JP2019002762A - 画像処理装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被検物の表面の比較的広い範囲を光学的に評価することができる比較的コンパクトな光学評価装置などの画像処理装置及び方法を提供する。【解決手段】画像処理装置は、第１の方向に長く、入射光のうち少なくとも一部を透過しない複数の非透過部１０１ｂを、第１の方向と交差する第２の方向に沿って間隔を空けつつ周期Ｐで配置した部材を用いて、被検物１１に縞状の光を投影する照明部１０１と、縞状の光が投影された被検物の画像を前記部材を介して撮影する撮影部１０２と、撮影部で撮影されるＮ枚の複数の画像を処理して被検物の表面に関する情報を含む処理画像を生成する画像処理部１０５と、前記部材と被検物を第２の方向へ相対的に変位させる駆動部１０３を有する。駆動部により、前記部材と被検物が、変化量ΔＸｉ（ｉ＝１,２,…Ｎ）、第２の方向へ相対的に変位させられるときに、撮影部１０２は、それぞれ撮影を行い、Ｎ枚の画像を取得する。【選択図】図１

Description

本発明は、光沢性のある表面をもつ被検物の画像を取得して被検物を光学的に評価する光学評価装置などの、被検物の画像を取得して処理する画像処理装置及び方法に関する。

光沢性を有する被検物であるワークの表面上に存在する欠陥を検出するための技術として、周期的な縞状のパターンで発光する光源を用いてワークを照明し、ワークで反射された光をカメラで撮影する技術が公知である（特許文献１及び特許文献２）。特許文献１に記載の検査方法では、輝度が周期的に変化する光をワークに照射して、撮影された反射光画像の輝度変化の振幅や平均値などを算出し、それらの値からワークの欠陥を検出する。特許文献２に記載の検査方法では、ワークに照明される明暗パターンをシフトして複数の画像を撮影し、各画素における最大値や最小値などの評価量を計算して、画素間で評価量を比較することにより、微小な欠点を検査する。

特許第５９９４４１９号 特許第４１４７６８２号

特許文献１、２に記載の検査方法では、ワークに縞状のパターンを投影するための光源として、ＬＣＤ（液晶デバイス）やラインパターン状のフィルムが貼られた面発光光源が用いられている。これらの光源は光を透過しないため、反射性の光沢ワークの場合、光源とカメラとをワークから見て異なる方向に配置する必要がある。その理由は、光源とカメラとを同一軸上に配置した場合、光源から射出される光がカメラによって遮光されるか、ワークにより反射された光が光源によって遮光されてカメラに到達し難くなってしまうためである。

また、カメラの視野が光源によって遮られないためには、ワークから光源まで広い距離を確保する必要がある。この場合、ワークの広い範囲からカメラへの正反射光を得るためには、大型の光源を用いるか、ロボットアームなどによりカメラと光源とに対するワークの相対的な位置をずらして、複数回に分けて撮影する必要がある。前者の場合は装置の大型化をまねく。特にワークの表面形状が曲面の場合には、ワークが凸ミラーまたは凹ミラーとして作用するため、ワークと光源との距離が大きいと、巨大な光源が必要となる。また、相対的な位置をずらす後者の場合には、装置が複雑化・大型化するとともに、計測時間の増大を招く。

上記の課題に鑑みて、本発明は、光沢性を有するワーク表面の広い範囲を光学的に評価することができる比較的コンパクトな光学評価装置などの、被検物の画像を取得して処理する画像処理装置及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一側面による画像処理装置は、第１の方向に長く、入射光のうち少なくとも一部を透過しない複数の非透過部を、前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って間隔を空けつつ周期Ｐで配置した部材を用いて、被検物に縞状の光を投影する照明部と、前記照明部によって縞状の光が投影された前記被検物の画像を撮影する撮影部と、前記照明部で撮影されるＮ枚の複数の画像を処理して前記被検物の表面に関する情報を含む処理画像を生成する画像処理部と、前記部材と前記被検物を前記第２の方向へ相対的に変位させる駆動部と、を含む。前記撮影部は、前記部材を介して前記被検物を撮影するように設けられ、前記駆動部により、前記部材と前記被検物が、互いに相違する（前記周期Ｐの整数倍の相違を除く）変化量ΔＸ_ｉ（ｉ＝１,２,…Ｎ）、前記第２の方向へ相対的に変位させられるときに、前記撮影部は、それぞれ撮影を行い、前記Ｎ枚の画像を取得する。

本発明の一側面によれば、撮影部は照明部の前記部材を介して被検物を撮影することができるので、比較的コンパクトな光学評価装置などの画像処理装置を提供することができる。

本発明の一側面による装置の一例を示す概略図である。 照明部について説明するための図である。 第１実施形態の照明部について説明するための断面図である。 画像上の縞状パターンについて説明するための図である。 ワーク表面上の欠陥の検査方法を示すフローチャートである。 透過部と非透過部の幅との比とノイズの関係を説明するための図である。 ノイズ成分を低減する方法を説明するための図である。 曲面ワークの好適な配置を説明するための図である。 第２実施形態の照明部について説明するための図である。

