JP2024035690A - 計測装置、計測方法、及び物品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】移動するサンプルの計測を高速かつ高精度にできる計測装置を提供する。【解決手段】計測装置において、２ライン以上の明部と２ライン以上の暗部を持ち、前記ラインの延伸方向がサンプルの移動方向に平行でない方向に配列されたラインパターン照明光を生成する照明部と、前記ラインパターン照明光により照明された前記サンプルを移動させながら複数の画像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段により得られた複数の画像を、前記サンプル上の測定箇所が重なるように合成し、サンプル表面を測定する測定手段と、を有し、前記照明部における前記ラインパターン照明光の前記ラインの延伸方向と前記ラインの周期配列方向を含む面を、前記サンプルの前記移動方向と平行に配置する。【選択図】 図１

Description

本発明は、サンプルを照明してサンプルの計測を行う計測装置、計測方法、及び物品の製造方法に関する。

近年、工業製品の仕上がり検査においては自動化が進められており、例えば空間的にある周期をもった明暗パターンの照明（以下ラインパターン照明光）を対象物に照明して、凹凸などの欠陥を検査する装置がある。

中でもガラスやフィルム、鋼材を含むウェブ部材（製造過程上ロール状で１００ｍやそれ以上の長さで製品が出来上がるもの）等の生産物がシート状に一方向に流れていく対象物の検査は、工場稼働中は流れる対象物を休みなく検査し続ける必要が有る。従って機械による自動化が望まれる。

特許文献１には、ウェブ部材を、カメラを用いて自動で検査するために、移動するサンプルの画像を連続的に複数取得し、サンプルの同一の検査箇所に着目して連続する画像中の評価箇所を評価する手法が開示されている。

具体的には、ラインパターン照明と撮像素子を固定して、被検物が照明のストライプ上を移動していく画像から欠陥を検査する場合に、被検物を移動させて複数の画像を得ている。そして、初期画像を基準にして、各画像の撮像タイミングにおける被検物体の移動量分だけ画素をずらして検査対象領域を抽出し、各場所（画素）の最大値、最小値を用いて欠陥を検出している。

又、特許文献２には、平面ではない被検物体に光強度の周期的な時間変化及び空間変化を与える面的な照明をサンプル斜め上方に設置し、サンプルを照明し、複素時間相関画像を取得する。そして、複素時間相関画像の位相の微分値から算出される位相の変化量に基づいて、当該領域に対する異常を検出する検出感度を補正し、サンプル表面について一様な検出感度で傷や欠陥を検査する技術が開示されている。

特開２０００－１８９３２号公報 特開２０１８－２８５２７号公報

特許文献１は、明部と暗部を持つ照明映り込みの中を移動するガラスやフィルム上の微小な傷などの欠陥、或いは埃を複数画像中の評価箇所の最大値と最小値を使用して区別して判別している。しかし、上記の構成は微小な傷には有効であるが、大きな凹凸形状などの欠陥の判定には、高さや大きさ等のファクターが必要なため適していない。

又、ウェブ検査においてはマイクロレンズがフィルム上に構成されるような製品も想定されるが、この場合も形状で良否を判別する必要が有り、同様に連続画像中の輝度の最大値、最小値だけでは良否を判定することは難しい。

特許文献２では、高精度に傷や欠陥検査を行うことが出来る位相差法を適用し、サンプルの形状によって生じる照明の映り込みの粗密で検出感度が変化することを補正し、一様な感度でのサンプル全面の高精度検出を達成している。

しかし、これをサンプルが移動していくなかで検査をするウェブ部材に適用しようとすると、サンプル各点に映り込む照明とサンプルのカメラの視線方向における距離は、連続する画像毎に変化していく。

従って、例えば欠陥の画像毎の位相変化量は、サンプルが画像中を移動することによっても、また評価点の初期画像での位置によっても異なってしまい、検出感度も異なるので、高精度な検査が出来ない。ましてや、マイクロレンズなどの構造物の高さや形状検査など、定量的に形状の出来上がりを計測する用途に適用することは出来ない。

本発明は、上記のような移動するサンプルの計測を高速かつ高精度にできる計測装置を提供することにある。

本発明の計測装置は、
２ライン以上の明部と２ライン以上の暗部を持ち、前記ラインの延伸方向がサンプルの移動方向に平行でない方向に配列されたラインパターン照明光を生成する照明部と、
前記ラインパターン照明光により照明された前記サンプルを移動させながら複数の画像を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段により得られた複数の画像を、前記サンプル上の測定箇所が重なるように合成し、サンプル表面を測定する測定手段と、を有し、
前記照明部における前記ラインパターン照明光の前記ラインの延伸方向と前記ラインの周期配列方向を含む面を、前記サンプルの前記移動方向と平行に配置する。

