JP6013819B2 - 表面形状検査装置及び表面形状検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属やプラスチックなど光沢のある表面の塗布ムラや研磨ムラなどの表面形状を検査する表面形状検査装置及び表面形状検査方法に関する。

工業製品などの被検査物の表面における傷や凹凸などの欠陥を検査する方法の一つとして、被検査物の表面に光を照射し、被検査物の表面を撮像し、撮像された画像から被検査物表面の欠陥の有無を検査する方法が広く行われている（例えば、特許文献１）。

この検査方法において、光源に所定のパターン、たとえば、白黒の正弦波パターンを有する光を用い、被検査物の表面に投影されたその正弦波パターンの変化を測定することにより、表面形状たとえば、三次元形状や表面に付された凹凸や傷などを測定する技術（位相シフト法）が開示されている（非特許文献１）。この方法では、正弦波の位相を変化させことにより、計測対象物の凹凸や高さなどの情報を得ることができる。

また、被検査物表面が鏡面反射を有するものである場合に、位相シフト法に基づいて振幅画像を作成し、その振幅画像によって微細な傷を測定する技術が知られている（例えば、特許文献１）。

特開２００９−１６８４５４号公報

研究成果報告書「高精度高速形状変形計測法」和歌山大学システム光学部 光メカトロニクス学科 光波画像計測研究グループ、教授 森本吉春 他、２００１年４月

しかし、特許文献１に記載の上記方法では、被検査物表面より鏡面反射された縞パターンから算出された振幅画像に基づいて傷の有無が判断される。振幅画像は、被検査物の表面の傷だけでなく、被検査物の表面性にも影響されるため、微細な傷が分散している場合には振幅画像では微細な変動となってしまうため被検査物の表面の測定が困難となっていた。
また、非特許文献１においては、大きな表面形状を計測することはできるが、塗布ムラや研磨ムラなどの微細な凹凸を検出し、表面状態の合否判定について検査することは困難であった。

そこで、本発明の目的は、表面が鏡面反射の性質を有する被検査物について、微細な凹凸や傷が分散している被検査物の表面を測定することができる表面形状検査装置を提供することである。

本発明に係る表面形状検査装置は、光強度が周期的に変化するパターン光を被検査物の表面に照射する光源と、
前記パターン光が投影された前記被検査物からの反射光を撮像する撮像装置と、
前記撮像された画像に基づいて前記被検査物の表面形状を検査する演算部と、
を備え、
前記光源は、周期式が既知の前記パターン光を所定の位相ずつずらしながら前記被検査物に投射可能な面光源であり、
前記演算部は、
前記被検査物の撮像画像の画素ごとに、前記撮像装置により撮像された前記パターン光の位相が異なる複数の撮像画像の光強度値及び前記光源が照射するパターン光の周期式に基づいて、位相値を演算し、
前記画素ごとの位相値が明度に比例するよう計算された位相画像を作成し、
前記位相画像のヒストグラムの形状に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査する。

本発明に係る表面形状検査装置によれば、周期式が既知のパターン光の位相をずらしながら撮像することで、撮像の結果から撮像画像中の画素ごとの位相値が明度に比例するよう計算された位相画像を作成できる。この得られた位相画像のヒストグラムの形状に基づいて、被検査物の表面形状を検査することができる。

本発明の実施の形態１に係る表面形状検査装置の外観構成を示す概略図である。 本発明の他の実施形態に係る表面形状検査装置の外観構成を示す概略図である。 正弦波格子の光強度の分布を示す図である。 曲面のスクリーンを有する表面形状検査装置の変形例を示す図である。 図１Ａの表面形状検査装置の光学系の概略構成を示す図である。 図１Ａ，図１Ｂの表面形状検査装置の制御演算部の機能ブロックを示す図である。 図１Ａ，図１Ｂの表面形状検査装置の制御演算部が行う表面形状検査方法のフローチャートである。 初期位相を持つ点における位相シフト量と光強度変化の関係を示す図である。 正弦波格子が写し出された被検査物の撮影画像の例を示す図である。 図８Ａの被検査物の撮影画像に基づいて作成された位相画像の例を示す図である。 位相画像の一次微分画像のうち、ＯＫ品の例を示す図である。 位相画像の一次微分画像のうち、ＮＧ品の例を示す図である。 位相画像の一次微分画像のヒスグラムのうち、ＯＫ品の例を示す図である。 位相画像の一次微分画像のヒスグラムのうち、ＮＧ品の例を示す図である。

