JP7027446B2 - 角度可変照明による材料試験 - Google Patents

Description

本発明の様々な例は一般的には、角度可変照明幾何学形状により試料物体を照明するように設定された照明モジュールを有する光学系に関する。本発明の様々な例は特に、伝達関数と試料物体の少なくとも１つの画像とに基づき結果画像を決定するための技術に関する。

材料試験において試料物体の高さプロファイルを生成することがしばしば望ましいかもしれない。この時、例えば高さプロファイルに基づいて異常を検出することが可能である。

高さプロファイルを決定するための１つの技術は「ｓｈａｐｅ ｆｒｏｍ ｓｈａｄｉｎｇ」（ＳＦＳ）として知られている。例えばＰｒａｄｏｓ，Ｅｍｍａｎｕｅｌ，ａｎｄ Ｏｌｉｖｉｅｒ Ｆａｕｇｅｒａｓ．“Ｓｈａｐｅ ｆｒｏｍ ｓｈａｄｉｎｇ．”Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ ｍｏｄｅｌｓ ｉｎ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｖｉｓｉｏｎ（２００６）：３７５－３８８を参照。ＳＦＳは特定の不都合及び制限を有する。例えば、高さプロファイルの再構築を行うための十分に多くの画像を取得することはしばしば複雑でありかつ手間がかかる。加えて、対応技術は、時間集約的であり、誤りを起こし易い。

従って、材料試験のための改善された技術の必要性がある。特に、上述の制限及び不都合のうちの少なくとも一部をなくす又は軽減するこのような技術の必要性がある。

この目的は独立請求項の特徴により達成される。従属請求項の特徴は実施形態を規定する。

一例では、光学系は照明モジュールを含む。照明モジュールは、少なくとも１つの角度可変照明幾何学形状により試料物体を照明するように設定される。光学系はまた撮像光学ユニットを含む。撮像光学ユニットは、検出器上の少なくとも１つの角度可変照明幾何学形状により照明される試料物体の撮像された表現を生成するように設定される。光学系はまた検出器を含む。検出器は、撮像された表現に基づいて試料物体の少なくとも１つの画像を捕捉するように設定される。光学系はまたコントローラを含む。コントローラは、伝達関数と少なくとも１つの画像とに基づき結果画像を決定するように設定される。

結果画像に基づき、例えば結果画像内の異常が特によく可視にされ得る。コントローラがさらに結果画像内の異常を検出するように設定されることも可能だろう。一般的に、結果画像を使用することにより試料物体に対し精確な材料試験を行うことが可能かもしれない。例えば、試料物体の高さプロファイルが可視にされる可能性がある。

一例では、方法は、少なくとも１つの角度可変照明幾何学形状により試料物体を照明する工程を含む。本方法はさらに、検出器上の少なくとも１つの角度可変照明幾何学形状により照明される試料物体を撮像する工程を含む。本方法はさらに、撮像された表現に基づき試料物体の少なくとも１つの画像を捕捉する工程を含む。本方法はさらに、伝達関数と少なくとも１つの画像とに基づき結果画像を決定する工程を含む。

コンピュータプログラム製品は、少なくとも１つのプロセッサにより実行され得るプログラムコードを含む。プログラムコードを実行することにより、少なくとも１つのプロセッサに方法を行わせる。本方法は、少なくとも１つの角度可変照明幾何学形状により試料物体を照明する工程を含む。本方法はさらに、検出器上の少なくとも１つの角度可変照明幾何学形状により照明される試料物体を撮像する工程を含む。本方法はさらに、撮像された表現に基づき試料物体の少なくとも１つの画像を捕捉する工程を含む。本方法はさらに、伝達関数と少なくとも１つの画像とに基づき結果画像を決定する工程を含む。

コンピュータプログラムは、少なくとも１つのプロセッサにより実行され得るプログラムコードを含む。プログラムコードを実行することにより、少なくとも１つのプロセッサに方法を行わせる。本方法は、少なくとも１つの角度可変照明幾何学形状により試料物体を照明する工程を含む。本方法はさらに、検出器上の少なくとも１つの角度可変照明幾何学形状により照明される試料物体を撮像する工程を含む。本方法はさらに、撮像された表現に基づき試料物体の少なくとも１つの画像を捕捉する工程を含む。本方法はさらに、伝達関数と少なくとも１つの画像とに基づき結果画像を決定する工程を含む。

このような技術は、可能な結果画像に基づく（例えば高さプロファイルを解析することにより又は異常を識別することにより）試料物体の凸凹又は汚れの検出を信頼可能にし得る。これは、結果画像が試料物体の高さプロファイルを撮像し得るということに基づく。

上述の特徴及び以下に説明される特徴は、本発明の保護の範囲から逸脱することなく、明示的に設定された対応する組み合わせだけでなくまた別の組み合わせで又は分離して使用され得る。

