JPWO2011064969A1 - 検査装置、三次元形状測定装置、構造物の製造方法 - Google Patents

Abstract

分解能の制約等から小さな傷や穴を検出する事が困難な場合があった。そのために、本発明を例示する検査装置の一態様は、被検面（１１）の形状を測定する面形状測定部（２１、１３、２０５、２０６）と、互いに異なる複数の方向から前記被検面を照明して前記被検面の光強度分布を検出する画像検出部（２０５、２０６、２７）とを備える。

Description

本発明は、被測定対象の欠陥検査を行う検査装置、三次元形状測定装置及び構造物の製造方法に関する。

従来から測定対象物の三次元形状測定を行う装置として、特許文献１に示すような装置が知られている。

特開２００９−１５０７７３号公報

しかしながら、三次元形状測定装置では分解能の制約等から小さな傷や穴を検出する事が困難な場合があった。

本発明は３次元形状測定装置のみでは発見が困難であった傷や穴を検出可能な検査装置、３次元形状測定装置、構造物の製造方法を提供することを目的とする。

本発明を例示する検査装置の一態様は、被検面の形状を測定する面形状測定手段と、互いに異なる複数の方向から前記被検面を照明して前記被検面の光強度分布を検出する画像検出手段と、前記面形状測定手段及び前記画像検出手段を制御して前記被検面の良否の判定を行う制御手段とを備える。

第１実施形態の欠陥検査装置の機械的構成を示す斜視図である。 第１実施形態の欠陥検査装置の全体構成図である。 補助光源２７−１〜２７−８及び結像光学系２５をステージ１２の側から見た図である。 補助光源２７−１〜２７−８の光軸と結像光学系２５の光軸との関係を説明する図である。 第１実施形態のＣＰＵ１５による欠陥検査処理のフローチャートである。 光強度分布測定処理のフローチャートである。 面形状測定処理のフローチャートである。 ステップＳ３を説明する図である。 ステップＳ８を説明する図である。 第２実施形態の欠陥検査装置の機械的構成を示す斜視図である。 第２実施形態の欠陥検査装置の全体構成図である。 第２実施形態のＣＰＵ１５による欠陥検査処理のフローチャート（前半）である。 第２実施形態のＣＰＵ１５による欠陥検査処理のフローチャート（後半）である。 第２実施形態のステップＳ３を説明する図である。 ステップＳ１０１、Ｓ１０２を説明する図である。 構造物製造システム２００のブロック構成図である。 構造物製造システム２００による処理の流れを示したフローチャートである。

［第１実施形態］
以下、第１実施形態の装置として欠陥検査装置であり三次元形状測定装置を説明する。本実施形態の装置は欠陥検査に用いれば欠陥検査装置であり、欠陥検査を行わなければ三次元形状測定装置である。以下の説明では、簡略の為、欠陥検査装置として説明を行うが、三次元形状測定装置も同じ装置構成である。

図１は、本実施形態の欠陥検査装置の機械的構成を示す斜視図である。図１に示すとおり欠陥検査装置は、例えば工業製品又は部品からなる被検物１１を載置するステージ１２と、互いに固定された投影部１３及び撮像部１４とを備える。投影部１３の光軸（投影光学系２４の光軸）と撮像部１４の光軸（後述する結像光学系２５の光軸）との間には角度がつけられており、両者の光軸は、ステージ１２の基準面上で交差している。このうち撮像部１４の光軸はステージ１２の基準面に対して垂直である。なお、撮像部１４の光軸を垂直にする代わりに投影部１３の光軸を基準面に対して垂直にすることも可能である。但し、以下では撮像部１４の光軸の方が垂直である場合を例にあげて説明する。

ステージ１２は、撮像部１４の光軸と平行な軸の周りに被検物１１を回転させるθステージ１２θと、撮像部１４の光軸と垂直な所定方向（Ｘ方向）に向けて被検物１１をシフトさせるＸステージ１２Ｘと、θステージ１２θの回転軸とＸ方向との双方に対して垂直な所定方向（Ｙ方向）に向けて被検物１１をシフトさせるＹステージ１２Ｙとを備える。

投影部１３は、ステージ１２上の一部の領域（照明領域）を斜め方向から照明する光学系であって、照明素子２２と、パターン形成部２３と、投影光学系２４とをこの順で配置している。なお、本実施形態の被検物１１のサイズは、投影部１３の照明領域内に被検物１１の全体が収まる程度に小さいものと仮定しているが、より大きな被検物であってもステージ１２を移動させながら検査や測定を行うことが可能である。

投影部１３のパターン形成部２３は、透過率あるいは反射率分布が可変のパネル（透過型液晶素子、反射型液晶素子、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ、デジタルミラーデバイス）など）であり、そのパネルへ縞模様パターン（正弦格子パターン）を表示することにより、パターン形成部２３から被検物へ向かう照明光束の断面強度分布を正弦波状とする。なお、反射型のパネルを用いた場合は光源の位置が変わるが当業者が適宜変更可能である。本実施形態では透過型のパネルを用いた場合を例にあげて説明を行う。パターン形成部２３に表示される正弦格子パターンの格子方向は、投影部１３の光軸と撮像部１４の光軸とを含む面に対して垂直に配置される。また、パターン形成部２３の表示面上の中央近傍に位置する基準点は、ステージ１２の基準面上の基準点（撮像部１４の光軸と投影部１３の光軸との交差点）に対して光学的に共役であり、ステージ１２の照明領域内に配置された被検物１１の表面（被検面）には、正弦格子パターンが投影光学系２４によって投影される。なお、被検面上に正弦格子パターンを投影できるのであれば、パターン形成部２３の基準点とステージ１２の基準点とが完全な共役関係になっていなくとも構わない。

撮像部１４は、ステージ１２上の照明領域の像（光強度分布）を検出する光学系であって、被検面上に投影されたパターンを撮像素子２６に結像する結像光学系２５と、結像光学系２５が結像した像を撮像して画像を取得する撮像素子２６とが順に配置される。撮像素子２６の撮像面上の中央近傍に位置する基準点は、ステージ１２の前述した基準点と光学的に共役であり、撮像素子２６は、ステージ１２の照明領域内に配置された被検物１１の被検面の画像を取得することができる。なお、被検面の画像を十分なコントラストで取得することができるのであれば、撮像素子２６の基準点とステージ１２の基準点とが完全な共役関係になっていなくとも構わない。

また、結像光学系２５のステージ側のレンズ面の周りには、補助光源２７−１〜２７−８が設けられており、これらの補助光源２７−１〜２７−８は、結像光学系２５の視野を互いに異なる方向から照明する。

なお、撮像素子２６は、これらの補助光源２７−１〜２７−８の発光波長と、投影部１３の光源（図２の符号２１）の発光波長との双方に対して感度を有している。

ここで、補助光源２７−１〜２７−８のうち少なくとも１つを点灯すると共に、投影部１３の光源（図２の符号２１）を消灯した状態で撮像素子２６から画像を取得すると、正弦格子パターンの投影されてない被検面の画像（＝被検面の光強度分布情報を含んだ画像）を取得することができる。以下、この画像を「二次元画像」と称す。

さらに、補助光源２７−１〜２７−８の間で点灯する補助光源を切り替えながら二次元画像の取得を繰り返せば、照明方向の異なる複数の二次元画像Ｉ_１〜Ｉ_８を取得することができる（以下、Ｍ番目の補助光源２７−Ｍのみを点灯して取得した二次元画像を「二次元画像Ｉ_Ｍ」とおく。）。

一方、補助光源２７−１〜２７−８の全てを消灯すると共に、投影部１３の光源（図２の符号２１）を点灯した状態で撮像素子２６から画像を取得すると、正弦格子パターンの投影された被検面の画像（＝被検面の面形状情報を含んだ画像）を取得することができる。以下、この画像を「縞画像」と称す。

