特開 2023-173705 画像生成装置および画像生成方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023173705

(43)【公開日】2023-12-07

(54)【発明の名称】画像生成装置および画像生成方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/67 20060101AFI20231130BHJP

   G01B 11/24 20060101ALN20231130BHJP

【ＦＩ】

G01N21/67 Z

G01B11/24 K

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022086145

(22)【出願日】2022-05-26

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和３年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、研究成果展開事業「大学発新産業創出プログラム社会還元加速プログラム（ＳＣＯＲＥ）大学推進型 拠点都市環境整備型」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】504139662

【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構

(74)【代理人】

【識別番号】110000110

【氏名又は名称】弁理士法人 快友国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】夏目 祥揮

(72)【発明者】

【氏名】田中 宏彦

【テーマコード（参考）】

2F065

2G043

【Ｆターム（参考）】

2F065AA04

2F065AA53

2F065BB05

2F065DD04

2F065FF01

2F065FF04

2F065JJ03

2F065JJ26

2F065LL04

2F065LL14

2F065LL62

2F065MM26

2F065QQ21

2F065QQ24

2F065QQ28

2F065QQ31

2F065UU05

2G043AA03

2G043CA02

2G043EA08

2G043FA01

2G043HA02

2G043KA02

2G043LA03

2G043NA01

(57)【要約】

【課題】３次元画像を生成することが可能な画像生成装置および画像生成方法を提供すること。
【解決手段】画像生成装置は、互いに異なる２次元形状を有する複数のマスクパターンを形成することが可能な光変換素子を備える。光変換素子は、光源から入力された観測光を複数のマスクパターンの各々に対応した複数の変換光に変換して出力することが可能に構成されている。画像生成装置は、複数の変換光が入力されるイメージセンサを備える。イメージセンサは、複数の変換光に対応した複数の２次元画像を取得可能に構成されている。画像生成装置は、複数の２次元画像を用いて、トモグラフィ法によって光源の３次元画像を生成する演算部を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

互いに異なる２次元形状を有する複数のマスクパターンを形成することが可能な光変換素子であって、光源から入力された観測光を前記複数のマスクパターンの各々に対応した複数の変換光に変換して出力することが可能に構成されている前記光変換素子と、
前記複数の変換光が入力されるイメージセンサであって、前記複数の変換光に対応した複数の２次元画像を取得可能に構成されている前記イメージセンサと、
前記複数の２次元画像を用いて、トモグラフィ法によって前記光源の３次元画像を生成する演算部と、
を備える画像生成装置。

【請求項2】

前記光変換素子は、角度可変の微小ミラーが格子状に配列されている反射型素子であり、
前記光変換素子は、前記イメージセンサと対向して配置されており、
前記複数のマスクパターンには、光を前記イメージセンサへ出力する出力領域、および、光を前記イメージセンサへ出力しない遮光領域が２次元形状で配置されており、
前記出力領域の前記微小ミラーに入力された光は、前記イメージセンサの領域内に反射され、
前記遮光領域の前記微小ミラーに入力された光は、前記イメージセンサの領域外に反射される、請求項１に記載の画像生成装置。

【請求項3】

前記光変換素子は、光の透過率を可変に制御可能な画素が格子状に配列されている透過型素子であり、
前記光源から入力された前記観測光が、前記光変換素子を通過して前記イメージセンサに到達するように、前記光変換素子が配置されており、
前記複数のマスクパターンには、光を前記イメージセンサへ出力する出力領域、および、光を前記イメージセンサへ出力しない遮光領域が２次元形状で配置されており、
前記出力領域に対応する前記画素は、入力された光を透過し、
前記遮光領域に対応する前記画素は、入力された光を遮光する、請求項１に記載の画像生成装置。

【請求項4】

前記演算部は、前記光源の３次元の発光分布と前記マスクパターンを経由して前記イメージセンサに入力される光との幾何学的関係を、光線追跡によって演算し、
前記演算部は、前記複数のマスクパターンの各々に対応して演算された複数の前記幾何学的関係に基づいて、前記光源の３次元画像を生成する、請求項１に記載の画像生成装置。

【請求項5】

前記光変換素子の前記光源側に配置されているレンズをさらに備える、請求項１に記載の画像生成装置。

【請求項6】

前記光変換素子と対向して配置されているとともに、前記イメージセンサと対向して配置されている反射板をさらに備え、
前記光変換素子から出力された前記変換光は、前記反射板で反射して前記イメージセンサに入力される、請求項２に記載の画像生成装置。