本発明の一側面による画像処理装置及び方法では、第１の方向に長く、入射光のうち少なくとも一部を透過しない複数の非透過部を、前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って間隔を空けつつ周期Ｐで配置した部材を用いて、被検物に縞状の光を投影する。そして、前記部材を介して、縞状の光が投影された被検物を撮影し、撮影されたＮ枚の画像を処理して被検物の表面に関する情報を含む処理画像を生成する。この際、前記部材と被検物が、互いに相違する（前記周期Ｐの整数倍の相違を除く）変化量ΔＸ_ｉ（ｉ＝１,２,…Ｎ）、前記第２の方向へ相対的に変位させられるごとに撮影を行い、Ｎ枚の画像を取得する。整数Ｎについては、下記の周波数成分のＤＣ成分、振幅、位相の３つの自由度（パラメータ）があるため、少なくともＮ＝３であることが好ましいが、パラメータが少なくてもよい場合にはＮ＝２もあり得る。変化量ΔＸ_ｉについて、周期Ｐの整数倍だけ違うものを除くのは、これらの場合、前記部材と被検物との相対的な位置が同等になるからである。駆動部により、前記部材と被検物との相対的な位置を第２の方向に変位させることができる。典型的には、位相が４πΔＸ_ｉ／Ｐラジアンでシフトする周波数成分の強度変化に関する情報を用いて、Ｎ枚の画像から処理画像を生成する。この周波数成分について、被検物が平面の場合は周期Ｐの１／２の縞状パターンが発生するが、曲面の場合は、位相は４πΔＸ_ｉ／Ｐラジアンでシフトするが、一般的には周期はＰの１／２とはならない。前記強度変化の情報からは、前記周波数成分の振幅と位相と位相差とのうちの少なくとも１つを取得することができ、処理画像として振幅画像と位相画像と位相差画像とのうちの少なくとも１つを生成することができる。処理画像に基づいて、例えば、被検物の表面上にある欠陥を検出することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材ないし要素については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略ないし簡略化する。

＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る、被検物（ワーク）の画像を処理する装置である光学評価装置１について説明する。図１は、光学評価装置１を示す概略図である。光学評価装置１は、光沢性を有するワーク１１（被検物）の表面を光学的に評価する。ワーク１１は、例えば、工業製品に利用される表面が研磨された金属部品や樹脂部品などである。ワーク１１の表面には、キズや色抜けの他、打痕など緩やかな凹凸形状に起因する欠陥など、多様な欠陥が発生しうる。光学評価装置１は、ワーク１１の表面の画像を取得しその画像を処理して得た処理画像情報を評価することにより、これらの欠陥を検出し、検出結果に基づいて例えば当該ワーク１１を良品または不良品に分類する。光学評価装置１は、ワーク１１を所定の位置に搬送する不図示の搬送装置（例えば、コンベアやロボット、スライダ、手動ステージなど）を含みうる。

光学評価装置１は、ワークを照明する照明部１０１と、照明部１０１を介してワーク１１を上方から撮影する撮影部であるカメラ１０２と、を含みうる。カメラ１０２は、例えばＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサなど、画素が２次元状に配置されたイメージセンサを使用しうる。このようなエリアセンサカメラを用いることにより、ラインセンサカメラと比べて広い領域の画像を一括に取得することができるため、ワーク表面の広い範囲について高速に表面を評価することが可能となる。

図２は、照明部１０１について説明するための図である。本実施形態では、照明部１０１は、第１の方向に伸びる複数の透過部１０１ａと、透過部１０１ａよりは光の透過率が低い同じく第１の方向に伸びる複数の非透過部１０１ｂと、が第１の方向と交差する第２の方向に周期Ｐで交互に配置された部材を有する。透過部は空間ないし開口でもあり得て、こうした場合も含んで、前記部材は、第１の方向に長く、入射光のうち少なくとも一部を透過しない複数の非透過部を、第１の方向と交差する第２の方向に沿って間隔を空けつつ周期Ｐで配置した部材と規定することもできる。透過部１０１ａと非透過部１０１ｂとを含む部材は、枠部１０１ｃによって保持されている。

図３は、照明部１０１の一形態の断面図である。照明部１０１はさらに、光源であるＬＥＤ１０１ｄ及び導光板１０１ｅを含みうる。導光板１０１ｅは、例えば、アクリルやガラスの平面板である。非透過部１０１ｂは、例えば、光を散乱する特性を有する素材を用いて、フィルム上に縞状のパターンを周期Ｐで印刷することで実現しうる。こうした場合、前記光散乱素材で印刷されないフィルム部分が透過部１０１ａとなる。パターンが印刷されたフィルムは、導光板１０１ｅに密着して貼り付けられる。ＬＥＤ１０１ｄは、枠部１０１ｃの内部であって透過部１０１ａと非透過部１０１ｂを取り囲む領域の適宜の複数の個所に配置されている。ＬＥＤ１０１ｄから射出された光は、導光板１０１ｅの内部を全反射しながら進む。非透過部１０１ｂには光を散乱する特性を有する素材が用いられているため、入射された光の一部がワーク１１に向けて散乱される。一方、透過部１０１ａでは殆ど光が散乱されないため、透過部１０１ａからワーク１１に向けて照射される光は殆ど発生しない。このため、照明部１０１によって、ワーク１１には縞状のパターン光が投影される。ワーク１１で反射または散乱された光の一部は、照明部１０１の非透過部１０１ｂによって遮光され、一部は照明部１０１の透過部１０１ａを透過する。透過した光をカメラ１０２で撮影することにより、カメラ１０２は照明部１０１を介してワーク１１を撮影することができる。