本発明によれば、移動するサンプルの計測を高速かつ高精度にできる計測装置実現出来る。

本発明の実施例１に係る計測装置の構成例を示す図である。 実施例１に係るラインパターン照明を示す図である。 実施例１に係るカメラ２とサンプル４とラインパターン照明１の配置を示す図である。 実施例１に係る計測装置を用いた、サンプル表面上の欠陥検査フローチャートである。 画像取得領域４１と連続的な画像から合成のために抽出する３つの領域を示す説明図である。 ラインパターン照明１の明暗配列方向とサンプル４が平行ではない構成を取った場合の説明図である。 実施例１におけるサンプル４上の欠陥１０の移動と欠陥部で発生する光線の傾きと観測される位相差を示す図である。 本発明の実施例２に係る計測装置の配置例を示す図である。 本発明の実施例３に係る計測装置で得た画像の例を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を、実施例を用いて説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。なお、各図において、同一の部材または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または簡略化する。

本発明の実施例の計測装置は、２ライン以上の明部と２ライン以上の暗部を持ち、前記ラインの延伸方向がサンプルの移動方向に平行でない方向に配列されたラインパターン照明光を生成する照明部により、移動するサンプルを照明する。そして、サンプルを移動させながら複数の画像を撮像手段としてのカメラで撮像し、得られた複数の画像をサンプル上の測定箇所が重なるように合成し、サンプル表面の形状や傷欠陥を計測する。

又、照明部におけるラインパターン照明のラインの延伸方向とラインの周期配列方向を含む面を、サンプルの移動方向と平行に配置している。それにより、カメラで撮像した画像群の評価点や欠陥の位置によらず検出感度が一定な、高精度で定量的かつ高スループットな測定や検査を可能としている。

図１は、本発明の実施例１に係る計測装置の構成例を示す図である。ラインパターン照明１（照明部）は高拡散の配光特性を持ち明部と暗部からなる面照明で、ラインパターン照明１の各部からサンプル４の各部を照明している。評価対象としてのサンプル４はＹ方向に移動する略平面の対象物であり、例えばフィルムや、ガラス、又は鋼板など、製造過程で一方向に長く製品が製造され、ロールで出荷するような、ウェブ部材などである。

ラインパターン照明１からサンプル４の画像取得領域４１に照射された照明光の反射光を、夫々２次元領域が取得可能なイメージセンサ又は複数のラインセンサを有する撮像手段としてのカメラ２で撮像する構成になっている。カメラ２は撮像に際し、撮像画像内の位置によって視線方向が変わらないように、例えば物体側テレセントリックレンズを介してサンプルの像を撮像することが望ましい。

カメラ２とラインパターン照明１は夫々制御部３に接続され、同期して動作するように制御される。カメラ２で撮像した画像は制御部３を経由して画像処理部５に取り込まれる。制御部にはコンピュータとしてのＣＰＵが内蔵されており、記憶媒体としてのメモリに記憶されたコンピュータプログラムに基づき計測装置全体の各部の動作を制御する制御手段として機能する。

画像処理部５は各種画像処理を行い、欠陥を判定するための様々な数値処理を行う。それによって欠陥の有無や合否を判定する。表示部６は取り込んだ画像や、画像処理部５で数値処理した結果やそれを使用して判定した欠陥の合否結果や欠陥画像等を表示するための例えば液晶ディスプレイ等を含む。

カメラ２は例えばＣＣＤやＣＭＯＳなどの２次元エリアセンサー又は複数のラインセンサからなる撮像部と、レンズで構成され、評価面の画像を取得する。画像処理部５ではカメラ２で取得した画像を処理し、画像取得領域４１にある傷や欠陥の大きさや深さ、見た目の目立ち具合などを数値化し、合否判定などを行う。

ここで図２は、実施例１に係るラインパターン照明を示す図である。ラインパターン照明１（照明部）は暗部１Ａと明部１ＢがピッチＰで空間的に交互に平面上に配置された面照明で、少なくとも２ライン以上の明部を有する。暗部１Ａと明部１Ｂは夫々細長い長方形であり、その長方形の長手方向を延伸方向と呼び、長手方向に直交する方向をラインの周期配列方向と呼ぶ。

ラインパターン照明１は、例えば、複数のＬＥＤからなるラインの上に拡散板を配置して一様に明るい面照明を構成し、暗部を形成するために、その上に黒いインクでシルク印刷したり、黒い金属等の板材を配置したりすることで構成できる。即ち、ラインパターン照明１は、暗部と前記明部が平面状に周期的に配列された構造を有する。