【請求項7】

互いに異なる２次元形状を有する複数のマスクパターンを形成する工程であって、光源から入力された観測光を前記複数のマスクパターンの各々に対応した複数の変換光に変換して出力する工程と、
前記複数の変換光に対応した複数の２次元画像を取得する工程と、
取得した前記複数の２次元画像を用いて、トモグラフィ法によって前記光源の３次元画像を生成する工程と、
を備える画像生成方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本明細書では、画像生成装置および画像生成方法に関する技術を開示する。

【背景技術】

【0002】

３次元トモグラフィ映像復元技術が知られている。特許文献１では、複数のピンホールがアレイ状に配置されたピンホールアレイを透過させて、１枚の２次元画像を取得する。複数のピンホールのそれぞれに対応する、複数の部分画像を用いて、物体の３次元形状を復元する。対象物を複数の視線から観測できるため、１つのカメラのみで３次元的な空間構造の再構成計算が可能となる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３－１９２２０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１の技術では、カメラのイメージセンサの受光領域を、複数のピンホールのそれぞれに対応した部分に空間分割する必要がある。部分画像の１つあたりの受光量が減少するため、信号対雑音（ＳＮ）比が低下してしまう。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本明細書に開示する画像生成装置の一態様は、互いに異なる２次元形状を有する複数のマスクパターンを形成することが可能な光変換素子を備える。光変換素子は、光源から入力された観測光を複数のマスクパターンの各々に対応した複数の変換光に変換して出力することが可能に構成されている。画像生成装置は、複数の変換光が入力されるイメージセンサを備える。イメージセンサは、複数の変換光に対応した複数の２次元画像を取得可能に構成されている。画像生成装置は、複数の２次元画像を用いて、トモグラフィ法によって光源の３次元画像を生成する演算部を備える。

【0006】

光源の態様は様々であってよい。光源は自発光に限られない。光が照射されている物体も光源となる。

【0007】

上記の構成によると、複数のマスクパターンを形成することで、光源を複数の視線のパターンの各々を用いて観測し、複数の２次元画像を取得することができる。複数の２次元画像を用いてトモグラフィ法を実行することで、光源の３次元画像を生成することが可能となる。そして、複数のマスクパターンを動的に形成することでイメージセンサを時分割して使用できるため、イメージセンサの受光面を空間分割する必要がない。２次元画像の受光量を十分に確保できるため、信号対雑音（ＳＮ）比を向上させることが可能となる。

【0008】

光変換素子は、角度可変の微小ミラーが格子状に配列されている反射型素子であってもよい。光変換素子は、イメージセンサと対向して配置されていてもよい。複数のマスクパターンには、光をイメージセンサへ出力する出力領域、および、光をイメージセンサへ出力しない遮光領域が２次元形状で配置されていてもよい。出力領域の微小ミラーに入力された光は、イメージセンサの領域内に反射されてもよい。遮光領域の微小ミラーに入力された光は、イメージセンサの領域外に反射されてもよい。

【0009】

光変換素子は、光の透過率を可変に制御可能な画素が格子状に配列されている透過型素子であってもよい。光源から入力された観測光が、光変換素子を通過してイメージセンサに到達するように、光変換素子が配置されていてもよい。複数のマスクパターンには、光をイメージセンサへ出力する出力領域、および、光をイメージセンサへ出力しない遮光領域が２次元形状で配置されていてもよい。出力領域に対応する画素は、入力された光を透過してもよい。遮光領域に対応する画素は、入力された光を遮光してもよい。

【0010】

演算部は、光源の３次元の発光分布とマスクパターンを経由してイメージセンサに入力される光との幾何学的関係を、光線追跡によって演算してもよい。演算部は、複数のマスクパターンの各々に対応して演算された複数の幾何学的関係に基づいて、光源の３次元画像を生成してもよい。

【0011】

光変換素子の光源側に配置されているレンズをさらに備えていてもよい。

【0012】

光変換素子と対向して配置されているとともに、イメージセンサと対向して配置されている反射板をさらに備えていてもよい。光変換素子から出力された変換光は、反射板で反射してイメージセンサに入力されてもよい。

【0013】

本明細書に開示する画像生成方法の一態様は、互いに異なる２次元形状を有する複数のマスクパターンを形成する工程を備える。当該工程は、光源から入力された観測光を複数のマスクパターンの各々に対応した複数の変換光に変換して出力する。画像生成方法は、複数の変換光に対応した複数の２次元画像を取得する工程を備える。画像生成方法は、取得した複数の２次元画像を用いて、トモグラフィ法によって光源の３次元画像を生成する工程を備える。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】画像生成システム１の上面断面図である。