様々な例による光学系を概略的に示し、光学系は、角度可変照明幾何学形状により試料物体を照明するように設定された照明モジュールを有する。 複数の照明要素を有する照明モジュールをより詳細に、概略的に示す。 試料物体を照明するための照明モジュールにより使用され得る例示的照明幾何学形状を概略的に示す。 試料物体を照明するための照明モジュールにより使用され得る例示的照明幾何学形状を概略的に示す。 試料物体を照明するための照明モジュールにより使用され得る例示的照明幾何学形状を概略的に示す。 結果画像を決定する際に様々な例に従って使用され得る伝達関数を概略的に示す。 結果画像を決定する際に様々な例に従って使用され得る伝達関数を概略的に示し、図７による伝達関数は図８による伝達関数に対してスケーリングされる。 結果画像を決定する際に様々な例による使用され得る伝達関数を概略的に示す。 結果画像を決定するための様々な例に従って使用され得る伝達関数を概略的に示す。 例示的方法のフローチャートである。 様々な例による反射光幾何学形状の照明モジュール及び検出器を概略的に示す。 様々な例による反射光幾何学形状の照明モジュール及び検出器を概略的に示す。 様々な例による反射光幾何学形状の照明モジュール及び検出器を概略的に示す。 様々な例による反射光幾何学形状の照明モジュール及び検出器を概略的に示す。 様々な例によるそしてまた基準実施形態による高さプロファイルを有する様々な画像及び結果画像を示す。 例示的方法のフローチャートである。

上述の本発明の特性、特徴及び利点並びにそれらが実現されるやり方は、添付図面に関連してより詳細に説明される例示的実施形態の以下の説明に関連してより明確になり、そしてより明確に理解可能になる。

添付図面では、同一参照符号は同一又は同様な要素を示す。添付図面は本発明の様々な実施形態の概略図である。添付図面に示される要素は必ずしも原寸に比例して描写されない。むしろ、添付図面に示される様々な要素は、それらの機能及び一般的目的が当業者にとって理解可能になるようなやり方で再生される。添付図面に示される機能ユニットと要素との間の接続及び結合はまた、間接接続又は結合として実現され得る。接続又は結合は有線又は無線的やり方で実現され得る。機能ユニットはハードウェア、ソフトウェア又はハードウェアとソフトウェアの組み合わせとして実現され得る。

調整されたコントラストを有する結果画像を決定するための技術が以下に説明される。結果画像は通常、試料物体の高さプロファイルを提供し得る。従って、結果画像は試料物体の材料試験に使用され得る。

本明細書で説明される技術は、試料物体の１つ又は複数の画像をディジタル的に後処理することにより結果画像を決定することを可能にする。例えば、試料物体の１つの画像又は複数の画像が、それ自体は高さプロファイルを呈示しない強度画像であることも可能であろう。

試料物体の１つの画像又は複数の画像は様々な照明幾何学形状に関連付けられ得る。これは「１つの画像又は複数の画像がいずれの場合も、対応する照明幾何学形状による試料物体の同時照明により検出器により捕捉され得る」ということを意味する。

様々な照明幾何学形状は例えば様々な照明方向と関連付けられ得る。様々な照明幾何学形状又は関連付けられた様々な画像は時分割多重化又は周波数分割多重化により互いに分離され得る。様々な偏光による分離もまた可能だろう。照明幾何学形状は方向依存性を有し得る。例えば、照明幾何学形状は１つ又は複数の空間方向に沿った照度の勾配を有し得る。例えば、照度は空間方向に沿って（例えば零と有限値との間又は２つの異なる有限値との間で）漸増的に変動する可能性がある。

試料物体は使用される光に対して不透明である可能性がある。例えば、試料物体はバルク固体要素（例えば織物又は繊維、金属成分など）を含む可能性がある。試料物体のタイプに依存して、照明モジュール及び検出器を反射光幾何学形状又は透過光幾何学形状で操作することが望ましいかもしれない。

様々な例では、結果画像を取得するために１つ又は複数の画像をディジタル的に後処理するための少なくとも１つの伝達関数が使用される。例えば、伝達関数は目的伝達関数及び／又は光学系の光学系伝達関数を示し得る。伝達関数は、特定の照明における少なくとも１つの画像を予測するのに好適でありそして特定の試料物体に好適であり得る。例えば、伝達関数は実数値部及び／又は虚数部を有し得る。数ある中でも特に伝達関数の虚数部を決定するための技術が以下に説明される。単純化のために、技術が伝達関数の虚数部に関係するということへの参照は以下では必ずしもなされない。いくつかの例では、実数値部のない純粋に虚数伝達関数が使用され得る。

この場合、伝達関数を決定するための様々な技術が使用され得る。使用される伝達関数に依存して、様々な技術が結果画像を決定するために使用され得る。１つの例示的技術はＴｉｋｈｏｎｏｖ正則化に基づく、すなわち、結果画像はここではフーリエ逆変換により決定され、そして伝達関数Ｈ^＊に基づき、そしてさらに異なる照明幾何学形状を有する試料物体の２つの画像の組み合わせ

の空間周波数空間表現に基づき：

αは正則化パラメータである。この場合、

は、互いに相補的である半円を照明する異なる照明幾何学形状において捕捉された２つの画像Ｉ_Ｔ、Ｉ_Ｂの組み合わせのスペクトル分解を記述する：

これらは一例である。一般的に、照明幾何学形状が（例えば厳密には）半円形である必要はない。例えば、半円上に配置される４つの発光ダイオードが使用される可能性がある。例えば、規定された又は離散的照明方向が使用される可能性がある、すなわち個々の発光ダイオードが使用される可能性がある。さらに、式２においてＩ_Ｔ＋Ｉ_Ｂへ又は別の値への代わりに１への正規化が行われることも可能である。Ｉ_ＴとＩ_Ｂによる計算を行う代わりに、他の例では、生データ自体（すなわち、例えばＩ_ＤＰＣ＝Ｉ_Ｔ又はＩ_ＤＰＣ＝Ｉ_Ｂ）もまた使用される可能性がある。式２における対応する商を形成することにより、そうでなければ外乱（他の繊維特性、色など）である影響を低減することが可能である。差を形成することにより、特に、伝達関数の実数値部に基づき吸収部分を低減することが可能である。Ｉ_ＤＰＣは、試料物体に基づく位相シフトのローカル増加に比例する。位相シフトは、試料物体の厚さ又は試料物体のトポグラフィの変化により及び／又は光学特性の変化により引き起こされ得る。

