JP2023156980A - 形状情報取得装置 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物が透明物であってもワーク表面の形状情報を効率的に精度よく取得する。【解決手段】所定の周期方向に周期ｆ１の輝度分布を有するパターン照明２（照明手段）と、所定の周期方向に周期ｆ２の透過率分布を有するマルチスリット７（透過型光学素子）と、ワーク表面１０ａを撮影可能なラインセンサカメラ５及びレンズ４（撮影手段）と、が設けられている。そして、周期ｆ１の周期方向と、ワーク表面１０ａに対して鏡像位置に折り返した周期ｆ２の周期方向と、が平行になるように構成されている。さらに、パターン照明２とワーク表面１０ａとの光軸方向の距離をａとして、ワーク表面１０ａとマルチスリット７との光軸方向の距離をｂとしたときに、ｂ＝ａ×ｆ２／ｆ１なる関係が成立するように構成されている。【選択図】図１

Description

この発明は、平板状、円筒状、円柱状などの形状からなる対象物のワーク表面の形状情報を取得する形状情報取得装置に関するものである。

従来から、対象物のワーク表面（検査面）の形状情報を取得する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

一方、特許文献１には、被検物（対象物）の表面（ワーク表面）における比較的広い範囲を光学的に検査することを目的として、周期的な非透過部を持つ部材によって縞状の光を投影して、その部材を通して被検物を撮影することで、被検物の表面情報を取得する技術が開示されている。

特許文献１の技術は、対象物のワーク表面におけるサブミクロンオーダーの凹凸に対しても、高い感度で焦点を合わせて撮影できるため、高い感度と空間分解能とで表面情報を取得可能であることが、ある程度期待できる。
しかし、特許文献１の技術は、ワーク表面に対して同軸落射をおこなっているため、対象物が透明物である場合に、その表面情報を取得しにくかった。また、設定可能な感度範囲がレンズの開口数によって決まるため、ワーク表面に対する計測可能なレンジが狭かった。すなわち、対象物が透明物であるときにワーク表面の形状情報を高速、高感度、高分解能で取得することができず、ワーク表面に対する計測可能なレンジも狭かった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、対象物が透明物であってもワーク表面の形状情報を効率的に精度よく取得することができる、形状情報取得装置を提供することにある。

この発明における形状情報取得装置は、対象物のワーク表面の形状情報を取得する形状情報取得装置であって、所定の周期方向に周期ｆ１の輝度分布を有するとともに、前記ワーク表面に対して所定の入射角で照明光を照射可能な照明手段と、前記ワーク表面で反射した前記照明光の正反射光に正対するとともに、所定の周期方向に周期ｆ２の透過率分布を有する透過型光学素子と、前記透過型光学素子を透過した前記正反射光を受光可能に配置されて、前記ワーク表面を撮影可能な撮影手段と、を備え、前記周期ｆ１の周期方向と、前記ワーク表面に対して鏡像位置に折り返した前記周期ｆ２の周期方向と、が平行になるように構成され、前記照明手段と前記ワーク表面との光軸方向の距離をａとして、前記ワーク表面と前記透過型光学素子との光軸方向の距離をｂとしたときに、
ｂ＝ａ×ｆ２／ｆ１
なる関係が成立するものである。

本発明によれば、対象物が透明物であってもワーク表面の形状情報を効率的に精度よく取得することができる、形状情報取得装置を提供することができる。

この発明の実施の形態１における形状情報取得装置を示す構成図である。 （Ａ）明暗パターンが生じる原理を説明するための図と、（Ｂ）ワークの傾きによって明暗が変化する原理を説明するための図と、である。 図２の原理の説明を補完するための図である。 ワーク表面の形状情報を取得する制御を示すフローチャートである。 実施の形態２における形状情報取得装置を示す構成図である。 実施の形態３における形状情報取得装置を示す構成図である。 実施の形態４における形状情報取得装置を示す構成図である。 図７の形状情報取得装置においてワーク表面の形状情報を取得する制御を示すフローチャートである。

以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

＜実施の形態１＞
まず、図１にて、形状情報取得装置１における全体の構成・動作について説明する。
図１を参照して、形状情報取得装置１は、対象物としてのワーク１０のワーク表面１０ａの形状情報を取得するための検査装置である。具体的に、図１（Ｂ）の矢印方向（－Ｙ方向）に移動可能な並進ステージ１１上にセットされたワーク１０（対象物）の表面（ワーク表面１０ａ）における形状（表面傾きや表面高さ（凹凸高さ）などである。）が、形状情報取得装置１によって測定（検査）されて、その測定結果が情報として取得されることになる。

図１に示すように、実施の形態１における形状情報取得装置１は、照明手段としてのパターン照明２、透過型光学素子としてのマルチスリット７、撮影手段としてのラインセンサカメラ５及びレンズ４、ワーク１０が載置される並進ステージ１１、走査手段としての走査機構２０、画像処理手段としての画像処理部２１、測定結果などを表示するためのモニター２２、などで構成されている。