本実施形態では、透過部１０１ａ及び非透過部１０１ｂは、光を散乱する特性を有する素材を用いてフィルム上に印刷された縞状のパターンによって実現されているが、このような照明部の構成に限定されない。例えば、透過部１０１ａは上述した様にライン状の開口で、非透過部１０１ｂはライン状の発光部材から構成されていても良い。

図１に示されるように、照明部１０１は、駆動部である可動機構１０３によって保持されている。可動機構１０３は、透過部１０１ａ及び非透過部１０１ｂのラインと直交する方向（図中のＸ方向）に、照明部１０１を移動可能としている。本実施形態では、可動機構１０３によって照明部１０１を移動させているが、照明部１０１に対してワーク１１を動かすことで、照明部１０１の前記部材とワーク１１との相対的な位置を変位させても良い。また、照明部１０１の全体は動かさずに、透過部１０１ａと非透過部１０１ｂを有する部材だけを動かすようにしても良い。

可動機構１０３は制御部１０４と接続されている。制御部１０４は、例えばＣＰＵやメモリなどを有する基板によって構成されており、照明部１０１、カメラ１０２、可動機構１０３を同期して制御する。制御部１０４は可動機構１０３とカメラ１０２を制御して、可動機構１０３に照明部１０１をΔＸｉ（ｉ＝１，２，…Ｎ）だけ移動させ、Ｎ枚の画像（Ｎ≧３）をカメラ１０２に撮影させる。ここにおいて、ΔＸｉは分かっていればよいので、任意の大きさに設定することができる。ただし、このような構成に限定されるものではなく、例えば、手動にて可動機構１０３を操作してワーク１１を移動させた後、マニュアルトリガーでカメラ１０２にてワーク１１を撮影しても良い。

光学評価装置１は、さらに画像処理部としてのＰＣ１０５、及びディスプレイ１０６を含みうる。本実施形態のＰＣ１０５は、カメラ１０２で得られたＮ枚の画像に係る情報に基づいてワーク１１の表面を評価する機能を有する。ＰＣ１０５と制御部１０４は別体でなくてもよく、当該画像処理部１０５を制御部１０４と一体的に設けてもよい。また、画像処理部は汎用的なＰＣではなく、画像処理専用のマシンであっても良い。カメラ１０２で撮影された画像は、不図示のケーブルを経由してＰＣ１０５に転送される。

本実施形態の光学評価装置１では、カメラ１０２のフォーカス位置はワーク１１の表面上に合わせられている。また、透過部１０１ａ及び非透過部１０１ｂとワーク１１との距離Ｄとカメラの物体側ＮＡ（開口数）は、以下の式を満たすように設定されている。
Ｄ×ｔａｎ（ａｓｉｎ（ＮＡ））／Ｐ≧０．３５
本発明者が検討した結果、上記条件に設定した場合に、カメラ１０２で取得される画像上に周期Ｐ／２（透過部１０１ａ及び非透過部１０１ｂの周期Ｐの半分）の縞状パターンが発生することを見出した。図４を用いて、その理由を説明する。

図４は、照明部１０１でワーク１１に周期Ｐの縞状のパターンを投影し、照明部１０１を介してカメラ１０２でワーク１１を撮影した場合に得られる、画像上の縞パターンについて説明するための図である。ここでは、透過部１０１ａ及び非透過部１０１ｂとワーク１１との距離Ｄとカメラ１０２の物体側ＮＡは、Ｄ×ｔａｎ（ａｓｉｎ（ＮＡ））／Ｐ＝１となるように設定されている。これにより、ワーク１１の表面上の１点を撮影する光束の、透過部１０１ａ及び非透過部１０１ｂにおける広がりが、周期Ｐと一致する。このように前記光束の広がりが周期Ｐに対して充分となるように、上記条件式が満たされる必要がある。

図４の白点で示される点１１ａでは、非透過部１０１ｂで散乱されてワーク１１に照射された光は、ワーク表面で反射した後、透過部１０１ａを透過する。この結果、点１１ａでは、反射された光の一部が照明部１０１を透過して、カメラ１０２に到達する。一方、図４の黒点で示される点１１ｂでは、非透過部１０１ｂで散乱されてワーク１１に照射された光は、ワーク表面で反射した後、非透過部１０１ｂで遮光される。この結果、点１１ｂでは、反射された光はカメラ１０２に到達しない。点１１ａと点１１ｂの周期はＰ／２となる。このため、照明部１０１で周期Ｐの縞状のパターンをワーク１１に投影し、カメラ１０２にて照明部１０１を介してワーク１１を撮影した場合、周期Ｐ／２の縞状パターンが撮影される。

本実施形態の光学評価装置１では、照明部１０１とカメラ１０２を同軸上に配置することができる。また、照明部１０１をワーク１１の近傍に配置することができるため、小型の照明でも、ワークの広い範囲でカメラへの正反射光が得られ、表面の広い範囲を光学的に評価することができる。特に、ワーク１１の表面が曲面の場合には、ワーク１１と照明部１０１の距離が大きいと、ワークの広い範囲からカメラへの正反射光を得るためには巨大な照明が必要となるため、照明部１０１をワークの近傍に配置可能な本実施形態は大きな効果が得られる。このため、従来例と比較して、コンパクトな装置で表面の広い範囲を評価することができる。

