<時間相関カメラの基本構成>
本実施形態の検査システムについて説明する。第1の実施形態の検査システムは、被検査体を検査するために様々な構成を備えている。図1は、本実施形態の検査システムの構成例を示した図である。図1に示されるように、本実施形態の検査システムは、PC100と、時間相関カメラ110と、照明装置120と、スクリーン130と、移動機構140と、を備えている。
移動機構140は、被検査体150を固定するために用いられ、PC100からの制御に応じて、時間相関カメラ110が撮影可能な被検査体150の表面の位置と向きを変化させる。
照明装置120は、被検査体150に光を照射する装置であって、PC100からの画像パターン(例えば、格子パターン)に従って、照射する光の強度を領域単位で制御できる。さらに、照明装置120は、周期的な時間の遷移に従って当該領域単位の光の強度を制御できる。換言すれば、照明装置120は、光の強度の周期的な時間変化及び空間変化を与えることができる。なお、具体的な光の強度の制御手法については後述する。
スクリーン130は、照明装置120から出力された光を拡散させた上で、被検査体150に対して面的に光を照射する。本実施形態のスクリーン130は、照明装置120から入力された周期的な時間変化及び空間変化が与えられた光を、面的に被検査体150に照射する。なお、照明装置120とスクリーン130との間には、集光用のフレネルレンズ等の光学系部品(図示されず)が設けられてもよい。
なお、本実施形態は、照明装置120とスクリーン130とを組み合わせて、光強度の周期的な時間変化及び空間変化を与える面的な照射部を構成する例について説明するが、このような組み合わせに制限するものではなく、例えば、LEDを面的に配置して照明部を構成してもよい。
時間相関カメラ110は、光学系210と、イメージセンサ220と、データバッファ230と、制御部240と、第1の参照信号出力部260と、第2の参照信号出力部261と、を備えている。図2は、本実施形態の時間相関カメラ110の構成を示したブロック図である。
光学系210は、撮影レンズ等を含み、時間相関カメラ110の外部の被写体(被検査体を含む)からの光束を透過し、その光束により形成される被写体の光学像を結像させる。
イメージセンサ220は、光学系210を介して入射された光の強弱を光強度信号として画素毎に高速に出力可能なセンサとする。
本実施形態の光強度信号は、検査システムの照明装置120が被写体(被検査体を含む)に対して光を照射し、当該被写体からの反射光を、イメージセンサ220が受け取ったものである。
イメージセンサ220は、例えば従来のものと比べて高速に読み出し可能なセンサであり、行方向(x方向)、列方向(y方向)の2種類の方向に画素が配列された2次元平面状に構成されたものとする。そして、イメージセンサ220の各画素を、画素P(1,1),……,P(i,j),……,P(X,Y)とする(なお、本実施形態の画像サイズをX×Yとする。)。なお、イメージセンサ220の読み出し速度を制限するものではなく、従来と同様であってもよい。
イメージセンサ220は、光学系210によって透過された、被写体(被検査体を含む)からの光束を受光して光電変換することで、被写体から反射された光の強弱を示した光強度信号(撮影信号)で構成される、2次元平面状のフレームを生成し、制御部240に出力する。本実施形態のイメージセンサ220は、読み出し可能な単位時間毎に、当該フレームを出力する。
本実施形態の制御部240は、例えばCPU、ROM、及びRAM等で構成され、ROMに格納された検査プログラムを実行することで、転送部241と、読出部242と、強度画像用重畳部243と、第1の乗算器244と、第1の相関画像用重畳部245と、第2の乗算器246と、第2の相関画像用重畳部247と、第3の乗算器248と、第3の相関画像用重畳部249と、第4の乗算器250と、第4の相関画像用重畳部251と、画像出力部252と、を実現する。なお、CPU等で実現することに制限するものではなく、FPGA、またはASICで実現してもよい。
転送部241は、イメージセンサ220から出力された、光強度信号で構成されたフレームを、データバッファ230に、時系列順に蓄積する。
データバッファ230は、イメージセンサ220から出力された、光強度信号で構成されたフレームを、時系列順に蓄積する。
図3は、本実施形態の時間相関カメラ110で時系列順に蓄積されたフレームを表した概念図である。図3に示されるように、本実施形態のデータバッファ230には、時刻t(t=t0,t1,t2,……,tn)毎の複数の光強度信号G(1,1,t),……,G(i,j,t),……,G(X,Y,t)の組み合わせで構成された複数のフレームFk(k=1,2,……,n)が、時系列順に蓄積される。なお、時刻tで作成される一枚のフレームは、光強度信号G(1,1,t),……,G(i,j,t),……,G(X,Y,t)で構成される。
本実施形態の光強度信号(撮像信号)G(1,1,t),……,G(i,j,t),……,G(X,Y,t)には、フレーム画像Fk(k=1,2,……,n)を構成する各画素P(1,1),……,P(i,j),……,P(X,Y)が対応づけられている。
イメージセンサ220から出力されるフレームは、光強度信号のみで構成されており、換言すればモノクロの画像データとも考えることができる。なお、本実施形態は、解像度、感度、及びコスト等を考慮して、イメージセンサ220がモノクロの画像データを生成する例について説明するが、イメージセンサ220としてモノクロ用のイメージセンサに制限するものではなく、カラー用のイメージセンサを用いてもよい。
図2に戻り、本実施形態の読出部242は、データバッファ230から、光強度信号G(1,1,t),……,G(i,j,t),……,G(X,Y,t)をフレーム単位で、時系列順に読み出して、第1の乗算器244と、第2の乗算器246と、強度画像用重畳部243と、に出力する。
本実施形態の時間相関カメラ110は、読出部242の出力先毎に画像データを生成する。換言すれば、時間相間カメラ110は、複数種類の画像データを作成する。
本実施形態の時間相関カメラ110は、複数種類の画像データとして、強度画像データと、複数種類の時間相関画像データと、を生成する。本実施形態では、検査を行う方向(x方向及びy方向)毎に、それぞれ2種類の時間相関画像データを作成する例について説明する。なお、本実施形態は、強度画像データと、検査を行う方向毎に2種類の時間相関画像データと、を生成する例について説明するが、このような種類の画像データを生成することに制限するものではなく、強度画像データを生成しない場合や、検査を行う方向毎に1種類又は3種類以上の時間相関画像データを生成する場合も考えられる。