パターン照明２は、ワーク１０（対象物）のワーク表面１０ａに対して所定の入射角θ（０°は含まないものと定義する。）で照明光を照射可能な照明手段として機能するものであって、所定の周期方向（Ｘ方向である。）に周期ｆ１（図１（Ａ）参照）の輝度分布を有している。具体的に、パターン照明２は、発光部と非発光部とが等幅に交互に配置されたものとなっている。
マルチスリット７は、所定の周期方向（Ｘ方向である。）に周期ｆ２（図１（Ａ）参照）の透過率分布を有する透過型光学素子であって、ワーク表面１０ａで反射した照明光の正反射光に正対するように配置されている（正反射光を受光可能に配置されている）。具体的に、マルチスリット７は、開口幅が周期ｆ２の半分になるように構成されている。すなわち、開口部（透過率１００％）と非開口部（透過率０％）とが等幅に交互に配置されたものとなっている。
ラインセンサカメラ５とレンズ４とは、ワーク表面１０ａを撮影可能な撮影手段として機能するものであって、マルチスリット７（透過型光学素子）を透過した正反射光（ワーク表面１０ａで反射した正反射光である。）を受光可能に配置されている。

このように、パターン照明２から照射された照明光は、ワーク表面１０ａに入射される。そして、ワーク表面１０ａで反射したで正反射光は、マルチスリット７を透過した後に、レンズ４を介してラインセンサカメラ５に入射されることになる。
すなわち、パターン照明２とラインセンサカメラ５（及び、レンズ４）は、ワーク表面１０ａからの正反射光を撮影するための、入射角θの斜入射正反射光学系をなしている。そして、ワーク１０とラインセンサカメラ５（及び、レンズ４）との間に、マルチスリット７が配置されている。

ここで、本実施の形態１における形状情報取得装置１は、パターン照明２（照明手段）の周期ｆ１の周期方向と、ワーク表面１０ａに対して鏡像位置に折り返したマルチスリット７の周期ｆ２の周期方向と、が平行になるように構成されている。
詳しくは、パターン照明２における輝度分布の周期ｆ１の周期方向と、マルチスリット７における透過率分布の周期ｆ２の周期方向と、はいずれもＸ方向（先に説明した斜入射正反射光学系の入射面に対して直交する方向であって、ラインセンサカメラ５の素子の並ぶ方向である。）となっているものの、図１（Ｂ）において入射角θと反射角θとを分割するワーク表面１０ａの鏡像位置で面に対して垂直となる垂直破線の部分で折り返すと、周期ｆ１の周期方向と周期ｆ２の周期方向とが平行になる。

さらに、本実施の形態１における形状情報取得装置１は、図１（Ａ）、（Ｂ）を参照して、パターン照明２（照明手段）とワーク表面１０ａとの光軸方向の距離をａとして、ワーク表面１０ａとマルチスリット７（透過型光学素子）との光軸方向の距離をｂとしたときに、
ｂ＝ａ×ｆ２／ｆ１ …（式１）
なる関係が成立するように構成されている。
これにより、ラインセンサカメラ５で撮影される画像として、明暗の周期パターン（縞パターン）を得ることができる。この明暗の周期パターンは、ワーク表面１０ａのＸ方向の傾きに応じて変化するため、ワーク表面１０ａの表面形状の情報を含む画像として観察することができる。これらについての詳しい原理は、後で図２を用いて説明する。

なお、本実施の形態１では、上述した距離ａと距離ｂとが一意に定まることから、撮影手段としてラインセンサカメラ５を用いているが、上記（式１）において多少の誤差は許容されるので撮影手段としてエリアカメラを用いてもよい。
また、本実施の形態１では、撮影画像として明暗の周期パターンを取得するために、開口部（透過率１００％）と非開口部（透過率０％）とが等幅に交互に配置されたマルチスリット７を透過型光学素子として用いたが、透過型光学素子はこれに限定されることなく（透過率１００％、０％に限定されることなく）、周期ｆ２の透過率分布を有する透過型光学素子であれば、これを用いることができる。

このように、本実施の形態１における形状情報取得装置１は、撮影画像上において明暗の周期パターンが得られるものであるが、ワーク表面１０ａの照度自体はほぼ均一であって明暗の周期パターンを投影しているわけではないので、いわゆる「パターン投影法」を用いたものとは異なることになる。
また、本実施の形態１における形状情報取得装置１は、特許文献１に記載の縞状の同軸落射照明を用いるものとは異なり、照明光をワーク表面１０ａに斜入射するものであるため、ワーク１０が透明物であったとしてもワーク表面１０ａの形状も観察可能となっていて、さらには照明光をワーク表面１０ａに直接的に照射できるため照度を稼ぐことができる。特に、本実施の形態１における形状情報取得装置１は、ワーク表面１０ａが光沢を有するワーク１０に対して、ワーク表面１０ａの形状情報を効率的に精度よく取得することが可能になる。

ここで、本実施の形態１において、パターン照明２の輝度分布と、マルチスリット７の透過率分布と、のうち少なくとも１つを、正弦波形状とすることもできる。
詳しくは、本実施の形態１において、パターン照明２の輝度分布と、マルチスリット７の透過率分布と、はいずれも、デューティが１：１の矩形（ロンキー格子型）であるが、少なくとも一方の分布を正弦波形状とすることができる。例えば、透過型光学素子として、周期ｆ２の正弦波の透過率分布を有するものを用いることができる。
その場合、撮影画像としての明暗の周期パターン（縞）のビジビリティは低下するが、縞の高次成分が低減されるため、いわゆる「縞走査法」を適用したときに生じるノイズ成分を減少させることができる。なお、「縞走査法」は、本実施の形態における形状情報取得装置１で用いられるワーク表面１０ａの形状情報を取得する方法であるが、これについては後で詳述する。