図５に、本実施形態の光学評価装置１を用いた、ワーク表面上の欠陥の検査方法を示す。まず、可動機構１０３により照明部１０１を移動させて、照明部１０１の前記部材とワーク１１との相対的な位置を基準位置に対してΔＸ_１だけ変化させる（Ｓ１１）。次に、この位置で照明部１０１を発光させて、１番目の画像I_１（ｘ，ｙ）を撮影する（Ｓ１２）。なお、ｘとｙは画像上の画素の位置を表す。ここで、ΔＸ_１がゼロで、１番目の画像が前記基準位置におけるものであってもよい。次に、可動機構１０３により照明部１０１を移動させて、照明部１０１の前記部材とワーク１１との相対的な位置を基準位置に対してΔＸ_２だけ変化させる（Ｓ１１）。次に、この位置で照明部１０１を発光させて、２番目の画像I_２（ｘ，ｙ）を撮影する（Ｓ１２）。これをＮ回繰り返して、合計Ｎ枚の画像を撮影する。

次に、照明部１０１の前記部材とワーク１１との相対的な位置がΔＸ_ｉだけ変化したとき、位相が４πΔＸ_ｉ／Ｐラジアンでシフトする周波数成分の強度変化に関する情報を用いて、Ｎ枚の画像から、合成画像ないし処理画像を生成する（Ｓ１４）。

合成画像の一例は、位相が４πΔＸ_ｉ／Ｐラジアンでシフトする周波数成分（ワークが平面の場合には、画像上に発生する周期Ｐ／２の縞状パターンに対応する周波数成分）の振幅画像である。照明部１０１の前記部材とワーク１１の相対的な位置をＰ／Ｎ幅のステップでシフトさせた場合、ΔＸ_ｉ（ｉ＝１，２，…Ｎ）は以下の式で表される。
ΔＸ_ｉ＝（Ｐ／Ｎ）×（ｉ−１）
この式はΔＸ_１がゼロである場合を含むもので、１番目の画像が前記基準位置から変化したものである場合は、式は次のものとなる。
ΔＸ_ｉ＝（Ｐ／Ｎ）×ｉ

このとき、振幅画像Ａ（ｘ，ｙ）は、以下の式により算出できる。これが、Ｎ枚の画像を処理して被検物の表面に関する情報を含む処理画像であり、位相が４πΔＸ_ｉ／Ｐラジアンでシフトする周波数成分の強度変化に関する情報を用いて生成された処理画像である。

照明部１０１の位置を移動すると、図４に示される明るい点１１ａ及び暗い点１１ｂの位置も移動するため、カメラの画素上の１点では、強度の明暗が変化する。光沢性を有するワーク１１に関し、表面が正常な光沢を有する部分では、この明暗の差に相当する振幅が発生する。一方、キズや微小な凹凸、表面の荒れなど、散乱性の欠陥がある部分では、鏡面反射光以外にも散乱光が発生する。散乱光があると、点１１ａでは、散乱された光の一部が非透過部１０１ｂで遮光されるため、明るさが低減する。一方、点１１ｂでは、散乱された光の一部が透過部１０１ａを透過するため、明るさが増加する。結果として、明暗の差が小さくなり、振幅の値も小さくなる。例えば、完全拡散面では光の散乱角度分布は入射光の角度に依存しなくなるため、照明部１０１で縞状のパターンをワーク１１に投影しても光の散乱角度分布は常に一様となり、振幅はゼロとなる。このため、振幅画像では、表面性状として散乱性の度合いを評価することができ、キズや微小な凹凸、表面粗さなど、散乱性の欠陥の情報を得ることができる。可視化することもできる。

また、合成画像の別の例は、位相が４πΔＸ_ｉ／Ｐラジアンでシフトする周波数成分の位相画像である。振幅画像θ（ｘ，ｙ）は、以下の式により算出できる。

上式で位相は−π〜πの値で算出されるため、それ以上に位相が変化する場合は、位相画像では非連続な位相の飛びが発生する。このため、必要に応じて位相接続（位相アンラップ）が必要である。

位相画像では、表面性状としてワーク１１の表面の傾きを評価することができる。したがって、位相画像では打痕や面倒れ、表面の凹みのような緩やかな形状変化に起因する欠陥の情報を得ることができる。可視化することもできる。

位相接続（位相アンラップ）には、種々のアルゴリズムが提案されているが、画像のノイズが大きい場合には、誤差が生じうる。位相接続を回避するための手段として、位相の微分に相当する位相差を算出しても良い。位相差Δθ_ｘ（ｘ，ｙ）及びΔθ_ｙ（ｘ，ｙ）は、以下の式により算出できる。

さらなる合成画像の例は、平均画像である。平均画像Ｉ_ａｖｅ（ｘ，ｙ）は、以下の式により算出できる。

平均画像では、表面性状として反射率の分布を評価できる。したがって、平均画像では、色抜けや汚れ、吸収性の異物など、正常な部分と反射率に違いがある欠陥の情報を得ることができる。可視化することもできる。

このように、振幅画像、位相画像または位相差画像、平均画像で、光学的に評価可能な表面性状が異なる結果、可視化される欠陥も異なるため、これらの画像を組み合わせることで、多様な表面性状を評価して、多様な欠陥を可視化することができる。

