KR20220105656A - 형상 복원 방법 및 화상 측정 장치 - Google Patents

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마사오키 야마가타
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Abstract

조명 장치(110)는, 광원부(112)와, 조명광을 특정의 조사 입체각(IS)으로 피측정물(W)에 조사하는 렌즈부(116)와, 특정의 조사 입체각(IS) 내를 서로 다른 광의 파장 영역(R, G, B)을 가지는 복수의 입체각 영역(IS1, IS2, IS3)으로 분리하는 필터부(114)를 가지고, 촬상 장치(CM)는 조명광에 의해 생기는 피측정물(W)로부터의 물체광을 소정의 관찰 입체각(DS)으로 수광하고, 촬상 장치(CM)의 각 화소는 상이한 광의 파장 영역(R, G, B)을 서로 식별 가능하게 되어 있으며, 처리 장치(120)는, 물체광을 구성하는 복수의 입체각 영역(RS1, RS2, RS3)과 소정의 관찰 입체각(DS)의 포함 관계로부터 각 화소에 대응하는 피측정물(W)의 각 점의 법선 벡터(Vn)를 구하는 연산부(124)와, 피측정물(W)의 형상을 복원하는 형상복원부(128)를 갖춘다. 이것에 의해 피측정물을 촬상한 화상 내의 피측정물의 각 점의 정보를 신속하게 복원하는 것을 가능하게 한다.

Description

형상 복원 방법 및 화상 측정 장치
본 발명은 형상 복원 방법 및 화상 측정 장치에 관련하여, 특히, 피측정물을 촬상한 화상 내의 피측정물의 각 점의 정보를 신속하게 복원 가능한 형상 복원 방법 및 화상 측정 장치에 관한 것이다.
종래부터 피측정물에 조명광을 조사하고, 촬상된 화상을 처리하여, 피측정물의 형상 정보를 복원하는 화상 측정 장치가 알려져 있다. 예를 들면 텔레센트릭 촬상 광학계에 의해 피측정물을 촬상하여 피측정물의 형상을 측정하는 화상 측정 장치가 그것에 해당한다. 텔레센트릭 촬상 광학계에서는, 피사계 심도가 깊기 때문에, 광축 방향에 단차가 있어도 화상의 흐릿함이 적다는 특징이 있으므로, 주로 피측정물의 표면의 2차원 형상을 측정하기에 적합하다. 그러나, 텔레센트릭 촬상 광학계에서는, 피측정물의 높이 방향의 정보를 검출하는 것이 곤란하여, 피측정물의 3차원 형상을 측정하기에는 적당하지 않다.
또한 최근에는 특허문헌 1에 나타내는 바와 같이, 특정의 검사용 조명 장치를 사용함으로써, 하나의 촬상된 화상에 기초하여 피측정물의 각 점의 기울기 정보를 얻는 것을 가능하게 한 검사 시스템이 개발되어 있다. 이 발명에 의하면, 피측정물의 미소한 요철이나 이물 등의 결함의 정보를 추출 가능하게 되어 있다.
일본 특허 제6451821호 공보
그러나, 특허문헌 1의 검사 시스템에서는, 1회의 촬상으로 피측정물의 각 점의 기울기 정보를 얻을 수 있는 것을 나타내고 있지만, 이 손쉬움과 신속함을 살리도록 하는 피측정물의 각 점의 정보를 복원하기 위한 구체적인 공정 및 구성을 명확히 하고 있지는 않다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 피측정물을 촬상한 화상 내의 피측정물의 각 점의 정보를 신속하게 복원 가능한 형상 복원 방법 및 화상 측정 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
본원의 청구항 1에 따른 발명은, 피측정물에 조명광을 조사하고, 촬상된 화상을 처리하여, 상기 피측정물의 형상을 복원하는 형상 복원 방법으로서, 서로 다른 광 속성을 가지는 복수의 입체각 영역을 갖추는 특정의 조사 입체각을 가지는 상기 조명광을 상기 피측정물에 조사하는 조명 공정과, 상기 조명광에 의해 생기는 상기 피측정물로부터의 물체광을 소정의 관찰 입체각으로 수광하여 상기 화상을 촬상하는 촬상 공정과, 이 화상의 각 화소에 있어서 식별된 이 광 속성에 기초하여, 상기 물체광을 구성하는 상기 복수의 입체각 영역과 상기 소정의 관찰 입체각의 포함 관계로부터 상기 각 화소에 대응하는 상기 피측정물의 각 점의 법선 벡터를 구하는 연산 공정과, 이 법선 벡터로부터 상기 피측정물의 각 점의 기울기 정보를 구하여 상기 피측정물의 형상을 복원하는 형상 복원 공정을 포함한 것에 의해, 상기 과제를 해결한 것이다.
본원의 청구항 2에 따른 발명은, 상기 조사 입체각을 상기 피측정물의 각 점에 대하여 동일하게 한 것이다.
본원의 청구항 3에 따른 발명은, 상기 복수의 입체각 영역을 상기 조명광의 상기 조사 입체각의 조사광축 둘레에 마련한 것이다.
본원의 청구항 4에 따른 발명은, 상기 광 속성을 광의 파장 영역으로 한 것이다.
본원의 청구항 5에 따른 발명은, 상기 조명 공정의 전단(前段)에 전단 공정(前段工程)을 가지고, 이 전단 공정에서는 상기 피측정물 자신 또는 특정의 지그가 상기 피측정물 대신에 사용되며, 상기 조명 공정과 상기 촬상 공정이 행해지고, 또한 상기 광 속성과 상기 법선 벡터의 대응 관계를 구하는 대응 관계 생성 공정을 행하도록 한 것이다.
본원의 청구항 6에 따른 발명은, 상기 특정의 지그를 기준구 또는 기준 평면으로 한 것이다.
본원의 청구항 7에 따른 발명은, 상기 대응 관계를 대응 테이블로서 구성한 것이다.
본원의 청구항 8에 따른 발명은, 상기 대응 관계를 보완 함수(complementary function)로서 구성한 것이다.
본원의 청구항 9에 따른 발명은, 상기 법선 벡터를 정규화한 것이다.
본원의 청구항 10에 따른 발명은, 상기 복수의 입체각 영역이 상기 관찰 입체각의 관찰광축에 대하여 회전 대칭이 아닌 경우에는, 상기 촬상 공정 후에, 상기 피측정물을 상기 관찰광축 둘레에 소정의 각도로 회전시키는 회전 공정을 행하고, 상기 조명 공정과 상기 촬상 공정을 소정의 횟수 행한 후에 상기 연산 공정을 행하도록 한 것이다.
본원의 청구항 11에 따른 발명은, 피측정물에 조명광을 조사하는 조명 장치와, 상기 피측정물을 촬상하여 화상을 출력하는 촬상 장치와, 이 화상을 처리하는 처리 장치를 갖추고, 상기 피측정물의 형상을 측정하는 화상 측정 장치로서, 상기 조명 장치가, 상기 조명광을 출사하는 광원부와, 상기 조명광을 특정의 조사 입체각으로 상기 피측정물에 조사하는 렌즈부와, 상기 광원부와 상기 렌즈부 사이에서, 상기 특정의 조사 입체각 내를 서로 다른 광 속성을 가지는 복수의 입체각 영역으로 분리하는 필터부를 가지고, 상기 촬상 장치는 상기 조명광에 의해 생기는 상기 피측정물로부터의 물체광을 소정의 관찰 입체각으로 수광하고, 상기 촬상 장치의 각 화소는 상기 상이한 광 속성을 서로 식별 가능하게 되며, 상기 처리 장치가, 상기 물체광을 구성하는 상기 복수의 입체각 영역과 상기 소정의 관찰 입체각의 포함 관계로부터 상기 각 화소에 대응하는 상기 피측정물의 각 점의 법선 벡터를 구하는 연산부와, 이 법선 벡터로부터 상기 피측정물의 각 점의 기울기 정보를 구하여 상기 피측정물의 형상을 복원하는 형상 복원부를 갖추도록 한 것이다.
본원의 청구항 12에 따른 발명은, 상기 필터부를 상기 조명광의 조사광축 상의 상기 렌즈부의 초점 거리의 근방에 배치한 것이다.
본원의 청구항 13에 따른 발명은, 상기 필터부가, 상기 복수의 입체각 영역이 상기 조명광의 조사광축 둘레에 마련되도록, 이 조사광축 둘레에 서로 다른 필터 영역을 갖추도록 한 것이다.