以下、図２、図３を用いて、本実施の形態１における形状情報取得装置１において、撮影画像に明暗の周期パターン（縞パターン）が生じる原理と、その明暗がワーク１０の傾きによって変化する原理と、について説明する。
先に説明したように、本実施の形態１における形状情報取得装置１は、ｂ＝ａ×ｆ２／ｆ１（式１）なる関係を満足する。そのため、図２（Ａ）に示すように、ワーク１０上の観察点Ａでは、パターン照明２の正反射光がいずれもマルチスリット７の開口部を通過して、撮影画像上では明るく映る。これに対して、ワーク１０上の観察点Ｂでは、正反射光がいずれもマルチスリット７に遮光されるため、撮影画像上では暗く映る。これが、撮影画像に明暗の周期パターンが生じる原理である。なお、明暗（縞）のＸ方向の周期は、ｆ２×ａ／（ａ＋ｂ）となる。
このような原理で撮影画像に縞が生じることから、ワーク１０に焦点を合わせても縞が不鮮明になることがない。そのため、単純なパターン照明の映り込みを利用する方法において問題となる、ワーク１０の表面傾き（ワーク表面１０ａの傾きである。）に対する感度と空間分解能とのトレードオフが生じにくくなる。
図３を参照して、ワーク１０（観察点Ａ）にＸ方向の角度φの傾き（表面傾き）がある場合、反射方向が２φ変化するため、マルチスリット７への周期方向（Ｘ方向）の入射位置は、ｂ・cosθ・tan２φだけ変化する。これにより、図２（Ｂ）に示すように、マルチスリット７の開口部を通るか、非開口部で遮光されるかが変化して、撮影画像上の縞に位相変調が生じるので、ワーク表面１０ａの表面傾きに応じた縞の変化を撮影画像として捉えることができる。
また、ワーク１０の表面傾きに対する感度が、ｂ、cosθに比例して、周期ｆ２に反比例することから、ワーク表面１０ａの傾きに対する感度をこれらのパラメータによってコントロールすることができる。感度が過剰で縞の位相変調量が大きい場合、縞が潰れてしまい「縞走査法」によるワーク表面形状の定量計測ができなくなる。特許文献１に記載の縞状の同軸落射照明を用いるものでは、ｂ／ｆ２がレンズの開口数（ＮＡ）により制限されるため感度過剰を解消できないことがあるが、本実施の形態における「縞走査法」によればcosθにより感度を自由に設定することができる。

以下、さらに従来技術と本発明との関係について、補足的に説明する。
本実施の形態１（本発明）における形状情報取得装置１は、周期ｆ１の輝度分布を持つパターン照明２からの光をワーク表面１０ａに照射して、その正反射光を周期ｆ２の透過率分布を持つマルチスリット７を通してレンズ４によりラインセンサカメラ５に結像するものである。本実施の形態１では、ワーク１０のワーク表面１０ａが平面であるため、並進ステージ１１を用いてワーク１０をＹ方向に移動しながら、ワーク表面１０ａの全面を撮影している。
この方法は、従来の三角測量を原理とした「パターン投影法」と異なり、ワーク表面１０ａの微小な傾斜を光テコを用いて検出するため感度が高い。また、従来から、傾斜を光テコを用いて検出する手法として「映り込み法」があるが、「映り込み法」はワークと照明パターンとの両方を解像する必要があるため、ワークの表面傾きへの感度を犠牲にしてパターン照明の周期を大きくするか、面方向分解能を犠牲にしてパターン照明とワークとの中間にピントを合わせる必要がある。これに対して、本実施の形態１では、照明を解像せずに縞を生じさせるため、ワーク１０のみにピントを合わせればよく、感度と面方向分解能とを両立することが可能になる。
本実施の形態１では、上述したような撮影手法と縞の位相を解析する縞走査法とを組み合わせたものとなっており、得られた定量的な傾斜情報を積分することで、サブミクロン精度の表面高さ情報を取得することができる。

