有されているレンズの一例である。また、第１のレンズ３３１は、一対のレンズの一例である。第１のレンズ３３１の像側焦点距離ｆは、焦点距離ｆ３である。第１のレンズ３３１は、物体側レンズ及び像側レンズを有する。物体側レンズ及び像側レンズは同一の光軸を有する。物体側レンズ及び像側レンズは、第１のレンズ３３１の光軸方向に対称である。第１のレンズ３３１の物体側レンズは、第２の実施形態に係る第１のレンズ３２１に対応する。第１のレンズ３３１の像側主点と撮像面６１の間の光路長Ｌは、光路長Ｌ３である。

第２のカラーフィルター３３５は、第２の実施形態に係る第２のカラーフィルター３２５に対応する。つまり、第２のカラーフィルター３３５の有する赤色透過フィルターは、第４の波長選択フィルターの一例である。また、第２のカラーフィルター３３５の有する青色透過フィルターは、第５の波長選択フィルターの一例である。図１５に示すように、第２のカラーフィルター３３５は、第１のレンズ３３１の物体側レンズ及び像側レンズの間に配置されている。

第１のカラーフィルター３３３は、第２の実施形態に係る第１のカラーフィルター３２３に対応する。つまり、第１のカラーフィルター３３３の有する赤色透過フィルターは、第１の波長選択フィルターの一例である。また、第１のカラーフィルター３３３の有する青色透過フィルターは、第２の波長選択フィルターの一例である。図１５に示すように第１のカラーフィルター３３３は、第１のレンズ３３１の像側焦点に配置されている。つまり、第１のカラーフィルター３３３は、第１のレンズ３３１の＋ｚ側に焦点距離ｆ３だけ離れた位置に配置されている。第１のカラーフィルター３３３は、第２のカラーフィルター３３５の＋ｚ側に焦点距離ｆ３だけ離れた位置に配置されていると表現されてもよい。第１のカラーフィルター３３３の開口は、第１のレンズ３３１の像側の焦点面に位置しているとも表現できる。

このように、本実施形態に係る光学装置２０は、第２の実施形態に係る光学装置２０に、第１のレンズ３３１の像側レンズが追加されたものであるとも表現できる。

本実施形態に係る光学検査システム１の動作は、第２の実施形態に係る光学検査システム１の動作と同様である。

この構成によれば、第２のカラーフィルター３３５の中心と、第１のレンズ３３１の中心とをｚ軸方向において一致させることができる。このため、本実施形態に係る光学検査システム１によれば、第２の実施形態に係る光学検査システム１で得られる効果に加えて、光線Ｂの計測精度を向上できるといった効果が得られる。

（第４の実施形態）
以下、本実施形態に係る光学検査システム１について、図面を参照して詳細に説明する。ここでは、第１の実施形態との相違点について主に説明し、同一の部分については同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態において、赤色の光線の波長は、第１の波長の一例である。また、青色の光線の波長は、第２の波長の一例である。

まず、本実施形態に係る光学検査システム１の構成について説明をする。

図１６は、本実施形態に係る光学装置２０の構成の一例を示すｘ－ｚ断面図である。なお、図１６には、物点Ｏから射出された光線の主光線の光線経路の一例が模式的に示されている。図１６に示すように、本実施形態に係る光学系３０は、物体側ハーフミラー３４６ａ、物体側ミラー３４７ａ、第１のレンズ３４１ａ、第１の波長選択フィルター３４４ａ、開口絞り３４４ｃ、像側ミラー３４７ｂ、像側ハーフミラー３４６ｂ、第２のレンズ３４１ｂ及び第２の波長選択フィルター３４４ｂを備える。

なお、本実施形態では、ｚ軸は、第２のレンズ３４１ｂの光軸である。＋ｚ方向は、第２のレンズ３４１ｂから撮像素子６０の撮像面６１へ向かう方向である。ｘ軸及びｙ軸は、互いに直交し、また、ｚ軸と直交する。－ｘ方向は、例えば重力方向である。ここで、例えば、図８に示す光学装置２０のｘ－ｚ断面図では、＋ｚ方向は、左から右へ向かう方向であり、－ｘ方向は、上から下へ向かう方向であり、＋ｙ方向は、紙面に垂直に奥から手前へ向かう方向である。

