表面形状的评价方法和表面形状的评价装置的制作方法

专利名称：表面形状的评价方法和表面形状的评价装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种表面形状的评价方法和表面形状的评价装置。
背景技术：
作为检查物体的表面形状的方法，存在如下一种方法(例如参照专利文献1)向被检查物体照射具有周期性亮暗的条纹图案(例如长条状的黑色图案部分以固定间隔排列的图案)，根据在被检查物体的表面反射形成的反射像的亮暗周期的偏差，来评价被检查物体的表面形状。但是，当将这种方法应用于如玻璃板那样的透明板状体时，不仅拍摄到在透明板状体的表面反射形成的反射像，还同时拍摄到在透明板状体的背面反射形成的反射像。下面，将在透明板状体等被检查物体的表面反射形成的反射像称为表面反射像，将在透明板状体等被检查物体的背面反射形成的反射像称为背面反射像。图34是表示同时形成表面反射像和背面反射像的情形的说明图。如图34所示， 从条纹图案上的点5发出的光在被评价物体3的表面3a发生反射，通过光路8经过透镜中心30被成像为摄像机的受光面7上的摄像点10。另外，透过被评价物体3的光在被评价物体3的背面北发生反射，通过光路9经过透镜中心30被成像为受光面7上的摄像点11。在此，根据条纹图案的周期或者宽度不同，有时拍摄到的图像信号会产生下面所示的问题。图35是示意性地表示摄像机输出的图像信号例的波形图。图35的(A)示出表面反射像的图像信号，图35的(B)示出背面反射像的图像信号。另外，低电平表示基于条纹图案的暗部的图像信号的电平，高电平表示基于条纹图案的亮部的图像信号的电平。如果条纹图案的暗部的宽度宽，则图像信号中的低电平部分的宽度也变大，有时表面反射像的图像信号中的低电平与背面反射像的图像信号中的低电平重叠。于是，从摄像机输出的图像信号变为如图35的(C)所示那样的信号，从而变成根据与本来需要的表面反射像的图像信号(参照图35的(A))不同的信号进行表面形状的检查。另外，如图36所示，即使条纹图案的暗部的宽度非常窄，在表面反射像的图像信号中的暗部的位置与背面反射像的图像信号中的暗部的位置之差T接近条纹图案的亮部的周期的整数倍时，从摄像机输出如图36的(C)所示那样的图像信号。此外，图36的(A) 示出表面反射像的图像信号，图36的(B)示出背面反射像的图像信号。在这种情况下，也变成根据与表面反射像的图像信号不同的信号进行表面形状的检查，从而产生无法正确评价表面形状的问题。提出一种降低背面反射像的影响而不降低表面形状的评价精确度的表面形状的评价方法(例如参照专利文献幻。图37是表示专利文献2所记载的用于评价玻璃板等被评价物体的表面平坦度的评价装置的概要示意图。如图37所示，评价装置构成为由作为摄像单元的CXD摄像机2拍摄映现在玻璃板等被评价物体3的表面3a上的条纹图案1，该玻璃板等被评价物体3是被载置在载置台 (未图示)上的检查对象。条纹图案1被设置在光源(未图示)的发光面上。图38是表示条纹图案1的一例的说明图。在图38中，L1表示暗部的宽度，L2表示亮部的宽度。LJL2相当于亮暗的周期。在透明树脂膜上对黑色部分涂色来实现条纹图案1的情况下，亮部相当于透明部分，暗部相当于黑色部分。在专利文献2所记载的表面形状的评价方法中，作为第一步骤，执行条纹图案确定工序，确定适合于被评价物体3的条纹图案1，接着，在第二步骤中，执行表面形状检查工序，利用在第一步骤中确定的条纹图案1，根据由被评价物体3反射形成的条纹图案1的反射像进行图像分析，来评价被评价物体3的表面形状。此外，在第二步骤中，仅利用在第一步骤中确定的条纹图案1在被评价物体3的表面3a和背面北反射形成的反射像中的在被评价物体3的表面3a反射形成的反射像。图39是表示专利文献2所记载的确定条纹图案的处理的一例的流程图。在该处理中，首先，准备印刷有各不相同的图案的多个条纹图案(步骤S31)。即，准备条纹的周期、 亮部和暗部的宽度不同的多个条纹图案。条纹图案例如是通过喷墨印刷将图案印刷在透明树脂膜上而形成的。接着，将一个条纹图案粘贴在光源上(步骤S3》。然后，由CCD摄像机 2拍摄由被评价物体3反射形成的条纹图案的反射像(步骤S33)。接着，对运算装置(例如计算机)4输入由CXD摄像机2拍摄到的图像的图像信号，按照图像分析处理程序执行分析图像信号的图像分析处理(步骤S34)。在图像分析处理中，判断CXD摄像机2的输出信号、即从CXD摄像机2输入的图像信号是否为如图40的 (C)所示那样的状态。具体地说，判断与表面反射像和背面反射像的两个暗部对应的图案的位置是否处于没有重叠的状态。在图像信号未示出这种状态的情况下(NG的情况下)，将其它的条纹图案粘贴在光源上，再次执行步骤S32、S33的处理。如果运算装置4确认出图像信号中与表面反射像和背面反射像的两个暗部对应的图案的位置处于没有重叠的状态，就将此时粘贴在光源上的条纹图案确定为在评价被评价物体3的表面形状时使用的条纹图案(步骤S37)。通过以上步骤，将具有以下亮暗图案的条纹图案1决定为适合于评价被评价物体3的表面形状的条纹图案1，该亮暗图案被设定为在由CCD摄像机2获得的图像信号中分离。图40的(C)是表示使用在第一步骤中确定出的条纹图案1的情况下的CCD摄像机2的输出信号例的波形图。此外，图40的㈧示出表面反射像的图像信号，图40的⑶ 示出背面反射像的图像信号。在专利文献2所记载的发明中，通过将条纹图案的暗部的宽度(相当于信号宽度 W1^W2)和亮暗的周期(相当于周期1\、T2)最优化，来进行调整使得在CXD摄像机2所输出的图像信号中表面反射像中的暗部与背面反射像中的暗部不重叠(参照图40的(C))。因此，在利用运算装置4进行图像分析时，能够容易地仅抽取出表面反射像的图像信号，并能够实施精密的表面形状评价。即，能够通过廉价的装置结构除去背面反射像的影响，从而高精确度地评价表面形状。专利文献1 日本特开平11-148813号(0082-0083段、图专利文献2 日本特开2005-345383号公报(0020-00 段、图3)