また、本実施の形態１における形状情報取得装置１は照明光が斜入射となる構成であるため、入射光と反射光とが同軸上となる構成である特許文献１のものと比較して、以下の利点が得られる。
（１）特許文献１のものは、レンズＮＡに対してマルチスリットのパターン周期ｆ２と距離ｂとの比が一定以下である（ｂ×tan(asin(NA))／ｆ２≧0.35(
好ましくは=1.1)を満たす。）ことが重要であって、それを満足しないときにはノイズ成分が非常に強く出てしまう。このｂ／ｆ２はワーク表面の形状に対する感度であることから、一定以下に感度を下げられず、表面凹凸の大きい傾斜には対応できないということになる。これに対して、本実施の形態１のものは照明光が斜入射であって、ワーク表面の形状に対する感度が、ｂ／ｆ２× cosθとなるため、入射角度θをコントロールすることで幅広いレンジの傾斜形状に対応することができる。なお、特許文献１のものは、入射・反射光が同軸であるため（垂直入射であるため）、入射角度θ= ０°となる。
（２）透明なワーク（対象物）である場合、特許文献１のものはワーク内部から返ってくる光により表面の形状情報にノイズが生じてしまうが、本実施の形態１のものは斜入射であるためワーク内部から返ってくる光が比較的少なくなり、表面の形状情報のノイズが低減される。
（３）本実施の形態１における透過型光学素子（マルチスリット７）は、レンズ４の瞳径を覆う程度の大きさがあれば良いため、縞走査のため透過型光学素子（マルチスリット７）を走査する走査機構２０をコンパクト小型化・軽量化することができる。具体例として、レンズ４が非テレセントリックレンズであれば、マルチスリット７は数ｃｍ角もあれば充分であり、走査機構２０をコンパクト小型化・軽量化することができる。また、周期ｆ１に対して周期ｆ２を大きくすることで距離ａを小さくして照度を稼ぎつつ、距離ｂを大きくして走査機構２０をワーク１０から充分に離れた位置に配置することができる。
（４）特許文献１のものは、入射・反射光が同軸であるため、導光板やハーフミラーを使用することで光量が落ちてしまい、ワークが円柱状や円筒状である場合に、ラインセンサカメラによる撮影がしにくくなる。これに対して、本実施の形態１のものは斜入射であるため、ワークが円柱状や円筒状であっても、ワーク表面に直接照明することができて、高い照度が得られて、ラインセンサカメラによる撮影を良好におこなうことができる。

ここで、図１を参照して、形状情報取得装置１には、パターン照明２の周期ｆ１の輝度分布と、マルチスリット７の周期ｆ２の透過率分布と、のうち少なくとも１つを、対応する周期方向（Ｘ方向である。）に走査可能な走査手段としての走査機構２０が設けられている。
具体的に、本実施の形態では、マルチスリット７（透過型光学素子）を周期ｆ２の周期方向に沿って走査する走査機構２０が設けられている。このような走査機構２０としては、例えば、ピニオン・ラック機構を用いることができる。
そして、このような走査機構２０によってマルチスリット７を周期方向に移動させて、先に図２、図３を用いて説明したように撮影画像上の縞に位相変調を生じさせることになる。
なお、本実施の形態１では、マルチスリット７の周期ｆ２の透過率分布を周期方向に走査するように構成したが、パターン照明２の周期ｆ１の輝度分布を周期方向に走査するように構成することもできるし、双方の分布をそれぞれ周期方向に走査するように構成することもできる。

また、図１を参照して、形状情報取得装置１には、ラインセンサカメラ５（撮影手段）で撮影したワーク表面１０ａの画像（デジタル画像である。）を演算処理する画像処理手段としての画像処理部２１が設けられている。
そして、走査機構２０によるマルチスリット７の走査をおこないながら、画像処理部２１でワーク表面１０ａの表面傾きと表面高さとのうち少なくとも１つが算出されることになる。
具体的に、走査機構２０（走査手段）による走査をおこなったときに画像処理部２１（画像処理手段）によって演算処理された結果に基づいて縞走査法によって求められる位相変調量と、ワーク表面１０ａの表面傾きと、の比例係数からワーク表面１０ａの３次元形状が取得されることになる。そして、その取得された結果がモニター２２に表示されることになる。
なお、画像処理部２１とモニター２２とは、パソコンなどで一体的に構成することができる。

ここまで説明した縞走査法をおこなうための光学系は、ワーク表面の傾きに応じて明暗変化があり、ワーク表面の凹凸の有無を判別できるが、定量的に形状を計測はしていない。しかし、本実施の形態１における形状情報取得装置１は、先に図２の、図３を用いて説明した原理から、明暗変化の位相変調量が表面の傾きφに対して、２π・ｂ・cosθ・tan２φ／ｆ２と計算される。このことから、明暗変化の位相変調量を定量的に得られれば表面傾きφを定量計測することができて、そこから高さ形状（表面高さ）を定量計算することができる。そこで、ワーク１０とラインセンサカメラ５との間のマルチスリット７を、その周期方向に平行移動させる走査機構２０と、複数枚の画像を撮影して、それらを画像処理する画像処理部２１と、が設けられている。これにより縞走査法を用いることができて、明暗変化の位相を計算することができる。このように、本実施の形態１における形状情報取得装置１は、縞走査法を用いたものではあるものの、その縞走査法は従来のものとは異なるものとなっている。