なお、本実施形態に係る光学系３０は、テレセントリック光学系及び非テレセントリック光学系を有する。テレセントリック光学系は、物体側ハーフミラー３４６ａ、物体側ミラー３４７ａ、第１のレンズ３４１ａ、第１の波長選択フィルター３４４ａ、開口絞り３４４ｃ、像側ミラー３４７ｂ及び像側ハーフミラー３４６ｂを含む。非テレセントリック光学系は、物体側ハーフミラー３４６ａ、第２のレンズ３４１ｂ、第２の波長選択フィルター３４４ｂ及び像側ハーフミラー３４６ｂを含む。

図１６に示すように、テレセントリック光学系では、物体側から順に、物体側ハーフミラー３４６ａ、物体側ミラー３４７ａ、第１のレンズ３４１ａ、第１の波長選択フィルター３４４ａ、開口絞り３４４ｃ、像側ミラー３４７ｂ及び像側ハーフミラー３４６ｂが配置されている。一方、非テレセントリック光学系では、物体側から順に、物体側ハーフミラー３４６ａ、第２のレンズ３４１ｂ、第２の波長選択フィルター３４４ｂ及び像側ハーフミラー３４６ｂが配置されている。

第１のレンズ３４１ａ及び第２のレンズ３４１ｂは、それぞれ、物点Ｏから射出された光線を、撮像素子６０の撮像面６１上の像点に結像させる。第１のレンズ３４１ａの像側焦点距離ｆは、焦点距離ｆ４である。第１のレンズ３４１ａ及び第２のレンズ３４１ｂは、被検面上の任意の物点Ｏから光路長ａの位置に配置されている。第２のレンズ３４１ｂは、撮像面６１上の任意の像点から光路長ｂの位置に配置されている。光路長ａの逆数と、光路長ｂの逆数との和は、焦点距離ｆ４の逆数に等しい。第１のレンズ３４１ａ及び第２のレンズ３４１ｂは、第１の実施形態に係る第１のレンズ３１１に対応する。第１のレンズ３４１ａの像側主点と撮像面６１の間の光路長Ｌは、光路長Ｌ４である。

図１６に示すように、物体側ハーフミラー３４６ａ及び像側ハーフミラー３４６ｂは、第２のレンズ３４１ｂの光軸上に配置されている。図１６に示すように、本実施形態に係る物体側ハーフミラー３４６ａは、物点Ｏから射出された光線を第２のレンズ３４１ｂへ向かう方向と、物体側ミラー３４７ａへ向かう方向とに分割する。図１６に示すように、本実施形態に係る像側ハーフミラー３４６ｂは、像側ミラー３４７ｂから入射した光線と、第２の波長選択フィルター３４４ｂを通過した光線とを結合して、撮像面６１へ向かう方向に出射する。

図１６に示すように、物体側ミラー３４７ａ及び像側ミラー３４７ｂは、第１のレンズ３４１ａの光軸上に配置されている。物体側ミラー３４７ａは、物体側ハーフミラー３４６ａから入射した光線を反射させ、第１のレンズ３４１ａへ入射させる。像側ミラー３４７ｂは、開口絞り３４４ｃを透過した光線を反射させ、像側ハーフミラー３４６ｂへ入射させる。

図１６に示すように、第１の波長選択フィルター３４４ａは、第１のレンズ３４１ａに隣接して配置されている。図１７は、本実施形態に係る第１の波長選択フィルター３４４ａの開口のｘ－ｙ断面の一例を示す模式図である。図１７に示すように、第１の波長選択フィルター３４４ａの開口に設けられた波長選択部材は、１つの波長選択領域、すなわち第１の領域Ａ１を有する。第１の領域Ａ１は、半径ｒ０以下の領域であり、赤色の光線を透過させる赤色透過フィルターが設けられた領域である。第１の領域Ａ１は、第１のレンズ３４１ａの光軸上に配置されている。