发明内容
发明要解决的问题但是，在专利文献2所记载的表面形状的评价方法中，为了决定能够使基于表面反射像的暗部和基于背面反射像的暗部适当地分离的条纹图案，只要无法一次确定，就必须进行多次将条纹图案粘贴在光源上的作业，从而实际实施表面形状检查前的准备作业要花费劳力和时间。另外，当参照如图40的(C)所示的例子时，相邻的两个低电平的部分中的电平更低的一方对应基于表面反射像的暗部，但是如果背面反射的光束多，则两个低电平的电平差变小，从而难以仅抽取表面反射像的图像信号，结果有可能导致表面形状的评价精确度下降。另外，在被评价物体的板厚为0. 5mm以下较薄的情况下，有可能观察到条纹图案中相邻的条纹重叠。会产生如下问题变成根据与表面反射像的图像信号不同的信号进行表面形状的检查，从而无法正确地评价表面形状。因此，本发明的目的在于提供如下一种表面形状的评价方法和表面形状的评价装置不在准备作业上花费劳力和时间就能够降低位于被评价物体的第一表面相反侧的第二表面反射形成的反射像的影响，从而高精确度地评价被评价物体的表面形状。用于解决问题的方案本发明的表面形状的评价方法，包括以下步骤向被评价物体的第一表面照射具有周期性亮暗的图案，接收经上述第一表面反射的图案来得到受光图像，将受光图像中的与照射到上述第一表面的图案中的亮暗周期相对应的区域的亮暗信号平均化，以检测受光图像的亮暗周期相对于照射到上述第一表面的图案的亮暗周期的偏离，根据平均化后的信号评价上述第一表面的表面形状，在该表面形状的评价方法中，在位于上述第一表面相反侧的第二表面上配置抑制到达该第二表面的光发生反射的反射抑制层。在本发明的表面形状的评价方法中，较为理想的是，根据平均化后的信号，检测受光图像中的亮暗周期相对于照射到上述第一表面的图案的亮暗周期偏离的部分以及测量相对于照射到上述第一表面的图案的亮暗周期的偏离量，根据测量结果评价上述被评价物体的上述第一表面的表面形状。在本发明的表面形状的评价方法中，较为理想的是，根据平均化后的信号中的振幅大的部分与该振幅大的部分附近的振幅小的部分之间的差，来评价上述被评价物体的上述第一表面的表面形状。在本发明的表面形状的评价方法中，较为理想的是，使用上述平均化后的信号的增减的绝对值或者平方值作为上述偏离量。本发明的另一方式的表面形状的评价方法包括以下步骤通过摄像机观测基准体的各个观测反射像，该基准体用于形成被评价物体的第一表面的多个地点的上述各个观测反射像，是能够确定位置且移动速度已知的运动的亮点或者物点，获得各个观测反射像相对于上述第一表面是理想平面时的各个理想反射像的偏离量，利用各上述偏离量、上述基准体的位置信息以及上述摄像机的透镜中心位置信息求出上述第一表面的波纹形状的倾斜度，将上述第一表面大致平坦作为约束条件对上述第一表面的波纹形状的倾斜度进行积分，来评价上述第一表面的波纹形状，在该表面形状的评价方法中，在位于上述第一表面相反侧的第二表面上配置抑制到达该第二表面的光发生反射的反射抑制层。本发明的另一方式的表面形状的评价方法包括以下步骤通过摄像机观测基准体的各个观测反射像，该基准体用于形成被评价物体的第一表面的多个地点的上述各个观测反射像，是能够确定位置且具有周期性亮暗的图案，获得各个观测反射像相对于上述第一表面是理想平面时的各个理想反射像的偏离量，利用各上述偏离量、上述基准体的位置信息以及上述摄像机的透镜中心位置信息求出上述第一表面的波纹形状的倾斜度，将上述第一表面大致平坦作为约束条件对上述第一表面的波纹形状的倾斜度进行积分来评价上述第一表面的波纹形状，在该表面形状的评价方法中，在位于上述第一表面相反侧的第二表面上配置抑制到达该第二表面的光发生反射的反射抑制层。在本发明的表面形状的评价方法中，较为理想的是，上述反射抑制层是液体、粘性体或者膜。在本发明的表面形状的评价方法中，较为理想的是，上述液体是水。本发明的表面形状的评价装置具备光源，其向被评价物体的第一表面照射具有周期性亮暗的图案；受光单元，其接收经上述第一表面反射的图案来得到受光图像；以及评价单元，其根据通过上述受光单元得到的受光图像中的亮暗周期相对于从上述光源照射的图案的亮暗周期的偏离，来评价上述第一表面的表面形状，其中，上述评价单元包括平均化单元和处理单元，该平均化单元将受光图像中的与照射到上述第一表面的图案的亮暗周期对应的区域的亮暗信号平均化，该处理单元根据上述平均化单元所输出的平均化后的信号输出用于确定上述第一表面的表面形状的变形位置和变形量的信号，该表面形状的评价装置在位于上述第一表面相反侧的第二表面上配置有抑制到达该第二表面的光发生反射的反射抑制层。本发明的另一方式的表面形状的评价装置具备基准体，其用于形成被评价物体的第一表面的多个地点的各个观测反射像，是能够确定位置且移动速度已知的运动的亮点或者物点；摄像机，其获得上述基准体在上述第一表面反射的各个观测反射像；以及运算单元，其计算上述摄像机所获得的各个观测反射像相对于上述第一表面是理想平面时的各个理想反射像的偏离量，利用各上述偏离量、上述基准体的位置信息以及上述摄像机的透镜中心位置信息求出上述第一表面的波纹形状的倾斜度，将上述第一表面大致平坦作为约束条件对上述第一表面的波纹形状的倾斜度进行积分来求出上述第一表面的波纹形状，该表面形状的评价装置在位于上述第一表面相反侧的第二表面上配置有抑制到达该第二表面的光发生反射的反射抑制层。