以下、図４を用いて、ワーク表面１０ａの形状情報を取得する制御について説明する。
まず、走査機構２０を用いた縞走査のステップ数Ｎ（Ｎ≧３）を定めて、走査機構２０によってマルチスリット７を周期方向にその周期の１／ＮずつずらしてＮ枚の画像を撮影する（ステップＳ１、Ｓ２）。
そして、Ｎ枚の画像撮影が終了した後、画像処理部２１でｎ（１～Ｎ）枚目の画像の各画素値に、複素数exp(－i2π(n－1)/N)を掛ける（ステップＳ３）。その後、それらＮ枚の画像を、対応する画素ごとに足し合わせる（ステップＳ４）。さらに、ステップＳ４で足し合わせた画像の画素ごとに複素数の偏角を計算することで、その画素の明暗変化の位相を得る（ステップＳ５）。ここまで（ステップＳ１～Ｓ５）が、縞の画像から縞の位相を定量的に計算する一般的な縞走査法となる。
その後、ステップＳ５で得られた位相は２πにラップされているため、隣接画素の位相の差の絶対値が－π以上π未満の場合、画素ごとに２πの整数倍の適切な値を足して隣接画素の位相の差が－π以上π未満になるように位相アンラップ処理をする（ステップＳ６）。
そして、ステップＳ６で処理した位相から、ワーク表面１０ａに傾きがない場合の位相（又は、その推定値）を引き、ワーク表面１０ａの傾き形状による位相変調分を求める（ステップＳ７）。
そして、ステップＳ７で求めた位相変調分に感度係数を掛けることで、感度方向の表面傾きに変換する（ステップＳ８）。
そして、ステップＳ８で算出したワーク表面１０ａの表面傾きに、周期方向（Ｘ方向）の画素サイズを掛けて、その周期方向に累積和をとることで、表面高さに変換する（ステップＳ９）。このようにして、ワーク表面１０ａの形状情報が取得されることになる。その後、移動機構３０を備える並進ステージ１１を用いてワーク１０をＹ方向に移動して、再び同様の制御でワーク表面１０ａの全面が撮影されるまで繰り返す。
なお、本実施の形態１では、一方向の傾きから高さを計算しているため、Ｘ方向に感度があり、Ｙ＝０となり、そこからの一方向の相対的な高さになる。そのため、表面検査などで形状の断面プロファイルが取れれば良い場合はこれで問題ないが、ＸＹ方向の２次元的に正しい高さを計算する必要がある場合は、Ｘ方向に感度がある構成と、Ｙ方向に感度がある構成（例えば、後述する図５の構成である。）と、の両構成で撮影して情報を合成するか、又は、表面高さ０となる位置の本来の高さを別途変位計などを用いて計測して補正するか、することになる。

以上説明したように、本実施の形態１における形状情報取得装置は、ワーク１０（対象物）のワーク表面１０ａの形状情報を取得する形状情報取得装置１であって、所定の周期方向に周期ｆ１の輝度分布を有するとともに、ワーク表面１０ａに対して所定の入射角θで照明光を照射可能なパターン照明２（照明手段）が設けられている。また、ワーク表面１０ａで反射した照明光の正反射光に正対するとともに、所定の周期方向に周期ｆ２の透過率分布を有するマルチスリット７（透過型光学素子）が設けられている。さらに、ワーク表面１０ａを撮影可能なラインセンサカメラ５及びレンズ４（撮影手段）が、マルチスリット７を透過した正反射光を受光可能に配置されている。そして、周期ｆ１の周期方向と、ワーク表面１０ａに対して鏡像位置に折り返した周期ｆ２の周期方向と、が平行になるように構成されている。さらに、パターン照明２とワーク表面１０ａとの光軸方向の距離をａとして、ワーク表面１０ａとマルチスリット７との光軸方向の距離をｂとしたときに、
ｂ＝ａ×ｆ２／ｆ１
なる関係が成立するように構成されている。
これにより、ワーク１０（対象物）が透明物であってもワーク表面１０ａの形状情報を高速、高感度、高分解能で取得することができて、ワーク表面１０ａに対する計測可能なレンジを広くすることができる。すなわち、ワーク１０が透明物であってもワーク表面１０ａの形状情報を効率的に精度よく取得することができる。

＜実施の形態２＞
図５に示すように、実施の形態２における形状情報取得装置１は、パターン照明２（照明手段）における周期ｆ１の周期方向と、マルチスリット７（透過型光学素子）における周期ｆ２の周期方向と、がそれぞれ図１のものに対して直交するように構成されている。
すなわち、実施の形態２における形状情報取得装置１は、Ｘ方向の傾きに感度がある構成となっている前記実施の形態１における形状情報取得装置１とは異なり、Ｙ方向の傾きに感度がある構成となっている。
具体的に、実施の形態２における形状情報取得装置１は、図1に示す前記実施の形態１における形状情報取得装置１に対して、パターン照明２とマルチスリット７との周期方向が光軸周りに９０°回転したものとなっている。また、本実施の形態２における走査装置２０は、マルチスリット７を周期方向（Ｙ方向）に走査するものとなっている。
このように構成した場合には、空間的な明暗（縞）がラインセンサカメラ５の素子の並ぶ方向と直交するため、ラインセンサカメラ５の撮影画像上で空間的な縞を確認することができない。しかし、縞の位相変調に応じた明暗の変化は撮影画像上に生じるので、ワーク表面１０ａのＹ方向の傾きに応じた明暗変化が得られる。
ただし、ワーク表面１０ａの傾きによるマルチスリット７への周期方向の入射位置の変化が、前記実施の形態１のもののようにｂ・cosθ・tan２φではなく、b・tan2φとなる。そのため、図２、図３を用いて説明した感度の設定自由度は少なくなってしまう。したがって、そのようなデメリットを解消するために、Ｘ方向に感度がある前記実施の形態１における構成を、本実施の形態２におけるＹ方向に感度がある構成に組み合わせることもできる。
なお、本実施の形態２においても、先に図４を用いて説明した制御をおこなうことができるが、その場合に、Ｙ方向に感度がある構成であることから、図４のステップＳ８において位相変調分に掛けられる感度係数は、ｆ２／４π・ｂとなる。これは、Ｘ方向に感度がある構成の場合は、明暗の位相の変化が ２πbcosθtan２φ／ｆ２であって、表面傾きが小さい時tan2φ≒２φであることから、感度係数がｆ２／４・π・ｂcosθとなるためである。