ところで、画像枚数Ｎは、振幅画像・位相画像または位相差画像の算出精度に影響する。画像枚数の例はＮ＝６である。この場合、位相が４πΔＸ_ｉ／Ｐラジアンでシフトする成分を２次の周波数成分と定義する（照明部１０１の前記部材とワーク１１との相対的な位置を１ピッチだけ移動すると、２周期位相シフトするため、２次の周波数成分と定義した）。すると、１次・３次・５次〜７次・９次の周波数成分の影響を除去できる。一方、４次・８次・１０次の周波数成分は、振幅・位相または位相差の計算結果に誤差を発生させる。

画像枚数の別の例はＮ＝８である。この場合、１次・３次〜５次・７次〜９次の周波数成分の影響を除去できる。一方、６次・１０次の周波数成分は、振幅・位相または位相差の計算結果に誤差を発生させる。

画像枚数の別の例はＮ＝１０である。この場合、１次・３次〜７次・９次〜１０次の周波数成分の影響を除去できる。一方、８次の周波数成分は、振幅・位相または位相差の計算結果に誤差を発生させる。

このように、画像枚数Ｎを増やすほど、高次の周波数成分が振幅・位相または位相差の算出時に発生する誤差を低減することができる。一方、画像枚数Ｎが増えるほど、計測時間が伸びるため、ノイズの発生具合や求められる精度に応じて画像枚数Ｎは決定される。

本実施形態では、位相を２π／Ｎラジアンのステップでシフトさせているが、このようなケースに限定されない。例えば、Ｎ＝５として、位相を２π／６ラジアンでシフトさせて、５枚の画像を撮影しても良い。この場合、１次と３次の周波数成分の影響を除去して、２次の振幅や位相を算出することができる。また、位相のシフト量は等間隔でなくても良い。

また、ワーク１１と照明部１０１の前記部材の相対的な位置を等間隔でシフトさせる場合には、可動機構１０３で照明部１０１を一定速度で走査しながら、カメラ１０２により一定周期で画像を撮影しても良い。この場合、照明部１０１を移動させた後に静止状態で撮影するのに比べて、照明部１０１の移動に要する加減速の時間を減らすことができる。また、画像上の縞が平滑化されることにより、高次の周波数成分による誤差を低減することができる。

図５に戻り、最後に、合成画像からワーク１１の表面上の欠陥を検出する（Ｓ１５）。合成画像で多様な欠陥が可視化されているため、この工程により多様な欠陥を検出して、例えば、精度良くワーク１１の良否判定検査をすることが可能となる。

図４は、簡単のため、レンズがテレセントリック光学系の場合について示したが、レンズが非テレセントリック光学系の場合でも、同様に周期Ｐ／２の縞状パターンが撮影される。ただし、本発明者が検討した結果、次のことが分かった。すなわち、レンズが非テレセンの場合、照明部１０１の前記部材とワーク１１の相対的な位置をΔＸ_ｉだけ移動させたとき、位相が４πΔＸ_ｉ／Ｐラジアンでシフトするが、画像上の縞の周期がＰ／２とならないノイズ成分が発生しうる。その理由は、ワークに向かう光束とワークからの光束とがそれぞれ異なる倍率となるからである。このようなノイズ成分が存在すると、ワーク１１の表面が正常な部分でも、合成画像上に縞状の強度ノイズが発生してしまう。

本発明者が検討した結果、このようなノイズ成分を低減する方法として、３つの方法が有効であることが分かった。

第１の方法は、非透過部１０１ｂの幅と周期Ｐの比（後者に対する前者の割合）を３３％以上６７％以下に、好ましくは非透過部１０１ｂの幅と周期Ｐの比を１にする（透過部１０１ａと非透過部１０１ｂの幅を同じにする）ことである。図６を用いてその理由を説明する。透過部１０１ａと非透過部１０１ｂが周期Ｐで交互に配置された照明部１０１について、照明光の強度分布をフーリエ級数展開すると、周期Ｐだけでなく、高次の周波数成分が発生する。これは、透過部が空間ないし開口である場合も含んだ、複数の非透過部を間隔を空けつつ周期Ｐで配置したと規定した部材でも同様である。照明光の光強度分布に２次で変化する成分（照明部１０１の前記部材とワーク１１との相対的な位置を１ピッチ移動させると、２周期位相がシフトする周波数成分）が存在すると、次のようになる。すなわち、照明部１０１の前記部材とワーク１１の相対的な位置をΔＸ_ｉだけ移動させたときに、位相が４πΔＸ_ｉ／Ｐラジアンでシフトするノイズ成分となる。図６には、透過部１０１ａの幅と周期Ｐの比が２０％（点線）、３３％（破線）、５０％（実線）の例が示してある。透過部１０１ａの幅と周期Ｐの比が２０％の場合、１次の周波数成分（照明部１０１の前記部材とワーク１１との相対的な位置を１ピッチ移動させると、１周期位相がシフトする周波数成分）の大きさを０．３７とすると、２次の周波数成分が０．３０も発生する。一方、透過部１０１ａの幅と周期Ｐの比が３３％の場合、１次の周波数成分の大きさを０．５５とすると、２次の周波数成分の大きさは０．２８となり、１次の周波数成分の半分に抑えられる。透過部１０１ａの幅と周期Ｐの比が５０％の場合、２次の周波数成分はゼロとなる。したがって、透過部１０１ａの幅と周期Ｐの比を３３％以上６７％以下に、好ましくは透過部１０１ａの幅と非透過部１０１ｂの幅の比を１にすることにより、ノイズ成分の発生を低減することができる。好ましい範囲を、周期Ｐに対する非透過部１０１ｂの幅の割合が３３％以上６７％以下の範囲と規定しても同じことである。

