JP7530305B2 - 画像検出装置および画像検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体共振式レンズを含む画像検出装置および画像検出方法に関する。

従来、液体共振式レンズを有する焦点距離可変レンズ装置が知られている（例えば特許文献１）。この焦点距離可変レンズ装置では、周期的な駆動信号を液体共振式レンズに入力することにより、液体共振式レンズの内部の液体に定在波を生じさせている。液体共振式レンズの液体は、同心円状の粗密によってレンズとしての屈折性能を得ており、その焦点深度は周期的に変化する。

例えば、特許文献１には、液体共振式レンズを含む画像検出装置が開示されている。この画像検出装置では、対象物に対する合焦位置が液体共振式レンズの焦点深度と共に周期的に変化するため、駆動信号の任意の位相（検出位相）でパルス照明を行うことにより、当該位相に対応する合焦位置で合焦した画像を検出する。また、この画像検出装置では、互いに合焦位置が異なる複数の画像を検出し、対象物の注目部位が合焦している画像の合焦位置を当該注目部位の高さとして算出することで、対象物の変位や表面形状などを測定できる。

特開２０２０－１０６４８０号公報

前述の画像検出装置では、液体共振式レンズが温度変化の影響を受けることにより、合焦位置の変動波形に位相遅延が生じることがある。そこで、検出位相に位相遅延を反映することで画像検出タイミングを補正することが行われるが、このような補正を行った場合、画像検出タイミングが駆動信号の周期切替点（３６０°）付近に位置することがある。
ここで、前述の画像検出装置では、画像検出タイミングを駆動信号の周期に同期させるために、画像検出タイミングを制御する画像検出信号（例えばパルス照明を制御する照明信号）が駆動信号の周期を跨がないことが望まれる。そこで、画像検出信号は、駆動信号の周期を跨がないように、駆動信号の周期切替点において強制的にオフにされる。
よって、画像検出タイミングが周期切替点の直前に位置した場合、画像検出信号が周期切替点で強制的にオフされることにより画像検出信号のパルス幅が不足し、照明ムラの発生など、画像を正常に検出できなくなってしまう。また、画像検出タイミングが周期切替点の直後に位置した場合、画像検出信号をオンすることができず、画像検出タイミングの制御不能につながる可能性がある。

本発明は、画像検出タイミングを補正する場合において画像の正常な検出を確実に行える画像検出装置および画像検出方法を提供することを目的とする。

本発明の画像検出装置は、液体共振式レンズを含み、前記液体共振式レンズに入力される駆動信号に応じて合焦位置が周期的に変化する画像検出光学系と、前記画像検出光学系を通して前記駆動信号の検出位相に対応する画像を検出する画像検出部と、前記合焦位置の変動波形が示す位相遅延の正負に基づいて、前記検出位相の設定許容範囲を前記駆動信号の周期前半または周期後半に決定する範囲決定部と、前記検出位相を前記設定許容範囲内に設定する検出位相設定部と、前記画像検出部による画像検出タイミングを、前記検出位相から前記位相遅延に相当する角度分ずらしたタイミングに制御する検出制御部と、を備える。

本発明の画像検出装置において、前記検出位相設定部は、前記合焦位置の可変範囲内に等間隔で配置される複数の検出合焦位置を算出し、前記検出合焦位置のそれぞれに対応する前記駆動信号の位相を前記検出位相としてそれぞれ設定することが好ましい。

本発明の画像検出方法は、液体共振式レンズを含み、前記液体共振式レンズに入力される駆動信号に応じて合焦位置が周期的に変化する画像検出光学系と、前記画像検出光学系を通して前記駆動信号の検出位相に対応する画像を検出する画像検出部と、を備える画像検出装置において実施される画像検出方法であって、前記合焦位置の変動波形が示す位相遅延の正負に基づいて、前記検出位相の設定許容範囲を前記駆動信号の周期前半または周期後半に決定する範囲決定ステップと、前記検出位相を前記設定許容範囲内に設定する検出位相設定ステップと、前記画像検出部による画像検出タイミングを、前記検出位相から前記位相遅延に相当する角度分ずらしたタイミングに制御する検出制御ステップと、を含む。

本発明の画像検出装置では、検出位相に対応する画像検出タイミングについて合焦位置の変動波形の位相遅延を考慮した補正が行われるため、検出位相から想定される通りの合焦状態の画像を検出できる。また、位相遅延の正負に基づいて決定された設定許容範囲内に検出位相が設定されるため、検出位相に位相遅延を反映することで補正された画像検出タイミングであっても、駆動信号の周期切替点の付近に位置することがなく、画像の正常な検出を確実に行うことができる。