なお、第１の波長選択フィルター３４４ａは、第１のレンズ３４１ａを含む物体側ハーフミラー３４６ａ及び像側ハーフミラー３４６ｂの間であれば、何れの位置に配置されていてもよい。

図１６に示すように、開口絞り３４４ｃは、第１のレンズ３４１ａの像側焦点に配置されている。つまり、開口絞り３４４ｃは、第１のレンズ３４１ａの＋ｚ側に焦点距離ｆ４だけ離れた位置に配置されている。開口絞り３４４ｃの開口は、第１のレンズ３４１ａの像側の焦点面に位置しているとも表現できる。図１８は、本実施形態に係る開口絞り３４４ｃの開口のｘ－ｙ断面の一例を示す模式図である。図１８に示すように、開口絞り３４４ｃの開口に設けられた波長選択部材は、第１の領域Ａ１及び第２の領域Ａ２の２つの同心円状の波長選択領域を有する。第１の領域Ａ１は、半径ｒ１から半径ｒ０の領域である。第１の領域Ａ１は、可視光域の何れの波長の光線も透過させない。すなわち、第１の領域Ａ１を構成する波長選択部材の色は、黒色とすればよい。第２の領域Ａ２は、半径ｒ１以下の領域である。第２の領域Ａ２は、可視光域の何れの波長の光線も透過させる。すなわち、第２の領域Ａ２を構成する波長選択部材の色は、透明とすればよい。なお、第２の領域Ａ２には、波長選択部材が設けられていなくてもよい。

図１６に示すように、第２の波長選択フィルター３４４ｂは、第２のレンズ３４１ｂに隣接して配置されている。図１９は、本実施形態に係る第２の波長選択フィルター３４４ｂの開口のｘ－ｙ断面の一例を示す模式図である。図１９に示すように、第２の波長選択フィルター３４４ｂの開口に設けられた波長選択部材は、１つの波長選択領域、すなわち第１の領域Ａ１を有する。第１の領域Ａ１は、半径ｒ０以下の領域であり、青色の光線を透過させる青色透過フィルターが設けられた領域である。第１の領域Ａ１は、第２のレンズ３４１ｂの光軸上に配置されている。

なお、本実施形態に係る第１の波長選択フィルター３４４ａ、開口絞り３４４ｃ及び第２の波長選択フィルター３４４ｂは、第１の実施形態に係る第１のカラーフィルター３１３、第２の実施形態に係る第１のカラーフィルター３２３又は第３の実施形態に係る第１のカラーフィルター３３３に対応する。

このように、本実施形態に係る光学系３０において、第１のレンズ３４１ａの光軸であるテレセントリック光学系４０の光軸と、第２のレンズ３４１ｂの光軸である非テレセントリック光学系５０の光軸とは同軸ではない。

次に、本実施形態に係る光学検査システム１の動作について説明をする。

被検面上の任意の物点Ｏから光線Ｂ及び光線Ｒを含む光線が射出される。これらの光線は、物点Ｏにおいて反射又は散乱された環境光等の光線である。任意の物点Ｏから射出された光線の一部は、物体側ハーフミラー３４６ａ及び物体側ミラー３４７ａを介して第１のレンズ３４１ａへ入射し、別の一部は、物体側ハーフミラー３４６ａを介して第２のレンズ３４１ｂへ入射する。

第１のレンズ３４１ａを通過した光線のうち、赤色の光線Ｒは、第１の波長選択フィルター３４４ａを通過できる。第１の波長選択フィルター３４４ａを通過した光線のうち、第１のレンズ３４１ａへ入射したときに第１のレンズ３４１ａの光軸に対して平行であった赤色の光線Ｒは、第１のレンズ３４１ａの像側焦点に配置されている開口絞り３４４ｃの第２の領域Ａ２を通過できる。一方で、第１のレンズ３４１ａへ入射したときに第１のレンズ３４１ａの光軸に対して平行ではなかった光線は、開口絞り３４４ｃを通過できない。開口絞り３４４ｃを通過した赤色の光線Ｒは、像側ミラー３４７ｂを介して、像側ハーフミラー３４６ｂへ入射する。

