WO2021250956A1 - 検査システムおよび検査方法 - Google Patents

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WO2021250956A1
WO2021250956A1 PCT/JP2021/008906 JP2021008906W WO2021250956A1 WO 2021250956 A1 WO2021250956 A1 WO 2021250956A1 JP 2021008906 W JP2021008906 W JP 2021008906W WO 2021250956 A1 WO2021250956 A1 WO 2021250956A1
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light emitting
pixel
light
captured images
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泰之 池田
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オムロン株式会社
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
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    • G—PHYSICS
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    • G06T2207/10141—Special mode during image acquisition
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    • G—PHYSICS
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    • G06T2207/20—Special algorithmic details
    • G06T2207/20048—Transform domain processing
    • G06T2207/20056—Discrete and fast Fourier transform, [DFT, FFT]

Definitions

  • This disclosure relates to inspection systems and inspection methods.
  • Parallel light coaxial lighting is known as a lighting method.
  • the parallel light coaxial illumination when there are defects such as fine scratches and gentle irregularities on the surface of the object, the light and shade distribution of the brightness according to the defects appears in the image. Therefore, the presence or absence of defects can be inspected by checking the shading distribution.
  • Patent Document 1 discloses a reflection type phase shift method.
  • the object is irradiated while shifting the slit light by one cycle. Stripes are seen in the image obtained by imaging, and the change in brightness differs depending on the presence or absence of defects. Therefore, the defect can be detected by confirming the change in brightness. For example, for each position on the surface of the photographed object, the maximum and minimum values of the brightness of the image for one cycle are obtained, and the maximum value is collected at each position on the surface of the object to be inspected. Defects on the surface of the inspected object are detected based on the difference image between the image and the minimum image obtained by collecting the minimum values.
  • Patent Document 2 provides inspection lighting provided with filter means for forming a plurality of solid angle regions having different light attributes as the irradiation solid angle of light applied to each point of an object.
  • the device is disclosed.
  • this inspection lighting device the shape, size and inclination of the irradiation solid angle of light and the solid angle region having a specific light attribute within the irradiation solid angle can be set substantially uniformly over the entire field of view. .. As a result, even minute defects can be detected under substantially the same detection conditions.
  • the present disclosure has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide an inspection system and an inspection method which can reduce the trouble of adjustment for inspection and have high defect detection accuracy.
  • an inspection system for inspecting the surface of an object captures an object, a light emitting device for illuminating the object, a collimator lens arranged between the light emitting device and the object, and an object. It is equipped with an image pickup device and an image pickup device. The light emitting device has a variable light emitting position.
  • the inspection system further analyzes a plurality of captured images obtained from multiple imaging in a state where the light emitting positions are different from each other, so that the value of each pixel is in the normal direction of the surface of the object reflected in the pixel. It is provided with an image analysis unit that generates a corresponding first analysis image.
  • the value of the pixel in which the unevenness in which the normal direction of the surface changes and the defect such as a scratch is reflected is different from the value of the other pixels. Therefore, by checking the first analysis image, the defect can be detected with high accuracy.
  • the relative positional relationship between the object and the image pickup device may be set so that the brightness peaks at any of a plurality of light emitting positions. Therefore, unlike Patent Document 1, it does not take time and effort to adjust the installation of the object. Further, since the filter means as described in Patent Document 2 is not provided, it is not necessary to take time and effort to adjust the filter means.
  • the value of each pixel of the first analysis image indicates the phase of the waveform indicating the relationship between the brightness of the pixel and the emission position in the plurality of captured images.
  • the phase of the waveform showing the relationship between the brightness of a pixel and the light emitting position depends on the normal direction of the surface of the object reflected in the pixel. Therefore, according to the above disclosure, the first analysis image can accurately represent the distribution in the normal direction of the surface of the object.
  • the value of each pixel of the first analysis image indicates the emission position where the luminance peaks in the waveform showing the relationship between the luminance and the emission position of the pixel in a plurality of captured images.
  • the first analysis image can accurately represent the distribution in the normal direction of the surface of the object.
  • the image analysis unit further generates a second analysis image by analyzing a plurality of captured images.
  • the value of each pixel of the second analysis image is the amplitude of the waveform showing the relationship between the brightness of the pixel and the light emitting position in the plurality of captured images.
  • the light emitting device includes a plurality of light sources, and the light source to be emitted is sequentially switched among the plurality of light sources.
  • the plurality of light sources are arranged on a plane perpendicular to the optical axis of the collimator lens or on a spherical surface having a center on the optical axis. According to the above disclosure, the light emitting device can easily change the light emitting position.
  • the image analysis unit further generates a composite image obtained by synthesizing a plurality of captured images.
  • the distance between the light emitting position and the collimator lens is equal to or greater than the focal length of the collimator lens.
  • the irradiation conditions on the surface of the object can be made uniform.
  • the distance between the light emitting position and the collimator lens is larger than the focal length of the collimator lens, the degree of freedom in the installation location of the image pickup device is increased.
  • the inspection system further comprises a half mirror placed between the collimator lens and the object.
  • the light emitted from the light emitting device and transmitted through the collimator lens is reflected by the half mirror to illuminate the object.
  • the reflected light from the object passes through the half mirror and enters the image pickup apparatus.
  • the image pickup device can easily take an image of an object irradiated with light from the light emitting device.
  • an inspection system for inspecting the surface of an object captures an object, a light emitting device for illuminating the object, a collimator lens arranged between the light emitting device and the object, and an object. It is equipped with an image pickup device and an image pickup device.
  • the light emitting device has a variable light emitting position.
  • the inspection system further includes an image analysis unit that generates an analysis image by analyzing a plurality of captured images obtained from a plurality of imaging in a state where the light emitting positions are different from each other.
  • the value of each pixel of the analyzed image is a feature amount of a waveform showing the relationship between the brightness of the pixel and the light emitting position in a plurality of captured images.
  • the value of each pixel of the analysis image is a feature amount of a waveform showing the relationship between the brightness of the pixel and the emission position in a plurality of captured images.
  • the waveform showing the relationship between the brightness of the pixel and the light emitting position changes depending on the normal direction of the surface of the object reflected in the pixel and the degree of specular reflection of light on the surface. Therefore, by confirming the analysis image in which the feature amount of the waveform is the value of the pixel, the distribution in the normal direction of the surface of the object or the distribution of the degree of specular reflection of light on the surface of the object can be grasped. As a result, defects such as irregularities and scratches that affect the normal direction of the surface, and defects such as stains and scratches that affect the degree of specular reflection of light can be detected with high accuracy.
  • the relative positional relationship between the object and the image pickup device may be set so that the brightness peaks at any of a plurality of light emitting positions. Therefore, unlike Patent Document 1, it does not take time and effort to adjust the installation of the object. Further, since the filter means as described in Patent Document 2 is not provided, it is not necessary to take time and effort to adjust the filter means.
  • the inspection method for inspecting the surface of an object includes a step of imaging the object while irradiating the object with light emitted from a light emitting device and transmitted through a collimator lens.
  • the step of taking an image includes a step of switching the light emitting position in the light emitting device and a step of acquiring a plurality of captured images from a plurality of times of taking pictures in a state where the light emitting positions are different from each other.
  • the inspection method further includes a step of analyzing a plurality of captured images to generate an analysis image in which the value of each pixel corresponds to the normal direction of the surface of the object reflected in the pixel.
  • This disclosure also reduces the time and effort required for adjustment for inspection and improves the accuracy of defect detection.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram which shows the whole structure of the inspection system 1 which concerns on this embodiment. It is a schematic diagram which shows the structure of the inspection system 1A which concerns on Specific Example 1.
  • FIG. It is a schematic diagram which shows the structure of the inspection system which concerns on Specific Example 2.
  • FIG. 5 is a diagram showing a normal image 20Y generated from seven captured images surrounded by a solid line shown in FIG. It is a figure which shows the difference image 28 generated by using the reflection type phase shift method described in Patent Document 1.
  • FIG. FIG. 5 is a diagram showing a direct reflection image 22Y generated from seven captured images surrounded by a solid line shown in FIG. It is a figure which shows the composite image 24 which combined a plurality of captured images. It is a figure which shows 25 images obtained from 25 times of imaging in the state which light emission positions are different from each other, and the normal images 20X, 20Y, the direct reflection image 22Y, and the composite image 24 generated from these images. be. It is a figure which shows an example of the flow of the analysis image generation processing.
  • FIG. 10A It is a figure which shows an example of the method of changing a light emitting position in a light emitting device 10A. It is a figure which shows another example of the method of changing a light emitting position in a light emitting device 10A. It is a figure which shows the stereoscopic irradiation angle at each point of the inspection target area. It is a figure which shows the luminous flux 90 of the specularly reflected light of the end point P of the inspection target area 3. It is a figure which shows the luminous flux 92 of the specularly reflected light of the end point Q of the inspection target area 3. It is a figure which shows the arrangement area of the image pickup apparatus 16. It is a figure which shows the structure of the inspection system 1C which concerns on modification 1.
  • FIG. 1C It is a figure which shows an example of the method of changing a light emitting position in a light emitting device 10A. It is a figure which shows another example of the method of changing a light emitting position in a light emitting device 10
  • FIG. It is a figure which shows the example of four lighting states of a light emitting device 10C. It is a figure which shows the structure of the inspection system 1D which concerns on modification 2.
  • FIG. It is a figure which shows the optical path when the distance L between a light emitting device 10A and a collimator lens 12 is set longer than the focal length f of a collimator lens 12.
  • FIG. 1 is a schematic view showing the overall configuration of the inspection system 1 according to the present embodiment.
  • the inspection system 1 inspects the inspection target area 3 on the surface of the object 2.
  • the object 2 includes an object having a glossy surface such as metal or glass.
  • the inspection system 1 is incorporated in, for example, a production line and inspects the presence or absence of defects in the inspection target area 3. Defects include scratches, irregularities, dirt, and dust adhesion.
  • the inspection system 1 includes a light emitting device 10, a collimator lens 12, an image pickup device 16, and an image analysis unit 18 as main components. Further, the inspection system 1 exemplified in FIG. 1 includes a half mirror 14.
  • the light emitting device 10 is a device for illuminating the object 2.
  • the light emitting device 10 has a variable light emitting position.
  • the light emitting device 10 can emit light from a plurality of light emitting positions (including light emitting positions PA, PB, and PC) on a virtual plane 82 perpendicular to the optical axis 80 of the collimator lens 12.
  • the light emitting position PB is located on the optical axis 80 of the collimator lens 12.
  • the collimator lens 12 is arranged between the light emitting device 10 and the object 2 on the optical path.
  • the collimator lens 12 is arranged at a position separated from the virtual plane 82 by a focal length f. Therefore, the light emitted from any one light emitting position (for example, the light emitting positions PA, PB, PC) arranged on the virtual plane 82 passes through the collimator lens 12 and becomes parallel light.
  • the half mirror 14 is arranged between the collimator lens 12 and the object 2 on the optical path. As shown in FIG. 1, the inspection target region 3 of the object 2 is substantially parallel to the optical axis 80 of the collimator lens 12. Therefore, the half mirror 14 is arranged so that the angle formed by the optical axis 80 of the collimator lens 12 and the reflecting surface is 45 degrees in order to direct the light emitted from the light emitting device 10 toward the object 2. As a result, the light emitted from the light emitting device 10 and transmitted through the collimator lens 12 is reflected by the half mirror 14 to illuminate the object 2.
  • the reflected light from the object 2 passes through the half mirror 14 and is incident on the image pickup apparatus 16.
  • the image pickup apparatus 16 outputs the image data obtained by the image pickup (hereinafter, referred to as “captured image”) to the image analysis unit 18.
  • the image analysis unit 18 analyzes a plurality of captured images obtained from a plurality of imagings in a state where the light emitting positions are different from each other.
  • the light emitted from one light emitting position in the light emitting device 10 passes through the collimator lens 12 and then is reflected by the half mirror 14 to illuminate the inspection target area 3 of the object 2. Since the collimator lens 12 is arranged between the light emitting position and the object 2, the irradiation conditions (light amount, irradiation angle, irradiation solid angle, etc.) of each point in the inspection target area 3 of the object 2 become uniform.
  • the irradiation angle of light to each point in the inspection target area 3 changes.
  • the light LA emitted from the light emitting position PA is reflected by the half mirror 14 after passing through the collimator lens 12 and illuminates the object 2 from the left side of the paper surface.
  • the light LB emitted from the light emitting position PB is reflected by the half mirror 14 after passing through the collimator lens 12 and illuminates the object 2 along the vertical direction.
  • the light LC emitted from the light emitting position PC is reflected by the half mirror 14 after passing through the collimator lens 12 and illuminates the object 2 from the right side of the paper surface.
  • the object 2 is an object having a glossy surface such as metal or glass
  • most of the light irradiated to the inspection target area 3 is specularly reflected.
  • the amount of light (specular reflection component) that is specularly reflected at each point of the inspection target region 3 and is incident on the image pickup apparatus 16 depends on the irradiation conditions at that point and the normal direction of that point. Therefore, when the irradiation angle of light to each point of the inspection target region 3 changes, the specular reflection component incident on the image pickup apparatus 16 also changes. However, as described above, the irradiation conditions at each point of the inspection target area 3 are uniform.
  • the image analysis unit 18 has each pixel for a plurality of captured images obtained from a plurality of imaging in a state where the emission positions are different from each other. Analyze the change in brightness of.
  • the change in the brightness of each pixel is uniform for a plurality of captured images.
  • the normal direction of the defect is different from the normal direction of the portion other than the defect. Therefore, for a plurality of captured images, the change in the brightness of the pixel in which the defect appears is different from the change in the brightness of the pixel in which the portion other than the defect appears.
  • the image analysis unit 18 analyzes a plurality of captured images so that the value of each pixel corresponds to the normal direction of the surface of the object 2 reflected in the pixel (hereinafter, "normal image 20"). ) Is generated.
  • the normal image 20 shown in FIG. 1 the value of the pixel in which the defect F having a gentle dent is formed is different from the value of the other pixel (that is, the pixel in which the flat portion without defects is captured).
  • defects such as irregularities and scratches that change in the normal direction can be detected with high accuracy.
  • the relative positional relationship between the object 2 and the image pickup device 16 may be set so that the brightness peaks at any of a plurality of light emitting positions. Therefore, it is not necessary to take time and effort to adjust the installation of the object 2 as in the case of using the parallel light coaxial illumination.
  • the inspection system 1 forms a plurality of solid angle regions having different optical attributes as the irradiation solid angle of the light irradiated to each point of the object as described in Patent Document 2. Does not have a filtering means to do. Therefore, it is not necessary to take time and effort to adjust the filter means.