本発明の一実施形態である画像検出装置を示す模式図。 前記実施形態の画像検出装置を示すブロック図。 前記実施形態における同期信号、露光信号、合焦位置および照明信号について、経時的な各変化を示すグラフ。 前記実施形態の画像検出装置に設置された校正治具を例示する模式図。 前記実施形態において取得される校正用データを例示するグラフ。 前記実施形態における画像検出方法を説明するためのフローチャート。 前記実施形態における合焦位置の変動波形の位相遅延を説明するためのグラフ。 前記実施形態において正遅延が生じた場合の設定許容範囲および検出位相を例示するグラフ。 前記実施形態において負遅延が生じた場合の設定許容範囲および検出位相を例示するグラフ。 前記実施形態において正遅延が生じた場合の画像検出タイミングを例示するグラフ。 前記実施形態において負遅延が生じた場合の画像検出タイミングを例示するグラフ。 前記実施形態において正遅延が生じた場合の画像検出タイミングと照明信号とを例示するグラフ。 前記実施形態において負遅延が生じた場合の画像検出タイミングと照明信号とを例示するグラフ。 比較例において正遅延が生じた場合の画像検出タイミングと照明信号とを例示するグラフ。 比較例において負遅延が生じた場合の画像検出タイミングと照明信号とを例示するグラフ。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１には、本実施形態にかかる画像検出装置１の全体構成が示されている。画像検出装置１は、焦点距離が周期的に変化する液体共振式レンズ１４を通してワークＷを撮像することで、ワークＷの画像Ｉを検出する装置である。

（画像検出装置１の構成）
図１に示すように、画像検出装置１は、ワークＷの表面に交差する光軸Ａ上に配置される画像検出光学系１０と、ワークＷにパルス照明を照射するパルス照明部３と、画像検出光学系１０を通してワークＷを撮像する撮像部４と、画像検出光学系１０に含まれる液体共振式レンズ１４の動作を制御するレンズ制御部６と、レンズ制御部６を操作する制御装置７と、を備えている。

画像検出光学系１０は、物体側（前側）から順に、対物レンズ１１、結像レンズ１２、第１リレーレンズ１３、液体共振式レンズ１４、および、第２リレーレンズ１５を有する。
対物レンズ１１は、１以上のレンズによって構成されており、ワークＷに対向して配置される。この対物レンズ１１は、ワークＷで反射された光を平行光束に変換して結像レンズ１２に入射させる。
結像レンズ１２は、１以上のレンズによって構成されており、対物レンズ１１から入射される平行光束を集光して中間像を形成する。
第１リレーレンズ１３および第２リレーレンズ１５は、それぞれ、１以上のレンズによって構成されている。第１リレーレンズ１３および第２リレーレンズ１５は、リレーシステムを構成しており、結像レンズ１２によって形成される中間像をリレーし、当該中間像を撮像部４の撮像面に再結像させる。なお、結像レンズ１２の後側焦点と、第１リレーレンズ１３の前側焦点とは、同じ位置に配置される。

液体共振式レンズ１４は、焦点距離可変レンズとして構成されている。具体的には、液体共振式レンズ１４は、液体が充填された円筒形のケースと、圧電材料で形成された円筒状の振動部材とを有する。この振動部材は、ケース内の液体に浸漬された状態でレンズ制御部６に信号線を介して接続されており、レンズ制御部６から入力される駆動信号Ｃｆ（正弦波状の交流信号）に応じて振動する。駆動信号Ｃｆの周波数が共振周波数に調整されると、液体共振式レンズ１４の内部の液体に定在波が生じ、当該液体の屈折率が周期的に変化する。
また、液体共振式レンズ１４のケースは、光が通過するための窓部を有しており、ケース内の液体の屈折率が周期的に変化することにより、液体共振式レンズ１４の焦点距離が周期的に変化する。この液体共振式レンズ１４によれば、対物レンズ１１から合焦位置Ｈまでの合焦距離Ｄｆは、対物レンズ１１の焦点距離を基本としつつ、液体共振式レンズ１４の焦点距離の変化と共に周期的に変化する。