第２のレンズ３４１ｂを通過した光線のうち、青色の光線Ｂは、第２の波長選択フィルター３４４ｂを通過できる。第２の波長選択フィルター３４４ｂを通過した青色の光線Ｂは、像側ハーフミラー３４６ｂへ入射する。

像側ハーフミラー３４６ｂにおいて、テレセントリック光学系を通過した赤色の光線Ｒの光軸と、非テレセントリック光学系を通過した青色の光線Ｂの光軸とは一致する。

本実施形態に係る撮像素子６０及び処理回路７０の動作は、第２の実施形態及び第３の実施形態に係る撮像素子６０及び処理回路７０の動作とそれぞれ同様である。

このように、本実施形態に係る光学系３０において、物点Ｏから射出された光線のうち、テレセントリック光学系を通過した光線は、赤色の光線Ｒとして撮像される。一方で、物点Ｏから射出された光線のうち、非テレセントリック光学系を通過した光線は、青色の光線Ｂとして撮像される。つまり、本実施形態に係る光学系３０は、赤色の光線に対してテレセントリック性を有する。また、本実施形態に係る光学検査装置１０では、同一の物点Ｏから射出された光線が、通過した光学系に応じて異なる色の光線として撮像される。

本実施形態に係る光学検査システム１によれば、第２の実施形態に係る光学検査システム１で得られる効果に加えて、以下のような効果が得られる。本実施形態に係る光学検査システム１において、テレセントリック光学系４０及び非テレセントリック光学系５０とは同軸上にないため、各々を独立して調整することができる。また、光線経路の折り畳みにより、光学装置２０の設計の自由度を向上させることができる。なお、物体側ミラー３４７ａ及び像側ミラー３４７ｂは、非テレセントリック光学系５０に含まれていてもよい。

なお、本実施形態に係る光学検査システム１には、第３の実施形態に係る技術が適用可能である。このとき、上述の効果に加えて、第３の実施形態で得られる効果がさらに得られる。

なお、第１の波長選択フィルター３４４ａ及び開口絞り３４４ｃは、一体に構成されていてもよい。図２０は、本実施形態の変形例に係る第１の波長選択フィルター３４４ｄの開口のｘ－ｙ断面の一例を示す模式図である。変形例に係る第１の波長選択フィルター３４４ｄは、一体に構成された第１の波長選択フィルター３４４ａ及び開口絞り３４４ｃである。変形例に係る第１の波長選択フィルター３４４ｄは、開口絞り３４４ｃと同様に、第１のレンズ３４１ａの像側焦点に配置されていればよい。図２０に示すように、変形例に係る第１の波長選択フィルター３４４ｄの開口に設けられた波長選択部材は、第１の領域Ａ１及び第２の領域Ａ２の２つの同心円状の波長選択領域を有する。第１の領域Ａ１は、半径ｒ１から半径ｒ０の領域である。第１の領域Ａ１は、可視光域の何れの波長の光線も透過させない。すなわち、第１の領域Ａ１を構成する波長選択部材の色は、黒色である。第２の領域Ａ２は、半径ｒ１以下の領域である。第２の領域Ａ２は、赤色の光線を透過させる赤色透過フィルターが設けられた領域である。なお、第２の領域Ａ２は、第２のレンズ３４１ｂの光軸上に配置されている。つまり、変形例に係る第１の波長選択フィルター３４４ｄは、開口絞り３４４ｃの開口面に配置されており、第１の波長選択フィルター３４４ａ及び開口絞り３４４ｃは一体に構成されていると表現できる。この構成によれば、上述と同様の効果に加え、部品点数及び波長選択部材の使用量の低減、光学系３０の小型化及び低コスト化が図れるといった効果を得られる。