本发明的另一方式的表面形状的评价装置具备基准体，其用于形成被评价物体的第一表面的多个地点的各个观测反射像，是能够确定位置且具有周期性亮暗的图案；摄像机，其获得上述基准体在上述第一表面反射的各个观测反射像；以及运算单元，其计算上述摄像机所获得的各个观测反射像相对于上述第一表面是理想平面时的各个理想反射像的偏离量，利用各上述偏离量、上述基准体的位置信息以及上述摄像机的透镜中心位置信息求出上述第一表面的波纹形状的倾斜度，将上述第一表面大致平坦作为约束条件对上述第一表面的波纹形状的倾斜度进行积分来求出上述第一表面的波纹形状，该表面形状的评价装置在位于上述第一表面相反侧的第二表面上配置有抑制到达该第二表面的光发生反射的反射抑制层。在本发明的表面形状的评价装置中，较为理想的是，上述反射抑制层是液体、粘性体或者膜。在本发明的表面形状的评价装置中，较为理想的是，上述液体是水。发明的效果在本发明中，由于配置有抑制到达位于被评价物体的第一表面相反侧的第二表面的光发生反射的反射抑制层，因此能够降低位于第一表面相反侧的第二表面反射形成的反射像的影响，从而高精确度地评价被评价物体的表面形状。


图1的(A)和图1的(B)是表示入射到被评价物体的光与被评价物体的表面和背面反射的光的关系的说明图。图2的㈧ 图2的(C)是示意性地表示摄像机输出的图像信号例的波形图。图3的㈧和图3的⑶是将用于评价被评价物体的表面平坦度的评价装置与被评价物体一起示出的示意图和立体图。图4的(A) 图4的(E)是用于说明表面形状的评价方法的说明图。图5是表示条纹图案的一例的说明图。图6是表示由运算装置实现的功能模块的例子的框图。图7是表示与条纹图案对应的摄像面的情形的说明图。图8是表示本发明的一个方式的表面形状的评价方法的流程图。图9的㈧ 图9的(C)是示出表示受光图案的亮暗的图像信号和平均化后的信号的一例的波形图。图10的(A) 图10的(E)是表示由表面粗糙形状测量机对各样本的一个截面进行单面的表面形状测量的结果的说明图。图11的㈧ 图11的(E)是表示关于各样本的平均化电路的输出的说明图。图12是表示形状值与测量值的相关的说明图。图13是表示本发明的表面形状的评价装置的另一结构例的结构图。图14是表示本发明的一个方式的表面形状的评价方法的概要工序的流程图。图15是表示被评价物的波纹形状的测量状况的说明图。图16是表示观测到的反射像的轨迹相对于理想平面反射形成的反射像前移的状况的说明图。图17是表示观测到的反射像的轨迹相对于理想平面反射形成的反射像延迟的状况的说明图。图18是表示观测到的反射像的轨迹相对于理想平面反射形成的反射像前移时的前移程度与波纹形状的倾斜度之间的关系的说明图。图19是表示观测到的反射像的轨迹相对于理想平面反射形成的反射像延迟时的延迟程度与波纹形状的倾斜度之间的关系的说明图。图20是表示χ轴和ζ轴的定义的说明图。图21是表示仿真中使用的光学系统的说明图。图22的(A)和图22的(B)是表示波纹形状的一例和通过本发明的表面形状的评价方法的仿真获得的波纹形状的说明图。图23的㈧和图23的⑶是表示波纹形状的另一例和通过本发明的表面形状的评价方法的仿真获得的波纹形状的说明图。图24是表示移动的亮点的一个实现例的说明图。图25是表示测量被评价物的整个表面的波纹形状的一个实施例的说明图。
图沈是表示本发明的其它实施方式的波纹形状的测量装置的概要结构例的结构图。图27的(A)表示由表面粗糙形状测量机测量被评价物体的表面形状的结果，图27 的(B)是表示在例2中对相同的被评价物体实施本发明的方法获得的表面形状的说明图。图观的(A)表示由表面粗糙形状测量机测量被评价物体的表面形状并计算其微分的绝对值而得到的结果，图观的(B)是表示在例3中拍摄到图像时的相对于基本周期的偏离量的绝对值的说明图。图四的(A)表示利用表面粗糙形状测量机得到的被评价物体的表面形状的测量结果，图四的(B)是表示通过将图观的(B)所示的结果按各极小值正负反转并对其进行积分而得到的形状的说明图。图30是表示评价装置的第一实施例的示意图。图31是表示评价装置的第二实施例的示意图。图32是表示评价装置的第三实施例的示意图。图33是表示评价装置的第四实施例的立体图。图34是表示同时形成表面反射像和背面反射像的情形的说明图。图35的㈧ 图35的(C)是表示摄像机输出的图像信号例的波形图。图36的㈧ 图36的(C)是表示摄像机输出的图像信号例的波形图。图37是将以往的评价装置与检查对象一起显示的示意图。图38是表示条纹图案的一例的说明图。图39是表示决定条纹图案的处理的一例的流程图。图40的㈧ 图40的(C)是表示CXD摄像机的输出信号例的波形图。附图标记说明1 条纹图案；2 =CCD摄像机；3 被评价物体；3a 表面；3b 背面；4 运算装置；5 条纹图案上的点；6 亮点；7 受光面；8、8A、8B、9 光路；IOUl 摄像点；12,13 反射点； 19,26 反射像；20 反射抑制层；21 激光光源；22 反射镜；23 屏幕；30 透镜中心；41 输入电路；42 :存储器；43 亮暗校正电路；44 平均化电路；45 最大值抽取电路；46 最小值抽取电路；47 差运算电路；62 低亮度部分；100 光源；201、202、203、221、222、223、231、 232,233 驱动辊；210 水喷射装置；232a 合成树脂；241 膜(薄片)；300 玻璃板。
具体实施例方式下面，参照