本発明の第１の態様に係る表面形状検査装置は、光強度が周期的に変化するパターンを有するパターン光を被検査物の表面に照射する光源と、
前記パターン光が投影された前記被検査物からの反射光を撮像する撮像装置と、
前記撮像された画像に基づいて前記被検査物の表面形状を検査する演算部と、
を備え、
前記光源は、周期式が既知の前記パターン光を所定の位相ずつずらしながら前記被検査物に投射可能な面光源であり、
前記演算部は、
前記被検査物の撮像画像の画素ごとに、前記撮像装置により撮像された前記パターン光の位相が異なる複数の撮像画像の光強度値及び前記光源が照射するパターン光の周期式に基づいて、位相値を演算し、
前記画素ごとの位相値が明度に比例するように計算された位相画像を作成し、
前記位相画像のヒストグラムの形状に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査する。

第２の態様の表面形状検査装置は、上記第１の態様の表面形状検査装置において、前記演算部は、前記位相画像の一次微分を算出して得られた一次微分画像のヒストグラムの形状に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査してもよい。

第３の態様の表面形状検査装置は、上記第１又は第２の態様の表面形状検査装置において、前記演算部は、前記位相画像について、フーリエ変換によって求めた周波数成分に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査してもよい。

第４の態様の表面形状検査装置は、上記第１から第３の態様のうちいずれかの表面形状検査装置において、前記演算部は、前記位相画像の一次微分を算出して得られた一次微分画像について、フーリエ変換によって求めた周波数成分に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査してもよい。

第５の態様の表面形状検査装置は、上記第１から第４の態様のうちいずれかの表面形状検査装置において、前記演算部は、さらに、得られた前記位相値に基づいて、各画素における振幅値を算出し、得られた前記振幅値によって振幅画像を作成し、
前記振幅画像のヒストグラムの形状に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査してもよい。

第６の態様の表面形状検査装置は、上記第５の態様の表面形状検査装置において、前記演算部は、前記振幅画像の一次微分を算出して得られた一次微分画像のヒストグラムの形状に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査してもよい。

第７の態様の表面形状検査装置は、上記第５または第６の態様の表面形状検査装置において、前記演算部は、前記振幅画像について、フーリエ変換によって求めた周波数成分に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査してもよい。

第８の態様の表面形状検査装置は、上記第５から第７の態様のうちいずれかの表面形状検査装置において、前記演算部は、前記振幅画像の一次微分を算出して得られた一次微分画像について、フーリエ変換によって求めた周波数成分に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査してもよい。

第９の態様の表面形状検査装置は、上記第１から第８の態様のうちいずれかの表面形状検査装置において、前記演算部は、前記ヒストグラムのピークの画素数に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査してもよい。

第１０の態様の表面形状検査装置は、上記第１から第８の態様のうちいずれかの表面形状検査装置において、前記演算部は、前記ヒストグラムの標準偏差値に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査してもよい。

第１０の態様の表面形状検査装置は、上記第１から第８の態様のうちいずれかの表面形状検査装置において、前記演算部は、前記ヒストグラムの尖度に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査してもよい。

本発明の第１１の態様に係る表面形状検査方法は、面光源から光強度が周期的に変化する周期式が既知のパターン光を所定の位相ずつずらしながら、被検査物の表面に投射するステップと、
前記被検査物に投影された前記パターンを撮像して前記パターン光の位相が異なる複数の撮像画像を得るステップと、
前記被検査物の撮像画像の画素ごとに、前記撮像装置により撮像された前記パターン光の位相が異なる複数の撮像画像の光強度値を前記光源が照射するパターン光の周期式にあてはめ、位相値を演算するステップと、
前記画素ごとの位相値が明度に比例するように計算された位相画像を作成するステップと、
前記位相画像のヒストグラムの形状に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査するステップと、
を含む。

本発明の第１２の態様に係る表面形状検査用コンピュータプログラムは、上記第１１の態様の表面形状検査方法の各ステップをコンピュータに実行させて、被検査物の表面の欠陥を検査する。

本発明の第１３の態様に係るコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、第１２の態様の表面形状検査用コンピュータプログラムを格納している。

本発明の第１４の態様に係る表面形状検査方法は、面光源から光強度が周期的に変化する周期式が既知のパターン光を所定の位相ずつずらしながら、前記被検査物の表面に投射するステップと、
前記被検査物に投影された前記パターンを撮像して前記パターン光の位相が異なる複数の撮像画像を得るステップと、
前記被検査物の撮像画像の画素ごとに、前記撮像装置により撮像された前記パターン光の位相が異なる複数の撮像画像の光強度値を前記光源が照射するパターン光の周期式にあてはめ、位相値を演算するステップと、
前記画素ごとの位相値が明度に比例するように計算された位相画像を作成するステップと、
得られた前記位相値に基づいて、各画素における振幅値を算出し、得られた前記振幅値によって振幅画像を作成するステップと、
前記位相画像のヒストグラムの形状に基づいて、前記被検査物の表面の形状を検査するステップと、
を含む、表面形状検査方法。