본원의 청구항 14에 따른 발명은, 상기 필터부를 상기 광 속성으로서 광의 파장 영역을 서로 다르게 하도록 한 것이다.
본원의 청구항 15에 따른 발명은, 상기 처리 장치가 상기 광 속성과 상기 법선 벡터의 대응 관계를 기억하는 기억부를 갖추고, 상기 연산부가 이 대응 관계에 기초하여 이 법선 벡터를 구하도록 한 것이다.
본원의 청구항 16에 따른 발명은, 상기 처리 장치로 상기 법선 벡터를 정규화한 것이다.
본원의 청구항 17에 따른 발명은, 상기 피측정물을 관찰광축 둘레로 회전시킬 수 있는 회전대를 갖추도록 한 것이다.
본원의 청구항 18에 따른 발명은, 상기 연산부가, 추가로, 미리 격납하고 있는 상기 피측정물의 각 점의 상기 법선 벡터와, 새롭게 촬상된 상기 피측정물로부터 구해진 각 점의 상기 법선 벡터를 비교하여, 서로 다른 부분을 추출하는 정합 판정부를 갖추도록 한 것이다.
본 발명에 의하면, 피측정물을 촬상한 화상 내의 피측정물의 각 점의 정보를 신속하게 복원하는 것이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태에 따른 화상 측정 장치를 나타내는 모식도이다.
도 2는 도 1의 조명 장치의 주요 부분을 나타내는 모식도이다.
도 3은 도 1의 조명 장치에 사용되는 필터부와 조사 입체각의 관계(조사광축 둘레에 3개의 필터 영역을 갖추는 필터부(A)와 대응하는 조사 입체각(E), 조사광축 중심에 1개와 조사광축 둘레에 3개의 필터 영역을 갖추는 필터부(B)와 대응하는 조사 입체각(F), 동심원 형상으로 4개의 필터 영역을 갖추는 필터부(C)와 대응하는 조사 입체각(G), 동심원 형상으로 조사광축 둘레에 각각 3개의 필터 영역을 갖추는 필터부(D)와 대응하는 조사 입체각(H))이다.
도 4는 화상 측정 장치에 있어서의 조사 입체각과 반사 입체각과 관찰 입체각의 관계를 나타내는 모식도(피측정물의 표면의 법선 벡터가 관찰광축과 일치하고 있는 경우의 도(A), 피측정물의 표면의 법선 벡터가 관찰광축과 어긋나 있는 경우의 도(B))이다.
도 5는 종래의 조명광의 조사 입체각과 본 실시형태의 조명광의 조사 입체각의 비교 모식도이다.
도 6은 도 1의 화상 측정 장치의 처리 블록도이다.
도 7은 도 1의 화상 측정 장치에 있어서의 형상 복원의 순서를 나타내는 플로우도이다.
도 8은 도 7의 전단 공정의 내용의 순서를 나타내는 플로우도(전단 공정의 전체 플로우도(A), 도 8(A)에 나타내는 전단 대응 관계 생성 공정의 상세 플로우도(B))이다.
도 9는 도 8에서 나타내는 전단 공정을 행할 때 사용하는 기준구와 구하는 법선 벡터의 기울기의 범위를 나타내는 모식도이다.
도 10은 도 8에서 나타내는 전단 공정에서 구해지는 광 속성과 법선 벡터의 대응 관계를 나타내는 대응 테이블의 일례이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시형태에 따른 화상 측정 장치의 조명 장치의 주요 부분을 나타내는 모식도이다.
도 12는 본 발명의 제3 실시형태에 따른 화상 측정 장치의 조명 장치와 피측정물의 관계를 나타내는 모식도이다.
도 13은 본 발명의 제4 실시형태에 따른 화상 측정 장치의 처리 블록도이다.
도 14는 도 13의 화상 측정 장치에 있어서의 형상 복원의 순서를 나타내는 플로우도이다.
도 15는 본 발명의 제5 실시형태에 따른 화상 측정 장치의 처리 블록도이다.
이하, 본 발명의 제1 실시형태에 대해, 도 1 내지 도 10을 사용하여 설명한다. 또한 본 발명은 이하의 실시형태에 기재한 내용에 의해 한정되는 것은 아니다. 또 이하에 기재한 실시형태에 있어서의 구성 요건에는 당업자가 용이하게 상정할 수 있는 것, 실질적으로 동일한 것, 소위 균등한 범위의 것이 포함된다. 또한 이하에 기재한 실시형태에서 개시한 구성 요소는 적절하게 조합해도 되고, 적절하게 선택하여 사용해도 된다.
화상 측정 장치(100)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 피측정물(W)에 조명광을 조사하는 조명 장치(110)와, 피측정물(W)로부터의 반사광을 수광함으로써, 피측정물을 촬상하여 화상을 출력하는 촬상 장치(CM)와, 그 화상을 처리하는 처리 장치(120)와, 표시 장치(DD)를 갖춘다. 처리 장치(120)는 화상 캡쳐(IMC)와 화상 처리 장치(IMP)를 갖춘다. 이 구성에 의해, 화상 측정 장치(100)는 피측정물(W)에 조명광을 조사하고, 촬상된 화상을 처리하여, 피측정물의 형상을 측정하고 또한 복원하는 것이 가능하도록 되어 있다. 또한 본 실시형태에서는 피측정물(W)은 표면 형상이 복잡해도 광택면에 가까운 것이 바람직하다.
이하, 각 요소를 상세하게 설명한다.
상기 조명 장치(110)는, 도 2에 나타내는 바와 같이, 조명광을 출사하는 광원부(112)와, 필터부(114)와, 조명광을 특정의 조사 입체각(IS)으로 피측정물(W)에 조사하는 렌즈부(116)와, 하프미러(118)를 가진다.
광원부(112)는 1개 이상의 칩형 LED를 배치한 것이나, 유기 EL이나, 사이드라이트로부터 도광판을 이끈 것 등이어도 된다. 광원부(112)는 조사광축(L1)을 따라 이동 가능하게 되어 있다.
필터부(114)는 도 2에 나타내는 바와 같이 광원부(112)와 렌즈부(116) 사이에서 특정의 조사 입체각(IS) 내를 서로 다른 광의 파장 영역(광 속성)(R, G, B)(부호 R은 적색 파장 영역, 부호 G는 녹색 파장 영역, 부호 B는 청색 파장 영역)을 가지는 복수의 입체각 영역(IS1, IS2, IS3)(도 3(E) 참조)으로 분리한다. 구체적으로, 필터부(114)는 도 3(A)에 나타내는 바와 같이 복수의 입체각 영역(IS1, IS2, IS3)이 조명광의 조사 입체각(IS)의 조사광축(L1) 둘레에 마련되도록, 광원부(112)로부터 출사되는 광을 제한하는 조리개(개구의 반경(R0))와, 조리개의 내측의 조사광축(L1) 둘레에 서로 다른 필터 영역(CF1, CF2, CF3)을 갖춘다. 또한 본 실시형태에서 필터 영역(CF1, CF2, CF3)은 각각 120도의 부채형으로서 적색, 녹색, 청색의 컬러 필터로 구성되어 있다. 그리고, 필터부(114)는 도 2에 나타내는 바와 같이 조명광의 조사광축(L1) 상의 렌즈부(116)의 초점 거리(f)의 근방에 배치되어 있다. 또 필터부(114)도 조사광축(L1)을 따라 이동 가능하게 되어 있다. 또한 본 실시형태에서는 필터부(114)는 조명광을 가리는 차광 마스크인 조리개와 광의 파장 영역을 변화시키는 필터가 하나가 된 광학 소자인데, 이것에 한정되지 않고, 따로 따로 마련해도 된다. 또는 필터부에 전기적으로 투과율이나 색을 변화시킬 수 있는 액정 셔터 등을 사용하도록 해도 된다. 또 필터부는 투과형으로 되어 있지만, 반사형이어도 된다.
렌즈부(116)는 도 2에 나타내는 바와 같이 광원부(112)로부터 출사되어 필터부(114)를 통과한 조명광을 특정의 조사 입체각(IS)으로 피측정물(W)에 조사한다. 렌즈부(116)는 예를 들면 굴절형 렌즈이며, 단렌즈여도 되지만, 복수매의 렌즈에 의해 구성되어 있어도 된다. 렌즈부(116)도 조사광축(L1)을 따라 이동 가능하게 되어 있다.