例えば、２つの画像Ｉ_{ＤＰＣ，１}、Ｉ_{ＤＰＣ，２}は、ビーム経路（Ｉ_{ＤＰＣ，１}）に対し垂直な横方向面内の上下に配置された一対の半円照明幾何学形状により一回決定され、横方向面（Ｉ_{ＤＰＣ，２}）内の左右を配置された一対の半円の照明幾何学形状により一回決定され得る。次に、結果画像を決定する際にＩ_{ＤＰＣ，１}とＩ_{ＤＰＣ，２}の組み合わせを考慮する（すなわち式１において和指標ｊにより合計することにより）ことも可能である。

空間周波数空間は実空間と共役である空間を示し得る。実空間と空間周波数空間との間のフーリエ解析及び逆フーリエ解析を使用して変換することが可能である。ここでの空間周波数は空間的周期長さの逆数値を示す。

このような技術は特定の仮定及び単純化に基づく（例えば弱い物体近似の前述式の場合）。しかし、他の例では、他の近似及び式が使用され得る。例えば、Ｔｉｋｈｏｎｏｖ正則化以外の反転（ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ）が使用される可能性がある（例えば異なる構成の直接積分又はフーリエフィルタリング）。このような変形形態においてですら、本明細書の様々な例において説明する伝達関数の内在特性が維持されることは可能である。

図１は例示的光学系１００を示す。一例として、図１の例による光学系１００は、反射光幾何学形状を有する光学顕微鏡を実現する可能性がある。例えば、反射光幾何学形状を有する対応光学顕微鏡は材料試験に使用される可能性がある。試料物体の高さプロファイルはこの目的のために生成され得る。

光学系１００は、試料ホルダー１１３へ固定された試料物体の小さな構造の拡大表現を可能にし得る。一例として、光学系１００は、試料がその全領域にわたって照明される広視野顕微鏡を実現する可能性がある。いくつかの例では、撮像光学ユニット１１２は試料物体の撮像される表現を検出器１１４上に生成し得る。次に、検出器１１４は試料物体の１つ又は複数の画像を検出するように設定され得る。接眼レンズを通した観察が同様に考えられる。

いくつかの例では、大きな開口を有する撮像光学ユニット１１２が使用され得る。例えば、撮像光学ユニット１１２は、０．２以下、任意選択的には０．３以下、さらに任意選択的には０．５以下の開口数を有する可能性がある。一例として、撮像光学ユニット１１２は液浸対物レンズを有する可能性がある。

光学系１００はまた照明モジュール１１１を含む。照明モジュール１１１は試料ホルダー１１３上に固定される試料物体を照明するように設定される。一例として、この照明はＫｏｅｈｌｅｒ照明により実現される可能性がある。ここでは、集光レンズ及び集光開口紋りが使用される。これは特に、試料物体の面内の照明目的のために使用される光の均一強度分布に繋がる。例えば、部分的に非干渉な照明が実現され得る。照明モジュール１１１はまた、試料物体を暗視野幾何学形状で照明するように設定される可能性がある。

図１の例では、照明モジュール１１１は角度可変照明を可能にするように設定される。これは、試料物体を照明するために採用される光の様々な照明幾何学形状が照明モジュール１１１により実現され得るということを意味する。様々な照明幾何学形状は様々な照明方向からの試料物体の照明に対応し得る。これは、角度可変照明が「角度空間において構造化された照明」と時に呼ばれる理由である。

本明細書では、様々な照明幾何学形状を提供するための様々なハードウェア実施形態が本明細書で説明される例において可能である。一例として、照明モジュール１１１は、光を局所的に修正する又は発射するように設定される複数の調整可能照明要素を含む可能性がある。コントローラ１１５は、ある照明幾何学形状を実現する目的のために照明モジュール１１１又は照明要素を作動し得る。

一例として、コントローラ１１５はマイクロプロセッサ又はマイクロコントローラとして実現される可能性がある。これに対する代案又は追加として、コントローラ１１５は例えばＦＰＧＡ又はＡＳＩＣを含む可能性がある。これに対する代案又は追加として、コントローラ１１５はまた、試料ホルダー１１３、撮像光学ユニット１１２、及び／又は検出器１１４を作動し得る。

図２は照明モジュール１１１に関係する態様を例示する。図２は、照明モジュール１１１がマトリクス構造の複数の調整可能照明要素１２１を含むということを示す。本明細書では、マトリクス構造は、光のビーム経路に対し垂直な面内（横方向面；実空間座標ｘ，ｙ）に配向される。マトリクス構造の代わりに、他の例では調整可能要素の異なる幾何学的配置（例えばリング状配置、半円配置など）を使用することも可能だろう。

