特許 7379305 光学装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-06

(45)【発行日】2023-11-14

(54)【発明の名称】光学装置

(51)【国際特許分類】

   G01B 11/24 20060101AFI20231107BHJP

   G01B 11/26 20060101ALI20231107BHJP

【ＦＩ】

G01B11/24 K

G01B11/26 H

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2020156162

(22)【出願日】2020-09-17

(65)【公開番号】P2022049881

(43)【公開日】2022-03-30

【審査請求日】2022-08-24

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】大野 博司

(72)【発明者】

【氏名】岡野 英明

(72)【発明者】

【氏名】加納 宏弥

【審査官】飯村 悠斗

(56)【参考文献】

【文献】特開昭６３－０２６５１２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０６３３８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０７－２３４１０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００３－２４０５０９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１２５９２１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

照明光を射出する照明部と、
物体の面で反射した前記照明光または前記面を透過した前記照明光が通過する第１の結像光学素子と、複数の波長選択領域を含み、前記第１の結像光学素子を通過した前記照明光が入射する波長選択部と、前記波長選択部を通過した前記照明光を受光するセンサーと、を有した撮像部と、
前記照明光と前記第１の結像光学素子の光軸との正対関係を調整可能な位置決め部と、
処理部と、
を備え、
第１の前記波長選択領域は、前記照明光のうち第１の前記波長選択領域を通過する第１の光線を主波長が第１の波長となる第１の選択光線に変換し、
第２の前記波長選択領域は、前記照明光のうち第２の前記波長選択領域を通過する第２の光線を主波長が前記第１の波長と異なる第２の波長となる第２の選択光線に変換し、
前記センサーは、前記第１の選択光線と前記第２の選択光線との色相情報を取得可能であり、
前記処理部は、前記撮像部における前記波長選択部の相対位置と前記色相情報とに基づいて前記第１の光線の光線方向および前記第２の光線の光線方向を推定する、
光学装置。

【請求項2】

前記照明部は、
前記照明光が出る出光部と、
前記出光部から出た前記照明光を平行光にする結像光学素子と、
を有した、
請求項１に記載の光学装置。

【請求項3】

前記波長選択部は、前記第１の結像光学素子の焦点面に配置された、
請求項１に記載の光学装置。

【請求項4】

前記照明部は、
前記照明光が出る出光部と、
前記出光部から出た前記照明光を平行光にする第２の結像光学素子と、
前記位置決め部と、
を有し、
前記位置決め部は、前記第２の結像光学素子の光軸に対して前記平行光の光線方向を傾けることが可能である、
請求項１に記載の光学装置。

【請求項5】

前記撮像部は、前記位置決め部を有し、
前記位置決め部は、前記波長選択部の位置を変化させる、
請求項１に記載の光学装置。

【請求項6】

前記処理部は、前記色相情報を用いて前記面で散乱された散乱光の光線方向に関する情報を取得する、
請求項１に記載の光学装置。

【請求項7】

前記波長選択領域は、回転対称である、
請求項１に記載の光学装置。

【請求項8】

複数の前記波長選択領域は、一列に並べられ、
前記センサーは、ラインセンサーである、
請求項１に記載の光学装置。

【請求項9】

前記面で反射される直前の前記照明光の光線方向を、前記撮像部から前記面で前記照明光が反射される点に向かう方向に沿わせるビームスプリッタを備えた、
請求項１に記載の光学装置。

【請求項10】

ビームスプリッタを備え、
前記照明部は、前記ビームスプリッタによって折られた光線経路に沿った前記第１の結像光学素子の焦点面に配置された出光部を有した、
請求項１に記載の光学装置。

【請求項11】

前記位置決め部は、前記出光部と前記波長選択領域とを含む可動ユニットを有し、
前記可動ユニットは、前記出光部と前記波長選択領域との相対位置を保持した状態で前記第１の結像光学素子の光軸に沿って移動可能である、
請求項１０に記載の光学装置。

【請求項12】

前記第１の結像光学素子は、ズームレンズであり、
前記ズームレンズのズーム倍率の変化に伴う前記ズームレンズの焦点面の移動に応じて、前記光軸に沿って前記可動ユニットが移動する、
請求項１１に記載の光学装置。

【請求項13】

前記位置決め部は、
前記可動ユニットに連結された複数のロボットアームを有し前記可動ユニットを移動させるパラレルリンク機構と、
前記パラレルリンク機構を駆動する駆動部と、
前記駆動部を制御する制御装置と、
を有し、
前記可動ユニットは、前記センサーを有する、
請求項１１に記載の光学装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、光学装置に関する。

【背景技術】

【0002】

様々な産業において、物体の非接触での形状測定が重要となっている。従来、光線を分光して物体に照明し、撮像素子でそれぞれ分光された画像を取得し、各光線方向を推定して物体の面の情報を取得する手法がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】米国特許第５６７５４０７号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

光線を照明部側で分光することなく、物体の面の情報を取得できる光学装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

実施形態の光学装置は、照明光を射出する照明部と、物体の面で反射した前記照明光または前記面を透過した前記照明光が通過する第１の結像光学素子と、複数の波長選択領域を含み、前記第１の結像光学素子を通過した前記照明光が入射する波長選択部と、前記波長選択部を通過した前記照明光を受光するセンサーと、を有した撮像部と、前記照明光と前記第１の結像光学素子の光軸との正対関係を調整可能な位置決め部と、処理部と、を備え、第１の前記波長選択領域は、前記照明光のうち第１の前記波長選択領域を通過する第１の光線を主波長が第１の波長となる第１の選択光線に変換し、第２の前記波長選択領域は、前記照明光のうち第２の前記波長選択領域を通過する第２の光線を主波長が前記第１の波長と異なる第２の波長となる第２の選択光線に変換し、前記センサーは、前記第１の選択光線と前記第２の選択光線との色相情報を取得可能であり、前記処理部は、前記撮像部における前記波長選択部の相対位置と前記色相情報とに基づいて前記第１の光線の光線方向および前記第２の光線の光線方向を推定する。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】図１は、第１の実施形態の光学装置の概略構成を模式的に示す図である。