本実施形態のイメージセンサ220は、上述したように単位時間毎に、光強度信号で構成されたフレームを出力している。しかしながら、通常の画像データを生成するためには、撮影に必要な露光時間分の光強度信号が必要になる。そこで、本実施形態では、強度画像用重畳部243が、撮影に必要な露光時間分の複数のフレームを重畳して、強度画像データを生成する。なお、強度画像データの各画素値(光の強度を表す値)G(x,y)は、以下に示す式(1)から導き出すことができる。なお、露光時間は、t0とtnの時間差とする。
これにより、従来のカメラの撮影と同様に、被写体(被検査体を含む)が撮影された強度画像データが生成される。そして、強度画像用重畳部243は、生成した強度画像データを、画像出力部252に出力する。
時間相関画像データは、時間遷移に応じた光の強弱の変化を示す画像データである。つまり、本実施形態では、時系列順のフレーム毎に、当該フレームに含まれる光強度信号に対して、時間遷移を示した参照信号を乗算し、参照信号と光強度信号と乗算結果である時間相関値で構成された、時間相関値フレームを生成し、複数の時間相関値フレームを重畳することで、時間相関画像データを生成する。本実施形態では、検査を行う方向毎に異なる参照信号を用いて、当該方向毎に時間相関画像データを生成する。
ところで、時間相関画像データを用いて、被検査体の異常を検出するためには、イメージセンサ220に入力される光強度信号を、参照信号に同期させて変化させる必要がある。このために、照明装置120が、上述したように、スクリーン130を介して周期的に時間変化および縞の空間的な移動を与えるような、面的な光の照射を行うこととした。
本実施形態では、検査を行う方向毎に、2種類の時間相関画像データを生成する。参照信号は、時間遷移を表した信号であればよいが、本実施形態では、複素正弦波e-jωtを用いる。なお、角周波数ω、時刻tとする。参照信号を表す複素正弦波e-jωtが、上述した露光時間(換言すれば強度画像データ、時間相関画像を生成するために必要な時間)の一周期と相関をとるように、角周波数ωが設定されるものとする。換言すれば、照明装置120およびスクリーン130等の照明部によって形成された面的かつ動的な光は、被検査体150の表面(反射面)の各位置で第一の周期(時間周期)での時間的な照射強度の変化を与えるとともに、表面に沿った少なくとも一方向に沿った第二の周期(空間周期)での空間的な照射強度の増減分布を与える。この面的な光は、表面で反射される際に、当該表面のスペック(法線ベクトルの分布等)に応じて複素変調される。時間相関カメラ110は、表面で複素変調された光を受光し、第一の周期の参照信号を用いて直交検波(直交復調)することにより、複素信号としての時間相関画像データを得る。このような複素時間相関画像データに基づく変復調により、表面の法線ベクトルの分布に対応した特徴を検出することができる。
複素正弦波e-jωtは、e-jωt=cos(ωt)−j・sin(ωt)と表すこともできる。従って、時間相関画像データの各画素値C(x,y)は、以下に示す式(2)から導き出すことができる。
本実施形態では、式(2)において、実数部を表す画素値C1(x,y)と、虚数部を表す画素値C2(x,y)と、に分けて2種類の時間相関画像データを生成する。
このため、第1の参照信号出力部260は、検査を行う1方向(x方向)用に、第1の乗算器244と、第2の乗算器246と、に対してそれぞれ異なる参照信号を生成し、出力する。x方向の角周波数をω1とした場合に、本実施形態の第1の参照信号出力部260は、複素正弦波e-jω1tの実数部に対応する第1の参照信号cosω1tを第1の乗算器244に出力し、複素正弦波e-jω1tの虚数部に対応する第2の参照信号sinω1tを第2の乗算器246に出力する。このように本実施形態の第1の参照信号出力部260は、互いにヒルベルト変換対をなす正弦波および余弦波の時間関数として表される2種類の参照信号を出力する例について説明するが、参照信号は時間関数のような時間遷移に応じて変化する参照信号であればよい。
そして、第1の乗算器244は、読出部242から入力されたフレーム単位で、当該フレームの光強度信号毎に、第1の参照信号出力部260から入力された複素正弦波e-jω1tの実数部cosω1tを乗算する。
第1の相関画像用重畳部245は、撮影に必要な露光時間分の複数のフレームについて、第1の乗算器244の乗算結果を画素毎に重畳する処理を行う。これにより、第1の時間相関画像データの各画素値C1(x,y)が、以下の式(3)から導出される。
そして、第2の乗算器246は、読出部242から入力されたフレームの光強度信号に対して、第1の参照信号出力部260から入力された複素正弦波e-jω1tの虚数部sinω1tを乗算する。
第2の相関画像用重畳部247は、撮影に必要な露光時間分の複数のフレームについて、第2の乗算器246の乗算結果を画素毎に重畳する処理を行う。これにより、第2の時間相関画像データの各画素値C2(x,y)が、以下の式(4)から導出される。
上述した処理を行うことで、x方向の検査用に2種類の時間相関画像データ、換言すれば2自由度を有する時間相関画像データを生成できる。
また、第2の参照信号出力部261は、検査を行う他方向(y方向)用に、第3の乗算器248と、第4の乗算器250と、に対してそれぞれ異なる参照信号を生成し、出力する。y方向の角周波数をω2とした場合に、本実施形態の第2の参照信号出力部261は、複素正弦波e-jω2tの実数部に対応する第1の参照信号cosω2tを第3の乗算器248に出力し、複素正弦波e-jω2tの虚数部に対応する第4の参照信号sinω2tを第4の乗算器250に出力する。
なお、第3の乗算器248、第3の相関画像用重畳部249、第4の乗算器250、及び第4の相関画像用重畳部251が行う処理は、角周波数が異なること以外、第1の乗算器244、第1の相関画像用重畳部245、第2の乗算器246、及び第2の相関画像用重畳部247と同様として、説明を省略する。
また、本実施形態は、参照信号の種類を制限するものでない。例えば、本実施形態では、複素正弦波e-jωtの実部と虚部の2種類の時間相関画像データを作成するが、光の振幅と、光の位相と、による2種類の画像データを生成してもよい。