サンプル４は製造ライン中のフィルム等であり、Ｘ方向には所定の幅を持った状態で、Ｙ方向に数十メートル以上の長さで製造され、画像取得領域４１内を、Ｙ方向に一定の速度ｖで移動していく。

図３は、実施例１に係るカメラ２とサンプル４とラインパターン照明１の配置を示す図であり、ラインパターン照明１とカメラ２は図３のようにサンプル４の画像取得領域４１の斜め上方に設置される。又、ラインパターン照明１のラインの延伸方向とラインの周期配列方向（ラインの長手方向に直交する方向）を含む面はサンプルのＸ方向と移動方向Ｙを含む面と平行としている。

尚、本実施例ではライン方向がサンプルの移動方向Ｙに対して直交する方向であるＸ方向と一致するように配置しているが、ライン方向はサンプル４の移動方向Ｙと平行でなければ良い。

カメラ２の光軸２ｉとサンプル４の法線のなす角度（カメラの視線角度）θｉｍｇは例えば６０°に設定されている。一方、ラインパターン照明１はサンプル４の画像取得領域４１の正反射方向２ｊの方向に設置されている。

ラインパターン照明１とカメラ２が接続される制御部３は、前述のように、例えばＣＰＵやメモリなどを有し、ラインパターン照明１とカメラ２を同期して制御し、所定の周期的なタイミングでサンプル４の画像取得領域４１を繰り返し撮像する。

上記のタイミングは、例えば、サンプル４に映り込むラインパターン照明１の映り込み像のサンプル４の移動方向におけるピッチをｐ、サンプル４の移動速度をｖ、Ｎを３以上の整数としてｔ＝ｐ／（Ｎｖ）間隔であるとする。その場合、Ｎ枚の画像でラインパターン照明１の映り込みの明暗の中をサンプル４の各点が一周期移動する。

サンプル４にある凸状の欠陥１０は照明の映り込みの中を移動していく。本実施例においてカメラ２のレンズは物体側テレセントリックレンズであることによりサンプル４がＰ動くと凸状の欠陥１０は照明の映り込みの中をＰ移動する。

図４は、実施例１に係る計測装置を用いた、サンプル表面上の欠陥検査フローチャート、図５は、画像取得領域４１と連続的な画像から合成のために抽出する３つの領域を示す説明図である。尚、制御部３内のコンピュータとしてのＣＰＵがメモリに記憶されたコンピュータプログラムを実行することによって図４のフローチャートの各ステップの動作が行われる。

先ずステップＳ１０において、サンプルの移動を開始し、速度がｖになるように不図示の制御部３内のＣＰＵが制御する。次にステップＳ１１において、制御部３は、速度ｖで流れていくサンプル４上の検査を開始したい１番目の評価領域が、画像取得領域４１の領域４２に来たタイミングで、ｍ番目の画像Ｉｍ（ｘ、ｙ）を撮像する。ここでステップＳ１０はラインパターン照明光により照明された前記サンプルを移動させながら複数の画像を撮像する撮像工程として機能している。

ここでは例えばｍ＝１とする。従って画像Ｉ１（ｘ、ｙ）を撮像する。この時、領域４２は、Ｎを３以上の整数として、移動方向であるＹ方向の幅がｐ／Ｎ以上の領域であるとする。

ステップＳ１２において、制御部３は、画像Ｉｍ（ｘ，ｙ）から評価画像Ｊｍ１（ｘ、ｙ）、Ｊ（ｍ－１）２（ｘ、ｙ）、・・・Ｊ（ｍ＋１－Ｎ）Ｎ（ｘ、ｙ）を抽出する。画像取得領域４１では、画像Ｉ１（ｘ，ｙ）が得られ、領域４２に映る例えば評価画像Ｊ１１（ｘ，ｙ）を抽出する。

ここではこの評価画像に欠陥１０が含まれるものとする。尚、このとき、領域４２は移動方向Ｙとは垂直な方向Ｘにはカメラ２の画角いっぱい或いはサンプル全幅など出来るだけ広い範囲を取ることが好ましい。

次に、ステップＳ１３で、制御部３は、Ｎ枚になった画像セットがあるか判別しＹｅｓであればその画像セットについてはステップＳ１４に進み、次の画像セットを作成するためにステップＳ１１に戻る。そして、ステップＳ１１において、制御部３は、カメラ２により、ｔ＝ｐ／（Ｎｖ）時間後に中心座標がｐ／Ｎずれた２番目（ｍ＝２）の画像Ｉ２（ｘ，ｙ）を取得する。