하프미러(118)는 도 2에 나타내는 바와 같이 조사광축(L1)과 관찰광축(L2)을 일치시켜, 조사광이 동축낙사가 되도록 배치되어 있다. 이 때문에, 조사 입체각(IS)과 관찰 입체각(DS)은 도 4(A), (B)에 나타내는 바와 같이 동일 방향으로 형성되게 된다.
이와 같이, 광원부(112), 필터부(114) 및 렌즈부(116)의 이동 조정이 가능하며, 또한 필터부(114)의 필터 영역이 변경 가능함으로써, 광의 파장 영역을 임의로 변화시키면서, 피측정물(W)에 대하여 임의의 형상의 조사 입체각(IS)을 실현할 수 있다. 또한 필터부(114)가 렌즈부(116)의 초점 거리(f)의 근방에 배치됨으로써, 촬상 장치(CM)가 촬상하는 피측정물(W)의 시야 범위 전체의 모든 위치에 대하여 모두 동일 조건에서 조사광을 조사할 수 있다. 여기서, 도 5(A)는 일반적인 종래 조명(LS)으로 피측정물(W)을 조사했을 때, 그 피측정물(W)의 상이한 위치(P, P')에 있어서의 각각의 조사 입체각(IS, IS')을 나타내고 있다. 도 5(A)에 의하면, 위치(P, P')에서는 서로 조사 입체각(IS, IS')의 형상이나 조사광축의 방향이 상이하다. 그러나, 본 실시형태의 조명 장치(110)에 의하면, 도 5(B)에 나타내는 바와 같이, 피측정물(W)의 시야 범위 전체의 모든 위치에 있어서 모두 동일 조건에서 조사광을 조사할 수 있다. 즉, 조사 입체각(IS)은 피측정물(W)의 각 점에 대하여 동일하게 되어 있다. 따라서, 본 실시형태의 조명 장치(110)는 종래 조명에서는 실현할 수 없었던 미소한 변화를 추출할 수 있다.
상기 촬상 장치(CM)는 도 1에 나타내는 바와 같이 조명 장치(110)의 조명광에 의해 생기는 상기 피측정물로부터의 물체광을 예를 들면 텔레센트릭 촬상 광학계(AF 기능이 있는 촬상 광학계를 사용해도 된다)에 의한 소정의 관찰 입체각(DS)으로 수광하고, 2차원의 화상을 컬러 화상으로서 출력한다. 즉, 촬상 장치(CM)는 예를 들면 컬러 CCD 카메라나 컬러 CMOS 카메라이며, 촬상 장치(CM)의 각 화소는 상이한 광 속성을 서로 식별 가능하게 되어 있다. 즉, 본 실시형태에서는, 상이한 광 속성은 상이한 광의 파장 영역(R, G, B)이며, 예를 들면 각 화소는 적색, 녹색, 청색 각각의 컬러 필터가 부착된 (4개로 구성되는 베이어 패턴의) 화소 요소의 세트로 구성되어 있다. 또한 컬러 화상은 처리 장치(120)로 처리된다.
상기 처리 장치(120)는, 도 6에 나타내는 바와 같이, 화상유지부(122)와, 연산부(124)와, 기억부(126)와, 형상복원부(128)를 갖추고, 촬상 장치(CM)와, 표시 장치(DD)에 접속되어 있다. 이 때문에, 처리 장치(120)는 촬상 장치(CM)로부터의 화상의 처리 및 표시 장치(DD)로의 표시 신호의 출력을 행할 수 있다. 또한 표시 장치(DD)는 형상복원부(128)의 출력에 기초하여, 촬상한 컬러 화상이나, 3차원 화상이나, 각종 정보를 표시할 수 있다.
화상유지부(122)는 화상 캡쳐(IMC)의 내부의 회로이며, 촬상 장치(CM)로부터의 화상을 프레임 단위로 유지하는 것을 가능하게 하고 있다. 본 실시형태에서는 광의 파장 영역(R, G, B) 각각의 화상을 유지할 수 있다.
연산부(124)는 피측정물(W)로부터의 물체광을 구성하는 복수의 입체각 영역(RS1, RS2, RS3)과 소정의 관찰 입체각(DS)의 포함 관계로부터 각 화소에 대응하는 피측정물(W)의 각 점의 법선 벡터(Vn)를 구한다. 도 4(A), (B)를 사용하여, 그 원리를 설명한다. 또한 실선으로 그려져 있는 것은 조사광이 형성하는 조사 입체각(IS)과 촬상 장치(CM)에 의한 관찰 입체각(DS)이다. 점선으로 그려져 있는 것은 물체광이 형성하는 반사 입체각(RS)이다. 여기서, 조사 입체각(IS)의 입체각 영역(IS1, IS2, IS3)은 각각 반사 입체각(RS)의 입체각 영역(RS1, RS2, RS3)에 대응한다(즉, IS1=RS1, IS2=RS2, IS3=RS3).
우선, 피측정물(W)에 기울기가 없는 경우에는, 도 4(A)에 나타내는 바와 같이, 반사광축(L3)과 관찰광축(L2)이 일치한 상태가 된다. 즉, 조사 입체각(IS)을 가지는 조명광이 피측정물(W)에 조사되면, 관찰 입체각(DS)으로 물체광에 의한 반사 입체각(RS)의 입체각 영역(RS1, RS2, RS3)에 대응하는 광의 파장 영역(R, G, B)의 휘도(Rc, Gc, Bc)가 동일하게 검출된다. 이 때문에, 이 검출되는 광의 파장 영역(R, G, B)의 휘도(Rc, Gc, Bc)의 비율에 기초하여, 경사져 있지 않은 법선 벡터(Vn)를 구할 수 있다.
한편, 피측정물(W)에 기울기(각도(φ))가 있는 경우에는, 도 4(B)에 나타내는 바와 같이, 반사광축(L3)과 관찰광축(L2)이 일치하지 않는 상태가 된다. 즉, 조사 입체각(IS)을 가지는 조명광이 피측정물(W)에 조사되면, 관찰 입체각(DS)의 범위 내에서는 물체광에 의한 반사 입체각(RS)의 입체각 영역(RS1)에 대응하는 광의 파장 영역(R)의 휘도(Rc)를 거의 수광할 수 없다. 한편, 입체각 영역(RS2, RS3)에 대응하는 광의 파장 영역(G, B)의 휘도(Gc, Bc)는 거의 동일하게 검출된다. 이 때문에, 이 검출되는 광의 파장 영역(R, G, B)의 휘도(Rc, Gc, Bc)의 비율에 기초하여, 경사진 법선 벡터(Vn)를 구할 수 있다.
즉, 연산부(124)는 광 속성(본 실시형태에서는 광의 파장 영역(R, G, B) 각각)과 법선 벡터(Vn)의 대응 관계에 기초하여 법선 벡터(Vn)를 구할 수 있다.
또한 법선 벡터(Vn)는 (Vnx, Vny, Vnz)로 표시되며, 연산부(124)에서 정규화되어 있다. 즉 값(Vnx, Vny, Vnz)의 관계는 이하와 같게 된다.
Figure pct00001
또한 본 실시형태에서는 광의 파장 영역(R, G, B)과 법선 벡터(Vn)의 대응 관계도 연산부(124)로 구한다. 대응 관계는 대응 테이블과 보완 함수(complementary function)(fx, fy)로 구할 수 있다. 본 실시형태에서는 보완 함수(fx, fy)는 이산적으로 마련된 대응 테이블 사이에 오는 법선 벡터(Vn)를 구하도록 되어 있다.
기억부(126)는 각종의 초기 설정값, 각종 프로그램, 각종 테이블, 각종 함수 및 각종 데이터를 기억할 수 있다. 예를 들면 기억부(126)는 피측정물(W)의 광의 파장 영역(R, G, B)과 법선 벡터(Vn)의 대응 관계를 기억하고 있다. 본 실시형태에서는 광의 파장 영역(R, G, B)과 법선 벡터(Vn)의 대응 관계는 도 10 에 나타내는 바와 같은 대응 테이블로서 구성되며, 이 대응 테이블이 기억부(126)에 기억된다. 또한 도 10에 있어서의 부호 Rt, Gt, Bt는 대응 테이블에 기록되는 광의 파장 영역(R, G, B) 각각의 휘도(0≤Rt, Gt, Bt≤100)이다. 또 부호 Vtnx, Vtny는 각각 대응 테이블에 기록되는 정규화된 법선 벡터(Vtn)의 X성분, Y성분이다. 또한 본 실시형태에서는 기억부(126)에 추가로 대응 테이블로부터 구해지는 보완 함수(fx, fy)도 기억된다.