なお、本実施形態の時間相関カメラ110は、時間相関画像データとして、複数系統分作成可能とする。これにより、例えば複数種類の幅の縞が組み合わされた光が照射された際に、上述した実部と虚部とによる2種類の時間相関画像データを、縞の幅毎に作成可能とする。本実施形態の時間相関カメラ110は、2個の乗算器と2個の相関画像用重畳部とからなる組み合わせを、x方向の縞とy方向の縞とによる、少なくとも二系統以上の複数系統分備えるとともに、第1の参照信号出力部260及び第2の参照信号出力部261は、系統毎に適した角周波数による参照信号を出力可能とする。
そして、画像出力部252が、検査を行う方向(x方向及びy方向の各々)毎に2種類の時間相関画像データと、強度画像データと、をPC100に出力する。これにより、PC100が、複数種類の時間相関画像データと、強度画像データと、を用いて、被検査体の異常を検出する。そのためには、被写体に対して光を照射する必要がある。
本実施形態の照明装置120は、高速に移動する格子パターンを照射する。格子パターンとは、第1の方向成分の縞パターンと、当該第1の方向成分に交差する第2の方向成分の縞パターンとを重畳したパターンとする。まずは、格子パターンに重畳される縞パターンについて説明する。
図4は、縞パターンの一例を示した図である。図4に示す例では、縞パターンをx方向にスクロール(移動)させている例とする。白い領域が縞に対応した明領域、黒い領域が縞と縞との間に対応した間隔領域(暗領域)である。
例えば、時間相関カメラ110が強度画像データ及び時間相関画像データを撮影する露光時間で、照明装置120が照射する縞パターンを一周期分移動させる。これにより、照明装置120は、光の強度の縞パターンの空間的な移動により光の強度の周期的な時間変化を与える。本実施形態では、図4の縞パターンが一周期分移動する時間を、露光時間と対応させることで、時間相関画像データの各画素には、少なくとも、縞パターン一周期分の光の強度信号に関する情報が埋め込まれる。
図4に示される例では、矩形波に基づく縞パターンを照射する例について説明するが、矩形波以外を用いてもよい。本実施形態では、照明装置120がスクリーン130を介して照射されることで、矩形波の明暗の境界領域をぼかすことができる。
本実施形態では、縞パターンをA(1+cos(ωt+kx)と表す。すなわち、縞パターンには、複数の縞が反復的に(周期的に)含まれる。なお、被検査体に照射される光の強度は0〜2Aの間で調整可能とし、光の位相kxとする。kは、縞の波数である。xは、位相が変化する方向である。
そして、フレームの各画素の光強度信号f(x,y,t)の基本周波数成分は、以下の式(5)として表すことができる。式(5)で示されるように、x方向で縞の明暗が変化する。
f(x,y,t)=A(1+cos(ωt+kx))
=A+A/2{ej(ωt+kx)+e-j(ωt+kx)}……(5)
式(5)で示されるように、照明装置120が照射する縞パターンの強度信号は、複素数として考えることができる。
そして、イメージセンサ220には、当該照明装置120からの光が被写体(被検査体を含む)から反射して入力される。
したがって、イメージセンサ220に入力される光強度信号G(x,y,t)を、照明装置120が照射された際のフレームの各画素の光強度信号f(x,y,t)とできる。そこで、強度画像データを導出するための式(1)に式(5)を代入すると、式(6)を導出できる。なお、位相kxとする。
式(6)から、強度画像データの各画素には、露光時間Tに、照明装置120が出力している光の強度の中間値Aを乗じた値が入力されていることが確認できる。さらに、時間相関画像データを導出するための式(2)に式(5)を代入すると、式(7)を導出できる。なお、AT/2を振幅とし、kxを位相とする。
これにより、式(7)で示された複素数で示された時間相関画像データは、上述した2種類の時間相関画像データと置き換えることができる。つまり、上述した実部と虚部とで構成される時間相関画像データには、被検査体に照射された光強度変化における位相変化と振幅変化とが含まれている。換言すれば、本実施形態のPC100は、2種類の時間相関画像データに基づいて、照明装置120から照射された光の位相変化と、光の振幅変化と、を検出できる。そこで、本実施形態のPC100が、時間相関画像データ及び強度画像データに基づいて、画素毎に入る光の振幅を表した振幅画像データと、画素毎に入る光の位相変化を表した位相画像データと、を生成する。
さらに、PC100は、生成した振幅画像データと位相画像データとに基づいて、被検査体の異常を検出する。
ところで、被検査体の表面形状に凹凸に基づく異常が生じている場合、被検査体の表面の法線ベクトルの分布には異常に対応した変化が生じている。また、被検査体の表面に光を吸収するような異常が生じている場合、反射した光の強度に変化が生じる。法線ベクトルの分布の変化は、光の位相変化及び振幅変化のうち少なくともいずれか一つとして検出される。そこで、本実施形態では、時間相関画像データ及び強度画像データを用いて、法線ベクトルの分布の変化に対応した、光の位相変化及び振幅変化のうち少なくともいずれか一つを検出する。これにより、表面形状の異常を検出可能となる。次に、被検査体の異常、法線ベクトル、及び光の位相変化又は振幅変化の関係について説明する。
図5は、第1の実施形態の時間相関カメラ110による、被検査体の異常の第1の検出例を示した図である。図5に示される例では、被検査体500に突形状の異常501がある状況とする。当該状況においては、異常501の点502の近傍領域においては、法線ベクトル521、522、523が異なる方向を向いていることを確認できる。そして、当該法線ベクトル521、522、523が異なる方向を向いていることで、異常501から反射した光に拡散(例えば、光511、512、513)が生じ、時間相関カメラ110のイメージセンサ220の任意の画素531に入る縞パターンの幅503が広くなる。
図6は、図5に示される異常501が被検査体500にある場合に、当該異常に応じて変化する、光の振幅の例を表した図である。図6に示される例では、光の振幅を実部(Re)と、虚部(Im)に分けて2次元平面上に表している。図6では、図5の光511、512、513に対応する光の振幅611、612、613として示している。そして、光の振幅611、612、613は互いに打ち消し合い、イメージセンサ220の当該任意の画素531には、振幅621の光が入射する。
したがって、図6に示される状況で、検査体500の異常501が撮像された領域で振幅が小さいことが確認できる。換言すれば、振幅変化を示した振幅画像データで、周囲と比べて暗くなっている領域がある場合に、当該領域で光同士の振幅の打ち消し合いが生じていると推測できるため、当該領域に対応する被検査体500の位置で異常501が生じていると判断できる。