さらに、正弦格子パターンの位相をシフトさせながら縞画像の取得を繰り返せば、被検面の面形状データＤを既知とするための情報が揃う。

図２は、欠陥検査装置の全体構成図である。図２において図１に示した要素と同じものには同じ符号を付した。図２に示すとおり投影部１３には、投影部１３の光源であるメイン光源２１が連結されている。このメイン光源２１は、パターン投影型の面形状測定に使用されるものなので、例えば、ＬＥＤ、ハロゲンランプ、メタルハライドランプなどの一般的な光源を適用することができる。メイン光源２１から射出した光は、光ファイバ２１’を介して照明素子２２に導入される。なお、ここでは光ファイバ２１’を使用した例を示すが、光ファイバを使用せずにＬＥＤなどの光源を図１の符号２２で示した位置へ配置してもよい。ＬＥＤとパターン形成部２３との間には任意の照明素子２２を配置可能である。また、照明素子２２は、一つの素子として図示しているが複数の光学素子からなる照明光学系で構成されても構わない。その場合、例えば、均一照明を行うためのフライアイレンズやロッドインテグレータ等を用いた照明光学系を配置可能である。

このメイン光源２１と、投影部１３のパターン形成部２３と、撮像部１４の撮像素子２６と、撮像部１４の補助光源２７−１〜２７−８とは、それぞれコンピュータ１００の制御部１０１に接続されている。

制御部１０１は、メイン光源２１をオン／オフ（点灯／消灯）するタイミングと、パターン形成部２３に表示される正弦格子パターンの位相と、撮像素子２６による画像の取得タイミングと、補助光源２７−１〜２７−８の各々をオン／オフ（点灯／消灯）するタイミングとを制御する。また、制御部１０１は、ステージ１２の座標（ステージ座標）を必要に応じて検知することも可能である。

コンピュータ１００には、制御部１０１の他に、欠陥検査装置の全体を統括するＣＰＵ１５と、記憶部１６と、モニタ１７と、入力部１８とが備えられる。記憶部１６には、ＣＰＵ１５の動作プログラムが予め格納されており、ＣＰＵ１５は、その動作プログラムに従って動作する。例えば、ＣＰＵ１５は、制御部１０１に対して各種の指示を与えることにより欠陥検査装置の各部を駆動制御する。また、例えば、ＣＰＵ１５は、欠陥検査装置の各部を駆動制御することによって取得した画像に基づき被検物１１の良否判定を行う。

また、記憶部１６には、上述した動作プログラムの他に、ＣＰＵ１５の動作に必要な各種の情報も予め格納されている。

記憶部１６に予め格納される情報の１つに、二次元画像Ｉ_Ｍの種類数と同数の良品画像Ｉ_ＭＲ（Ｍ＝１〜８）がある（図８の右側を参照。）。Ｍ番目の良品画像Ｉ_ＭＲは、Ｍ番目の二次元画像Ｉ_Ｍの良品画像であって、例えば、被検物１１の代わりに被検物１１と同じ仕様の良品をステージ１２へ載置し、その状態でＭ番目の補助光源２７−Ｍのみを点灯して取得した二次元画像である。なお、良品画像Ｉ_ＭＲは、被検物１１の設計データ欠陥検査装置の設計データから演算により作成することもできる。

また、記憶部１６に予め格納される情報の１つに、良品形状データＤ_Ｒがある（後述する図９の右側を参照。）。良品形状データＤ_Ｒは面形状データＤの良品データであって、例えば、被検物１１の代わりに、被検物１１と同じ仕様の良品をステージ１２へ載置し、その状態で取得された面形状データである。なお、良品形状データＤ_Ｒは、被検物１１の設計データ及び欠陥検査装置の設計データから演算により作成することもできる。

図３（ａ）は、補助光源２７−１〜２７−８及び結像光学系２５をステージ１２の側から見た図である。図３（ａ）に示すとおり補助光源２７−１〜２７−８は、結像光学系２５のステージ側のレンズ面の周りに等間隔で配置された面光源であって、その仕様は互いにほぼ共通である。

補助光源２７−１〜２７−８の各々の光軸は、図４（ａ）に示すとおり結像光学系２５の光軸に対して所定角度だけ傾斜しており、ステージ１２の基準面１１Ｐ上でその光軸と交差している。なお、その交差位置は、投影部１３の光軸と撮像部１４の光軸とが交差する位置とほぼ同じである。

また、図３（ａ）に示すとおり、補助光源２７−１〜２７−８の各々は、複数の砲弾型ＬＥＤを二次元状に密に配列することによって面光源を成している。砲弾型ＬＥＤはその先端がレンズ形状となっており各々のＬＥＤから射出した光を測定面に照明する。このような補助光源２７−１〜２７−８の各々がステージ１２上に形成する照明領域は、照度がほぼ均一となる。

なお、図３（ａ）は模式図なので、補助光源２７−１〜２７−８の各々に配列されるＬＥＤの個数は、図３（ａ）に示すものと同じとは限らない。但し、個数が多いほど、照度均一性の高い領域を広範囲にすることができる。

なお、複数のＬＥＤを密に配置する代わりに、図３（ｂ）に示すように８つの補助光源２７ａ−１〜２７ａ−８を結像光学系２５の周囲に配置する構成としても良い。この光源はＬＥＤの他に各種の光源を使用可能である。

更に、複数の光源の切り替えはできないが、図３（ｃ）に示すように、一つの円環状の補助光源２７ｂを配置する構成としてもよい。この場合は、一つの光源ではあるが、同時に複数方向から被検面に光を照明することが可能である。

また、図示はしていないが、ビームスプリッタを用いて落斜照明を行う構成とすることも可能である。本実施形態では複数の光源の数を８としたが、これより少ない数や多い数の光源を配置してもよい。

更に、図４（ｂ）に示すように補助光源２７と被検面１１との間に別途照明光学系３１を配置する構成とする事も可能である。この場合は補助光源２７としては砲弾型のＬＥＤではなく他のＬＥＤを使用することが可能である。

また、補助光源２７−１〜２７−８の各々は光強度分布測定（二次元画像の取得）に使用されるものなので、個々のＬＥＤとしては、例えば白色ＬＥＤなどを適用することが可能である。

図５は、ＣＰＵ１５による欠陥検査処理のフローチャートである。以下、図５の各ステップを順に説明する。

ステップＳ１：ＣＰＵ１５は、図６に示す光強度分布測定処理を実行することにより、照明方向の互いに異なる複数の二次元画像Ｉ_１〜Ｉ_８を取得し、記憶部１６へ格納する。なお、図６の詳細は後述する。

ステップＳ２：ＣＰＵ１５は、画像番号Ｍを初期値（１）に設定する。

ステップＳ３：ＣＰＵ１５は、記憶部１６からＭ番目の二次元画像Ｉ_ＭとＭ番目の良品画像Ｉ_ＭＲとを読み出し、これら２つの画像の相関度を示す評価値を算出する（図８参照。）。

なお、評価値の算出に当たり、ＣＰＵ１５は、二次元画像Ｉ_Ｍと良品画像Ｉ_ＭＲとの少なくとも一方へ前処理（例えば回転処理やシフト処理など）を施すことにより、二次元画像Ｉ_Ｍの分布域と良品画像Ｉ_ＭＲの分布域とを揃えておく。

また、評価値の算出は、二次元画像Ｉ_Ｍ及び良品画像Ｉ_ＭＲの部分領域毎に行われても、全領域に対して行われてもよいが、ここでは簡単のため全領域に対して行われるものとする。

ステップＳ４：ＣＰＵ１５は、ステップＳ３にて算出した評価値を閾値と比較し、閾値未満であった場合には被検物１１が規格外であると即座に判断してステップＳ１１へ移行し、閾値以上であった場合には被検物１１が規格内である可能性が残っていると判断してステップＳ５へ移行する。

