JP2008164324A - 形状情報取得装置、欠陥検出装置、形状情報取得方法および欠陥検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鏡面である対象面上の各位置における傾斜方向および傾斜角を容易かつ精度よく求める。
【解決手段】欠陥検出装置１では、点光源である光源部１１からの光束がビームスプリッタ１４１およびレンズ１４２を介して平行光として対象面９１に照射され、対象面９１からの反射光がピンホール板１５が位置する集光面に集光される。ピンホール板１５のピンホール１５１を透過した光は、レンズ１６を介して平行光とされてイメージセンサ１７へと導かれる。反射光は対象面９１の各位置の傾斜方向および傾斜角に応じた集光面上の位置に集光されるため、取得される画像では傾斜方向および傾斜角が同じ領域が明るくなる。したがって、ピンホール板１５をＸＹ移動機構２１により移動しつつイメージセンサ１７にて画像の取得を繰り返すことにより、対象面９１上の各位置の傾斜方向および傾斜角を求めることができる情報を容易かつ精度よく取得することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、鏡面である対象面の形状に関する情報、特に、対象面の各位置の傾きを取得する技術に関する。

従来より、鏡面の対象面の広い領域に光を照射し、反射光を観察することにより対象面上の傷や突起等の欠陥を検出する技術が提案されている。このような手法は、非接触で大面積を一括して高速に検査することができ、自動検査や目視検査に用いられている。

例えば、特許文献１では、光ディスクの表面の傷を検出する装置が開示されており、この装置ではディスク表面に平行光を照射して反射光をカメラにて観察することにより、微小な欠陥が検出される。また、特許文献２の表面検査装置では、傾いた状態で設置された検査対象物の傾斜角を計測し、計測結果に基づいて点光源の位置を移動することにより、検査対象物表面への平行光の入射角を調整した上で反射光を観察し、検査対象物表面の凹凸状態が正確かつ安定して検査される。特許文献３では、凸形状の被検面からの反射光を観察することにより、被検面に存在する微小な凹凸や傷を検出する技術が提案されている。

なお、例えば、特許文献４に開示されているように、照明光学系および観察光学系にピンホールを配置した光学系として、試料表面のうち焦点が合った領域からの光のみを観察光学系のピンホールを通過させることにより、この領域のみを観察可能とする共焦点光学系が従来より知られている。共焦点光学系では、２つのピンホールは試料表面と共役な位置に配置される。
特開２０００−２６６６８３号公報 特開平１１−２９５２１２号公報 特開平９−１７８４５２号公報 特開２００６−２５１６７８号公報

ところで、特許文献１ないし３では欠陥は暗部として観察されるが、欠陥の形状に関する情報、例えば、どのような凸状の欠陥であるかという情報を取得することはできない。また、光を利用する検査の場合、浅い傷や緩やかな凹凸を目視検査で正確に検出することは困難となる。

そこで、本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、検査を精度よく行うために、鏡面である対象面の形状に関する情報、特に、対象面上の各位置における傾斜方向および傾斜角を求めることができる情報を容易に取得することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、鏡面である対象面の形状に関する情報を取得する形状情報取得装置であって、点光源から導かれる光束を前記点光源に対して非共役な位置に配置された前記対象面上に照射する第１光学系と、前記対象面からの反射光を、前記対象面を介して前記点光源と共役な位置において光軸に垂直な集光面上に集光する第２光学系と、前記集光面上の点状の透光領域のみにおいて光を透過する光束制限部と、前記透光領域の位置を前記集光面内にて変更する透光位置変更部と、前記集光面を経由した後の前記反射光の強度分布を示す画像を取得するイメージセンサと、前記透光領域の位置を変更しつつ前記イメージセンサによる画像の取得を繰り返す制御部とを備える。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の形状情報取得装置であって、前記イメージセンサにて取得される複数の画像から前記イメージセンサの各受光素子に関して取得された画素値の最大値および画素値が最大となるときの前記透光領域の位置を求める演算部をさらに備える。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の形状情報取得装置であって、前記光束制限部および前記透光位置変更部が、２次元の空間光変調器である。

請求項４に記載の発明は、鏡面である対象面の形状に関する情報を取得する形状情報取得装置であって、点光源から導かれる光束を前記点光源に対して非共役な位置に配置された前記対象面上に照射する第１光学系と、前記対象面からの反射光を、前記対象面を介して前記点光源と共役な位置において光軸に垂直な集光面上に集光する第２光学系と、前記集光面上の点状の遮光領域のみにおいて光を遮蔽する光束制限部と、前記遮光領域の位置を前記集光面内にて変更する遮光位置変更部と、前記集光面を経由した後の前記反射光の強度分布を示す画像を取得するイメージセンサと、前記遮光領域の位置を変更しつつ前記イメージセンサによる画像の取得を繰り返す制御部とを備える。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の形状情報取得装置であって、前記イメージセンサにて取得される複数の画像から前記イメージセンサの各受光素子に関して取得された画素値の最小値および画素値が最小となるときの前記遮光領域の位置を求める演算部をさらに備える。

請求項６に記載の発明は、請求項４または５に記載の形状情報取得装置であって、前記光束制限部および前記遮光位置変更部が、２次元の空間光変調器である。

請求項７に記載の発明は、鏡面である対象面の形状に関する情報を取得する形状情報取得装置であって、点光源から導かれる光束を前記点光源に対して非共役な位置に配置された前記対象面上に照射する第１光学系と、前記点光源の位置を前記対象面に向かう光軸に垂直な面内にて変更する光源位置変更部と、前記対象面からの反射光を、前記対象面を介して前記点光源と共役な位置において光軸に垂直な集光面上に集光する第２光学系と、前記集光面上の点状の透光領域のみにおいて光を透過する光束制限部と、前記集光面を経由した後の前記反射光の強度分布を示す画像を取得するイメージセンサと、前記点光源の位置を変更しつつ前記イメージセンサによる画像の取得を繰り返す制御部とを備える。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の形状情報取得装置であって、前記イメージセンサにて取得される複数の画像から前記イメージセンサの各受光素子に関して画素値の最大値および画素値が最大となるときの前記点光源の位置を求める演算部をさらに備える。

請求項９に記載の発明は、鏡面である対象面の形状に関する情報を取得する形状情報取得装置であって、点光源から導かれる光束を前記点光源に対して非共役な位置に配置された前記対象面上に照射する第１光学系と、前記点光源の位置を前記対象面に向かう光軸に垂直な面内にて変更する光源位置変更部と、前記対象面からの反射光を、前記対象面を介して前記点光源と共役な位置において光軸に垂直な集光面上に集光する第２光学系と、前記集光面上の点状の遮光領域のみにおいて光を遮蔽する光束制限部と、前記集光面を経由した後の前記反射光の強度分布を示す画像を取得するイメージセンサと、前記点光源の位置を変更しつつ前記イメージセンサによる画像の取得を繰り返す制御部とを備える。

請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の形状情報取得装置であって、前記イメージセンサにて取得される複数の画像から前記イメージセンサの各受光素子に関して画素値の最小値および画素値が最小となるときの前記点光源の位置を求める演算部をさらに備える。

請求項１１に記載の発明は、請求項２、５、８または１０に記載の形状情報取得装置であって、各受光素子に対応して画素値を記憶するメモリをさらに備え、前記演算部が、前記イメージセンサが画像を取得する毎に前記各受光素子に対応して記憶されている画素値を更新するか否かを判断する。

請求項１２に記載の発明は、請求項２、５、８、１０または１１に記載の形状情報取得装置であって、前記対象面が平面または球面であり、前記演算部が、前記複数の画像に基づいて、前記対象面において周囲に対して凸状または凹状となる欠陥を検出する。

請求項１３に記載の発明は、鏡面かつ平面または球面である対象面において周囲に対して凸状または凹状となる欠陥を検出する欠陥検出装置であって、点光源から導かれる光束を前記点光源に対して非共役な位置に配置された前記対象面上に照射する第１光学系と、前記対象面からの反射光を、前記対象面を介して前記点光源と共役な位置において光軸に垂直な集光位置に集光する第２光学系と、前記集光位置に配置された点状の遮光領域のみにおいて光を遮蔽する光束制限部と、前記遮光領域の周囲を通過した光の強度分布を示す画像を取得するイメージセンサとを備える。