一例では、調整可能照明要素１２１は光源として（例えば発光ダイオードとして）実現される可能性がある。次に、例えば様々な発光強度を有する様々な発光ダイオードが試料物体を照明するための光を発射することが可能だろう。照明幾何学形状はこのようにして実現され得る。別の実施形態では、照明モジュール１１１は空間光変調器（ＳＬＭ：ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）として実現される可能性がある。ＳＬＭは、撮像に対する直接影響を有し得る集光瞳への介入を空間分解されたやり方で請け負い得る。

図３は、例示的照明幾何学形状３００に関係する態様を例示する。図３は、図２の軸Ｘ－Ｘ’に沿った照明モジュール１１１の様々な調整可能要素１２１の提供される発光強度３０１を示す。照明幾何学形状３００は、軸Ｘ－Ｘ’に沿った位置に対する依存性を呈示し、従って構造化される。

図４は、例示的照明幾何学形状３００に関係する態様を例示する。図４は、使用される照明モジュール１１１の照明幾何学形状３００を抽象的に示す。図４の例では、一方の側が照明され（図４の黒色）反対側は照明されない（図４の白色）照明幾何学形状３００が使用される。図５は別の例示的照明幾何学形状（図４を参照して既に説明された対応する色コードを有する）を示す。

図６は、例示的伝達関数４００に関係する態様を例示する（図６では、黒コードは＋１の絶対値、白コードは－１の絶対値；座標ｕ_ｘ，ｕ_ｙは、空間周波数空間内で定義され、ここでは実空間座標ｘ，ｙに対応する）。伝達関数４００は、例えば図４の例による照明幾何学形状３００により捕捉された画像に基づき結果画像を決定するために使用され得る。結果画像は試料物体の高さプロファイルを含み得る。

図６の例では、伝達関数４００は、照明幾何学形状３００の対称軸３０５に対応する対称軸４０５を有する。従って、伝達関数４００は照明幾何学形状３００に対して適切に選択されるということが可能である。このようにして、結果画像は特に強いコントラストを呈示し得る。

図６はまた、撮像光学ユニット１１２の検出器開口の直径を示す。部分的に非干渉な照明が使用されるので、撮像光学ユニット１１２の検出器開口のサイズの２倍までの伝達関数は非零である。

図７はまた、伝達関数４００に関係する態様を例示する。図７の例はここでは原理的に図６の例に対応する。しかし、図６の例では、検出器開口のサイズは図６の例のものより大きい（水平方向破線参照；Ｎ_Ａは検出器開口のサイズを示す）。

しかし、伝達関数４００はこれにより、図６と比較して図７では拡大された検出器開口にそれに応じてスケーリングされる。一例として、図６の例による伝達関数４００は基準伝達関数として役立つ可能性がある。この場合、例えば、コントローラ１１５は、撮像光学ユニット１１２の拡大された開口への前記基準伝達関数のスケーリングに基づき図７の例に従って伝達関数４００を決定するように設定される可能性がある。

このような技術に基づき、光学系１００により撮像するための特定ケースの用途において望ましいかもしれない撮像光学ユニット１１２の特に大きな開口が使用されることが可能である。

図６と図７の例では、伝達関数４００が非零値をとる領域が撮像光学ユニット１１２の開口のサイズにより決定され得るということは明らかである。

このような技術は「撮像光学ユニットの開口のサイズに応じてスケーリングされる伝達関数４００が有意のコントラスト（例えば試料物体の高さプロファイル）を有する結果画像を決定することも可能であり得る」という発見に基づく。本明細書では、結果画像内のコントラストは、いくつかの例では、試料物体のトポグラフィの定量的記述を含まなくてもよいが、試料物体のトポグラフィの定性的記述を含む。特に、試料物体のトポグラフィの定性的記述は全体画像の領域内に一貫して提供され得る。これは、特に、コントラストの異なる標示を有する試料物体のトポグラフィの様々な実空間傾き（例えば試料物体の両端における）が結果画像内に撮像される基準技術と比較して、利点を有し得る。

図８は、伝達関数４００に関係する態様を例示する（図８では、黒コードは＋１の絶対値、白コードは－１の絶対値；座標ｕ_ｘ、ｕ_ｙは、空間周波数空間内で定義され、実空間座標ｘ、ｙに対応する）。伝達関数４００は、例えば図５の例による照明幾何学形状３００により捕捉された画像に基づき結果画像を決定するために使用され得る。図８はまた、撮像光学ユニット１１２の検出器開口の直径を示す。

伝達関数４００が角度可変照明幾何学形状３００に応じて決定され得るということは図６～８から明らかである。特に、空間周波数空間内の伝達関数４００の幾何学形状が実空間内の照明幾何学形状３００を複製することが可能である。このような技術を使用することにより、結果画像内に特に強いコントラスト（すなわち、例えば高さプロファイルの高い信号対雑音比）を実現することが可能である。

図９は、様々な伝達関数４００に関係する態様を例示する（様々な伝達関数が実線、破線、点線及び一点短鎖線により図９に示される）。

図９に示される伝達関数４００は様々な照明幾何学形状の例に使用され得る（照明幾何学形状は図９に示されない）。

図９は空間周波数空間の軸ｕ_ｘに沿った伝達関数４００を示す。いくつかの例では、伝達関数は、空間周波数空間の単に１つの座標に沿った変動を有する可能性があるが；他の例では、２つの直交軸ｕ_ｘ、ｕ_ｙに沿った変動が存在する可能性がある。