형상복원부(128)는 각 화소에서 구해진 법선 벡터(Vn)로부터 피측정물(W)의 각 점의 기울기 정보를 구하여 피측정물(W)의 형상을 복원한다. 구체적으로는, 법선 벡터(Vn)를 각 화소의 기울기 정보로 변환하여, 그 기울기 정보를 화소 간격으로 서로 연결시킴으로써 피측정물(W)의 형상을 복원한다. 기울기 정보 및 형상 정보는 표시 장치(DD)에 출력됨과 아울러, 기억부(126)에 기억된다.
이어서 도 7과 도 8(A), (B)을 사용하여, 화상 측정 장치(100)에 있어서의 피측정물(W)의 형상 복원의 순서를 이하에 설명한다.
우선, 전단 공정(前段工程)(도 7, 스텝 S2)을 행한다.
여기서, 전단 공정에 대해서 도 8(A), (B)을 사용하여 상세하게 설명한다.
전단 공정은 피측정물(W)의 형상 재현을 위한 광의 파장 영역(R, G, B)과 법선 벡터(Vn)의 대응 관계를 미리 구하는 공정이다. 전단 공정은 도 8(A)에 나타내는 바와 같이 전단 조명 공정과, 전단 촬상 공정과, 전단 대응 관계 생성 공정을 포함한다. 또한 본 실시형태의 전단 공정에서는, 기준구(특정의 지그)가 피측정물(W) 대신에 사용된다. 기준구는 크기(반경(r))가 측정되고, 그 정밀도가 구하는 법선 벡터의 불균일에 영향을 끼치지 않는 값이 매겨진 구를 말하는 것으로 한다. 또한 기준구의 재질이나 표면 처리는 측정 대상이 되는 피측정물(W)과 동일한 것이 바람직하다.
우선, 전단 조명 공정(도 8(A), 스텝 S21)을 행한다. 전단 조명 공정은 조명 장치(110)에 의해, 서로 다른 광의 파장 영역(R, G, B)을 가지는 복수의 입체각 영역(IS1, IS2, IS3)을 갖추는 특정의 조사 입체각(IS)을 가지는 조명광을 기준구에 조사한다. 또한 본 실시형태에서는 조명 장치(110)를 사용함으로써 조사 입체각(IS)이 기준구의 각 점에 대하여 동일하게 되어 있다.
이어서 전단 촬상 공정(도 8(A), 스텝 S22)을 행한다. 전단 촬상 공정은 조명광에 의해 생기는 기준구로부터의 물체광을 소정의 관찰 입체각(DS)으로 수광하여 화상을 촬상한다.
이어서 전단 대응 관계 생성 공정(도 8(A), 스텝 S23)을 행한다. 전단 대응 관계 생성 공정은 연산부(124)로 광의 파장 영역(R, G, B)과 법선 벡터(Vn)의 대응 관계를 구하는 공정이다. 전단 대응 관계 생성 공정은 범위 설정 공정과, 대응 테이블 생성 공정과, 보완 함수 산출 공정을 포함한다.
구체적인 순서를 도 8(B), 도 9, 도 10을 사용하여 이하에 설명한다.
우선, 범위 설정 공정(도 8(B), 스텝 S231)을 행한다. 범위 설정 공정은 도 9에 나타내는 바와 같이 촬상된 기준구의 화상(JG_IMG)으로부터 법선 벡터(Vn)의 방향을 구할 수 있는 범위를 계산한다. 예를 들면 노이즈 레벨을 넘는 휘도가 높은 화소 영역을 추출하거나, 또는 조명 장치(110)의 ON/OFF에서의 차분 처리로 화소 영역을 기준구의 화상(JG_IMG)으로부터 추출함으로써, 기준구로부터의 물체광이 반사되어오는 범위(L)를 구한다. 그리고, 기준구(반경(r))에 있어서의 최대 표면 경사 각도를 부호 θ로 하면, 이하와 같이 구할 수 있다.
Figure pct00002
이어서 대응 테이블 생성 공정(도 8(B), 스텝 S232)을 행한다. 대응 테이블 생성 공정은 기준구의 화상(JG_IMG) 내의 물체광의 계측 가능 범위의 각 화소에 대하여, 광의 파장 영역(R, G, B)과 법선 벡터(Vn)의 대응 테이블을 작성한다. 기준구의 화상(JG_IMG) 상의 구 투영상 중심을 Cx, Cy, 물체광의 계측 가능 범위의 화소 좌표를 X, Y라고 한다. 그리고, 기준구의 화상(JG_IMG)의 X, Y방향의 화소 사이즈에 대응하는 길이를 Px, Py라고 하면, 법선 벡터(V(Vx, Vy, Vz))는 이하와 같이 구해진다.
Figure pct00003
이들을 규격화함으로써 법선 벡터(Vn)가 이하와 같이 구해진다.
Figure pct00004
따라서, 기준구의 화상(JG_IMG)의 화상 좌표(X, Y)의 광의 파장 영역(R, G, B)의 휘도(Rc, Gc, Bc)에 대하여 법선 벡터(Vn)의 X성분(Vnx)과 Y성분(Vny)을 구함으로써, 도 10에 나타내는 대응 테이블을 생성할 수 있다(대응 테이블로 할 때는 부호 Rc, Gc, Bc, Vnx, Vny를 각각 부호 Rt, Gt, Bt, Vtnx, Vtny로 변경한다).
이어서 보완 함수 산출 공정(도 8(B), 스텝 S233)을 행한다. 보완 함수 산출 공정은 대응 테이블로부터 보완 함수(fx, fy)를 구한다. 구체적으로는, 우선, 대응 테이블 내의 광의 파장 영역(R, G, B)의 휘도(Rt, Gt, Bt)를 규격화하여, 이하에 나타내는 바와 같이 변수를 2개(예를 들면 휘도율(Rn, Gn)만)로 한다.
Figure pct00005
Figure pct00006
그리고, 법선 벡터(Vn)의 Z성분(Vnz)은 정 뿐이라고 가정한다. 이 조건에서, 대응 테이블 내의 법선 벡터(Vn)의 X성분(Vtnx)(Y성분(Vtny))이 구해지도록, 휘도율(Rn, Gn)을 변수로 하는 보완 함수(fx(fy))를 구한다. 보완 함수(fx, fy)는 예를 들면 자유 곡면을 피팅하는 스플라인 보완을 사용함으로써 구할 수 있다. 또한 보완 함수(fx, fy)를 구하는 것에 N개(N≥4)의 대응 관계를 사용한다. 구해진 보완 함수(fx, fy)는 기억부(126)에 기억한다.
이것으로, 전단 대응 관계 생성 공정이 종료되고, 전단 공정도 종료가 된다.
이어서 도 7로 되돌아가, 조명 공정(도 7, 스텝 S4)을 행한다. 조명 공정에서는 서로 다른 광의 파장 영역(R, G, B)을 가지는 복수의 입체각 영역을 갖추는 특정의 조사 입체각(IS)을 가지는 조명광을 피측정물(W)에 조사한다. 또한 본 실시형태에서는 조명 장치(110)를 사용함으로써 조사 입체각(IS)이 피측정물(W)의 각 점에 대하여 동일하게 되어 있다.
이어서 촬상 공정(도 7, 스텝 S6)을 행한다. 촬상 공정에서는 조명광에 의해 생기는 피측정물(W)로부터의 물체광을 소정의 관찰 입체각(DS)으로 수광하여 화상을 촬상한다.
이어서 연산 공정(도 7, 스텝 S8)을 행한다. 연산 공정에서는 화상의 각 화소에 있어서 식별된 광의 파장 영역(R, G, B)에 기초하여, 물체광을 구성하는 복수의 입체각 영역(RS1(IS1), RS2(IS2), RS3(IS3))과 소정의 관찰 입체각(DS)의 포함 관계로부터 각 화소에 대응하는 피측정물(W)의 각 점의 법선 벡터(Vn)를 구한다.
구체적으로는, 기억부(126)로부터 대응 테이블을 호출하고, 식별된 광의 파장 영역(R, G, B)의 휘도(Rc, Gc, Bc)가 대응 테이블의 광의 파장 영역(R, G, B)의 휘도(Rt, Gt, Bt)에 일치하고 있는 경우에는, 그대로 대응하는 법선 벡터(Vn)가 구하는 법선 벡터가 된다. 일치하고 있지 않은 경우에는, 식별된 광의 파장 영역(R, G, B)의 휘도(Rc, Gc, Bc)를 정규화하여, 휘도율(Rn, Bn)을 구한다. 그리고, 기억부(126)로부터 보완 함수(fx, fy)를 읽어내어, 대응하는 법선 벡터(Vn)를 산출한다.