【図2】画像生成システム１の側面断面図である。

【図3】マスクパターンの一例を示す図である。

【図4】視線パターン１における幾何学的関係ｈ_１を説明する図である。

【図5】視線パターン１における行列式の一例である。

【図6】視線パターン２における幾何学的関係ｈ_２を説明する図である。

【図7】視線パターン２における行列式の一例である。

【図8】実施例２の画像生成装置１０ａの概略斜視図である。

【図9】変形例における幾何学的関係ｈを説明する図である。

【図10】変形例に係る画像生成装置１０ｂの上面断面図である。

【発明を実施するための形態】

【実施例0015】

（画像生成システム１の構成）
図１および図２に、画像生成システム１の上面断面図および側面断面図を示す。図２は、図１のII－II線における断面図である。図１は、図２のI－I線における断面図である。画像生成システム１は、画像生成装置１０および半導体製造装置２０を備える。

【0016】

半導体製造装置２０は、真空容器２１、窓部２２、ステージ２３、ウエハ２４、上部電極２５、を備える。真空容器２１の内部には、ステージ２３および上部電極２５が互いに対向して配置されている。ステージ２３上にはウエハ２４が配置される。各種プロセス（例：成膜、ドライエッチング）の実行時には、ステージ２３と上部電極２５との間に、プラズマ２６を発生させる。プラズマ２６は発光体であり、ｘｙ平面方向（ウエハ２４の表面と平行な方向）の直径がＤ１である。真空容器２１の一部には、可視光を透過する窓部２２が配置されている。プラズマ２６による発光を、窓部２２を介して真空容器２１の外部から観測することができる。

【0017】

画像生成装置１０は、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）１１、イメージセンサ１２、演算部１３、を備える。ＤＭＤ１１は窓部２２と対向して配置されている。イメージセンサ１２は、ＤＭＤ１１と対向して配置されている。本実施例では、イメージセンサ１２は、ＤＭＤ１１の下方側（－ｚ方向側）に配置されている。また図１では、断面図に現れないイメージセンサ１２を点線で示している。光源であるプラズマ２６からは、観測光ＯＬが放出される。観測光ＯＬは、窓部２２を介してＤＭＤ１１に入力される。観測光ＯＬは、ＤＭＤ１１によって変換光ＣＬに変換され、イメージセンサ１２へ出力される。イメージセンサ１２は、入射された変換光ＣＬに対応した２次元画像を取得する。また、プラズマ２６の直径Ｄ１がＤＭＤ１１の画角ＡＶの範囲内となるように、ＤＭＤ１１のサイズおよびプラズマ２６との距離が調整されている。これにより、プラズマ２６の全体をイメージセンサ１２で撮影することが可能とされている。

【0018】

ＤＭＤ１１は、角度可変の微小ミラーが格子状に配列されている反射型素子である。ＤＭＤ１１の微小ミラーの各々の角度を適宜設定することで、イメージセンサ１２へ反射させる光の経路を選択できる。すなわちＤＭＤ１１は、互いに異なる２次元形状を有する複数のマスクパターンを形成することが可能な光変換素子として機能する。ＤＭＤ１１によって、視線のパターンや光量を動的に変化させる（すなわち時分割する）ことが可能である。

【0019】

イメージセンサ１２は、受光素子が格子状に配列されているセンサである。イメージセンサ１２には、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサなど、各種の方式を使用可能である。イメージセンサ１２には、ＤＭＤ１１から変換光ＣＬが入力される。従って、変換光ＣＬに対応した２次元画像をイメージセンサ１２によって取得可能である。

【0020】

図３に、ＤＭＤ１１とイメージセンサ１２との対応の一例を示す。図３では、例として、ＤＭＤ１１が５×５の格子状に配列されている微小ミラーを備えており、イメージセンサ１２が１２×１２の格子状に配列されている受光素子を備えている場合を説明する。ＤＭＤ１１に形成されているマスクパターンには、光をイメージセンサ１２へ出力する出力領域Ａ１、および、光をイメージセンサ１２へ出力しない遮光領域Ａ２が、２次元形状で配置されている。図３では、出力領域Ａ１を白抜きで示し、遮光領域Ａ２をハッチングで示している。出力領域Ａ１の微小ミラーに入力された光は、イメージセンサ１２の領域内に反射される。そして出力領域Ａ１に対応した入力領域Ｂ１が形成される。一方、遮光領域Ａ２の微小ミラーに入力された光は、イメージセンサ１２の領域外に反射される。すなわち、遮光領域Ａ２の光はイメージセンサ１２に取り込まれない。これにより、マスクパターンに対応した変換光をイメージセンサ１２で検知することができる。