【図2】図２は、第１の実施形態の光学装置の詳細構成を模式的に示す図であって、光線経路を示す図である。

【図3】図３は、第１の実施形態の光学装置の処理部が実行する処理を示すフローチャートである。

【図4】図４は、第１の実施形態の第１の変形例の照明部を模式的に示す図である。

【図5】図５は、第１の実施形態の第２の変形例の照明部を模式的に示す図である。

【図6】図６は、第１の実施形態の第３の変形例の照明部を模式的に示す図である。

【図7】図７は、第２の実施形態の光学装置を模式的に示す図である。

【図8】図８は、第３の実施形態の光学装置を模式的に示す図である。

【図9】図９は、第３の実施形態の光学装置の処理部が実行する処理を示すフローチャートである。

【図10】図１０は、第４の実施形態の光学装置の一部を模式的に示す斜視図である。

【図11】図１１は、第４の実施形態の光学装置の一部を模式的に示す上面図である。

【図12】図１２は、第４の実施形態の光学装置の一部を模式的に示す断面図である。

【図13】図１３は、第５の実施形態の光学装置を模式的に示す図である。

【図14】図１４は、第６の実施形態の光学装置を模式的に示す図である。

【図15】図１５は、第７の実施形態の光学装置を模式的に示す図である。

【図16】図１６は、第７の実施形態の光学装置における可動ユニットの移動を説明するための説明図である。

【図17】図１７は、第８の実施形態の光学装置を模式的に示す斜視図である。

【図18】図１８は、第８の実施形態の光学装置を模式的に示す分解斜視図である。

【図19】図１９は、第９の実施形態の光学装置を模式的に示す斜視図である。

【図20】図２０は、第１０の実施形態の光学装置を模式的に示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

【0008】

（第１の実施形態）
以下、本実施形態に係る光学装置１について、図１～３を参照して詳細に説明する。図１は、本実施形態の光学装置１の概略構成を模式的に示す図である。図２は、本実施形態の光学装置１の詳細構成を模式的に示す図であって、光線経路を示す図である。図１および図２は、一部が、物体５００の面５０１上の物点Ｐ１（撮像部３のセンサー１１に結像される点）を通る断面で示されている。

【0009】

図１に示される本実施形態の光学装置１は、物体５００の面５０１を検査（計測）する光学検査装置である。光学装置１は、照明部２と、撮像部３と制御装置４と、を備える。

【0010】

照明部２は、光源５と、光線射出面６と、位置決め部７と、結像光学素子８と、を有する。結像光学素子８は、第２の結像光学素子の一例である。

【0011】

光源５は、基板３０に固定されている。光源５で生成された光は、光線射出面６から射出される。例えば、光線１００が光線射出面６から物体５００の面５０１に向けて射出される。ただし、ここでは光を電磁波として定義する。つまり、光は、可視光、Ｘ線、赤外線、近赤外線、遠赤外線、マイクロ波でよい。また、光は、コヒーレント光（レーザーなど）あるいはインコヒーレント光（ＬＥＤなど）のどちらでもよい。ここでは、可視光の波長は、400nmから800nmとする。光線射出面６は、照明光が出る光出部の一例である。

【0012】

照明部２の光源５は、少なくとも２つの、互いに異なる波長を発するものとする。光源５は、例えば、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、熱輻射型フィラメント、プラズマ発光型光源でよい。あるいは、光源５は、導光板とＬＥＤを組み合わせた、導光方式の発光体でもよい。あるいは、光源５は、液晶パネルやマイクロＬＥＤアレイなどの複数の発光素子を備えるものでもよい。つまり、光を発するものならば何でもよい。

【0013】

ここでは、光源５は、ＬＥＤとし、白色光を発するものとする。白色光は、波長スペクトルが450nmから650nmの波長領域で有意な強度を持つとする。つまり、白色光は、少なくとも異なる２つの波長を持つとする。

【0014】

結像光学素子８は、代表的なものとして、レンズ、ＧＲＩＮレンズ、凹面ミラーなどがある。結像光学素子８は、物点Ｐ１を共役な像点に移す。ここでは、結像光学素子８は、実質的に点と見做せる微小領域から発せられた光線群（発散光）を実質的に点と見做せる光線群（集光光）に移すものとする。結像光学素子８は、このような作用を持つものならば何でもよい。ここでは、一例として、図２に示されるように、結像光学素子８は、凸レンズである。結像光学素子８は、第１または第２のレンズとも称される。また、結像光学素子８の光軸Ａｘ１は、第１または第２の光軸と称される。

【0015】

照明部２の位置決め部７は、光線射出面６を空間的に移動させることができる。例えば、マイクロメータ付きのリニアステージのような、機械的に可動する機構に光源５を配置して移動させてもよい。このような機械的可動機構は、電気的に制御できるものでもよく、手動で動かすものであってもよい。あるいは、位置決め部７として、光源５として発光素子を複数並べたものとし、各発光素子を点灯あるいは消灯させて電気的なＯＮ／ＯＦＦにより光線射出面６を移動させてもよい。この場合、機械的な可動機構に比べて、高速化できるという利点がある。

【0016】

本実施形態では、一例として、図２に示されるように、位置決め部７は、可動部１３を有する。可動部１３は、マイクロメータ付きリニアステージによって構成されている。可動部１３に光源５が配置されている。これにより、マイクロメータを調整することで、光源５の位置を精度よく決めることができる。