画像Ｉ２（ｘ、ｙ）には評価画像Ｊ１１（ｘ，ｙ）がラインパターン照明１の映り込みの位相がΔｘ１＝ｐ/Ｎピッチ進んだ領域４３に移動し、評価画像Ｊ１２（ｘ、ｙ）として撮像される。また、画像Ｉ２(ｘ，ｙ)には、２番目の評価領域が評価画像Ｊ２１（ｘ，ｙ）として領域４２に含まれる。

画像Ｉ３（ｘ、ｙ）には評価画像Ｊ１１（ｘ，ｙ）が、ラインパターン照明１の映り込みの位相がΔｘ２＝２ｐ/Ｎピッチ進んだ場所に移動し、領域４４に評価画像Ｊ１３（ｘ、ｙ）として撮像される。また、画像Ｉ３(ｘ，ｙ)には、２番目の評価領域が評価画像Ｊ２２（ｘ，ｙ）として領域４３に含まれ、３番目の評価領域が評価画像Ｊ３１（ｘ，ｙ）として領域４２に含まれる。

つまりｍ番目の画像Ｉｍ（ｘ、ｙ）にはＪｍ１（ｘ、ｙ）、Ｊ（ｍ－１） ２（ｘ、ｙ）、．．．、Ｊ（ｍ－Ｎ＋１） Ｎ（ｘ,ｙ）が含まれる、画像は連続して取得するので、各画像から同じ場所に相当する画像群、Ｊｍ１（ｘ、ｙ）、Ｊｍ２（ｘ、ｙ）、．．．ＪｍＮ（ｘ、ｙ）を同一箇所についてのＮ枚の画像として抽出することが出来る。このように各評価箇所についてＮ枚の画像セットを作成する。

尚、抽出した画像はｎｘ＞ｎｙの画像であるのでカメラのパースによる同一箇所のずれもほぼ無視できるので、同一箇所で映り込んだラインパターン照明の位相だけが異なる画像群として扱うことが出来る。ステップＳ１３において、各評価点についてＮ枚になった画像セットが取得されたら、ステップＳ１４において、Ｎ枚になった画像セットの画像から評価面の合成画像を生成する。

そしてステップＳ１５において、処理画像を元に評価面の欠陥を検出する。以上のようにＹ方向に繋がり移動していくサンプル４の画像の取得と、領域の抽出を、連続し行い、同一箇所のＮ枚の画像群を合成し、欠陥を検出していくことで、フィルムやガラスのようなウェブ部材の全面の連続検査が可能になる。

尚、上記のような計測装置で、撮像の光学系をいわゆるシャインプルーフ構成にすることも効果がある。即ち、撮像光学系の光軸に垂直な面に対して撮像素子の撮像面を傾斜することによって、サンプル４の面に沿った方向の被写界深度を深くするようにしても良い。その場合、撮像素子の撮像面の法線がサンプルの移動方向となす角度を、撮像光学系の光軸がサンプルの移動方向となす角度よりも小さくなるようにすれば良い。

即ち、例えば画像取得領域４１を１０ｍｍの長さで評価すると、全面に焦点を合わせるためには、焦点深度は１０ｍｍ×ｓｉｎ（６０°）＝８．６ｍｍ必要になる。一方、評価面で幅０．１ｍｍの欠陥を判別するためにはカメラ方向から欠陥を見ると、０．１ｍｍ×ｃｏｓ（６０°）＝０．０５ｍｍとなる。

従って、光学系のボケの許容量はそれより小さいことが好ましく、つまり、カメラのレンズの焦点方向に８．６ｍｍにわたって５０μｍ程度のボケしか許容せず、マクロ撮影的に欠陥の観察をする本用途においては、レンズ絞りを相当数絞る必要が発生する。

このことから、検査時間と撮像時間の両立するために、レンズ光軸に垂直な面からセンサー面を傾斜させて焦点面を光軸に垂直な面から傾けるシャインプルーフ構成にする。それにより被写界深度が深くなるので、レンズの絞りをより開くことができ、センサーに到達する光を確保することができる。

又、シャインプルーフ構成にすることで、サンプル４上の欠陥１０が画角内のどの位置に有っても、また面内を移動しても、光学的な焦点位置とボケのサンプル４や欠陥１０に対する関係が変化しないので、同じような画像が取得できる。但し、判定すべき傷の大きさに応じて、焦点がぼけていることは構わない。

尚、前述のように、ステップＳ１４においては、ラインパターン照明１とサンプル４の相対位置がΔＹｉだけ変化した時、位相が４πΔＹｉ／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、第１の合成画像を生成する。