【0021】

なお図３の例に示すように、マスクパターンのあるパターンを形成しているＤＭＤ１１の微小ミラーの数と、イメージセンサ１２の受光素子の数は、１対１に対応していなくてもよい。またＤＭＤ１１のマスクパターンの形状と、イメージセンサ１２に反射されるマスクパターンの反射像の形状とは、完全な相似形でなくてもよく、形状が変化していてもよい。例えば図３の例に示すように、入力領域Ｂ１の一部が重複するように、反射像の形状が変形するような状況においても、本明細書の技術は適用可能である。また実際には、ＤＭＤ１１は、非常に多数の微小ミラーを備えている（例：８００×４８０配列）。またイメージセンサ１２は、非常に多数の受光素子を備えている（例：１９２０×１０８０配列）。また、マスクパターンの最小ピクセルサイズは自由に設定可能である。例えば、数十×数十配列のミラーでマスクパターンの最小ピクセルを構成してもよい。

【0022】

演算部１３は、プラズマ２６の３次元画像を生成する装置である。具体的には、イメージセンサ１２で取得された複数の２次元画像を用いて、トモグラフィ法によって３次元画像を生成する。複数のマスクパターンの各々に対応して演算された複数の幾何学的関係に基づいて、光源の３次元画像を生成する、演算部１３は、例えばＰＣであってよい。演算部１３は、操作部３１と、表示部３２と、制御部３３と、を備える。操作部３１は、キーボードやマウス等を備えていてもよい。表示部３２は、様々な情報や画像を表示するためのディスプレイである。制御部３３は、ＣＰＵ３４と、メモリ３５と、ＧＰＵ３７と、を備える。メモリ３５には、プログラム３６が記憶されている。ＣＰＵ３４およびＧＰＵ３７は、プログラム３６に従って、後述する様々な処理を実行する。

【0023】

（３次元画像の生成方法）
演算部１３では、トモグラフィ解析により、プラズマ２６の３次元画像が生成される。トモグラフィ解析について説明する。プラズマ２６の３次元の発光分布ｆが視線のパターンによってイメージセンサ１２に到達する光ｇは、幾何学的関係ｈに決定される。その関係は、行列計算（ｇ＝ｈｆ）で得られる。なお幾何学的関係ｈについては後述する。イメージセンサ１２に到達する光ｇによって２次元画像が取得できる。そして、逆問題（ＭＩＮ_ｆ｜ｈｆ－ｇ｜）を解くことで、２次元画像からプラズマ２６の３次元の発光分布ｆを推定することができる。しかし、発光分布ｆの未知数の数が観測数より多いため、悪条件である。

【0024】

そこで本実施例の技術では、視線のパターンを変化させて得た複数の２次元画像を結合することで、観測数を増加させることができる。良条件に近づけることができるため、より安定的に逆問題の方程式を解くことが可能となる。よって、プラズマ２６の３次元の発光分布ｆを、より精度良く推定することが可能となる。具体的に説明する。ＤＭＤ１１によってマスクパターンを変更してから、イメージセンサ１２によって２次元画像を取得する。この処理をｎ回繰り返す（ｎは２以上の自然数）。これにより、視線のパターンを、パターン１からパターンｎまでｎ個に時分割することができる。よって、イメージセンサ１２に到達するｎ個の光ｇ_１～ｇ_ｎが得られる。また、ｎ個のパターンの各々に、ｎ個の幾何学的関係ｈ_１～ｈ_ｎが存在する。ｎ個のパターンの各々についてブロック化すると、以下の行列式が得られる。

【数1】

行列式を大きくすることができるため、より安定的に逆問題の方程式を解くことが可能となる。

【0025】

（幾何学的関係ｈ）
図４を用いて、幾何学的関係ｈの具体例を説明する。図４はプラズマ２６、ＤＭＤ１１、イメージセンサ１２の断面模式図である。イメージセンサ１２の受光面をＸＹ平面とし、光の入射方向をＺと定義する。図４は、ＹＺ平面での断面図である。なお実際には、プラズマ２６の発光分布ｆは３次元であり、ＤＭＤ１１およびイメージセンサ１２の配列は２次元である。