本発明の第１５の態様に係る表面形状検査用コンピュータプログラムは、上記第１４の態様の表面形状検査方法の各ステップをコンピュータに実行させて、被検査物の表面の欠陥を検査する。

本発明の第１６の態様に係るコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、第１５の態様の表面形状検査用コンピュータプログラムを格納している。

以下、本発明の実施の形態に係る表面形状検査装置及び表面形状検査方法について、添付図面を用いて説明する。なお、図面において、実質的に同一の部材には同一の符号を付している。

（実施の形態１）
＜表面形状検査装置＞
図１Ａは、本発明の実施の形態１に係る表面形状検査装置１Ａの外観構成を示す概略図であり、図１Ｂは、本発明の他の実施形態に係る表面形状検査装置１Ｂの外観構成を示す概略図である。
図１Ａに示す表面形状検査装置１Ａと、図１Ｂに示す表面形状検査装置１Ｂとは、後述する所定の正弦波格子の光を被検査物１００に投影する構成が異なる点を除いてほぼ共通する構成を有するため、両装置を代表して図１Ａに示す表面形状検査装置１Ａについて主に説明を進め、図１Ｂに示す装置は主に相違点について説明する。

この表面形状検査装置１Ａは、図１Ａに示すように、制御演算部６Ａからの出力信号を受信して、所定の正弦波格子を有する光を投射するプロジェクタ２を有する。プロジェクタ２から当該投射された所定のパターンの光は、制御演算部６Ａにより作成され、また、制御演算部６Ａの制御により、所定のパターンの位相やパターン形状などを変更することができる。本実施の形態では、所定のパターンとして正弦波格子を採用する。所定のパターンの光の光強度値Ｉ（ｘ、ｙ）は、下記の数式（１）に示すように平面（ｘ、ｙ）上に正弦波状に分布している。なお、正弦波格子の例としては、上記のように正弦波状に限定されるものではなく、例えば、鋸歯状に光強度が変化するような場合であってもよい。

数式（１）において、Ａは光強度振幅、θは位相値、Ｂは背景光強度を示す。

本実施の形態１では、正弦波格子の縞の濃淡の光強度Ｉは、図２に示すように、縞の延在方向については同じ光強度を有し、縞の延在方向の直交方向に対して周期式が既知の正弦波となるパターンを有している。

プロジェクタ２から当該投射された正弦波格子のパターン光は、スクリーン３Ａに投影される。

スクリーン３Ａに投影された正弦波格子の光は、スクリーン３Ａ面で反射して載置台４の上に置かれた被検査物１００に到達する。被検査物１００は、表面が鏡面反射の性質を有し、自動車のボディや樹脂板など光沢のある金属、プラスチック、窯材、ガラス、フィルムなどが例示できる。

正弦波格子が投影されるスクリーン３Ａの投影面は、被検査物１００の検査面よりも大きく、好ましくは２倍以上の面積比を有することが好ましい。スクリーンを用いることで、正弦波格子が写し出される面積を容易かつ安価に大きくすることができる。また、図３に示すように、被検査物１００の測定面が曲面で構成されているような場合、被検査物１００の形状に合わせて変形することもできる。このように曲面で構成されるスクリーン３を用いることで、より広い範囲を一度に測定することもできる。

スクリーン３Ａで反射された光は、被検査物１００の表面で反射し、撮像部５に到達する。撮像部５は、デジタルカメラや産業用カメラなどで構成される。カメラは、ノイズの少ない画像を得られる高画質カメラが望まれ、このため出力信号はビット数が高いものが好ましい。

本実施の形態１に係る表面形状検査装置１Ａは、面光源であるスクリーンから投光された光を用いて被検査物１００に投影する。そのため、被検査物１００の表面が鏡面反射性を有していたとしても、被検査物１００の表面に投光された正弦波格子を撮像することができる。この原理について図４を用いて説明する。

図４は、図１Ａの表面形状検査装置１Ａの光学系の概略構成を示す図である。上記のようにスクリーン３Ａの表面には、正弦波格子が投影されており、スクリーン３Ａ表面で反射した光が被検査物１００の表面で反射して撮像部５に到達する状態を示している。図４では、理解のためスクリーン３Ａ上の任意の３点７１，７２，７３から投光される光のみを図示している。プロジェクタ２から投光されスクリーン３Ａに到達した光は、スクリーン３Ａで反射・拡散して被検査物１００へ到達する。例えば、図４においては、点７１からＬ１，Ｌ２，Ｌ３の光が反射した場合を図示している。上記のように、被検査物１００へ到達した光は、その進行方向に応じて被検査物１００の表面の到達位置が異なり、その到達位置で鏡面反射する。点７１から発光する光のうち、Ｌ１，Ｌ３は被検査物１００の表面で鏡面反射しても撮像部５に到達し得ないが、Ｌ２は鏡面反射して撮像部５に到達する。すなわち、撮像部５は、点７１から発光した光を被検査物１００の表面の位置７４上に投影された状態で撮像することができる。