合成画像の１例は、位相が４πΔＹ１／ｐラジアンでシフトする周波数成分（サンプルが平面の場合には、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。ラインパターン照明１とサンプル４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、ΔＹｉ（ｉ＝１，２，・・・Ｎ）は以下の数式１で表される。
ΔＴｉ＝（ｐ／Ｎ）×（ｉ―１）・・・・（数式１）

この式はΔＹ１がゼロである場合も含むもので、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次の数式２となる。
ΔＹｉ＝（ｐ／Ｎ）×ｉ・・・・・（数式２）

この時、振幅画像Ａ（ｘ，ｙ）は、以下の数式３～数式５により算出できる。

これが、Ｎ枚（Ｎ＞＝３）の画像を処理して被検面の表面の情報を含む処理画像であり、位相が４πΔＹｉ／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。

サンプル４が移動すると、抽出した各評価画像上に反射したラインパターン照明１の発光点に相当する明るい点やラインパターン照明１の暗部に相当する暗い点も各評価画像中を移動するため、各評価画像の同一箇所の画素上の１点では、強度の明暗が変化する。

光沢性を有するサンプル４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、傷や微小な凹凸、表面の荒れ、散乱性の欠陥がある部分では、鏡面反射以外にも散乱光が発生する。散乱が発生すると、ラインパターン照明１の映り込みの明部と暗部のコントラストが低下し、局所的な明暗差の振幅の低下が発生する。

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、ラインパターン照明１で縞状のパターンをサンプル４に投影しても光の散乱角度分布は常に一様に、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、傷や微小な凹凸、表面粗さなど、散乱性の欠陥の情報を得ることができ、可視化することもできる。

又、合成画像の別の例は、位相が４πΔＹｉ／ｐラジアンでシフトする周波数成分の位相画像である。位相画像θ（ｘ，ｙ）は、以下の数式６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、表面性状としてサンプル４の表面の傾きを評価することができ、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Δθｘ（ｘ，ｙ）及びΔθｙ（ｘ，ｙ）は以下の数式７、数式８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Ｉａｖｅ（ｘ，ｙ）は、以下の数式９により算出できる。

ステップＳ１５においては、前述のように、合成画像が例えば平均画像の場合には、平均画像における正常な部分との反射率に違いに基づき、汚れや錆びなどの欠陥を検出する。又、このとき欠陥部分を表示部６に表示しても良い。

このように、ステップＳ１５においては、合成画像の振幅画像、位相画像又は位相差画像、平均画像等に基づき、測定箇所の反射率や、散乱性の度合いや局所的な明暗差の振幅の低下などを評価することによって、サンプル４の評価面の形状や欠陥を検出する。尚、これらの画像を組み合わせて表面性状を評価して、サンプル４の評価面の形状や欠陥を検出しても良く、それにより多様な欠陥を可視化することもできる。

ここで、ステップＳ１４、ステップＳ１５は、撮像工程としてのステップＳ１１により得られた複数の画像を、サンプル上の測定箇所が重なるように合成し、サンプル表面を測定する測定工程として機能している。又、このとき制御部３は測定手段として機能している。

ラインパターン照明１については、本実施例中ではサンプル４の移動方向に配列方向が略一致する方向に配置したが、これに限定されない。サンプル４の移動と共にラインパターン照明の明暗の中をサンプル４の各場所が移動すればよく、サンプル４の移動方向Ｙに対してラインパターン照明の配列は斜めでも構わない。

次にサンプル上の欠陥によるサンプル面に映り込むラインパターン照明の明暗位相の変化とラインパターン照明１とサンプル４の配置の関係について図６、図７を使用して説明する。図６は、ラインパターン照明１の明暗配列方向とサンプル４が平行ではない構成を取った場合の説明図であり、図７は、実施例１におけるサンプル４上の欠陥１０の移動と欠陥部で発生する光線の傾きと観測される位相差を示す図である。

図６は、ラインパターン照明１のライン配列方向とサンプル４が平行ではない場合について説明している。図６の構成の場合、欠陥１０の傾斜面では反射光が傾きを持つため、カメラで評価面に映り込む照明の反射像を撮像すると、欠陥１０の傾斜面は、周辺の正常な面とは照明の明暗の位相が異なって観測される。

例えば欠陥１０がサンプル４の場所１０ａと場所１０ｂにある場合では、カメラの視線方向における照明までの距離が異なっているので、観測される欠陥１０の傾斜面の周辺との位相差は、欠陥１０の傾斜の変化に対して変化の敏感度が異なる。

具体的には場所１０ａの周辺との位相差はφ１、場所１０ｂでの周辺との位相差はφ２となり、１０ａと１０ｂでは１０ｂの方が視線方向における照明までの距離が遠いので、評価面の傾斜変化に対する映り込み照明の明暗の位相差の変化は大きくなる。