本发明的实施方式。图1的(A)和图1的(B)是表示入射到被评价物体3的光与被评价物体3的表面 3a和背面北反射的光之间的关系的说明图。在此，作为被评价物体3，例示折射率(绝对折射率下面的折射率也相同)为1.5的玻璃板。在图1的(A)中示出了被评价物体3存在于折射率大致为1. 0的空气中的例子。入射到被评价物体3的光束在被评价物体3的表面3a发生反射，以光A反射，但是一部分进入到被评价物体3的内部，其大量光束在被评价物体3的背面北发生反射。并且，大量光束从被评价物体3的表面3a以光B射出。但是，如图1的(B)所示，如果在被评价物体3的背面北上配置了折射率大致为 1. 5的反射抑制层20，则进入到被评价物体3的内部的光束大部分不在被评价物体3的背面北发生反射，而从被评价物体3的背面北入射到反射抑制层20。因而，光B的量少。换言之，被评价物体3的背面北的反射光几乎不从被评价物体3的表面3a射出。此外，在图1的㈧和图1的⑶中示出了厚的被评价物体3，当将光A设为来自条纹图案的光时，如果被评价物体3是板厚为0. 5mm以下的薄玻璃板，则在图1的(A)所示的例子中，有可能观察到条纹图案中的相邻的条纹重叠。即，有可能观察到在被评价物体3 的表面3a反射的光的条纹图案与在背面北反射的光的条纹图案重叠。但是，在图1的(B) 所示的例子中，由于被评价物体3的背面北的反射光几乎不从被评价物体3的表面3a射出，因此不会观察到相邻的条纹重叠，或者降低了被评价物体3的背面北的反射光的影响、 即背面反射像的影响(重叠的程度)。在本发明中，通过利用图1的(B)所例示的关系来降低背面反射像的影响，从而能够高精确度地评价表面形状。图2的㈧ 图2的(C)是示意性地表示本发明的拍摄由被评价物体3反射的条纹图案的摄像机所输出的图像信号例的波形图。图2的(A)示出表面反射像的图像信号， 图2的(B)示出背面反射像的图像信号。另外，低电平表示基于条纹图案中的暗部的图像信号的电平，高电平表示基于条纹图案中的亮部的图像信号的电平。另外，图2的(C)示出表面反射像与背面反射像重叠的图像信号。在本发明中，如图2的⑶所示，由于背面反射像的高电平与低电平之差较小，因此图2的(C)所示的波形近似于图2的(A)所示的波形。此外，在图35所示的以往例子中，图35的(C)所示的波形与图35的(A)所示的波形的差异大。也就是说，在本发明中，即使直接利用摄像机所输出的图像信号来进行被评价物体3的表面形状的评价处理，也能实施排除背面反射像的影响后的评价。另外，不需要进行如以往例子所说明的用于决定合适的条纹图案的处理。图3的(A)是将用于评价作为被评价物体的一例的玻璃板等被评价物体的表面平坦度的评价装置与被评价物体一起示出的示意图。如图3的(A)所示，评价装置构成为由作为摄像单元的CCD摄像机2拍摄映现在作为评价对象的玻璃板等被评价物体3的表面3a 上的条纹图案1。条纹图案1被设置在光源(未图示)的发光面上。另外，在被评价物体3 的背面北上，与背面北相接触地配置折射率接近被评价物体3的折射率的反射抑制层20。反射抑制层20例如除了使用以水(折射率1.33)、苯甲醚(折射率1. 52)、乙醇 (折射率1. 36)为代表的液体以外，还能够使用折射率为1. 4 1. 5的植物性、矿物性的润滑油等粘性体。另外，作为反射抑制层20，还能够使用聚乙烯系、聚氨酯系等折射率为 1. 5 1. 6的合成树脂等其它材质的物质。可以用单一材料形成反射抑制层20，也可以组合多种材料形成反射抑制层20。组合的材料不特别地进行限定。例如，即使单一材料的折射率与被评价物体的折射率有很大不同，也可以通过组合多种材料使其折射率与被评价物体的折射率相同。由CXD摄像机2拍摄到的图像被取入到个人计算机等运算装置4，由运算装置4进行图像分析。此外，在此例示CXD摄像机2，但是代替CXD摄像机2，能够使用面阵相机(area camera)、线阵相机(line camera)、视频摄像机、静态相机(still camera)等任一个方式的摄像机。另外，只要是将光电传感器排列得到的装置等能够确定反射像的受光装置，可以使用任意的受光装置。设置CXD摄像机2和条纹图案1使得CXD摄像机2的光轴和条纹图案1 (具体地说是条纹图案1所存在的平面)的法线与被评价物体3的表面3a的法线方向形成相同的角度θ ρ角度Q1优选0° < Q1 <45°，特别优选Q1 = 45°。图3的⑶是表示图3的㈧所示的评价装置的立体图。如图3的⑶所示，在评价装置中，从发光面上设置有条纹图案1的光源100向被评价物体3照射光。此外，在图3中示出了将反射抑制层20设置成与被评价物体3的整个背面北相接触的结构，但是只要反射抑制层20至少被设置在来自光源100的经过条纹图案1的光所照射的部位的背面北上即可。(实施方式1)首先，说明在本实施方式中使用的表面形状的评价方法的前提。图4是用于说明表面形状的评价方法的说明图。来自光源100的经过条纹图案1的光照射到被评价物体3，来自被评价物体3的表面3a的反射光被CXD摄像机2的摄像元件接收。此外，在本说明书中，“来自光源100的经过条纹图案1的光”的意思是通过了条纹图案1的光，下面将照射通过了条纹图案1的光表现为“被条纹图案1照射”。此外，在本实施方式中，来自被评价物体3的背面北的反射光几乎不入射到CCD 摄像机2。运算装置4根据基于受光的电信号(图像信号)来评价表面形状。如果被评价物体3的表面完全平坦，则从图像信号中得到的亮暗的对比度的状态与已知的条纹图案1的对比度的状态一致。在图4的㈧中示出了 CXD摄像机2的受光图案(图像)、(XD摄像机 2的摄像元件中的像素排列以及来自摄像元件的表示亮暗的图像信号的一例。在被评价物体3表面没有变形的情况下，如图像信号中的最初三个检测区域所例示的那样不出现对比度变化(参照图4的(A))。但是，在来自被评价物体3的表面变形部分的反射光所形成的图像信号中产生对比度变化。即，来自被评价物体3的表面变形部分的受光所形成的图案与来自非变形部分的图案相比，放大或者缩小。例如，在放大的情况下对比度变大，有时图案超出了检测区域。因此，如图4的⑶所示那样，本来同一检测区域内的最大值部分120a和最小值部分120b没有进入同一检测区域内，从而检测区域内的对比度变大。