同様に、点７２，７３から発光した光は、位置７４，７５上に投影された状態で撮像部５に到達する。すなわち、スクリーン３Ａの任意の点から投光された拡散光のうち被検査物１００上の特定の位置で正反射した光のみが撮像部５に到達する。そこで、撮像部５でスクリーン３Ａから投光される正弦波格子が被検査物１００に投影された状態の画像を撮像することができる。

撮像部５で撮像された画像は、制御演算部６Ａで演算・処理され撮像画像に基づいて、被検査物１００の表面に付された欠陥の検査をすることができる。制御演算部６Ａでの演算・処理については、後述する。

（変形例）
次に、図１Ｂに示す変形例の表面形状検査装置１Ｂについて、正弦波格子の光を被検査物１００に投影する構成について説明する。

図１Ｂの表面形状検査装置１Ｂは、フラットパネルディスプレイ３Ｂ，載置台４，撮像部５，制御演算部６Ｂを備える。制御演算部６Ｂは、フラットパネルディスプレイ３Ｂと撮像部５に接続されており、フラットパネルディスプレイ３Ｂに所定のパターンを表示させると共に撮像部５によって撮像された画像の分析を行う。フラットパネルディスプレイ３Ｂを用いることで、プロジェクタを必要としないため、ディスプレイのみで所定のパターンを表示することができる。

フラットパネルディスプレイ３Ｂとしては、制御演算部６Ｂからの出力信号を受けて、所定のパターンを有する光を被検査物１００にそのパターンを写すことができる程度の光強度をもって発光できるものであればよい。具体的には、例えば、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ、有機ＥＬディスプレイなどを用いることができる。また、液晶ディスプレイを用いた場合には、液晶により偏光された正弦波格子がディスプレイの表示面に表示されるので、被検査物１００と干渉することがある。これを防止するために、液晶ディスプレイの表面にポリエステルフィルムを貼着などの手段により設け、液晶ディスプレイから発光した光を無偏光の状態とすることができる。また、偏光フィルムを液晶ディスプレイ表面に貼り付けることにより、偏光特性をもつようなサンプルとの干渉を避けることができる。

＜制御演算部＞
次に、撮像部５が撮像した画像に基づいて表面形状検査を行う制御演算部６Ａ，６Ｂについて説明する。図５は、図１Ａ，図１Ｂの表面形状検査装置の制御演算部６Ａ，６Ｂの機能ブロックを示す図である。
図５に示すように、制御演算部６Ａ，６Ｂは、ＣＰＵ１０と、発光出力部２１と、制御プログラム格納部２２と、撮像出力部２３と、画像受信部２４と、を備える。ＣＰＵ１０は、制御プログラムからのプログラムシーケンスに基づいて、装置の制御演算を司り、それぞれの機能的な構成として、発光制御部１１，撮像制御部１２，画像分析部１３、位相画像作成部１４、一次微分画像作成部１５、ヒストグラム作成部１６、フーリエ変換部１７、欠陥判断部１８としての各機能を実現する。なお、制御演算部６Ａ，６Ｂは、さらに、振幅画像作成部１９の機能を備えてもよい。

発光出力部２１は、プロジェクタ２又はフラットパネルディスプレイ３Ｂと接続し、発光制御部１１で作成された所定の正弦波格子を表示するための出力信号をプロジェクタ２又はフラットパネルディスプレイ３Ｂに出力する。

撮像出力部２３は、撮像部５と接続され、撮像制御部１２によって作成された撮像のためのトリガー信号を所定のタイミングで出力する。画像受信部２４は、撮像部５によって撮像され、画像分析部１３などで行われる表面形状検査に用いられる画像を受信する。

発光制御部１１は、周期式が既知の正弦波格子を有する画像信号を作成する。発光出力部２１は、発光制御部１１で作成された正弦波格子をプロジェクタ２に送信して、スクリーンに所定のパターンを表示する。
正弦波格子：Ｉ=Ａ・ｃｏｓθ＋Ｂ
Ａ、Ｂ：定数

撮像制御部１２は、所定の撮像タイミングでトリガー信号を発行する。撮像出力部２３は、このトリガー信号を撮像部５に送信する。撮像部５は、トリガー信号を受信すると被検査物１００の撮像を行い、撮像画像を画像受信部２４に送信する。

画像分析部１３は、撮像画像について、画素ごとの位相を算出する。
位相画像作成部１４は、画素ごとの位相値を画像の光強度に変換して位相画像を作成する。位相画像を作成するにあたって、一部の画像をトリミングし、その画像を利用しても良い。これは、計測対象が複雑な形状をしている場合、位相画像が表面状態とは関係のない形状をとらないようにするためである。