【0026】

プラズマ２６は、ＹＺ断面に沿って発光点Ｐ_１１～Ｐ_３３の９点を備えているとモデル化した。イメージセンサ１２は、Ｙ方向に沿って測定点Ｓ_ｋ，ｍが並んでいるとモデル化した。ここで、添え字ｋは視線のパターンｋを示し、添え字ｍは測定点のＹ方向の位置を示している。図４の例では、１つ目の視線のパターン１の場合において、Ｙ方向に測定点が５つ存在する場合を説明する。よってイメージセンサ１２は、測定点Ｓ_１，１～Ｓ_１，５を備えている。またＤＭＤ１１は、測定点Ｓ_ｋ，ｍの各々に対応して、光の透過と遮光を制御している。図４では、透過部を白抜きで示し、遮光部をハッチングで示している。また図４の例では、測定点Ｓ_１，１およびＳ_１，４が遮光され、測定点Ｓ_１，２、Ｓ_１，２およびＳ_１，４に光が入射する場合を説明する。

【0027】

視線のパターン１において、測定点Ｓ_１，１～Ｓ_１，５に到達する光は、幾何学的関係ｈ_１で決定される。幾何学的関係ｈ_１の一例としては、距離、障害物の有無、反射状態、などである。幾何学的関係ｈ_１は、トモグラフィ解析のために必要である。本実施例では、演算部１３が、光線追跡によって幾何学的関係ｈ_１を演算する。

【0028】

光線追跡の具体例を説明する。発光点Ｐ_１１～Ｐ_３３の何れか１点に発光体を配置した場合に、測定点Ｓ_１，１～Ｓ_１，５に到達する光をシミュレーションする。シミュレーションは、以下の観点で行われる。発光点Ｐ_１１との距離が遠いほど、光のパワーが弱くなる。真空容器２１の内壁に近いほど、光の反射が強くなる。反射状態は、光の波長に応じて変化する。発光点Ｐ_１１からの光路上に障害物がある場合には、光が遮光される。このシミュレーションを、発光点Ｐ_１１～Ｐ_３３の各々に発光体を配置した場合について実行する。また、視線のパターン（ＤＭＤ１１のマスクパターン）がｎ個存在する場合には、ｎ個のパターンの各々について、上記のシミュレーションを実行する。

【0029】

（トモグラフィ解析の具体例）
第１に、１つ目の視線パターン１における光ｇ_１および幾何学的関係ｈ_１が取得される。図４に、視線パターン１における幾何学的関係ｈ_１を示す。図５に、視線パターン１における、光ｇ_１、幾何学的関係ｈ_１、発光分布ｆの関係を示す行列式を示す。図５の例では、視線のパターン１において測定点Ｓ_１，１～Ｓ_１，５に到達した光ｇ_１の強度が、[0, 1.5, 2.1, 0, 1.8]である。測定点Ｓ_１，１はＤＭＤ１１で遮光されているため、測定点Ｓ_１，１における光ｇ_１の強度は０である。測定点Ｓ_１，２には、光路ＯＰ_１２ａおよびＯＰ_１２ｂ（図４、実線）で線積分された、強度１．５の光ｇ_１が入射する（図５、領域Ｒ１参照）。この線積分の値は、図５の幾何学的関係ｈ_１の行列で示される寄与率に基づいて表すことができる。すなわち光路ＯＰ_１２ａでは、発光点Ｐ_２１、Ｐ_２２、Ｐ_２３、Ｐ_３３が線積分され、それぞれの発光点の寄与率は、０．１、０．３、０．１、０．１である（領域Ｒ２参照）。また光路ＯＰ_１２ｂでは、発光点Ｐ_３１が線積分され、発光点Ｐ_３１の寄与率は０．１である（領域Ｒ３参照）。なお寄与率は、前述した光線追跡により予め取得することができる。

【0030】

同様にして、測定点Ｓ_１，３には、光路ＯＰ_１３ａおよびＯＰ_１３ｂ（図４、点線）で線積分された、強度２．１の光ｇ_１が入射する（図５、領域Ｒ４参照）。光路ＯＰ_１３ａでは、発光点Ｐ_２１、Ｐ_２２、Ｐ_２３が線積分され、それぞれの発光点の寄与率は、０．３、０．３、０．３である（領域Ｒ５参照）。また光路ＯＰ_１３ｂでは、発光点Ｐ_１１、Ｐ_１２が線積分され、それぞれの発光点の寄与率は、０．２、０．１である（領域Ｒ６参照）。測定点Ｓ_１，４はＤＭＤ１１で遮光されているため、測定点Ｓ_１，４における光ｇ_１の強度は０である。なお、測定点Ｓ_１，５については、前述の内容と同様であるため、説明を省略する。