  • the inspection system 1 according to the present embodiment, it is possible to reduce the labor of adjustment for inspection and improve the accuracy of defect detection.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the inspection system 1A according to the first embodiment.
  • the inspection system 1A includes a light emitting device 10A, a collimator lens 12, a half mirror 14, an image pickup device 16, and an image analysis unit 18.
  • the light emitting device 10A includes a plurality of light sources 101.
  • the light source 101 may be a point light source or a surface light source.
  • the plurality of light sources 101 are arranged on a virtual plane 82 perpendicular to the optical axis 80 of the collimator lens 12.
  • the distance L between the virtual plane 82 and the collimator lens 12 coincides with the focal length f of the collimator lens 12.
  • 49 light sources 101 are arranged in a matrix of 7 rows in the X direction and 7 columns in the Y direction.
  • the X direction is the direction perpendicular to the optical axis 80 of the collimator lens 12 (vertical direction in FIG. 2)
  • the Y direction is the direction perpendicular to the X direction and perpendicular to the optical axis 80 of the collimator lens 12.
  • the light emitting device 10A changes the light emitting position by sequentially switching the light source 101 to emit light from the plurality of light sources 101.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the inspection system according to the second embodiment.
  • the inspection system 1B includes a light emitting device 10B, a collimator lens 12, a half mirror 14, an image pickup device 16, and an image analysis unit 18.
  • the light emitting device 10B includes one light source 102 and an XY stage 103 that moves the light source 102 in the X and Y directions on a virtual plane 82 perpendicular to the optical axis 80 of the collimator lens 12.
  • the light source 102 may be a point light source or a surface light source.
  • the light emitting device 10B changes the light emitting position by moving the XY stage 103.
  • the image analysis unit 18 typically has a structure that follows a general-purpose computer architecture, and realizes various processes by executing a pre-installed program by the processor.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the hardware configuration of the image analysis unit.
  • the image analysis unit 18 includes a processor 180 such as a CPU (Central Processing Unit) and an MPU (Micro-Processing Unit), a RAM (Random Access Memory) 181 and a display controller 182, and a system controller. It includes an I / O (Input Output) controller 184, a hard disk 185, a camera interface 186, an input interface 187, a communication interface 189, and a memory card interface 190. Each of these parts is connected to each other so as to be capable of data communication, centering on the system controller 183.
  • the processor 180 realizes the desired arithmetic processing by exchanging programs (codes) and the like with the system controller 183 and executing them in a predetermined order.
  • the system controller 183 is connected to the processor 180, RAM181, display controller 182, and I / O controller 184 via a bus, and exchanges data with each unit and processes the entire image analysis unit 18. To control.
  • the RAM 181 is typically a volatile storage device such as a DRAM (Dynamic Random Access Memory), and is a program read from the hard disk 185, an captured image received from the imaging device 16, and a processing result for the captured image. And holds work data and so on.
  • DRAM Dynamic Random Access Memory
  • the display controller 182 is connected to the display device 5, and outputs signals for displaying various information to the display device 5 according to an internal command from the system controller 183.
  • the display device 5 includes a liquid crystal display, an organic EL (Electro Luminescence) display, an organic EL, and the like.
  • the I / O controller 184 controls data exchange with a recording medium or an external device connected to the image analysis unit 18. More specifically, the I / O controller 184 is connected to the hard disk 185, the camera interface 186, the input interface 187, the communication interface 189, and the memory card interface 190.
  • the hard disk 185 is typically a non-volatile magnetic storage device, and stores an analysis program 191 and the like executed by the processor 180.
  • the analysis program 191 installed on the hard disk 185 is distributed in a state of being stored in a memory card 6 or the like. Further, the captured image is stored in the hard disk 185.
  • a semiconductor storage device such as a flash memory or an optical storage device such as a DVD-RAM (Digital Versatile Disk Random Access Memory) may be adopted.
  • the camera interface 186 corresponds to an input unit that receives an image captured by imaging an object 2, and mediates data transmission between the processor 180 and the image pickup device 16. More specifically, an image pickup instruction is output from the processor 180 to the image pickup apparatus 16 via the camera interface 186. As a result, the image pickup apparatus 16 takes an image of the subject and outputs the generated captured image to the processor 180 via the camera interface 186.
  • the input interface 187 mediates data transmission between the processor 180 and an input device 7 such as a keyboard, mouse, touch panel, and dedicated console. That is, the input interface 187 receives an operation command given by the user operating the input device 7.
  • the communication interface 189 mediates data transmission between the processor 180 and another personal computer, server device, or the like (not shown).
  • the communication interface 189 typically comprises Ethernet (registered trademark), USB (Universal Serial Bus), or the like.
  • Ethernet registered trademark
  • USB Universal Serial Bus
  • the memory card interface 190 mediates data transmission between the processor 180 and the memory card 6 which is a recording medium. That is, the memory card 6 is distributed in a state where the analysis program 191 and the like executed by the image analysis unit 18 are stored, and the memory card interface 190 reads the analysis program 191 from the memory card 6. Further, the memory card interface 190 writes the captured image acquired by the image pickup apparatus 16 and / or the processing result in the image analysis unit 18 to the memory card 6 in response to the internal command of the processor 180.
  • the memory card 6 is a general-purpose semiconductor storage device such as SD (Secure Digital), a magnetic recording medium such as a flexible disk (Flexible Disk), or an optical recording medium such as a CD-ROM (Compact Disk Read Only Memory). Etc.
  • an OS for providing the basic functions of the computer in addition to the application for providing the functions according to the present embodiment. may be installed.
  • the program according to the present embodiment may call the necessary modules in a predetermined order and / or timing among the program modules provided as a part of the OS to execute the process. good. That is, the program itself according to the present embodiment does not include the module as described above, and the process may be executed in cooperation with the OS.
  • the analysis program 191 according to the present embodiment may be provided by being incorporated into a part of another program. Even in that case, the program itself does not include the modules included in the other programs to be combined as described above, and the processing is executed in cooperation with the other programs. That is, the analysis program 191 according to the present embodiment may be a form incorporated in such another program.
  • a part or all of the functions provided by executing the analysis program 191 may be implemented as a dedicated hardware circuit.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of a plurality of captured images obtained from a plurality of imagings in a state where the light emitting positions are different from each other.
  • the pitch of the light emitting position in the X direction is 1 mm
  • the pitch of the light emitting position in the Y direction is 1 mm.
  • the brightness of each pixel of the captured image changes by changing the light emitting position.
  • the image analysis unit 18 generates an analysis image by analyzing the change in the brightness of each pixel. Therefore, the image analysis unit 18 selects seven captured images for one row or one column with a large change in brightness from the 49 captured images, and analyzes the selected seven captured images. May be good.
  • the change in the luminance of each pixel is larger when the light emitting position is changed in the Y direction than when the light emitting position is changed in the X direction. Therefore, the image analysis unit 18 selects seven captured images (images surrounded by a solid line in FIG. 5) whose emission positions are changed in the Y direction from the 49 captured images.
  • the selection of the image to be analyzed from the plurality of captured images may be executed according to the input of the user. Alternatively, one row or one column of captured images having the largest change in brightness may be automatically selected from the plurality of captured images.
  • the brightness of each pixel of the captured image is a value corresponding to the normal direction of the surface of the object 2 reflected in the pixel.
  • the brightness increases in the order of pixel 51, pixel 52, and pixel 50.
  • the pixel 51 is a pixel in which a defect F, which is a gentle dent, appears.
  • the pixel 50 is a pixel in which a portion around the defect F is captured.
  • the pixel 52 is a pixel in which a flat portion is captured.
  • FIG. 7 is a diagram showing changes in the luminance of pixels 50 to 52 in the seven selected captured images.
  • the horizontal axis indicates the light emitting position n when the captured image is captured.
  • the changes in luminance in the pixels 50 and 52 in which the defect F does not appear are similar to each other.
  • the change in the luminance in the pixel 51 in which the defect F is reflected is different from the change in the luminance in the pixels 50 and 52 in which the defect F is not reflected.
  • the phase of the waveform showing the relationship between the luminance and the light emitting position in the pixel 51 is different from the phase of the waveform showing the relationship between the luminance and the light emitting position in the pixels 50 and 52.
  • the light emitting position where the brightness is maximum in the pixel 51 is different from the light emitting position where the brightness is maximum in the pixels 50 and 52. This is because the normal direction of the surface is different between the defect F, which is a gentle dent, and the portion other than the defect F.
  • the phase of the waveform showing the relationship between the brightness of each pixel and the light emitting position n depends on the normal direction of the surface of the object 2 reflected in the pixel.
  • the image analysis unit 18 utilizes this point to analyze seven selected captured images, so that the value of each pixel corresponds to the normal direction of the surface of the object 2 reflected in the pixel.
  • Generate image 20Y is generated.
  • the image analysis unit 18 performs a discrete Fourier transform on the waveform showing the relationship between the brightness of each pixel and the emission position n, and obtains the phase of the component of frequency 1. Specifically, the image analysis unit 18 performs sine wave fitting using the following equation (1) on the waveform showing the relationship between the brightness of the pixel and the emission position n for each pixel, and obtains the phase ⁇ . calculate.
  • the image analysis unit 18 generates a normal image 20Y in which the phase ⁇ is the pixel value.
  • the phase ⁇ corresponds to the normal direction of the surface of the object 2 reflected in the pixel.
  • FIG. 8 is a diagram showing a normal image 20Y generated from seven captured images surrounded by a solid line shown in FIG.
  • FIG. 9 is a diagram showing a difference image 28 generated by using the reflection type phase shift method described in Patent Document 1.
  • the difference image 28 is the difference between the maximum value image in which the maximum value of each pixel is collected and the minimum value image in which the minimum value of each pixel is collected when the object 2 is irradiated with the slit light shifted by one cycle. Is shown.
  • a defect F which is a gentle dent, appears in the area surrounded by the frame line 60.
  • the image analysis unit 18 uses the value of each pixel of the normal image 20Y to determine the relationship between the brightness of the pixel and the light emitting position n in a plurality of captured images instead of the phase ⁇ calculated by the equation (1).
  • a value indicating the emission position n at which the luminance peaks may be used.
  • the value of each pixel of the normal image 20Y corresponds to the normal direction of the surface of the object 2 reflected in the pixel.
  • the image analysis unit 18 may generate another analysis image in addition to the normal image 20Y or in place of the normal image 20Y. For example, the image analysis unit 18 calculates the amplitude of the waveform showing the relationship between the brightness of each pixel and the emission position n, and uses the amplitude as the value of each pixel (hereinafter referred to as “direct reflection image”). May be generated.
  • the more specularly reflected components of the light radiated to the surface of the object 2 (in other words, the less diffusely reflected components), the larger the amplitude of the waveform.
  • the specularly reflected light In order for the specularly reflected light to be incident on the image pickup device 16, it is necessary that the light emission position in the light emitting device 10, the normal direction of the surface, and the optical axis 84 of the image pickup device 16 satisfy predetermined conditions. Therefore, in the pixel on the surface where a large amount of specularly reflected components of the irradiated light are reflected, the change in brightness becomes large when the light emitting position is changed. As a result, the amplitude increases.
  • the direct reflection image in which the amplitude is the value of each pixel shows the distribution of the degree of specular reflection of light on the surface of the object 2 reflected in the image.
  • the image analysis unit 18 calculates the amplitude A of the waveform indicating the relationship between the brightness of each pixel and the emission position n according to the following equation (2).
  • the image analysis unit 18 generates a direct reflection image in which the calculated amplitude A is used as the pixel value.
  • FIG. 10 is a diagram showing a direct reflection image 22Y generated from seven captured images surrounded by a solid line shown in FIG.
  • the direct reflection image 22Y shown in FIG. 10 no change in the pixel value due to the defect F, which is a gentle dent, is observed as compared with the normal image 20Y shown in FIG. This is because there is no difference between the degree of specular reflection of light in the defect F and the degree of specular reflection of light in the portion other than the defect F.
  • the text formed by the marking pen can be confirmed in the area surrounded by the frame line 62 of the direct reflection image 22Y shown in FIG.
  • the degree of specular reflection of light decreases at the portion where the ink of the marking pen adheres. Therefore, in the direct reflection image 22Y, the value of the pixel in which the portion is reflected becomes small.
  • the portion to which the ink of the marking pen is attached is not confirmed. This is because the ink is thinly adhered to the surface of the object 2, so that the normal direction of the surface of the object 2 is not affected.
  • the image analysis unit 18 generates a normal image 20Y and a direct reflection image 22Y from seven captured images whose emission positions are changed in the Y direction.
  • the image analysis unit 18 may generate a normal image and a direct reflection image from seven captured images whose emission positions are changed in the X direction.
  • the image analysis unit 18 may generate a composite image obtained by synthesizing a plurality of captured images obtained from a plurality of imaging in a state where the light emitting positions are different from each other. Specifically, the image analysis unit 18 calculates the value B represented by the following equation (3) for each pixel. The image analysis unit 18 generates a composite image in which the calculated value B is used as the pixel value.
  • FIG. 11 is a diagram showing a composite image 24 in which a plurality of captured images are combined.
  • FIG. 11 shows a composite image 24 obtained by synthesizing the 49 captured images shown in FIG.
  • the composite image 24 matches the image captured when the light is emitted at all the emission positions at the same time.
  • defects such as low-contrast unevenness due to diffuse reflection can be detected with high accuracy without being affected by the unevenness of the surface of the object 2.
  • the composite image 24 may be acquired by simultaneously turning on all the light sources 101 and taking an image.
  • the analysis images (normal image, direct reflection image, composite image) generated by analyzing a plurality of captured images obtained from a plurality of imaging in a state where the light emitting positions are different from each other are defective. Effective for detection.
  • the analysis image used for the inspection is appropriately selected from the normal image, the direct reflection image, and the composite image according to the type of the defect to be detected.
  • the direct reflection image is effective not only for stains of substances that reduce the degree of specular reflection of light, but also for detecting fine scratches on the surface of an object 2 made of glass, for example.
  • FIG. 12 shows 25 captured images obtained from 25 imagings in different light emitting positions, normal images 20X and 20Y, direct reflection images 22Y, and a composite image 24 generated from these captured images. It is a figure which shows.
  • the composite image 24 is generated from 25 captured images.
  • the direct reflection image 22Y is effective for detecting fine scratches on the surface of the object 2 made of glass.
  • the image analysis unit 18 may generate another analysis image by performing image processing on the normal image and the direct reflection image.
  • FIG. 13 is a diagram showing an example of the flow of the analysis image generation process.
  • the image analysis unit 18 acquires a plurality of captured images obtained by taking images a plurality of times while changing the light emitting position in the X direction and the Y direction (step S1).