なお、画像検出光学系１０は、テレセントリックな光学系として構成されており、液体共振式レンズ１４の前側主点が対物レンズ１１の射出瞳と共役になるように配置されている。このような配置によれば、対物レンズ１１の射出瞳がテレセントリックにリレーされるため、合焦位置Ｈが変化しても、撮像部４に入射する像の倍率は一定になる。
また、本実施形態では、光軸Ａに平行な軸をＺ軸としており、合焦位置Ｈの位置は、Ｚ座標（Ｚ値）によって表される。

パルス照明部３は、パルス光を出射する光源３１と、光源３１から出射されたパルス光をワークＷに導くためのビームスプリッタ３２とを有する。
光源３１は、ＬＥＤなどの発光素子によって構成される。この光源３１は、レンズ制御部６により制御され、駆動信号Ｃｆの任意の位相（検出位相θｄ）に対応したタイミング（画像検出タイミング）でパルス光を出射する。
ビームスプリッタ３２は、対物レンズ１１と結像レンズ１２との間に配置されており、光源３１から出射されたパルス光を対物レンズ１１側に反射する。ビームスプリッタ３２で反射された光は、対物レンズ１１を介してワークＷに照射される。
また、ビームスプリッタ３２は、ワークＷで反射されて対物レンズ１１を通過した光を透過させる。

撮像部４は、既存のＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサなど、任意の形式の撮像素子を有する。撮像部４は、レンズ制御部６により制御されることでワークＷの画像を検出し、所定の信号形式の画像Ｉとして制御装置７へ出力する。
なお、本実施形態において、パルス照明部３および撮像部４は、検出位相θｄに対応する画像Ｉを検出するための画像検出部２を構成する（図２参照）。

図２には、本実施形態のレンズ制御部６および制御装置７の構成が示されている。
レンズ制御部６は、液体共振式レンズ１４、パルス照明部３および撮像部４をそれぞれ制御する専用ユニットである。なお、レンズ制御部６は、複数のＩＣ等によってハードウェア的に構成されてもよいし、ＣＰＵを備えるコンピュータを中心に構成され、ＣＰＵが記憶部６４に格納されたプログラムを実行することにより実現されてもよい。
レンズ制御部６は、液体共振式レンズ１４を制御する駆動制御部６１と、パルス照明部３を制御する発光制御部６２と、撮像部４を制御する撮像制御部６３と、記憶部６４とを有する。

駆動制御部６１は、液体共振式レンズ１４に駆動信号Ｃｆを出力するとともに、駆動信号Ｃｆに基づいて振動する液体共振式レンズ１４の振動状態Ｖｆを検出する。駆動制御部６１は、液体共振式レンズ１４の振動状態Ｖｆを参照して駆動信号Ｃｆの周波数を調整することで、駆動信号Ｃｆの周波数を液体共振式レンズ１４の現在の共振周波数にロックする。
なお、液体共振式レンズ１４の振動状態Ｖｆは、具体的には、駆動信号Ｃｆにより液体共振式レンズ１４に供給される駆動電圧、駆動電流、有効電力、および、駆動電圧と駆動電流との位相差である電圧電流位相差のうち、いずれか１以上を単独または組み合わせることにより検出可能である。
また、駆動制御部６１は、駆動信号Ｃｆの周期に同期した同期信号Ｓｙｎをレンズ制御部６内に出力する。この同期信号Ｓｙｎは、例えば駆動信号Ｃｆが０レベルに交差するタイミング（図３では合焦位置Ｈの変動波形Ｍｆが正のピークになるタイミング）でオンになるパルス信号である。

発光制御部６２は、パルス照明部３に対してパルス信号である照明信号Ｃｉを出力する。照明信号Ｃｉは、駆動信号Ｃｆの検出位相θｄに対応する画像検出タイミングＴでオンになり、パルス照明部３は、照明信号Ｃｉがオンの間、ワークＷにパルス照明を照射する。
また、発光制御部６２は、検出位相θｄの設定許容範囲Ｗｄを決定する範囲決定部６２１と、設定許容範囲Ｗｄ内に検出位相θｄを設定する検出位相設定部６２２と、検出位相θｄに基づいて画像検出タイミングＴを制御する検出制御部６２３と、を含んでいる（例えば図８参照）。各機能の詳細については後述する。
撮像制御部６３は、撮像部４に対してパルス信号である露光信号Ｃｃを出力する。撮像部４は、露光信号Ｃｃがオンの間だけ露光を継続し、ワークＷの画像Ｉを検出する。