使用各检测区域内的图像信号的最大值a和最小值b，以(a_b)/(a+b)来定义对比度。另外，在缩小的情况下，摄像元件无法完全分辨，而如图4的(C)所示那样对比度变小。因而，通过将图像信号中的白部分与黑部分之差与基准值进行比较，能够评价被评价物体3是否有表面变形。此外，即使不存在图案的放大或缩小，也有时出现图像信号中的亮部分的值下降、 暗部分的值上升的情况。在这种情况下，通过将规定大小的检测区域内的亮部分与暗部分之差与基准值进行比较，也能够评价被评价物体是否有表面变形。在图4的(A)中，网状部分是亮度下降的白部分，在包含该部分的检测区域中，检测区域内的对比度变小。但是，例如即使发生了使图案放大的表面变形，如果放大的方式与检测区域之间的关系不同，则检测区域内的对比度也不同。作为一例，图4的(D)所示的图案与图4的 (E)所示的图案同样地进行了放大，但是由于进入到检测区域的方式不同，因此检测区域内的对比度存在差别。本来，图像信号变为如图4的⑶所示的情况和变为如图4的(E)所示的情况应该得到同样的评价结果，但是如果仅根据检测区域内的对比度的差异评价表面形状，有可能导致得到不同的结果。即，仅根据检测区域内的对比度的差异进行表面形状的评价是有局限的。在本实施方式中，如下面要说明的那样，能够根据检测区域内的对比度的差异，以高精确度评价表面形状，结果能够扩大变形的可检测范围。图5是表示条纹图案1的一例的说明图。在图5中，L1表示暗部的宽度，L2表示亮部的宽度。LJL2相当于亮暗的周期(Ι/f)。周期的倒数是图案的空间频率f。下面，将空间频率f称为基本频率、将其倒数称为基本周期。此外，在透明树脂膜上对黑色部分涂色来实现条纹图案1的情况下，亮部相当于透明部分，暗部相当于黑色部分。作为一例，周期 (Ι/f)是1.0mm左右，暗部的宽度L1是100 μ m左右。图6是表示由运算装置4实现的功能模块的例子的框图。在图3所示的运算装置 4中，输入电路41从CCD摄像机2输入表示亮暗的受光图案的图像信号，并将其保存到存储器42中。亮暗校正电路43对存储器42内的图像信号进行亮暗校正，来去除光源100的光量分布给CCD摄像机2的摄像带来的影响。平均化电路44针对亮暗校正后的各检测区域的各像素的亮暗进行平均化滤波处理，向最大值抽取电路45和最小值抽取电路46输出平均化后的值。用于平均化的检测区域相当于图案的基本频率的倒数(基本周期)。因而，平均化电路44由按各基本周期将图像信号平均化的积分型的滤波器等构成。最大值抽取电路45 输出平均化电路44所输出的最大值，最小值抽取电路46输出平均化电路44所输出的最小值。然后，差运算电路47输出最大值抽取电路45的输出值与最小值抽取电路46的输出值之差以及表示检测区域的位置的信号。这些最大值和最小值是针对相当于被评价物体3上假定的波纹周期的区域而抽取出的。例如，该区域的宽度是基本周期的2 10倍。接着，参照图7的说明图、图8的流程图以及图9的说明图来说明表面形状的评价装置的动作。图7是表示与条纹图案1对应的CXD摄像机2的摄像面的情形的说明图。其中， 在图7中仅示出了 CCD摄像机2的摄像面的像素中的EO E4行的像素。另外，在本实施方式中，将光学系统设定成条纹图案1的基本周期对应于CCD摄像机2中的5个像素。因而，在此，用于平均化的检测区域由5个像素构成。图8是表示评价装置的动作的流程图。CXD摄像机2进行的摄像(具体地说是图像信号)在运算装置4中通过输入电路41被输入到存储器42中。亮暗校正电路43在该时刻针对设为对象的检测区域的前后数个区域(包含设为对象的检测区域)的各像素，求出图像信号的平均值(步骤S11)。例如，在将图7所示的El的列的c区域设为检测区域的情况下，求出El的列的b、c、d区域的各像素的平均值。通过该处理，能够获得与该检测区域周围的背景的光量分布图像(亮暗图像)相对应的图像。当然，也可以进一步扩展取平均值的对象区域，还可以将El的列的前后列的区域包含在取平均值的对象区域内。亮暗校正电路43进一步用各像素的图像信号除以所得到的平均值(步骤Sll)。 其结果，即使由于光源100的面上的位置不同而发光量存在差异，也降低了发光量差异给摄像带来的影响。
此外，亮暗校正的方法不限于上述的方法。例如也能够使用如下的方法。(1)代替在上述的方法中取各区域的各像素的平均，而使用各区域的各像素的图像信号中的中值。(2)代替在上述的方法中用各图像信号除以所得到的平均值，而从各图像信号中减去平均值。(3)不是对各检测区域每次都求用于亮暗校正的平均值，而是通过直接接受来自光源100的光等方法预先求出亮暗图像。然后，在对各检测区域进行亮暗校正时，利用已经求出的亮暗图像中的图像信号进行除法处理、减法处理。图9的㈧ 图9的(C)是示出表示受光图案的亮暗的图像信号以及平均化后的信号的一例的波形图。在图9的㈧ 图9的(C)的左侧示出了表示受光图案的亮暗的图像信号的一例。在本实施方式中，由于设置有亮暗校正电路43，因此，具体地说是示出了亮暗校正电路43的输出信号。在被评价物体3平坦的情况下，受光图案不产生放大或者缩小， 因此如图9的(A)所示那样受光图案的周期与基本周期一致。在被评价物体3的表面凹凸不平时，由于折射的作用，CCD摄像机2获得的受光图案上出现图案的放大或者缩小。例如，如果是来自表面凸出的部分的透过光，则产生图案的放大，如果是来自表面凹下的部分的透过光，则产生图案的缩小。其结果，如图9的(B)和 9的(C)的左侧所示那样，受光图案的周期相对于基本周期偏离。因此，只要检测到受光图案的图案周期相对于基本周期偏离的情形，就能够检测被评价物体3的表面凹凸的情况。因此，平均化电路44进行如将检测区域中的亮暗校正后的各像素的亮暗进行平均化的滤波处理，以检测受光图案的周期相对于基本周期的偏离(步骤S12)。