【0031】

第２に、２つ目の視線パターン２における光ｇ_２および幾何学的関係ｈ_２が取得される。図６に、視線パターン２における幾何学的関係ｈ_２を示す。視線パターン２では、測定点Ｓ_２，２およびＳ_２，３が遮光され、測定点Ｓ_２，１、Ｓ_２，４およびＳ_２，５に光が入射する場合を説明する。また図７に、視線パターン２における行列式を示す。視線パターン２の行列式（図７）は、視線パターン１の行列式（図５）に対して、測定点Ｓ_２，ｍ、光ｇ_２および幾何学的関係ｈ_２が追加されている。

【0032】

図７の例では、視線のパターン２において測定点Ｓ_２，１～Ｓ_２，５に到達した光ｇ_２の強度が、[1.2, 0, 0, 2.4, 2.0]である。測定点Ｓ_２，１には、光路ＯＰ_２１ａおよびＯＰ_２１ｂ（図６、実線）で線積分された、強度１．２の光ｇ_２が入射する。測定点Ｓ_２，４には、光路ＯＰ_２４ａおよびＯＰ_２４ｂ（図６、点線）で線積分された、強度２．４の光ｇ_２が入射する。測定点Ｓ_２，５には、光路ＯＰ_２５ａおよびＯＰ_２５ｂ（図６、一点鎖線）で線積分された、強度２．０の光ｇ_２が入射する。なお、寄与率の内容については前述の内容と同様であるため、説明を省略する。

【0033】

以後、第ｎ個目の視線パターンｎまで、上記の処理が実行される。これにより、ｎ個の光ｇ_１～ｇ_ｎ、および、ｎ個の幾何学的関係ｈ_１～ｈ_ｎを備えた行列式を生成することができる。そして前述した逆問題の方程式を解くことにより、トモグラフィ解析が実行され、発光分布ｆを求めることができる。行列式を大きくすることができるため、より安定してトモグラフィ解析を行うことが可能となる。

【0034】

（効果）
ＤＭＤ１１を用いて複数のマスクパターンを形成することで、プラズマ２６を複数の視線のパターンの各々を用いて観測し、複数の２次元画像を取得することができる。そして複数の２次元画像を用いて演算部１３でトモグラフィ法を実行することで、安定的に方程式を解くことができるため、プラズマ２６の３次元画像を精度良く生成することが可能となる。

【0035】

ＤＭＤ１１を用いて複数のマスクパターンを動的に形成することで、イメージセンサ１２を時分割して使用することができる。イメージセンサ１２の受光面の全面を用いて、複数の２次元画像の各々を取得することができるため、受光面を空間分割する場合に比して受光量を十分に確保できる。３次元画像の信号対雑音（ＳＮ）比を向上させることが可能となる。

【0036】

３次元画像の取得対象物を観測するための観測点が限定される場合がある。例えば、真空容器内でプラズマを発生させる装置（例：半導体製造装置、核融合装置など）では、真空容器内を外部から観測可能な窓部の数や大きさは最小限とされる。この場合、対象物を多数点から観測できないため、３次元画像の生成が困難である。一方、本実施例の技術では、限定された１つの観測点において、視線のパターンを複数生成することができる。視線の異なる複数の２次元画像を取得できるため、観測点が限定される場合においても、対象物の３次元画像を精度良く生成することが可能となる。半導体製造分野や核融合分野において、プラズマ発光分布を正確に知ることが可能となる。

【0037】

３次元画像の取得対象物の形状が経時変化する場合がある。例えば半導体製造装置で用いられるプラズマは、加工プロセスの進行に応じて発光分布や発光波長が変化する。本実施例の技術では、応答時間が１０マイクロセカンドオーダーと非常に短いＤＭＤ１１を用いて、マスクパターンを動的に変化させることができる。対象物の形状変化の速度に比して、視線のパターン変化の周期を十分に小さくすることができる。よって、対象物の形状の経時変化を、３次元の連続画像で取得することが可能となる。

【実施例0038】

図８に、実施例２の画像生成装置１０ａの概略斜視図を示す。なお、実施例１の構成（図１および図２）と同様の部位には、同一符号を付すことで説明を省略する。画像生成装置１０ａは、実施例１の反射型素子（ＤＭＤ１１）に代えて、透過型素子（液晶素子１１ａ）を備えている。窓部２２、液晶素子１１ａおよびイメージセンサ１２は、プラズマ２６に対して一直線上に並んで配置されている。プラズマ２６から入力された観測光ＯＬは、窓部２２を介して液晶素子１１ａに入力される。液晶素子１１ａに入力された観測光ＯＬは、液晶素子１１ａを通過することで変換光ＣＬに変換される。変換光ＣＬはイメージセンサ１２に到達する。