つまり、連続して移動するサンプルを撮像した画像中で欠陥部に映り込む照明の明暗位相は画像毎に感度も変化するので正確には形状を表してはいない。又、同様の欠陥でも合成する画像群における初期画像での位置が異なることによっても感度が異なっているので正確に合否の判定や欠陥部の定量的な測定をすることは難しい。

一方、実施例１においては、図７に示すようにラインパターン照明１とサンプル４を平行に設置している。この場合、サンプル４上の欠陥１０がサンプル４上の点１０ａから１０ｂに動いてもカメラの視線方向は物体側テレセントリックレンズを使用しているので変化せず、視線方向における欠陥１０からラインパターン照明１までの距離も変化しない。

よって欠陥部による反射面の傾斜変化に対する映り込み照明の明暗の位相変化の敏感度も変化しない。具体的には欠陥１０がサンプル４上の点１０ａから１０ｂに移動した時に欠陥１０上の傾斜変化に対する映り込み照明の明暗の位相差φ１とφ２は常に等しい値となる。

例えばカメラ２の視線角度をθｉｍｇ、カメラ２の視線方向におけるサンプル４からラインパターン照明１までの距離をＷＤ、ラインパターン照明１がサンプル４に映り込む像のサンプルの移動方向におけるピッチをｐとする。

又、ラインパターン照明１のライン方向とライン配列方向を含む面がサンプル４となす角度をθｉｌｌとすると、サンプル４がｐ移動すると、映り込む照明像は、ｐ×ｓｉｎ（θｉｌｌ）／ｃоｓ（θｉｍｇ）／ＷＤだけ倍率が変化する。

具体的にはθｉｍｇ＝６０°、ＷＤ＝１００ｍｍ、ｐ＝２０の場合、θｉｌｌが１．５°で１％倍率が変化する。ラインパターン照明１の明暗ピッチや配置で敏感度は異なってくるが、上記誤差がおおむね１％以下になるような、平行な状態で各部を設置することが高精度計測や検査には望ましい。

上記のような構成にすることで、合成する画像群における初期画像での欠陥部の位置による敏感度の差が略なくなり安定した測定検査が可能となる。また画像毎の位置変化によっても敏感度も略一定なため、高精度に測定箇所の照明映り込みの位相差計算が出来る。つまり、高精度な位相差測定を元に形状の定量的な測定や検査が出来る。

又、本実施例において、ラインパターン照明１の距離をカメラ２、サンプル４から遠ざけると、画像取得領域４１に映り込む明暗照明のピッチは細かくなり、欠陥に対する評価の敏感度は上がる。逆に、ラインパターン照明１の距離をカメラ２、サンプル４に近づけると、画像取得領域４１に映り込む明暗照明のピッチは粗くなり、欠陥に対する評価の敏感度は下がる。

但し、投影される縞のピッチの変化に応じて、評価とは無関係な加工時のヒキ目なども敏感度は変化し、ノイズ成分として見えてくる。従って、欠陥の大きさや深さなどに応じて、夫々の敏感度が評価判定に適した敏感度になるように照明の位置を調整することが望ましい。この場合、微小な傷や大きな凹欠陥など評価したい欠陥の種類に応じて照明位置を変化させて、調整しても良い。

本実施例では、取得した画像を領域分割して所望の評価領域が次の撮像時に撮像されると予想される画素領域を画像中に設定し、連続して撮像した異なる画像から、所望の評価領域が撮像されている画素領域を各画像から抽出した。しかし、これに限られることはなく、連続して取得した複数の画像から、同一箇所で異なる照明条件を複数抽出する方法であれば良い。

尚、実施例１では、ウェブ部材を例にして説明したが、測定するサンプルはこれに限ることもなく、略平面を評価する移動する物体であればよく、サンプルをステージに乗せてサンプルを駆動するような測定方法においても同様に適用できる。

図８は本発明の実施例２に係る計測装置の配置例を示す図である。実施例２では照明は例えばＬＥＤを線状にＸ方向に並べた複数の線状照明１ａ、１ｂ、１ｃを有する。即ち、ラインパターン照明は複数のライン状の照明をサンプル移動方向に配列した構造を有する。

又、線状照明１ａ、１ｂ、１ｃを照明の長手方向と照明の配列方向を含む面が、サンプル４の移動方向と平行で、かつ照明の長手方向はサンプル４の移動方向と平行角度でない角度で、夫々間隔Ｐの距離間隔で配列している。線状照明１ａ、１ｂ、１ｃは夫々照度の強度が強い方向がサンプル４の面で反射してカメラの視線方向に向くように配置している。