ステップＳ５：ＣＰＵ１５は、画像番号Ｍが最終値Ｍ_ｍａｘに達したか否かを判別し、達していない場合にはステップＳ６へ移行し、達していた場合にはステップＳ７へ移行する。なお、ここでは補助光源の個数を「８」としたので、最終値Ｍ_ｍａｘも「８」となる。

ステップＳ６：ＣＰＵ１５は、画像番号ＭをインクリメントしてからステップＳ３へ戻る。したがって、ＣＰＵ１５は、被検物１１が規格外であると判断するか、又は、画像番号Ｍが「８」に達するまで、二次元画像と良品画像との比較（評価値の算出）を図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、…のとおり繰り返す。

ステップＳ７：ＣＰＵ１５は、図７に示す形状測定処理を実行することにより、被検面の面形状データＤを取得し、記憶部１６へ格納する。なお、図７の詳細は後述する。

ステップＳ８：ＣＰＵ１５は、記憶部１６から面形状データＤと良品形状データＤ_Ｒとを読み出し、これらの２つのデータの相関度を示す評価値を算出する（図９を参照。）。

なお、評価値の算出に当たり、ＣＰＵ１５は、面形状データＤと良品形状データＤ_Ｒとの少なくとも一方へ前処理（例えば、回転処理やシフト処理など）を施すことにより、面形状データＤの分布域と良品形状データＤ_Ｒの分布域とを揃えておく。

また、評価値の算出は、面形状データＤ及び良品形状データＤ_Ｒの部分毎に行われても、全体に対して行われてもよいが、ここでは簡単のため全体に対して行われるものとする。

また、評価値としては、相関度を示す評価値の他に、面形状データと良品形状データとの差分から求まる欠陥部分の深さや体積を定量値化したものなどを使用することも可能である。

ステップＳ９：ＣＰＵ１５は、ステップＳ８にて算出した評価値を閾値と比較し、閾値未満であった場合には被検物１１が規格外であると判断してステップＳ１１へ移行し、閾値以上であった場合には被検物１１が規格内であると判断してステップＳ１０へ移行する。なお、本ステップで使用される閾値は、記憶部１６に予め格納されているものとする。

ステップＳ１０：ＣＰＵ１５は、被検物１１が良品である旨の検査結果をモニタ１７へ表示し、フローを終了する。

ステップＳ１１：ＣＰＵ１５は、被検物１１が不良品である旨の検査結果をモニタ１７へ表示し、フローを終了する。

以上、本実施形態の欠陥検査装置は、被検物面の光強度分布と被検物面の面形状との双方を測定し、光強度分布と面形状との双方が規格内であったときにしか被検物１１を良品と判定しないので、光強度分布しか測定しない場合、又は面形状しか測定しない場合と比較して検査精度が高い。

しかも、本実施形態の欠陥検査装置は、光強度分布を測定するに当たり、互いに異なる複数の方向から被検物面を照明するので、被検物面の形状に影響されることなく、被検物面のテクスチャーに関する欠陥を検知することができる。また、このような照明は欠陥を強調することができるので、小さな欠陥をも確実に検知することが可能である（因みに、照明方向を一方向のみとした場合には、被検面上で陰となる部分が発生するため、その部分のテクスチャーに関する欠陥が見落とされる虞がある。）。

また、本実施形態の欠陥検査装置は、光強度分布測定と面形状測定とに結像光学系２５及び撮像素子２６を共用するので、部品点数の増大を抑えながら検査精度の向上を達成することができる。

上述の実施形態では欠陥検査装置、或いは三次元形状測定装置として、ステージ１２を配置したが、測定対象物に対して装置を自由に移動させられるように、所謂、ポータブルな装置として構成することも可能である。この場合は、ステージ１２は不要であり、図１に示した筐体３０を支持体３１から分離し、筐体３０を自由に移動させられるように構成すればよい。

上述の実施形態では光源２１と光源２７として波長が異なる光源を用いたため、波長分離して画像を取得可能な構成とすれば二次元画像の取得と三次元形状測定を同時に行うことも可能である。更に２つの光源の波長を同じにすることも可能である。

［光強度分布測定処理］
図６は、ＣＰＵ１５による光強度分布測定処理のフローチャートである。以下、図６の各ステップを順に説明する。

ステップＳ１１１：ＣＰＵ１５は、画像番号Ｍを初期値（１）に設定する。

ステップＳ１１２：ＣＰＵ１５は、Ｍ番目の補助光源２７−Ｍをオンするよう制御部１０１へ指示する。制御部１０１は、Ｍ番目の補助光源２７−Ｍをオンし、他の補助光源及びメイン光源２１についてはオフの状態を保つ。

ステップＳ１１３：ＣＰＵ１５は、画像を取得するよう制御部１０１へ指示する。制御部１０１は、撮像素子２６を駆動して１フレーム分の二次元画像Ｉ_Ｍを取得すると、その二次元画像Ｉ_ＭをＣＰＵ１５へ送信する。

ステップＳ１１４：ＣＰＵ１５は、Ｍ番目の補助光源２７−Ｍをオフするよう制御部１０１へ指示する。制御部１０１は、Ｍ番目の補助光源２７−Ｍをオフし、他の補助光源及びメイン光源２１についてはオフの状態を保つ。

ステップＳ１１５：ＣＰＵ１５は、画像番号Ｍが最終値Ｍ_ｍａｘ（ここでは「８」）に達したか否かを判別し、達していない場合にはステップＳ１１６へ移行し、達していた場合には、フローを終了する。

ステップＳ１１６：ＣＰＵ１５は、画像番号ＭをインクリメントしてからステップＳ１１２へ戻る。したがって、ＣＰＵ１５は、点灯される補助光源を切り替えながら二次元画像Ｉ_Ｍの取得を８回繰り返し、照明方向の互いに異なる８枚の二次元画像Ｉ_１〜Ｉ_８を取得する。

尚、上述の説明では複数光源の全てを独立して照明するようにしたが、複数の光源のうち任意の光源のみを用いて検査や測定を行ってもよい。また、複数の光源を同時に発光させてもよい。異なる方向からの照明により小さな傷や穴が強調されるため、二次元画像取得により容易に傷や穴を検出することが可能となる。面形状測定（三次元形状測定）を行うと同時に傷や穴のチェックを行うことが可能となる。この場合、欠陥検査を必ずしも行う必要は無く、三次元形状測定（面形状測定）に加えて傷や穴等と検出するのみでよい。

［面形状測定処理］
図７は、ＣＰＵ１５による面形状測定処理のフローチャートである。以下、図７の各ステップを順に説明する。

ステップＳ７１：ＣＰＵ１５は、位相番号ｍを初期値（１）に設定する。

ステップＳ７２：ＣＰＵ１５は、メイン光源２１をオンするよう制御部１０１へ指示する。制御部１０１は、メイン光源２１をオンし、補助光源２７−１〜２７−８についてはオフの状態を保つ。

ステップＳ７３：ＣＰＵ１５は、正弦格子パターンの位相を、（ｍ−１）π／２で表される値に設定するよう制御部１０１へ指示する。制御部１０１は、パターン形成部２３に表示される正弦格子パターンの位相を（ｍ−１）π／２に設定する。

ステップＳ７４：ＣＰＵ１５は、画像を取得するよう制御部１０１へ指示する。制御部１０１は、撮像素子２６を駆動して１フレーム分の縞画像Ｉ_Ｓｍを取得すると、その縞画像Ｉ_ＳｍをＣＰＵ１５へ送信する。

ステップＳ７５：ＣＰＵ１５は、位相番号ｍが最終値ｍ_ｍａｘ（ここでは「４」とする。）に達したか否かを判別し、達していない場合にはステップＳ７６へ移行し、達していた場合にはステップＳ７７へ移行する。