在本实施方式中，由与条纹图案1的基本周期相对应的5个像素构成一个检测区域，因此平均化电路44 针对5个像素进行图像信号平均化。在图9的㈧ 图9的(C)的右侧示出了平均化电路 44的输出信号例。在受光图案的周期与基本周期一致时，平均化电路44如图9的㈧的右侧所示那样输出值一定的信号作为将一个周期的各信号平均化的结果。在被评价物体3的表面存在凸出部分的情况下，在平均化电路44的输入信号中如图9的(B)的左侧所示那样出现山部分和谷部分变宽的信号。另外，在被评价物体3的表面存在凹下部分的情况下，如图9的(C)的左侧所示那样出现山部分和谷部分变窄的信号。 平均化电路44在如图9的(A)所示那样被输入山部分和谷部分没有变化的信号时输出固定的规定值，但是在输入了如图9的(B)的左侧所示那样的受光图案有放大的情况下的信号时，平均化电路44如图9的(B)的右侧所示那样输出相对于规定值产生了凹凸的信号。另外，在输入了如图9的(C)的左侧所示那样的受光图案有缩小的情况下的信号时，如图9的(C)的右侧所示那样也输出相对于规定值产生了凹凸的信号。在平均化电路 44的输入信号中，山部分和谷部分变宽或变窄的程度越大、即被评价物体3的表面3a的凹凸程度越大，平均化电路44的输出信号中的凹凸程度越大。在本实施方式中，为了评价平均化电路44的输出，设置了最大值抽取电路45、最小值抽取电路46以及差运算电路47。对最大值抽取电路45输入来自平均化电路44的各检测区域的平均化后的信号，最大值抽取电路45抽取该区域中的最大值(步骤Si； )。最大值抽取电路45例如由输出一个检测区域、即基本周期中的最大值的滤波器构成。另外，对最小值抽取电路46输入来自平均化电路44的各检测区域的平均化后的信号，最小值抽取电路46抽取该区域中的最小值(步骤Si； )。最小值抽取电路46例如由输出一个检测区域、即基本周期中的最小值的滤波器构成。差运算电路47运算最大值抽取电路45的输出与最小值抽取电路46的输出之差 (步骤S14)。差运算的对象是一个检测区域内、或者附近的多个检测区域(与玻璃的波纹的数个波长相当的范围)。例如，是相邻的两个或三个检测区域。在将相邻的两个检测区域设为差运算对象的情况下，从差运算电路47输出两个检测区域内的最大值与最小值之差。当然，可以使由平均化电路44处理的检测区域的大小与由差运算电路47处理的范围的大小各不相同。例如，可以设为差运算电路47针对由平均化电路44处理的检测区域的2 10倍大小的范围求最大值与最小值之差。另外，也可以使最大值抽取电路45和最小值抽取电路46的对象区域与平均化电路44所处理的检测区域不同。并且，输出作为运算结果的差信号和表示此时设为对象的检测区域的位置的位置信号。在被评价物体3的表面3a没有变形的情况下，如图9的(A)所示那样平均化电路44 的输出是固定的，因此差运算电路47输出的差信号示出值0。但是，在被评价物体3的表面 3a凹凸不平的情况下，差信号示出非0的值。并且，差信号的值对应凹凸的程度。因而，能够根据差运算电路47输出的差信号的值和位置信号来确定被评价物体3的表面3a的变形量和变形位置。换言之，能够根据差运算电路47输出的差信号的值和位置信号来评价被评价物体3的表面形状(步骤S15)。此外，可以由检查者执行步骤S15的表面形状的评价，也可以使运算装置4具有基于差信号的值和位置信号确定评价结果并输出的评价功能。通过评价功能作出的评价结果的输出例如是画面显示、打印输出。另外，评价功能例如是如下一种功能将差信号的值与预先决定的阈值进行比较，在超出阈值的情况下，将表示有缺陷这种意思的内容与表示被评价物体3的表面3a上的对应位置的数据一起输出。另外，例如，即使是图4的(D)和图4的(E)所示那样的情况，如果差运算电路47 以附近的多个检测区域、或者将超出检测区域的范围设为运算对象的范围而输出最小值与最大值之差，则在图4的⑶和图4的(E)所示的情况下输出相同的差信号。因此，根据本发明的方法，能够进一步扩大凹凸的可检测范围。另外，在被评价物体3的表面形状有变化但不存在受光图案的放大或者缩小的情况下，在从CCD摄像机2输出的图像信号中亮部分的值下降或者暗部分的值上升时，在由平均化电路44平均化后的信号中也出现凹凸。因而，利用本实施方式的方法也可检测出这种表面形状的变化。此外，平均化电路44、最大值抽取电路45、最小值抽取电路46以及差运算电路47 可以依次处理保存在存储器42中的与被评价物体3的所有规定区域对应的图像信号，也可以对存储器42内的二维图像进行一并处理。另外，也可以代替将表示检测区域内的亮暗的信号平均化的方法而输出区域内的亮暗的标准偏差，通过取平均化处理后的信号的微分， 也能够评价被评价物体3的表面形状。[例1]接着，针对表面粗糙形状测量机(商品名寸一7 二 Λ )的测量结果与本实施方式的评价装置的评价进行比较得到的结果进行说明。图10的㈧ 10的(E)示出将5个玻璃板作为样本A Ε，通过表面粗糙形状测量机对它们的一个截面分别测量单面的表面形状而得到的结果。各样本A E是厚度0.7mm、边长300mm的玻璃板。另外，在作为被评价物体的各样本A E上有半间距为10 15mm左右的波纹。图11的(A) 11的(E)示出使光轴与样本A E形成30°倾角、在CXD摄像机 2中使用f25的透镜、光圈为F16的条件下的平均化电路44的输出。所使用的条纹图案1 设为白黑的一个间距为6mm(l/f = 6mm)，在样本面上一个像素为Imm多，在图像上一个间距为5个像素左右。得到图11的㈧ 11的(E)所示的结果的各个样本A E与得到图 10的㈧ 10的(E)所示的结果的各个样本A E相同。