図９の例では、例えば、伝達関数４００は単調増加線形関数（実線）の形式である。加えて、図９の例では、別の伝達関数４００は単調増加シグモイド関数（破線）の形式である。図９の例では、別の伝達関数４００は畳み込まれた単調減少線形関数（点線）の形式である。図９の例では、別の伝達関数４００は階段関数（点線）の形式である。

このような形式の伝達関数４００は純粋に例示的であり、他の例では、様々な形式の伝達関数が使用され得る、又は図９の例に示す伝達関数４００の重ね合せであり得る。しかし、本明細書で説明される様々な例において使用される伝達関数は結果画像の特に良好な決定を可能にする特定の特徴を有し得る。使用されるこのような特徴の伝達関数は以下に説明される。

局所的極値のない（すなわち、絶対極値（すなわち、図９の例では＋１及び－１の振幅）より小さいであろう局所的最大又は最小のない）撮像光学ユニット１１２の開口内の空間周波数の伝達関数４００を具現化することが可能であるということは図９の伝達関数４００の例から明らかである。これは単調増加又は単調減少伝達関数により又は階段関数により達成され得る。

局所的極値のこのような回避は特に、結果画像内の信号雑音又はアーチファクトの低下に関係する効果を有し得る。時折、撮像光学ユニットの実際の開口と定格開口との間の偏差が存在する（例えば構造に起因して）ということが起こり得る。この場合、実際の開口に関係する伝達関数の局所的極値の位置は、空間周波数空間内に不正確に位置し得；これは「画像に含まれる周波数が、実際の開口に関して空間周波数空間内に不正確に位置する局所的極値に基づき強い増幅を誤って受ける」という影響を有し、これは、結果画像内にアーチファクトを生じ得る。本明細書で説明される様々な例に従って、局所的極値のない伝達関数は検出器開口内で又は検出器開口の２倍内で使用されるので、変位されたやり方で配置される伝達関数の局所的極値のために画像に含まれる周波数のこのような誤った増幅は回避され得る。結果は捕捉された画像に含まれる周波数の均一な伝搬である。

さらに「撮像光学ユニット１１２の開口内又は撮像光学ユニット１１２の開口の２倍内の空間周波数の伝達関数は０に等しい値をとらない又は実質的に０に等しい値をとらない（すなわち有限の非零値だけとる）実施形態が可能である」ということが図９に示す伝達関数４００の例から明らかである。一般的に、撮像光学ユニット１１２の撮像光学ユニット１１２の開口内又は開口の２倍内の空間周波数の伝達関数が（例えば対応領域内の空間周波数の伝達関数のすべての絶対値の最大を基準にして）比較的小さな値をとるということを避けることが時に望ましいかもしれない。例えば、撮像光学ユニット１１２の開口内又は開口の２倍内の空間周波数の伝達関数が、撮像光学ユニット１１２の開口内の空間周波数の伝達関数４００のすべての絶対値の最大の＜５％の絶対値、任意選択的に＜２％の値、さらに任意選択的に＜０．５％の値を有しないということが可能であろう。このような振る舞いは例えば階段関数により提供され得る。

このような技術は「伝達関数４００の零に等しい値が画像に含まれる当該周波数の抑制に対応し得る」という発見に基づく。しかし、しばしば、画像に含まれる対応周波数の抑制が撮像光学ユニット１１２の開口内又は撮像光学ユニット１１２の開口の２倍内では行われないということが望ましいかもしれない。

さらに、撮像光学ユニット１１２の開口の２倍外の空間周波数の示された伝達関数が零に等しい値をとるということは図９の例から明らかである。その外（すなわち、通常は、部分的に位相非干渉な照明を有する単一開口の外又は開口の２倍外）で撮像光学ユニット１１２により送信される空間周波数が零にほぼ等しい値をとる伝達関数が使用されるということは一般的に可能かもしれない。例えば、撮像光学ユニットの単一開口外又は開口の２倍外の空間周波数に使用される伝達関数は、撮像光学ユニットの単一開口内又は開口の２倍内の空間周波数の伝達関数のすべての絶対値の最大の＞５％の絶対値、任意選択的に２％より大きい値、さらに任意選択的に０．５％より大きい値を有しないということが可能であろう。このようにして、アーチファクト又は雑音が結果画像内で増幅されるということを回避することが可能である。

図１０は、例示的方法のフローチャートである。最初に、１００１では、試料物体が例えば試料ホルダーを使用して固定される。試料物体は例えばバルク材料の材料試料である可能性がある。１００１は任意選択的である。

次に、１００２では、試料物体は１つ又は複数の角度可変照明幾何学形状により照明される。この目的を達成するために、当該照明モジュールがそれに応じて作動され得る。例えば、試料物体が、例えば半円構成のものであり様々な半円に対応する２つの補足的照明幾何学形状により照明されることが可能だろう。

１００３では、試料物体の１つ又は複数の画像が、撮像光学ユニットを使用することによりそしてまた検出器（例えばＣＭＯＳ又はＣＣＤセンサ）を使用することにより捕捉される。１００３は、検出器の対応作動を含み得る。画像又は画像群はいずれの場合も試料物体の撮像される表現を含む。様々な画像がここでは１００２からの様々な照明幾何学形状に関連付けられる。