【0017】

図１に示されるように、撮像部３は、結像光学素子９と波長選択部１０とセンサー１１とを有する。

【0018】

撮像部３は、物体５００の面５０１で反射または面５０１を透過した光線１００，２００を撮像する。本実施形態では、物体５００の面５０１は、光線１００，２００を反射する場合とするが、これに限らず、面５０１は、光線１００，２００を透過させてもよい。撮像部３は、光線１００，２００を結像光学素子９によって結像し、撮像画像を取得する。物体５００が光を透過する場合、撮像部３によってセンサー１１に結像される面を物体５００の面５０１とする。このとき、物体５００の面５０１は物体５００の表面または裏面、あるいはその内部にあるとする。結像光学素子９は、第１の結像光学素子の一例である。

【0019】

結像光学素子９は、ここでは凸レンズとする。ただし、結像光学素子９は、レンズや凹面ミラーなどの物点Ｐ１を共役な像点に移すものならば何でもよい。結像光学素子９は、第１または第２のレンズとも称される。結像光学素子９の光軸Ａｘ２は、第１または第２の光軸と称される。

【0020】

波長選択部１０は、少なくとも２つすなわち複数の波長選択領域１２（領域）を備えている。本実施形態では複数の波長選択領域１２は、第１の波長選択領域１２ａと第２の波長選択領域１２ｂとを含む。各波長選択領域１２は、透過型あるいは反射型の波長フィルターとする。つまり、各波長選択領域１２は、波長選択領域１２に入射した光線１００，２００を、その波長スペクトルに依存して選択的に透過あるいは反射させる。ここでは、波長選択領域１２は透過型の波長フィルターとし、第１の波長選択領域１２ａと第２の波長選択領域１２ｂの透過波長スペクトルは互いに異なるものとする。ここで、第１の波長選択領域１２ａに入射し透過する光線は、選択光線１０１と称される。選択光線１０１は、複数ある。複数の選択光線１０１は、選択光線１０１ａ，１０１ｂを含む。ただし、これに限らず、選択光線１０１は単数でもよい。

【0021】

センサー１１は、少なくとも１つ以上の画素を持ち、各画素で光を受光し、光の強度を得る。光の強度をデジタル化したものを、画素値と呼ぶ。また、各画素は、少なくとも２つの色相チャンネルを持つとし、各色相チャンネルに対して画素値が振り分けられる。つまり、各画素において、光の波長スペクトルに応じ、各色相チャンネルの画素値が振り分けられる。ここでは、色相チャンネルに対する画素値を色相画素値と呼ぶ。例えば、波長450nmでピークを持つ青光を受光すれば、色相チャンネルｃｈ１（Ｂ）の画素値が増加し、色相チャンネルｃｈ２（Ｇ）と色相チャンネルｃｈ３（Ｒ）の画素値は増加しない。波長550nmでピークを持つ緑光を受光すれば、色相チャンネルｃｈ２（Ｇ）の画素値が増加し、他のチャンネルは増加しない。波長650nmでピークを持つ赤光を受光すれば、色相チャンネルｃｈ３（Ｒ）の画素値が増加し、他の色相チャンネルの画素値は増加しない。つまり、色相画素値によって、光の波長スペクトルを推定することができる。色相画素値は、色相情報の一例である。センサ－１１の画素は、少なくとも、第１の波長の光線と第１の波長とは異なる第２の波長の光線をそれぞれ異なる色相に区別して記録できる。

【0022】

センサー１１は、ラインに近い形状で画素を並べたラインセンサーでもよく、長方形あるいは正方形に近い形状で画素を並べたエリアセンサーでもよい。これに限らず、センサー１１の形状は、多角形でも円でも何でもよい。本実施形態では、センサー１１は、エリアセンサーとする。

【0023】

制御装置４は、光学装置１の各部の制御や演算を行うことができる。本実施形態では、制御装置４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＯＭ（Read Only Memory）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）と、を有する。すなわち、制御装置４は、コンピュータである。ＣＰＵは、ＲＯＭ等に記憶されたプログラムを読み出して実行する。また、ＣＰＵは、各種演算処理を並列処理可能に構成されている。ＲＡＭは、ＣＰＵがプログラムを実行して種々の演算処理を実行する際に用いられる各種データを一時的に記憶する。制御装置４は、演算部や情報処理部とも称される。

【0024】

制御装置４は、機能的構成として、少なくとも処理部４ａを有する。この機能的構成は、ＣＰＵがＲＯＭ等に記憶されたプログラムを実行した結果として実現される。なお、上記の機能的構成の一部または全部が専用のハードウェア（回路）によって実現されてもよい。

【0025】

処理部４ａは、センサー１１から色相画素値を受け取り、色相画素値を用いた演算が可能である。

【0026】

図２に示されるように、照明部２から射出される光線を、光線１００ａ，光線１００ｂ、光線２００ａ、光線２００ｂとする。光線１００ａと光線１００ｂとの総称として光線１００を用い、光線２００ａと光線２００ｂとの総称として光線２００を用いる。光線１００および光線２００は、すべて白色光である。ただし、白色光に限らず、少なくとも２つの異なる波長を有する光ならば何でもよい。

【0027】

波長選択部１０は、第１の波長選択領域１２ａにより、波長450nmの青光を主波長（主成分）とする光線を透過する。一方、第１の波長選択領域１２ａは、波長650nmの赤光は遮光（吸収あるいは反射により透過させない）する。第２の波長選択領域１２ｂは、波長650nmの赤光を主波長（主成分）とする光線を透過するが、波長450nmの青光は遮光（吸収あるいは反射により透過させない）する。ここでは、例えば、波長450nmを第１の波長とし、波長650nmを第２の波長とする。