また、一次微分画像作成部１５は、得られた位相画像の一次微分を算出する。位相画像の一次微分画像を作成することによって、形状による緩やかな凹凸や傷があっても微細な傷や凹凸等の欠陥をより検出しやすくできる。
さらに、ヒストグラム作成部１６は、画素ごとの位相値についてヒストグラムを作成する。フーリエ変換部１７は、位相画像の周期性を得る。この位相画像の周期性によって表面形状を検査できる。

欠陥判断部１８は、得られた位相画像に基づいて、表面の欠陥の有無を判断する。
まず、表面の欠陥がごくわずかの傷や凹凸等しか存在しない場合には撮影画像（図８Ａ）と位相画像（図８Ｂ）とを対比すれば、位相の変化箇所が確認でき、欠陥の有無を判断できる。さらに、位相画像の一次微分画像（図９Ａ、図９Ｂ）を対比すれば表面の欠陥の有無を判断しやすくなる。

一方、表面の欠陥が微細な傷や凹凸からなり、表面全体にわたって広く分布している場合には、従来の方法では表面の欠陥が微細なものであるために欠陥を正確に評価することが困難であった。
本発明者は、表面の欠陥が微細な傷や凹凸からなり、表面全体にわたって広く分布している場合にも欠陥を正確に評価する技術を得ることを課題として認識し、本発明に至ったものである。すなわち、本発明に係る表面形状検査装置では、位相画像の統計的処理を行うことによって、表面の欠陥の正確な評価が可能となったものである。例えば、位相画像の一次微分画像のヒストグラム（図１０Ａ、図１０Ｂ）の形状に基づいて表面形状を検査できることを見出したものである。なお、振幅画像のヒストグラム（図示せず）の形状に基づいて表面形状を検査してもよい。振幅画像は、以下のようにして作成できる。つまり、得られた位相値に基づいて、各画素における振幅値を算出し、得られた振幅値によって振幅画像を作成してもよい。

また、位相画像又は振幅画像の一次微分を算出して得られた一次微分画像のヒストグラムの形状に基づいて、被検査物の表面形状を検査してもよい。

上記それぞれのヒストグラムの形状に基づいて、被検査物の表面ムラを検査する方法として、具体的には、ヒストグラムのピーク値が閾値より小さい場合には、表面ムラが大きいと判断してもよい。ピーク値が閾値より小さい場合とは、鏡面反射によってピークが得られる画素数が少ないことを意味している。つまり、このような場合には、欠陥の分布が大きいと考えることができる。
また、ヒストグラムの標準偏差が閾値より大きい場合には、表面ムラが大きいと判断してもよい。標準偏差が閾値より大きい場合とは、欠陥の存在のためにピークから外れた画素の分布が広がっていることを意味している。
同様にして、ヒストグラムの尖度が閾値より小さい場合には、表面ムラが大きいと判断してもよい。尖度が閾値より小さい場合とは、ヒストグラムが幅広く広がっていることを示しており、表面状態の凹凸は色々な形状を含んでいることを意味している。
また、ヒストグラムの歪度により、表面ムラを判断してもよい。これは、ヒストグラムのピークが正規分布からのズレを示しており、これもまた表面ムラの状態を示している。

また、位相画像又は振幅画像について、フーリエ変換によって位相値又は振幅値の周波数成分を求めてもよい。この位相値又は振幅値の周波数成分に基づいて、被検査物の表面形状を判断してもよい。
あるいは、位相画像又は振幅画像の一次微分を算出して得られた一次微分画像について、フーリエ変換によって求めた周波数成分に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査してもよい。

この場合には、求めた周波数成分に基づいて、微細な傷や凹凸が分散している周期が長周期であるか、短周期であるか、に基づいて表面形状について評価できる。例えば、得られた周波数成分が低周波（長周期）である場合には、微細な傷の分布が少ないと考えることができ、高周波（短周期）である場合には、微細な傷の分布が多いと考えることができる。
周波数成分の分布が少ない場合は、表面形状が均一であると考えられ、逆に周波数成分の分布が大きい場合は、表面形状にムラがあると考えられる。

＜表面形状検査方法＞
次に、本実施の形態１に係る表面形状検査方法について説明する。図６は、図１Ａ，図１Ｂの表面形状検査装置の制御演算部６Ａ，６Ｂが行う表面形状検査方法のフローチャートである。

（１）周期式が既知の正弦波格子を有する画像信号を、プロジェクタ２に送信し、スクリーンに所定の正弦波格子を表示する（＃１）。この正弦波格子は、上記数式（１）に示される正弦波状の光強度変化を有する正弦波格子であり、光強度振幅、周波数値、位相シフト値とも所定値のものである。