如上所述，在图11的(A) 11的(E)中，受光图案的周期与基本周期偏离的部分、 即与玻璃板表面存在凹凸的位置对应的部分出现山部分或者谷部分。实际上，根据玻璃板的表面形状与图案的相位之间的关系，玻璃板表面的凹部分对应图11的(A) 11的(E) 中的山部分或者对应谷部分。但是，无论是对应山部分的情况还是对应谷部分的情况，山部分与谷部分之差的绝对值都与玻璃板的表面凹凸程度相关。另外，图11的(A) 11的(E)针对样本的带状的一个区域示出了受光图案的周期与基本周期偏离的部分的分布，能够根据这种分布直接评价其截面的表面平坦度。并且， 如果针对样本的整个截面输出分布，则能够立即评价样本的整个面的表面平坦度。图12是表示形状值与测量值的相关的说明图。作为形状值，使用各样本的表面形状中的相邻的凸部与凹部之差中的最大值(真值)。另外，作为测量值，使用在上述实施方式的评价装置中差运算电路47针对各样本输出的差信号中的最大值。如图12所示，形状值与测量值高度关联。相关系数为0.81。(实施方式2)图13是表示本发明的表面形状的评价装置的第二实施方式的结构例的结构图。 此外，在本实施方式中，示出作为表面形状的评价装置的波纹形状的测量装置。如图13所示，测量装置包括CCD摄像机2和计算机等运算装置4，该CCD摄像机2接收从移动的亮点 6发出并在作为被评价物体3的玻璃板的表面反射的光来形成反射像，对该运算装置4输入由CXD摄像机2形成的反射像的轨迹，由该运算装置4来计算波纹形状。此外，在此例示CXD摄像机2，但是代替CXD摄像机2，能够使用面阵相机、线阵相机、视频摄像机、静态相机等任一种方式的摄像机。另外，只要是将光电传感器排列得到的受光装置等能够确定亮点6的反射像的受光装置，就可以使用任意的受光装置。图14是表示本实施方式的表面形状的评价方法的概要工序的流程图。如图14所示，在本发明的表面形状的评价方法中，首先，由CCD摄像机2接收移动速度已知的移动的亮点6在被评价物体3的表面的反射光，来获得移动的反射像(步骤S21)。在被评价物体 3的表面有波纹的情况下，由CCD摄像机2拍摄的观测反射像的轨迹相对于完全没有波纹的理想平面反射形成的理想反射像的轨迹偏离。即，相对于理想平面反射形成的理想反射像的轨迹前移或者延迟。因此，根据所获得的观测反射像相对于理想平面反射形成的理想反射像的偏离 (前移信息或者延迟信息)，计算被评价物体3的表面的波纹形状的倾斜度(微分值)(步骤S2》。然后，以被评价物体3的表面大致为平面作为约束条件，通过积分运算来获得波纹的形状(步骤S23)。接着，参照图15 图20的说明图，说明图13所示的装置以及图14所示的表面形状的评价方法。图15是表示被评价物的波纹形状的测量状况的说明图。如图15所示，亮点6的反射像19成像在CXD摄像机2的受光元件的受光面7上。经亮点6射出的光经过光路8 在被评价物体3的表面反射后到达受光面7。此外，在此，以亮点6以规定的固定速度移动的情况为例。如上所述，在玻璃板表面有波纹的情况下，所得到的观测反射像(反射像19)在各时刻的位置相对于由理想平面反射的光形成的理想反射像的位置前移或者延迟。图16是表示反射像19的轨迹相对于理想平面反射形成的理想反射像(反射像26)前移的状况的说明图。另外，图17是表示反射像19的轨迹相对于理想平面反射形成的反射像沈延迟的状况的说明图。在图16和图17中，用实线示出的光路8A表示实际的光路。从亮点6射出的光在玻璃板表面的反射点12处反射之后经过CXD摄像机2的透镜中心30到达受光面7， 形成反射像19。用虚线示出的光路8B表示如下光路在玻璃板表面是理想平面的情况下，从亮点 6射出的光在玻璃板表面的反射点13处反射之后经过CXD摄像机2的透镜中心30到达受光面7。在这种情况下，在受光面7形成图16和图17所示的反射像沈。但是，反射像沈是在假定玻璃板表面为理想平面的情况下形成的像，并不是实际形成的像。由于亮点6以规定的速度移动，因此如果玻璃板表面是理想表面，则反射像沈在受光元件的受光面7上也以规定速度移动。如果亮点6的移动速度确定，则运算装置4能够在各时刻识别在理想表面反射的光所形成的反射像沈的位置。运算装置4能够识别在理想表面反射的光所形成的反射像26的位置，因此能够获知实际得到的反射像19的位置相对于反射像26的偏离量(前移量或者延迟量)。图18是表示反射像19的轨迹相对于理想平面反射形成的反射像沈前移时的前移程度与波纹形状的倾斜度(微分值)的关系的说明图。另外，图19是表示反射像19的轨迹相对于理想平面反射形成的反射像沈延迟时的延迟程度与波纹形状的倾斜度(微分值)的关系的说明图。在图18和图19中，α是以从透镜中心30延伸至光路8Β的向量为基准时从透镜中心30延伸至光路8Α的向量与基准向量所形成的角度。β是以从透镜中心30延伸至光路8Β的向量为基准时从透镜中心30向铅垂下方延伸得到的向量与基准向量所形成的角度。Y是以从亮点6向铅垂下方延伸得到的向量为基准时从亮点6延伸至光路8Α的向量与基准向量所形成的角度。并且，δ是以反射点12的垂线向量为基准时反射点12处的波纹表面的法线向量与基准向量所形成的角度(法线向量的倾斜度)。所有的角度都设为在从作为基准的向量向逆时针方向倾斜的情况下取正值。因而，在图18所示的状况下，α <0，δ <0，在图19所示的状况下，α >0，δ >0。[式1]
权利要求
1.一种表面形状的评价方法，包括以下步骤 向被评价物体的第一表面照射具有周期性亮暗的图案， 接收经上述第一表面反射的图案来得到受光图像，将受光图像中的与照射到上述第一表面的图案中的亮暗周期相对应的区域的亮暗信号平均化，以检测受光图像的亮暗周期相对于照射到上述第一表面的图案的亮暗周期的偏 1 ，根据平均化后的信号评价上述第一表面的表面形状，在该表面形状的评价方法中，在位于上述第一表面相反侧的第二表面上配置抑制到达该第二表面的光发生反射的反射抑制层。