ステップＳ７６：ＣＰＵ１５は、位相番号ｍをインクリメントしてからステップＳ７３へ戻る。したがって、ＣＰＵ１５は、正弦格子パターンの位相をπ／２ずつシフトさせながら縞画像Ｉ_Ｓｍの取得を４回繰り返し、位相の互いに異なる複数の縞画像Ｉ_Ｓ１〜Ｉ_Ｓ４を取得する。

ステップＳ７７：ＣＰＵ１８は、メイン光源２１をオフするよう制御部１０１へ指示する。制御部１０１は、メイン光源２１をオフし、補助光源２７−１〜２７−８についてはオフの状態を保つ。

ステップＳ７８：ＣＰＵ１８は、縞画像Ｉ_Ｓ１〜Ｉ_Ｓ４の解析に当たり、画素番号ｉを初期値（１）に設定する。

ステップＳ７９：ＣＰＵ１８は、縞画像Ｉ_Ｓ１〜Ｉ_Ｓ４のうちｉ番目の画素に関する一連の画素値Ｉ_Ｓ１ｉ〜Ｉ_Ｓ４ｉを参照し、それらを以下の式へ当てはめることによりｉ番目の画素の初期位相φ_ｉの値を算出する。

ステップＳ７９１：ＣＰＵ１８は、画素番号ｉが最終値ｉ_ｍａｘに達したか否かを判別し、達していない場合にはステップＳ７９２へ移行し、達していた場合にはステップＳ７９３へ移行する。なお、画素番号ｉが最終値ｉ_ｍａｘは、縞画像の取得に使用された撮像素子の画素数であって、例えば、ｉ_ｍａｘ＝２００×２００＝４００００である。

ステップＳ７９２：ＣＰＵ１８は、画素番号ｉをインクリメントしてからステップＳ７９へ戻る。したがって、ＣＰＵ１５は、初期位相φ_ｉの値を全ての画素番号ｉ（ｉ＝１〜４００００）についてそれぞれ算出する。

ステップＳ７９３：ＣＰＵ１８は、以上のステップで算出した初期位相φ_ｉの値を画素番号順に並べることにより位相分布を取得し、その位相分布に対してアンラップ処理（＝オフセット分布を加算する位相接続処理。）を施す。なお、アンラップ処理に使用されるオフセット分布は、欠陥検査装置の設計データにより決まるものであって、記憶部１６に予め格納されている値である。その後、ＣＰＵ１８は、アンラップ処理後の位相分布を、被検面の高さ分布データ（面形状データＤ）へと変換する。

上述の説明では、パターン投影法として位相シフト法と呼ばれる手法を用いているが、縞画像の取得数は4枚に限られず、５，７，９，１１枚等より多く（あるいは少ない）の枚数の縞画像面形状測定を行う事が可能であり、周知の方法を適宜用いることが可能である。

［第１実施形態の補足］
なお、第１実施形態の欠陥検査装置は、光強度分布に基づく判定（ステップＳ１〜Ｓ６）を先に行い、面形状に基づく判定（ステップＳ７〜Ｓ９）を後に行ったが、その順序を反転させてもよい。

また、第１実施形態の欠陥検査装置は、光強度分布に基づく判定（ステップＳ１〜Ｓ６）と面形状に基づく判定（ステップＳ７〜Ｓ９）とを順に行うこととし、かつ先の判定結果が「規格外」となった場合には、後の判定を行うことなく即座に被検物１１を不良品とみなしたが、次のとおり変形してもよい。

すなわち、第１実施形態の欠陥検査装置は、光強度分布に基づく評価値と面形状に基づく評価値との双方を算出してから、それらの評価値の双方に基づき被検物１１の良否判定（総合的な判定）を行ってもよい。なお、総合的な判定は、例えば、複数の評価値の重み付け平均値を予め用意した閾値と比較することなどにより行うことができる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態として欠陥検査装置を説明する。本実施形態の欠陥検査装置も、第１実施形態の欠陥検査装置と同様、工業製品又は工業部品の欠陥検査に使用されるものであるが、被検物１１のサイズが大きい場合に特に有効なものである。ここでは、第１実施形態の欠陥検査装置との相違点のみを説明する。

図１０は、本実施形態の欠陥検査装置の機械的構成を示す斜視図であり、図１１は、本実施形態の欠陥検査装置の全体構成図である。図１０において図１と同じ要素には同じ符号を付し、図１１において図２と同じ要素には同じ符号を付した。

図１０、図１１に示すとおり、本実施形態の欠陥検査装置の撮像部１４’は補助光源を備えておらず、その代わり、二次元画像の検出に専用の撮像部２００が撮像部１４’とは別に備えられる。これによって、投影部１３及び撮像部１４’は、面形状測定に専用の光学系となる。

撮像部２００の視野（＝ステージ１２上で撮像部２００が検知可能な領域）は、撮像部１４’の視野（＝ステージ１２上で撮像部１４’が検知可能な領域）よりも大きく、撮像部１４’の視野に収まらないような大きいサイズの被検物１１をも一括に捕らえることができる。

撮像部２００の光軸は、撮像部１４’の光軸と平行であり、かつ撮像部１４’の光軸から所定距離だけ離れた位置に配置されている。所定距離は、撮像部１４’の視野（ステージ１２上で縞画像化可能な領域）が、撮像部２００の視野（ステージ１２上で二次元画像化可能な領域）から外れるよう十分に広く設定されている。

なお、図１０、図１１では、撮像部２００の光軸は、撮像部１４’の光軸及び投影部１３の光軸が存在するのと同じ平面上に存在しているものと仮定し、撮像部１４’の光軸から撮像部２００の光軸へと向かう方向を「Ｙ方向」と仮定した。

なお、この場合、本実施形態の欠陥検査装置は、面形状測定と光強度分布測定との間で測定方法を切り換える際に、Ｙステージ１２Ｙを駆動して被検物１１をＹ方向へ前述した光軸のズレ量の分だけ移動させればよい。よって、本実施形態の記憶部１６には、測定方法を切り換える際に必要なステージ移動量（ステージオフセット量）の情報が予め格納されているものとする。

さて、撮像部２００には、ステージ１２で発生した反射光を結像する結像光学系２０２と、結像光学系２０２が結像した像を撮像して画像を取得する撮像素子２０１とが順に配置される。

このうち撮像素子２０１の撮像面は、ステージ１２の基準面と光学的に共役である。よって、撮像素子２０１は、ステージ１２のうち、撮像部２００の光軸近傍に配置された被検物１１の被検面の画像を取得することができる。

また、結像光学系２０２のステージ１２側のレンズ面の周りには、補助光源２０３−１〜２０３−８が設けられており、これらの補助光源２０３−１〜２０３−８は、結像光学系２０２の視野を互いに異なる方向から照明することができる。

なお、本実施形態の補助光源２０３−１〜２０３−８の結像光学系２０２に対する機能は、第１実施形態の補助光源２７−１〜２７−８の結像光学系２５に対する機能と同じであり、その変形例も同様であるのでここでは説明を省略する。

但し、本実施形態において補助光源２０３−１〜２０３−８の設け先となる結像光学系２０２の径は、第１実施形態において補助光源２７−１〜２７−８の設け先となった結像光学系２５の径よりも大きいので、本実施形態における補助光源２０３−１〜２０３−８の個々のサイズは、第１実施形態における補助光源２７−１〜２７−８の個々のサイズより大きいことが望ましい。

なお、本実施形態における補助光源の個々のサイズを大きくする代わりに、本実施形態における補助光源の個数を、第１実施形態における補助光源の個数より多くしてもよい。但し、以下では、簡単のため、本実施形態における補助光源の個数を第１実施形態における補助光源の個数と同じと仮定する。

また、撮像部２００の撮像素子２０１は、少なくとも、補助光源２０３−１〜２０３−８の発光波長に対して感度を有していればよい。一方、撮像部１４’の撮像素子２６は、少なくとも、投影部１３の光源（メイン光源２１）の発光波長に対して感度を有していればよい。