또한 대응 테이블을 사용하지 않고, 즉시 식별된 광의 파장 영역(R, G, B)의 휘도(Rc, Gc, Bc)를 정규화하여 휘도율(Rn, Bn)을 구한다. 그리고, 기억부(126)로부터 보완 함수(fx, fy)를 읽어내어, 대응하는 법선 벡터(Vn)를 산출해도 된다.
또는 일치하고 있지 않은 경우에도, 보완 함수(fx, fy)를 사용하지 않고, 대응 테이블의 복수의 대응 관계를 사용하여, 대응하는 법선 벡터(Vn)를 근사적으로 산출해도 된다. 이하에 그 설명을 한다.
예를 들면, 우선, 식별된 광의 파장 영역(R, G, B)의 휘도(Rc, Gc, Bc)에 가까운 값이라고 판단할 수 있는 대응 테이블 내의 M개(M세트)에 대한 휘도(Rt, Gt, Bt)와 휘도(Rc, Gc, Bc)의 휘도차 제곱합(SUM)을 구한다(M≥N≥4, 또한 M은 대응 테이블 내의 전부여도 된다).
Figure pct00007
이어서 휘도차 제곱합(SUM)이 가장 가깝게 되는 순서로, N개(N세트)의 휘도(Rt, Gt, Bt)를 선택한다. 그리고, 대응 테이블에 의해 이들에 대응하는 N개의 법선 벡터(Vn)를 구한다.
그리고, 구한 N개의 법선 벡터(Vn)를 평균함으로써, 식별된 광의 파장 영역(R, G, B)의 휘도(Rc, Gc, Bc)에 대하여 법선 벡터를 구하도록 해도 된다.
그리고, 형상 복원 공정(도 7, 스텝 S10)을 행한다. 형상 복원 공정은 법선 벡터(Vn)로부터 피측정물(W)의 각 점의 기울기 정보를 구하여 화소 사이즈를 고려하여 피측정물(W)의 형상을 복원한다.
이와 같이 하여, 본 실시형태에서는 서로 다른 광의 파장 영역(R, G, B)을 가지는 복수(3개)의 입체각 영역(IS1, IS2, IS3)을 갖추는 특정의 조사 입체각(IS)을 가지는 조명광을 피측정물(W)에 조사한다. 그리고, 화상의 각 화소에 있어서 식별된 광의 파장 영역(R, G, B)에 기초하여, 물체광을 구성하는 복수의 입체각 영역(RS1, RS2, RS3)과 소정의 관찰 입체각(DS)의 포함 관계로부터 각 화소에 대응하는 피측정물(W)의 각 점의 법선 벡터(Vn)를 구한다. 이 때문에, 각 화소에 있어서 상응하는 휘도로 각 파장 영역(R, G, B)을 검출하는 것이 가능하며, 안정적으로 정밀도가 높은 법선 벡터(Vn)를 구할 수 있다. 동시에, 법선 벡터(Vn)로부터 피측정물(W)의 형상을 복원하는 점에서, 신속하고 또한 고정밀도로 형상을 복원하는 것이 가능하다.
또 본 실시형태에서는 필터부(114)가 조사광축(L1) 상의 렌즈부(116)의 초점 거리(f)의 근방에 배치되고, 조사 입체각(IS)이 피측정물(W)의 각 점에 대하여 동일하게 되어 있다. 이 때문에, 피측정물(W)의 각 점 전부로부터 균질한 정보를 촬상되는 화상에 받아들일 수 있다. 즉, 피측정물(W)의 표면의 정보를 장소에 상관없이 동일하게 정량화하여 형상 복원하여 평가하는 것이 가능하다. 또한 이것에 한정되지 않고, 필터부가 조사광축(L1) 상의 렌즈부의 초점 거리(f)의 근방에 배치되어 있지 않아도 된다. 피측정물(W)에 따라서는 조사광축(L1)의 극근방에 있는 피측정물(W)의 각 점만의 고정밀한 정보가 얻어지면 되는 경우도 있기 때문이다.
또 본 실시형태에서는 필터부(114)가 복수의 입체각 영역(IS1, IS2, IS3)이 조명광의 조사광축(L1) 둘레에 마련되도록 조사광축(L1) 둘레에 서로 다른 필터 영역(CF1, CF2, CF3)을 갖춘다. 이 때문에, 조사광축(L1)을 회전축으로 하여 동일 경사각이 되는 복수의 법선 벡터(Vn)가 존재할 때는, 그들을 구별한 상태에서 구할 수 있다. 즉, 법선 벡터(Vn)로부터 피측정물의 표면의 기울기(의 조사광축(L1)을 회전축으로 하는 경사각의 방향)를 충실하게 재현할 수 있다.
또한 구체적으로, 본 실시형태에서는 도 3(A)에 나타내는 필터부(114)를 사용했지만, 이것에 한정되지 않고, 도 3(B)과 같아도 된다. 이 경우에는, 필터부(114)가 조사광축(L1) 근방만을 균일한 필터 영역(CF4)으로 하고, 그 밖에는 도 3(A)과 동일한 필터 영역(CF1, CF2, CF3)을 갖춘다. 이 때문에, 이 필터부(114)를 사용함으로써, 법선 벡터(Vn)의 약간의 기울기를 검출하여 법선 벡터(Vn)를 구한다고 하는 공수를 삭감할 수 있고, 필요한 기울기만을 검출할 수 있다.
또는, 도 3(D)과 같아도 된다. 이 경우에는 필터부(114)가 도 3(A)과 동일한 구성을 동심원 형상으로 2개 갖춘다. 즉, 이 필터부(114)는 조사광축(L1) 둘레에 서로 다른 필터 영역(CF21, CF22, CF23)을 갖추고, 또한 그 외측에 서로 다른 필터 영역(CF11, CF12, CF13)을 갖춘다. 이 때문에, 이 필터부(114)를 사용함으로써, 법선 벡터(Vn)의 경사를 도 3(A)의 필터부(114)보다 세세하게 검출할 수 있다.
물론, 도 3(C)과 같아도 된다. 이 경우에는, 도 3(A)과는 상이하게, 필터부(114)가 조사광축(L1)에 대하여 동심원 형상으로 서로 다른 필터 영역(CF1, CF2, CF3, CF4)을 갖춘다. 즉, 이 필터부(114)는 조사광축(L1)에 대하여 동일 경사각이 되는 복수의 법선 벡터가 존재할 때는, 그들을 구별하지 않는 상태에서 경사 각도의 급준함을 세세하게 구하게 된다. 이 때문에, 조사광축(L1) 둘레의 회전 방향의 정보는 없지만, 피측정물(W)의 양불량을 판별할 때는, 형상 복원시의 처리 시간과 공수를 단축할 수 있고, 그 판별을 용이하게 하는 것이 가능하게 된다.
또한 도 3(F)~도 3(H)은 각각 도 3(B)~도 3(D)의 필터부(114)에 대응하는 조사 입체각(IS) 및 입체각 영역(IS1, IS2, IS3, IS4, IS11, IS12, IS13, IS21, IS22, IS23)을 나타내고 있다.
또 본 실시형태에서는 필터부(114)는 광 속성으로서 광의 파장 영역(R, G, B)을 서로 다르게 하고 있다. 이 때문에, 법선 벡터(Vn)가 기울어 있지 않은 상태(피측정물(W)에 기울기가 없는 상태)에서는 백색광이 되어, 시각적으로 기울기가 없는 상태인 것을 직감적으로도 인식이 용이하다. 또 기울기가 없는 상태에서는 백색광인 점에서, 정면으로 마주 대한 피측정물(W) 자체의 색조도 용이하게 판별할 수 있다. 동시에, 촬상 장치(CM)에는 통상적인 컬러 CDD 카메라나 컬러 CMOS 카메라를 그대로 사용할 수 있다. 이 때문에, 광 속성의 식별은 저비용 또한 용이하게 실현할 수 있다. 또한 이것에 한정되지 않고, 광의 파장 영역은 R, G, B의 3개가 아니라, 2개 이상이면 된다. 또 그 색도 적색 파장 영역, 녹색 파장 영역, 청색 파장 영역이 아니라, 다른 색의 파장 영역을 조합하여 사용해도 된다.