【0028】

波長選択部１０において、第１の波長選択領域１２ａが中心に配置され、そのまわりに第２の波長選択領域１２１２ｂ）が配置されている。

【0029】

物体５００の面５０１は、２つの平面で構成されるとし、それらを第１の平面５０１ａと第２の平面５０１ｂとする。第１の平面５０１ａは、第２の平面５０１ｂに対して傾いている。ここでは、平面の傾き角は、第２の平面５０１ｂを基準平面とする。一般的に、平面の傾き角は、２つの変数で表せる。ここでは、第１の平面５０１ａは一軸方向にのみ傾いているとし、傾き角は一つの変数で表せる。また、本実施形態では説明を簡単にするために、物体５００の面５０１は鏡面であるとする。ただし、この限りではなく、物体５００の面５０１は散乱面でもよい。物体５００の面５０１が鏡面である場合、反射光は、正反射光成分のみが存在し、散乱光成分は実質的に存在しない。

【0030】

光線１００（光線１００ａ，１００ｂ）は、第１の平面５０１ａ上の点（物点Ｐ１）で反射され、結像光学素子９に入射して屈折され、第１の波長選択領域１２ａに到達する。さらに、第１の波長選択領域１２ａを通過した選択光線１０１（選択光線１０１ａ，１０１ｂ）がセンサー１１に到達する。ここで、結像光学素子９は、物点Ｐ１（反射された点）をセンサー１１に結像する。選択光線１０１（選択光線１０１ａ，１０１ｂ）は、第１の波長が主波長（主成分）となる。

【0031】

光線２００（光線２００ａ，２００ｂ）は、第２の平面５０１ｂ上の点で反射され、結像光学素子９に入射して屈折され、第２の波長選択領域１２ｂに到達する。さらに、第２の波長選択領域１２ｂを通過した選択光線２０１（選択光線２０１ａ，２０１ｂ）がセンサー１１に到達する。ここで、結像光学素子９は、光線２００（光線２００ａ，２００ｂ）に対する物点（反射された点）をセンサー１１に結像する。選択光線２０１（選択光線２０１ａ，２０１ｂ）は、第２の波長が主波長（主成分）となる。

【0032】

また、本実施形態では、結像光学素子８の焦点面８ａ（図２）、あるいは焦点面８ａ近傍に光線射出面６が配置されている。これにより、光線射出面６から射出された光線群は、結像光学素子８により実質的に平行光になる。つまり、光線１００（光線１００ａ，１００ｂ）、光線２００（光線２００ａ，２００ｂ）は、実質的に互いに平行である。これら互いに平行な光線群（光線１００ａ，１００ｂ、光線２００ａ，２００ｂを含む群）を平行照明と呼ぶ。光線射出面６の位置決め部７により、光軸Ａｘ１に対する平行照明の傾き角である角度θ１を調整できる。角度θ１は、第１の角度とも称される。

【0033】

また、結像光学素子９の焦点面９ａ（図２）、あるいは焦点面９ａの近傍に波長選択部１０が配置されている。これにより、平行照明（互いに平行な光線群）が結像光学素子９に直接入射した場合、波長選択部１０にいったん集光される。さらに、波長選択部１０で透過（あるいは反射）された光線が、選択光線となってセンサー１１に到達する。本実施系形態では、光軸Ａｘ２に沿って入射した平行光が、波長選択部１０の第１の波長選択領域１２ａにいったん集光される。一方、光軸Ａｘ２に対して傾いた平行光は、波長選択部１０の第２の波長選択領域１２ｂにいったん集光される。

【0034】

光線１００（光線１００ａ，１００ｂ）と光軸Ａｘ２は、第１の平面５０１ａに対して正対の関係となっている。ここで、第１の平面５０１ａが鏡面の場合、正対の関係とは、光線１００（光線１００ａ，１００ｂ）が第１の平面５０１ａで反射され、その反射方向が光軸Ａｘ２に沿うことを意味する。これはつまり、第１の平面５０１ａが鏡面の場合、光線１００（光線１００ａ，１００ｂ）の、第１の平面５０１ａの法線方向に対する入射角と反射角とがそれぞれ等しくなると言い換えることもできる。このような反射は、正反射と呼ばれる。ただし、平面が鏡面ではなく、例えば粗面などの拡散面である場合、光は散乱される。この場合、反射光の主成分の方向は、必ずしも入射方向に対して正反射の関係にならない場合がある。反射光の主成分をスペキュラー成分と呼び、その方向をスペキュラー方向と呼ぶ。それ以外の成分を散乱成分と呼ぶ。以下では、平面が鏡面の場合において、正反射光もスペキュラー成分と呼ぶことにする。

【0035】

本明細書において、平面が鏡面でも拡散面でも、ある平面に対して、光線あるいは軸である２つの線が正対の関係にあるとは、一方の線に沿って入射された光線が当該平面で反射されたとき、反射光のスペキュラー方向がもう一方の線に沿うことを意味すると定める。物体５００が透過の場合も同様であり、ある線に沿って光線が入射されて物体５００内を透過したとき、もう一方の線に透過光の主成分の方向が沿うとき、当該平面に対して２つの線が正対する、と定める。

【0036】

光線１００（光線１００ａ，１００ｂ）は、第１の平面５０１ａにより、光軸Ａｘ２に沿って反射される。これは、光線１００（光線１００ａ，１００ｂ）と光軸Ａｘ２が第１の平面５０１ａに対して正対の関係になっているからである。光線１００（光線１００ａ，１００ｂ）はさらに、結像光学素子９によって波長選択部１０の第１の波長選択領域１２ａを通り、選択光線１０１（１０１ａ，１０１ｂ）となり、センサー１１に結像される。