図１２、図１３は、本実施形態のＣＰＵ１５による欠陥検査処理のフローチャートである。以下、図１２、図１３の各ステップを順に説明する。なお、欠陥検査処理の開始時点では、被検物１１が撮像部２００の視野内に収まるような位置でステージ１２が停止しているものとする。

ステップＳ１：ＣＰＵ１５は、図６に示す光強度分布測定処理を実行することにより、照明方向の互いに異なる複数の二次元画像Ｉ_１〜Ｉ_８を取得し、記憶部１６へ格納する。但し、本実施形態の光強度分布測定処理では、撮像素子２６を駆動する代わりに撮像素子２０１を駆動し、補助光源２７−１〜２７−８を駆動する代わりに補助光源２０３−１〜２０３−８を駆動することになる。

ステップＳ２：ＣＰＵ１５は、画像番号Ｍを初期値（１）に設定する。

ステップＳ３：ＣＰＵ１５は、記憶部１６からＭ番目の二次元画像Ｉ_ＭとＭ番目の良品画像Ｉ_ＭＲとを読み出し、二次元画像Ｉ_Ｍと良品画像Ｉ_ＭＲとの少なくとも一方へ前処理（例えば回転処理やシフト処理など）を施すことにより、二次元画像Ｉ_Ｍの分布域と良品画像Ｉ_ＭＲの分布域とを揃える。

続いて、ＣＰＵ１５は、処理後の二次元画像Ｉ_Ｍ及び良品画像Ｉ_ＭＲ上に、図１４に示すとおり着目画素Ｐを設定すると共に、その着目画素Ｐを中心とした局所領域Ａ（例えば数画素×数画素の正方領域）を設定し、二次元画像Ｉ_Ｍにおける局所領域Ａと、良品画像Ｉ_ＭＲにおける同じ領域Ａとの相関度を、二次元画像Ｉ_Ｍの着目画素Ｐに関する評価値として算出する。

さらに、ＣＰＵ１５は、このような評価値の算出を、着目画素Ｐの位置を二次元画像Ｉ_Ｍ上で移動させながら繰り返すことにより、二次元画像Ｉ_Ｍの画素毎に評価値を算出する。

ステップＳ１０１：ＣＰＵ１５は、ステップＳ３にて算出した、各画素の評価値をそれぞれの閾値と比較し、閾値未満であるような画素の座標（画素座標）を、欠陥候補座標としてピックアップする（図１５（ａ）を参照。）。

ステップＳ５：ＣＰＵ１５は、画像番号Ｍが最終値Ｍ_ｍａｘに達したか否かを判別し、達していない場合にはステップＳ６へ移行し、達していた場合にはステップＳ１０２へ移行する。

ステップＳ６：ＣＰＵ１５は、画像番号ＭをインクリメントしてからステップＳ３へ戻る。したがって、ＣＰＵ１５は、画像番号Ｍが「８」に達するまで、欠陥候補座標のピックアップ（ステップＳ３）を繰り返す。これによって、欠陥候補座標が蓄積されていく。

ステップＳ１０２：ＣＰＵ１５は、以上のステップでピックアップされた全ての欠陥候補座標を参照し、それらの欠陥候補座標の全てを座標空間上で囲うのに必要な矩形枠の最小個数を求め、これを測定番号ｎの最終値ｎ_ｍａｘとする（図１５（ｂ）を参照）。但し、本ステップで想定される矩形枠のサイズは、撮像部１４’の視野と同サイズの物体を結像光学系２０２が撮像素子２０１上に投影したときの投影像のサイズと同じに設定される。

さらに、ＣＰＵ１５は、それらの欠陥候補座標の全てを囲うのに必要な１又は複数の矩形枠に対して測定番号ｎ＝１〜ｎ_ｍａｘをラベリングし（図１５（ｃ）を参照。）、ｎ_ｍａｘ個の矩形枠Ｂ_１〜Ｂ_ｎｍａｘの各々の中心座標を、測定座標ｃ_ｎ〜ｃ_ｎｍａｘとして求め、記憶部１６へ格納する。

ステップＳ１０３：ＣＰＵ１５は、ステップＳ１０２で求めた最終値ｎ_ｍａｘの値がゼロであるか否かを判別し、ゼロであった場合には被検物１１が規格外である可能性は無いと即座に判断してステップＳ１０へ移行し、ゼロでなかった場合には被検物１１が規格外である可能性があると判断してステップＳ１０４へ移行する。

ステップＳ１０４：ＣＰＵ１５は、測定方法を切り換えるべく、ステージオフセット量の情報を記憶部１６から読み出し、そのステージオフセット量と共にステージの移動指示を制御部１０１へ与える。制御部１０１の指示の下、ステージ１２は、ステージオフセット量の分だけ被検物１１をシフトさせ、被検物１１のうち撮像部２００の光軸上に位置していた部分を撮像部１４’の光軸上に位置させる。以下、この状態におけるステージ座標を基準（原点）としてステージ１２が駆動されるものとする。

ステップＳ１０５：ＣＰＵ１５は、測定番号ｎを初期値（１）に設定する。

ステップＳ１０６：ＣＰＵ１５は、ｎ番目の測定座標ｃ_ｎを記憶部１６から読み出し、被検面のうち測定座標ｃ_ｎに対応する部分を撮像部１４’の光軸上に配置するために必要なステージ座標の目標値を算出する（この算出は、測定座標ｃ_ｎと、欠陥検査装置の設計データとに基づき行われる。）。そして、ＣＰＵ１５は、算出した目標値と共にステージの移動指示を制御部１０１へ与える。制御部１０１の指示の下、ステージ１２は、ステージ座標が目標値となるよう被検物１１をシフトさせる。

ステップＳ７：ＣＰＵ１５は、図７に示す形状測定処理を実行することにより、被検面のうち撮像部１４’の視野によって捕らえられた部分の面形状データＤを取得し、記憶部１６へ格納する。この面形状データＤは、被検物面のうち測定座標ｃ_ｎに対応する部分の面形状データである。以下、これを「部分形状データＤ_ｎ」と称す。

ステップＳ１０７：ＣＰＵ１５は、測定番号ｎが最終値ｎ_ｍａｘに達したか否かを判別し、達していなかった場合にはステップＳ１０８へ移行し、達していた場合にはステップＳ８へ移行する。

ステップＳ１０８：ＣＰＵ１５は、測定番号ｎをインクリメントしてからステップＳ１０６へ戻る。したがって、ＣＰＵ１５は、被検物面に関する１又は複数の部分形状データＤ_１〜Ｄ_ｎを取得する。

ステップＳ８：ＣＰＵ１５は、記憶部１６から部分形状データＤ_１〜Ｄ_ｎと、良品形状データＤ_Ｒとを読み出すと共に、部分形状データＤ_１〜Ｄ_ｎを測定座標ｃ_１〜ｃ_ｎの位置関係で配列することにより、被検物１１の全体の面形状データＤを作成する。但し、この面形状データＤには、欠落している部分が存在している可能性がある。続いて、ＣＰＵ１５は、作成した面形状データＤと良品形状データＤ_Ｒとの少なくとも一方へ前処理（例えば、回転処理、シフト処理、拡大縮小処理など）を施すことにより、面形状データＤの分布域と良品形状データＤ_Ｒの分布域とを揃える。

さらに、ＣＰＵ１５は、良品形状データＤ_Ｒのうち部分形状データＤ_１に対応する部分の形状を示すデータと、その部分形状データＤ_１との相関度を示す評価値を算出する。この評価値が、部分形状データＤ_１の評価値である。さらに、ＣＰＵ１５は、このような評価値の算出を、部分形状データＤ_２〜Ｄ_ｎの各々について同様に行う。これによって、部分形状データＤ_１〜Ｄ_ｎの各々の評価値が算出される。