  • the image analysis unit 18 generates a normal image 20X and a direct reflection image 22X by analyzing a plurality of captured images when the light emitting position is changed in the X direction (step S2). Further, the image analysis unit 18 generates a normal image 20Y and a direct reflection image 22Y by analyzing a plurality of captured images when the light emitting position is changed in the Y direction (step S3). The image analysis unit 18 generates a composite image 24 by synthesizing a plurality of captured images when the emission positions are changed in the X direction and the Y direction (step S4).
  • the image analysis unit 18 generates a differential image 21X by applying a differential filter in the X direction to the normal image 20X (step S5). Further, the image analysis unit 18 generates a differential image 21Y by applying a differential filter in the Y direction to the normal image 20Y (step S6).
  • the image analysis unit 18 generates an image 23X by multiplying the differential image 21X and the direct reflection image 22X (step S7). Further, the image analysis unit 18 generates an image 23Y by multiplying the differential image 21Y and the direct reflection image 22Y (step S7).
  • the image analysis unit 18 generates the uneven image 25 by adding the image 23X and the image 23Y (step S9). After that, the image analysis unit 18 performs binarization processing on the uneven image 25 to generate a binary image 26 (step S10).
  • the detection target is from the normal image 20X, 20Y, the differential image 21X, 21Y, the direct reflection image 22X, 22Y, the image 23X, 23Y, the composite image 24, the uneven image 25, and the binary image 26.
  • the analysis image to be used for inspection is selected according to the type of defect.
  • the normal direction differs between the defect and the part other than the defect. Therefore, by using the normal images 20X and 20Y, defects can be detected with high accuracy.
  • the normal direction changes sharply at the boundary between the defect and the portion other than the defect. Therefore, by using the differential images 21X and 21Y, defects can be detected with high accuracy.
  • the change in brightness in the captured image when the light emitting position is changed in the X direction and the change in brightness in the captured image when the light emitting position is changed in the Y direction can be significantly different. ..
  • the change in brightness in the captured image when the light emitting position is changed in the X direction and the brightness in the captured image when the light emitting position is changed in the Y direction It is very different from the change of.
  • the influence of the hairline is excluded by adding the images 23X and 23Y generated by multiplying the differential images 21X and 21Y and the direct reflection images 22X and 22Y, respectively.
  • the light emitting device 10A changes the light emitting position by switching the light source 101 to be turned on among the plurality of light sources 101. For example, the light emitting device 10A turns on only one of the plurality of light sources 101, and sequentially switches the light sources 101 to be turned on. Alternatively, the light emitting device 10A may simultaneously turn on at least two light sources 101 out of the plurality of light sources 101, and sequentially switch the light sources 101 to be turned on at the same time.
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of a method of changing the light emitting position in the light emitting device 10A.
  • the light emitting device 10A simultaneously lights seven light sources 101 for one row arranged along the X direction or one row arranged along the Y direction.
  • FIG. 15 is a diagram showing another example of a method of changing the light emitting position in the light emitting device 10A.
  • the light emitting device 10A simultaneously lights 21 light sources 101 for three rows arranged along the X direction or three columns arranged along the Y direction.
  • Y -3 to -1 mm, -2 to 0 mm, -1 to 1 mm, 0 to 2 mm, 1 to The captured images when the 21 light sources 101 arranged at 3 mm are turned on at the same time are shown.
  • FIG. 15 is a diagram showing another example of a method of changing the light emitting position in the light emitting device 10A.
  • the light emitting device 10A simultaneously lights 21 light sources 101 for three rows arranged along the X direction or three columns arranged along the Y direction.
  • Y -3 to -1 mm, -2 to 0 mm, -1 to 1 mm, 0 to 2 mm, 1 to
  • the brightness of the entire captured image differs depending on the number of light sources 101 to be turned on at the same time, and the number of captured images obtained also differs. Therefore, the number of light sources 101 to be turned on at the same time may be selected according to the surface condition of the object 2 and the type of the defect to be detected.
  • the normal images 20X and 20Y are generated by utilizing the specularly reflected light at each point of the inspection target region 3 of the object 2. Therefore, it is preferable that the image pickup apparatus 16 receives specularly reflected light when each point of the inspection target region 3 is made to emit light at at least one light emitting position among the plurality of light emitting positions.
  • FIG. 16 is a diagram showing a three-dimensional irradiation angle at each point of the inspection target area.
  • FIG. 16 shows the irradiation solid angle ⁇ at the end points P and Q of the inspection target region 3 when all the light sources 101 of the light emitting device 10A are turned on.
  • the irradiation solid angle ⁇ is represented by the following equation (4) using the length D of the light emitting device 10A in the direction perpendicular to the optical axis 80 of the collimator lens 12 and the focal length f.
  • ⁇ atan (D / f) Equation (4) Since the collimator lens 12 is arranged between the light source 102 and the object 2, the irradiation solid angle ⁇ at each point of the inspection target area 3 is the same.
  • FIG. 17 is a diagram showing a luminous flux 90 of specularly reflected light at the end point P of the inspection target region 3.
  • FIG. 18 is a diagram showing a luminous flux 92 of specularly reflected light at the end point Q of the inspection target region 3.
  • 17 and 18 show the luminous flux of the specularly reflected light when all the light sources 101 of the light emitting device 10A are turned on.
  • the luminous fluxes 90 and 92 of the specularly reflected light have the same solid angle as the irradiation solid angle ⁇ .
  • FIG. 19 is a diagram showing an arrangement area of the image pickup apparatus 16.
  • the image pickup device 16 is arranged in a region 94 where the light flux 90 of the specularly reflected light at the end point P and the light flux 92 of the specularly reflected light at the end point Q overlap.
  • the image pickup apparatus 16 can receive specularly reflected light when it emits light at at least one light emitting position among the plurality of light emitting positions at all points on the inspection target area 3.
  • the position of the optical system coincides with the position of the virtual image 96 of the collimator lens 12, and the position of the image pickup element of the image pickup device 16 is the position of the light emitting device 10A.
  • the image pickup device 16 is arranged so as to coincide with the position of the virtual image 802. As a result, the image pickup apparatus 16 can receive specularly reflected light from all points on the inspection target area 3.
  • the size of the optical system of the image pickup device 16 is smaller than that of the collimator lens 12 (for example, when the optical system of the image pickup device 16 is a pinhole lens), the brightness peaks depending on the position of a point in the inspection target area 3.
  • the light emitting position can be changed. Therefore, even if the inspection target area 3 is completely flat, a change (error) can be seen in the value of each pixel in the normal images 20X and 20Y.
  • the degree of this change is smaller than the degree of change due to defects such as unevenness and scratches. Therefore, defects can be detected by confirming the normal images 20X and 20Y or the differential images 21X and 21Y obtained by differentiating the normal images 20X and 20Y, respectively.
  • the above error can be reduced by making the distance L between the light emitting devices 10A and 10B and the collimator lens 12 larger than the focal length f of the collimator lens 12.
  • the area in which the image pickup device 16 can be arranged according to the error range in order to receive the specular reflected light at each point of the inspection target area 3 Is further restricted.
  • the image pickup device 16 When the image pickup device 16 has a telecentric optical system, the image pickup device 16 may be arranged so that the telecentric optical system overlaps with the region 94. Therefore, the degree of freedom in arranging the image pickup apparatus 16 is increased.
  • the inspection system 1 (1A, 1B) inspects the surface of the object 2.
  • the inspection system 1 (1A, 1B) includes a light emitting device 10 (10A, 10B) for illuminating the object 2, and a collimator lens 12 arranged between the light emitting device 10 (10A, 10B) and the object 2. And an image pickup device 16 for capturing an image of the object 2.
  • the light emitting device 10 (10A, 10B) has a variable light emitting position.
  • the inspection system 1 (1A, 1B) further includes an image analysis unit 18 that analyzes a plurality of captured images obtained from a plurality of imaging in a state where the light emitting positions are different from each other.
  • the image analysis unit 18 generates a normal image 20 (20X, 20Y) in which the value of each pixel corresponds to the normal direction of the surface of the object 2 reflected in the pixel.
  • the value of the pixel in which the unevenness in which the normal direction of the surface changes and the defect such as a scratch appears is different from the value of the other pixels. Therefore, by confirming the normal image 20 (20X, 20Y), the defect can be detected with high accuracy.
  • the relative positional relationship between the object 2 and the image pickup device 16 may be set so that the brightness peaks at any of the plurality of light emitting positions. Therefore, it does not take time and effort to adjust the relative position-posture relationship between the object 2 and the image pickup device 16. Further, since the inspection system 1 (1A, 1B) does not have the filter means as described in Patent Document 2, it is not necessary to take time and effort to adjust the filter means.
  • the inspection system 1 (1A, 1B) it is possible to reduce the labor of adjustment for inspection and improve the defect detection accuracy.
  • each pixel of the normal image 20 (20X, 20Y) indicates the phase ⁇ of the waveform showing the relationship between the luminance and the light emitting position of the pixel in a plurality of captured images. As shown in FIG. 7, the phase ⁇ depends on the normal direction of the surface of the object 2 reflected in the pixel. Therefore, the normal image 20 (20X, 20Y) can accurately represent the distribution of the surface of the object 2 in the normal direction.
  • each pixel of the normal image 20 (20X, 20Y) may indicate a light emitting position where the brightness peaks in a waveform showing the relationship between the brightness of the pixel and the light emitting position in a plurality of captured images. As shown in FIG. 7, the emission position where the luminance peaks depends on the normal direction of the surface of the object 2. Therefore, the normal image 20 (20X, 20Y) can accurately represent the distribution of the surface of the object 2 in the normal direction.
  • the image analysis unit 18 may further generate direct reflection images 22X and 22Y by analyzing a plurality of captured images.
  • the value of each pixel of the directly reflected images 22X and 22Y is the amplitude A of the waveform showing the relationship between the luminance and the light emitting position of the pixel in the plurality of captured images.
  • the light emitting device 10A includes a plurality of light sources 101, and sequentially switches the light source to be emitted from the plurality of light sources 101.
  • the plurality of light sources 101 are arranged on a virtual plane 82 perpendicular to the optical axis 80 of the collimator lens 12. As a result, the light emitting device 10A can easily change the light emitting position.
  • the image analysis unit 18 may further generate a composite image 24 in which a plurality of captured images are combined. By confirming the composite image 24, defects such as low-contrast unevenness due to diffuse reflection can be detected with high accuracy without being affected by the unevenness of the surface of the object 2.
  • the image analysis unit 18 may generate at least one of the normal image 20 (20X, 20Y) and the direct reflection image 22X, 22Y. That is, the image analysis unit 18 generates an analysis image by analyzing a plurality of captured images obtained from a plurality of imagings in a state where the light emitting positions are different from each other.
  • the value of each pixel of the analysis image (including at least one of the normal image 20 (20X, 20Y) and the direct reflection image 22X, 22Y) is a waveform showing the relationship between the brightness of the pixel and the emission position in a plurality of captured images.
  • Features including phase and amplitude).
  • a plurality of light sources 101 included in the light emitting device 10A are arranged in a matrix.
  • the arrangement of the plurality of light sources 101 is not limited to a matrix.
  • FIG. 20 is a diagram showing the configuration of the inspection system 1C according to the modified example 1.
  • the inspection system 1C includes a light emitting device 10C, a collimator lens 12, a half mirror 14, an image pickup device 16, and an image analysis unit 18.
  • the light emitting device 10C includes a plurality of light sources 101, similarly to the light emitting device 10A of the first embodiment.
  • the plurality of light sources 101 are arranged on a virtual plane 82 perpendicular to the optical axis 80 of the collimator lens 12.
  • the distance L between the virtual plane 82 and the collimator lens 12 coincides with the focal length f of the collimator lens 12.
  • the plurality of light sources 101 are arranged along the circumferential direction. Specifically, the plurality of light sources 101 include one light source 101a, four light sources 101b, twelve light sources 101c, and 16 light sources 101d.
  • the light source 101a is located on the optical axis 80 of the collimator lens 12.
  • the four light sources 101b are arranged at equal intervals along the circumference of r1 having a radius from the optical axis 80.
  • the 12 light sources 101c are arranged at equal intervals along the circumference of r2 (> r1) having a radius from the optical axis 80.
  • the 16 light sources 101d are arranged at equal intervals along the circumference of r3 (> r2) having a radius from the optical axis 80.
  • FIG. 21 is a diagram showing an example of four lighting states of the light emitting device 10C.
  • the light emitting device 10C has a first lighting state shown in FIG. 21 (a), a second lighting state shown in FIG. 21 (b), a third lighting state shown in FIG. 21 (c), and FIG. 21 (d).
  • the fourth lighting state shown is switched in order.
  • the first lighting state is a state in which the 16 light sources 101d are turned on at the same time.
  • the second lighting state is a state in which the 12 light sources 101c are turned on at the same time.
  • the third lighting state is a state in which the four light sources 101b are turned on at the same time.
  • the fourth lighting state is a state in which the light source 101a is turned on.
  • the lighting state in which the brightness of each pixel is maximized is the normal direction 86 of the surface of the object 2 reflected in the pixel. It depends on the angle ⁇ (see FIG. 20) formed by the device 16 with the optical axis 84. Therefore, the distribution of the angle ⁇ can be grasped by checking the normal image 20 generated from the four captured images.
  • the plurality of light sources 101 are arranged on a virtual plane 82 perpendicular to the optical axis 80 of the collimator lens 12.
  • the light beam is distorted due to the curvature of field of the collimator lens 12, which may affect the analysis of the captured image. Therefore, a plurality of light sources 101 may be arranged on a spherical surface corresponding to the curvature of field of the collimator lens 12.
  • FIG. 22 is a diagram showing the configuration of the inspection system 1D according to the modified example 2.
  • the inspection system 1D includes a light emitting device 10D, a collimator lens 12, a half mirror 14, an image pickup device 16, and an image analysis unit 18.
  • the light emitting device 10D includes a plurality of light sources 101, similarly to the light emitting device 10C of the first modification. However, the plurality of light sources 101 are arranged on a spherical virtual curved surface 88 having a center on the optical axis 80 of the collimator lens 12.
  • the distance L1 between the light source 101 located on the optical axis 80 and the collimator lens 12 is the same as the focal length f of the collimator lens 12.
  • the center and radius of the sphere with the virtual curved surface 88 as the surface are set according to the curvature of field of the collimator lens 12. This makes it possible to suppress the influence of light ray distortion caused by the curvature of field of the collimator lens 12.
  • the distance L between the light emitting devices 10A and 10C and the collimator lens 12 is set to be the same as the focal length f of the collimator lens 12. However, the distance L may be set larger than the focal length f.