【0039】

液晶素子１１ａは、光の透過率を可変に制御可能な画素が格子状に配列されている透過型素子である。液晶素子１１ａの画素の各々の透過率を適宜設定することで、互いに異なる２次元形状を有する複数のマスクパターンを形成することが可能である。マスクパターンには、出力領域Ａ１および遮光領域Ａ２が、２次元形状で配置されている。出力領域Ａ１は、透過率が高い領域であり、光をイメージセンサ１２へ透過する領域である。遮光領域Ａ２は、透過率が低い領域であり、光を遮光することでイメージセンサ１２へ到達させない領域である。図８の液晶素子１１ａの例では、出力領域Ａ１を白抜きで示し、遮光領域Ａ２を黒塗りで示している。

【0040】

（効果）
透過型素子（液晶素子１１ａ）を用いる場合においても、複数のマスクパターンを動的に形成することができる。プラズマ２６を複数の視線のパターンの各々を用いて観測することで、プラズマ２６の３次元画像を生成することが可能となる。

【0041】

反射型素子（ＤＭＤ１１）を用いる場合に比して、透過型素子（液晶素子１１ａ）を用いる場合には、透過型素子とイメージセンサ１２との距離を縮めることができる。また光の入射方向に対して、透過型素子とイメージセンサ１２とを直線上に配置することができる。透過型素子およびイメージセンサ１２のレイアウトの自由度を高めることができるため、画像生成装置１０ａの小型化や構成の簡略化が可能となる。

【0042】

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

【0043】

（幾何学的関係ｈの変形例）
幾何学的関係ｈを求める方法は、図４で説明したように、視線パターンごとに算出する方法に限られない。例えば、マスクパターンを構成する複数の要素（例：ＤＭＤ１１の微小ミラー、液晶素子１１ａの画素）ごとに寄与率を計算しておくことで、幾何学的関係ｈを求めてもよい。図９を用いて、変形例の幾何学的関係ｈを説明する。図９は、ＤＭＤ１１が５×５の格子状に配列されている微小ミラーを備えている例である。ＤＭＤ１１の受光面（ＸＹ平面）に、微小ミラーＭ_ｉ，ｊが並んでいる。ここで、添え字ｉはＸ座標を示し、添え字ｊはｙ座標を示している。また、光をイメージセンサ１２へ出力する微小ミラーを白抜きで示し、出力しないミラーをハッチングで示している。

【0044】

微小ミラーＭ_ｉ，ｊの各々について、寄与行列Ｃ_ｉ，ｊを予め計算する。寄与行列Ｃ_ｉ，ｊは、微小ミラーＭ_ｉ，ｊの光をイメージセンサ１２に入力し、その他の微小ミラー全ての光を遮光状態にしたときの寄与率を示す行列である。すなわち、微小ミラーＭ_１，１の反射光のみをイメージセンサ１２に入力し、その他すべての微小ミラーを遮光状態にすることで、寄与行列Ｃ_１，１が算出できる。以後、寄与行列Ｃ_１，２～Ｃ_５，５まで順番に、合計２５個の寄与行列Ｃを算出する。そして、任意のマスクパターンに対し、光をイメージセンサ１２へ出力する微小ミラーに対応する寄与行列Ｃを全て合計する。幾何学的関係ｈおよび寄与行列Ｃはサイズの等しい行列であるため、合算が可能である。これにより、幾何学的関係ｈを算出することができる。図９のマスクパターン例では、幾何学的関係ｈは、下式で求められる。
ｈ＝Ｃ_１，２＋Ｃ_１，４＋Ｃ_１，５＋Ｃ_２，１＋Ｃ_２，４＋Ｃ_２，５＋Ｃ_３，２＋Ｃ_３，３＋Ｃ_４，１＋Ｃ_５，４
以上より、寄与行列Ｃ_ｉ，ｊを予め計算しておき、マスクパターンごとに対応する寄与行列Ｃを抽出して全て合計することで、任意のマスクパターンに対して幾何学的関係ｈを即座に計算することが可能となる。なお、寄与行列Ｃを求める本方法は、反射型素子（ＤＭＤ１１）に限られず、透過型素子（液晶素子１１ａ）にも適用可能である。

【0045】

（その他の変形例）
図１０に、変形例に係る画像生成装置１０ｂを示す。画像生成装置１０ｂは、本実施例の画像生成装置１０（図１）に比して、レンズ１４および反射板１５をさらに備えている。レンズ１４は、ＤＭＤ１１のプラズマ２６側に配置されている。反射板１５は、ＤＭＤ１１と対向して配置されているとともに、イメージセンサ１２と対向して配置されている。観測光ＯＬは、レンズ１４を介してＤＭＤ１１に入力される。ＤＭＤ１１から出力された変換光ＣＬは、反射板１５で反射してイメージセンサ１２に入力される。レンズ１４を用いることにより、画角ＡＶやプラズマ２６とＤＭＤ１１との距離ＤＤを任意に設定することが可能となる。また反射板１５を用いることにより、イメージセンサ１２の配置位置を任意に設定することが可能となる。画像生成装置１０ｂの設計の自由度を高めることが可能となる。