또한 광 속성으로서는 광의 파장 영역(R, G, B) 이외에, 편광 상태, 휘도 등을 포함하는 것으로 한다. 즉, 예를 들면 광 속성으로서는 편향 상태로 할 수도 있다. 그 때는 예를 들면 광의 편향 상태를 변화시키는 편광판 등을 필터부에서 사용한다. 그리고, 촬상 장치(CM)에는 대응하는 편향판을 사용하도록 하여, 광 속성을 식별하도록 해도 된다.
또 본 실시형태에서는 조명 공정의 전단에 전단 공정을 가지고, 전단 공정에서는, 특정의 지그로서 기준구가 피측정물(W) 대신에 사용되며, 전단 조명 공정과 전단 촬상 공정이 행해지고, 또한 광의 파장 영역(R, G, B)과 법선 벡터(Vn)의 대응 관계를 구하는 전단 대응 관계 생성 공정을 행한다. 즉, 광의 파장 영역(R, G, B)과 법선 벡터(Vn)의 대응 관계가 미리 구해지므로, 피측정물(W)을 촬상하고, 형상을 측정·복원하는 것을 신속하고 또한 안정적으로 행할 수 있다. 동시에, 광의 파장 영역(R, G, B)과 법선 벡터(Vn)의 대응 관계를 구할 때, 피측정물(W)을 특정의 지그로 바꾸는 것 이외에는 화상 측정 장치(100)에 있어서 피측정물(W)의 측정시의 배치나 구성을 그대로 사용할 수 있다. 이 때문에, 전단 공정으로부터 형상 복원 공정까지를 효율적으로 신속하게 행할 수 있다. 또한 특정의 지그가 기준구이므로, 전단 촬상 공정을 1회로 마칠 수 있고, 또한 광의 파장 영역(R, G, B)과 법선 벡터(Vn)의 대응 관계를 용이하고 또한 신속하게 구할 수 있다.
또한 이것에 한정되지 않고, 전단 공정이 없어도 된다. 그 경우에는, 연산 공정에 있어서, 광의 파장 영역(R, G, B)과 법선 벡터(Vn)의 대응 관계를 구하여 법선 벡터를 구하도록 해도 된다. 또는 광의 파장 영역(R, G, B)이 식별되면, 어느 하나의 가장 우위한 광의 파장 영역에서 직접적으로 법선 벡터를 조작자가 도시하지 않는 입력 장치를 사용하여 지정해버려도 되고, 예를 들면 광선추적법 등의 시뮬레이션을 사용하여 법선 벡터를 구하도록 해도 된다. 또는 전단 공정을 다른 구성이나 다른 수법으로 행해도 된다. 예를 들면 화상 측정 장치(100)와는 다른 장치를 사용해도 되고, 화상 측정 장치(100)에 있어서 다른 조명 장치나 촬상 장치(CM)를 사용해도 된다.
또는 특정의 지그로서, 기준구가 아니라 기준 평면을 사용해도 된다(또한 기준 평면이란 표면의 굴곡이나 거칠기가 측정하고자 하는 법선 벡터의 기울기에 대해 무시할 수 있는 상태의 평면을 말하는 것으로 한다. 또 피측정물(W)은 정말로 이것으로부터 측정을 행하는 것이어도 되고, 동일 형상이며 다른 것이어도 되며, 완전히 다른 형상의 것이어도 된다.).
예를 들면 기준 평면을 특정의 지그로서 사용하면, 이하와 같은 공정을 행한다.
우선, 조명 장치(110)로 기준 평면을 조사하여 기준 평면을 촬상한다. 이 때, 기준 평면을 관찰광축(L2)에 대하여 경사시키는 각도를 상이하게 하여, 복수회(N≥4) 촬상한다. 그리고, 경사시킨 각도에 대응하는 법선 벡터(Vn)를 각각 구한다. 그리고, 각각의 법선 벡터(Vn)에 대응하는 광의 파장 영역(R, G, B)의 휘도(Rc, Gc, Bc)를 구한다. 이 때의 휘도(Rc, Gc, Bc)는 촬상된 화상 내의 기준 평면의 부분만의 평균을 취함으로써 구한다. 이것에 의해 도 10에 나타내는 바와 같은 광의 파장 영역(R, G, B)과 법선 벡터의 대응 관계를 나타내는 대응 테이블을 구한다. 또한 여기서 설명한 순서는 도 8(A), (B) 중 스텝 S233을 제외한 공정을 나타내고 있다.
물론, 피측정물(W) 자신을 그대로 사용해도 된다. 그 경우에는 이하와 같은 공정을 행한다.
우선, 조명 장치(110)로 피측정물(W)을 조사하여 가기준 평면을 결정한다. 예를 들면 이 가기준 평면은 화상 내의 피측정물(W)의 부분에 있어서의 광의 파장 영역(R, G, B)의 휘도(Rc, Gc, Bc)의 변화량을 계산하여, 그 변화량이 가장 적은 영역을 구함으로써 결정할 수 있다. 이 가기준 평면을 결정하면, 다음은 상기 서술한 기준 평면을 사용한 경우와 동일한 공정이 된다. 이 때문에, 이후의 설명은 생략한다.
또 본 실시형태에서는 처리 장치(120)가 광의 파장 영역(R, G, B)과 법선 벡터(Vn)의 대응 관계를 기억하는 기억부(126)를 갖추고, 연산부(124)가 그 대응 관계에 기초하여 법선 벡터(Vn)를 구한다. 이 때문에, 그 대응 관계가 복잡해도, 연산부(124)에 그 대응 관계를 적절하게 읽어내어 사용할 수 있다. 또 대응 관계가 대응 테이블로서 구성되어 있다. 이 때문에, 연산부(124)에서의 연산량은 적어, 신속하게 법선 벡터(Vn)를 구할 수 있다. 동시에, 대응 관계는 보완 함수(fx, fy)로서도 구성되어 있다. 이 때문에, 보완 함수(fx, fy)를 사용함으로써, 대응 테이블에는 대응이 없는 광의 파장 영역(R, G, B)의 휘도(Rc, Gc, Bc)에 대해서도 신속하게 법선 벡터(Vn)를 구할 수 있다.
또한 이것에 한정되지 않고, 기억부가 없어도 된다. 그 경우에는, 외부로부터 직접적으로 상기 서술한 대응 관계가 연산부에 읽어들여지도록 해도 된다. 또는 법선 벡터(Vn)를 구할 때마다, 대응 관계를 구하도록 하는 구성이어도 된다. 또는 대응 테이블을 구성하지 않고, 보완 함수(fx, fy)만이 구성되어 있어도 된다. 또는 대응 테이블을 구성하고, 보완 함수(fx, fy)를 구성하지 않아도 된다. 또는 대응 테이블도 보완 테이블도 구성하지 않아도 된다. 그 경우에는, 얻어진 광의 파장 영역(R, G, B)의 휘도(Rc, Gc, Bc)에 대하여 조작자가 직접적으로 법선 벡터를 결정해도 된다.
또 본 실시형태에서는 법선 벡터(Vn)는 정규화되어 있다. 이 때문에, 광의 파장 영역(R, G, B)과 법선 벡터(Vn)의 대응 관계를 규정하는 대응 테이블 및 보완 함수(fx, fy)를 구할 때의 파라미터를 적게 할 수 있다. 이 때문에, 대응 테이블에 필요한 기억 용량을 저감할 수 있고, 또한 보완 함수(fx, fy)의 산출을 위한 연산량을 저감할 수 있다. 또한 이것에 한정되지 않고, 정규화하지 않는 법선 벡터(V)가 사용되어도 된다.
즉, 본 실시형태에서는 피측정물(W)을 촬상한 화상 내의 피측정물(W)의 각 점의 정보를 신속하게 복원하는 것이 가능하다.
또한 제1 실시형태에서는 조명 장치(110)는 광원부(112)와, 필터부(114)와, 렌즈부(116)와, 하프미러(118)를 갖추고 있었지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면 도 11에 나타내는 제2 실시형태와 같아도 된다. 제2 실시형태에서는 제1 실시형태와는 상이하게, 광원부(212)와 필터부(214) 사이에 제2 필터부(213)를 추가로 갖추고 있다. 이 때문에, 제2 필터부(213) 이외의 요소에 대해서는 부호의 첫째 자리수를 변경하고, 설명을 생략한다.