【0037】

次に、本実施形態の光学装置１の動作について説明する。図２において、光線１００ａと光線１００ｂとは、平行光であり、第１の平面５０１ａによって反射される。各光線１００ａ，１００ｂは両者とも光軸Ａｘ２に沿って反射される。これは、光線１００ａ，１００ｂと光軸Ａｘ２が正対の関係になっており、かつ、両光線１００ａ，１００ｂは平行であるからである。位置決め部７によって光線射出面６を移動させることにより、任意の平面に対してこのような正対の関係を取ることが可能となる。光線１００ａと光線１００ｂとは、さらに、結像光学素子９で屈折透過されて第１の波長選択領域１２ａに入射する。つまり、第１の平面５０１ａ、あるいは傾き角が第１の平面５０１ａと等しい平面で反射された光線は、第１の波長選択領域１２ａに入射する。言い換えれば、光線１００ａと平行な任意の２つの光線は、第１の平面５０１ａと同じ傾き角の平面で反射されれば、第１の波長選択領域１２ａに入射される。光線１００ａと光線１００ｂは、さらに、それぞれ選択光線１０１ａと選択光線１０１ｂとなってセンサー１１で結像される。また、両光線１００ａ，１００ｂとも第１の波長選択領域１２ａに入射したため、選択光線１０１ａ，１０１ｂは、第１の波長を主波長（主成分）とする。

【0038】

光線２００ａと光線２００ｂは、平行であり、第２の平面５０１ｂによって反射される。両光線２００ａ，２００ｂは、光軸Ａｘ２から傾いた方向に反射される。これは、光線２００ａ，２００ｂと光軸Ａｘ２とは正対の関係になっておらず、かつ、両光線２００ａ，２００ｂが平行であるからである。位置決め部７によって光線射出面６を移動させることにより、任意の平面に対してこのような正対から外れた位置関係を取ることが可能となる。光線２００ａと光線２００ｂは、さらに、結像光学素子９で屈折透過されて第２の波長選択領域１２ｂに入射する。つまり、第２の平面５０１ｂと傾き角が等しい平面で反射された光線は、第２の波長選択領域１２ｂに入射する。言い換えれば、光線２００ａと平行な任意の２つの光線は、第２の平面５０１ｂと同じ傾き角の平面で反射されれば、第２の波長選択領域１２ｂに入射される。光線２００ａと光線２００ｂは、さらに、それぞれ選択光線２０１ａと選択光線２０１ｂとなってセンサー１１で結像される。また、両光線２００ａ，２００ｂとも第２の波長選択領域１２ｂを通ったため、選択光線２０１ａ，２０１ｂは、第２の波長が主波長（主成分）となる。

【0039】

以上により、第１の平面５０１ａと同じ傾き角を持つ平面で反射された光線は全て、第１の波長選択領域１２ａに入射して、第１の波長を持つ選択光線となってセンサー１１に結像される。一方、第２の平面５０１ｂと同じ傾き角を持つ平面で反射された光線は全て、第２の波長選択領域１２ｂに入射して、第２の波長を持つ選択光線となってセンサー１１に結像される。センサー１１の各画素は、第１の波長と第２の波長とを区別し、異なる色相チャンネルに振り分ける。つまり、光線１００（光線１００ａ，１００ｂ）と光線２００（光線２００ａ，２００ｂ）とは、色相画素値で識別可能となる。これはつまり、反射光の光線方向を色相画素値で識別可能ということになる。反射光の光線方向は、物体５００の面５０１の傾きで決まるため、物体５００の面５０１の傾きを計測できるとも言える。物体５００の面５０１の傾きは、物体５００形状の重要な情報である。つまり、本実施形態により、物体５００形状を推測することができると言える。また、撮像部３と照明部２との位置関係の情報があれば、三角測量の原理より、物体５００までの距離が算出できる。つまり、物体形状を算出することができる。本実施形態では、処理部４ａは、上記の方法により、色相情報である色相画素値に基づいて光線１００の光線方向および光線２００の光線方向を推定する、また、光線射出面６の位置決め部７により、平行照明の、光軸Ａｘ１に対する傾き角（角度θ１）を調整できる。これにより、反射光の光線方向と波長選択部１０の各波長選択領域１２１２の対応関係を変化させることができる。

【0040】

次に、処理部４ａが実行する処理の流れを図３に基づいて説明する。図３は、本実施形態の光学装置１の処理部４ａが実行する処理を示すフローチャートである。

【0041】

まず、処理部４ａが行う処理の前に、制御装置４は、照明部２の位置決め部７により、光線射出面６の位置を決定する。そして、制御装置４は、照明部２の位置決め部７で決定された光線射出面６の、照明部２における相対位置情報によって照明光の方向を決定する。さらに、撮像部３における波長選択部１０の相対位置情報に基づいて、物体５００の面５０１で反射される光線の方向と波長選択領域１２との関係を定める。波長選択部１０の各波長選択領域１２を通過（透過あるいは反射）した選択光線は、色相画素値で識別される。そのため、色相画素値と光線方向の関係が定まる。

【0042】

そして、図３に示されるように、処理部４ａが、上記の色相画素値と光線方向の関係を記録する（Ｓ１１）。そして、処理部４ａは、センサー１１から撮像画像を取得し（Ｓ１２）、各画素の色相画素値を取得する。処理部４ａは、色相画素値から、先に記録した色相画素値と光線方向の関係を用い、上記の方法によって光線の光線方向を算出する（Ｓ１３）。