いくつかの例では、相補半円照明方向にいずれの場合も関連付けられる２つの対の画像が捕捉され得る。しかし、他の例では、２つの画像だけ又は３つの画像だけが捕捉されることも可能である。

この場合、例えば

による差が形成される可能性がある。ここで、Ｉ_{ｌｉｎｋｓ}とＩ_{ｒｅｃｈｔｓ}はそれぞれ左又は右に配向される半円照明幾何学形状に関連付けられる画像を示し、Ｉ_ｏｂｅｎとＩ_{ｕｎｔｅｎ}はそれぞれ上又は下に配向される半円照明幾何学形状に関連付けられた画像を示す。

次に、１００４では、試料物体の高さプロファイルを示す結果画像が決定される。１００４における結果画像の決定は、対応照明幾何学形状の対応光学系による試料物体の撮像を記述する伝達関数に基づく。結果画像はまた、１００３において捕捉された少なくとも１つの画像に基づき決定される。この目的を達成するために、例えば最初に差を形成し、次に、１００３において捕捉された複数の画像（様々な照明幾何学形状に関連付けられた）から正規化を行うことが恐らく可能である。

例えば、図１０による方法はさらに、基準伝達関数を撮像光学ユニットの開口のサイズへスケーリングする工程を含む可能性がある。これは、基準伝達関数が撮像光学ユニットの開口のサイズに適応化され得るということを意味する。

要約すると、使用される撮像光学ユニットの比較的大きな開口の場合ですら例えば試料物体の高さを符号化する強いコントラストを有する結果画像を決定するための技術が説明された。これらの技術は撮像光学ユニットの開口のサイズの考察に基づく。本明細書では、例えば、規定された基準伝達関数が撮像光学ユニットの開口のサイズに従ってスケーリングされ得る。従って、基準伝達関数はまた、照明幾何学形状に基づき理論的に予想される伝達関数に対する偏差を有し得るので人工的伝達関数とも呼ばれ得る。

例えば伝達関数に関係する本明細書で説明する技術は特にまた、反射光幾何学形状と組み合わせら得る。これは図１１の例に関連して示される。

図１１は、光学系１００に関係する態様を例示する。特に、図１１は、試料物体１８１を固定する試料ホルダー１１３に対する照明モジュール１１１及び検出器１１４の配置に関係する態様を例示する。試料物体１８１は個々の汚染物質１８０（例えば糸くず）を含む。

図１１の例では、照明モジュール１１１及び検出器又は撮像光学ユニット（図１１では不図示）は反射光幾何学形状で（すなわち試料ホルダー１１３と同じ側に）配置される。図１１の例では、照明要素１２１は光源により実現される。一例として、照明要素１２１は発光ダイオードなどにより実現される可能性がある。

いくつかの例では、試料物体１８０、１８１を暗視野幾何学形状で照明することを可能にする中心絞りもまた設けられる可能性がある。

図１１の例による光学系１００を使用することにより、試料物体１８０、１８１の材料試験を行うことが可能かもしれない。例えば、異常（汚染物質１８０など）が検出され得る。試料物体１８０、１８１はこの場合、光に対し透過性である必要はない。このような技術を使用することにより、試料物体１８０、１８１の高さプロファイルが角度可変照明により決定されるということを保証することが可能である。ここでは、この時、汚染物質１８０が極めて目立つようになる。

図１２は、光学系１００に関係する態様を例示する。図１２は照明モジュールの平面図である。ここでは、照明モジュール１１１が、光源として、検出器１１４に対して同心的に配置される４つの照明要素１２１を有するということは明らかである。ここでは照明モジュール１１１の変形形態もまた可能だろう（図１３と図１４とを比較されたい）。

例えば伝達関数４００に基づきここで説明される技術に従って決定され得る結果画像に基づき特定のアプリケーションが実現されることが可能である。その結果は試料物体１８０、１８１の高さプロファイルを示し得る。例えば、結果画像に基づき等しい高さの領域を決定することが可能だろう。一般的に、例えば伝達関数に基づき本明細書で説明される技術に従って決定され得る結果画像に基づき、例えば汚染物質１８０に対応する異常を検出することが可能である。

これは、結果画像内のノルムからの特別の偏差（異常）が識別され得るということを意味する。ここでは、例えば、ノルムは結果画像内の基準領域に基づき規定又は決定され得る。このような技術は、試料物体の高さプロファイルにより異常を特にうまく検出することが可能であるという発見に基づく。例えば、異常は、試料物体上に見つけ出された糸くずなどの汚染物質１８０に対応し、従って試料物体１８１の全般的トポグラフィからの偏差を示し得る。

ここでは、異常を検出するための様々な技術が、本明細書で説明される様々な例において使用され得る。いくつかの例では、異常が結果画像のコントラストの極値として決定されることは可能だろう。例えば、結果画像が試料物体１８１の高さプロファイルを記述する場合、試料物体のトポグラフィの平均高からの局所的偏差として極値を検出することが可能かもしれない。例えば、このような極値は閾値比較に基づき決定され得る。例えば、閾値比較において考慮される閾値は、結果画像のコントラスト値の絶対最大値に対し及び／又は平均値に対し決定される可能性がある。