【0046】

３次元画像の取得対象物は、自発光する物体に限られない。自発光していない様々な物体に対しても、外部から照明することで、本明細書の技術を利用可能である。例えば、流体中に混入したトレーサ粒子の挙動を追う粒子画像流速測定法に、本明細書の技術を適用すると、１台のカメラによって、流体の動きを３次元空間的に求めることが可能となる。

【0047】

１つのイメージセンサ１２に対して、互いに位置の異なるＤＭＤ１１を複数備えてもよい。複数のＤＭＤ１１の各々から変換光ＣＬを出力し、１つのイメージセンサ１２に入力してもよい。複数の観測点を備えることができるため、３次元画像をより精度よく生成することが可能となる。

【0048】

光線追跡の方法は、様々であってよい。本実施例では、光源からの光線がカメラに入射する光量を計算する手法（forward-raytracing）を説明したが、この手法に限られない。例えば、カメラから光線を飛ばして、光源に到達した光路からカメラに入射する光量を計算する手法（backward-raytracing）を用いてもよい。

【0049】

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成し得るものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

【0050】

以下に、本技術の態様を列挙する。
［態様１］
互いに異なる２次元形状を有する複数のマスクパターンを形成することが可能な光変換素子であって、光源から入力された観測光を前記複数のマスクパターンの各々に対応した複数の変換光に変換して出力することが可能に構成されている前記光変換素子と、
前記複数の変換光が入力されるイメージセンサであって、前記複数の変換光に対応した複数の２次元画像を取得可能に構成されている前記イメージセンサと、
前記複数の２次元画像を用いて、トモグラフィ法によって前記光源の３次元画像を生成する演算部と、
を備える画像生成装置。
［態様２］
前記光変換素子は、角度可変の微小ミラーが格子状に配列されている反射型素子であり、
前記光変換素子は、前記イメージセンサと対向して配置されており、
前記複数のマスクパターンには、光を前記イメージセンサへ出力する出力領域、および、光を前記イメージセンサへ出力しない遮光領域が２次元形状で配置されており、
前記出力領域の前記微小ミラーに入力された光は、前記イメージセンサの領域内に反射され、
前記遮光領域の前記微小ミラーに入力された光は、前記イメージセンサの領域外に反射される、態様１に記載の画像生成装置。
［態様３］
前記光変換素子は、光の透過率を可変に制御可能な画素が格子状に配列されている透過型素子であり、
前記光源から入力された前記観測光が、前記光変換素子を通過して前記イメージセンサに到達するように、前記光変換素子が配置されており、
前記複数のマスクパターンには、光を前記イメージセンサへ出力する出力領域、および、光を前記イメージセンサへ出力しない遮光領域が２次元形状で配置されており、
前記出力領域に対応する前記画素は、入力された光を透過し、
前記遮光領域に対応する前記画素は、入力された光を遮光する、態様１に記載の画像生成装置。
［態様４］
前記演算部は、前記光源の３次元の発光分布と前記マスクパターンを経由して前記イメージセンサに入力される光との幾何学的関係を、光線追跡によって演算し、
前記演算部は、前記複数のマスクパターンの各々に対応して演算された複数の前記幾何学的関係に基づいて、前記光源の３次元画像を生成する、態様１～３の何れか１項に記載の画像生成装置。
［態様５］
前記光変換素子の前記光源側に配置されているレンズをさらに備える、態様１～４の何れか１項に記載の画像生成装置。
［態様６］
前記光変換素子と対向して配置されているとともに、前記イメージセンサと対向して配置されている反射板をさらに備え、
前記光変換素子から出力された前記変換光は、前記反射板で反射して前記イメージセンサに入力される、態様２に記載の画像生成装置。
［態様７］
互いに異なる２次元形状を有する複数のマスクパターンを形成する工程であって、光源から入力された観測光を前記複数のマスクパターンの各々に対応した複数の変換光に変換して出力する工程と、
前記複数の変換光に対応した複数の２次元画像を取得する工程と、
取得した前記複数の２次元画像を用いて、トモグラフィ法によって前記光源の３次元画像を生成する工程と、
を備える画像生成方法。