ここで、図３に示すように、照明信号Ｃｉは、同期信号Ｓｙｎの所定パルス数分、駆動信号Ｃｆの検出位相θｄに対応する画像検出タイミングＴでオンになることを繰り返し、露光信号Ｃｃは、同期信号Ｓｙｎの所定パルス数分、オンを継続する。すなわち、撮像部４が露光を継続する間、パルス照明部３が所定回数分のパルス照明を行う。これにより、検出位相θｄに対応する１フレーム分の画像Ｉが検出される。検出位相θｄに対応する画像Ｉは、合焦位置Ｈが検出合焦位置Ｈｄであるときの合焦状態を示す。

なお、本実施形態において、発光制御部６２は、照明信号Ｃｉが駆動信号Ｃｆの周期を跨がないようにするために、駆動信号Ｃｆの周期切替点（３６０°または０°）において照明信号Ｃｉを強制的にオフする機能を有する。

図２において、制御装置７は、汎用のパーソナルコンピュータによって構成された装置であり、ＣＰＵなどの演算回路がメモリに記録された専用のソフトウェアを読み込み実行することで、所期の機能を実現する。具体的には、制御装置７は、レンズ制御部６に各種設定を行うレンズ操作部７１と、撮像部４から画像Ｉを取り込んで処理する画像処理部７２と、画像Ｉに基づいた分析を行う分析部７３として機能する。
また、制御装置７は、ユーザインターフェイスとしての操作インターフェイス７４を備えている。操作インターフェイス７４は、例えば、ディスプレイなどの表示部と、キーボードなどの操作部とを有する。

（校正用データの取得）
本実施形態では、後述の画像検出方法を実施するための準備として、校正用データの取得工程を行う。校正用データとは、駆動信号Ｃｆの位相と合焦位置Ｈとの対応関係を示すデータである。
なお、校正用データの取得方法については、従来技術（例えば特開２０２０－１０６８４１号公報）を参照可能であるため、ここでは簡単な説明を行う。

まず、図４に示すように、画像検出装置１の画像検出領域に所定の校正治具９をセットする。この校正治具９は、光軸Ａに対する傾斜角θが既知となる校正面９１を有する。この校正面９１は、Ｚ軸に直交する一方向（例えばＸ軸）に沿って既知のピッチの回折格子を有する。
そして、画像検出装置１は、駆動信号Ｃｆの位相が０°～３６０°の範囲で０．５°毎に検出位相θｄを設定し、駆動信号Ｃｆの位相が各検出位相θｄになるタイミングを画像検出タイミングＴとして、各画像Ｉを検出する。これにより、合焦位置Ｈの互いに異なる合計７２０枚の画像Ｉが検出される。

その後、分析部７３が各画像Ｉに基づく分析を行い、駆動信号Ｃｆの位相と合焦位置Ｈとの対応関係を示す校正用データを生成する。具体的には、各画像Ｉから合焦領域（例えば校正面９１の合焦した格子領域）を検出し、各合焦領域の画素座標や校正治具９の傾斜角θ等に基づいて、各合焦領域が対応するＺ値、すなわち合焦位置Ｈを算出する。そして、各画像Ｉに対応する駆動信号Ｃｆの位相と、各画像Ｉに対応する合焦位置Ｈとに基づいて、データ点をプロットし、近似曲線を算出することにより校正用データが生成される。

図５の実線は、校正用データの一例を示すグラフである。図５の実線で示すように、合焦位置Ｈは、駆動信号Ｃｆの位相に応じて周期的に変動する変動波形Ｍｆを示す。
ここで、図５の点線は、駆動信号Ｃｆから計算される理想波形Ｍｆｉである。駆動信号Ｃｆの変動波形Ｍｆは、理想波形Ｍｆｉに対してずれを有する。このずれは、液体共振式レンズ１４のレンズ特性が温度変化の影響によって変化することにより、通常に発生するものである。

駆動信号Ｃｆの変動波形Ｍｆのずれには、振幅Ｄの偏りＢが含まれる。
分析部７３は、校正用データに基づいて合焦位置Ｈの可変範囲Ｒｈを求め、この可変範囲Ｒｈの中間位置をＺ値の０に設定することで、偏りＢを補正する。