以上説明したように、本実施の形態２における形状情報取得装置は、ワーク１０（対象物）のワーク表面１０ａの形状情報を取得する形状情報取得装置１であって、所定の周期方向に周期ｆ１の輝度分布を有するとともに、ワーク表面１０ａに対して所定の入射角θで照明光を照射可能なパターン照明２（照明手段）が設けられている。また、ワーク表面１０ａで反射した照明光の正反射光に正対するとともに、所定の周期方向に周期ｆ２の透過率分布を有するマルチスリット７（透過型光学素子）が設けられている。さらに、ワーク表面１０ａを撮影可能なラインセンサカメラ５及びレンズ４（撮影手段）が、マルチスリット７を透過した正反射光を受光可能に配置されている。そして、周期ｆ１の周期方向と、ワーク表面１０ａに対して鏡像位置に折り返した周期ｆ２の周期方向と、が平行になるように構成されている。さらに、パターン照明２とワーク表面１０ａとの光軸方向の距離をａとして、ワーク表面１０ａとマルチスリット７との光軸方向の距離をｂとしたときに、
ｂ＝ａ×ｆ２／ｆ１
なる関係が成立するように構成されている。
これにより、ワーク１０（対象物）が透明物であってもワーク表面１０ａの形状情報を高速、高感度、高分解能で取得することができて、ワーク表面１０ａに対する計測可能なレンジを広くすることができる。すなわち、ワーク１０が透明物であってもワーク表面１０ａの形状情報を効率的に精度よく取得することができる。
また、本実施の形態２における形状情報取得装置１は、先に述べたように走査機構２０がコンパクト化されるとともに、算出した形状に乗るノイズを小さくすることができる。

＜実施の形態３＞
図６に示すように、実施の形態３における形状情報取得装置１は、照明手段としての照明装置１２が、照明としてのバー照明１３と、第２透過型光学素としての照明用マルチスリット１４と、で構成されている点が、前記実施の形態１のものと相違する。
ここで、バー照明１３は、均一な輝度分布を有する一般的な照明である。
また、第２透過型光学素としての照明用マルチスリット１４は、周期方向（Ｘ方向）に周期ｆ１の透過率分布を有するとともに、ワーク表面１０ａとの光軸方向の距離がａ（式１参照）になるようにバー照明１３とワーク表面１０ａとの間に配置されている。具体的に、本実施の形態２では、第２透過型光学素子として、開口部（透過率１００％）と非開口部（透過率０％）とが等幅に交互に配置された照明用マルチスリット１４を用いている。
そして、このように構成されたバー照明１３と照明用マルチスリット１４とからなる照明装置１２は、周期方向（Ｘ方向）に周期ｆ１の輝度分布を有する照明手段となる。このような場合、照明用マルチスリット１４の開口部が、仮想的なパターン光源として機能することになる。
なお、本実施の形態３においても、先に図４を用いて説明した制御をおこなうことができる。

以上説明したように、本実施の形態３における形状情報取得装置は、ワーク１０（対象物）のワーク表面１０ａの形状情報を取得する形状情報取得装置１であって、所定の周期方向に周期ｆ１の輝度分布を有するとともに、ワーク表面１０ａに対して所定の入射角θで照明光を照射可能な照明装置１２（照明手段）が設けられている。また、ワーク表面１０ａで反射した照明光の正反射光に正対するとともに、所定の周期方向に周期ｆ２の透過率分布を有するマルチスリット７（透過型光学素子）が設けられている。さらに、ワーク表面１０ａを撮影可能なラインセンサカメラ５及びレンズ４（撮影手段）が、マルチスリット７を透過した正反射光を受光可能に配置されている。そして、周期ｆ１の周期方向と、ワーク表面１０ａに対して鏡像位置に折り返した周期ｆ２の周期方向と、が平行になるように構成されている。さらに、照明装置１２の照明用マルチスリット１４（第２透過型光学素子）とワーク表面１０ａとの光軸方向の距離をａとして、ワーク表面１０ａとマルチスリット７との光軸方向の距離をｂとしたときに、
ｂ＝ａ×ｆ２／ｆ１
なる関係が成立するように構成されている。
これにより、ワーク１０（対象物）が透明物であってもワーク表面１０ａの形状情報を高速、高感度、高分解能で取得することができて、ワーク表面１０ａに対する計測可能なレンジを広くすることができる。すなわち、ワーク１０が透明物であってもワーク表面１０ａの形状情報を効率的に精度よく取得することができる。
また、本実施の形態３における形状情報取得装置１は、汎用的な均一照明を使用できるため、装置を低廉化することができる。
なお、本実施の形態３において、第２透過型光学素子として、透過率分布が正弦波形状となるものを用いることもできる。