本実施形態の検査システムは、図5の異常501のように傾きが急峻に変化しているものに限らず、緩やかに変化する異常も検出できる。図7は、第1の実施形態の時間相関カメラ110による、被検査体の異常の第2の検出例を示した図である。図7に示される例では、正常な場合は被検査体の表面が平面(換言すれば法線が平行)となるが、被検査体700に緩やかな勾配701が生じた状況とする。このような状況においては、勾配701上の法線ベクトル721、722、723も同様に緩やかに変化する。したがって、イメージセンサ220に入力する光711、712、713も少しずつずれていく。図7に示される例では、緩やかな勾配701のために光の振幅の打ち消し合いは生じないため、図5、図6で表したような光の振幅はほとんど変化しない。しかしながら、本来スクリーン130から投影された光が、そのままイメージセンサに平行に入るはずが、緩やかな勾配701のために、スクリーン130から投影された光が平行の状態でイメージセンサに入らないために、光に位相変化が生じる。従って、光の位相変化について、周囲等との違いを検出することで、図7に示したような緩やかな勾配701による異常を検出できる。
また、被検査体の表面形状(換言すれば、被検査体の法線ベクトルの分布)以外にも異常が生じる場合がある。図8は、第1の実施形態の時間相関カメラ110による、被検査体の異常の第3の検出例を示した図である。図8に示される例では、被検査体800に汚れ801が付着しているため、照明装置120から照射された光が吸収あるいは拡散反射し、時間相関カメラ110の、汚れ801を撮影している任意の画素領域では光がほとんど強度変化しない例を表している。換言すれば、汚れ801を撮影している任意の画素領域では、光強度は位相打ち消しを起こし振動成分がキャンセルされ、ほとんど直流的な明るさになる例を示している。
このような場合、汚れ801を撮影している画素領域においては、光の振幅がほとんどないため、振幅画像データを表示した際に、周囲と比べて暗くなる領域が生じる。したがって、当該領域に対応する被検査体800の位置に、汚れ等の異常801があることを推定できる。
このように、本実施形態では、時間相関画像データに基づいて、光の振幅の変化と、光の位相の変化と、を検出することで、被検査体に異常があることを推定できる。
ところで、所定の方向に縞パターンを移動させた例では、当該所定の方向に法線の分布が変化する異常(欠陥)が被検査体に生じている場合に、欠陥を検出できる。しかしながら、所定の方向に直交する方向で法線の分布が変化する異常(欠陥)が被検査体に生じている場合、所定の方向の縞パターンを移動させるよりも、当該所定の方向に直交する方向に縞パターンを移動させる方が欠陥の検出が容易になる。
図9は、異常(欠陥)901を含めた表面に縞パターンを照射した例を示した図である。図9に示す例では、異常(欠陥)901が、x方向に延びている。照明制御部102は、x方向に交差するy方向、換言すれば異常(欠陥)901の長手方向に交差する方向に縞パターンが移動した方が当該異常(欠陥)901の検出精度を向上させることができる。
このため、x方向に延びている異常(欠陥)と、y方向に延びている異常(欠陥)と、の両方を検出したい場合に、縞パターンをx方向及びy方向に移動させる必要がある。
そこで、本実施形態では、x方向に移動する縞パターンと、x方向に交差するy方向に移動する縞パターンとを、組み合わせた格子パターンを、x方向とy方向とを組み合わせた斜め方向に移動させることとした。
図10は、第1の縞パターンと、第2の縞パターンと、を重畳する例を示した図である。図10に示されるように、第1の縞パターンを示す画像データ1001と、当該第1の縞パターンと縞が交差するように縞が配置された第2の縞パターンを示す画像データ1002と、を重畳する際、ビット毎に行う演算として、論理和、論理積、及び排他的論理和が考えられる。
論理積で演算した画像データ1011においては、黒の面積が白の面積と比べて広い。また、論理和で演算した画像データ1012においては、白の面積が黒の面積と比べて広い。このように、画像データのうち、一方の色の面積が他方の色の面積より広い場合、当該画像データを一周期分移動させても、一方の色が表示されている期間が長くなるため、異常(欠陥)の検出が難しくなる可能性もある。
そこで、本実施形態では、排他的論理和で演算した画像データ1013を、照明制御部102が照射することとした。
本実施形態の照明制御部102は、第1の方向の縞パターンと、第2の方向の縞パターンと、を排他的論理和演算で重畳することで、生成される、白の格子と、黒の格子と、が交互に配置された、格子パターン、いわゆる市松(チェッカー)模様の画像データを表示する。なお、本実施形態では、各格子の辺の長さが同じ場合について説明するが、第1の方向の辺と、当該第1の方向に交差する第2の方向の辺の長さを異ならせても良い。
ところで、本実施形態の照明制御部102の制御に従って、照明装置120およびスクリーン130等の照明部によって形成された面的かつ動的な光は、被検査体150の表面(反射面)の各位置における時間的な照射照度の変化を次の式(8)で示すことができる。
f(x,y,t)=cos(ω1・t+k1・x)+cos(ω2・t+k2・y)……(8)
なお、xがx方向の位置座標であり、yがy方向の位置座標とする。そして、ω1がx方向の角周波数であって、k1・xをx方向の初期位相とする。そして、ω2がy方向の角周波数であって、k2・yをy方向の初期位相とする。
本実施形態では、時間的な照射強度の変化を、白と黒の2値で示している。そこで、式(8)で示される値が正か負かに応じて、黒か白かが設定される。図11は、式(8)の計算結果に応じて、表示される色を特定するプログラムの例を示した図である。図11に示される例では、f(x,y,t)の演算結果が0より小さい場合に、‘1’、換言すれば白が表示され、0以上の場合に、‘0’、換言すれば黒が表示されることを示している。
そして、x方向、及びy方向についてそれぞれ異常(欠陥)を検出するためには、x方向、及びy方向について異なる角周波数を設定する必要がある。そこで、本実施形態では、x方向に照射照度の変化が一周期する間に、y方向に照射照度が複数周期変化するように、角周波数ω1、ω2を設定する。