また、駆動信号Ｃｆの変動波形Ｍｆのずれには、位相遅延が含まれる。位相遅延の詳細については後述するが、図５は、合焦位置Ｈの変動波形Ｍｆに負遅延が生じている例を示している。
分析部７３は、校正用データに基づいて、駆動信号Ｃｆの周期開始位相（０°）から変動波形Ｍｆの正ピークまでの位相幅θｗを求め、制御装置７の記憶部（不図示）に記憶する。この位相幅θｗは、後述の画像検出方法において、変動波形Ｍｆの位相遅延の正負を判定するために利用される。

（画像検出方法）
本実施形態における画像検出方法について、図６のフローチャートおよび図７～図１３のグラフに基づいて説明する。なお、以下では、ｍ＋１個の検出位相θｄ_ｎ（ｎ＝０、１、２・・・ｍ）を設定し、各検出位相θｄ_ｎに対応する画像Ｉ（画像群）を検出する場合について説明する。また、図７～図１３において、縦軸は、合焦位置Ｈの可変範囲Ｒｈを―１．０≦Ｒｈ≦１．０としたときの検出合焦位置Ｈｄを示している。

まず、レンズ制御部６は、制御装置７から、位相幅θｗ、ピッチ数ｍ、検出範囲（上限割合Ｐｔ、下限割合Ｐｂ）を取得し、記憶部６４に記憶する（ステップＳ１）。位相幅θｗは、前述の校正用データから算出された値であり、ピッチ数ｍ、上限割合Ｐｔおよび下限割合Ｐｂは、例えば操作インターフェイス７４を介して入力された値である。

なお、ピッチ数ｍは、Ｚ軸における検出合焦位置Ｈｄ_ｎ（ｎ＝０、１、２・・・ｍ）間のピッチの数である。検出範囲は、合焦位置Ｈの可変範囲Ｒｈに対して検出合焦位置Ｈｄ_ｎが配置される範囲であり、上限割合Ｐｔおよび下限割合Ｐｂによって範囲指定される。上限割合Ｐｔは、０＜Ｐｔ≦１．０の範囲内の任意の値に設定され、下限割合Ｐｂは、－１．０≦Ｐｂ＜０の範囲内の任意の値に設定される。

次いで、範囲決定部６２１は、ステップＳ１で取得された位相幅θｗに基づいて、駆動信号Ｃｆの変動波形Ｍｆの位相遅延の正負を判定し、この判定結果に基づいて検出位相θｄ_ｎの設定許容範囲Ｗｄを決定する（ステップＳ２；範囲決定ステップ）。

ここで、図７は、駆動信号Ｃｆの変動波形Ｍｆの位相遅延を説明するためのグラフである。図７において、変動波形Ｍｆ－Ａは、理想波形Ｍｆｉに対して正遅延（正の位相遅延）しており、変動波形Ｍｆ－Ｂは、理想波形Ｍｆｉに対して負遅延（負の位相遅延）している。
変動波形Ｍｆ－Ａでは、駆動信号Ｃｆの周期開始位相（０°）から変動波形Ｍｆ－Ａの正ピークまでの位相幅θｗが０°≦θｗ≦１８０°になる。
一方、変動波形Ｍｆ－Ｂでは、駆動信号Ｃｆの周期開始位相（０°）から変動波形Ｍｆ－Ｂの正ピークまでの位相幅θｗが１８０°＜θｗ＜３６０°になる。
なお、本実施形態において、位相遅延に相当する角度（遅延角度θｐ）は、正遅延の場合、θｐ＝θｗであり、負遅延の場合、θｐ＝－（３６０°－θｗ）である。

ステップＳ２では、範囲決定部６２１は、位相幅θｗが０°≦θｗ≦１８０°である場合、正遅延と判定し、設定許容範囲Ｗｄを駆動信号Ｃｆの周期前半（例えば０°以上１８０°以下の範囲）に設定する（図８参照）。
一方、範囲決定部６２１は、位相幅θｗが１８０°＜θｗ＜３６０°である場合、負遅延と判定し、設定許容範囲Ｗｄを駆動信号Ｃｆの周期後半（例えば１８０°以上３６０°以下の範囲）に設定する（図９参照）。
なお、図８および図９には、合焦位置Ｈの理想波形Ｍｆｉを例示している。

次いで、検出位相設定部６２２は、駆動信号Ｃｆの検出位相θｄ_ｎに関する開始位相θｄ_０および終了位相θｄ_ｍを設定許容範囲Ｗｄに設定する（ステップＳ３）。
例えば、設定許容範囲Ｗｄが駆動信号Ｃｆの周期前半である場合（正遅延の場合；図８の場合）、開始位相θｄ_０および終了位相θｄ_ｍは、以下の式（１）および式（２）によって算出される。