＜実施の形態４＞
図７に示すように、実施の形態４における形状情報取得装置１は、円筒状又は円柱状のワーク１０（対象物）のワーク表面（周面）の形状情報を取得するものである。
本実施の形態４における形状情報取得装置１は、そのようなワーク１０を中心軸を中心に回転させる回転機構としての回転モータ２５が設けられている点が、前記実施の形態３のものと相違する。
そして、本実施の形態４における形状情報取得装置１は、回転モータ２５（回転機構）によってワーク１０（対象物）を少なくとも３周回転させる間に、走査機構２０（走査手段）による走査を一定速度でおこないながらラインセンサカメラ５及びレンズ４（撮影手段）によってワーク１０のワーク表面を連続的に撮影している。
これにより、一般的な縞走査法では縞を１／Ｎ周期ずつ走査した状態でＮ枚の画像を撮影するところ、本実施の形態４における縞走査法はワーク１０の走査においてＮ周連続して撮影する間に縞が１周期分連続して走査することになり、全体の撮影時間が短縮化される。また、本実施の形態４における形状情報取得装置１は、縞走査をおこなう際に移動させる部材が小型化される。
図８は、図７の形状情報取得装置１において円柱状又は円筒状のワーク１０の形状情報を取得する制御を示すフローチャートである。
図８に示すように、図４を用いて説明した制御とは異なり、まず、円柱状又は円筒状のワーク１０を連続してＮ周撮影する間に、マルチスリット７（又は、照明用マルチスリット１４）を、その周期／Ｎ周の撮影時間の速度で移動する（ステップＳ１０）。そして、撮影画像を１周ごとに分割して（ステップＳ１１）、ｎ枚目の撮影画像の画素値に複素数exp(－i2π(n－1)/N)を掛ける（ステップＳ１２）。その後、図４の制御フローにおけるステップＳ４～Ｓ９と同様のフローをおこなう。このように、本実施の形態４では、マルチスリット７（又は、照明用マルチスリット１４）を、連続的に１周期分走査することによって、縞走査法をおこなうことが可能であるので、短時間で縞走査法のための撮影が可能になる。

以上説明したように、本実施の形態４における形状情報取得装置は、ワーク１０（対象物）のワーク表面１０ａの形状情報を取得する形状情報取得装置１であって、所定の周期方向に周期ｆ１の輝度分布を有するとともに、ワーク表面１０ａに対して所定の入射角θで照明光を照射可能な照明装置１２（照明手段）が設けられている。また、ワーク表面１０ａで反射した照明光の正反射光に正対するとともに、所定の周期方向に周期ｆ２の透過率分布を有するマルチスリット７（透過型光学素子）が設けられている。さらに、ワーク表面１０ａを撮影可能なラインセンサカメラ５及びレンズ４（撮影手段）が、マルチスリット７を透過した正反射光を受光可能に配置されている。そして、周期ｆ１の周期方向と、ワーク表面１０ａに対して鏡像位置に折り返した周期ｆ２の周期方向と、が平行になるように構成されている。さらに、照明装置１２の照明用マルチスリット１４（第２透過型光学素子）とワーク表面１０ａとの光軸方向の距離をａとして、ワーク表面１０ａとマルチスリット７との光軸方向の距離をｂとしたときに、
ｂ＝ａ×ｆ２／ｆ１
なる関係が成立するように構成されている。
これにより、ワーク１０（対象物）が透明物であってもワーク表面１０ａの形状情報を高速、高感度、高分解能で取得することができて、ワーク表面１０ａに対する計測可能なレンジを広くすることができる。すなわち、ワーク１０が透明物であってもワーク表面１０ａの形状情報を効率的に精度よく取得することができる。

なお、本発明における態様は、例えば、以下の通りである。
（付記１）
対象物のワーク表面の形状情報を取得する形状情報取得装置であって、
所定の周期方向に周期ｆ１の輝度分布を有するとともに、前記ワーク表面に対して所定の入射角で照明光を照射可能な照明手段と、
前記ワーク表面で反射した前記照明光の正反射光に正対するとともに、所定の周期方向に周期ｆ２の透過率分布を有する透過型光学素子と、
前記透過型光学素子を透過した前記正反射光を受光可能に配置されて、前記ワーク表面を撮影可能な撮影手段と、
を備え、
前記周期ｆ１の周期方向と、前記ワーク表面に対して鏡像位置に折り返した前記周期ｆ２の周期方向と、が平行になるように構成され、
前記照明手段と前記ワーク表面との光軸方向の距離をａとして、前記ワーク表面と前記透過型光学素子との光軸方向の距離をｂとしたときに、
ｂ＝ａ×ｆ２／ｆ１
なる関係が成立することを特徴とする形状情報取得手段。
（付記２）
前記照明手段は、
均一な輝度分布を有する照明と、
前記周期方向に前記周期ｆ１の透過率分布を有するとともに、前記ワーク表面との光軸方向の距離が前記ａになるように前記照明と前記ワーク表面との間に配置された第２透過型光学素子と、
を具備して、前記周期方向に前記周期ｆ１の輝度分布を有することを特徴とする付記１に記載の形状情報取得装置。
（付記３）
前記周期ｆ１の輝度分布と、前記周期ｆ２の透過率分布と、のうち少なくとも１つを、対応する前記周期方向に走査可能な走査手段と、
前記撮影手段で撮影した前記ワーク表面の画像を演算処理する画像処理手段と、
を備え、
前記ワーク表面の表面傾きと表面高さとのうち少なくとも１つを算出することを特徴とする付記１又は付記２に記載の形状情報取得装置。
（付記４）
前記走査手段による走査をおこなったときに前記画像処理手段によって演算処理された結果に基づいて求められる位相変調量と、前記ワーク表面の表面傾きと、の比例係数から前記ワーク表面の形状を取得することを特徴とする付記３に記載の形状情報取得装置。
（付記５）
前記走査手段は、前記透過型光学素子を前記周期ｆ２の周期方向に沿って走査する走査機構であることを特徴とする付記３又は付記４に記載の形状情報取得装置。
（付記６）
前記周期ｆ１の周期方向と、前記周期ｆ２の周期方向と、がそれぞれ前記対象物における前記照明光の入射面に対して直交するように構成されたことを特徴とする付記３～付記５のいずれかに記載の形状情報取得装置。
（付記７）
円筒状又は円柱状の前記対象物を中心軸を中心に回転させる回転機構を備え、
前記回転機構によって前記対象物を回転させる間に、前記走査手段による走査を一定速度でおこないながら前記撮影手段によって前記対象物の前記ワーク表面を連続的に撮影することを特徴とする付記３～付記６のいずれかに記載の形状情報取得装置。
（付記８）
前記輝度分布と前記透過率分布とのうち少なくとも１つが、正弦波形状であることを特徴とする付記１～付記７のいずれかに記載の形状情報取得装置。