【0043】

なお、色相画素値から光線方向を算出する際、物体５００の面５０１の色分布、反射率分布などの影響を除去してノイズを低減する演算を行ってもよい。

【0044】

例えば、あらかじめ、波長選択部１０を取り外した場合の画像を取得しておき、その後、波長選択部１０を挿入した場合の画像を取得する。そして、それらの差分を算出することにより、物体５００の面５０１の色分布や反射率分布の影響を低減するという効果がある。あるいは、色相画素値の各色相の画素値に閾値を設け、それをオフセットしてもよい。これにより、背景ノイズが低減するという効果がある。

【0045】

以上のように、本実施形態の光学装置１は、照明部２と、撮像部３と、処理部４ａと、を備える。照明部２は、照明光を出射する。撮像部３は、波長選択部１０と、センサー１１と、を有する。波長選択部は、物体５００の面５０１で反射した照明光または面５０１を透過した照明光が通過する複数の波長選択領域１２（第１の波長選択領域１２ａ，第２の波長選択領域１２ｂ）を含む。センサー１１は、波長選択部１０を通過した照明光を受光する。第１の波長選択領域１２ａは、照明光のうち第１の波長選択領域１２ａを通過する光線１００を、第１の波長を主波長とする選択光線１０１に変換する。第２の波長選択領域１２ｂは、照明光のうち第２の波長選択領域１２ｂを通過する光線２００を、第１の波長と異なる第２の波長を主波長とする選択光線２０１に変換する。センサー１１は、選択光線１０１と選択光線２０１とのそれぞれの色相を示す色相情報を取得可能である。処理部４ａは、撮像部３における波長選択部１０の相対位置と色相情報とに基づいて光線１００の光線方向および光線２００の光線方向を推定する。

【0046】

このような構成によれば、光線を照明部２の側で分光することなく、物体５００の面５０１の情報を取得できる。

【0047】

また、本実施形態によれば、撮像画像の各画素において、物体５００の面５０１が第１の平面５０１ａと同じ傾き角を持つか否かを、色相画素値を用いて検査することができるという効果が得られる。また、物体５００の面５０１の傾きが第１の平面５０１ａに近いか、第２の平面５０１ｂに近いかを識別することができるという効果が得られる。

【0048】

また、本実施形態では、光学装置１は、照明部２と撮像部３との少なくとも一方（一例として撮像部３）に設けられた位置決め部７を備える。撮像部３は、面５０１で反射した照明光または面５０１を透過した照明光が通過する結像光学素子９を有する。波長選択部１０には、結像光学素子９を通過した照明光が入射する。位置決め部７は、照明光と結像光学素子９の光軸Ａｘ２との正対関係を決定する。

【0049】

このような構成によれば、位置決め部７によって光線射出面６を移動し、平行照明の角度θを変化させることにより、第２の平面５０１ｂからの反射光が第１の波長選択領域１２ａに入射されるように調整することが可能である。このようにすると、一枚の撮像画像の各画素において、物体５００の面５０１が第２の平面５０１ｂと同じ傾き角を持つか否かを、色相画素値を用いて検査することができるという効果が得られる。そして、物体５００の面５０１の傾きが第２の平面５０１ｂに近いか、第１の平面５０１ａに近いかを識別することができるという効果が得られる。位置決め部７により、適用できる検査の範囲が広がるという効果が得られる。

【0050】

また、位置決め部７によって光線射出面６を移動し、平行照明の角度θを変化させることにより、色相画素値による識別をより高精度にすることができる場合がある。例えば、物体５００の面５０１が青光を反射しにくいが赤光を反射しやすい場合、第１の波長選択領域１２ａを通過した青光線である選択光線１０１の色相画素値は小さく、ノイズとの差が小さくなる。つまり、Ｓ／Ｎが劣化する。その場合、色相画素値による識別が困難になる。そこで、位置決め部７によって光線射出面６を移動し、平行照明の角度θを変化させることにより、第２の平面５０１ｂからの反射光が第１の波長選択領域１２ａに入射されるように調整する。これにより、選択光線１０１は赤光である第２の波長が主波長（主成分）となり、色相画素値も大きくなる。これにより、Ｓ／Ｎが向上し、色相画素値による識別精度が向上するという効果がある。

【0051】

以上で述べたように、本実施形態は、位置決め部７により照明光線と撮像部３の結像光学素子９の正対関係を調整可能にし、所望の物体５００の面５０１の傾きの検査を可能にするという効果がある。また、物体５００の面５０１の形状の推定精度を向上させるという効果もある。

【0052】

また、本実施形態では、照明部２は、照明光が出る光線射出面６と、光線射出面６から出た照明光を平行光にする結像光学素子８と、を有する。このような構成によれば、照明光を平行光にすることができる。

【0053】

また、本実施形態では照明部２は、照明光が出る光線射出面６と、光線射出面６から出た照明光を平行光にする結像光学素子８と、位置決め部７と、を有する。位置決め部７は、結像光学素子８の光軸Ａｘ１に対して平行光の光線方向を傾けることが可能である。このような構成によれば、撮像部３に位置決め部７を設けなくてもよいので、撮像部３の構成を簡素化することができる。

【0054】

（第１の変形例）
図４は、第１の実施形態の第１の変形例の照明部２を模式的に示す図である。本変形例は、可動部１３のリニアステージ上に、光源５および基板３０の他に、板部材２０が配置されている。板部材２０には、開口２１が設けられている。開口２１は、光線射出面６に面する。光源５から射出された照明光は、開口２１を通って結像光学素子８に到達する。すなわち、板部材２０の開口２１から照明光が出る。板部材２０は、光出部の一例である。