第２の方法は、透過部１０１ａ及び非透過部１０１ｂとワーク１１の表面との距離をＤとしたとき、カメラ１０２のフォーカス位置をワーク表面から±Ｄ／２以内に合わせること、好ましくは、ワーク１１の表面に合わせることである。フォーカスがワーク１１の表面からずれるに伴い、ワーク１１と照明部１０１の前記部材の相対的な位置をΔＸ_ｉだけ移動させたとき、位相が４πΔＸ_ｉ／Ｐラジアンでシフトし、周期Ｐ／２で発生するシグナルの成分が小さくなる。一方、フォーカスが照明部１０１またはワークに写り込んだ照明部の像に近くなるほど、位相が４πΔＸ_ｉ／Ｐラジアンでシフトするが、画像上の縞の周期がＰ／２とならないノイズ成分が大きくなる。したがって、カメラのフォーカスをワーク表面から±Ｄ／２以内に合わせること、好ましくは、ワーク１１の表面に合わせることにより、ノイズ成分の発生を低減することができる。

なお、ワーク１１の表面が平面の場合、フォーカスをワーク１１に写り込んだ照明部１０１の像に合わせると、次のようになる。すなわち、ワーク１１と照明部１０１の前記部材との相対的な位置をΔＸ_ｉだけ移動させたとき、位相が２πΔＸ_ｉ／Ｐラジアンでシフトする周波数成分が支配的となる。この場合、位相が２πΔＸ_ｉ／Ｐラジアンでシフトする周波数成分の情報から振幅画像や位相画像などの合成画像を生成することは可能である。しかし、この場合にはフォーカスがワーク１１の表面に合っていないため、解像力の低下によりキズや点状欠陥などのワーク表面上の微細な欠陥を高いコントラストで可視化することができない。また、ワーク１１の表面が曲面の場合、ワークが凸ミラーまたは凹ミラーとして作用するため、ワークに写り込んだ照明部の像の全領域にピントを合わせるためには、照明部も曲面にする必要があるが、曲面状の照明部の製作は容易ではない。

第３の方法は、Ｄ×ｔａｎ（ａｓｉｎ（ＮＡ））／Ｐ≧０．３５とすること、好ましくはＤ×ｔａｎ（ａｓｉｎ（ＮＡ））／Ｐ＝１．１１とすることである。図７を用いてその理由を説明する。図７は、透過部１０１ａの幅と周期Ｐの比が４０％で、フォーカスがワーク１１の表面上に合わせられた場合において、Ｄ×ｔａｎ（ａｓｉｎ（ＮＡ））／Ｐと各周波数成分の大きさの関係を示した図である。図７はカメラ１０２の瞳が円形であるとして計算したグラフである。ノイズ成分１は照明光の強度分布の２次の周波数成分に起因し、ノイズ成分２は照明光の強度分布の１次と３次の差周波成分に起因する。

図７から、ノイズ成分の大きさは、Ｄ×ｔａｎ（ａｓｉｎ（ＮＡ））／Ｐが増加するとともに、振動しながら低減することが分かる。最も影響が大きいノイズ成分１に関して、Ｄ×ｔａｎ（ａｓｉｎ（ＮＡ））／Ｐ≧０．３５とすれば、Ｄ×ｔａｎ（ａｓｉｎ（ＮＡ））／Ｐ＝０の場合と比較して、その影響を半分以下に低減することができる。さらに、Ｄ×ｔａｎ（ａｓｉｎ（ＮＡ））／Ｐ＝１．１１とすれば、ノイズ成分１及びノイズ成分２の両方について、その大きさをゼロにすることができる。したがって、Ｄ×ｔａｎ（ａｓｉｎ（ＮＡ））／Ｐ≧０．３５とすること、好ましくはＤ×ｔａｎ（ａｓｉｎ（ＮＡ））／Ｐ＝１．１１とすることにより、ノイズ成分の発生を低減することができる。なお、Ｄ×ｔａｎ（ａｓｉｎ（ＮＡ））／Ｐ＝１．１１でノイズ成分が最小となるのは、カメラ１０２の瞳が円形の場合であり、瞳が正方形の場合は、Ｄ×ｔａｎ（ａｓｉｎ（ＮＡ））／Ｐ＝１でノイズ成分が最小となる。

図４から分かるように、１次元の計算ではＤ×ｔａｎ（ａｓｉｎ（ＮＡ））／Ｐ＝１でノイズ成分が最小となる。一方、２次元の計算では、円形絞りの場合にはＤ×ｔａｎ（ａｓｉｎ（ＮＡ））／Ｐ＝１．１１でノイズ成分が最小となる。