（２）次に、所定の撮像タイミングで発行されたトリガー信号によって、撮像部５で被検査物１００の撮像を行い、撮像画像を画像受信部２４に送信する（＃２）。撮像部５によって撮像された被検査物に写し出される所定の正弦波格子は、どの位相値を有しているかが既知であるため、撮像画像と、正弦波格子の位相シフト量（最初の画像はシフト量０である）を対応づけて格納する。

（３）上記撮像を所定枚数の画像が得られるまで繰り返す（＃３）。このとき、制御演算部６Ａ，６Ｂは、撮像される正弦波格子の位相値をπ／２ずつずらした状態となるように撮像する（＃４）。すなわち、発光出力部２１が所定の正弦波格子を所定の周期で位相をずらしながらスクリーン３Ａに投影させる。この動作の途中で、最初の撮像のタイミングからπ／２ずつ位相がシフトするようなタイミングで撮像制御部１２がトリガー信号を発行し、撮像部５により所定枚数、例えば、４枚（１周期分）の撮像画像を撮影する。
正弦波格子：Ｉ=Ａ・ｃｏｓ(θ+α・ｎ)＋Ｂ
α：ずらした位相（ここではπ／２）
ｎ：整数（ｎ＝０、１、２、３）
ここでは、簡便な説明のために位相シフト量をπ／２とし、１周期分の画像の枚数を４枚としたが、位相シフト量は任意で構わない。この際、１周期分の撮影枚数は２πを位相シフト量で割った枚数となる。

（４）得られた複数枚の撮像画像に基づいて、画素ごとに位相値を演算する（＃５）。図７は、初期位相を持つ点における位相シフト量と光強度変化の関係を示す図である。まず、最初の任意の１画素について、連続して得られた撮像画像から光強度を測定し、既知の周期式に当てはめて位相値θを演算する。すなわち、得られた４枚の撮像画像は、全ての画素について光強度は１周期分変化する。そこで、光強度変化から画素ごとに独立して、すなわち、周囲の画素の光強度変化の情報を使うことなく、各画素ごとに位相値を求めることができる。

各画素における光強度値を数式（５）に代入することで、位相値θを演算できる理由について以下に説明する。
ある任意の画素における初期位相をθとする。初期位相とは、あるタイミングで撮像され、位相シフトが０のときの位相をいう。位相シフト量がπ／２ごとのある任意の画素の光強度値をＩ_０，Ｉ_１，Ｉ_２，Ｉ_３とすると、これらは、下記の数式（２）のように表すことができる。

Ｉ（ｘ，ｙ）：カメラに入射される光の強度
Ａ（ｘ，ｙ）：正弦波の振幅（振幅画像）
θ（ｘ，ｙ）：正弦波の位相（位相画像）
Ｂ（ｘ，ｙ）：外乱光などの影響による背景光の強度
なお、各変数は、各画素の座標（ｘ，ｙ）によって異なる。

上記数式（２）に基づいて、Ｉ_２−Ｉ_０及びＩ_３−Ｉ_１を計算すると、それぞれ数式（３）、（４）が得られる。

これらの数式より、数式（５）が導かれ、数式６により位相値θを求めることができる。

（５）この位相θの演算を全ての画素について繰り返し行う（＃５、＃６）。
（６）全ての画素について、位相θの演算が終了すると、位相画像作成部１４は、画素ごとの位相値を画像の階調に変換して位相画像を作成する（＃７）。位相画像は、上記の演算により求められた位相値θを画像の階調に変換した画像であり、位相値が大きいほど明度を高くするように構成された画像である。
なお、上記実施形態では、正弦波格子をπ／２ずつずらしているが、任意の位相をずらして計算することも可能である。任意の位相シフト量の場合の位相画像の求め方については非特許文献１に記載されている。
以上によって位相画像が得られる。

図８Ａは、正弦波格子が写し出された被検査物の撮影画像の例を示す図である。図８Ｂは、図８Ａの被検査物の撮影画像に基づいて作成された位相画像の例を示す図である。図８Ｂの位相画像によれば、図８Ａの正弦波格子が写し出された被検査物の撮像画像と比較して被検査物の表面に存在する傷などの欠陥が可視できる状態に表されていることが分かる。

図９Ａは、位相画像の一次微分画像のうち、ＯＫ品の例を示す図である。図９Ｂは、位相画像の一次微分画像のうち、ＮＧ品の例を示す図である。このように、位相画像の一次微分画像とすることによって、いわゆるフィルタ処理を行うことができ、表面の欠陥の有無を判断しやすくすることができる。

図１０Ａは、位相画像の一次微分画像のヒストグラムのうち、ＯＫ品（良品）の例を示す図である。図１０Ｂは、位相画像の一次微分画像のヒスグラムのうち、ＮＧ品（欠陥品）の例を示す図である。