請求項１４に記載の発明は、鏡面である対象面の形状に関する情報を取得する形状情報取得方法であって、ａ）点光源から導かれる光束を前記点光源に対して非共役な位置に配置された前記対象面上に照射する工程と、ｂ）前記対象面からの反射光を、前記対象面を介して前記点光源と共役な位置において光軸に垂直な集光面上に集光するとともに前記集光面上の点状の透光領域のみにおいて光を透過させ、前記集光面を経由した後の前記反射光の強度分布を示す画像を取得する工程と、ｃ）前記透光領域の位置を前記集光面内にて変更しつつ前記ｂ）工程を繰り返す工程とを備える。

請求項１５に記載の発明は、鏡面である対象面の形状に関する情報を取得する形状情報取得方法であって、ａ）点光源から導かれる光束を前記点光源に対して非共役な位置に配置された前記対象面上に照射する工程と、ｂ）前記対象面からの反射光を、前記対象面を介して前記点光源と共役な位置において光軸に垂直な集光面上に集光するとともに前記集光面上の点状の遮光領域のみにおいて光を遮蔽し、前記集光面を経由した後の前記反射光の強度分布を示す画像を取得する工程と、ｃ）前記遮光領域の位置を前記集光面内にて変更しつつ前記ｂ）工程を繰り返す工程とを備える。

請求項１６に記載の発明は、鏡面である対象面の形状に関する情報を取得する形状情報取得方法であって、ａ）点光源から導かれる光束を前記点光源に対して非共役な位置に配置された前記対象面上に照射する工程と、ｂ）前記対象面からの反射光を、前記対象面を介して前記点光源と共役な位置において光軸に垂直な集光面上に集光するとともに前記集光面上の点状の透光領域のみにおいて光を透過させ、前記集光面を経由した後の前記反射光の強度分布を示す画像を取得する工程と、ｃ）前記点光源の位置を前記対象面に向かう光軸に垂直な面内にて変更しつつ前記ｂ）工程を繰り返す工程とを備える。

請求項１７に記載の発明は、鏡面である対象面の形状に関する情報を取得する形状情報取得方法であって、ａ）点光源から導かれる光束を前記点光源に対して非共役な位置に配置された前記対象面上に照射する工程と、ｂ）前記対象面からの反射光を、前記対象面を介して前記点光源と共役な位置において光軸に垂直な集光面上に集光するとともに前記集光面上の点状の遮光領域のみにおいて光を遮蔽し、前記集光面を経由した後の前記反射光の強度分布を示す画像を取得する工程と、ｃ）前記点光源の位置を前記対象面に向かう光軸に垂直な面内にて変更しつつ前記ｂ）工程を繰り返す工程とを備える。

請求項１８に記載の発明は、鏡面かつ平面または球面である対象面において周囲に対して凸状または凹状となる欠陥を検出する欠陥検出方法であって、ａ）点光源から導かれる光束を前記点光源に対して非共役な位置に配置された前記対象面上に照射する工程と、ｂ）前記対象面からの反射光を、前記対象面を介して前記点光源と共役な位置において光軸に垂直な集光位置に集光するとともに前記集光位置に配置された点状の遮光領域において光を遮蔽し、前記遮光領域の周囲を通過した光の強度分布を示す画像を取得する工程とを備える。

本発明によれば、対象面上の各位置における傾斜方向および傾斜角を導くことができる情報を容易に取得することができる。請求項３および６の発明では、装置の構造を簡素化することができる。請求項１１の発明では、少ないメモリ容量で必要な情報を求めることができる。請求項１３および１８の発明では、暗い背景に欠陥が明るく現れる画像を取得することができ、容易に欠陥を検出することができる。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る欠陥検出装置１を示す図である。欠陥検出装置１は対象物９の鏡面かつ平面である対象面９１に光束を照射することにより、対象面９１において周囲に対して凹状または凸状となる欠陥を検出する装置である。

欠陥検出装置１は光源部１１、光源部１１から出射された光束を下方へと反射するビームスプリッタ１４１、ビームスプリッタ１４１と対象物９との間に配置されたレンズ１４２、ビームスプリッタ１４１の上方に配置されたピンホール板１５、ピンホール板１５の上方に配置されたレンズ１６、並びに、レンズ１６の上方に配置された２次元のイメージセンサ１７を備える。さらに、欠陥検出装置１は、対象物９が載置される載置部６、ピンホール板１５を水平方向（Ｘ方向およびＹ方向）に移動するＸＹ移動機構２１、ＸＹ移動機構２１およびイメージセンサ１７を制御する制御部２２、並びに、イメージセンサ１７からの出力を演算処理する演算部２３を備える。

光源部１１は、光源１１１、レンズ１２およびピンホール板１３を備え、光源１１１から出射された光がレンズ１２により光軸Ｊ１に沿ってピンホール板１３のピンホール１３１上に集光される。そして、ピンホール１３１を透過した光がビームスプリッタ１４１へと導かれる。このように、光源部１１はピンホール１３１から光を出射する点光源となっている。

ピンホール板１３のピンホール１３１とレンズ１４２との間の光路長はレンズ１４２の焦点距離ｆ１と等しく、ビームスプリッタ１４１にて下方へと反射された光はレンズ１４２により平行光となって観察する領域全体に照射される。対象面９１は平らな鏡面であり、レンズ１４２から導かれる平行光に対して垂直（すなわち、レンズ１４２等のＺ方向を向く光軸Ｊ２に対して垂直）に配置され、対象面９１にて反射された平行光は再びレンズ１４２に入射し、集光されつつビームスプリッタ１４１を透過してピンホール板１５へと導かれる。このとき、対象面９１とレンズ１４２との間の距離およびレンズ１４２とピンホール板１５との間の距離はレンズ１４２の焦点距離ｆ１とされ、対象面１９からの反射光はピンホール板１５上に集光される。

欠陥検出装置１では、ビームスプリッタ１４１およびレンズ１４２は、点光源から導かれる光束を対象面９１上の観察する領域全体に照射する第１の光学系であるとともに、対象面９１からの反射光を集光する第２の光学系でもある。また、ピンホール１５１は対象面９１を介して点光源と共役な位置に配置される。ピンホール１５１とレンズ１６との間の距離は、レンズ１６の焦点距離ｆ２に等しく、ピンホール１５１を透過した光はレンズ１６により光軸Ｊ２に平行な平行光とされてイメージセンサ１７へと導かれる。なお、レンズ１６とイメージセンサ１７の受光面との間の距離もレンズ１６の焦点距離ｆ２に等しく設定されている。

図２は、欠陥検出装置１において仮に対象面９１の法線が光軸Ｊ２に対して傾斜するように対象物９が配置された場合の光の様子を示す図である。

対象面９１が光軸Ｊ２に垂直な平面に対して図２に示すように反時計回りに角度θだけ傾斜している場合（すなわち、対象面９１の法線と光軸Ｊ２とのなす角度がθの場合）、対象面９１に入射する平行光は光軸Ｊ２と角度２θをなす方向に向かって反射されてレンズ１４２に再び入射する。ここで、対象面９１（の中央）とレンズ１４２との間の距離、および、レンズ１４２とピンホール板１５との間の距離はそれぞれレンズ１４２の焦点距離ｆ１に等しいことから、レンズ１４２を通過した光はピンホール板１５上において光軸Ｊ２から数１にて示す距離Ｈだけ（−Ｘ）方向に離れた位置に集光される。

そして、図２に示すように、ＸＹ移動機構２１によりピンホール１５１が距離Ｈだけ（−Ｘ）方向に移動されると、傾斜した対象面９１上で反射する光がピンホール板１５で遮光されることなくイメージセンサ１７へと導かれることとなる。また、ピンホール１５１が図２に示す位置に存在しない場合は、イメージセンサ１７には光が導かれない。

図３は光源部１１から対象面９１に照射される平行光のうち一点９１１に入射する光８の様子を示す図である。もちろん、実際には対象面９１上の各位置に光８と同様に光が入射する。光８は入射方向の範囲の半角φ、すなわち、点９１１に向かって入射する光８が形成する点９１１を頂点とする円錐の中心軸と母線とのなす角度が０°以上３°以下とされる。この半角φは光源部１１の発光領域であるピンホール１３１の大きさ（すなわち、点光源の大きさ）に依存し、例えば、図１に示すように、ピンホール１３１の直径をＤ、レンズ１４２の焦点距離をｆ１とすると、これらの値は数２に示す関係を満たす。