  • FIG. 23 is a diagram showing an optical path when the distance L between the light emitting device 10A and the collimator lens 12 is set longer than the focal length f of the collimator lens 12.
  • FIG. 23 also shows a virtual image 96 of the collimator lens 12, a virtual image 802 of the light emitting device 10A, and a virtual image 801 of the image pickup device 16.
  • the collimator lens 12 and the virtual image 96 are symmetrical with respect to the half mirror 14.
  • the light emitting device 10 and the virtual image 802 are symmetrical with respect to the half mirror 14.
  • the image pickup apparatus 16 and the virtual image 801 are symmetrical with respect to the plane (inspection surface) including the inspection target region 3 of the object 2.
  • the distance L between the light emitting device 10A and the collimator lens 12 is adjusted so that the irradiation solid angle ⁇ at each point of the inspection target region 3 and the observation solid angle ⁇ of the image pickup device 16 match. ..
  • the brightness is obtained at all points between the end points P and Q of the inspection target area 3.
  • the emission position where is the peak is kept the same. As a result, the error in the normal images 20X and 20Y can be reduced.
  • this embodiment includes the following disclosures.
  • FIG. 1 An inspection system (1,1A to 1D) that inspects the surface of the object (2).
  • An image pickup device (16) for imaging the object (2) is provided.
  • the light emitting device (10, 10A to 10D) has a variable light emitting position and has a variable light emitting position.
  • the inspection system (1,1A to 1D) further comprises By analyzing a plurality of captured images obtained from a plurality of imaging images in a state where the light emitting positions are different from each other, the value of each pixel corresponds to the normal direction of the surface of the object (2) reflected in the pixel.
  • An inspection system (1,1A to 1D) including an image analysis unit (18) for generating a first analysis image (20, 20X, 20Y).
  • each pixel of the first analysis image (20, 20X, 20Y) is the light emission position at which the brightness peaks in the waveform showing the relationship between the brightness of the pixel and the light emission position in the plurality of captured images.
  • the image analysis unit (18) further generates a second analysis image (22X, 22Y) by analyzing the plurality of captured images.
  • the inspection system according to configuration 1, wherein the value of each pixel of the second analysis image (22X, 22Y) is the amplitude of a waveform indicating the relationship between the brightness of the pixel and the emission position in the plurality of captured images. 1,1A-1D).
  • the light emitting device (10, 10A, 10C, 10D) includes a plurality of light sources (101, 101a to 101d), and the light source to be emitted is sequentially switched among the plurality of light sources (101, 101a to 101d).
  • the plurality of light sources (101, 101a to 101d) are on a plane (82) perpendicular to the optical axis (80) of the collimator lens (12), or a spherical surface having a center on the optical axis (80).
  • the inspection system (1,1A, 1C, 1D) according to any one of configurations 1 to 4 arranged on the above.
  • (Structure 8) Further comprising a half mirror (14) disposed between the collimator lens (12) and the object (2).
  • the light emitted from the light emitting device (10, 10A to 10D) and transmitted through the collimator lens (12) is reflected by the half mirror (14) to illuminate the object (2).
  • the inspection system (1, 1A to 1D) according to any one of configurations 1 to 7, wherein the reflected light from the object (2) passes through the half mirror (14) and is incident on the image pickup apparatus (16). ..
  • FIG. 9 An inspection system (1,1A to 1D) that inspects the surface of the object (2).
  • An image pickup device (16) for imaging the object is provided.
  • the light emitting device (10, 10A to 10D) has a variable light emitting position and has a variable light emitting position.
  • the inspection system (1,1A to 1D) further comprises It is provided with an image analysis unit (18) that generates an analysis image by analyzing a plurality of captured images obtained from a plurality of imagings in a state where the light emitting positions are different from each other.
  • the inspection system (1,1A to 1D), wherein the value of each pixel of the analysis image is a characteristic amount of a waveform showing the relationship between the luminance of the pixel and the light emission position in the plurality of captured images.
  • a step of imaging the object (2) while irradiating the object (2) with the light emitted from the light emitting device (10, 10A to 10D) and transmitted through the collimator lens (12) is provided.
  • the step of imaging is The step of switching the light emitting position in the light emitting device (10, 10A to 10D) and Including a step of acquiring a plurality of captured images from a plurality of imagings in a state where the light emitting positions are different from each other.
  • the above-mentioned inspection method further A step of generating an analysis image (20, 20X, 20Y) corresponding to the normal direction of the surface of the object (2) in which the value of each pixel is reflected in the pixel by analyzing the plurality of captured images is provided. ,Inspection method.
  • 1,1A to 1D inspection system 2 object, 3 inspection target area, 5 display device, 6 memory card, 7 input device, 10, 10A to 10D light emitting device, 12 collimator lens, 14 half mirror, 16 image pickup device, 18 Image analysis unit, 20, 20X, 20Y normal image, 21X, 21Y differential image, 22X, 22Y direct reflection image, 23X, 23Y image, 24 composite image, 25 uneven image, 26 binary image, 28 difference image, 50, 51,52 pixels, 60,62 borders, 80,84 optical axes, 82 virtual planes, 86 normal directions, 88 virtual curved surfaces, 90,92 light beams, 94 regions, 96,801,802 virtual images, 101,101a-101d , 102 light source, 103 XY stage, 180 processor, 181 RAM, 182 display controller, 183 system controller, 184 I / O controller, 185 hard disk, 186 camera interface, 187 input interface, 189 communication interface, 190 memory card interface, 191 analysis.

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Abstract

検査システムは、対象物を照明するための発光装置と、発光装置と対象物との間に配置されるコリメータレンズと、対象物を撮像する撮像装置と、を備える。発光装置は、発光位置を可変である。検査システムは、さらに、互いに発光位置が異なる状態での複数回の撮像からそれぞれ得られる複数の撮像画像を解析することにより、各画素の値が当該画素に写る対象物の表面の法線方向に対応する解析画像を生成する画像解析部を備える。これにより、検査のための調整の手間を低減でき、欠陥の検出精度が高くなる。

Description

検査システムおよび検査方法
　本開示は、検査システムおよび検査方法に関する。
　ＦＡ（Factory　Automation）分野などにおいて、金属などの光沢を持つ表面を有する対象物を照明しながら撮像し、得られた画像を用いて対象物の外観を検査することが知られている。
　照明の方法として平行光同軸照明が知られている。平行光同軸照明を用いることにより、対象物の表面上に細かいキズ、緩やかな凹凸などの欠陥が存在する場合、欠陥に応じた輝度の濃淡分布が画像に現われる。そのため、濃淡分布を確認することにより、欠陥の有無を検査できる。