また、得られた位相値に基づいて、各画素における振幅値を算出し、得られた振幅値によって振幅画像を作成して、振幅画像のヒストグラムの形状に基づいて、被検査物１００の表面の形状を検査するステップを含んでもよい。すなわち、位相画像を作成すると共に、振幅画像を作成する。この振幅画像によって、被検査物１００の表面形状を検査してもよい。
あるいは、位相画像を作成することなく、得られた位相値に基づいて、各画素における振幅値を算出し、得られた振幅値によって振幅画像を作成して、振幅画像のヒストグラムの形状に基づいて、被検査物１００の表面形状を検査してもよい。

なお、下記数式８により得られた位相値に基づいて、各画素における振幅値Ａを求めることができる。

さらに、位相画像又は振幅画像の一次微分を算出して得られた一次微分画像のヒストグラムの形状に基づいて、被検査物の表面形状を検査してもよい。

上記それぞれのヒストグラムの形状に基づいて、被検査物の表面形状を判断する方法として、以下の（１）又は（２）について説明する。
（１）ヒストグラムを作成し、ヒストグラムのピーク値と閾値とを比較し、ピーク値の画素数が閾値より小さい場合は、表面ムラが大きいと判断する。
（２）ヒストグラムを作成し、ヒストグラムの標準偏差と閾値とを比較し、ヒストグラムの標準偏差が閾値より大きい場合は、表面ムラが大きいと判断する。
（３）なお、（１）及び（２）の両方で表面ムラを判定してもよい。

また、位相画像又は振幅画像について、フーリエ変換によって求めた周波数成分に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査してもよい。
あるいは、位相画像又は振幅画像の一次微分を算出して得られた一次微分画像について、フーリエ変換によって求めた周波数成分に基づいて、被検査物の表面形状を検査してもよい。

なお、上記表面形状検査方法は、その各ステップをコンピュータに実行させて、被検査物の表面の欠陥を検査するための表面形状検査用コンピュータプログラムとして実現することができる。さらに、この表面形状検査用コンピュータプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納してもよい。

なお、本実施の形態の表面形状検査装置において、被検査物１００の表面の傷や凹凸を検査するために必要な位相画像を精度よく取得するために、被検査物１００とスクリーン３Ａやディスプレイ３Ｂとの距離を大きくすることが好ましい。また、上記のようにスクリーン３Ａなどから発光される光は、拡散光であり、被検査物１００との距離が大きくなるにつれて被検査物１００の表面に投影される縞のパターンの強度が弱くなり、精度のよい画像が得られなくなるので注意が必要である。

以上説明したように、本実施の形態１に係る表面形状検査装置によれば、面光源としてのスクリーンに写しだされたパターンを光源として用いるため、鏡面反射特性を有する被検査物１００に対して、撮像部５によりパターンを投影した状態で撮像できる。また、位相画像を用いて表面の欠陥を測定することで、外乱の影響を受けることなく、高精度に微細な欠陥の検査をすることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。例えば、スクリーン３Ａなどに表示される正弦波格子は、図１Ａなどに示すような方向に限られるものではなく、被検査物１００の傷の向きなどによって、例えば、縞が鉛直方向に延在するものであってもよい。また、１つの被検査物１００に対して、水平方向と鉛直方向の正弦波格子を用いて２回測定するようにしてもよい。このように正弦波格子の向きを傷の向きなどに応じて変更することで、傷が縞の中に埋もれることなく、検査を行うことができる。

本発明に係る表面形状検査装置は、自動車のボディや樹脂板など光沢のある金属、プラスチック、窯材、ガラス、フィルム、塗装などの表面に存在する傷や凹凸などの欠陥やムラを検査することができ、自動車産業、家電メーカ、化学工業などの分野において有用である。

１Ａ、１Ｂ
２ プロジェクタ
３Ａ スクリーン
３Ｂ フラットパネルディスプレイ
４ 載置台
５ 撮像部
６Ａ，６Ｂ 制御演算部
１０ ＣＰＵ
１１ 発光制御部
１２ 撮像制御部
１３ 画像分析部
１４ 位相画像作成部
１５ 一次微分画像作成部
１６ ヒストグラム作成部
１７ フーリエ変換部
１８ 欠陥判断部
１９ 振幅画像作成部
２１ 発光出力部
２２ 制御プログラム格納部
２３ 撮像出力部
２４ 画像受信部
１００ 被検査物

Claims (17)