次に図８を用いて、ワークの表面が少なくとも部分的に曲面で、曲率半径が方向によって異なるワークの場合に、ワーク１１と照明部１０１の好適な配置関係について説明する。図８（ａ）には、ワーク１１の表面が半円筒形状の場合について、ワーク１１の表面形状を図示している。図８（ｂ）は、半円筒形状のワーク１１の母線（曲面の曲率半径が大きい方向）と、透過部１０１ａ及び非透過部１０１ｂのラインと直交する方向（第２の方向とする）とが平行な場合に、カメラ１０２で撮影される画像を示した図である。この条件では、カメラ１０２で撮影された画像における縞状のパターンは均一な周期となる。一方、図８（ｃ）は、半円筒形状のワーク１１の母線と第２の方向とが直交する場合に、カメラ１０２で撮影される画像を示した図である。この条件では、カメラ１０２で撮影された画像における縞状のパターンの周期は不均一となる。特に、カメラ１０２に対してワーク１１の表面の傾きが大きな部分で縞状のパターンが密となり、カメラ１０２で十分にパターンが解像できなくなる。また、本発明者が検討した結果、第２の方向に対してワーク１１の表面の傾き変化が大きい場合には、大きなノイズ成分が発生することが分かった。このため、ワークの表面が少なくとも部分的に曲面で、曲率半径が方向によって異なる場合には、曲率半径が大きい方向と第２の方向とが平行になるようにワーク１１を配置した状態で、画像を撮影することが望ましい。

本実施形態の光学評価装置１は、ワーク１１の表面に関する情報を含む合成画像を生成し、合成画像から欠陥を検出して、例えば、ワーク１１の良否判定検査を実施する。しかし、本発明の光学評価装置１などの装置の用途は、ワーク１１の表面上の欠陥検出に限定されない。例えば、本発明を適用できる装置は、ワーク１１の表面の傾きの情報を含む位相画像の情報を用いて、ワーク表面の形状計測に使用しても良い。また、本発明を適用できる装置は、ワークの表面の散乱性に関する情報を含む振幅画像の情報を用いて、光沢度の計測に使用しても良い。

＜第２実施形態＞
次に第２実施形態の光学評価装置について、説明する。第２実施形態の光学評価装置は、照明部が異なる他は、第１実施形態の光学評価装置と同様である。

図９は、第２実施形態の光学評価装置の照明部２０１について説明するための図である。照明部２０１は、ライン状の透過部２０１ａ及びライン状の非透過部２０１ｂを含み、透過部２０１ａと非透過部２０１ｂは周期Ｐで交互に配置されている部材を含む。透過部２０１ａ及び非透過部２０１ｂは、例えば金属プレートにライン状の開口を設けることで実現しうる。この場合、透過部２０１ａはライン状の開口ないし空間となる。透過部２０１ａと非透過部２０１ｂは、枠部２０１ｃによって保持されている。透過部２０１ａ及び非透過部２０１ｂは、不図示の可動機構によって、ラインと直交する方向に移動可能となっている。

照明部２０１は、さらにハーフミラー２０１ｄと面状光源２０１ｅを含む。面状光源２０１ｅから射出された光の一部は、ハーフミラー２０１ｄによって反射され、透過部２０１ａ（透過部が空間ないし開口である場合、非透過部の間と表現することもできる）を透過してワーク１１を縞状に照明する。ワーク１１で反射・散乱された光の一部は、再び透過部２０１ａを透過して、カメラによって撮影される。

第２実施形態の照明部２０１は、ハーフミラー２０１ｄが必要で、第１実施形態の照明部１０１よりも、やや大型となる。また、第１実施形態の照明部１０１では、非透過部１０１ｂが多様な方向に光を散乱する２次光源として機能するのに対して、第２実施形態の照明部２０１では、透過部２０１ａを透過してワークを照明する光は指向性を有する。ワーク１１の表面の広い範囲から指向性を有する光の鏡面反射光を得るために、第２実施形態では、カメラに被写体側テレセントリック光学系を用いることが望ましい。

１ ： 光学評価装置（画像処理装置）
１１ ： ワーク（被検物）
１０１ ： 照明部
１０１ａ： 透過部
１０１ｂ： 非透過部
１０２ ： カメラ（撮影部）
１０３ ： 可動機構（駆動部）
１０５ ： ＰＣ（画像処理部）

Claims (23)