　実用新案登録第３１９７７６６号公報（特許文献１）には、反射型位相シフト法が開示されている。反射型位相シフト法は、スリット光を１周期分だけシフトさせながら対象物に照射する。撮像により得られる画像には縞が見られ、輝度変化が欠陥の有無に応じて異なる。そのため、輝度変化を確認することにより、欠陥を検出できる。例えば、撮影された被検査体の表面の各位置について、１周期分の画像の輝度の最大値と最小値とを求め、被検査体の表面の各位置での最大値を集めた最大値画像と最小値を集めた最小値画像との差分画像に基づいて、被検査体の表面の欠陥が検出される。
　特許第５８６６５８６号公報（特許文献２）には、対象物の各点に照射される光の照射立体角として、異なる光属性を持つ複数の立体角領域を形成するフィルタ手段を備えた検査用照明装置が開示されている。この検査用照明装置を用いることにより、光の照射立体角の形状、大きさおよび傾きと、照射立体角内の特定の光属性をもつ立体角領域とが、視野全域において略均一に設定され得る。その結果、微小な欠陥等であっても略同一の検出条件で検出することが可能となる。
実用新案登録第３１９７７６６号公報 特許第５８６６５８６号公報
　平行光同軸照明を用いる場合、平行光の光軸と対象物の表面の法線方向とが平行になるように対象物を設置する必要がある。そのため、対象物の設置の調整に手間がかかる。
　特許文献１に記載の反射型位相シフト法を用いる場合、対象物の表面の拡散反射率が大きいと、観測される縞のコントラストが低下し、欠陥の検出精度が低下する。
　特許文献２に記載の検査用照明装置を用いる場合、対象物の表面の反射特性に応じてフィルタ手段を調整する手間がかかる。
　本開示は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、検査のための調整の手間を低減でき、欠陥の検出精度の高い検査システムおよび検査方法を提供することである。
　本開示の一例によれば、対象物の表面を検査する検査システムは、対象物を照明するための発光装置と、発光装置と対象物との間に配置されるコリメータレンズと、対象物を撮像する撮像装置と、を備える。発光装置は、発光位置を可変である。検査システムは、さらに、互いに発光位置が異なる状態での複数回の撮像からそれぞれ得られる複数の撮像画像を解析することにより、各画素の値が当該画素に写る対象物の表面の法線方向に対応する第１解析画像を生成する画像解析部を備える。
　上記の開示によれば、第１解析画像では、表面の法線方向が変化する凹凸がキズなどの欠陥の写る画素の値が、他の画素の値と異なる。そのため、第１解析画像を確認することにより、欠陥を精度良く検出できる。
　さらに、対象物と撮像装置との相対位置関係は、複数の発光位置のいずれかにおいて輝度がピークを示すように設定されればよい。そのため、特許文献１のように、対象物の設置の調整に手間がかからない。さらに、特許文献２に記載のようなフィルタ手段を備えないため、フィルタ手段の調整に手間をかける必要がない。
　以上のように、上記の構成の検査システムによれば、検査のための調整の手間を低減でき、欠陥の検出精度を高めることができる。
　上述の開示において、第１解析画像の各画素の値は、複数の撮像画像における当該画素の輝度と発光位置との関係を示す波形の位相を示す。
　画素の輝度と発光位置との関係を示す波形の位相は、当該画素に写る対象物の表面の法線方向に依存する。そのため、上記の開示によれば、第１解析画像は、対象物の表面の法線方向の分布を精度良く表すことができる。
　上述の開示において、第１解析画像の各画素の値は、複数の撮像画像における当該画素の輝度と発光位置との関係を示す波形において輝度がピークとなる発光位置を示す。
　輝度がピークとなる発光位置は、対象物の表面の法線方向に依存する。そのため、上記の開示によれば、第１解析画像は、対象物の表面の法線方向の分布を精度良く表すことができる。
　上述の開示において、画像解析部は、複数の撮像画像を解析することにより第２解析画像をさらに生成する。第２解析画像の各画素の値は、複数の撮像画像における当該画素の輝度と発光位置との関係を示す波形の振幅である。
　上記の開示によれば、第２解析画像を確認することにより、光の正反射する度合いを低下させるような物質の汚れ、あるいは、ガラス製の対象物の表面の細かいキズを精度良く検出できる。
　上述の開示において、発光装置は、複数の光源を含み、複数の光源のうち発光させる光源を順次切り替える。複数の光源は、コリメータレンズの光軸に垂直な平面上、または、光軸上に中心を有する球状の面上に配置される。上記の開示によれば、発光装置は、発光位置を容易に変化させることができる。
　上述の開示において、画像解析部は、複数の撮像画像を合成した合成画像をさらに生成する。
　上記の開示によれば、合成画像を確認することにより、対象物の表面の凹凸の影響を受けずに、拡散反射する低コントラストのムラなどの欠陥を精度良く検出できる。
　上述の開示において、発光位置とコリメータレンズとの距離は、コリメータレンズの焦点距離以上である。
　上記の開示によれば、発光位置とコリメータレンズとの距離がコリメータレンズの焦点距離である場合、対象物の表面への照射条件を均一にできる。発光位置とコリメータレンズとの距離がコリメータレンズの焦点距離よりも大きい場合、撮像装置の設置場所の自由度があがる。
　上述の開示において、検査システムは、コリメータレンズと対象物との間に配置されるハーフミラーをさらに備える。発光装置から照射され、コリメータレンズを透過した光は、ハーフミラーに反射して対象物を照らす。対象物による反射光は、ハーフミラーを透過して撮像装置に入射する。
　上記の開示によれば、撮像装置は、発光装置からの光が照射された対象物を撮像しやすくなる。
　本開示の一例によれば、対象物の表面を検査する検査システムは、対象物を照明するための発光装置と、発光装置と対象物との間に配置されるコリメータレンズと、対象物を撮像する撮像装置と、を備える。発光装置は、発光位置を可変である。検査システムは、さらに、互いに発光位置が異なる状態での複数回の撮像からそれぞれ得られる複数の撮像画像を解析することにより解析画像を生成する画像解析部を備える。解析画像の各画素の値は、複数の撮像画像における当該画素の輝度と発光位置との関係を示す波形の特徴量である。
　上記の開示によれば、解析画像の各画素の値は、複数の撮像画像における当該画素の輝度と発光位置との関係を示す波形の特徴量である。画素の輝度と発光位置との関係を示す波形は、画素に写る対象物の表面の法線方向、および、当該表面における光の正反射する度合いに応じて変化する。そのため、波形の特徴量を画素の値とする解析画像を確認することにより、対象物の表面の法線方向の分布、あるいは、対象物の表面における光の正反射する度合いの分布を把握できる。その結果、表面の法線方向に影響を及ぼす凹凸やキズなどの欠陥、あるいは、光の正反射する度合いに影響を及ぼす汚れやキズなどの欠陥を精度良く検出できる。
　さらに、対象物と撮像装置との相対位置関係は、複数の発光位置のいずれかにおいて輝度がピークを示すように設定されればよい。そのため、特許文献１のように、対象物の設置の調整に手間がかからない。さらに、特許文献２に記載のようなフィルタ手段を備えないため、フィルタ手段の調整に手間をかける必要がない。
　以上のように、上記の構成の検査システムによれば、検査のための調整の手間を低減でき、欠陥の検出精度を高めることができる。
　本開示の一例によれば、対象物の表面を検査する検査方法は、発光装置から照射され、コリメータレンズを透過した光を対象物に照射させながら、対象物を撮像するステップを備える。撮像するステップは、発光装置における発光位置を切り替えるステップと、互いに発光位置が異なる状態での複数回の撮像から複数の撮像画像を取得するステップと、を含む。検査方法は、さらに、複数の撮像画像を解析することにより、各画素の値が当該画素に写る対象物の表面の法線方向に対応する解析画像を生成するステップを備える。
　この開示によっても、検査のための調整の手間を低減でき、欠陥の検出精度を高めることができる。
　本開示によれば、検査のための調整の手間を低減でき、欠陥の検出精度を高めることができる。
本実施の形態に係る検査システム１の全体構成を示す概略図である。 具体例１に係る検査システム１Ａの構成を示す模式図である。 具体例２に係る検査システムの構成を示す模式図である。 画像解析部のハードウェア構成の一例を示す図である。 互いに発光位置が異なる状態での複数回の撮像からそれぞれ得られる複数の撮像画像の一例を示す図である。 Ｘ＝０ｍｍ，Ｙ＝－３ｍｍの発光位置で発光させたときの撮像画像を示す図である。 選択された７枚の撮像画像における、画素５０～５２の輝度の変化を示す図である。 図５に示す実線で囲まれた７枚の撮像画像から生成される法線画像２０Ｙを示す図である。 特許文献１に記載の反射型位相シフト法を用いて生成された差分画像２８を示す図である。 図５に示す実線で囲まれた７枚の撮像画像から生成される直接反射画像２２Ｙを示す図である。 複数の撮像画像を合成した合成画像２４を示す図である。 互いに発光位置が異なる状態での２５回の撮像からそれぞれ得られる２５枚の撮像画像と、これら撮像画像から生成される法線画像２０Ｘ，２０Ｙ、直接反射画像２２Ｙおよび合成画像２４とを示す図である。 解析画像の生成処理の流れの一例を示す図である。 発光装置１０Ａにおける発光位置の変更方法の一例を示す図である。 発光装置１０Ａにおける発光位置の変更方法の別の例を示す図である。 検査対象領域の各点における立体照射角を示す図である。 検査対象領域３の端点Ｐの正反射光の光束９０を示す図である。 検査対象領域３の端点Ｑの正反射光の光束９２を示す図である。 撮像装置１６の配置領域を示す図である。 変形例１に係る検査システム１Ｃの構成を示す図である。 発光装置１０Ｃの４つの点灯状態の例を示す図である。 変形例２に係る検査システム１Ｄの構成を示す図である。 発光装置１０Ａとコリメータレンズ１２との距離Ｌがコリメータレンズ１２の焦点距離ｆよりも長く設定されたときの光路を示す図である。
　本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。
　§１　適用例
　図１を参照して、本発明の適用例について説明する。図１は、本実施の形態に係る検査システム１の全体構成を示す概略図である。検査システム１は、対象物２の表面のうち検査対象領域３を検査する。対象物２には、金属やガラスなど光沢な表面を有する物体が含まれる。検査システム１は、例えば生産ラインに組み込まれ、検査対象領域３の欠陥の有無を検査する。欠陥には、キズ、凹凸、汚れ、ゴミの付着などが含まれる。
　図１に示されるように、検査システム１は、主要なコンポーネントとして、発光装置１０とコリメータレンズ１２と撮像装置１６と画像解析部１８とを備える。さらに、図１に例示される検査システム１は、ハーフミラー１４を備える。
　発光装置１０は、対象物２を照明するための装置である。発光装置１０は、発光位置を可変である。図１に示す例では、発光装置１０は、コリメータレンズ１２の光軸８０に垂直な仮想平面８２上の複数の発光位置（発光位置ＰＡ，ＰＢ，ＰＣを含む）から発光可能である。発光位置ＰＢは、コリメータレンズ１２の光軸８０上に位置する。
　コリメータレンズ１２は、光路上において、発光装置１０と対象物２との間に配置される。図１に示す例では、コリメータレンズ１２は、仮想平面８２から焦点距離ｆだけ離れた位置に配置される。そのため、仮想平面８２上に配置された任意の１つの発光位置（例えば発光位置ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ）から照射された光は、コリメータレンズ１２を通過することにより、平行光となる。
　ハーフミラー１４は、光路上において、コリメータレンズ１２と対象物２との間に配置される。図１に示されるように、対象物２の検査対象領域３は、コリメータレンズ１２の光軸８０に略平行である。そのため、ハーフミラー１４は、発光装置１０から発光された光を対象物２に向けるために、コリメータレンズ１２の光軸８０と反射面とのなす角度が４５度となるように配置される。これにより、発光装置１０から照射され、コリメータレンズ１２を透過した光は、ハーフミラー１４で反射して対象物２を照らす。
　撮像装置１６は、一例として、レンズなどの光学系に加えて、ＣＣＤ（Coupled　Charged　Device）やＣＭＯＳ（Complementary　Metal　Oxide　Semiconductor）センサといった、複数の画素に区画された撮像素子を含んで構成される。撮像装置１６は、対象物２の検査対象領域３が視野に含まれるように、ハーフミラー１４の対象物２とは反対側に配置される。具体的には、撮像装置１６は、撮像装置１６の光軸８４がコリメータレンズ１２の光軸８０と直交し、かつ、撮像装置１６の光軸８４とハーフミラー１４とのなす角度が４５度となるように配置される。これにより、対象物２による反射光は、ハーフミラー１４を透過して撮像装置１６に入射する。撮像装置１６は、撮像によって得られた画像データ（以下、「撮像画像」と称する。）を画像解析部１８に出力する。
　画像解析部１８は、互いに発光位置が異なる状態での複数回の撮像からそれぞれ得られる複数の撮像画像を解析する。
　発光装置１０における１つの発光位置から発した光は、コリメータレンズ１２を通過した後、ハーフミラー１４で反射して対象物２の検査対象領域３を照らす。コリメータレンズ１２が発光位置と対象物２との間に配置されるため、対象物２の検査対象領域３における各点の照射条件（光量、照射角度、照射立体角など）は均一となる。
　発光位置が変化すると、検査対象領域３の各点への光の照射角度が変化する。図１に示す例では、発光位置ＰＡから照射された光ＬＡは、コリメータレンズ１２を通過した後にハーフミラー１４で反射し、紙面の左側から対象物２を照らす。発光位置ＰＢから照射された光ＬＢは、コリメータレンズ１２を通過した後にハーフミラー１４で反射し、鉛直方向に沿って対象物２を照らす。発光位置ＰＣから照射された光ＬＣは、コリメータレンズ１２を通過した後にハーフミラー１４で反射し、紙面の右側から対象物２を照らす。
　対象物２が金属やガラスなど光沢な表面を有する物体である場合、検査対象領域３に照射された光の大部分は正反射する。検査対象領域３の各点において正反射して撮像装置１６に入射する光量（正反射成分）は、当該点における照射条件と当該点の法線方向とに依存する。そのため、検査対象領域３の各点への光の照射角度が変化すると、撮像装置１６に入射する正反射成分も変化する。しかしながら、上述したように、検査対象領域３の各点の照射条件は均一である。従って、検査対象領域３の各点において、撮像装置１６に入射する正反射成分が最大となる発光位置は、当該点の法線方向に依存する。そのため、画像解析部１８は、検査対象領域３の各点の法線方向の分布を確認するために、互いに発光位置が異なる状態での複数回の撮像からそれぞれ得られる複数の撮像画像について各画素の輝度の変化を解析する。
　例えば、検査対象領域３が完全に平坦である場合、つまり、検査対象領域３の各点の法線方向が一定である場合、複数の撮像画像について、各画素の輝度の変化は均一となる。一方、検査対象領域３の一部分に凹凸やキズなどの欠陥が存在する場合、欠陥における法線方向は、欠陥以外の部分の法線方向と異なる。そのため、複数の撮像画像について、欠陥の写る画素の輝度の変化は、欠陥以外の部分の写る画素の輝度の変化と異なる。
　このように、各画素の輝度の変化を解析することにより、当該画素に写る部分の法線方向が特定され得る。そのため、画像解析部１８は、複数の撮像画像を解析することにより、各画素の値が当該画素に写る対象物２の表面の法線方向に対応する解析画像（以下、「法線画像２０」と称する。）を生成する。図１に示す法線画像２０では、緩やかな凹みが形成された欠陥Ｆの写る画素の値が、他の画素（つまり、欠陥のない平坦な部分の写る画素）の値と異なる。これにより、法線画像２０を確認することにより、法線方向に変化が生じる凹凸やキズなどの欠陥を精度良く検出できる。