したがって、半角φを０°以上（事実上０°を超える。）３°以下とするためには、発光領域であるピンホール１３１の直径Ｄは数３を満たす必要がある。

図４は対象物９が対象面９１上に凸状の欠陥９２１を有している場合の欠陥検出装置１における光の様子を示す図である。なお、欠陥９２１は略円錐状で頂部に僅かに平らな領域を有するものとする。

欠陥９２１の表面である傾斜面に入射する光は傾斜角に応じた角度で反射される（正確には、光軸Ｊ２と反射光とのなす角度は、傾斜面の法線と光軸Ｊ２とのなす角度の２倍となる。）。図２にて説明したように、傾斜面にて反射された光は、傾斜面の法線と光軸Ｊ２とのなす角度をθとして光軸Ｊ２から数１にて示す距離Ｈだけ離れた位置に集光される。ここで、欠陥９２１の全体では傾斜面は様々な方向に傾いているため、傾斜面全体からの反射光は様々な傾斜方向および傾斜角に対応する位置に集光される。なお、以下の説明では、傾斜面の法線と光軸Ｊ１とのなす角度を「傾斜角」と呼び、傾斜面の法線をＸＹ平面に投影した場合の方向を「傾斜方向」と呼び、傾斜面の法線が向く方向、すなわち、「傾斜方向」および「傾斜角」の双方を示す傾斜面の法線ベクトルを「傾斜ベクトル」と呼ぶ。

図４に示すように、ピンホール１５１が光軸Ｊ２上に位置する場合、傾斜面からの反射光はピンホール板１５にて遮光されるため、イメージセンサ１７にて受光されない。一方、対象面９１のうち傾斜面を除く平滑かつ水平な面（以下、「水平面」という。）９２２に入射する平行光は光軸Ｊ２上に集光され、ピンホール１５１を通ってイメージセンサ１７にて受光される。正確には、欠陥９２１の平らな頂部からの光も若干ピンホール１５１に入射する。

図５は、図４に示すピンホール１５１の配置において、欠陥９２１を有する対象面９１に対してイメージセンサ１７が取得する画像７１を示す図である。傾斜面に対応する領域７１１は既述のようにピンホール板１５による遮光により、平行斜線を付すように暗部となっており、水平面９２２に対応する領域７１２（すなわち、領域７１１の周囲の領域）および欠陥９２１の頂部に対応する領域７１１の中央は明部となる。

図６は、ピンホール１５１が図４の符号８１を付す位置に存在する場合に、イメージセンサ１７が取得する画像７２を示す図であり、破線７２３にて欠陥９２１の輪郭に対応する線を示している。図６の場合、水平面９２２からの反射光は光軸Ｊ２上に集光されるため、ピンホール板１５にて遮光される。さらに、傾斜面のうち図４の左側の部分、すなわち、法線が（−Ｘ）側へと傾く部分からの反射光のみがピンホール１５１を透過し、他の反射光は光軸Ｊ２の周囲の他の位置に集光されるため、傾斜面からの反射光のうち大部分がピンホール板１５にて遮光される。

したがって、画像７２では、水平面９２２および傾斜面の大部分に対応する広い領域７２１が暗部となり、傾斜面の左側の部分に対応する僅かな領域７２２のみが明部となる。図５および図６に示すように、対象面９１の各位置における傾きとピンホール板１５上の位置とが１対１に対応し、ピンホール１５１の移動によりイメージセンサ１７に入射する光の強度分布が変化してイメージセンサ１７にて取得される画像の画素値の分布が変化する。

図７は、欠陥検出装置１の動作の流れを示す図である。まず、載置部６に対象物９が載置されると、光源部１１から導かれる光束がビームスプリッタ１４１およびレンズ１４２を介して対象物９へと導かれて対象面９１上に光が照射される（ステップＳ１１）。そして、既述のように図４に示す例の場合、対象面９１の水平面９２２で反射された光は光軸Ｊ２上に集光され、欠陥９２１の傾斜面で反射された光は、傾斜面の法線ベクトルに対応して光軸Ｊ２から離れた位置に集光される。換言すれば、反射光は傾斜面の法線ベクトルに応じて光軸Ｊ２に垂直なピンホール板１５上の各位置に集光される様にしてＸＹ方向に２次元に強度が分布する光としてピンホール板１５へと導かれる。以下の説明では、ピンホール板１５が存在する光軸Ｊ２に垂直な仮想的な面を「集光面」と呼ぶ。

集光面上に集光される反射光のうち、点状の透光領域であるピンホール１５１の位置に導かれるもののみが集光面を透過し、集光面を経由した反射光は図１に示すレンズ１６により平行光に変換されてイメージセンサ１７に入射し、イメージセンサ１７により変換後の反射光の強度分布を示す画像が取得される（ステップＳ１２）。以上のように、ピンホール板１５は、集光面上に集光した光を点状の透光領域のみにおいて光を透過する光束制限部として機能する。

取得される画像では、図５および図６に例示したように、対象面９１のうちピンホール１５１の位置に対応する傾きを有する部分のみが明るく示される。そして、取得された画像のデータ（すなわち、各画素の値）と共に画像取得時の透光領域の位置であるピンホール１５１の位置が図１に示す演算部２３のメモリ２３１に一時的に保存される。

画像が取得されると、演算部２３にてメモリ２３１に記憶されているデータに対して後述の演算処理が行われ（ステップＳ１３〜Ｓ１６）、制御部２２の制御によりＸＹ移動機構２１が集光面上の別位置にピンホール１５１を移動する（ステップＳ１７，Ｓ１８）。すなわち、ＸＹ移動機構２１は点状の透光領域の位置を集光面内にて変更する透光位置変更部として機能する。そして、ピンホール１５１を移動した後にイメージセンサ１７にて撮像が行われることにより（ステップＳ１２）、対象面９１のうち前回とは傾斜ベクトルが異なる部分のみが明るく示される画像が取得される。

その後、さらに次のピンホール１５１の位置が存在するか否か（すなわち、全ての位置にピンホール１５１が位置したか否か）が確認され（ステップＳ１７）、次のピンホール１５１の位置が存在する場合は、制御部２２の制御によりピンホール１５１（透光領域）の位置が集光面内にて変更されてイメージセンサ１７による画像の取得が繰り返され（ステップＳ１８，Ｓ１２）、ステップＳ１２〜１６が繰り返される。

次に、演算部２３による演算処理より演算部２３にて取得されるデータについて説明する。メモリ２３１には画像中の各画素の座標値（イメージセンサ１７の各受光素子の位置に対応し、以下、「画素座標値」という。）に関連づけられた記憶領域が割り当てられており、各記憶領域には画素値（すなわち、各受光素子に対応付けられた画素値）やピンホール１５１の位置に関する情報が記憶される。

演算部２３による処理では、まず、取得された画像中の一の画素（以下、「注目画素」という。）が選択され（ステップＳ１３）、メモリ２３１中の注目画素の画素座標値に対応する記憶領域に保存されている画素値が、注目画素の画素値と比較される。注目画素の画素値が既に記憶されているものより大きい場合、この記憶領域に注目画素の画素値が書き込まれて更新される（ステップＳ１４，Ｓ１５）。また、各画素座標値に対応する記憶領域には画素値が更新された際のピンホール１５１（透光領域）の位置も記憶されており、画素値の更新と共に画像取得時のピンホール１５１の位置を示す座標（以下、「透光領域座標」という。）の値も更新される。透光領域座標の値は画像取得時にＸＹ移動機構２１から取得される。注目画素の画素値が既に記憶されているもの以下の場合、画素値および透光領域座標の値の更新は行われない。

なお、欠陥検出処理の初期化時には各画素座標値に対応する画素値は０とされ（透光領域座標も適当な値が設定され）、最初の画像が取得された際にほとんどの画素座標値において画素値および透光領域座標の値が更新される。

上記処理が完了すると、注目画素が他の画素に変更され（ステップＳ１３）、メモリ２３１内の既存の画素値と注目画素の画素値とが比較され（ステップＳ１４）、画素値および透光領域座標の値の更新が必要に応じて行われる（ステップＳ１５）。そして、注目画素を変更しつつ上記ステップＳ１３〜Ｓ１５が繰り返され、全ての画素に対してステップＳ１３〜Ｓ１５が実行されると１つの画像に対する演算が終了する（ステップＳ１６）。