1. 光強度が周期的に変化するパターン光を被検査物の表面に照射する光源と、
   前記パターン光が投影された前記被検査物からの反射光を撮像する撮像装置と、
   前記撮像された画像に基づいて前記被検査物の表面形状を検査する演算部と、
   を備え、
   前記光源は、周期式が既知の前記パターン光を所定の位相ずつずらしながら前記被検査物に投射可能な面光源であり、
   前記演算部は、
   前記被検査物の撮像画像の画素ごとに、前記撮像装置により撮像された前記パターン光の位相が異なる複数の撮像画像の光強度値及び前記光源が照射するパターン光の周期式に基づいて、位相値を演算し、
   前記画素ごとの位相値が明度に比例するように計算された位相画像を作成し、
   前記位相画像のヒストグラムのピーク値、標準偏差、尖度、および歪度のうち、少なくともいずれか１つに基づいて、前記被検査物の表面形状を検査する、
   表面形状検査装置。
2. 前記演算部は、前記位相画像の一次微分を算出して得られた一次微分画像のヒストグラムの形状に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査する、請求項１に記載の表面形状検査装置。
3. 前記演算部は、前記位相画像について、フーリエ変換によって求めた周波数成分に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査する、請求項１又は２に記載の表面形状検査装置。
4. 前記演算部は、前記位相画像の一次微分を算出して得られた一次微分画像について、フーリエ変換によって求めた周波数成分に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査する、請求項１から３のいずれか一項に記載の表面形状検査装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の前記表面形状検査装置であって、
   前記演算部は、さらに、得られた前記位相値に基づいて、各画素における振幅値を算出し、得られた前記振幅値によって振幅画像を作成し、
   前記振幅画像のヒストグラムの形状に基づいて、前記被検査物の表面の形状を検査する、表面形状計測装置。
6. 前記演算部は、前記振幅画像の一次微分を算出して得られた一次微分画像のヒストグラムの形状に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査する、請求項５に記載の表面形状検査装置。
7. 前記演算部は、前記振幅画像について、フーリエ変換によって求めた周波数成分に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査する、請求項５又は６に記載の表面形状検査装置。
8. 前記演算部は、前記振幅画像の一次微分を算出して得られた一次微分画像について、フーリエ変換によって求めた周波数成分に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査する、請求項５から７のいずれか一項に記載の表面形状検査装置。
9. 前記演算部は、前記ヒストグラムのピークの画素数に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査する、請求項１から８のいずれか一項に記載の表面形状検査装置。
10. 前記演算部は、前記ヒストグラムの標準偏差値に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査する、請求項１から８のいずれか一項に記載の表面形状検査装置。
11. 前記演算部は、前記ヒストグラムの尖度に基づいて、前記被検査物の表面形状を検査する、請求項１から８のいずれか一項に記載の表面形状検査装置。
12. 面光源から光強度が周期的に変化する周期式が既知のパターン光を所定の位相ずつずらしながら、被検査物の表面に投射するステップと、
    前記被検査物に投影された前記パターンを撮像して前記パターン光の位相が異なる複数の撮像画像を得るステップと、
    前記被検査物の撮像画像の画素ごとに、前記撮像装置により撮像された前記パターン光の位相が異なる複数の撮像画像の光強度値を前記光源が照射するパターン光の周期式にあてはめ、位相値を演算するステップと、
    前記画素ごとの位相値が明度に比例するように計算された位相画像を作成するステップと、
    前記位相画像のヒストグラムのピーク値、標準偏差、尖度、および歪度のうち、少なくともいずれか１つに基づいて、前記被検査物の表面形状を検査するステップと、
    を含む、表面形状検査方法。
13. 請求項１２に記載の前記表面形状検査方法の各ステップをコンピュータに実行させて、被検査物の表面の欠陥を検査するための、表面形状検査用コンピュータプログラム。
14. 請求項１３に記載の前記表面形状検査用コンピュータプログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
15. 面光源から光強度が周期的に変化する周期式が既知のパターン光を所定の位相ずつずらしながら、被検査物の表面に投射するステップと、
    前記被検査物に投影された前記パターンを撮像して前記パターン光の位相が異なる複数の撮像画像を得るステップと、
    前記被検査物の撮像画像の画素ごとに、前記撮像装置により撮像された前記パターン光の位相が異なる複数の撮像画像の光強度値を前記光源が照射するパターン光の周期式にあてはめ、位相値を演算するステップと、
    前記画素ごとの位相値が明度に比例するように計算された位相画像を作成するステップと、
    得られた前記位相値に基づいて、各画素における振幅値を算出し、得られた前記振幅値によって振幅画像を作成するステップと、
    前記振幅画像のヒストグラムのピーク値、標準偏差、尖度、および歪度のうち、少なくともいずれか１つに基づいて、前記被検査物の表面の形状を検査するステップと、
    を含む、表面形状検査方法。
16. 請求項１５に記載の前記表面形状検査方法の各ステップをコンピュータに実行させて、被検査物の表面の欠陥を検査するための、表面形状検査用コンピュータプログラム。
17. 請求項１６に記載の前記表面形状検査用コンピュータプログラムを格納したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。