　対象物２と撮像装置１６との相対位置関係は、複数の発光位置のいずれかにおいて輝度がピークを示すように設定されればよい。そのため、平行光同軸照明を用いる場合のように、対象物２の設置の調整に手間をかける必要がない。
　さらに、本実施の形態に係る検査システム１は、特許文献２に記載のような、対象物の各点に照射される光の照射立体角として、異なる光属性を持つ複数の立体角領域を形成するフィルタ手段を備えない。そのため、フィルタ手段の調整に手間をかける必要がない。
　以上のように、本実施の形態に係る検査システム１によれば、検査のための調整の手間を低減でき、欠陥の検出精度を高めることができる。
　§２　具体例
　＜Ａ．検査システムの具体例１＞
　図２は、具体例１に係る検査システム１Ａの構成を示す模式図である。図２に示すように、検査システム１Ａは、発光装置１０Ａとコリメータレンズ１２とハーフミラー１４と撮像装置１６と画像解析部１８とを備える。
　発光装置１０Ａは、複数の光源１０１を含む。光源１０１は、点光源であってもよいし、面光源であってもよい。
　複数の光源１０１は、コリメータレンズ１２の光軸８０に垂直な仮想平面８２上に配置される。仮想平面８２とコリメータレンズ１２との距離Ｌは、コリメータレンズ１２の焦点距離ｆと一致する。
　図２に示す例では、４９個の光源１０１が、Ｘ方向に７行、Ｙ方向に７列のマトリクス状に配置される。Ｘ方向は、コリメータレンズ１２の光軸８０に垂直な方向（図２では鉛直方向）であり、Ｙ方向は、Ｘ方向に垂直であり、かつ、コリメータレンズ１２の光軸８０に垂直な方向である。
　発光装置１０Ａは、複数の光源１０１のうち発光させる光源１０１を順次切り替えることにより、発光位置を変化させる。
　＜Ｂ．検査システムの具体例２＞
　図３は、具体例２に係る検査システムの構成を示す模式図である。図３に示すように、検査システム１Ｂは、発光装置１０Ｂとコリメータレンズ１２とハーフミラー１４と撮像装置１６と画像解析部１８とを備える。
　発光装置１０Ｂは、１つの光源１０２と、コリメータレンズ１２の光軸８０に垂直な仮想平面８２上において、光源１０２をＸ方向およびＹ方向に移動させるＸＹステージ１０３とを含む。光源１０２は、点光源であってもよいし、面光源であってもよい。
　発光装置１０Ｂは、ＸＹステージ１０３を移動させることにより、発光位置を変化させる。
　＜Ｃ．画像解析部のハードウェア構成＞
　画像解析部１８は、典型的には、汎用的なコンピュータアーキテクチャに従う構造を有しており、予めインストールされたプログラムをプロセッサが実行することで、各種の処理を実現する。
　図４は、画像解析部のハードウェア構成の一例を示す図である。図４に示されるように、画像解析部１８は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）やＭＰＵ（Micro-Processing　Unit）などのプロセッサ１８０と、ＲＡＭ（Random　Access　Memory）１８１と、表示コントローラ１８２と、システムコントローラ１８３と、Ｉ／Ｏ（Input　Output）コントローラ１８４と、ハードディスク１８５と、カメラインターフェイス１８６と、入力インターフェイス１８７と、通信インターフェイス１８９と、メモリカードインターフェイス１９０とを含む。これらの各部は、システムコントローラ１８３を中心として、互いにデータ通信可能に接続される。
　プロセッサ１８０は、システムコントローラ１８３との間でプログラム（コード）などを交換して、これらを所定順序で実行することで、目的の演算処理を実現する。
　システムコントローラ１８３は、プロセッサ１８０、ＲＡＭ１８１、表示コントローラ１８２、およびＩ／Ｏコントローラ１８４とそれぞれバスを介して接続されており、各部との間でデータ交換などを行うとともに、画像解析部１８全体の処理を司る。
　ＲＡＭ１８１は、典型的には、ＤＲＡＭ（Dynamic　Random　Access　Memory）などの揮発性の記憶装置であり、ハードディスク１８５から読み出されたプログラムや、撮像装置１６から受けた撮像画像、撮像画像に対する処理結果、およびワークデータなどを保持する。
　表示コントローラ１８２は、表示装置５と接続されており、システムコントローラ１８３からの内部コマンドに従って、各種の情報を表示するための信号を表示装置５へ出力する。表示装置５は、一例として、液晶ディスプレイや有機ＥＬ（Electro　Luminescence）ディスプレイや有機ＥＬなどを含む。
　Ｉ／Ｏコントローラ１８４は、画像解析部１８に接続される記録媒体や外部機器との間のデータ交換を制御する。より具体的には、Ｉ／Ｏコントローラ１８４は、ハードディスク１８５と、カメラインターフェイス１８６と、入力インターフェイス１８７と、通信インターフェイス１８９と、メモリカードインターフェイス１９０と接続される。
　ハードディスク１８５は、典型的には、不揮発性の磁気記憶装置であり、プロセッサ１８０で実行される解析プログラム１９１などが格納される。このハードディスク１８５にインストールされる解析プログラム１９１は、メモリカード６などに格納された状態で流通する。さらに、ハードディスク１８５には、撮像画像が格納される。なお、ハードディスク１８５に代えて、フラッシュメモリなどの半導体記憶装置やＤＶＤ－ＲＡＭ（Digital　Versatile　Disk　Random　Access　Memory）などの光学記憶装置を採用してもよい。
　カメラインターフェイス１８６は、対象物２を撮像することで生成された撮像画像を受け付ける入力部に相当し、プロセッサ１８０と撮像装置１６との間のデータ伝送を仲介する。より具体的には、プロセッサ１８０からカメラインターフェイス１８６を介して撮像装置１６に撮像指示が出力される。これにより、撮像装置１６は、被写体を撮像し、カメラインターフェイス１８６を介して、生成された撮像画像をプロセッサ１８０に出力する。
　入力インターフェイス１８７は、プロセッサ１８０とキーボード、マウス、タッチパネル、専用コンソールなどの入力装置７との間のデータ伝送を仲介する。すなわち、入力インターフェイス１８７は、ユーザが入力装置７を操作することで与えられる操作指令を受け付ける。
　通信インターフェイス１８９は、プロセッサ１８０と図示しない他のパーソナルコンピュータやサーバ装置などとの間のデータ伝送を仲介する。通信インターフェイス１８９は、典型的には、イーサネット（登録商標）やＵＳＢ（Universal　Serial　Bus）などからなる。なお、後述するように、メモリカード６に格納されたプログラムを画像解析部１８にインストールする形態に代えて、通信インターフェイス１８９介して、配信サーバなどからダウンロードしたプログラムを画像解析部１８にインストールしてもよい。
　メモリカードインターフェイス１９０は、プロセッサ１８０と記録媒体であるメモリカード６との間のデータ伝送を仲介する。すなわち、メモリカード６には、画像解析部１８で実行される解析プログラム１９１などが格納された状態で流通し、メモリカードインターフェイス１９０は、このメモリカード６から解析プログラム１９１を読み出す。また、メモリカードインターフェイス１９０は、プロセッサ１８０の内部指令に応答して、撮像装置１６によって取得された撮像画像および／または画像解析部１８における処理結果などをメモリカード６へ書き込む。なお、メモリカード６は、ＳＤ（Secure　Digital）などの汎用的な半導体記憶デバイスや、フレキシブルディスク（Flexible　Disk）などの磁気記録媒体や、ＣＤ－ＲＯＭ（Compact　Disk　Read　Only　Memory）などの光学記録媒体等からなる。
　上述のような汎用的なコンピュータアーキテクチャに従う構造を有するコンピュータを利用する場合には、本実施の形態に係る機能を提供するためのアプリケーションに加えて、コンピュータの基本的な機能を提供するためのＯＳ（Operating　System）がインストールされていてもよい。この場合には、本実施の形態に係るプログラムは、ＯＳの一部として提供されるプログラムモジュールのうち、必要なモジュールを所定の順序および／またはタイミングで呼出して処理を実行するものであってもよい。すなわち、本実施の形態に係るプログラム自体は、上記のようなモジュールを含んでおらず、ＯＳと協働して処理が実行される場合もある。
　さらに、本実施の形態に係る解析プログラム１９１は、他のプログラムの一部に組み込まれて提供されるものであってもよい。その場合にも、プログラム自体には、上記のような組み合わせられる他のプログラムに含まれるモジュールを含んでおらず、当該他のプログラムと協働して処理が実行される。すなわち、本実施の形態に係る解析プログラム１９１としては、このような他のプログラムに組み込まれた形態であってもよい。
　なお、代替的に、解析プログラム１９１の実行により提供される機能の一部もしくは全部を専用のハードウェア回路として実装してもよい。
　＜Ｄ．画像解析方法＞
　図５から図１３を参照して、画像解析部１８による画像解析処理について説明する。図５は、互いに発光位置が異なる状態での複数回の撮像からそれぞれ得られる複数の撮像画像の一例を示す図である。図５には、発光装置１０Ｂの光源１０２をＸ方向に７行、Ｙ方向に７列の７×７＝４９カ所の発光位置に移動させたときにそれぞれ得られる撮像画像が示される。なお、Ｘ方向の発光位置のピッチは１ｍｍであり、Ｙ方向の発光位置のピッチは１ｍｍである。コリメータレンズ１２の光軸８０上の発光位置は、Ｘ＝０ｍｍ、Ｙ＝０ｍｍである。
　図５に示されるように、発光位置を異ならせることにより、撮像画像の各画素の輝度が変化する。画像解析部１８は、各画素の輝度の変化を解析することにより、解析画像を生成する。そのため、画像解析部１８は、４９枚の撮像画像の中から、輝度の変化の大きい１行分または１列分の７枚の撮像画像を選択し、選択した７枚の撮像画像を解析してもよい。図５に示す例では、発光位置をＸ方向に変化させた場合に比べて、発光位置をＹ方向に変化させた場合の各画素の輝度の変化が大きい。そのため、画像解析部１８は、４９枚の撮像画像の中から、発光位置をＹ方向に変化させた７枚の撮像画像（図５において実線で囲まれた画像）を選択する。選択された７枚の撮像画像は、Ｘ＝０ｍｍ，Ｙ＝－３，－２，－１，０，１，２，３ｍｍの発光位置で発光させたときに撮像された画像である。なお、複数の撮像画像の中から解析対象となる画像の選択は、ユーザの入力に従って実行されてもよい。あるいは、複数の撮像画像の中から、輝度の変化が最も大きい１行分または１列分の撮像画像が自動的に選択されてもよい。
　図６は、Ｘ＝０ｍｍ，Ｙ＝－３ｍｍの発光位置で発光させたときの撮像画像を示す図である。図６に示されるように、撮像画像の各画素の輝度は、当該画素に写る対象物２の表面の法線方向に応じた値となる。図６に示す例では、画素５１、画素５２、画素５０の順に輝度が高くなる。なお、画素５１は、緩やかな凹みである欠陥Ｆの写る画素である。画素５０は、欠陥Ｆの周囲の部分の写る画素である。画素５２は、平坦な部分の写る画素である。
　図７は、選択された７枚の撮像画像における、画素５０～５２の輝度の変化を示す図である。図７において、横軸は、撮像画像を撮像したときの発光位置ｎを示している。ｎ＝０～６は、Ｙ＝－３，－２，－１，０，１，２，３ｍｍの発光位置にそれぞれ対応する。
　図７に示されるように、欠陥Ｆの写らない画素５０，５２における輝度の変化は、互いに似ている。一方、欠陥Ｆの写る画素５１における輝度の変化は、欠陥Ｆの写らない画素５０，５２における輝度の変化と異なる。具体的には、画素５１における輝度と発光位置との関係を示す波形の位相は、画素５０，５２における輝度と発光位置との関係を示す波形の位相と異なる。言い換えると、画素５１において輝度が最大となる発光位置は、画素５０，５２において輝度が最大となる発光位置と異なる。これは、緩やかな凹みである欠陥Ｆと欠陥Ｆ以外の部分との間で表面の法線方向が異なるためである。
　このように、各画素の輝度と発光位置ｎとの関係を示す波形の位相は、当該画素に写る対象物２の表面の法線方向に依存する。画像解析部１８は、この点を利用して、選択された７枚の撮像画像を解析することにより、各画素の値が当該画素に写る対象物２の表面の法線方向に対応する法線画像２０Ｙを生成する。
　画像解析部１８は、各画素の輝度と発光位置ｎとの関係を示す波形に対して、離散フーリエ変換を行ない、周波数１の成分の位相を求める。具体的には、画像解析部１８は、各画素について、当該画素の輝度と発光位置ｎとの関係を示す波形に対して以下の式（１）を用いた正弦波フィッティングを行ない、位相φを算出する。式（１）において、Ｎは、撮像画像の枚数を表す。例えば、図５に示す実線で囲まれた７枚の撮像画像が選択された場合、Ｎ＝７である。Ｉｎは、発光位置ｎで発光させたときの撮像画像における輝度を表す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　画像解析部１８は、位相φを画素の値とする法線画像２０Ｙを生成する。位相φは、画素に写る対象物２の表面の法線方向に対応する。
　図８は、図５に示す実線で囲まれた７枚の撮像画像から生成される法線画像２０Ｙを示す図である。図９は、特許文献１に記載の反射型位相シフト法を用いて生成された差分画像２８を示す図である。差分画像２８は、スリット光を１周期分だけシフトさせながら対象物２に照射したときの、各画素の最大値を集めた最大値画像と各画素の最小値を集めた最小値画像との差分を示す。図８および図９において、枠線６０で囲まれた領域に、緩やかな凹みである欠陥Ｆが写る。
　図９に示されるように、欠陥Ｆの写る画素の値と欠陥Ｆ以外の部分が写る画素の値とに差が見られる。しかしながら、その差はわずかである。これは、対象物２の表面の拡散反射率が大きいために、拡散反射に起因するノイズ成分が差分画像２８において大きくなるためである。
　図８に示されるように、法線画像２０Ｙでは、欠陥Ｆの写る画素の値と欠陥Ｆ以外の部分が写る画素の値とに大きな差が見られる。すなわち、法線画像２０Ｙでは、欠陥Ｆが明確に現われている。そのため、法線画像２０Ｙを確認することにより、特許文献１に記載の反射型位相シフト法を用いた検査では検出困難である、緩やかな凹みである欠陥Ｆを精度良く検出できる。
　なお、画像解析部１８は、法線画像２０Ｙの各画素の値として、式（１）によって算出される位相φの代わりに、複数の撮像画像における当該画素の輝度と発光位置ｎとの関係を示す波形において輝度がピークとなる発光位置ｎを示す値を用いてもよい。この場合でも、法線画像２０Ｙの各画素の値は、当該画素に写る対象物２の表面の法線方向に対応する。
　画像解析部１８は、法線画像２０Ｙに加えて、または、法線画像２０Ｙに代えて、別の解析画像を生成してもよい。例えば、画像解析部１８は、各画素の輝度と発光位置ｎとの関係を示す波形の振幅を算出し、振幅を各画素の値とする解析画像（以下、「直接反射画像」と称する。）を生成してもよい。
　対象物２の表面に照射された光のうち正反射する成分が多いほど（言い換えると、拡散反射する成分が少ないほど）、波形の振幅が大きくなる。正反射光が撮像装置１６に入射するためには、発光装置１０における発光位置と、表面の法線方向と、撮像装置１６の光軸８４とが所定の条件を満たす必要がある。そのため、照射された光のうち正反射する成分が多い表面の写る画素では、発光位置を変化させたときに輝度の変化が大きくなる。その結果、振幅が大きくなる。逆に、照射された光のうち拡散反射する成分が多い表面の写る画素では、発光位置を変化させたときの輝度の変化が小さくなる。その結果、振幅が小さくなる。したがって、振幅を各画素の値とする直接反射画像は、画像に写る対象物２の表面において光が正反射する度合いの分布を示す。
　具体的には、画像解析部１８は、各画素の輝度と発光位置ｎとの関係を示す波形の振幅Ａを、以下の式（２）に従って算出する。画像解析部１８は、算出された振幅Ａを画素の値とする直接反射画像を生成する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　図１０は、図５に示す実線で囲まれた７枚の撮像画像から生成される直接反射画像２２Ｙを示す図である。図１０に示す直接反射画像２２Ｙでは、図８に示す法線画像２０Ｙと比較して、緩やかな凹みである欠陥Ｆに起因する画素の値の変化が見られない。これは、欠陥Ｆにおいて光が正反射する度合いと、欠陥Ｆ以外の部分において光が正反射する度合いとに差がないためである。