2.根据权利要求1所述的表面形状的评价方法，其特征在于，根据平均化后的信号，检测受光图像中的亮暗周期相对于照射到上述第一表面的图案的亮暗周期发生偏离的部分以及测量相对于照射到上述第一表面的图案的亮暗周期的偏离量，根据测量结果评价上述被评价物体的上述第一表面的表面形状。
3.根据权利要求1或2所述的表面形状的评价方法，其特征在于，根据平均化后的信号中的振幅大的部分与该振幅大的部分附近的振幅小的部分之间的差，来评价上述被评价物体的上述第一表面的表面形状。
4.根据权利要求3所述的表面形状的评价方法，其特征在于，使用上述平均化后的信号的增减的绝对值或者平方值作为上述偏离量。
5.一种表面形状的评价方法，包括以下步骤通过摄像机观测基准体的各个观测反射像，该基准体用于形成被评价物体的第一表面的多个地点的上述各个观测反射像，是能够确定位置且移动速度已知的运动的亮点或者物点，获得各个观测反射像相对于上述第一表面是理想平面时的各个理想反射像的偏离量， 利用各上述偏离量、上述基准体的位置信息以及上述摄像机的透镜中心位置信息求出上述第一表面的波纹形状的倾斜度，将上述第一表面大致平坦作为约束条件对上述第一表面的波纹形状的倾斜度进行积分，来评价上述第一表面的波纹形状，在该表面形状的评价方法中，在位于上述第一表面相反侧的第二表面上配置抑制到达该第二表面的光发生反射的反射抑制层。
6.一种表面形状的评价方法，包括以下步骤通过摄像机观测基准体的各个观测反射像，该基准体用于形成被评价物体的第一表面的多个地点的上述各个观测反射像，是能够确定位置且具有周期性亮暗的图案，获得各个观测反射像相对于上述第一表面是理想平面时的各个理想反射像的偏离量， 利用各上述偏离量、上述基准体的位置信息以及上述摄像机的透镜中心位置信息求出上述第一表面的波纹形状的倾斜度，将上述第一表面大致平坦作为约束条件对上述第一表面的波纹形状的倾斜度进行积分来评价上述第一表面的波纹形状，在该表面形状的评价方法中，在位于上述第一表面相反侧的第二表面上配置抑制到达该第二表面的光发生反射的反射抑制层。
7.根据权利要求1 6中的任一项所述的表面形状的评价方法，其特征在于， 上述反射抑制层是液体、粘性体或者膜。
8.根据权利要求7所述的表面形状的评价方法，其特征在于， 上述液体是水。
9.一种表面形状的评价装置，其具备光源，其向被评价物体的第一表面照射具有周期性亮暗的图案； 受光单元，其接收经上述第一表面反射的图案来得到受光图像；以及评价单元，其根据通过上述受光单元得到的受光图像中的亮暗周期相对于从上述光源照射的图案的亮暗周期的偏离，来评价上述第一表面的表面形状，其中，上述评价单元包括平均化单元和处理单元，该平均化单元将受光图像中的与照射到上述第一表面的图案的亮暗周期对应的区域的亮暗信号平均化，该处理单元根据上述平均化单元所输出的平均化后的信号输出用于确定上述第一表面的表面形状的变形位置和变形量的信号，该表面形状的评价装置在位于上述第一表面相反侧的第二表面上配置有抑制到达该第二表面的光发生反射的反射抑制层。
10.一种表面形状的评价装置，其具备基准体，其用于形成被评价物体的第一表面的多个地点的各个观测反射像，是能够确定位置且移动速度已知的运动的亮点或者物点；摄像机，其获得上述基准体在上述第一表面反射的各个观测反射像；以及运算单元，其计算上述摄像机所获得的各个观测反射像相对于上述第一表面是理想平面时的各个理想反射像的偏离量，利用各上述偏离量、上述基准体的位置信息以及上述摄像机的透镜中心位置信息求出上述第一表面的波纹形状的倾斜度，将上述第一表面大致平坦作为约束条件对上述第一表面的波纹形状的倾斜度进行积分来求出上述第一表面的波纹形状，该表面形状的评价装置在位于上述第一表面相反侧的第二表面上配置有抑制到达该第二表面的光发生反射的反射抑制层。
11.一种表面形状的评价装置，其具备基准体，其用于形成被评价物体的第一表面的多个地点的各个观测反射像，是能够确定位置且具有周期性亮暗的图案；摄像机，其获得上述基准体在上述第一表面反射的各个观测反射像；以及运算单元，其计算上述摄像机所获得的各个观测反射像相对于上述第一表面是理想平面时的各个理想反射像的偏离量，利用各上述偏离量、上述基准体的位置信息以及上述摄像机的透镜中心位置信息求出上述第一表面的波纹形状的倾斜度，将上述第一表面大致平坦作为约束条件对上述第一表面的波纹形状的倾斜度进行积分来求出上述第一表面的波纹形状，该表面形状的评价装置在位于上述第一表面相反侧的第二表面上配置有抑制到达该第二表面的光发生反射的反射抑制层。
12.根据权利要求9 11中的任一项所述的表面形状的评价装置，其特征在于， 上述反射抑制层是液体、粘性体或者膜。
13.根据权利要求12所述的表面形状的评价装置，其特征在于， 上述液体是水。
全文摘要
本发明涉及一种表面形状的评价方法和表面形状的评价装置。表面形状的评价方法具备以下步骤向被评价物体的第一表面照射具有周期性亮暗的图案，接收经上述第一表面反射的图案的光来得到受光图案，将受光图像中的与照射到上述第一表面的图案的亮暗周期相对应的区域的亮暗信号平均化，以检测受光图像的亮暗周期相对于照射到上述第一表面的图案的亮暗周期的偏离，根据平均化后的信号评价上述第一表面的表面形状，在该表面形状的评价方法中，在位于上述第一表面相反侧的第二表面配置抑制到达该第二表面的光发生反射的反射抑制层。
文档编号G01B11/25GK102331241SQ20111019629
公开日2012年1月25日 申请日期2011年7月12日 优先权日2010年7月12日
发明者加藤宗寿, 城山厚, 大音仁昭, 尊田嘉之, 有田祐介, 木村友纪 申请人:旭硝子株式会社