1. 第１の方向に長く、入射光のうち少なくとも一部を透過しない複数の非透過部を、前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って間隔を空けつつ周期Ｐで配置した部材を用いて、被検物に縞状の光を投影する照明部と、
   前記照明部によって縞状の光が投影された前記被検物の画像を撮影する撮影部と、
   前記照明部で撮影されるＮ枚の複数の画像を処理して前記被検物の表面に関する情報を含む処理画像を生成する画像処理部と、
   前記部材と前記被検物を前記第２の方向へ相対的に変位させる駆動部と、
   を含み、
   前記撮影部は、前記部材を介して前記被検物を撮影するように設けられ、
   前記駆動部により、前記部材と前記被検物が、互いに相違する（前記周期Ｐの整数倍の相違を除く）変化量ΔＸ_ｉ（ｉ＝１,２,…Ｎ）、前記第２の方向へ相対的に変位させられるときに、前記撮影部は、それぞれ撮影を行い、前記Ｎ枚の画像を取得する
   ことを特徴とする画像処理装置。
2. 前記画像処理部は、位相が４πΔＸ_ｉ／Ｐラジアンでシフトする周波数成分の強度変化に関する情報を用いて、前記Ｎ枚の画像から前記処理画像を生成する
   ことを特徴とする請求項１に記載の画像処理装置。
3. 前記画像処理部は、前記強度変化の情報から、前記周波数成分の振幅と位相と位相差とのうちの少なくとも１つを取得して、前記処理画像として振幅画像と位相画像と位相差画像とのうちの少なくとも１つを生成する
   ことを特徴とする請求項２に記載の画像処理装置。
4. 前記撮影部のフォーカス位置が、前記被検物の表面と前記部材との距離をＤとしたとき、前記被検物の表面から±Ｄ／２以内の位置に設定される
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の画像処理装置。
5. 前記撮影部の物体側ＮＡと前記被検物から前記部材までの距離Ｄとが
   Ｄ×ｔａｎ（ａｓｉｎ（ＮＡ））／Ｐ ≧ ０．３５
   の式を満たす
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の画像処理装置。
6. 前記周期Ｐに対する前記非透過部の幅の割合が３３％以上６７％以下の範囲である
   ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の画像処理装置。
7. 前記撮影部は被写体側テレセントリック光学系を含む
   ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の画像処理装置。
8. 前記撮影部は非テレセントリック光学系を含む
   ことを特徴とする請求項４乃至６の何れか１項に記載の画像処理装置。
9. 前記照明部は、前記部材、及び前記部材を取り囲む領域に配置された光源を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の画像処理装置。
10. 前記照明部は、前記部材、ハーフミラー、及び光源を有し、
    前記光源から射出された光の一部は、前記ハーフミラーによって反射され、前記非透過部の間を透過して前記被検物を縞状に照明し、前記被検物で反射・散乱された光の一部は、前記非透過部の間を透過して、前記撮影部によって撮影される
    ことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の画像処理装置。
11. 前記被検物の表面は少なくとも部分的に曲面であり、前記第２の方向と、前記曲面の曲率半径が大きい方向と、が平行になるように前記被検物が配置された状態で、前記撮影部は前記Ｎ枚の画像を撮影する
    ことを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の画像処理装置。
12. 前記画像処理部は、前記処理画像に基づいて、光沢性のある前記被検物の表面を光学的に評価する
    ことを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の画像処理装置。
13. 前記画像処理部は、前記処理画像に基づいて、前記被検物の表面上にある欠陥を検出する
    ことを特徴とする請求項１２に記載の画像処理装置。
14. Ｎ≧３である
    ことを特徴とする請求項１乃至１３の何れか１項に記載の画像処理装置。
15. 第１の方向に長く、入射光のうち少なくとも一部を透過しない複数の非透過部を、前記第１の方向と交差する第２の方向に沿って間隔を空けつつ周期Ｐで配置した部材を用いて、被検物に縞状の光を投影する照明部によって、縞状の光を前記被検物に投影し、前記部材を介して前記被検物の画像を撮影する撮影工程と、
    前記第２の方向へ前記部材と前記被検物を相対的に変位させる変位工程と、
    前記変位工程で前記部材と前記被検物を相対的に変位させるごとに前記撮影工程で撮影して取得したＮ枚の複数の画像を処理して、前記被検物の表面に関する情報を含む処理画像を生成する画像処理工程と、
    を含み、
    前記変化工程における前記相対的な変位が、互いに相違する（前記周期Ｐの整数倍の相違を除く）変化量ΔＸ_ｉ（ｉ＝１,２,…Ｎ）であるときに、前記撮影工程において、それぞれ撮影を行い、前記Ｎ枚の画像を取得する
    ことを特徴とする画像処理方法。
16. 前記画像処理工程において、位相が４πΔＸ_ｉ／Ｐラジアンでシフトする周波数成分の強度変化に関する情報を用いて、前記Ｎ枚の画像から前記処理画像を生成する
    ことを特徴とする請求項１５に記載の画像処理方法。
17. 前記画像処理工程では、前記強度変化の情報から、前記周波数成分の振幅と位相と位相差とのうちの少なくとも１つを取得して、前記処理画像として振幅画像と位相画像と位相差画像とのうちの少なくとも１つを生成する
    ことを特徴とする請求項１６に記載の画像処理方法。
18. 前記撮影工程におけるフォーカス位置が、前記被検物の表面と前記部材との距離をＤとしたとき、前記被検物の表面から±Ｄ／２以内の位置に設定される
    ことを特徴とする請求項１５乃至１７の何れか１項に記載の画像処理方法。
19. 前記周期Ｐに対する前記非透過部の幅の割合が３３％以上６７％以下の範囲である
    ことを特徴とする請求項１５乃至１７の何れか１項に記載の画像処理方法。
20. 前記被検物の表面は少なくとも部分的に曲面であり、
    前記第２の方向と、前記曲面の曲率半径が大きい方向と、が平行になるように前記被検物が配置された状態で、前記撮影工程において前記Ｎ枚の画像を撮影する
    ことを特徴とする請求項１５乃至１９の何れか１項に記載の画像処理方法。
21. 前記処理画像に基づいて、光沢性のある前記被検物の表面を光学的に評価する評価工程を有する
    ことを特徴とする請求項１５乃至２０の何れか１項に記載の画像処理方法。
22. 前記評価工程において、前記処理画像に基づいて、前記被検物の表面上にある欠陥を検出する
    ことを特徴とする請求項２１に記載の画像処理方法。
23. Ｎ≧３である
    ことを特徴とする請求項１５乃至２２の何れか１項に記載の画像処理方法。

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