図12は、第1の実施形態の照明装置に出力する格子パターンの例を示した図である。図12(B)に示す矩形波に従って、図12(A)に示す黒領域と白領域とが設定された格子パターンが出力されるように、照明制御部102が制御を行う。
本実施形態で照射する格子パターン毎の格子の間隔は、検出対象となる異常(欠陥)の大きさに応じて設定されるものとしてここでは詳しい説明を省略する。
上述したように、時間相関カメラ110が、x方向の縞パターンに対応する角周波数ω1に基づいた参照信号を用いて、x方向の縞パターンに対応する時間相関画像データを生成している。さらに、時間相関カメラ110が、y方向の縞パターンに対応する角周波数ω2に基づいた参照信号を用いて、y方向の縞パターンに対応する時間相関画像データを生成している。
そこで、PC100の制御部103は、y方向の縞パターンに対応する時間相関画像データに基づいて、異常検出を行った後、y方向の縞パターンに対応する時間相関画像データに基づいて、異常検出を行う。これにより、欠陥の生じた方向を問わずに検出が可能となり、異常(欠陥)の検出精度を向上させることができる。
図12に示されるように、照明制御部102が出力する格子パターンは、矩形波として示すことができるが、スクリーン130を介することで、格子パターンの境界領域をぼかす、すなわち、格子パターンにおける明領域(格子の領域)と暗領域(間隔の領域)との境界での光の強度変化を緩やかにする(鈍らせる)ことで、正弦波に近似させることができる。図13は、第1の実施形態のスクリーン130を介した後の格子パターンを表した波の形状の例を示した図である。図13に示されるように波の形状が、正弦波に近づくことで、計測精度を向上させることができる。また、格子に明度が多段階に変化するグレー領域を追加したり、グラデーションを与えたりしてもよい。また、カラーの格子を含む格子パターンを用いてもよい。
図1に戻り、PC100について説明する。PC100は、検出システム全体の制御を行う。PC100は、移動機構制御部101と、照明制御部102と、制御部103と、記憶部109と、を備える。記憶部109は、演算処理に用いられるデータや、演算処理結果等を記憶する。
移動機構制御部101は、被検査体150の時間相関カメラ110による撮影対象となる表面を変更するために、移動機構140を制御する。移動機構140は、例えば、ロボットアームである。本実施形態では、PC100において、被検査体150の撮影対象となる表面を複数設定しておく。そして、時間相関カメラ110が被検査体150の撮影が終了する毎に、移動機構制御部101が、当該設定に従って、時間相関カメラ110が設定された表面を撮影できるように、移動機構140が被検査体150を移動させる。なお、本実施形態は撮影が終了する毎に移動機構140を移動させ、撮影が開始する前に停止させることを繰り返すことに制限するものではなく、継続的に移動機構140を駆動させてもよい。なお、移動機構140は、搬送部、移動部、把持部、位置変更部、姿勢変更部等とも称されうる。
照明制御部102は、被検査体150を検査するために照明装置120が照射する格子パターンを出力する。本実施形態の照明制御部102は、複数の格子パターンを、照明装置120に受け渡し、当該格子パターンを露光時間中に切り替えて表示するように照明装置120に指示する。
制御部103は、振幅−位相画像生成部104と、異常検出処理部105と、を備え、時間相関カメラ110から入力された強度画像データと、時間相関画像データと、により、被検査体150の検査対象面の法線ベクトルの分布と対応した特徴であって、周囲との違いによって異常を検出する特徴を算出するための処理を行う。なお、本実施形態は、検査を行うために、複素数で示した時間相関画像データ(複素時間相関画像データと称す)の代わりに、複素時間相関画像データの実部と虚部とで分けた2種類の時間相関画像データを、時間相関カメラ110から受け取る。
振幅−位相画像生成部104は、時間相関カメラ110から入力された強度画像データと、時間相関画像データと、に基づいて、振幅画像データと、位相画像データと、を生成する。
振幅画像データは、画素毎に入る光の振幅を表した画像データとする。位相画像データは、画素毎に入る光の位相を表した画像データとする。
本実施形態は振幅画像データの算出手法を制限するものではないが、例えば、振幅−位相画像生成部104は、2種類の時間相関画像データの画素値C1(x,y)及びC2(x,y)から、式(9)を用いて、振幅画像データの各画素値F(x,y)を導き出せる。
そして、本実施形態では、振幅画像データの画素値(振幅)と、強度画像データの画素値と、に基づいて、異常が生じている領域があるか否かを判定できる。例えば、強度画像データの画素値(AT)を2で除算した値と、振幅画像データの振幅(打ち消し合いが生じない場合にはAT/2となる)と、がある程度一致する領域は異常が生じていないと推測できる。一方、一致していない領域については、振幅の打ち消しが生じていると推測できる。なお、具体的な手法については後述する。
同様に、振幅−位相画像生成部104は、画素値C1(x,y)及びC2(x,y)から、式(10)を用いて、位相画像データの各画素値P(x,y)を導き出せる。
異常検出処理部105は、振幅−位相画像生成部104により生成された振幅画像データ、及び位相画像データにより、検査対称面の法線ベクトルの分布と対応した特徴であって、周囲との違いによって、被検査体150の異常に関連する特徴を検出する。本実施形態では、法線ベクトルの分布に対応した特徴として、複素時間相関画像の振幅の分布を用いた例について説明する。なお、複素時間相関画像の振幅の分布とは、複素時間相関画像の各画素の振幅の分布を示したデータであり、振幅画像データに相当する。
次に、照明制御部102が出力する、格子パターンの画像データの移動制御に従って、変化する強度画像データ、及び振幅画像データについて説明する。まずは、移動制御の対象となる格子パターンの画像データについて説明する。
図14は、本実施形態の照明制御部102が照射する画像データを例示した図である。図14に示されるように、本実施形態は、x方向の縞パターンと、y方向の縞パターンと、を排他的論理和演算で重畳することで、生成される、白の格子と、黒の格子と、が交互に配置された、格子パターンであると共に、当該格子パターンに含まれる各々の格子が斜めに配置された画像データを表示する。
そして、照明制御部102は、当該画像データを、画像データに表された各格子の一方の対角の格子点を結ぶx方向1401に、各格子が移動すると共に、当該各格子の他方の対角の格子点を結ぶy方向1402に、各格子が移動するように、画像データの表示制御を行う。