なお、本発明が前記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、前記各実施の形態の中で示唆した以外にも、前記各実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、前記構成部材の数、位置、形状等は前記各実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。

なお、本願明細書等において、「所定の入射角」とは、０°を含まない０°以上のものであると定義する。

１ 形状情報取得装置、
２ パターン照明（照明手段）、
４ レンズ（結像光学素子、撮影手段）、
５ ラインセンサカメラ（撮影手段）、
７ マルチスリット（透過型光学素子）、
１０ ワーク（対象物）、
１０ａ ワーク表面（検査面）、
１１ 並進ステージ、
１２ 照明装置（照明手段）、
１３ バー照明（照明）、
１４ 照明用マルチスリット（第２透過型光学素）、
２０ 走査機構（走査手段）、
２１ 画像処理部（画像処理手段）、
２２ モニター、
２５ 回転モータ（回転機構）、
３０ 移動機構。

特開２０１９－２７６２号公報

Claims (8)

1. 対象物のワーク表面の形状情報を取得する形状情報取得装置であって、
   所定の周期方向に周期ｆ１の輝度分布を有するとともに、前記ワーク表面に対して所定の入射角で照明光を照射可能な照明手段と、
   前記ワーク表面で反射した前記照明光の正反射光に正対するとともに、所定の周期方向に周期ｆ２の透過率分布を有する透過型光学素子と、
   前記透過型光学素子を透過した前記正反射光を受光可能に配置されて、前記ワーク表面を撮影可能な撮影手段と、
   を備え、
   前記周期ｆ１の周期方向と、前記ワーク表面に対して鏡像位置に折り返した前記周期ｆ２の周期方向と、が平行になるように構成され、
   前記照明手段と前記ワーク表面との光軸方向の距離をａとして、前記ワーク表面と前記透過型光学素子との光軸方向の距離をｂとしたときに、
   ｂ＝ａ×ｆ２／ｆ１
   なる関係が成立することを特徴とする形状情報取得手段。
2. 前記照明手段は、
   均一な輝度分布を有する照明と、
   前記周期方向に前記周期ｆ１の透過率分布を有するとともに、前記ワーク表面との光軸方向の距離が前記ａになるように前記照明と前記ワーク表面との間に配置された第２透過型光学素子と、
   を具備して、前記周期方向に前記周期ｆ１の輝度分布を有することを特徴とする請求項１に記載の形状情報取得装置。
3. 前記周期ｆ１の輝度分布と、前記周期ｆ２の透過率分布と、のうち少なくとも１つを、対応する前記周期方向に走査可能な走査手段と、
   前記撮影手段で撮影した前記ワーク表面の画像を演算処理する画像処理手段と、
   を備え、
   前記ワーク表面の表面傾きと表面高さとのうち少なくとも１つを算出することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の形状情報取得装置。
4. 前記走査手段による走査をおこなったときに前記画像処理手段によって演算処理された結果に基づいて求められる位相変調量と、前記ワーク表面の表面傾きと、の比例係数から前記ワーク表面の形状を取得することを特徴とする請求項３に記載の形状情報取得装置。
5. 前記走査手段は、前記透過型光学素子を前記周期ｆ２の周期方向に沿って走査する走査機構であることを特徴とする請求項３に記載の形状情報取得装置。
6. 前記周期ｆ１の周期方向と、前記周期ｆ２の周期方向と、がそれぞれ前記対象物における前記照明光の入射面に対して直交するように構成されたことを特徴とする請求項３に記載の形状情報取得装置。
7. 円筒状又は円柱状の前記対象物を中心軸を中心に回転させる回転機構を備え、
   前記回転機構によって前記対象物を回転させる間に、前記走査手段による走査を一定速度でおこないながら前記撮影手段によって前記対象物の前記ワーク表面を連続的に撮影することを特徴とする請求項３に記載の形状情報取得装置。
8. 前記輝度分布と前記透過率分布とのうち少なくとも１つが、正弦波形状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の形状情報取得装置。

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