１つの画像に対する演算が完了すると、既述のようにピンホール１５１の位置の変更および画像の取得が行われ（ステップＳ１８，Ｓ１２）、上記演算が繰り返されて既存の画素値よりも取得された画像の対応する画素値の方が大きい場合にメモリ２３１においてこの画素値および透光領域座標の値が更新される（ステップＳ１３〜Ｓ１６）。イメージセンサ１７が画像を取得する毎に演算部２３が各画素座標値に対応してメモリ２３１に記憶されている画素値を更新するか否かを判断して必要に応じて画素値を更新することにより、イメージセンサ１７にて取得される複数の画像から各画素座標値の画素値の最大値（すなわち、イメージセンサ１７の各受光素子に関して取得された画素値の最大値）および画素値が最大となるときのピンホール１５１（透光領域）の位置が求められ、最終的にメモリ２３１の各画素座標値に対応する記憶領域にこれらが記憶されることとなる。

図８は、各画像座標値に関して取得された画素値の最大値およびその透光領域座標の値のデータを例示する図である。なお、イメージセンサ１７の画素数は６４０×４８０画素であり、ピンホール１５１の移動範囲はＸ方向およびＹ方向のそれぞれに１０分割され、透光領域座標のＸ座標値は０〜９のいずれかの値となり、Ｙ座標値も０〜９のいずれかの値となる。イメージセンサ１７にて取得される画像の数は１００となる。図８において、左側の２列は画素座標値（すなわち、イメージセンサ１７の各受光素子のＸ座標およびＹ座標の値）を示し、中央の列は複数の画像中における各画素座標値における画素値の最大値を示し、右側の２列は、各画素座標値において画素値が最大となる画像が取得された際のピンホール１５１の位置（透光領域座標の値）を示している。

以下の説明では、例えば、画素のＸ座標値１００、Ｙ座標値２００を画素座標（１００，２００）と表現する。また、ピンホール１５１のＸ座標値５、Ｙ座標値５を「透光領域座標（５，５）」と表現し、このとき、ピンホール１５１が光軸Ｊ２上に位置するものとする。

図８に示すように、画素座標（０，０）や（６３９，４７９）のように、イメージセンサ１７の受光素子群の周縁部（画像の周縁部でもある。）では、透光領域座標（５，５）で画素値が最大となる。すなわち、これらの画素座標値に対応する対象面９１上の位置では法線が光軸Ｊ２に平行であり、図５に例示したように、光軸Ｊ２上にピンホール１５１が位置する際にこれらの位置からの光がイメージセンサ１７に入射する。一方、画素座標（３００，２４０）では透光領域座標（２，５）で画素値が最大となり、この画素座標値に対応する対象面９１上の位置では、図４に示すように、法線が光軸Ｊ２に平行なＺ方向から（−Ｘ）方向に傾斜していること（すなわち、傾斜方向）が判る。さらに、図２を参照して説明したように、傾斜面の法線と光軸Ｊ２とのなす傾斜角θと集光位置と光軸Ｊ２との間の距離Ｈとの間には数１にて示す関係があることから、光軸Ｊ２が存在する透光領域座標（５，５）から（２，５）までの距離から傾斜角θが求められる。

以上に説明した手法により、演算部２３では、各画素座標値において最大画素値が取得される透光領域座標の値を参照して、対象面９１上の全ての位置における傾斜ベクトル（傾斜方向および傾斜角）が求められる。また、対象面９１上の各位置の傾きを有する微小領域を順次繋ぐことにより、演算部２３において対象面９１の表面形状が求められ、３次元画像として別途準備された表示部に表示される。これにより、操作者が欠陥の有無および欠陥の状態、例えば、欠陥の大きさ、高さ、凹状または凸状の区別等を容易に判断することが実現される。

以上、欠陥検出装置１の構成および動作について説明してきたが、欠陥検出装置１では、観察系のピンホール板１５をＸＹ方向に移動しつつイメージセンサ１７が反射光の強度分布を示す複数の画像を取得することにより、対象面９１の形状に関する情報、具体的には、対象面９１上の各位置における傾斜方向および傾斜角を求めることができ、図８に示すデータを容易かつ精度よく取得することができる。また、対象物９が傾いて載置部６上に載置されても対象面９１の全体の形状から欠陥を検出することができる。

さらに、演算部２３ではイメージセンサ１７が画像を取得する毎に各画素座標値（または各受光素子）に対応して記憶している画素値および透光領域座標の値の更新の要否を判断することにより、取得した画像のデータを記憶し続ける必要がなく、少ないメモリ容量で必要な情報を求めることができる。また、図３に示すように、対象面９１の各位置に照射される光の入射方向の範囲の半角φが０°以上３°以下（好ましくは半角φが０°以上１°以下）となる点光源が利用されることにより、対象面９１上の一点で反射される光が集光面内において、十分小さい領域に集光されるため、イメージセンサ１７により取得される画像の明暗を明瞭とすることができ、Ｓ／Ｎ比を向上することができる。

なお、欠陥検出装置１では、対象面９１に対して垂直に光束が入射するため、イメージセンサ１７にて取得される画像が歪むことが防止される。

図９は第２の実施の形態に係る欠陥検出装置１ａを示す図である。第２の実施の形態に係る欠陥検出装置１ａは、第１の実施の形態に係る欠陥検出装置１からＸＹ移動機構２１が省かれ、光源部１１のピンホール板１３にＹＺ移動機構２１ａが設けられる点で異なる。他は欠陥検出装置１と同様の構成であり、同符号を付している。すなわち、光源部１１が点光源であり、ビームスプリッタ１４１およびレンズ１４２が点光源から導かれる光束を対象面９１上に平行光として照射する第１の光学系、および、対象面９１からの反射光をピンホール板１５が配置される集光面上に集光する第２の光学系として機能し、ピンホール板１５が集光面上の点状の透光領域であるピンホール１５１のみにおいて光を透過する光束制限部として機能する。以下、対象物９は図４と同様に対象面９１上に凸状の欠陥９２１を有するものとして説明する。

ＹＺ移動機構２１ａはピンホール板１３およびピンホール１３１を光源部１１の光軸Ｊ１に対して垂直な平面（すなわち、ＹＺ平面に平行な面）に沿って移動する。換言すれば、ピンホール板１３およびＹＺ移動機構２１ａは点光源の位置を対象面９１へと向かう光軸Ｊ１に垂直な面内にて変更する光源位置変更部として機能する。

ピンホール１３１は光源１１１からの光がレンズ１２により集光される位置より、僅かにレンズ１２側に配置されており、ピンホール板１３の移動によりピンホール１３１を透過してビームスプリッタ１４１にて反射されてレンズ１４２を通過した平行光が対象面９１に入射する角度が変更される。すなわち、ピンホール１３１が光軸Ｊ１上に位置する際には照明光はレンズ１４２の光軸Ｊ２に平行に対象面９１に入射するが、ピンホール１３１が光軸Ｊ１から離れた場合、対象面９１への入射光は光軸Ｊ２に平行ではなくなる。一方、透光領域であるピンホール１５１の位置は光軸Ｊ２上に固定される。

図９に示すように、ピンホール１３１が光軸Ｊ１上に位置する場合、図１と同様に、対象面９１上の水平面９２２（図４参照）からの反射光は集光面上において光軸Ｊ２上に集光され、レンズ１６を介してイメージセンサ１７へと導かれる。また、欠陥９２１からの反射光は光軸Ｊ２からずれた位置に集光され、イメージセンサ１７へは導かれない。したがって、イメージセンサ１７では図５に示す画像が取得される。

一方、ピンホール１３１が移動して、例えば、入射光が（−Ｚ）方向に向かうとともに（＋Ｘ）方向へと傾斜して対象面９１に入射し、図４に例示する欠陥９２１の左側の傾斜面に入射した光が光軸Ｊ２に平行に反射される場合は、この反射光のみがピンホール１５１を透過してイメージセンサ１７へと導かれる。その結果、図６と同様の画像を取得される。このように、対象面９１の各位置の傾きとこの傾きを有する領域を明部とする画像が得られる点光源の位置とは１対１に対応する。

図１０は、欠陥検出装置１ａの動作の流れの一部を示す図である。欠陥検出装置１ａの動作は第１の実施の形態とほぼ同様であるが、メモリ２３１において画素座標値毎に最大の画素値と共にピンホール１３１の位置（以下、「光源座標の値」という。）が記憶され、１つの画像に対する演算が終了すると、図７のステップＳ１７，Ｓ１８に代えて図１０に示すステップＳ２７，Ｓ２８が実行されてピンホール１３１の位置が変更されるという点で第１の実施の形態と相違する。他の動作は図７と同様である。