본 실시형태에서는 제2 필터부(213)가 조사광축(L1) 상으로서, 광원부(212)와 필터부(214) 사이에 배치되어 있다. 제2 필터부(213)는 필터부(214)와 마찬가지로 조명광을 차광하는 조리개와 광 속성을 변화시키는 필터 영역을 갖출 수 있다. 제2 필터부(213)는 피측정물(W)의 표면에 그 상이 결상되도록 하는 초점 위치의 근방에 배치된다. 이 때문에, 제2 필터부(213)에 의해, 미광의 방지가 가능함과 아울러, 조명광의 추가적인 균질화 및 복잡한 광 속성의 변경 등을 행할 수 있다.
또한 상기 실시형태에서는 화상 측정 장치는 피측정물(W)의 반사광을 물체광으로서 수광하여, 피측정물(W)의 측정을 행하고 있었지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면 도 12에 나타내는 제3 실시형태와 같아도 된다. 제3 실시형태에서는 상기 실시형태와는 상이하게, 피측정물(W)을 투과한 광을 물체광으로서 수광하여, 피측정물(W)의 측정을 행한다. 이 때문에, 본 실시형태에서는 피측정물(W)이 조명광을 반사하기 어렵고, 투과하기 쉬운 재질이어도, 피측정물(W)의 형상을 측정·복원하는 것이 가능하다.
또한 상기 실시형태에서는 조사광축(L1)과 관찰광축(L2)이 동축이었지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면 도 13, 도 14에 나타내는 제4 실시형태와 같아도 된다. 제4 실시형태에서는 상기 실시형태와는 상이하게, 조사광축(L1)과 관찰광축(L2)이 피측정물(W)의 표면에서 교차하는 구성으로 되어 있다. 조사광축(L1)과 관찰광축(L2)이 피측정물(W)의 표면에서 각도(ω)로 교차하는 구성으로 한 결과, 변경·추가된 요소 이외의 요소에 대해서는 부호의 첫째 자리수를 변경하고, 설명을 생략한다.
본 실시형태에서는 피측정물(W)을 관찰광축(L2) 둘레로 회전시킬 수 있는 회전대(RT)를 갖춘다. 그리고, 처리 장치(420)는 화상유지부(422)와, 연산부(424)와, 제어부(425)와, 기억부(426)와, 형상복원부(428)를 갖춘다. 본 실시형태에서는 처리 장치(420)에 있어서 제어부(425)만이 상기 실시형태와는 상이하므로, 제어부(425)만을 설명한다. 제어부(425)는 회전대(RT)의 회전 구동을 제어하는 신호를 회전대(RT)에 출력한다. 또한 회전각의 지시는 도시하지 않는 입력 장치 또는 기억부(426)에 기억된 프로그램에 의해 행해진다. 또 제어부(425)는 회전대(RT)의 회전각 신호를 연산부(424)에 출력한다. 연산부(424)는 회전대(RT)의 회전각 신호와 그 때 얻어진 화상을 서로 연결시켜, 복수의 입체각 영역(IS1, IS2, IS3)과 소정의 관찰 입체각(DS)의 포함 관계로부터 각 화소에 대응하는 피측정물의 각 점의 법선 벡터를 구한다.
이어서 도 14를 사용하여, 화상 측정 장치(400)에 있어서의 피측정물(W)의 형상 복원의 순서를 이하에 설명한다. 또한 전단 공정, 조명 공정, 촬상 공정, 연산 공정 및 형상 복원 공정의 상세는 제1 실시형태와 마찬가지이므로 설명은 생략한다.
우선, 전단 공정(도 14, 스텝 S2)을 행한다. 그리고, 조명 공정(도 14, 스텝 S4)을 행한다. 그리고, 촬상 공정(도 14, 스텝 S6)을 행한다.
이어서 회전 공정(도 14, 스텝 S7)을 행한다. 본 실시형태에서는 조명 장치(410)에 의한 복수의 입체각 영역(IS1, IS2, IS3)이 관찰 입체각(DS)의 관찰광축(L2)에 대하여 회전 대칭으로 되어 있지는 않다. 이 때문에, 회전 공정은 촬상 공정마다 피측정물(W)을 관찰광축(L2) 둘레에 소정의 각도(θ1)로 회전시킨다. 또한 이 소정의 각도(θ1)는 조명 장치(410)의 조사 입체각(IS)을 피측정물(W)의 표면에 투사했을 때 차지하는 평면 각도 이하로 한다. 이 회전 공정은 상기 조명 공정과 촬상 공정(조명 조건이 회전 공정을 거쳐도 변화하지 않으면 촬상 공정만으로 좋다)을 소정의 횟수(NN) 행한 후에 상기 연산 공정을 행한다. 또한 소정의 횟수(NN)는 이하의 식을 만족시킨다.
Figure pct00008
이어서 연산 공정(도 14, 스텝 S8)을 행한다. 연산 공정에서는, 조사광축(L1)과 관찰광축(L2)과 교차하는 각도(ω)와 소정의 각도(θ1)를 고려하여 법선 벡터(Vn)를 구한다. 그리고, 형상 복원 공정(도 14, 스텝 S10)을 행한다.
이것에 의해 본 실시형태에서는 피측정물(W)의 표면에 큰 경사가 존재해도, 그 기울기를 측정 방향에 의존하지 않고 등방적으로 계측·재현할 수 있다.
또한 이 회전대(RT)는 조사광축(L1)과 관찰광축(L2)이 일치하는 동축낙사 조명광이어도 유효하다. 예를 들면 필터부의 필터 영역이 조사광축(L1) 둘레에 회전 대칭이 아닌 경우에는, 법선 벡터(Vn)의 측정 정밀도에 방향 의존성이 생길 우려가 있다. 이 때문에, 이와 같은 회전대(RT)를 제1 실시형태와 같은 화상 측정 장치에 사용함으로써, 법선 벡터(Vn)의 측정 정밀도의 방향 의존성을 개선하는 것이 가능하다.
또한 상기 실시형태의 화상 측정 장치에서는, 피측정물(W)의 화상을 처리하여, 상기 피측정물의 형상을 측정하고 복원할 때까지를 나타내고 있었지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않는다. 예를 들면 도 15에 나타내는 제5 실시형태와 같아도 된다. 제5 실시형태에서는 상기 실시형태와는 상이하게, 연산부(524)가, 추가로, 미리 격납하고 있는 피측정물(W)의 각 점의 법선 벡터(Vnb)와, 새롭게 촬상된 피측정물(W)로부터 구해진 각 점의 법선 벡터(Vn)를 비교하여, 서로 다른 부분을 추출하는 정합 판정부(524A)를 갖춘다. 이 때문에, 정합 판정부(524A)의 기능에 관계되는 연산부(524)와, 기억부(526)와, 형상복원부(528) 이외의 요소에 대해서는 부호의 첫째 자리수를 변경하고, 설명을 생략한다.
연산부(524)에서는, 우선, 피측정물(W)에 대해서 모든 법선 벡터를 구하고, 각각을 2차원(XY 평면)으로 각 화소에 서로 연결한다(이것을 법선 벡터군이라고 한다). 이어서 이 법선 벡터군을 예를 들면 1deg씩 360회 회전시켜, 기억부(526)에 격납한다. 즉, 기억부(526)에는 360개의 법선 벡터군이 기억되어 있다(법선 벡터(Vn)는 미리 규격화되어 있다). 이것이 미리 격납하고 있는 피측정물(W)의 각 점의 법선 벡터(Vn)가 된다.
이에 대해, 새롭게 피측정물(W)의 촬상을 했을 때는, 연산부(524)는 그 피측정물(W)의 각 점의 법선 벡터(Vn)를 구한다. 그리고, 연산부(524)는 각각을 2차원(XY 평면)으로 각 화소에 서로 연결시켜 법선 벡터군을 구성한다. 그리고, 연산부(524)는 이 법선 벡터군과, 앞서 기억부(526)에 기억된 360개의 법선 벡터군과 각각 차분 제곱합(패턴 매칭)을 취하고, 가장 그 값이 작아지는(가장 패턴이 매칭되는 경우의) 1개의 법선 벡터군을 정합 판정부(524A)에 읽어들인다. 그리고, 정합 판정부(524A)에서는 기억부(526)로부터 읽어낸 가장 패턴이 매칭되는 법선 벡터군과 새롭게 구해진 법선 벡터군을 비교한다. 그리고, 정합 판정부(524A)에서는 법선 벡터(Vn)가 서로 다른 부분을 구하고, 그 상이한 부분의 법선 벡터의 차분을 계산한다. 그 차분이 어느 역치 이상인 경우에는, 정합 판정부(524A)는 그 위치가 결함이라고 하는 정보를 부가한다(이것을 결함 정보라고 부른다). 그리고, 정합 판정부(524A)는 결함 정보와 새롭게 구해진 법선 벡터군을 형상복원부(528)에 출력한다.