この代わりに又はこれに加えて、異常はまた、機械学習の技術により決定され得る。例えば、人工ニューラルネットワークが、ノルムからの局所的偏差を類別するために使用される可能性がある。

この代わりに又はこれに加えて、異常を検出するために試料物体１８０の実空間パターンからの偏差を使用する技術を使用することも可能である。例えば、試料物体１８１は、織物構造に基づくトポグラフィの特別の周期性を有する繊維試料である可能性がある。いくつかの例では、試料物体のこのような周期性又はトポグラフィの実空間パターンが先験的情報として知らされることが可能だろう。しかし、他の例では、実空間パターンが基準として試料物体１８１のグローバル周波数解析により決定されることも可能だろう。このとき、異常がこの実空間パターンからの局所的偏差として検出されることは可能だろう。

実空間パターンからのこのような局所的偏差はここでは様々なやり方で検出され得る。例えば、実空間パターンが抑制される基準画像が結果画像に基づき生成されるということが可能であろう。この場合、基準画像内の異常は特にはっきり目立つようになり得る。試料物体の実空間パターンからの偏差は、例えば空間周波数空間におけるフィルタリングに基づきもたらされ得る。この代わりに又はこれに加えて、周期性の変化をハイライトする自己相関が行われ得る。実空間パターンの基準画像に対する偏差が検出されることも可能である。

図１５は、本明細書で説明する様々な技術の実験結果を示す。

画像２００１は織物の撮像される表現を含む。画像２００１は、図１２による照明モジュール１１１により反射光幾何学形状において捕捉された。

結果画像２００２は独国特許出願公開第１０２，０１４，１１２，２４２Ａ１号明細書に記載された技術を使用して取得された。結果画像２００２では、織物の汚染が示される。汚染の上縁が白いコントラストを有し下縁は暗いコントラストを有し、一方、汚染は中央に、結果画像２００２の平均コントラストに対応するコントラストを有するということが結果画像２００２において明らかである。従って、結果画像２００２は試料物体の高さを符号化するコントラストを有するが、結果画像２００２は高さプロファイルを映し出さなく、むしろ高さプロファイルの勾配に比例する。

これは結果画像２００３では異なる。結果画像２００３は本明細書で説明する技術に従って（すなわち、好適な伝達関数を使用して）決定された。汚染は再び、結果画像２００３内の矢印によりマーキングされる。汚染がその縁に沿ったものより明るいコントラストを中央に有するということがはっきり分かる。その中央領域内の汚染のコントラストはまた、結果画像２００３の平均コントラストより明るい。結局、結果画像２００３は試料物体の高さプロファイルを示す。結果画像２００３内の多様な汚染又はいくつかの糸くずは、特に明るいコントラストにより目立つようになる。

これは、結果画像２００３内の異常を検出するための様々な例において利用され得る。この目的のため、簡単な実施形態において結果画像２００３のコントラストの局所的極値を検出することが可能だろう。例えば、対応閾値が例えば結果画像２００３のコントラスト値のグローバル最大値又は最小値を参照して決定され得る閾値比較が行われる可能性がある。対応する評価は画像２００４に内に示される。

画像２００１～２００４により映し出された織物はまた固有実空間パターンを有する。実空間パターンは使用される糸の繊維に対応する。上述の閾値比較の代わりに又はそれに加えて、この実空間パターンに基づき異常を検出することも可能かもしれない。例えば、これらの異常は試料物体の実空間パターンからの偏差として検出される可能性がある。この目的を達成するために、例えば、空間周波数空間内のフィルタリング又は例えば１次元又は２次元の自己相関が行われる可能性がある。他の例では、実空間パターンを映し出す基準画像が使用されるとも可能であろう。

図１６は、例示的方法のフローチャートである。ここでは、１０１１において、異常が結果画像内に検出される。一例として、結果画像は図１０の例による方法により決定される可能性がある。

実施形態の特徴及び上述の本発明の態様は互いに組み合わせられ得ることは言うまでもない。特に、特徴は、説明された組み合わせだけでなく他の組み合わせで、又は本発明の範囲から逸脱することなくそれ自体で使用され得る。

本明細書で説明される様々な伝達関数の振幅のスケーリングは純粋に例示的である。例えば、本明細書で説明された様々な例は＋１と－１の振幅を有する伝達関数をしばしば示したが、他の例では、様々な振幅を有する伝達関数が使用されることも可能かもしれない。

さらに、例えば、部分的に非干渉な光による試料物体の照明に関する様々な実施形態が説明された。送信される空間周波数の帯域は本明細書では撮像光学ユニットの開口の２倍に等しい。しかし、様々な例では、照明のための様々な技術を使用することも可能であろう。このことは、送信される空間周波数の帯域が異なるやり方で寸法決めされるということを意味する。本明細書で説明される様々な例では、これは、例えば送信される空間周波数の理論的最大値までの基準伝達関数の対応スケーリングがなされることにより考慮され得る。

さらに、様々な例が結果画像内の異常の検出に関し上に説明された。一般的に、材料試験の他の技術が結果画像に基づき使用される可能性がある。

Claims (19)