　図１０に示す直接反射画像２２Ｙの枠線６２で囲まれる領域において、マーキングペンによって形成されたテキストが確認できる。マーキングペンのインクが付着した部分では、光の正反射する度合いが低下する。そのため、直接反射画像２２Ｙにおいて当該部分の写る画素の値が小さくなる。一方、図８に示す法線画像２０Ｙでは、マーキングペンのインクが付着した部分が確認されない。これは、対象物２の表面にインクが薄く付着しているため、対象物２の表面の法線方向に影響がないためである。
　このように、光の正反射する度合いを低下させるような物質（例えばインク）の汚れが対象物２の表面に付着した場合、直接反射画像２２Ｙを確認することにより、当該汚れを精度良く検出できる。
　図５～図１０の例では、画像解析部１８は、発光位置をＹ方向に変化させた７枚の撮像画像から法線画像２０Ｙおよび直接反射画像２２Ｙを生成する。しかしながら、画像解析部１８は、発光位置をＸ方向に変化させた７枚の撮像画像から法線画像および直接反射画像を生成してもよい。
　さらに、画像解析部１８は、互いに発光位置が異なる状態での複数回の撮像からそれぞれ得られる複数の撮像画像を合成した合成画像を生成してもよい。具体的には、画像解析部１８は、各画素について、以下の式（３）で表される値Ｂを算出する。画像解析部１８は、算出された値Ｂを画素の値とする合成画像を生成する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　図１１は、複数の撮像画像を合成した合成画像２４を示す図である。図１１には、図５に示す４９枚の撮像画像を合成することにより得られる合成画像２４が示される。合成画像２４は、全ての発光位置で同時に発光させたときに撮像した画像と一致する。合成画像２４を確認することにより、対象物２の表面の凹凸の影響を受けずに、拡散反射する低コントラストのムラなどの欠陥を精度良く検出できる。なお、図２に示す発光装置１０Ａを用いる場合には、全ての光源１０１を同時に点灯させて撮像することにより、合成画像２４が取得されてもよい。
　このように、互いに発光位置が異なる状態での複数回の撮像からそれぞれ得られる複数の撮像画像を解析することによって生成される解析画像（法線画像、直接反射画像、合成画像）は、欠陥の検出に有効である。検査に使用される解析画像は、法線画像、直接反射画像および合成画像の中から、検出対象となる欠陥の種類に応じて適宜選択される。
　直接反射画像は、光の正反射する度合いを低下させるような物質の汚れだけでなく、例えばガラス製の対象物２の表面の細かいキズの検出にも有効である。
　図１２は、互いに発光位置が異なる状態での２５回の撮像からそれぞれ得られる２５枚の撮像画像と、これら撮像画像から生成される法線画像２０Ｘ，２０Ｙ、直接反射画像２２Ｙおよび合成画像２４とを示す図である。図１２には、発光装置１０Ｂの光源１０２をＸ方向に５行、Ｙ方向に５列の５×５＝２５カ所の発光位置に移動させたときにそれぞれ得られる撮像画像が示される。法線画像２０Ｘは、Ｙ＝０ｍｍ，Ｘ＝－２，－１，０，１，２ｍｍの発光位置で発光させたときの５枚の撮像画像から生成される。法線画像２０Ｙおよび直接反射画像２２Ｙは、Ｘ＝０ｍｍ，Ｙ＝－２，－１，０，１，２ｍｍの発光位置で発光させたときの５枚の撮像画像から生成される。合成画像２４は、２５枚の撮像画像から生成される。
　図１２に示されるように、直接反射画像２２Ｙの一部を拡大することにより、ガラス製の対象物２の表面上に形成された細かいキズである欠陥Ｆ１が確認される。一方、法線画像２０Ｘ，２０Ｙおよび合成画像２４を拡大しても、欠陥Ｆ１を明確に確認できない。このように、直接反射画像２２Ｙは、ガラス製の対象物２の表面上の細かいキズの検出に有効である。
　画像解析部１８は、法線画像および直接反射画像に対して画像処理を実行することにより、別の解析画像を生成してもよい。
　図１３は、解析画像の生成処理の流れの一例を示す図である。図１３に示されるように、画像解析部１８は、発光位置をＸ方向およびＹ方向に変化させながら複数回撮像することにより得られる複数の撮像画像を取得する（ステップＳ１）。
　次に、画像解析部１８は、Ｘ方向に発光位置を変化させたときの複数の撮像画像を解析することにより、法線画像２０Ｘおよび直接反射画像２２Ｘを生成する（ステップＳ２）。さらに、画像解析部１８は、Ｙ方向に発光位置を変化させたときの複数の撮像画像を解析することにより、法線画像２０Ｙおよび直接反射画像２２Ｙを生成する（ステップＳ３）。画像解析部１８は、Ｘ方向およびＹ方向に発光位置を変化させたときの複数の撮像画像を合成することにより合成画像２４を生成する（ステップＳ４）。
　次に、画像解析部１８は、Ｘ方向の微分フィルタを法線画像２０Ｘにかけることにより、微分画像２１Ｘを生成する（ステップＳ５）。さらに、画像解析部１８は、Ｙ方向の微分フィルタを法線画像２０Ｙにかけることにより、微分画像２１Ｙを生成する（ステップＳ６）。
　次に、画像解析部１８は、微分画像２１Ｘと直接反射画像２２Ｘとを掛け合わせることにより、画像２３Ｘを生成する（ステップＳ７）。さらに、画像解析部１８は、微分画像２１Ｙと直接反射画像２２Ｙとを掛け合わせることにより、画像２３Ｙを生成する（ステップＳ７）。
　次に、画像解析部１８は、画像２３Ｘと画像２３Ｙとを足し合わせることにより、凹凸画像２５を生成する（ステップＳ９）。その後、画像解析部１８は、凹凸画像２５に対して二値化処理を行ない、二値画像２６を生成する（ステップＳ１０）。
　図１３に示す例では、法線画像２０Ｘ，２０Ｙ、微分画像２１Ｘ，２１Ｙ、直接反射画像２２Ｘ，２２Ｙ、画像２３Ｘ，２３Ｙ、合成画像２４、凹凸画像２５および二値画像２６の中から、検出対象の欠陥の種類に応じて、検査に使用する解析画像が選択される。
　例えば、凹凸形状を有する欠陥の場合、欠陥と欠陥以外の部分とで法線方向が異なる。そのため、法線画像２０Ｘ，２０Ｙを用いることにより、欠陥を精度良く検出できる。あるいは、凹凸形状を有する欠陥の場合、欠陥と欠陥以外の部分との境界において法線方向が急峻に変化する。そのため、微分画像２１Ｘ，２１Ｙを用いることにより、欠陥を精度良く検出できる。
　対象物２の表面状態によっては、発光位置をＸ方向に変化させたときの撮像画像における輝度の変化と、発光位置をＹ方向に変化させたときの撮像画像における輝度の変化とが大きく異なり得る。例えば、表面にヘアラインが形成された対象物２の場合に、発光位置をＸ方向に変化させたときの撮像画像における輝度の変化と、発光位置をＹ方向に変化させたときの撮像画像における輝度の変化とが大きく異なる。このような場合、微分画像２１Ｘ，２１Ｙと直接反射画像２２Ｘ，２２Ｙとを掛け合わせることによりそれぞれ生成された画像２３Ｘ，２３Ｙを足し合わせることにより、ヘアラインによる影響が除外される。すなわち、凹凸画像２５の各画素の値には、欠陥による法線方向の変化のみが反映される。これにより、表面にヘアラインが形成された対象物２であっても、凹凸画像２５を用いることにより、凹凸形状を有する欠陥を精度良く検出できる。あるいは、凹凸画像２５を二値化することにより生成される二値画像２６を用いても、凹凸形状を有する欠陥を精度良く検出できる。
　＜Ｅ．発光装置１０Ａによる発光位置を変更方法＞
　複数の光源１０１を含む発光装置１０Ａ（図２参照）を用いる場合、発光装置１０Ａは、複数の光源１０１のうち点灯させる光源１０１を切り替えることにより、発光位置を変更する。例えば、発光装置１０Ａは、複数の光源１０１のうち１つの光源１０１のみを点灯させ、点灯させる光源１０１を順次切り替える。あるいは、発光装置１０Ａは、複数の光源１０１のうち少なくとも２つの光源１０１を同時に点灯させ、同時に点灯させる光源１０１を順次切り替えてもよい。
　図１４は、発光装置１０Ａにおける発光位置の変更方法の一例を示す図である。図１４に示されるように、発光装置１０Ａは、Ｘ方向に沿って配置された１行分またはＹ方向に沿って配置された１列分の７個の光源１０１を同時に点灯させる。図１４において、（ａ）～（ｇ）には、Ｙ＝－３，－２，－１，０，１，２，３ｍｍに配置された７個の光源１０１を同時点灯させたときの撮像画像がそれぞれ示される。図１４において、（ｈ）～（ｎ）には、Ｘ＝－３，－２，－１，０，１，２，３ｍｍに配置された７個の光源１０１を同時点灯させたときの撮像画像がそれぞれ示される。
　図１５は、発光装置１０Ａにおける発光位置の変更方法の別の例を示す図である。図１５に示されるように、発光装置１０Ａは、Ｘ方向に沿って配置された３行分またはＹ方向に沿って配置された３列分の２１個の光源１０１を同時に点灯させる。図１５において、（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ），（ｅ）には、Ｙ＝－３～－１ｍｍ，－２～０ｍｍ，－１～１ｍｍ，０～２ｍｍ，１～３ｍｍに配置された２１個の光源１０１を同時点灯させたときの撮像画像がそれぞれ示される。図１５において、（ｆ），（ｇ），（ｈ），（ｉ），（ｊ）には、Ｘ＝－３～－１ｍｍ，－２～０ｍｍ，－１～１ｍｍ，０～２ｍｍ，１～３ｍｍに配置された２１個の光源１０１を同時点灯させたときの撮像画像がそれぞれ示される。
　図１４および図１５に示されるように、同時に点灯させる光源１０１の個数に応じて、撮像画像全体の輝度が異なり、得られる撮像画像の枚数も異なる。そのため、対象物２の表面状態および検出対象となる欠陥の種類に応じて、同時に点灯させる光源１０１の個数を選択すればよい。
　＜Ｆ．撮像装置１６の配置場所＞
　法線画像２０Ｘ，２０Ｙは、対象物２の検査対象領域３の各点における正反射光を利用して生成される。そのため、撮像装置１６は、検査対象領域３の各点について、複数の発光位置のうちの少なくとも１つの発光位置で発光させたときに正反射光を受けることが好ましい。
　図１６は、検査対象領域の各点における立体照射角を示す図である。図１６には、発光装置１０Ａの全ての光源１０１を点灯させたときの、検査対象領域３の端点Ｐ，Ｑにおける照射立体角ωを示している。照射立体角ωは、コリメータレンズ１２の光軸８０に垂直な方向の発光装置１０Ａの長さＤと焦点距離ｆとを用いて、以下の式（４）で表される。ω＝atan（Ｄ／ｆ）　式（４）
　光源１０２と対象物２との間にコリメータレンズ１２が配置されているため、検査対象領域３の各点における照射立体角ωは同じである。
　図１７は、検査対象領域３の端点Ｐの正反射光の光束９０を示す図である。図１８は、検査対象領域３の端点Ｑの正反射光の光束９２を示す図である。図１７および図１８には、発光装置１０Ａの全ての光源１０１を点灯させたときの正反射光の光束が示される。図１７および図１８に示されるように、正反射光の光束９０，９２は、照射立体角ωと同じ立体角を有する。撮像装置１６は、光束９０の通過領域に配置されることにより、いずれかの光源１０１を点灯させたときに端点Ｐの正反射光を受けることができる。撮像装置１６は、光束９２の通過領域に配置されることにより、いずれかの光源１０１を点灯させたときに端点Ｑの正反射光を受けることができる。
　図１９は、撮像装置１６の配置領域を示す図である。撮像装置１６が有する光学系がピンホールレンズである場合、撮像装置１６は、端点Ｐの正反射光の光束９０と、端点Ｑの正反射光の光束９２とが重なり合う領域９４に配置される。これにより、撮像装置１６は、検査対象領域３上の全ての点について、複数の発光位置のうちの少なくとも１つの発光位置で発光させたときに正反射光を受けることできる。
　撮像装置１６が有する光学系がコリメータレンズ１２と同じである場合、当該光学系の位置がコリメータレンズ１２の虚像９６の位置と一致し、かつ、撮像装置１６の撮像素子の位置が発光装置１０Ａの虚像８０２の位置と一致するように撮像装置１６が配置される。これにより、撮像装置１６は、検査対象領域３上の全ての点からの正反射光を受けることできる。
　撮像装置１６が有する光学系のサイズがコリメータレンズ１２よりも小さい場合（例えば撮像装置１６が有する光学系がピンホールレンズである場合）、検査対象領域３の点の位置に応じて、輝度がピークとなる発光位置が変化し得る。そのため、検査対象領域３が完全に平坦であったとしても、法線画像２０Ｘ，２０Ｙにおいて、各画素の値に変化（誤差）が見られる。しかしながら、この変化の度合いは、凹凸やキズなどの欠陥に起因する変化の度合いに比べて小さい。そのため、法線画像２０Ｘ，２０Ｙ、あるいは、法線画像２０Ｘ，２０Ｙを微分することによりそれぞれ得られる微分画像２１Ｘ，２１Ｙを確認することにより、欠陥を検出できる。なお、後述するように、発光装置１０Ａ，１０Ｂとコリメータレンズ１２との距離Ｌをコリメータレンズ１２の焦点距離ｆよりも大きくすることにより、上記の誤差を軽減できる。
　検査対象領域３の法線方向が一定の誤差範囲に分布する場合には、検査対象領域３の各点の正反射光を受けるために、当該誤差範囲に応じて撮像装置１６の配置可能な領域がさらに制限される。
　撮像装置１６がテレセントリック光学系を有する場合、テレセントリック光学系が領域９４と重なるように、撮像装置１６が配置されればよい。そのため、撮像装置１６の配置の自由度が高まる。
　＜Ｇ．作用・効果＞
　以上のように、検査システム１（１Ａ，１Ｂ）は、対象物２の表面を検査する。検査システム１（１Ａ，１Ｂ）は、対象物２を照明するための発光装置１０（１０Ａ，１０Ｂ）と、発光装置１０（１０Ａ，１０Ｂ）と対象物２との間に配置されるコリメータレンズ１２と、対象物２を撮像する撮像装置１６と、を備える。発光装置１０（１０Ａ，１０Ｂ）は、発光位置を可変である。検査システム１（１Ａ，１Ｂ）は、さらに、互いに発光位置が異なる状態での複数回の撮像からそれぞれ得られる複数の撮像画像を解析する画像解析部１８を備える。画像解析部１８は、各画素の値が当該画素に写る対象物２の表面の法線方向に対応する法線画像２０（２０Ｘ，２０Ｙ）を生成する。
　法線画像２０（２０Ｘ，２０Ｙ）では、表面の法線方向が変化する凹凸がキズなどの欠陥の写る画素の値が、他の画素の値と異なる。これにより、法線画像２０（２０Ｘ，２０Ｙ）を確認することにより、欠陥を精度良く検出できる。
　さらに、対象物２と撮像装置１６との相対位置関係は、複数の発光位置のいずれかにおいて輝度がピークを示すように設定されればよい。そのため、対象物２と撮像装置１６との相対的な位置姿勢関係の調整に手間がかからない。さらに、検査システム１（１Ａ，１Ｂ）が特許文献２に記載のようなフィルタ手段を備えないため、フィルタ手段の調整に手間をかける必要がない。
　以上のように、検査システム１（１Ａ，１Ｂ）によれば、検査のための調整の手間を低減でき、欠陥の検出精度を高めることができる。
　法線画像２０（２０Ｘ，２０Ｙ）の各画素の値は、複数の撮像画像における当該画素の輝度と発光位置との関係を示す波形の位相φを示す。位相φは、図７に示されるように、画素に写る対象物２の表面の法線方向に依存する。そのため、法線画像２０（２０Ｘ，２０Ｙ）は、対象物２の表面の法線方向の分布を精度良く表すことができる。
　法線画像２０（２０Ｘ，２０Ｙ）の各画素の値は、複数の撮像画像における当該画素の輝度と発光位置との関係を示す波形において輝度がピークとなる発光位置を示してもよい。図７に示されるように、輝度がピークとなる発光位置は、対象物２の表面の法線方向に依存する。そのため、法線画像２０（２０Ｘ，２０Ｙ）は、対象物２の表面の法線方向の分布を精度良く表すことができる。
　画像解析部１８は、複数の撮像画像を解析することにより直接反射画像２２Ｘ，２２Ｙをさらに生成してもよい。直接反射画像２２Ｘ，２２Ｙの各画素の値は、複数の撮像画像における当該画素の輝度と発光位置との関係を示す波形の振幅Ａである。