一方、駆動信号Ｃｆの周期後半に設定許容範囲Ｗｄが設定されている場合（負遅延の場合；図９の場合）、開始位相θｄ_０および終了位相θｄ_ｍは、以下の式（３）および式（４）によって算出される。

なお、Ｐｔは、ステップＳ１で取得された検出範囲の上限割合であり、Ｐｂは、ステップＳ１で取得された検出範囲の下限割合である。

次いで、検出位相設定部６２２は、Ｚ軸において互いに隣り合う検出合焦位置Ｈｄ_ｎ間のピッチである検出ピッチΔＨを算出する（ステップＳ４）。検出ピッチΔＨは、以下の式（５）～（７）によって算出される。なお、以下の式（５）～（７）において、Ｈｄ_０は、開始位相θｄ_０に対応する検出合焦位置Ｈｄであり、Ｈｄ_ｍは、終了位相θｄ_ｍに対応する検出合焦位置Ｈｄである。

次いで、検出位相設定部６２２は、検出合焦位置Ｈｄ_ｎに対応する検出位相θｄ_ｎを算出する（ステップＳ５）。各検出位相θｄ_ｎは、以下の式（８）～式（９）によって算出される。

以上のステップＳ３～Ｓ５により、図８または図９に示すような検出位相θｄ_ｎ（ｎ＝０、１、２・・・ｍ）が設定され、記憶部６４に記憶される（検出位相設定ステップ）。

次いで、検出制御部６２３は、遅延クロック数Ｗｃ_ｎ（ｎ＝０、１、２・・・ｍ）を算出する（ステップＳ６）。なお、遅延クロック数Ｗｃ_ｎは、レンズ制御部６内のクロック信号のクロック数であり、検出位相θｄ_ｎから遅延角度θｐに相当する分ずらしたタイミングを指定するためのクロック数である。
例えば、駆動信号Ｃｆの周期前半に設定許容範囲Ｗｄが設定されている場合（正遅延の場合；図１０の場合）、遅延クロック数Ｗｃ_ｎは、以下の式（１０）によって算出される。

一方、駆動信号Ｃｆの周期後半に設定許容範囲Ｗｄが設定されている場合（負遅延の場合；図１１の場合）、遅延クロック数Ｗｃ_ｎは、以下の式（１１）によって算出される。

なお、上記式（１０）および式（１１）において、Ｆｃは、クロック信号の周波数［Ｈｚ］であり、Ｆｔは、駆動信号Ｃｆの周波数［Ｈｚ］である。クロック信号の周波数は、駆動信号Ｃｆの周波数よりも十分に大きいものとする。
また、図１０および図１１は、駆動信号Ｃｆから計算される合焦位置Ｈの理想波形Ｍｆｉを実線で示し、位相遅延を有する実際の変動波形Ｍｆを破線で示している。

次いで、検出制御部６２３および撮像制御部６３は、検出合焦位置Ｈｄ_ｎに対応する画像Ｉ_ｎを検出するための画像検出制御を行う（ステップＳ７；検出制御ステップ）。
例えば、検出制御部６２３は、駆動信号Ｃｆの周期開始位相（０°）から遅延クロック数Ｗｃ_ｎだけ進んだタイミングで照明信号Ｃｉをオンにする。これにより、パルス照明部３は、検出位相θｄ_ｎに遅延角度θｐを反映したタイミング（画像検出タイミングＴ_ｎ）でパルス照明を行う（図１２または図１３参照）。また、撮像制御部６３は、所定回数だけパルス照明が行われる間、撮像部４の露光を継続させる。
このステップＳ７では、ｎ＝０からｎ＝ｍまで、前述の制御を繰り返し行う。これにより、各検出合焦位置Ｈｄ_ｎ（ｎ＝０、１、２・・・ｍ）で合焦した状態の各画像Ｉ_ｎ（画像群）が検出される。
以上により、図６のフローチャートが終了する。

その後、分析部７３は、前述の画像検出方法により検出された画像群を分析することにより、ワークＷの注目部位の高さを測定したり、ワークＷの表面形状を測定したりすることができる。なお、この測定方法については、従来技術と同様であるため、ここでの説明を省略する。