より詳細には、欠陥検出装置１ａでは、まず、光源部１１から導かれる光束を対象面９１に平行光として照射して反射光を点状のピンホール１５１のみにおいて透過させ、集光面を経由した後の反射光の強度分布を示す画像がイメージセンサ１７により取得される（ステップＳ１１，Ｓ１２）。そして、注目画素が選択され（ステップＳ１３）、注目画素の画素値が対応する画素座標値に関連づけられて既に記憶されているものより大きい場合は、既存の画素値が注目画素の画素値に更新され、既存の光源座標の値が画像取得時の光源座標の値に更新される（ステップＳ１４，Ｓ１５）。そして、注目画素を更新しつつ上記処理が繰り返されて１つの画像に対する処理が完了する（ステップＳ１１〜Ｓ１６）。

その後、制御部２２の制御により点光源の位置であるピンホール１３１の位置の変更、画像の取得および演算処理が繰り返され（ステップＳ２７，Ｓ２８，Ｓ１２〜Ｓ１６）、最終的に、各画素座標値における画素値の最大値（すなわち、各受光素子において取得された画素値の最大値）および画素値が最大となる点光源の位置（光源座標の値）が演算部２３により求められてメモリ２３１に記憶される。画素値が最大となるときの光源座標の値は、画素座標値に対応する対象面９１上の位置における傾斜ベクトルに対応することから、演算部２３では記憶されている光源座標の値に基づいて対象面９１上の各位置における傾斜ベクトル（傾斜方向および傾斜角）が求められる。さらに、対象面９１の形状が求められ、欠陥の有無および欠陥の状態の検出に利用される。

以上のように、欠陥検出装置１ａでは、点光源の位置を変更しつつイメージセンサ１７にて反射光の強度分布を示す複数の画像が取得されることにより、対象面９１上の各位置における傾斜方向および傾斜角に関する情報を容易かつ精度よく取得することができる。また、対象物９が水平に載置されなくても欠陥を検出することができる。さらに、第１の実施の形態と同様にイメージセンサ１７が画像を取得する毎にメモリ２３１内の各受光素子に対応して記憶されている画素値や光源座標の値を更新するか否か判断されるため、必要なメモリ容量を削減することができる。欠陥検出装置１ａにおいてもピンホール１３１により対象面９１の各位置に入射する光の入射方向の範囲の半角φが０°以上３°以下され（図３参照）、イメージセンサ１７により取得される画像における明暗が明瞭とされる。

図１１は本発明の第３の実施の形態に係る欠陥検出装置１ｂを示す図である。欠陥検出装置１ｂは欠陥検出装置１のピンホール板１５が遮光板１５ａに変更される点で異なり、他の構成は欠陥検出装置１と同様である。すなわち、光源部１１が点光源であり、ビームスプリッタ１４１およびレンズ１４２が点光源から導かれる光束を対象面９１上に平行光として照射する第１の光学系、および、対象面９１からの反射光を所定の集光面上に集光する第２の光学系として機能する。また、遮光板１５ａは中央に遮光部１５１ａを有し、遮光部１５１ａは（光軸Ｊ２上に配置された場合に）対象面９１を介して点光源と共役な位置に配置される。

遮光板１５ａは、ガラス板の中央に微小な金属膜を遮光部１５１ａとして形成したものであり、遮光板１５ａはＸＹ移動機構２１により集光面に沿って移動可能とされる。遮光板１５ａが配置される集光面に集光される対象面９１からの反射光のうち遮光部１５１ａに入射するものは遮蔽され、イメージセンサ１７には到達しない。したがって、第１の実施の形態に係る欠陥検出装置１のピンホール１５１（透光領域）と第３の実施の形態に係る欠陥検出装置１ｂの遮光部１５１ａ（遮光領域）とが同じ位置に存在する場合、欠陥検出装置１にてイメージセンサ１７に入射する光が欠陥検出装置１ｂでは入射せず、欠陥検出装置１にてイメージセンサ１７に入射しない光がレンズ１６を介して入射することとなる。その結果、取得される画像の明暗が第１の実施の形態と逆になり、対象面９１の各位置の傾きと遮光部１５１ａの位置とが１対１に対応する。

例えば、遮光部１５１ａが光軸Ｊ２上に位置する場合に、図４に示す欠陥９２１を有する対象面９１が観察されると図１２に示す画像７３が取得される。画像７３では、水平面９２２からの光が集光位置に配置された遮光部１５１ａにより遮られて対応する領域（平行斜線を付す領域）が暗部となり、遮光部１５１ａの周囲を通過する光の強度分布がイメージセンサ１７により取得されることにより傾斜面に対応する領域（平行斜線を付していない領域）が明部となる。このように、画像７３は図５に示す画像７１とは明暗が逆転する。同様に、遮光部１５１ａがレンズ１４２の光軸Ｊ２よりも（−Ｘ）側に位置する場合、図６の明部と暗部とを入れ替えた図１３に示す画像７４が取得される。

以上のように、欠陥検出装置１ｂでは、遮光板１５ａが集光面上の点状の遮光領域である遮光部１５１ａのみにおいて光を遮光する光束制限部として機能し、ＸＹ移動機構２１は遮光領域の位置を集光面内にて変更する遮光位置変更部として機能する。

図１４は、欠陥検出装置１ｂの動作の流れを示す図である。欠陥検出装置１ｂでは、メモリ２３１において各画素座標値に対応して画素値の最小値および遮光領域の位置（以下、「遮光領域座標の値」という。）が記憶されるようになっている（図１５参照）。まず、載置部６に対象物９が載置されると、図１１に示す光源部１１から導かれる光束がビームスプリッタ１４１およびレンズ１４２により導かれて対象面９１上に光が照射される（ステップＳ３１）。対象面９１で反射した光は遮光板１５ａが位置する集光面上に集光され、点状の遮光部１５１ａに集光される反射光のみが遮光される。遮光部１５１ａにより遮光されずに集光面を経由した反射光はイメージセンサ１７に入射し、反射光の強度分布を示す画像が取得される（ステップＳ３２）。

次に、取得された画像において注目画素が選択され（ステップＳ３３）、注目画素の画素値がメモリ２３１の対応する画素座標値に既に記憶されている画素値よりも小さい場合にこの画素座標値に対応する画素値および遮光領域座標の値が更新される（ステップＳ３４，Ｓ３５）。メモリ２３１の各画素座標値に対応する記憶領域には、初期化時に画素値２５５（および適当な遮光領域座標の値）が記憶されており、最初の画像の取得時には、ほぼ全ての画素座標値において画素値および遮光領域座標の値が更新される。そして、第１の実施の形態と同様に注目画素を更新しつつ注目画素の画素値が既に記憶されている画素値よりも小さい場合に画素値および遮光領域座標の値の更新が繰り返され（ステップＳ３６，Ｓ３３〜Ｓ３５）、画像中の全画素に対して上記演算が終了すると、制御部２２の制御によりＸＹ移動機構２１が遮光板１５ａを移動して集光面上の別の位置に遮光部１５１ａが位置する（すなわち、遮光領域の位置が変更される。）（ステップＳ３７，Ｓ３８）。

その後、画像が取得されることにより、対象面上９１の異なる傾きを有する領域が暗部となる画像が取得され、注目画素を更新しつつ注目画素の画素値が既に記憶されている画素値よりも小さい場合に画素値および遮光領域座標の値の更新が繰り返される（ステップＳ３３〜Ｓ３６）。

さらに、次の遮光部１５１ａの位置が存在するか否か（すなわち、全ての位置に遮光部１５１ａが位置したか否か）が確認され、次の遮光部１５１ａの位置が存在すれば制御部２２の制御により遮光部１５１ａの位置が集光面内にて変更されてステップＳ３２〜Ｓ３６が繰り返され（ステップＳ３７，Ｓ３８）、遮光部１５１ａの位置を変更しつつイメージセンサ７による画像の取得および演算処理が行われる。

以上のように、演算部２３が、イメージセンサ１７が画像を取得する毎に各画素座標値に対応してメモリ２３１に記憶されている各画素値を更新するか否かを判断することにより、イメージセンサ１７にて取得される複数の画像からイメージセンサ１７の各受光素子（すなわち、各画素座標）に関して取得された画素値の最小値および画素値が最小となるときの遮光領域（遮光部１５１ａ）の位置が求められる。