　直接反射画像２２Ｘ，２２Ｙを確認することにより、図１０に示されるような、光の正反射する度合いを低下させるような物質（例えばインク）の汚れを精度良く検出できる。さらに、直接反射画像２２Ｘ，２２Ｙを確認することにより、図１２に示されるような、ガラス製の対象物２の表面の細かいキズを精度良く検出できる。
　発光装置１０Ａは、複数の光源１０１を含み、複数の光源１０１のうち発光させる光源を順次切り替える。複数の光源１０１は、コリメータレンズ１２の光軸８０に垂直な仮想平面８２上に配置される。これにより、発光装置１０Ａは、発光位置を容易に変化させることができる。
　画像解析部１８は、複数の撮像画像を合成した合成画像２４をさらに生成してもよい。合成画像２４を確認することにより、対象物２の表面の凹凸の影響を受けずに、拡散反射する低コントラストのムラなどの欠陥を精度良く検出できる。
　なお、画像解析部１８は、法線画像２０（２０Ｘ，２０Ｙ）および直接反射画像２２Ｘ，２２Ｙの少なくとも一方を生成してもよい。すなわち、画像解析部１８は、互いに発光位置が異なる状態での複数回の撮像からそれぞれ得られる複数の撮像画像を解析することにより解析画像を生成する。解析画像（法線画像２０（２０Ｘ，２０Ｙ）および直接反射画像２２Ｘ，２２Ｙの少なくとも一方を含む）の各画素の値は、複数の撮像画像における当該画素の輝度と発光位置との関係を示す波形の特徴量（位相および振幅を含む）である。
　＜Ｈ．変形例＞
　図２に示す具体例１では、発光装置１０Ａに含まれる複数の光源１０１がマトリクス状に配列される。しかしながら、複数の光源１０１の配列は、マトリクス状に限定されない。
　図２０は、変形例１に係る検査システム１Ｃの構成を示す図である。図２０に示すように、検査システム１Ｃは、発光装置１０Ｃとコリメータレンズ１２とハーフミラー１４と撮像装置１６と画像解析部１８とを備える。
　発光装置１０Ｃは、具体例１の発光装置１０Ａと同様に、複数の光源１０１を含む。複数の光源１０１は、コリメータレンズ１２の光軸８０に垂直な仮想平面８２上に配置される。仮想平面８２とコリメータレンズ１２との距離Ｌは、コリメータレンズ１２の焦点距離ｆと一致する。
　複数の光源１０１は、円周方向に沿って配列される。具体的には、複数の光源１０１は、１個の光源１０１ａと、４個の光源１０１ｂと、１２個の光源１０１ｃと、１６個の光源１０１ｄとを含む。光源１０１ａは、コリメータレンズ１２の光軸８０上に位置する。４個の光源１０１ｂは、光軸８０からの半径がｒ１の円周上に沿って等間隔に配置される。１２個の光源１０１ｃは、光軸８０からの半径がｒ２（＞ｒ１）の円周上に沿って等間隔に配置される。１６個の光源１０１ｄは、光軸８０からの半径がｒ３（＞ｒ２）の円周上に沿って等間隔に配置される。
　図２１は、発光装置１０Ｃの４つの点灯状態の例を示す図である。発光装置１０Ｃは、図２１（ａ）に示す第１点灯状態と、図２１（ｂ）に示す第２点灯状態と、図２１（ｃ）に示す第３点灯状態と、図２１（ｄ）に示す第４点灯状態とを順に切り替える。第１点灯状態は、１６個の光源１０１ｄが同時に点灯される状態である。第２点灯状態は、１２個の光源１０１ｃが同時に点灯される状態である。第３点灯状態は、４個の光源１０１ｂが同時に点灯される状態である。第４点灯状態は、光源１０１ａが点灯される状態である。
　第１～第４点灯状態のときの撮像によってそれぞれ得られる４枚の撮像画像において、各画素の輝度が最大となる点灯状態は、当該画素に写る対象物２の表面の法線方向８６と撮像装置１６の光軸８４とのなす角度θ（図２０参照）に依存する。そのため、当該４枚の撮像画像から生成される法線画像２０を確認することにより、角度θの分布を把握できる。
　図２および図２０に示す例では、複数の光源１０１は、コリメータレンズ１２の光軸８０に垂直な仮想平面８２上に配置される。この場合、コリメータレンズ１２の像面湾曲のために光線が歪み、撮像画像の解析に影響を及ぼし得る。そのため、コリメータレンズ１２の像面湾曲に応じた球面上に複数の光源１０１が配置されてもよい。
　図２２は、変形例２に係る検査システム１Ｄの構成を示す図である。図２２に示すように、検査システム１Ｄは、発光装置１０Ｄとコリメータレンズ１２とハーフミラー１４と撮像装置１６と画像解析部１８とを備える。
　発光装置１０Ｄは、変形例１の発光装置１０Ｃと同様に、複数の光源１０１を含む。ただし、複数の光源１０１は、コリメータレンズ１２の光軸８０上に中心を有する球状の仮想曲面８８上に配置される。光軸８０上に位置する光源１０１とコリメータレンズ１２との距離Ｌ１は、コリメータレンズ１２の焦点距離ｆと同じである。仮想曲面８８を表面とする球の中心および半径は、コリメータレンズ１２の像面湾曲に応じて設定される。これにより、コリメータレンズ１２の像面湾曲に起因する光線の歪みの影響を抑制できる。
　図２および図２０に示す例では、発光装置１０Ａ，１０Ｃとコリメータレンズ１２との距離Ｌをコリメータレンズ１２の焦点距離ｆと同じに設定される。しかしながら、距離Ｌは、焦点距離ｆよりも大きく設定されてもよい。
　図２３は、発光装置１０Ａとコリメータレンズ１２との距離Ｌがコリメータレンズ１２の焦点距離ｆよりも長く設定されたときの光路を示す図である。図２３には、コリメータレンズ１２の虚像９６、発光装置１０Ａの虚像８０２および撮像装置１６の虚像８０１も示されている。コリメータレンズ１２と虚像９６とは、ハーフミラー１４について対称である。発光装置１０と虚像８０２とは、ハーフミラー１４について対称である。撮像装置１６と虚像８０１とは、対象物２の検査対象領域３を含む平面（検査面）について対称である。
　図２３に示されるように、検査対象領域３の各点における照射立体角ωと撮像装置１６の観察立体角Ψが一致するように、発光装置１０Ａとコリメータレンズ１２との距離Ｌが調整される。これにより、撮像装置１６と対象物２との距離を変えても（つまり、撮像装置１６を対象物２に近づけても）、検査対象領域３の端点Ｐ，Ｑ間のすべての点において、輝度がピークになる発光位置が同じ状態が保たれる。その結果、法線画像２０Ｘ，２０Ｙにおける誤差を軽減できる。
　§３　付記
　以上のように、本実施の形態は以下のような開示を含む。
　（構成１）
　対象物（２）の表面を検査する検査システム（１，１Ａ～１Ｄ）であって、
　前記対象物（２）を照明するための発光装置（１０，１０Ａ～１０Ｄ）と、
　前記発光装置（１０，１０Ａ～１０Ｄ）と前記対象物（２）との間に配置されるコリメータレンズ（１２）と、
　前記対象物（２）を撮像する撮像装置（１６）と、を備え、
　前記発光装置（１０，１０Ａ～１０Ｄ）は、発光位置を可変であり、
　前記検査システム（１，１Ａ～１Ｄ）は、さらに、
　互いに前記発光位置が異なる状態での複数回の撮像からそれぞれ得られる複数の撮像画像を解析することにより、各画素の値が当該画素に写る前記対象物（２）の表面の法線方向に対応する第１解析画像（２０，２０Ｘ，２０Ｙ）を生成する画像解析部（１８）を備える、検査システム（１，１Ａ～１Ｄ）。
　（構成２）
　前記第１解析画像（２０，２０Ｘ，２０Ｙ）の各画素の値は、前記複数の撮像画像における当該画素の輝度と前記発光位置との関係を示す波形の位相を示す、構成１に記載の検査システム（１，１Ａ～１Ｄ）。
　（構成３）
　前記第１解析画像（２０，２０Ｘ，２０Ｙ）の各画素の値は、前記複数の撮像画像における当該画素の輝度と前記発光位置との関係を示す波形において前記輝度がピークとなる前記発光位置を示す、構成１に記載の検査システム（１，１Ａ～１Ｄ）。
　（構成４）
　前記画像解析部（１８）は、前記複数の撮像画像を解析することにより第２解析画像（２２Ｘ，２２Ｙ）をさらに生成し、
　前記第２解析画像（２２Ｘ，２２Ｙ）の各画素の値は、前記複数の撮像画像における当該画素の輝度と前記発光位置との関係を示す波形の振幅である、構成１に記載の検査システム（１，１Ａ～１Ｄ）。
　（構成５）
　前記発光装置（１０，１０Ａ，１０Ｃ，１０Ｄ）は、複数の光源（１０１，１０１ａ～１０１ｄ）を含み、前記複数の光源（１０１，１０１ａ～１０１ｄ）のうち発光させる光源を順次切り替え、
　前記複数の光源（１０１，１０１ａ～１０１ｄ）は、前記コリメータレンズ（１２）の光軸（８０）に垂直な平面（８２）上、または、前記光軸（８０）上に中心を有する球状の面（８８）上に配置される、構成１から４のいずれか記載の検査システム（１，１Ａ，１Ｃ，１Ｄ）。
　（構成６）
　前記画像解析部（１８）は、前記複数の撮像画像を合成した合成画像（２４）をさらに生成する、構成１から５のいずれかに記載の検査システム（１，１Ａ～１Ｄ）。
　（構成７）
　前記発光位置と前記コリメータレンズ（１２）との距離は、前記コリメータレンズ（１２）の焦点距離以上である、構成１から６のいずれかに記載の検査システム（１，１Ａ～１Ｄ）。
　（構成８）
　前記コリメータレンズ（１２）と前記対象物（２）との間に配置されるハーフミラー（１４）をさらに備え、
　前記発光装置（１０，１０Ａ～１０Ｄ）から照射され、前記コリメータレンズ（１２）を透過した光は、前記ハーフミラー（１４）に反射して前記対象物（２）を照らし、
　前記対象物（２）による反射光は、前記ハーフミラー（１４）を透過して前記撮像装置（１６）に入射する、構成１から７のいずれかに記載の検査システム（１，１Ａ～１Ｄ）。
　（構成９）
　対象物（２）の表面を検査する検査システム（１，１Ａ～１Ｄ）であって、
　前記対象物（２）を照明するための発光装置（１０，１０Ａ～１０Ｄ）と、
　前記発光装置（１０，１０Ａ～１０Ｄ）と前記対象物（２）との間に配置されるコリメータレンズ（１２）と、
　前記対象物を撮像する撮像装置（１６）と、を備え、
　前記発光装置（１０，１０Ａ～１０Ｄ）は、発光位置を可変であり、
　前記検査システム（１，１Ａ～１Ｄ）は、さらに、
　互いに前記発光位置が異なる状態での複数回の撮像からそれぞれ得られる複数の撮像画像を解析することにより解析画像を生成する画像解析部（１８）を備え、
　前記解析画像の各画素の値は、前記複数の撮像画像における当該画素の輝度と前記発光位置との関係を示す波形の特徴量である、検査システム（１，１Ａ～１Ｄ）。
　（構成１０）
　対象物（２）の表面を検査する検査方法であって、
　発光装置（１０，１０Ａ～１０Ｄ）から照射され、コリメータレンズ（１２）を透過した光を前記対象物（２）に照射させながら、前記対象物（２）を撮像するステップを備え、
　前記撮像するステップは、
　　前記発光装置（１０，１０Ａ～１０Ｄ）における発光位置を切り替えるステップと、
　　互いに前記発光位置が異なる状態での複数回の撮像から複数の撮像画像を取得するステップと、を含み、
　前記検査方法は、さらに、
　前記複数の撮像画像を解析することにより、各画素の値が当該画素に写る前記対象物（２）の表面の法線方向に対応する解析画像（２０，２０Ｘ，２０Ｙ）を生成するステップを備える、検査方法。
　本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１，１Ａ～１Ｄ　検査システム、２　対象物、３　検査対象領域、５　表示装置、６　メモリカード、７　入力装置、１０，１０Ａ～１０Ｄ　発光装置、１２　コリメータレンズ、１４　ハーフミラー、１６　撮像装置、１８　画像解析部、２０，２０Ｘ，２０Ｙ　法線画像、２１Ｘ，２１Ｙ　微分画像、２２Ｘ，２２Ｙ　直接反射画像、２３Ｘ，２３Ｙ　画像、２４　合成画像、２５　凹凸画像、２６　二値画像、２８　差分画像、５０，５１，５２　画素、６０，６２　枠線、８０，８４　光軸、８２　仮想平面、８６　法線方向、８８　仮想曲面、９０，９２　光束、９４　領域、９６，８０１，８０２　虚像、１０１，１０１ａ～１０１ｄ，１０２　光源、１０３　ＸＹステージ、１８０　プロセッサ、１８１　ＲＡＭ、１８２　表示コントローラ、１８３　システムコントローラ、１８４　Ｉ／Ｏコントローラ、１８５　ハードディスク、１８６　カメラインターフェイス、１８７　入力インターフェイス、１８９　通信インターフェイス、１９０　メモリカードインターフェイス、１９１　解析プログラム、Ｆ，Ｆ１　欠陥、Ｌ，Ｌ１　距離、ＬＡ，ＬＢ，ＬＣ　光、Ｐ，Ｑ　端点、ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ　発光位置。

Claims (10)

  1. 　対象物の表面を検査する検査システムであって、
    　前記対象物を照明するための発光装置と、
    　前記発光装置と前記対象物との間に配置されるコリメータレンズと、
    　前記対象物を撮像する撮像装置と、を備え、
    　前記発光装置は、発光位置を可変であり、
    　前記検査システムは、さらに、
    　互いに前記発光位置が異なる状態での複数回の撮像からそれぞれ得られる複数の撮像画像を解析することにより、各画素の値が当該画素に写る前記対象物の表面の法線方向に対応する第１解析画像を生成する画像解析部を備える、検査システム。
  2. 　前記第１解析画像の各画素の値は、前記複数の撮像画像における当該画素の輝度と前記発光位置との関係を示す波形の位相を示す、請求項１に記載の検査システム。
  3. 　前記第１解析画像の各画素の値は、前記複数の撮像画像における当該画素の輝度と前記発光位置との関係を示す波形において前記輝度がピークとなる前記発光位置を示す、請求項１に記載の検査システム。
  4. 　前記画像解析部は、前記複数の撮像画像を解析することにより第２解析画像をさらに生成し、
    　前記第２解析画像の各画素の値は、前記複数の撮像画像における当該画素の輝度と前記発光位置との関係を示す波形の振幅である、請求項１に記載の検査システム。
  5. 　前記発光装置は、複数の光源を含み、前記複数の光源のうち発光させる光源を順次切り替え、
    　前記複数の光源は、前記コリメータレンズの光軸に垂直な平面上、または、前記光軸上に中心を有する球状の面上に配置される、請求項１から４のいずれか１項に記載の検査システム。
  6. 　前記画像解析部は、前記複数の撮像画像を合成した合成画像をさらに生成する、請求項１から５のいずれか１項に記載の検査システム。
  7. 　前記発光位置と前記コリメータレンズとの距離は、前記コリメータレンズの焦点距離以上である、請求項１から６のいずれか１項に記載の検査システム。
  8. 　前記コリメータレンズと前記対象物との間に配置されるハーフミラーをさらに備え、
    　前記発光装置から照射され、前記コリメータレンズを透過した光は、前記ハーフミラーに反射して前記対象物を照らし、
    　前記対象物による反射光は、前記ハーフミラーを透過して前記撮像装置に入射する、請求項１から７のいずれか１項に記載の検査システム。
  9. 　対象物の表面を検査する検査システムであって、
    　前記対象物を照明するための発光装置と、
    　前記発光装置と前記対象物との間に配置されるコリメータレンズと、
    　前記対象物を撮像する撮像装置と、を備え、
    　前記発光装置は、発光位置を可変であり、
    　前記検査システムは、さらに、
    　互いに前記発光位置が異なる状態での複数回の撮像からそれぞれ得られる複数の撮像画像を解析することにより解析画像を生成する画像解析部を備え、
    　前記解析画像の各画素の値は、前記複数の撮像画像における当該画素の輝度と前記発光位置との関係を示す波形の特徴量である、検査システム。
  10. 　対象物の表面を検査する検査方法であって、
    　発光装置から照射され、コリメータレンズを透過した光を前記対象物に照射させながら、前記対象物を撮像するステップを備え、
    　前記撮像するステップは、
    　　前記発光装置における発光位置を切り替えるステップと、
    　　互いに前記発光位置が異なる状態での複数回の撮像から複数の撮像画像を取得するステップと、を含み、
    　前記検査方法は、さらに、
    　前記複数の撮像画像を解析することにより、各画素の値が当該画素に写る前記対象物の表面の法線方向に対応する解析画像を生成するステップを備える、検査方法。
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