なお、本ステップでは、部分形状データＤ_２〜Ｄ_ｎを繋ぎ合わせて面形状データＤを作成してから評価値を算出したが、部分形状データＤ_２〜Ｄ_ｎの各々と良品形状データＤ_Ｒの対応部分とを直接的に比較することにより評価値を算出してもよい。

また、本ステップでは、被検面の部分毎（部分形状データ毎）に評価値を算出したが、面形状データＤの全体についての評価値を算出してもよい。但し、以下の説明では、評価値は被検面の部分毎（部分形状データ毎）に算出されたものと仮定する。

また、評価値としては、相関度を示す評価値の他に、面形状データ（又は部分形状データ）と良品形状データとの差分から求まる欠陥部分の深さや体積を定量値化したものなどを使用することも可能である。

ステップＳ９：ＣＰＵ１５は、ステップＳ８にて算出した評価値をそれぞれの閾値と比較し、閾値未満の評価値が存在した場合には被検物１１が規格外であると判断してステップＳ１１へ移行し、閾値未満の評価値が存在しなかった場合には被検物１１が規格内であると判断してステップＳ１０へ移行する。

ステップＳ１０：ＣＰＵ１５は、被検物１１が良品である旨の検査結果をモニタ１７へ表示し、フローを終了する。

ステップＳ１１：ＣＰＵ１５は、被検物１１が不良品である旨の検査結果をモニタ１７へ表示し、フローを終了する。

以上、本実施形態の欠陥検査装置は、光強度分布測定の視野を面形状測定の視野より広く設定しているので、面形状測定の解像度を、光強度分布測定の解像度よりも高くすることができる。そして、本実施形態の欠陥検査装置は、被検物１１のうち光強度分布による仮判定で欠陥候補とみなされなかった部分については、面形状測定の対象から外す。したがって、面形状測定による判定（つまり比較的高精度な判定）は、効率的に行われる。

次に、第１の実施形態又は第２の実施形態による三次元形状測定装置、検査装置を備える構造物製造システムについて説明する。

図１６は、構造物製造システム２００のブロック構成図である。構造物製造システム２００は、三次元形状測定装置１と、設計装置２１０と、成形装置２２０と、制御装置２３０と、リペア装置２４０と含んで構成される。

設計装置２１０は、構造物の形状に関する設計情報を作製し、作製した設計情報を成形装置２２０に送信する。また、設計装置２１０は、作成した設計情報を制御装置２３０の後述する座標記憶部２３１に記憶させる。ここで、設計情報とは例えば、構造物の各位置の座標を示す情報である。

成形装置２２０は、設計装置２１０から入力された設計情報に基づいて上記構造物を作製する。成形装置２２０の成形工程には、鋳造、鍛造、または切削等が含まれる。

三次元形状測定装置１は、第１の実施形態において説明したように、作製された前記構造物（測定対象物１１）の座標（三次元形状）を測定し、測定した座標を示す情報（形状情報）を制御装置２３０へ送信する。

制御装置２３０は、座標記憶部２３１と、検査部２３２とを備える。座標記憶部２３１には、前述の通り、設計装置２１０から受信した設計情報が記憶される。検査部２３２は、座標記憶部２３１から設計情報を読み出し、三次元形状測定装置１から受信した座標を示す情報（形状情報）と座標記憶部２３１から読み出した設計情報とを比較する。

そして、検査部２３２は、比較結果に基づき、構造物が設計情報通りに成形されたか否かを判定する。換言すれば、検査部２３２は、作成された構造物が良品であるか否かを判定する。また、検査部２３２は、構造物が設計情報通りに成形されていない場合、修復可能であるか否か判定する。修復できる場合、検査部２３２は、比較結果に基づき、不良部位と修復量を算出し、リペア装置２４０に不良部位を示す情報と修復量を示す情報とを送信する。

更に本実施形態の装置を検査装置として用いる場合には、二次元画像による欠陥検査のみを用いるあるいは併用して良否判断を行ってもよい。

リペア装置２４０は、制御装置２３０から受信した不良部位を示す情報と修復量を示す情報とに基づき、構造物の不良部位を加工する。

図１７は、構造物製造システム２００による処理の流れを示したフローチャートである。

まず、ステップＳ４０１において、設計装置２１０が、構造物の形状に関する設計情報を作製する。次に、ステップＳ４０２において、成形装置２２０は、設計情報に基づいて上記構造物を作製する。次に、ステップＳ４０３において、三次元形状測定装置１は、作製された上記構造物の形状を測定する。次に、ステップＳ４０４において、制御装置２３０の検査部２３２は、三次元形状測定装置１で得られた形状情報と、上記設計情報とを比較することにより、構造物が設計情報通りに作成されたか否か検査する。

次に、ステップＳ４０５において、制御装置２３０の検査部２３２は、作成された構造物が良品であるか否かを判定する。そして、作成された構造物が良品である場合には、構造物製造システム２００はその処理を終了する。一方、作成された構造物が良品でない場合には、ステップＳ４０６へ移行する。

なお、上述の二次元画像による欠陥の良否判定のみで判定する場合にはステップＳ４０５の後、終了となる。

ステップＳ４０６において、制御装置２３０の検査部２３２は、作成された構造物が修復できるか否か判定する。作成された構造物が修復できる場合にはステップＳ４０７へ移行し、作成された構造物が修復できない場合には構造物製造システム２００はその処理を終了する。ステップＳ４０７において、リペア装置２４０は、構造物の再加工を実施し、ステップＳ４０３の処理に戻る。

以上により、構造物製造システム２００は作成された構造物が良品であるか否か判定することができる。また、構造物製造システム２００は、構造物が良品でない場合、構造物の再加工を実施し、修復することができる。

なお、本実施形態におけるリペア装置２４０が実行するリペア工程は、成形装置２２０が成形工程を再実行する工程に置き換えられてもよい。その際には、制御装置２３０の検査部２３２が修復できると判定した場合、成形装置２２０は、成形工程（鍛造、切削等）を再実行する。具体的には、例えば、成形装置２２０は、構造物において本来切削されるべき箇所であって切削されていない箇所を切削する。これにより、構造物製造システム２００は、構造物を正確に作成することができる。

また、前述の形状測定処理に示す各ステップを実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することにより、三次元形状測定処理を行ってもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものであってもよい。

また、「コンピュータシステム」は、ＷＷＷシステムを利用している場合であれば、ホームページ提供環境（あるいは表示環境）も含むものとする。

また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、フラッシュメモリ等の書き込み可能な不揮発性メモリ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。

さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムが送信された場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリ（例えばＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory））のように、一定時間プログラムを保持しているものも含むものとする。

また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク（通信網）や電話回線等の通信回線（通信線）のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。

また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であっても良い。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

［各実施形態の補足］
なお、上述した何れかの実施形態の欠陥検査装置は、被検面の光強度分布として、照明方向の異なる複数の二次元画像Ｉ_１〜Ｉ_８を取得したが、二次元画像Ｉ_１〜Ｉ_８の代わりに、照明方向が全方向である１枚の二次元画像Ｉ_ａｌｌを取得してもよい。この二次元画像Ｉ_ａｌｌは、補助光源２７−１〜２７−８の全てを同時に点灯させた状態で取得される二次元画像のことである。なお、その場合、欠陥検査装置は、二次元画像Ｉ_ａｌｌの良品画像を予め用意しておき、その良品画像とその二次元画像Ｉ_ａｌｌとを比較することにより、その二次元画像Ｉ_ａｌｌに関する評価値を算出することになる。

また、上述した何れかの実施形態の欠陥検査装置は、被検面の光強度分布として、照明方向の異なる複数の二次元画像Ｉ_１〜Ｉ_８を取得したが、二次元画像Ｉ_１〜Ｉ_８に加えて、照明方向が全方向である１枚の二次元画像Ｉ_ａｌｌを取得してもよい。なお、その場合、欠陥検査装置は、二次元画像Ｉ_１〜Ｉ_８に関する評価値と、二次元画像Ｉ_ａｌｌに関する評価値との双方を算出することになる。