図１５は、図４に例示する欠陥９２１を検査対象として各画素座標値に関して取得された画素値の最小値およびその遮光領域座標の値を例示する図である。図８と同様に、左側の２列はイメージセンサ１７の各画素座標値を示し、中央の列は各画素座標値で取得された画素値の最小値を示し、右側の２列は各画素座標値において画素値が最小となるときの遮光領域座標の値を示している。

図１５に示すように、画像の周縁部では光軸Ｊ２に一致する遮光領域座標（５，５）において画素値が最小となり、中央の欠陥９２１が存在する領域では傾斜方向および傾斜角に応じた透光領域座標の値となる。そして、第１の実施の形態に準じて透光領域座標の値から演算部２３により対象面９１上の各位置における傾斜ベクトルが求められ、さらに、対象面９１上の各位置における微小領域を順次繋ぐことにより、対象面９１の形状が求められる。その結果、欠陥の有無および欠陥の状態を容易に判断することが可能となる。

以上のように、欠陥検出装置１ｂでは、遮光板１５ａを移動しつつイメージセンサ１７にて反射光の強度分布を示す複数の画像を取得することにより、対象面９１上の各位置における傾斜方向および傾斜角に関する情報を容易かつ精度よく取得することができ、また、対象物９が水平に載置されなくても欠陥を検出することができる。さらに、画像を取得する毎にメモリ２３１内の各受光素子に対応して記憶されている画素値や遮光領域座標の値を更新するか否か判断されるため、少ないメモリ容量で必要な情報を求めることができる。

加えて、欠陥検出装置１ｂでは、遮光部１５１ａが光軸Ｊ２上に位置する際に取得される画像では暗い背景に欠陥が明るく現れるため、この画像を操作者が確認することにより、（明るい背景の中に暗い欠陥の領域が現れる場合に比べて）容易に欠陥を検出することができる。

図１６は第４の実施の形態に係る欠陥検出装置１ｃを示す図である。第４の実施の形態に係る欠陥検出装置１ｃは、第３の実施の形態に係る欠陥検出装置１ｂからＸＹ移動機構２１が省かれ、ピンホール板１３にＹＺ移動機構２１ａが設けられる点で異なり、第２の実施の形態における第１の実施の形態からの変更と同様の変更を第３の実施の形態に対して行ったものが第４の実施の形態となっている。他の構成は欠陥検出装置１ｂと同様である。具体的には、光源部１１が点光源であり、ビームスプリッタ１４１およびレンズ１４２が点光源から導かれる光束を対象面９１上に平行光として照射する第１の光学系、および、対象面９１からの反射光を所定の集光面上に集光する第２の光学系として機能し、遮光板１５ａが集光面上の点状の遮光領域（遮光部１５１ａ）のみにおいて光を遮光する光束制限部として機能し、ピンホール１３１およびＹＺ移動機構２１ａが点光源の位置を対象面９１へと向かう光軸Ｊ１に垂直な面内にて変更する光源位置変更部として機能する。そして、制御部２２の制御により点光源の位置を変更しつつイメージセンサ１７による画像の取得が繰り返される。

また、欠陥検出装置１ｃでは、演算部２３により、イメージセンサ１７にて取得された複数の画像からイメージセンサ１７の各受光素子に関して（すなわち、各画素座標値に対応する）画素値の最小値および最小値が得られたときの点光源の位置（光源座標の値）が求められてメモリ２３１に記憶され、欠陥検出装置１ｃの動作は、図１４のステップＳ３５において遮光領域座標の値に代えて光源座標の値が扱われ、ステップＳ３７，Ｓ３８が図１０のステップＳ２７，Ｓ２８に置き換えられる。他の動作は図１４と同様である。

欠陥検出装置１ｃでは第２の実施の形態に係る欠陥検出装置１ａとは明暗が逆となる画像が取得されるため、第２の実施の形態に準じて、最小画素値が取得される遮光領域座標の値から対象面９１上の各位置における傾斜方向および傾斜角に関する情報を容易かつ精度よく取得することができる。また、画像を取得する毎に各受光素子に対応して記憶されている画素値等の更新の要否を判断することにより、必要なメモリ容量を削減することができる。さらに、点光源が光軸Ｊ１上に位置する際に取得された画像において暗い背景に欠陥が明るく現れるため、容易に欠陥を検出することができる。

図１７は第５の実施の形態に係る欠陥検出装置１ｄを示す図である。欠陥検出装置１ｄは点光源である光源部１１、光源部１１から導かれる光束を平行光として対象面９１上に照射するレンズ１４２ａ、対象面９１からの反射光を集光するレンズ１４２ｂ、レンズ１４２ｂによる反射光の集光位置に配置されたピンホール板１５、ピンホール板１５のピンホール１５１を透過した光を平行光とするレンズ１６、および、透過した光を受光するイメージセンサ１７を備える。また、第１の実施の形態と同様に、ピンホール板１５は移動機構２１ｂによりレンズ１４２ｂの光軸Ｊ４に垂直な方向に移動可能とされ、移動機構２１ｂおよびイメージセンサ１７が制御部２２に接続され、イメージセンサ１７は演算部２３に接続される。光源部１１は第１の実施の形態と同様であり、光源１１１、レンズ１２およびピンホール板１３を有する。

欠陥検出装置１ｄでは、照明側の第１の光学系の光軸Ｊ３および観察側の第２の光学系の光軸Ｊ４が対象面９１に対して傾斜しており、これにより、光源部１１から導かれる光束はレンズ１４２ａにより対象面９１に傾斜して入射し、対象面９１からの反射光は、対象面９１に対して傾斜した方向へと導かれてイメージセンサ１７へと入射する。その結果、ピンホール１５１が光軸Ｊ４上に位置する際に、第１の実施の形態と同様に、イメージセンサ１７にて取得される画像では対象面９１上の水平面に対応する領域は明部となり、対象面９１上の傾斜面に対応する画素は暗部となる。そして、ピンホール１５１の移動に応じて所定の傾斜ベクトルを有する傾斜領域が明部となる画像がイメージセンサ１７により取得され、第１の実施の形態と同様に対象面９１の形状に関する情報を容易かつ精度よく取得することができる。

図１７に示す欠陥検出装置１ｄでは、図１に示すビームスプリッタ１４１を省くことができるため、イメージセンサ１７に入射する反射光の光量を多くすることができる。また、照明側の光学系と観察側の光学系とを離して配置することができるため、例えば、欠陥検出を行いながら別の装置により鉛直上方からレーザ等で対象面９１を加工することが可能となり、検査環境に応じて欠陥検出装置の設計を適宜変更することができる。

図１８は欠陥検出装置１ｄの他の例を示す図である。図１８に示す欠陥検出装置１ｄでは、図１７に示すレンズ１４２ｂ，１６に代えて光軸Ｊ４が対象面９１に垂直なレンズ１４２ｃ，１６ａを備える。また、イメージセンサ１７の受光面は対象面９１に平行とされる。図１８の欠陥検出装置１ｄでは、上記構成により対象面９１の全面に焦点を合わせることができ、イメージセンサ１７にて取得される画像が歪んだり部分的にぼけてしまうことが防止される。

図１９は、第６の実施の形態に係る欠陥検出装置１ｅを示す図である。欠陥検出装置１ｅは、第１の実施の形態と異なり、対象物９の鏡面である対象面９１が凸状の球面となっている。欠陥検出装置１ｅの基本的な構成は第１の実施の形態と同様であり、同様の符号を付している。

欠陥検出装置１ｅでは、対象面９１の曲率中心がレンズ１４２の光軸Ｊ２に一致するように対象物９が載置部６に載置され、レンズ１４２からの光束が収束光とされて対象面９１に垂直に入射する。これにより、対象面９１に欠陥が存在しない場合は、反射光はレンズ１４２およびビームスプリッタ１４１を介してピンホール板１５の位置（集光面）上に集光され、光軸Ｊ２上にピンホール１５１が位置する場合は、反射光がレンズ１６により平行光へと変換されてイメージセンサ１７へと導かれる。

また、対象面９１に欠陥が存在する場合は、球面に対する相対的な傾きに応じて反射光の集光位置が変化するため、第１の実施の形態と同様にピンホール１５１の位置を変更しつつ画像を繰り返し取得することにより、対象面９１の形状に関する情報を容易に取得することができる。

なお、図１９に示す欠陥検出装置１ｅにおいても、第２の実施の形態や第４の実施の形態のように点光源が移動されてもよく、第３の実施の形態や第４の実施の形態のようにピンホール１５１に代えて遮光部が設けられてもよい。