実施例２のような構成にすることにより、実施例１と同様に、サンプル４上の欠陥１０がサンプル４上の点１０ａから１０ｂに動いてもカメラの視線方向における欠陥１０からラインパターン照明１までの距離は変化しない。よって欠陥部による反射面の傾斜変化に対する映り込み照明の明暗の位相変化の敏感度も変化しないので、高精度であり、感度が場所によって変化しない。

従って傷、欠陥検査において効果が大きい。又、サンプルの移動方向と平行に配列した線状照明１ａ、１ｂ、１ｃの夫々は照明の照度が強い方向がサンプル４の面で反射してカメラの視線方向に向くように配置しているので、カメラの露光時間を最小限に設定できる。従って、より高スループットで、合成する画像群における初期画像での欠陥部の位置による敏感度の差がなく、安定した測定検査が可能である。

又、画像毎の位置変化によっても敏感度も略一定なため、高精度に測定箇所の照明映り込みの位相差計算が出来る。つまり、高精度な位相差測定によって、形状の定量的な測定や検査を高精度に行うことが出来る。

図９は本発明の実施例３に係る計測装置で得た画像の例を示す図である。本実施例においては、各ラインパターン照明１やカメラ２、サンプル４は図１と同様に配置している。しかし、カメラの取得画像領域とサンプル４に映り込むラインパターンの本数の関係が異なっていてｔｖ＞ｐ／Ｎの関係になっている。

具体的には、画像取得領域４１で取得した画像に対して、Jｍｉ（ｘ，ｙ）Ｊ（ｍ-１）（ｉ＋１）（ｘ，ｙ）Ｊ（ｍ－２）（ｉ＋２）（ｘ，ｙ）を各ｍ番目の画像から抽出し、ｍが同じＮ枚の画像群を合成し、欠陥の検出をする。

しかし、画像を抽出する各領域に映り込むラインパターン照明を（１+１／Ｎ）ｐとして、撮像タイミングｔはｔ ＝ ４ｐ／（Ｎｖ）で撮像する。それによりaa、サンプル４の同一領域が、画像取得領域４１の領域４２から領域４３、領域４４と進むことで合計４ｐ分の画像を取得できる点が異なる。

この場合に取得される画像Ｉｍ（ｘ、ｙ）は実施例１に比較するとＹ方向の画素数が多くなるが、各領域の画像のＸ方向の長さ＞Ｙ方向の長さという条件の範囲で、Ｙ方向の画像の取得領域を広げることが望ましい。

実施例１に対し、同じフレームレートの場合にはＹ方向に４倍の長さの画像を処理して傷欠陥検査ができるのでより高いスループットに対応することが出来る。但し、この実施例３では、Ｙ方向の画素数を増やして画像処理しているので、カメラ２を斜めに配置したことによる取得画面のパースの影響がでる。従って、Ｎ枚の画像の同一点の画素にずれが生じ、そのまま合成すると、画素のずれによるボケが出てきて、欠陥検出の分解能を下げることになる。

この影響をなくすためには、パースによる広がり分を各画像について画素のＸ方向の座標補正を行ったうえで合成画像を作成することが望ましい。又、映り込むラインパターン照明のピッチも画像上端と画像下端では異なるピッチになってくるので、画素のＹ方向の座標補正を同時に行うことが望ましい。

また全画像取得領域がＹ方向に長くなるので、画像の上端下端では光学的な反射角度が異なってくる。よって、フレネル反射による反射率も通常上端側が、反射角が大きくなり、反射率が上がり、下端側は反射角が小さくなることで反射率が下がる。この誤差も、画像の振幅で評価をする振幅画像や平均画像では顕著に影響してくる。

よって、この対策として、画像の各画素においての反射角から反射率を算出してマップ化したデータを予めシミュレーションで作成して画像処理部５内のメモリに記憶させておく。或いは傷や欠陥の無い、測定したいサンプルと同一材料で作成した基準材料を予め測定して、画素毎の到達光量を算出する。

そして、光学的な効率をマッピングしたデータを予め実験的により取得し、画像処理部５内のメモリに記憶させておいても良い。それにより、実際の検出画像の輝度値に対して割り返すことで反射率の影響を取り除く強度補正をすることができる。

本実施例においては撮像タイミング毎のサンプル４の移動量がラインパターン照明１のピッチに対して（１＋１／Ｎ）ｐ（但しＮ＝３）としたがこれに限らず、整数Ｌを用いて（Ｌ＋１／３）ｐとしても同様に処理することができる。