【0055】

開口２１の大きさを調整することにより、平行照明の平行度を調整することが可能となる。開口２１を小さくして平行度を高めることにより、物体５００の面５０１の傾きの分解精度が向上するという効果がある。開口２１を大きくして平行度を弱めることにより、光の指向性を弱めることができる。これにより、物体５００の面５０１で指向性の強い光が反射されて、センサー１１がハレーションすなわち画素値の上限を超えることを起こすのを防ぐことができるという効果が得られる。

【0056】

（第２の変形例）
図５は、第１の実施形態の第２の変形例の照明部２を模式的に示す図である。本変形例では、可動部１３に、光源５および基板３０が固定されていない。また、可動部１３には、貫通孔３１が設けられている。また、可動部１３には、第１の変形例で説明した板部材２０が配置されている。板部材２０の開口２１は、貫通孔３１と通じている。可動部１３は、板部材２０を移動させることができる。これにより、板部材２０の開口２１を移動することが可能となる。これにより、照明部２から射出される平行照明は、貫通孔３１および開口２１を通って結像光学素子８に向かう。このような構成によれば、照明部２から射出される平行照明の方向を変化させることができるという効果がある。

【0057】

（第３の変形例）
図６は、第１の実施形態の第３の変形例の照明部を模式的に示す図である。本変形例では、光源５は、複数の発光素子４０を有する。各発光素子４０は、電気的なＯＮ／ＯＦＦにより、発光を制御できるとする。各発光素子４０は、波長スペクトルがあらかじめ異なっていてもよく、あるいは波長スペクトルを電気的に制御できてもよい。波長スペクトルが同一で、固定であり、制御できなくてもよい。ＯＮになった発光素子４０により、光線射出面６が形成される。すなわち、発光素子４０のＯＮ／ＯＦＦによって光線射出面６を変更することができる。本実施形態では、光源５と基板３０とにより位置決め部７が構成されている。このような構成によれば、機械的な移動よりも高速化できるという効果がある。また、波長スペクトルが異なる２つの発光素子４０を同時にＯＮにした場合、２つの異なる方向の平行照明を同時に照射し、かつ色相画素値で同時に識別可能になるという効果がある。

【0058】

（第２の実施形態）
以下、本実施形態に係る光学装置１について、図７を参照して詳細に説明する。図７は、本実施形態の光学装置１を模式的に示す図である。

【0059】

本実施形態の光学装置１は、照明部２、撮像部３、および制御装置４を備える。本実施形態の構成は、基本的に第１の実施形態の構成と同じであり、ここでは第１の実施形態と本実施形態との差分を主に説明する。

【0060】

照明部２は、板部材２０の開口２１の位置を変化させる第１の位置決め部７ａを有する。第１の位置決め部７ａの構成は、第１の実施形態の第１の変形例の位置決め部７と同様である。すなわち、第１の位置決め部７ａは、可動部１３と、開口２１が設けられた板部材２０と、を有する。第１の位置決め部７ａは、板部材２０の開口２１と光源との相対位置を変化させる。ただし、この限りではなく、照明部２は第１の位置決め部７ａを備えてなくてもよい。

【0061】

撮像部３は、波長選択部１０の位置を変化させる第２の位置決め部７ｂを備える。すなわち、第２の位置決め部７ｂは、波長選択部１０の位置を決定する。第２の位置決め部７ｂは、可動部５３を有する。可動部５３には、開口５４（第２の開口）が設けられている。可動部５３は、例えばマイクロメータ付きのリニアステージでよい。また、リニアステージの移動は、手動でもよく、モーター駆動による電気的なものでもよい。開口５４は、第２の開口の一例である。

【0062】

第２の位置決め部７ｂと波長選択部１０とは一体であってもよい。例えば、第２の位置決め部７ｂと波長選択部１０とは、空間光変調器（ＳＬＭ）のような液晶マイクロディスプレイによって構成されてもよい。空間光変調器は、反射型でもよく、透過型でもよい。例えば、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）のような反射型の空間光変調器でもよい。つまり、アレイ状に配置された透過型光学素子や反射型光学素子を用いて、波長選択領域１２を電気的に制御するものでもよい。この場合、波長選択領域１２を高速に変化させることが可能となる。本実施形態においては、機能説明を明確にするために、第２の位置決め部７ｂをマイクロメータ付きのリニアステージとする。

【0063】

本実施形態の光学装置１は、上記の通り、２つの位置決め部（第１の位置決め部７ａおよび第２の位置決め部７ｂ）を備えている。つまり、少なくとも一つの位置決め部を備えている。ただし、位置決め部はどちらか一つでもよい。

【0064】

以下、本実施形態の動作を説明する。

【0065】

第２の位置決め部７ｂで波長選択部１０の位置を変化させることにより、物体５００の面５０１から反射された光線が通過する波長選択領域１２を変化させることができる。つまり、光線１００と光線２００とが波長選択部１０を通過して選択光線となる際、各光線と選択光線の主波長（波長スペクトルの主成分に対応する波長）の組み合わせを同時に変化させることができる。本実施形態では、光線１００が第２の波長選択領域１２ｂを通過して選択光線１０１になり、赤光が主成分となる。光線２００は、第１の波長選択領域１２ａを通過して選択光線２０１となり、青光が主成分となる。つまり、実施形態１の場合と比べて、組み合わせが同時に変化したことになる。

【0066】

本実施形態により、撮像画像の各画素において、物体５００の面５０１が第２の平面５０１ｂと同じ傾き角を持つか否かを、色相画素値を用いて検査することができるという効果がある。そして、物体５００の面５０１の傾きが第２の平面５０１ｂに近いか、第１の平面５０１ａに近いかを識別することができるという効果がある。