その上で、照明制御部102は、x方向1401に(照射照度の変化が)一周期移動する間に、y方向1402に(照射照度の変化が)複数周期移動するように、画像データの表示制御を行う。
図15は、格子模様の画像データにおける複数の移動制御パターンを例示した図である。図15(A)は、x方向の移動速度vx:y方向の移動速度vy=1:2の場合を示している。図15(B)は、x方向の移動速度vx:y方向の移動速度vy=1:3の場合を示している。図15(C)は、x方向の移動速度vx:y方向の移動速度vy=1:4の場合を示している。図15(D)は、x方向の移動速度vx:y方向の移動速度vy=1:8の場合を示している。
このような移動制御を行った場合に生成される画像データについて説明する。
図16は、図15に示した画像データの移動制御を行った場合に生成される強度画像データを例示した図である。図16(A)は、vx:vy=1:2の場合に生成される強度画像データを示している。図16(B)は、vx:vy=1:3の場合に生成される強度画像データを示している。図16(C)は、vx:vy=1:4の場合に生成される強度画像データを示している。図16(D)は、vx:vy=1:8の場合に生成される強度画像データを示している。
図16に示される例では、vx:vy=1:2の場合の強度画像である図16(A)と、vx:vy=1:4の場合の強度画像である図16(C)と、に干渉による斜め方向の縞が視認できる。特に、図16(C)は、斜め方向の縞が、図16(A)より薄くなっている。
一方、vx:vy=1:3の場合の強度画像である図16(B)と、vx:vy=1:8の場合の強度画像である図16(D)と、において斜め方向の縞が見えない。つまり、Vyが、Vxの奇数倍であるか、8以上の偶数倍の場合に、干渉による斜め方向の縞が視認できないことを示している。このため、強度画像データを欠陥の検出に利用する場合には、VyがVxの奇数倍であるか、VyがVxの8以上の偶数倍であることが好ましい。
図17は、図15に示した画像データの移動制御を行った場合における、複素時間相関画像の振幅の分布を例示した図である。
図17(A)は、vx:vy=1:2の場合の複素時間相関画像の振幅の分布を、画素毎の明るさで示している。そして、[1]は、1フレームで参照信号が1周期変化した場合の振幅の分布を示している。[2]は、1フレームで参照信号が2周期変化した場合の振幅の分布を示している。[3]は、1フレームで参照信号が3周期変化した場合の振幅の分布を示している。[4]は、1フレームに参照信号が4周期変化した場合の振幅の分布を示している。
図17(A)に示されるように、vx:vy=1:2の場合、[1]でx方向による欠陥の検出が可能となり、[2]でy方向による欠陥の検出が可能となるが、実際には、[1]、[2]に、干渉による斜め方向の縞が含まれるため、欠陥の検出に用いるのは難しい。
図17(B)は、vx:vy=1:3の場合の複素時間相関画像の振幅の分布を、画素毎の明るさで示している。図17(B)の[1]〜[4]における、1フレームあたりの参照信号の周期は、図17(A)の[1]〜[4]と同様とする。図17(B)に示されるように、vx:vy=1:3の場合、[1]でx方向による欠陥の検出が可能となり、[3]でy方向による欠陥の検出が可能となるが、実際には、[1]、[3]において、干渉による斜め方向の縞が含まれるため、欠陥の検出に用いるのは難しい。
図17(C)は、vx:vy=1:4の場合の複素時間相関画像の振幅の分布を、画素毎の明るさで示している。図17(C)の[1]〜[4]における、1フレームあたりの参照信号の周期は、図17(A)の[1]〜[4]と同様とする。図17(C)に示されるように、vx:vy=1:4の場合、[1]及び[4]において干渉による斜め方向の縞が生じないため、[1]でx方向による欠陥の検出が可能となり、[4]でy方向による欠陥の検出が可能となる。
図17(D)は、vx:vy=1:8の場合の複素時間相関画像の振幅の分布を、画素毎の明るさで示している。図17(D)の[1]〜[3]における、1フレームあたりの参照信号の周期は、図17(A)の[1]〜[3]と同様とする。そして、[4]は、1フレームに参照信号が8周期変化した場合の振幅の分布を示している。
図17(D)に示されるように、vx:vy=1:8の場合、[1]及び[4]において干渉による斜め方向の縞が生じないため、[1]でx方向による欠陥の検出が可能となり、[4]でy方向による欠陥の検出が可能となる。
図16で示した強度画像においては、vx:vy=1:3の場合、及びvx:vy=1:8の場合において、欠陥の検出に好ましく、図17で示した複素時間相関画像の振幅の分布においては、vx:vy=1:4の場合、及びvx:vy=1:8の場合において、欠陥の検出に好ましい。そこで、本実施形態では、両方の画像で欠陥の検出に好ましいと判断された、vx:vy=1:8で欠陥の検出を行うものとする。
なお、本実施形態では、vx:vy=1:8で欠陥の検出を行う例について説明するが、
vx:vy=1:8に制限するものではなく、vx:vy=1:10以上の偶数でも良い。
本実施形態では、格子パターンに含まれる格子が正方形の場合とする。ところで、格子パターンに含まれる格子が正方形で、vx:vy=1:8である場合とは、換言すれば、x方向で光の強度が一周期分変化している間に、y方向で光の強度が8周期分変化していれば良いことを意味する。
例えば、vx:vy=1:1であって、x方向の対角線の長さ:y方向の対角線の長さ=8:1となるひし形の格子を表示させても良い。他の例としては、vx:vy=1:2であって、x方向の対角線の長さ:y方向の対角線の長さ=4:1となるひし形の格子を表示させても良い。このように、速度vx、vyと、格子のパターンと、様々な組み合わせが考えられる。また、本実施形態では、x方向で明るさが一周期分変化している間に、y方向で明るさが8周期分変化している例とするが、方向毎の明るさが変化する周期の比を1:8に制限するものではなく、例えば、1:10以上等であっても良い。
次に、本実施形態の異常検出処理部105における振幅に基づく異常検出処理について説明する。図18は、本実施形態の異常検出処理部105における当該処理の手順を示すフローチャートである。
まず、異常検出処理部105は、振幅画像データの各画素に格納された、光の振幅値(を表した画素値)から、当該画素を基準(例えば中心)として、N×N領域の重み付け平均振幅値を減算し(ステップS1801)、振幅の平均差分画像データを生成する。振幅の平均差分画像データは、振幅の勾配に対応する。なお、整数Nは実施の態様に応じて適切な値が設定されるものとする。