［本実施形態の効果］
本実施形態では、検出位相θｄに対応する画像検出タイミングＴについて合焦位置Ｈの変動波形Ｍｆの位相遅延を考慮した補正が行われるため、検出位相θｄから想定される通りの合焦状態の画像を検出できる。また、本実施形態では、位相遅延の正負に基づいて決定された設定許容範囲Ｗｄ内に検出位相θｄが設定されるため、検出位相θｄに位相遅延を反映することで補正された画像検出タイミングＴであっても、駆動信号Ｃｆの周期切替点（３６０°）の付近に位置することがない（図１０または図１１参照）。

ここで、駆動信号Ｃｆの周期切替点の付近には、画像Ｉの正常な検出が困難となる位相範囲ＤＢが存在する。この位相範囲ＤＢは、周期切替点を含む所定の位相範囲である。例えば、位相範囲ＤＢのうち周期切替点の前側の幅は、照明信号Ｃｉのパルス幅と同程度である。また、位相範囲ＤＢのうち周期切替点の後側の幅は、照明信号Ｃｉのオフ制御にかかる時間と同程度である。

図１４および図１５は、本実施形態の比較例を説明するためのグラフである。
図１４は、合焦位置Ｈの変動波形Ｍｆに正遅延が生じている場合において、駆動信号Ｃｆの周期後半に検出位相θｄ（ｒ）が設定された比較例を示している。この比較例では、画像検出タイミングＴ（ｒ）が位相範囲ＤＢ内の周期切替点前に位置し、照明信号Ｃｉが周期切替点で強制的にオフされることにより、照明信号Ｃｉのパルス幅が不足し、照明ムラの発生など、画像Ｉを正常に検出できなくなってしまう。
図１５は、位相幅θｗが負遅延を示す場合において、駆動信号Ｃｆの周期前半に検出位相θｄ（ｒ）が設定された比較例を示している。この比較例では、画像検出タイミングＴ（ｒ）が位相範囲ＤＢ内の周期切替点後に位置することで、照明信号Ｃｉをオンすることができず、画像検出タイミングＴ（ｒ）の制御不能につながる可能性がある。

前述の各比較例と比べて、本実施形態の画像検出タイミングＴは、駆動信号Ｃｆの周期切替点の付近に位置することがなく、すなわち、画像Ｉの正常な検出が困難となる位相範囲ＤＢ内に位置することがない。よって、本実施形態では、画像Ｉの正常な検出を確実に行うことができる。

また、本実施形態では、検出合焦位置Ｈｄ_ｎ（ｎ＝０、１、２・・・ｍ）が単一変化する複数の画像Ｉ（画像群）を検出する場合について説明している。このような場合、位相遅延の正負に基づいて設定許容範囲Ｗｄを駆動信号Ｃｆの周期前半または周期後半に決定することにより、位相範囲ＤＢ内に重ならず、かつ、検出合焦位置Ｈｄ_ｎが単一変化する位相範囲を、検出範囲としてより広く確保できる。

また、本実施形態では、合焦位置Ｈの可変範囲Ｒｈ内に等間隔で配置される複数の検出合焦位置Ｈｄ_ｎ（ｎ＝０、１、２・・・ｍ）を算出し、検出合焦位置Ｈｄ_ｎのそれぞれに対応する駆動信号Ｃｆの位相を検出位相θｄ_ｎ（ｎ＝０、１、２・・・ｍ）としてそれぞれ設定する。各検出位相θｄ_ｎに基づいて画像検出タイミングＴ_ｎを制御することにより、検出合焦位置Ｈｄ_ｎのピッチが均一である画像群が検出される。
従来では、等位相間隔で画像の検出を行っていたため、検出合焦位置のピッチが不均一になっていたが、本実施形態のように検出合焦位置Ｈｄ_ｎのピッチを均一にすることで、ワークＷの変位や表面形状などをより高精度に測定できる。

（変形例）
本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形などは本発明に含まれる。
例えば、前記実施形態では、合焦位置Ｈの可変範囲Ｒｈ内に検出合焦位置Ｈｄが等間隔で配置され、各検出合焦位置Ｈｄに基づいて検出位相θｄが設定されるが、本発明はこれに限られない。すなわち、前記実施形態では、複数の検出位相θｄが任意の間隔で設定されてもよく、例えば等位相間隔で設定されてもよい。