図２０は、第７の実施の形態に係る欠陥検出装置１ｆの一部を示す図である。欠陥検出装置１ｆでは図１の観察側のピンホール板１５およびＸＹ移動機構２１に代えてＸＹ面に平行に２次元に微小な液晶シャッタが配列された液晶シャッタアレイ１５ｂが配置される。そして、ピンホール１５１の位置を変更する動作に代えて、液晶シャッタアレイ１５ｂの極一部のみを透光状態とし、他を遮光状態とすることによりピンホール板１５と同様の光束制限部としての機能が実現される。また、液晶シャッタアレイ１５ｂの透光領域の位置を変更することにより、ピンホール板１５の移動と同様の機能が実現される。なお、第３の実施の形態の遮光板１５ａに代えて液晶シャッタアレイ１５ｂが設けられてもよく、この場合、極一部のみが遮光状態とされ、他が透光状態とされる。

以上のように第１および第３の実施の形態に係るピンホール板１５、遮光板１５ａおよびＸＹ移動機構２１に代えて透光領域変更部または遮光領域変更部として液晶シャッタアレイ１５ｂを設けることにより、機械的な駆動機構を欠陥検出装置から省略することができ、装置構造を簡素化できるとともに欠陥検出を高速に行うことができる。また、液晶シャッタアレイ１５ｂに代えてＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）等の２次元の他の空間光変調器が利用されてもよい。

以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく様々な変形が可能である。

上記実施の形態では、凸状の欠陥９２１を例示したが、検出される欠陥は凹状であってもよい。また、形状を正確に把握する必要がない場合は傷の検出が行われてもよい。図１９では凸状の球面が対象面９１とされるが、漸次発散する光を照射することにより、凹状の球面である対象面が検査されてもよい。

既述のように、上記実施の形態では、対象面９１の法線が光軸Ｊ２に対して傾斜していてもよい。この場合、第１および第２の実施の形態では最も明るい（第３および第４の実施の形態では最も暗い）画像が取得される際の光学系の状態に基づいて対象面９１の傾きを検出することができる。

上記第１ないし第４の実施の形態では、対象面９１に平行光を垂直に照射し、対物レンズであるレンズ１４２の瞳位置にピンホール１５１（または遮光部１５１ａ）が位置するが、点光源およびピンホール１５１（または遮光部１５１ａ）は対象面９１に対して非共役として観察する領域全体に光束が導かれ、点光源とピンホール１５１（または遮光部１５１ａ）とが共役であれば、これらは他の位置に配置されてもよい。換言すれば、欠陥検出装置では照明側の第１の光学系により点光源から導かれる光束が点光源に対して非共役な位置に配置された対象面９１上に照射され、対象面９１からの反射光が、観察側の第２の光学系により対象面９１を介して点光源と共役な位置において光軸に垂直な集光面上に集光され、この位置にピンホール１５１（または遮光部１５１ａ）が配置される構成となっている。そして、この点において欠陥検出装置は、対象面と照明側および観察側のピンホールとが共役に配置される一般的な共焦点光学系と大きく相違する。

上記実施の形態では、光源１１１からの光をレンズ１２およびピンホール１３１を通過させることにより点光源を実現しているが、光源部１１に代えて発光ダイオードや半導体レーザがそのまま点光源として利用されてもよい。また、第２および第４の実施の形態のように点光源を移動する場合は、発光ダイオードのアレイを光源部１１に設け、点灯する発光ダイオードを切り替えることにより点光源の位置が変更されてもよい。

なお、点光源から散乱することなく漸次収束もしくは発散して導かれる、または、平行に導かれるのであれば、点光源から対象面９１に光束を導く手法として様々なものが採用されもよい。

図２１は凹レンズ１２ａを用いて点光源が形成される様子を示す図である。図２１に示すように、図１のレンズ１２に代えて凹レンズ１２ａを配置することにより、ピンホール１３１を用いることなく光源１１１の虚像１１１ａからの光が点光源として利用されてもよい。

上記実施の形態では、透光領域、遮光領域または点光源は２次元平面内で移動可能とされるが、対象面９１上の特定の欠陥の有無を確認する場合は、透光領域、遮光領域または点光源は１次元のみの移動とされてもよい。また、イメージセンサ１７も２次元には限定されず、少ない情報を取得するのみで十分な場合は、１次元のイメージセンサが使用されてもよい。

上記実施の形態に係る欠陥検出装置では、ＸＹ移動機構２１やＹＺ移動機構２１ａを省略してピンホール１３１、ピンホール１５１および遮光部１５１ａの位置が光軸上に固定されてもよい。この場合は１つの画像のみが取得可能となるが、取得される画像の明部または暗部が水平面に対応することから、簡易な欠陥検出が可能となる。また、既述のように、第３および第４の実施の形態では、イメージセンサ１７にて取得される画像は暗い背景に欠陥等が明るく現れる画像となるため、容易に欠陥を発見することができる。

演算部２３では、イメージセンサ１７にて取得される全ての画像のデータを記憶するメモリが設けられてもよい。各画像は、対象面上の特定の傾斜ベクトルを有する領域を示すことから、これらの画像データが演算処理することなく対象面９１の形状に関する情報として取得されてもよい。また、全ての画像データを記憶した後に、各受光素子について最大（または最小）となる画素値および画素値が最大（または最小）となるときの透光領域（または遮光領域、点光源）の位置が対象面９１の形状に関する情報として求められてもよい。さらには、対象面９１の各位置の傾斜ベクトル（傾斜方向および傾斜角）が対象面９１の形状に関する情報として記憶されてもよい。このように、上記実施の形態にて説明した欠陥検出装置は、欠陥の検出を行うことなく鏡面である対象面９１の形状に関する様々な情報を取得する形状情報取得装置として利用されてもよい。

第１の実施の形態に係る欠陥検出装置を示す図である。 欠陥検出装置を示す図である。 対象面上の一点に入射する光の様子を示す図である。 対象面からの反射光を示す図である。 イメージセンサにて取得される画像を示す図である。 イメージセンサにて取得される画像を示す図である。 欠陥検出装置の動作の流れを示す図である。 メモリに記憶されるデータを例示する図である。 第２の実施の形態に係る欠陥検出装置を示す図である。 欠陥検出装置の動作の流れの一部を示す図である。 第３の実施の形態に係る欠陥検出装置を示す図である。 イメージセンサにて取得される画像を示す図である。 イメージセンサにて取得される画像を示す図である。 欠陥検出装置の動作の流れを示す図である。 メモリに記憶されるデータを例示する図である。 第４の実施の形態に係る欠陥検出装置を示す図である。 第５の実施の形態に係る欠陥検出装置を示す図である。 欠陥検出装置の他の例を示す図である。 第６の実施の形態に係る欠陥検出装置を示す図である。 第７の実施の形態に係る欠陥検出装置の一部を示す図である。 点光源を示す図である。

符号の説明

１，１ａ〜１ｆ 欠陥検出装置
１１ 光源部
１３，１５ ピンホール板
１５ａ 遮光板
１５ｂ 液晶シャッタアレイ
１７ イメージセンサ
２１ ＸＹ移動機構
２１ａ ＹＺ移動機構
２２ 制御部
２３ 演算部
７１〜７４ 画像
９１ 対象面
１４１ ビームスプリッタ
１４２ レンズ
１５１ ピンホール
１５１ａ 遮光部
２３１ メモリ
９２１ 欠陥
Ｊ１ 光軸
Ｓ１１〜Ｓ１８，Ｓ２７，Ｓ２８，Ｓ３１〜Ｓ３８ ステップ

Claims (18)