また、上述した何れかの実施形態の欠陥検査装置は、被検面の光強度分布として、照明方向の異なる複数の二次元画像Ｉ_１〜Ｉ_８を取得したが、照明方向と照明波長との組み合わせの異なる複数の二次元画像を取得してもよい。なお、その場合、欠陥検査装置は、複数の良品画像として、照明方向と照明波長との組み合わせの異なる複数の良品画像を用意しておけばよい。

また、上述した何れかの実施形態の欠陥検査装置は、補助光源の個数（すなわち画像番号Ｍの最終値Ｍ_ｍａｘ）を８としたが、他の個数（４、１６など）としてもよい。

また、上述した何れかの実施形態の欠陥検査装置は、面形状測定のタイプとしてパターン投影型を採用したが、他のタイプ、例えば、プローブ法、光切断法、モアレ法の何れかが採用されてもよい。

また、上述した何れかの実施形態の欠陥検査装置は、被検物１１の１つの面のみを検査対象としたが、被検物１１の複数の面を検査対象としてもよい。

また、上述した何れかの実施形態の欠陥検査装置は、二次元画像を良品画像と比較する際に、テンプレートマッチング、画像プロファイル比較、二値化処理による欠陥検出などの公知の何れかの手法を採用することができる。

また、上述した何れかの実施形態の欠陥検査装置においては、ＣＰＵ１５の動作の一部を制御部１０１に実行させてもよい。また、制御部１０１の動作の一部又は全部をＣＰＵ１５に実行させてもよい。

１１…被検物、１２…ステージ、１３…投影部、１４…撮像部、２７−１〜２７−８…補助光源

本発明を例示する検査装置の一態様は、被検面の形状を測定する面形状測定部と、互いに異なる複数の方向から前記被検面を照明して前記被検面の光強度分布を検出する画像検出部とを備える。
本発明を例示する三次元形状測定装置の一態様は、被検面の形状を測定する面形状測定部と、互いに異なる複数の方向から前記被検面を照明して前記被検面の光強度分布を検出する画像検出部とを備える。
本発明を例示する構造物の製造方法の一態様は、構造物の形状に関する設計情報を作製する設計工程と、前記設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形工程と、作製された前記構造物の形状を、三次元形状測定装置の一態様を用いて算出する測定工程と、前記測定工程で得られた形状情報と、前記設計情報とを比較する検査工程とを有する。
本発明を例示する検査装置の一態様は、被検面の形状を測定する面形状測定部と、前記被検面を照明して前記被検面の光強度分布を検出する画像検出部と、前記画像検出部で検出された光強度分布に基づき、前記被検面における前記面形状測定部の測定対象を設定する制御部とを備える。
本発明を例示する三次元形状測定装置の一態様は、被検面の形状を測定する面形状測定部と、前記被検面を照明して前記被検面の光強度分布を検出する画像検出部と、前記画像検出部で検出された光強度分布に基づき、前記被検面における前記面形状測定部の測定対象を設定する制御部とを備える。
本発明を例示する構造物の製造方法の一態様は、構造物の形状に関する設計情報を作製する設計工程と、前記設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形工程と、作製された前記構造物の形状を三次元形状測定装置の一態様を用いて算出する測定工程と、前記測定工程で得られた形状情報と、前記設計情報とを比較する検査工程とを有する。

投影部１３のパターン形成部２３は、透過率あるいは反射率分布が可変のパネル（透過型液晶素子、反射型液晶素子、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ、デジタルミラーデバイス）など）であり、そのパネルへ縞模様パターン（正弦状パターン）を表示することにより、パターン形成部２３から被検物へ向かう照明光束の断面強度分布を正弦波状とする。なお、反射型のパネルを用いた場合は光源の位置が変わるが当業者が適宜変更可能である。本実施形態では透過型のパネルを用いた場合を例にあげて説明を行う。パターン形成部２３に表示される正弦状パターンの格子方向は、投影部１３の光軸と撮像部１４の光軸とを含む面に対して垂直に配置される。また、パターン形成部２３の表示面上の中央近傍に位置する基準点は、ステージ１２の基準面上の基準点（撮像部１４の光軸と投影部１３の光軸との交差点）に対して光学的に共役であり、ステージ１２の照明領域内に配置された被検物１１の表面（被検面）には、正弦状パターンが投影光学系２４によって投影される。なお、被検面上に正弦状パターンを投影できるのであれば、パターン形成部２３の基準点とステージ１２の基準点とが完全な共役関係になっていなくとも構わない。

撮像部１４は、ステージ１２上の照明領域の像（光強度分布）を検出する光学系であって、被検面上に投影されたパターンを撮像素子２６に結像する結像光学系２５と、結像光学系２５が結像した像を撮像して投影パターンの画像を取得する撮像素子２６とが順に配置される。撮像素子２６の撮像面上の中央近傍に位置する基準点は、ステージ１２の前述した基準点と光学的に共役であり、撮像素子２６は、ステージ１２の照明領域内に配置された被検物１１の被検面の画像を取得することができる。なお、被検面の画像を十分なコントラストで取得することができるのであれば、撮像素子２６の基準点とステージ１２の基準点とが完全な共役関係になっていなくとも構わない。

また、結像光学系２５のステージ側のレンズの周りには、補助光源２７−１〜２７−８が設けられており、これらの補助光源２７−１〜２７−８は、結像光学系２５の視野を互いに異なる方向から照明する。

ここで、補助光源２７−１〜２７−８のうち少なくとも１つを点灯すると共に、投影部１３の光源（図２の符号２１）を消灯した状態で撮像素子２６から画像を取得すると、正弦状パターンの投影されてない被検面の画像（＝被検面の光強度分布情報を含んだ画像）を取得することができる。以下、この画像を「二次元画像」と称す。

一方、補助光源２７−１〜２７−８の全てを消灯すると共に、投影部１３の光源（図２の符号２１）を点灯した状態で撮像素子２６から画像を取得すると、正弦状パターンの投影された被検面の画像（＝被検面の面形状情報を含んだ画像）を取得することができる。以下、この画像を「縞画像」と称す。

さらに、正弦状パターンの位相をシフトさせながら縞画像の取得を繰り返せば、被検面の面形状データＤを既知とするための情報が揃う。

制御部１０１は、メイン光源２１をオン／オフ（点灯／消灯）するタイミングと、パターン形成部２３に表示される正弦状パターンの位相と、撮像素子２６による画像の取得タイミングと、補助光源２７−１〜２７−８の各々をオン／オフ（点灯／消灯）するタイミングとを制御する。また、制御部１０１は、ステージ１２の座標（ステージ座標）を必要に応じて検知することも可能である。

記憶部１６に予め格納される情報の１つに、二次元画像Ｉ_Ｍの種類数と同数の良品画像（設計形状品画像）Ｉ_ＭＲ（Ｍ＝１〜８）がある（図８の右側を参照。）。Ｍ番目の良品画像Ｉ_ＭＲは、Ｍ番目の二次元画像Ｉ_Ｍの良品画像であって、例えば、被検物１１の代わりに被検物１１と同じ仕様の良品をステージ１２へ載置し、その状態でＭ番目の補助光源２７−Ｍのみを点灯して取得した二次元画像である。なお、良品画像Ｉ_ＭＲは、被検物１１の設計データ欠陥検査装置の設計データから演算により作成することもできる。

図３（ａ）は、補助光源２７−１〜２７−８及び結像光学系２５をステージ１２の側から見た図である。図３（ａ）に示すとおり補助光源２７−１〜２７−８は、結像光学系２５のステージ側のレンズの周りに等間隔で配置された面光源であって、その仕様は互いにほぼ共通である。