형상복원부(528)는 정합 판정부(524A)로부터의 출력에 기초하여 결함 정보가 붙은 상태에서 피측정물(W)의 형상을 복원한다. 또는 결함 정보가 있는 부분과 그 결함 정보를 복원한다.
이와 같이, 본 실시형태에서는 정합 판정부(524A)를 갖춤으로써, 피측정물(W)끼리에서 상위한 부분을 판별할 수 있고, 용이하게 결함의 검출을 행할 수 있다.
(산업상 이용 가능성)
본 발명은 피측정물에 조명광을 조사하고, 촬상된 화상을 처리하여, 상기 피측정물의 형상을 복원하는 형상 복원 방법과 그것을 이용하는 화상 측정 장치에 널리 적용할 수 있다.
100, 400, 500…화상 측정 장치
110, 210, 310, 410, 510…조명 장치
112, 212, 312…광원부
114, 214, 314…필터부
116, 216, 316…렌즈부
118, 218…하프미러
120, 420, 520…처리 장치
122, 422, 522…화상유지부
124, 424, 524…연산부
126, 426, 526…기억부
128, 428, 528…형상복원부
213…제2 필터부
425…제어부
524A…정합 판정부
B, G, R…파장 영역
Bc, Bt, Gc, Gt, Rc, Rt…휘도
Bn, Gn, Rn…휘도율
CF1, CF2, CF3, CF4, CF11, CF12, CF13, CF21, CF22, CF23…필터 영역
CM…촬상 장치
Cx, Cy…구 투영상 중심
DD…표시 장치
DS…관찰 입체각
DS1, DS2, DS3, IS1, IS2, IS3, IS4, IS5, IS11, IS12, IS13, IS21, IS22, IS23, RS1, RS2, RS3…입체각 영역
f…초점 거리
fx, fy…보완 함수
IMC…화상 캡쳐
IMP…화상 처리 장치
IS, IS'…조사 입체각
JG…기준구
JG_IMG…기준구의 화상
L…범위
L1…조사광축
L2…관찰광축
L3…반사광축
LS…종래 조명
M, NN, N…횟수
P, P'…위치
r, R0…반경
RS…반사 입체각
RT…회전대
V, Vn, Vnb, Vtn…법선 벡터
Vnx, Vtnx, Vx…X성분
Vny, Vtny, Vy…Y성분
Vnz, Vtnz, Vz…Z성분
W…피측정물
θ, θ1, φ, ω…각도

Claims (18)

  1. 피측정물에 조명광을 조사하고, 촬상된 화상을 처리하여, 상기 피측정물의 형상을 복원하는 형상 복원 방법으로서,
    서로 다른 광 속성을 가지는 복수의 입체각 영역을 갖추는 특정의 조사 입체각을 가지는 상기 조명광을 상기 피측정물에 조사하는 조명 공정과,
    상기 조명광에 의해 생기는 상기 피측정물로부터의 물체광을 소정의 관찰 입체각으로 수광하여 상기 화상을 촬상하는 촬상 공정과,
    이 화상의 각 화소에 있어서 식별된 이 광 속성에 기초하여, 상기 물체광을 구성하는 상기 복수의 입체각 영역과 상기 소정의 관찰 입체각의 포함 관계로부터 상기 각 화소에 대응하는 상기 피측정물의 각 점의 법선 벡터를 구하는 연산 공정과,
    이 법선 벡터로부터 상기 피측정물의 각 점의 기울기 정보를 구하여 상기 피측정물의 형상을 복원하는 형상 복원 공정
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 형상 복원 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 조사 입체각은 상기 피측정물의 각 점에 대하여 동일하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 형상 복원 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 입체각 영역은 상기 조명광의 상기 조사 입체각의 조사광축 둘레에 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 형상 복원 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 속성은 광의 파장 영역으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 형상 복원 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조명 공정의 전단에 전단 공정을 가지고,
    이 전단 공정에서는 상기 피측정물 자신 또는 특정의 지그가 상기 피측정물 대신에 사용되며, 상기 조명 공정과 상기 촬상 공정이 행해지고, 또한 상기 광 속성과 상기 법선 벡터의 대응 관계를 구하는 대응 관계 생성 공정을 행하는 것을 특징으로 하는 형상 복원 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 특정의 지그는 기준구 또는 기준 평면으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 형상 복원 방법.
  7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
    상기 대응 관계는 대응 테이블로서 구성되는 것을 특징으로 하는 형상 복원 방법.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 대응 관계는 보완 함수로서 구성되는 것을 특징으로 하는 형상 복원 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 법선 벡터는 정규화되어 있는 것을 특징으로 하는 형상 복원 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복수의 입체각 영역이 상기 관찰 입체각의 관찰광축에 대하여 회전 대칭이 아닌 경우에는, 상기 촬상 공정 후에 상기 피측정물을 상기 관찰광축 둘레에 소정의 각도로 회전시키는 회전 공정을 행하고, 상기 조명 공정과 상기 촬상 공정을 소정의 횟수 행한 후에 상기 연산 공정을 행하는 것을 특징으로 하는 형상 복원 방법.
  11. 피측정물에 조명광을 조사하는 조명 장치와, 상기 피측정물을 촬상하여 화상을 출력하는 촬상 장치와, 이 화상을 처리하는 처리 장치를 갖추고, 상기 피측정물의 형상을 측정하는 화상 측정 장치로서,
    상기 조명 장치는, 상기 조명광을 출사하는 광원부와, 상기 조명광을 특정의 조사 입체각으로 상기 피측정물에 조사하는 렌즈부와, 상기 광원부와 상기 렌즈부 사이에서, 상기 특정의 조사 입체각 내를 서로 다른 광 속성을 가지는 복수의 입체각 영역으로 분리하는 필터부를 가지고,
    상기 촬상 장치는 상기 조명광에 의해 생기는 상기 피측정물로부터의 물체광을 소정의 관찰 입체각으로 수광하고, 상기 촬상 장치의 각 화소는 상기 상이한 광 속성을 서로 식별 가능하게 되어 있으며,
    상기 처리 장치는, 상기 물체광을 구성하는 상기 복수의 입체각 영역과 상기 소정의 관찰 입체각의 포함 관계로부터 상기 각 화소에 대응하는 상기 피측정물의 각 점의 법선 벡터를 구하는 연산부와, 이 법선 벡터로부터 상기 피측정물의 각 점의 기울기 정보를 구하여 상기 피측정물의 형상을 복원하는 형상 복원부를 갖추는
    것을 특징으로 하는 화상 측정 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 필터부는 상기 조명광의 조사광축 상의 상기 렌즈부의 초점 거리의 근방에 배치되는 것을 특징으로 하는 화상 측정 장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    상기 필터부는, 상기 복수의 입체각 영역이 상기 조명광의 조사광축 둘레에 마련되도록, 이 조사광축 둘레에 서로 다른 필터 영역을 갖추는 것을 특징으로 하는 화상 측정 장치.
  14. 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 필터부는 상기 광 속성으로서 광의 파장 영역을 서로 다르게 하는 것을 특징으로 하는 화상 측정 장치.
  15. 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리 장치는 상기 광 속성과 상기 법선 벡터의 대응 관계를 기억하는 기억부를 갖추고, 상기 연산부가 이 대응 관계에 기초하여 이 법선 벡터를 구하는 것을 특징으로 하는 화상 측정 장치.
  16. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 처리 장치는 상기 법선 벡터를 정규화하고 있는 것을 특징으로 하는 화상 측정 장치.
  17. 제11항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 피측정물을 관찰광축 둘레로 회전시킬 수 있는 회전대를 갖추는 것을 특징으로 하는 화상 측정 장치.
  18. 제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연산부는, 추가로, 미리 격납하고 있는 상기 피측정물의 각 점의 상기 법선 벡터와, 새롭게 촬상된 상기 피측정물로부터 구해진 각 점의 상기 법선 벡터를 비교하여, 서로 다른 부분을 추출하는 정합 판정부를 갖추는 것을 특징으로 하는 화상 측정 장치.
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