1. 鏡面である対象面の形状に関する情報を取得する形状情報取得装置であって、
   点光源から導かれる光束を前記点光源に対して非共役な位置に配置された前記対象面上に照射する第１光学系と、
   前記対象面からの反射光を、前記対象面を介して前記点光源と共役な位置において光軸に垂直な集光面上に集光する第２光学系と、
   前記集光面上の点状の透光領域のみにおいて光を透過する光束制限部と、
   前記透光領域の位置を前記集光面内にて変更する透光位置変更部と、
   前記集光面を経由した後の前記反射光の強度分布を示す画像を取得するイメージセンサと、
   前記透光領域の位置を変更しつつ前記イメージセンサによる画像の取得を繰り返す制御部と、
   を備えることを特徴とする形状情報取得装置。
2. 請求項１に記載の形状情報取得装置であって、
   前記イメージセンサにて取得される複数の画像から前記イメージセンサの各受光素子に関して取得された画素値の最大値および画素値が最大となるときの前記透光領域の位置を求める演算部をさらに備えることを特徴とする形状情報取得装置。
3. 請求項１または２に記載の形状情報取得装置であって、
   前記光束制限部および前記透光位置変更部が、２次元の空間光変調器であることを特徴とする形状情報取得装置。
4. 鏡面である対象面の形状に関する情報を取得する形状情報取得装置であって、
   点光源から導かれる光束を前記点光源に対して非共役な位置に配置された前記対象面上に照射する第１光学系と、
   前記対象面からの反射光を、前記対象面を介して前記点光源と共役な位置において光軸に垂直な集光面上に集光する第２光学系と、
   前記集光面上の点状の遮光領域のみにおいて光を遮蔽する光束制限部と、
   前記遮光領域の位置を前記集光面内にて変更する遮光位置変更部と、
   前記集光面を経由した後の前記反射光の強度分布を示す画像を取得するイメージセンサと、
   前記遮光領域の位置を変更しつつ前記イメージセンサによる画像の取得を繰り返す制御部と、
   を備えることを特徴とする形状情報取得装置。
5. 請求項４に記載の形状情報取得装置であって、
   前記イメージセンサにて取得される複数の画像から前記イメージセンサの各受光素子に関して取得された画素値の最小値および画素値が最小となるときの前記遮光領域の位置を求める演算部をさらに備えることを特徴とする形状情報取得装置。
6. 請求項４または５に記載の形状情報取得装置であって、
   前記光束制限部および前記遮光位置変更部が、２次元の空間光変調器であることを特徴とする形状情報取得装置。
7. 鏡面である対象面の形状に関する情報を取得する形状情報取得装置であって、
   点光源から導かれる光束を前記点光源に対して非共役な位置に配置された前記対象面上に照射する第１光学系と、
   前記点光源の位置を前記対象面に向かう光軸に垂直な面内にて変更する光源位置変更部と、
   前記対象面からの反射光を、前記対象面を介して前記点光源と共役な位置において光軸に垂直な集光面上に集光する第２光学系と、
   前記集光面上の点状の透光領域のみにおいて光を透過する光束制限部と、
   前記集光面を経由した後の前記反射光の強度分布を示す画像を取得するイメージセンサと、
   前記点光源の位置を変更しつつ前記イメージセンサによる画像の取得を繰り返す制御部と、
   を備えることを特徴とする形状情報取得装置。
8. 請求項７に記載の形状情報取得装置であって、
   前記イメージセンサにて取得される複数の画像から前記イメージセンサの各受光素子に関して画素値の最大値および画素値が最大となるときの前記点光源の位置を求める演算部をさらに備えることを特徴とする形状情報取得装置。
9. 鏡面である対象面の形状に関する情報を取得する形状情報取得装置であって、
   点光源から導かれる光束を前記点光源に対して非共役な位置に配置された前記対象面上に照射する第１光学系と、
   前記点光源の位置を前記対象面に向かう光軸に垂直な面内にて変更する光源位置変更部と、
   前記対象面からの反射光を、前記対象面を介して前記点光源と共役な位置において光軸に垂直な集光面上に集光する第２光学系と、
   前記集光面上の点状の遮光領域のみにおいて光を遮蔽する光束制限部と、
   前記集光面を経由した後の前記反射光の強度分布を示す画像を取得するイメージセンサと、
   前記点光源の位置を変更しつつ前記イメージセンサによる画像の取得を繰り返す制御部と、
   を備えることを特徴とする形状情報取得装置。
10. 請求項９に記載の形状情報取得装置であって、
    前記イメージセンサにて取得される複数の画像から前記イメージセンサの各受光素子に関して画素値の最小値および画素値が最小となるときの前記点光源の位置を求める演算部をさらに備えることを特徴とする形状情報取得装置。
11. 請求項２、５、８または１０に記載の形状情報取得装置であって、
    各受光素子に対応して画素値を記憶するメモリをさらに備え、
    前記演算部が、前記イメージセンサが画像を取得する毎に前記各受光素子に対応して記憶されている画素値を更新するか否かを判断することを特徴とする形状情報取得装置。
12. 請求項２、５、８、１０または１１に記載の形状情報取得装置であって、
    前記対象面が平面または球面であり、
    前記演算部が、前記複数の画像に基づいて、前記対象面において周囲に対して凸状または凹状となる欠陥を検出することを特徴とする形状情報取得装置。
13. 鏡面かつ平面または球面である対象面において周囲に対して凸状または凹状となる欠陥を検出する欠陥検出装置であって、
    点光源から導かれる光束を前記点光源に対して非共役な位置に配置された前記対象面上に照射する第１光学系と、
    前記対象面からの反射光を、前記対象面を介して前記点光源と共役な位置において光軸に垂直な集光位置に集光する第２光学系と、
    前記集光位置に配置された点状の遮光領域のみにおいて光を遮蔽する光束制限部と、
    前記遮光領域の周囲を通過した光の強度分布を示す画像を取得するイメージセンサと、
    を備えることを特徴とする欠陥検出装置。
14. 鏡面である対象面の形状に関する情報を取得する形状情報取得方法であって、
    ａ）点光源から導かれる光束を前記点光源に対して非共役な位置に配置された前記対象面上に照射する工程と、
    ｂ）前記対象面からの反射光を、前記対象面を介して前記点光源と共役な位置において光軸に垂直な集光面上に集光するとともに前記集光面上の点状の透光領域のみにおいて光を透過させ、前記集光面を経由した後の前記反射光の強度分布を示す画像を取得する工程と、
    ｃ）前記透光領域の位置を前記集光面内にて変更しつつ前記ｂ）工程を繰り返す工程と、
    を備えることを特徴とする形状情報取得方法。
15. 鏡面である対象面の形状に関する情報を取得する形状情報取得方法であって、
    ａ）点光源から導かれる光束を前記点光源に対して非共役な位置に配置された前記対象面上に照射する工程と、
    ｂ）前記対象面からの反射光を、前記対象面を介して前記点光源と共役な位置において光軸に垂直な集光面上に集光するとともに前記集光面上の点状の遮光領域のみにおいて光を遮蔽し、前記集光面を経由した後の前記反射光の強度分布を示す画像を取得する工程と、
    ｃ）前記遮光領域の位置を前記集光面内にて変更しつつ前記ｂ）工程を繰り返す工程と、
    を備えることを特徴とする形状情報取得方法。
16. 鏡面である対象面の形状に関する情報を取得する形状情報取得方法であって、
    ａ）点光源から導かれる光束を前記点光源に対して非共役な位置に配置された前記対象面上に照射する工程と、
    ｂ）前記対象面からの反射光を、前記対象面を介して前記点光源と共役な位置において光軸に垂直な集光面上に集光するとともに前記集光面上の点状の透光領域のみにおいて光を透過させ、前記集光面を経由した後の前記反射光の強度分布を示す画像を取得する工程と、
    ｃ）前記点光源の位置を前記対象面に向かう光軸に垂直な面内にて変更しつつ前記ｂ）工程を繰り返す工程と、
    を備えることを特徴とする形状情報取得方法。
17. 鏡面である対象面の形状に関する情報を取得する形状情報取得方法であって、
    ａ）点光源から導かれる光束を前記点光源に対して非共役な位置に配置された前記対象面上に照射する工程と、
    ｂ）前記対象面からの反射光を、前記対象面を介して前記点光源と共役な位置において光軸に垂直な集光面上に集光するとともに前記集光面上の点状の遮光領域のみにおいて光を遮蔽し、前記集光面を経由した後の前記反射光の強度分布を示す画像を取得する工程と、
    ｃ）前記点光源の位置を前記対象面に向かう光軸に垂直な面内にて変更しつつ前記ｂ）工程を繰り返す工程と、
    を備えることを特徴とする形状情報取得方法。
18. 鏡面かつ平面または球面である対象面において周囲に対して凸状または凹状となる欠陥を検出する欠陥検出方法であって、
    ａ）点光源から導かれる光束を前記点光源に対して非共役な位置に配置された前記対象面上に照射する工程と、
    ｂ）前記対象面からの反射光を、前記対象面を介して前記点光源と共役な位置において光軸に垂直な集光位置に集光するとともに前記集光位置に配置された点状の遮光領域において光を遮蔽し、前記遮光領域の周囲を通過した光の強度分布を示す画像を取得する工程と、
    を備えることを特徴とする欠陥検出方法。

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