なお、第１のレンズ３４１ａ及び第２のレンズ３４１ｂは、一体に構成されていてもよい。この場合、本実施形態に係る光学系３０において、テレセントリック光学系４０及び非テレセントリック光学系５０は、少なくとも１つのレンズを共有していると表現できる。つまり、一体に構成された第１のレンズ３４１ａ及び第２のレンズ３４１ｂは、共有されているレンズの一例である。一体に構成された第１のレンズ３４１ａ及び第２のレンズ３４１ｂは、物点Ｏ及び物体側ハーフミラー３４６ａの間に配置されていればよい。開口絞り３４４ｃは、物体側ハーフミラー３４６ａ及び物体側ミラー３４７ａを介して、一体に構成された第１のレンズ３４１ａ及び第２のレンズ３４１ｂの像側焦点に配置されていればよい。この構成によれば、上述と同様の効果に加え、部品点数の低減、光学系３０の小型化及び低コスト化が図れるといった効果を得られる。

なお、第１の波長選択フィルター３４４ａ及び開口絞り３４４ｃが一体に構成されるとともに、第１のレンズ３４１ａ及び第２のレンズ３４１ｂが一体に構成されていてもよい。この構成であっても、上述と同様の効果を得ることができる。

（第５の実施形態）
第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態及び第４の実施形態において、物体側にテレセントリック性を有する光学装置２０について説明したが、これに限らない。各々の実施形態に係る光学装置２０は、少なくとも物体側にテレセントリック性を有していればよく、さらに像側にもテレセントリック性を有していてもよい。像側テレセントリック光学系では、出射瞳は無限遠の位置にあり、像空間で光軸と主光線とが平行である。つまり、各実施形態に係る光学系３０は、何れかの波長の光線に対する両側テレセントリック光学系であってもよい。

ここでは、第２の実施形態に係る光学系３０が、さらに像側にテレセントリック性を有する場合を例に説明をする。また、第２の実施形態との相違点について主に説明し、同一の部分については同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態において、赤色の光線の波長は、第１の波長の一例である。また、青色の光線の波長は、第２の波長の一例である。

まず、本実施形態に係る光学検査システム１の構成について説明をする。

図２１は、本実施形態に係る光学装置２０の構成の一例を示すｘ－ｚ断面図である。なお、図２１には、物点Ｏから射出された光線の主光線の光線経路の一例が模式的に示されている。図２１に示すように、本実施形態に係る光学系３０は、第２の実施形態に係る光学系３０と、第３のレンズ３５２とを備える。

第３のレンズ３５２は、第１のカラーフィルター３２３を通過した光線を撮像面６１上に結像させる。第３のレンズ３５２は、例えば第２の実施形態に係る第１のレンズ３２１と同一である。第３のレンズ３５２は、第１のカラーフィルター３２３と撮像面６１との間に配置されている。第３のレンズ３５２の物体側焦点には、第１のカラーフィルター３２３が配置されている。第３のレンズ３５２の物体側焦点距離は、焦点距離ｆ５である。つまり、第３のレンズ３５２は、第１のカラーフィルター３２３から焦点距離ｆ５だけ＋ｚ側に配置されている。第３のレンズ３５２の光軸は、第１のレンズ３２１の光軸と同軸である。

次に、本実施形態に係る光学検査システム１の動作について説明をする。

第１のカラーフィルター３２３の第２の領域Ａ２を通過した赤色の光線Ｒは、第３のレンズ３５２の光軸と平行な光線として第３のレンズ３５２から射出される。一方で、第１のカラーフィルター３２３の第１の領域Ａ１を通過した青色の光線Ｂは、第３のレンズ３５２の光軸と平行ではない光線として第３のレンズ３５２から射出される。