以上説明したように、実施例１～３においては、合成する画像領域のカメラの画角内での距離が長くなっても、照明のライン方向と照明の配列方向をふくむ面がサンプル４の移動方向と平行となるように配置している。又、物体側テレセントリックレンズを用いているので、画像領域において、視線角度は変わらず、評価点とカメラの視線方向における照明までの距離が等しいので、高精度で定量的な位相計算がサンプル全面において達成できる。従って、高精度な位相差測定を元に形状の定量的な測定や検査が出来る。

計測装置１００のカメラ２は、ラインパターン照明１により照明されたサンプル４を撮像し、画像データを取得し、制御部３を介して画像処理部５に入力する。そして、制御部３は画像データに基づきサンプル４の形状や欠陥を計測する計測工程を実行し計測データを出力する。計測工程により得られた計測データであるサンプル４の形状や欠陥の位置の情報に基づき、制御部３は不図示の加工装置に駆動指令を送って加工装置の動作を制御する。

それによって、計測データに基づきサンプル４の欠陥位置にマーキング等をしたり、欠陥に対して修復などの加工工程を実行しても良い。このような加工工程は所定の物品を製造する工程として機能する。或いは、計測結果に基づきサンプル４の移動を減速、或いは停止してサンプル４を回収する回収工程や、廃棄する廃棄工程を実行しても良い。又、計測装置１００により計測工程が行われ、得られた形状や欠陥に関する計測データや画像を表示部６に表示する表示工程を実行してもよい。

以上、本発明をその好適な実施例に基づいて詳述してきたが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、それらを本発明の範囲から除外するものではない。又、上記実施例１～４を適宜組み合わせても良い。

尚、本発明は、前述した実施例の機能を実現するソフトウェアのプログラムコード（制御プログラム）を記録した記憶媒体を、システムあるいは装置に供給することによって実現してもよい。そして、そのシステムあるいは装置のコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ）が記憶媒体に格納されたコンピュータ読取可能なプログラムコードを読み出し実行することによっても達成される。

その場合、記憶媒体から読み出されたプログラムコード自体が前述した実施形態（実施例）の機能を実現することになり、そのプログラムコードを記憶した記憶媒体は本発明を構成することになる。

１：ラインパターン照明
１Ａ：暗部
１Ｂ：明部
２：カメラ
２ｉ、２ｊ：カメラの視線方向
３：制御部
４：サンプル
４１：画像取得領域
５：画像処理部
６：表示部
１０：欠陥

Claims (8)

1. ２ライン以上の明部と２ライン以上の暗部を持ち、前記ラインの延伸方向がサンプルの移動方向に平行でない方向に配列されたラインパターン照明光を生成する照明部と、
   前記ラインパターン照明光により照明された前記サンプルを移動させながら複数の画像を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段により得られた複数の画像を、前記サンプル上の測定箇所が重なるように合成し、サンプル表面を測定する測定手段と、を有し、
   前記照明部における前記ラインパターン照明光の前記ラインの延伸方向と前記ラインの周期配列方向を含む面を、前記サンプルの前記移動方向と平行に配置することを特徴とする計測装置。
2. 前記照明部は前記暗部と前記明部が平面状に周期的に配列された構造を有することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
3. 前記照明部は複数のライン状の照明をサンプル移動方向に配列した構造を有することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
4. 前記撮像手段は物体側テレセントリックレンズを介して前記サンプルの像を撮像することを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
5. 前記撮像手段の撮像面は、撮像光学系の光軸に垂直な面に対して傾斜していることを特徴とする請求項１に記載の計測装置。
6. 前記撮像面の法線が前記サンプルの前記移動方向となす角度を、前記撮像光学系の光軸が前記サンプルの前記移動方向となす角度よりも小さくなるようにしたことを特徴とする請求項５に記載の計測装置。
7. ２ライン以上の明部と２ライン以上の暗部を持ち、前記ラインの延伸方向がサンプルの移動方向に平行でない方向に配列されたラインパターン照明光を生成する照明部における前記ラインの延伸方向と前記ラインの周期配列方向を含む面が、前記サンプルの前記移動方向と平行に配置されており、
   前記ラインパターン照明光により照明された前記サンプルを移動させながら複数の画像を撮像する撮像工程と、
   前記撮像工程により得られた複数の画像を、前記サンプル上の測定箇所が重なるように合成し、サンプル表面を測定する測定工程と、を有することを特徴とする計測方法。
8. 請求項１～６のいずれか１項に記載の計測装置を用いて前記サンプルを計測する計測工程と、前記計測工程により計測された前記サンプルの形状又は欠陥に基づき前記サンプルを加工する加工工程と、を含むことを特徴とする物品の製造方法。

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