次に、異常検出処理部105は、減算により生成された振幅の平均差分画像データに対して、予め定められた振幅の閾値を用いたマスク処理を行う(ステップS1802)。
さらに、異常検出処理部105は、平均差分画像データのマスク領域内について画素毎に標準偏差を算出する(ステップS1803)。なお、本実施形態では、標準偏差に基づいた手法について説明するが、標準偏差を用いた場合に制限するものではなく、例えば平均値等を用いてもよい。
そして、異常検出処理部105は、平均を引いた振幅画素値が−4.5σ(σ:標準偏差)より小さい値の画素を、異常(欠陥)がある領域として検出する(ステップS1804)。
上述した処理手順により、各画素の振幅値(換言すれば、振幅の分布)から、被検査体の異常を検出できる。しかしながら、本実施形態は、複素時間相関画像の振幅の分布から異常を検出することに制限するものではない。検査対称面の法線ベクトルの分布と対応した特徴として、位相の分布の勾配を用いてもよい。そこで、次に位相の分布の勾配を用いた例について説明する。
次に、本実施形態の異常検出処理部105における位相に基づく異常検出処理について説明する。図19は、本実施形態の異常検出処理部105における当該処理の手順を示すフローチャートである。
まず、異常検出処理部105は、位相画像データの画素毎の光の位相値(を表した画素値)から、当該画素を基準(例えば中心)として、N×N領域の平均位相値を減算し(ステップS1901)、位相の平均差分画像データを生成する。位相の平均差分画像データは、位相の勾配に対応する。
次に、異常検出処理部105は、減算により生成された位相の平均差分画像データの大きさ(絶対値)と、閾値とを比較し、平均差分画像データの大きさが閾値以上となる画素を、異常(欠陥)のある画素として検出する(ステップS1902)。
このS1202の検出結果により、異常検出処理部105は、平均差分画像データの正負、すなわち、画素の位相値と平均位相値との大小関係によって、凹凸を判別することができる(ステップS1903)。画素の位相値と平均位相値とのどちらが大きい場合に凸となるかは、各部の設定によって変化するが、大小関係が異なると、凹凸が異なる。
なお、他の手法によって得られた位相の分布の勾配から、異常を検出することができる。例えば、異常検出処理部105は、別の手法として、正規化された時間相関画像データのN×Nの領域の平均ベクトルと、正規化された各画素のベクトルとの差の大きさが、閾値よりも大きい場合に、異常(欠陥)がある画素として検出することができる。また、位相の分布の勾配に限られず、位相の分布に対応する情報に基づいて被検査体の異常を検出すればよい。
次に、本実施形態の異常検出処理部105における振幅および強度に基づく異常検出処理について説明する。図20は、本実施形態の異常検出処理部105における当該処理の手順を示すフローチャートである。
まず、異常検出処理部105は、時間相関画像データと強度画像データとから、各画素について、次の式(100)を用いて、振幅(を表す画素値)C(x,y)(式(7)参照)と強度(を表す画素値)G(x,y)(式(6)参照)との比R(x,y)を算出する(ステップS2001)。
R(x,y)=C(x,y)/G(x,y)……(100)
次に、異常検出処理部105は、比R(x,y)と閾値とを比較し、比R(x,y)の値が対応する閾値以下となる画素を、異常(欠陥)のある画素として検出する(ステップS2002)。また、異常検出処理部105は、比R(x,y)と閾値とを比較し、比R(x,y)の値が対応する別の閾値以上となる画素を、ムラ(汚れ等)のある画素として検出する(ステップS2003)。法線ベクトルの分布の異常により、振幅の打ち消し合い(減殺)が顕著となった場合には、強度に比べて振幅がより大きく下がる。一方、法線ベクトルの分布にはそれほどの異常は無いものの被検査体150の表面の汚れ等によって光の吸収が顕著となった場合には、振幅に比べて強度がより大きく下がる。よって、異常検出処理部105は、ステップS2002およびステップS2003による異常種別の検出が可能となる。
次に、本実施形態の検査システムにおける被検査体の検査処理について説明する。図21は、本実施形態の検査システムにおける上述した処理の手順を示すフローチャートである。なお、被検査体150は、すでに移動機構140に固定された状態で、検査の初期位置に配置されているものとする。
本実施形態のPC100が、照明装置120に対して、被検査体を検査するための格子パターンを出力する(ステップS2101)。
照明装置120は、PC100から入力された格子パターンを格納する(ステップS2121)。そして、照明装置120は、格納された格子パターンを、時間遷移に従って変化するように表示する(ステップS2122)。なお、照明装置120が表示を開始する条件は、格子パターンが格納された際に制限するものではなく、例えば検査者が照明装置120に対して開始操作を行った際でもよい。
そして、PC100の制御部103が、時間相関カメラ110に対して、撮影の開始指示を送信する(ステップS2102)。
次に、時間相関カメラ110が、送信されてきた撮影指示に従って、被検査体150を含む領域について撮像を開始する(ステップS2111)。次に、時間相関カメラ110の制御部240が、強度画像データと、時間相関画像データと、を生成する(ステップS2112)。そして、時間相関カメラ110の制御部240が、強度画像データと、時間相関画像データと、を、PC100に出力する(ステップS2113)。
PC100の制御部103は、強度画像データと、時間相関画像データと、を受け取る(ステップS2103)。そして、振幅−位相画像生成部104は、受け取った強度画像データと時間相関画像データとから、振幅画像データと、位相画像データとを生成する(ステップS2104)。
そして、異常検出処理部105が、振幅画像データと、位相画像データとに基づいて、被検査体の異常検出制御を行う(ステップS2105)。そして、異常検出処理部105は、異常検出結果を、PC100が備える(図示しない)表示装置に出力する(ステップS2106)。
異常検出結果の出力例としては、強度画像データを表示するとともに、振幅画像データと位相画像データとに基づいて異常が検出された領域に対応する、強度画像データの領域を、検査者が異常を認識できるように装飾表示するなどが考えられる。また、視覚に基づく出力に制限するものではなく、音声等で異常が検出されたことを出力してもよい。