このように、本実施形態に係る光学系３０は、赤色の光線Ｒに対して物体側及び像側にテレセントリック性を有する両側テレセントリック（Double telecentric）光学系である。また、本実施形態に係る光学系３０は、青色の光線Ｂに対して物体側及び像側にテレセントリック性を有していない通常光学系である。この構成によれば、上述の効果に加えて、撮像素子６０の配置等、光学装置２０の設計に係る自由度を向上させることができるといった効果が得られる。

なお、上述の各実施形態に係る半径ｒ２、半径ｒ１及び半径ｒ０の各々は、各実施形態に係る光学系３０の備える各光学素子の大きさ、配置に応じて適宜設定され得る値である。

なお、第２の実施形態、第３の実施形態、第４の実施形態及び第５の実施形態に係る光学検査システム１において、第１の実施形態に係る第１のカラーフィルター３１３と同様に、３つ以上の波長選択領域が設けられていてもよい。この場合、例えば、赤色の光線に対して物体側にテレセントリック性を有する光学系であれば、赤色の光線の撮像位置と、青色の光線の撮像位置又は緑色の光線の撮像位置とに基づいて、物点Ｏの３次元位置を算出できる。この構成であれば、算出処理の精度を向上させることができる。

なお、上述の各実施形態に係る技術は、以下のような光学検査方法を実現可能である。上述の各実施形態に係る光学検査方法は、物点Ｏから射出された光線のうち、光学系３０を通過した光線を撮像して画像データを取得することを含む。光学系３０は、テレセントリック光学系４０及び非テレセントリック光学系５０を含む。テレセントリック光学系４０は、第１の波長の光線に対して物体側にテレセントリック性を有する。非テレセントリック光学系は、第２の波長の光線に対してテレセントリック性を有していない。なお、第１の波長と、第２の波長とは異なる。物点Ｏから射出された光線は、第１の波長及び第２の波長を含むとする。このとき、上述の各実施形態に係る光学検査方法は、物点Ｏから射出された光線のうち、テレセントリック光学系４０を通過した第１の波長の光線と、非テレセントリック光学系５０を通過した第２の波長の光線とを同時に撮像して画像データを取得する。上述の各実施形態に係る光学検査方法は、取得された画像データをカラー分離して色毎の画像データを生成することをさらに含む。上述の各実施形態に係る光学検査方法は、色毎の画像データに基づいて物点Ｏを含む被検物に係る情報を算出することをさらに含む。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許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。

１…光学検査システム、１０…光学検査装置、２０…光学装置、３０…光学系、４０…テレセントリック光学系、５０…非テレセントリック光学系、６０…撮像素子、６１…撮像面、７０…処理回路、７１…色抽出部（生成部）、７２…散乱角算出部（算出部）、７３…像面位置取得部（算出部）、７４…物点位置算出部（算出部）、８０…メモリ、９０…ディスプレイ、３０１…絞り、３１１…第１のレンズ、３１３…第１のカラーフィルター、３２１…第１のレンズ、３２３…第１のカラーフィルター、３２５…第２のカラーフィルター、３３１…第１のレンズ、３３３…第１のカラーフィルター、３３５…第２のカラーフィルター、３４１ａ…第１のレンズ、３４１ｂ…第２のレンズ、３４４ａ…第１の波長選択フィルター、３４４ｂ…第２の波長選択フィルター、３４４ｃ…開口絞り、３４４ｄ…第１の波長選択フィルター、３４６ａ…物体側ハーフミラー、３４６ｂ…像側ハーフミラー、３４７ａ…物体側ミラー、３４７ｂ…像側ミラー、３５２…第３のレンズ。

Claims (11)