また、前記実施形態では、一連の画像群を検出するために複数の検出位相θｄを設定する場合について説明しているが、１つの検出位相θｄを設定する場合にも本発明を適用できる。例えば、前述のステップＳ２で設定許容範囲Ｗｄを決定した後、この設定許容範囲Ｗｄ内に少なくとも１つの検出位相θｄを設定すればよい。

前記実施形態では、範囲決定部６２１の替わりに、分析部７３が位相幅θｗに基づいて位相遅延の正負を判定し、この判定結果を範囲決定部６２１に提供してもよい。

前記実施形態では、検出位相θｄに対応する画像Ｉを検出すためにパルス照明を利用しているが、本発明はこれに限られない。
例えば、変形例として、パルス照明部３の替わりに連続照明部を利用してもよい。この変形例において、撮像部４は、極短い露光時間を設定可能な高速シャッターを有し、画像検出タイミングＴに合わせて露光を行うことにより、検出位相θｄに対応する画像Ｉを検出することができる。この変形例では、発光制御部６２の替わりに、撮像制御部６３が、本発明の範囲決定部、検出位相算出部および検出制御部として機能する。また、この変形例では、撮像部４を制御する露光信号Ｃｃが本発明の画像検出信号に相当する。

１…画像検出装置、１０…画像検出光学系、１１…対物レンズ、１２…結像レンズ、１３…第１リレーレンズ、１４…液体共振式レンズ、１５…第２リレーレンズ、２…画像検出部、３…パルス照明部、３１…光源、３２…ビームスプリッタ、４…撮像部、６…レンズ制御部、６１…駆動制御部、６２…発光制御部、６２１…範囲決定部、６２２…検出位相設定部、６２３…検出制御部、６３…撮像制御部、６４…記憶部、７…制御装置、７１…レンズ操作部、７２…画像処理部、７３…分析部、７４…操作インターフェイス、９…校正治具、９１…校正面、Ａ…光軸、Ｃｃ…露光信号、Ｃｆ…駆動信号、Ｃｉ…照明信号、Ｄ…振幅、Ｄｆ…合焦距離、Ｈ…合焦位置、Ｈｄ…検出合焦位置、Ｉ…画像、ｍ…ピッチ数、Ｍｆ…変動波形、Ｍｆｉ…理想波形、Ｐｂ…下限割合、Ｐｔ…上限割合、Ｒｈ…可変範囲、Ｓｙｎ…同期信号、Ｔ…画像検出タイミング、Ｖｆ…振動状態、Ｗ…ワーク、Ｗｃ…遅延クロック数、Ｗｄ…設定許容範囲、ΔＨ…検出ピッチ、θ…傾斜角、θｄ…検出位相、θｐ…遅延角度。

Claims (3)

1. 液体共振式レンズを含み、前記液体共振式レンズに入力される駆動信号に応じて合焦位置が周期的に変化する画像検出光学系と、
   前記画像検出光学系を通して前記駆動信号の検出位相に対応する画像を検出する画像検出部と、
   前記合焦位置の変動波形が示す位相遅延の正負に基づいて、前記検出位相の設定許容範囲を前記駆動信号の周期前半または周期後半に決定する範囲決定部と、
   前記検出位相を前記設定許容範囲内に設定する検出位相設定部と、
   前記画像検出部による画像検出タイミングを、前記検出位相から前記位相遅延に相当する角度分ずらしたタイミングに制御する検出制御部と、
   を備える、画像検出装置。
2. 前記検出位相設定部は、前記合焦位置の可変範囲内に等間隔で配置される複数の検出合焦位置を算出し、前記検出合焦位置のそれぞれに対応する前記駆動信号の位相を前記検出位相としてそれぞれ設定する、請求項１に記載の画像検出装置。
3. 液体共振式レンズを含み、前記液体共振式レンズに入力される駆動信号に応じて合焦位置が周期的に変化する画像検出光学系と、前記画像検出光学系を通して前記駆動信号の検出位相に対応する画像を検出する画像検出部と、を備える画像検出装置において実施される画像検出方法であって、
   前記合焦位置の変動波形が示す位相遅延の正負に基づいて、前記検出位相の設定許容範囲を前記駆動信号の周期前半または周期後半に決定する範囲決定ステップと、
   前記検出位相を前記設定許容範囲内に設定する検出位相設定ステップと、
   前記画像検出部による画像検出タイミングを、前記検出位相から前記位相遅延に相当する角度分ずらしたタイミングに制御する検出制御ステップと、を含む、画像検出方法。
   

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