制御部103は、当該被検査体の検査が終了したか否かを判定する(ステップS2107)。検査が終了していないと判定した場合(ステップS2107:No)、移動機構制御部101が、予め定められた設定に従って、次の検査対象となる被検査体の表面が、時間相関カメラ110で撮影できるように、アームの移動制御を行う(ステップS2108)。アームの移動制御が終了した後、制御部103が、再び時間相関カメラ110に対して、撮影の開始指示を送信する(ステップS2102)。
一方、制御部103は、当該被検査体の検査が終了したと判定した場合(ステップS2107:Yes)、終了指示を時間相関カメラ110に対して出力し(ステップS2109)、処理を終了する。
そして、時間相関カメラ110は、終了指示を受け付けたか否かを判定する(ステップS2114)。終了指示を受け付けていない場合(ステップS2114:No)、再びステップS2111から処理を行う。一方、終了指示を受け付けた場合(ステップS2114:Yes)、処理を終了する。
なお、照明装置120の終了処理は、検査者が行ってもよいし、他の構成からの指示に従って終了してもよい。
また、本実施形態では、時間相関カメラ110を用いて生成された強度画像データと、時間相関画像データと、を生成する例について説明した。しかしながら、強度画像データと、時間相関画像データと、を生成するために時間相関カメラ110を用いることに制限するものではなく、アナログ的な処理で実現可能な時間相関カメラや、それと等価な動作をする撮像システムを用いてもよい。例えば、通常のデジタルスチルカメラが生成した画像データを出力し、情報処理装置が、デジタルスチルカメラが生成した画像データを、フレーム画像データとして用いて参照信号を重畳することで、時間相関画像データを生成してもよいし、イメージセンサ内で光強度信号に参照信号を重畳するようなデジタルカメラを用いて、時間相関画像データを生成してもよい。
(変形例1)
本実施形態では、周囲との違いに基づいて、異常に関連する特徴を検出する例について説明したが、周囲との違いに基づいて当該特徴を検出することに制限するものではなく、参照形状のデータ(参照データ、例えば、時間相関データや、振幅画像データ、位相画像データ等)との差異に基づいて当該特徴を検出してもよい。この場合、参照データの場合とで、空間位相変調照明(格子パターン)の位置合わせおよび同期が必要となる。
本変形例では、異常検出処理部105が、予め記憶部109に記憶された、参照表面から得られた振幅画像データ及び位相画像データと、被検査体150の振幅画像データ及び位相画像データと、を比較し、被検査体150の表面と参照表面との間で、光の振幅及び光の位相とのうちいずれか一つ以上について所定の基準以上の違いがあるか否かを判定する。
本変形例は、第1の実施形態と同じ構成の検査システムを用い、参照表面として正常な被検査体の表面を用いる例とする。
照明装置120がスクリーン130を介して格子パターンパターンを照射している間に、時間相関カメラ110が、正常な被検査体の表面を撮像し、時間相関画像データを生成する。そして、PC100が、時間相関カメラ110で生成された時間相関画像データを入力し、振幅画像データ及び位相画像データを生成し、PC100の記憶部109に振幅画像データ及び位相画像データを記憶させておく。そして、時間相関カメラ110が、異常が生じているか否か判定したい被検査体を撮像し、時間相関画像データを生成する。そして、PC100が、時間相関画像データから、振幅画像データ及び位相画像データを生成した後、記憶部109に記憶されていた、正常な被検査体の振幅画像データ及び位相画像データと比較する。その際に、正常な被検査体の振幅画像データ及び位相画像データと、検査対象の被検査体の振幅画像データ及び位相画像データと、の比較結果を、異常を検出する特徴を示したデータとして出力する。そして、異常を検出する特徴が、当該所定の基準以上の場合に、被検査体150に対して異常があると推測できる。
これにより、本変形例では、正常な被検査体の表面と差異が生じているか否か、換言すれば、被検査体の表面に異常が生じているか否かを判定できる。なお、振幅画像データ及び位相画像データの比較手法は、どのような手法を用いてもよいので、説明を省略する。
さらに、本変形例では参照表面との違いに基づいて、異常を検出する特徴を示したデータを出力する例について説明したが、参照表面との違いと、第1の実施形態で示した周囲との違いと、を組み合わせて、異常を検出する特徴を算出してもよい。組み合わせる手法は、どのような手法を用いてもよいので、説明を省略する。
本実施形態では、格子パターンの一辺の長さと、当該一辺に垂直な他辺の長さとを、同じにして、移動速度を異ならせる例について説明した。しかしながら、このような手法に制限するものではない。例えば、x方向に対応する時間相関画像データと、y方向に対応する時間相関画像データと、を生成する際に、方向毎に縞パターンによる光の強度の変化の周期(周波数)が変化すればよい。例えば、方向に応じて参照信号を異ならせるように、格子パターンの一辺の長さと、当該一辺に垂直な他辺の長さとを、異ならせても良い。
本実施形態では、光の強度の違いによって生じる格子パターンを表示する例について説明したが、格子パターンを光の強度の違いに制限するものではなく、光の変化であれば良い。
上述した実施形態のPC100で実行される検査プログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでCD−ROM、フレキシブルディスク(FD)、CD−R、DVD(Digital Versatile Disk)等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供される。
また、上述した実施形態のPC100で実行される検査プログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。また、上述した実施形態のPC100で実行される検査プログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成してもよい。
本発明のいくつかの実施形態及び変形例を説明したが、これらの実施形態及び変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態及び変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。