1. 第１の波長の光線を通過させる第１の波長選択フィルターを有し、前記第１の波長の光線に対して物体側にテレセントリック性を有している第１の光学系と、
   前記第１の波長とは異なる第２の波長の光線を通過させる第２の波長選択フィルターを有し、前記第１の波長選択フィルターと前記第２の波長選択フィルターとは共通のフィルターに配置されている、第２の光学系と、
   前記物体の物点から前記第１の光学系を通過した前記第１の波長の光線と、前記物点から前記第２の光学系を通過した前記第２の波長の光線とに基づいて、前記物体を撮像可能な撮像素子と、
   前記撮像素子からの画像データをカラー分離して色毎の画像データを生成し、前記色毎の画像データに基づいて、前記物点における少なくとも前記第１の波長の光線と前記第２の波長の光線との各々の散乱角を算出する処理回路と、
   を具備する光学検査装置。
2. 前記第１の光学系及び前記第２の光学系は、前記第１の光学系の光軸上に配置され、前記第１の光学系及び前記第２の光学系により共有されている少なくとも１つのレンズを有する、請求項１に記載の光学検査装置。
3. 前記第１の光学系の光軸と、前記第２の光学系の光軸とは同軸である、請求項２に記載の光学検査装置。
4. 前記共通のフィルターは、第１のカラーフィルターである、請求項３に記載の光学検査装置。
5. 前記第１のカラーフィルターは、前記共有されているレンズの焦点面に配置されている、請求項４に記載の光学検査装置。
6. 前記第１のカラーフィルターにおいて、前記第１の波長選択フィルター及び前記第２の波長選択フィルターは、前記共有されているレンズの光軸に対して回転対称に配置されており、
   前記第１の波長選択フィルターは、主光線が前記共有されているレンズの焦点を通る光線の光線経路上に配置されている、
   請求項５に記載の光学検査装置。
7. 前記第２の光学系は、前記第１の波長及び前記第２の波長とは異なる第３の波長の光線を通過させる第３の波長選択フィルターをさらに有し、
   前記第３の波長選択フィルターは、前記第１の波長選択フィルター及び前記第２の波長選択フィルターとともに、前記共有されているレンズの光軸に対して回転対称に前記第１のカラーフィルターに配置されており、
   前記撮像素子は、前記第２の光学系を通過した前記第３の波長の光線をさらに同軸で撮像可能である、
   請求項６に記載の光学検査装置。
8. 前記第１の光学系は、さらに像側にテレセントリック性を有する、請求項１乃至７のうち何れか１項に記載の光学検査装置。
9. 前記第１の波長選択フィルターと前記第２の波長選択フィルターとは、前記共通のフィルターに回転対称に配置されている、請求項１に記載の光学検査装置。
10. 物体の物点から第１の光学系を通過した第１の波長の光線と、前記物点から第２の光学系を通過し前記第１の波長とは異なる第２の波長の光線とを同時に撮像して画像データを取得し、
    前記画像データをカラー分離して色毎の画像データを生成し、
    前記色毎の画像データに基づいて、前記物点における少なくとも前記第１の波長の光線と前記第２の波長の光線との各々の散乱角を算出する、
    光学検査方法であって、
    前記第１の光学系は、前記第１の波長の光線を通過させる第１の波長選択フィルターを有し、前記第１の波長の光線に対して前記物体側にテレセントリック性を有し、
    前記第２の光学系は、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光線を通過させる第２の波長選択フィルターを有し、前記第１の波長選択フィルターと前記第２の波長選択フィルターとは共通のフィルターに配置されている、
    光学検査方法。
11. コンピュータに、
    物体の物点から第１の光学系を通過した第１の波長の光線と、前記物点から第２の光学系を通過し前記第１の波長とは異なる第２の波長の光線とを同時に撮像して画像データを取得させる機能と、
    前記画像データをカラー分離して色毎の画像データを生成させる機能と、
    前記色毎の画像データに基づいて、前記物点における少なくとも前記第１の波長の光線と前記第２の波長の光線との各々の散乱角を算出させる機能と、
    を実現させる光学検査プログラムであって、
    前記第１の光学系は、前記第１の波長の光線を通過させる第１の波長選択フィルターを有し、前記第１の波長の光線に対して前記物体側にテレセントリック性を有し、
    前記第２の光学系は、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光線を通過させる第２の波長選択フィルターを有し、前記第１の波長選択フィルターと前記第２の波長選択フィルターとは共通のフィルターに配置されている、
    光学検査プログラム。
    
    
    

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