また、図３（ａ）に示すとおり、補助光源２７−１〜２７−８の各々は、複数の砲弾型ＬＥＤを二次元状に密に配列することによって面光源を成している。砲弾型ＬＥＤはその先端がレンズ作用のある形状となっており、各々のＬＥＤから射出した光を測定面に照明する。このような補助光源２７−１〜２７−８の各々がステージ１２上に形成する照明領域は、照度がほぼ均一となる。

更に、図４（ｂ）に示すように補助光源２７と被検面１１との間に別途照明光学系３２を配置する構成とする事も可能である。この場合は補助光源２７としては砲弾型のＬＥＤではなく他のＬＥＤを使用することが可能である。

尚、上述の説明では複数光源の全てを独立して照明するようにしたが、複数の光源のうち任意の光源のみを用いて検査や測定を行ってもよい。また、複数の光源を同時に発光させてもよい。異なる方向からの照明により小さな傷や穴が強調されるため、二次元画像取得により容易に傷や穴を検出することが可能となる。面形状測定（三次元形状測定）を行うと同時に傷や穴のチェックを行うことが可能となる。この場合、欠陥検査を必ずしも行う必要は無く、三次元形状測定（面形状測定）に加えて傷や穴等を検出するのみでよい。

ステップＳ７３：ＣＰＵ１５は、正弦状パターンの位相を、（ｍ−１）π／２で表される値に設定するよう制御部１０１へ指示する。制御部１０１は、パターン形成部２３に表示される正弦状パターンの位相を（ｍ−１）π／２に設定する。

ステップＳ７６：ＣＰＵ１５は、位相番号ｍをインクリメントしてからステップＳ７３へ戻る。したがって、ＣＰＵ１５は、正弦状パターンの位相をπ／２ずつシフトさせながら縞画像Ｉ_Ｓｍの取得を４回繰り返し、位相の互いに異なる複数の縞画像Ｉ_Ｓ１〜Ｉ_Ｓ４を取得する。

ステップＳ７７：ＣＰＵ１５は、メイン光源２１をオフするよう制御部１０１へ指示する。制御部１０１は、メイン光源２１をオフし、補助光源２７−１〜２７−８についてはオフの状態を保つ。

ステップＳ７８：ＣＰＵ１５は、縞画像Ｉ_Ｓ１〜Ｉ_Ｓ４の解析に当たり、画素番号ｉを初期値（１）に設定する。

ステップＳ７９：ＣＰＵ１５は、縞画像Ｉ_Ｓ１〜Ｉ_Ｓ４のうちｉ番目の画素に関する一連の画素値Ｉ_Ｓ１ｉ〜Ｉ_Ｓ４ｉを参照し、それらを以下の式へ当てはめることによりｉ番目の画素の初期位相φ_ｉの値を算出する。

ステップＳ７９１：ＣＰＵ１５は、画素番号ｉが最終値ｉ_ｍａｘに達したか否かを判別し、達していない場合にはステップＳ７９２へ移行し、達していた場合にはステップＳ７９３へ移行する。なお、画素番号ｉの最終値ｉ_ｍａｘは、縞画像の取得に使用された撮像素子の画素数であって、例えば、ｉ_ｍａｘ＝２００×２００＝４００００である。

ステップＳ７９２：ＣＰＵ１５は、画素番号ｉをインクリメントしてからステップＳ７９へ戻る。したがって、ＣＰＵ１５は、初期位相φ_ｉの値を全ての画素番号ｉ（ｉ＝１〜４００００）についてそれぞれ算出する。

ステップＳ７９３：ＣＰＵ１５は、以上のステップで算出した初期位相φ_ｉの値を画素番号順に並べることにより位相分布を取得し、その位相分布に対してアンラップ処理（＝オフセット分布を加算する位相接続処理。）を施す。なお、アンラップ処理に使用されるオフセット分布は、欠陥検査装置の設計データにより決まるものであって、記憶部１６に予め格納されている値である。その後、ＣＰＵ１５は、アンラップ処理後の位相分布を、被検面の高さ分布データ（面形状データＤ）へと変換する。

また、結像光学系２０２のステージ１２側のレンズの周りには、補助光源２０３−１〜２０３−８が設けられており、これらの補助光源２０３−１〜２０３−８は、結像光学系２０２の視野を互いに異なる方向から照明することができる。

Claims (17)

1. 被検面の形状を測定する面形状測定部と、
   互いに異なる複数の方向から前記被検面を照明して前記被検面の光強度分布を検出する画像検出部と、
   を有する検査装置。
2. 前記面形状測定部及び前記画像検出部を制御して前記被検面の良否の判定を行う制御部を
   有する請求項１に記載の検査装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の検査装置において、
   前記面形状測定部は、
   パターン投影型の面形状測定装置であって、
   前記画像検出部の検出部と前記面形状測定部の検出部とは、
   互いの光学系の少なくとも一部を共有している
   ことを特徴とする検査装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか1項に記載の検査装置において、
   前記面形状測定部の視野よりも前記画像検出部の視野の方が広く設定されている
   ことを特徴とする検査装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の検査装置において、
   前記制御部は、
   前記面形状測定部により前記被検面の形状の良否判定を行うと共に、前記画像検出部により前記被検面の光強度分布の良否判定を行い、それら２種類の良否判定の結果に基づき前記被検面の総合的な良否判定を行う
   ことを特徴とする検査装置。
6. 請求項４に記載の検査装置において、
   前記制御部は、
   前記画像検出部により前記被検面上で光強度分布が良好な部分を見出し、前記面形状測定部の測定対象からその部分を排除する
   ことを特徴とする検査装置。
7. 被検面の形状を測定する面形状測定部と、
   互いに異なる複数の方向から前記被検面を照明して前記被検面の光強度分布を検出する画像検出部と、
   を有する三次元形状測定装置。
8. 請求項１に記載の三次元形状測定装置であって、
   前記面形状測定部は、測定対象にパターンを投影するパターン投影部と、前記測定対象に投影されたパターンを撮像面に結像するパターン結像部とを有する三次元形状測定装置。
9. 請求項７または請求項８に記載の三次元形状測定装置であって、
   同一時間に前記複数の方向から被検面を照明する制御部を有する三次元形状測定装置。
10. 請求項７乃至請求項９のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置であって、
    複数の光源を更に有し、各光源は前記パターン結像光学系の光軸を中心として前記互いに異なる複数の方向から前記被検面を照明するように配置される三次元形状測定装置。
11. 請求項７乃至請求項１０のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置であって、
    前記面形状測定部と前記画像検出部は一つの筐体内に収納されている三次元形状測定装置。
12. 請求項７乃至請求項１１のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置であって、
    異なる時間に異なる方向から被検面を照明する制御部を有する三次元形状測定装置。
13. 請求項７乃至請求項１２のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置であって、
    前記画像検出部により検出された光強度分布からなる二次元画像を記憶する記憶部を有する三次元形状測定装置。
14. 構造物の形状に関する設計情報を作製する設計工程と、
    前記設計情報に基づいて前記構造物を作製する成形工程と、
    作製された前記構造物の形状を請求項７乃至請求項１３のいずれか１項に記載の三次元形状測定装置を用いて算出する測定工程と、
    前記測定工程で得られた形状情報と、前記設計情報とを比較する検査工程と、
    を有することを特徴とする構造物の製造方法。
15. 前記検査工程の比較結果に基づいて実行され、前記構造物の再加工を実施するリペア工程を有することを特徴とする請求項１１に記載の構造物の製造方法。
16. 前記リペア工程は、前記成形工程を再実行する工程であることを特徴とする請求項１５に記載の構造物の製造方法。
17. 前記リペア工程は、前記検査工程の比較結果に基づいて、前記構造物の不良部位を加工する工程であることを特徴とする請求項１５に記載の構造物の製造方法。
    

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