1. －複数の角度可変照明幾何学形状（３００）により試料物体（１８０、１８１）を照明するように設定された照明モジュール（１１１）と、
   －前記複数の角度可変照明幾何学形状（３００）により照明される前記試料物体（１８０、１８１）の撮像される表現を検出器（１１４）上に生成するように設定された撮像光学ユニット（１１２）と、
   －前記撮像される表現に基づき前記試料物体（１８０、１８１）の複数の画像を捕捉するように設定された前記検出器（１１４）と、
   －伝達関数（４００）と前記複数の画像の差とに基づき結果画像を決定するように設定されたコントローラ（１１５）と、を含み、
   前記伝達関数（４００）は、前記複数の角度可変照明幾何学形状に応じて決定される、光学系（１００）。
2. 前記照明モジュール（１１１）と前記検出器（１１４）は反射光幾何学形状で配置される、請求項１に記載の光学系（１００）。
3. 前記照明モジュール（１１１）は前記試料物体（１８０、１８１）を暗視野幾何学形状で照明するように設定される、請求項１又は２に記載の光学系（１００）。
4. 前記コントローラ（１１５）はさらに、前記結果画像内の異常を検出するように設定され、前記異常は前記結果画像のコントラストの極値を含む、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光学系（１００）。
5. 前記コントローラ（１１５）はさらに、前記結果画像内の異常を検出するように設定され、前記異常は前記試料物体（１８０、１８１）の実空間パターンからの偏差を含む、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光学系（１００）。
6. 前記コントローラ（１１５）は、フーリエ空間フィルタリング、自己相関、及び前記実空間パターンの基準画像に対する偏差のうちの少なくとも１つに基づき前記試料物体（１８０、１８１）の前記実空間パターンからの前記偏差を決定するように設定される、請求項５に記載の光学系（１００）。
7. 前記伝達関数（４００）は、前記撮像光学ユニット（１１２）の開口内又は前記開口の２倍内の空間周波数に関し、前記撮像光学ユニット（１１２）の前記開口内又は前記開口の２倍内の空間周波数の前記伝達関数（４００）のすべての絶対値の最大の５％未満の絶対値を有しない、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光学系（１００）。
8. 前記伝達関数（４００）は、前記撮像光学ユニット（１１２）の開口内又は前記開口の２倍内の空間周波数に関し、前記撮像光学ユニット（１１２）の前記開口内又は前記開口の２倍内の空間周波数の前記伝達関数（４００）のすべての絶対値の最大の２％未満の絶対値を有しない、請求項７に記載の光学系（１００）。
9. 前記伝達関数（４００）は、前記撮像光学ユニット（１１２）の開口内又は前記開口の２倍内の空間周波数に関し、前記撮像光学ユニット（１１２）の前記開口内又は前記開口の２倍内の空間周波数の前記伝達関数（４００）のすべての絶対値の最大の０．５％未満の絶対値を有しない、請求項８に記載の光学系（１００）。
10. 前記撮像光学ユニット（１１２）の開口内の空間周波数の前記伝達関数（４００）は局所的極値を有しない、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光学系（１００）。
11. 前記伝達関数（４００）は階段関数である、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光学系（１００）。
12. 前記伝達関数（４００）は単調増加又は単調減少関数である、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光学系（１００）。
13. 前記伝達関数（４００）は線形関数又はシグモイド関数である、請求項１２に記載の光学系（１００）。
14. 前記伝達関数（４００）は前記複数の角度可変照明幾何学形状（３００）の対称軸（３０５）に対応する対称軸（４０５）を有する、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の光学系（１００）。
15. 前記伝達関数（４００）は、前記撮像光学ユニット（１１２）の開口外又は前記開口の２倍外の空間周波数に関し、前記撮像光学ユニット（１１２）の前記開口内又は前記開口の２倍内の空間周波数の前記伝達関数（４００）のすべての絶対値の最大の５％より大きい絶対値を有しない、請求項１乃至１４のいずれか一項に記載の光学系（１００）。
16. 前記伝達関数（４００）は、前記撮像光学ユニット（１１２）の開口外又は前記開口の２倍外の空間周波数に関し、前記撮像光学ユニット（１１２）の前記開口内又は前記開口の２倍内の空間周波数の前記伝達関数（４００）のすべての絶対値の最大の２％より大きい絶対値を有しない、請求項１５に記載の光学系（１００）。
17. 前記伝達関数（４００）は、前記撮像光学ユニット（１１２）の開口外又は前記開口の２倍外の空間周波数に関し、前記撮像光学ユニット（１１２）の前記開口内又は前記開口の２倍内の空間周波数の前記伝達関数（４００）のすべての絶対値の最大の０．５％より大きい絶対値を有しない、請求項１６に記載の光学系（１００）。
18. 前記コントローラ（１１５）は逆フーリエ変換によるＴｉｋｈｏｎｏｖ正則化に基づき前記結果画像を決定するように設定される、請求項１乃至１７のいずれか一項に記載の光学系（１００）。
19. －複数の角度可変照明幾何学形状（３００）により試料物体（１８０、１８１）を照明する工程と、
    －前記複数の角度可変照明幾何学形状（３００）により照明される前記試料物体（１８０、１８１）の撮像される表現を検出器（１１４）上に生成する工程と、
    －前記撮像される表現に基づき、前記試料物体（１８０、１８１）の複数の画像を捕捉する工程と、
    －伝達関数（４００）と前記複数の画像の差とに基づき結果画像を決定する工程と、を含み、
    前記伝達関数（４００）は、前記複数の角度可変照明幾何学形状に応じて決定される、方法。
    

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