【0067】

一方、第２の位置決め部７ｂによって波長選択部１０を移動することにより、第１の平面５０１ａからの反射光が第１の波長選択領域１２ａに入射されるように調整することが可能である。このようにすると、撮像画像の各画素において、物体５００の面５０１が第１の平面５０１ａと同じ傾き角を持つか否かを、色相画素値を用いて検査することができるという効果がある。そして、物体５００の面５０１の傾きが第１の平面５０１ａに近いか、第２の平面５０１ｂに近いかを識別することができるという効果がある。つまり、第２の位置決め部７ｂにより、適用できる検査の範囲が広がる効果がある。

【0068】

第２の位置決め部７ｂによって波長選択部１０の位置を変化させることにより、色相画素値による識別をより高精度にすることができる場合がある。例えば、物体５００の面５０１が赤光を反射しにくく、青光を反射しやすい場合、第２の波長選択領域１２ｂを通過した赤光線である選択光線１０１の色相画素値が小さくなり、ノイズに埋もれてＳ／Ｎが下がる。その場合、色相画素値による識別が困難になる。そこで、第２の位置決め部７ｂによって波長選択部１０を移動し、第２の平面５０１ｂからの反射光が第１の波長選択領域１２ａに入射されるように調整する。これにより、選択光線１０１は、第１の波長が主成分となり、色相画素値も大きくなる。これにより、色相画素値による識別精度が向上するという効果がある。

【0069】

以上で述べたように、第２の位置決め部７ｂによって色相画素値による物体５００形状の検査の適用性が拡大するという効果がある。また、形状推定の精度が向上するという効果がある。

【0070】

第１の位置決め部７ａと第２の位置決め部７ｂを同時に調整することにより、どちらか一方の位置決め部７の調整ではレンジが足りず、物体５００の面５０１の傾きが検査できなかった場合でも検査可能になるという利点がある。つまり、第１の位置決め部７ａと第２の位置決め部７ｂとを両方持つことにより、物体５００の面５０１の傾き検査において、検査できる傾きのレンジが拡大するという効果がある。

【0071】

また、照明部２と撮像部３の正対位置関係をより細かく調整できるため、物体５００の面５０１の形状推定精度が向上するという効果がある。

【0072】

以上のように、本実施形態では、照明部２と撮像部３の正対位置関係を精度よく調整可能にし、色相画素値を用いた物体５００の面５０１の傾き検査を可能にするという効果がある。また、検査可能な、物体５００の面５０１の傾きのレンジを拡大できるという効果がある。これはつまり、検査できなかった物体５００の面５０１の傾きを検査可能にすると言い換えることができる。また、物体５００の面５０１の形状推定精度を向上させる効果がある。

【0073】

また、本実施形態では、撮像部３は、第２の位置決め部７ｂを有し、第２の位置決め部７ｂは、波長選択部１０の位置を決定する。

【0074】

（第３の実施形態）
以下、本実施形態に係る光学装置１について、図８，９を参照して詳細に説明する。

【0075】

図８は、本実施形態の光学装置１を模式的に示す図である。本実施形態の光学装置１は、照明部２、撮像部３、および制御装置４を備える。本実施形態の構成は、基本的に第２の実施形態の構成と同じであり、ここでは第２の実施形態と本実施形態との差分を主に説明する。ただし、照明部２は、板部材２０と光源との相対位置を変化させる第１の位置決め部７ａを備えていてもよいが、本実施形態の効果を明確にするために、備えていないものとする。本実施形態では、照明部２の光源５は、例えば光軸Ａｘ１上に配置され、光線射出面６も光軸上に配置されるとする。また、波長選択部１０は、第１の波長選択領域１２ａおよび第２の波長選択領域１２ｂの他に、第３の波長選択領域１２ｃを有する。第１の波長選択領域１２ａ、第２の波長選択領域１２ｂ、および第３の波長選択領域１２ｃは、それぞれ選択する波長が異なる。

【0076】

物体５００の面５０１における物点Ｐ１で光線が反射されるとする。ただし、物体５００の面５０１は鏡面ではなく、光を拡散させるような拡散面であるとする。そのため、物点Ｐ１に光線が入射すると、散乱光が生成される。つまり、物点Ｐ１で反射された光線は、スペキュラー成分と散乱成分が同時に生成される。スペキュラー成分は、結像光学素子９を通り、第１の波長選択領域１２ａによって選択光線１０１となって射出されてセンサー１１で結像される。散乱光成分は、例えば第２の反射光４０２と第３の反射光４０３であり、結像光学素子９を通り、それぞれ、第２の波長選択領域１２ｂおよび第３の波長選択領域１２ｃを通り、選択光線２０１光と第３の選択光線３０１となってセンサー１１に結像される。

【0077】

波長選択部１０は、第１の波長選択領域１２ａを中心に１８０°の回転対称であるとする。つまり、第１の波長選択領域１２ａを中心にし、波長選択部１０を紙面内で回転させるとする。すると、回転角が１８０°のときに、元と一致する。このように、ある軸に対して回転したとき、回転角が３６０°未満で元と一致するものを回転対称と呼ぶ。波長選択部１０が回転対称である例として、波長選択領域１２が同一平面上にある場合、同心円や、左右対称なラインなどがある。あるいは、左右対称な格子状でもよい。ここで、波長選択部１０の光軸Ａｘ３は、結像光学素子９の光軸Ａｘ２と平行である。

【0078】

以上の構成のもと、本実施形態の動作を説明する。

【0079】

物点Ｐ１で光線が散乱される場合、散乱成分の強度分布および波長スペクトル分布はスペキュラー方向Ｄ１を軸とし、実質的に軸対称になる場合が多いことが知られている。そのため、散乱光は、スペキュラー方向Ｄ１に対する光線の成す角のみに依存することになる。つまり、第２の反射光４０２と第３の反射光４０３の強度や波長スペクトルは異なるが、スペキュラー方向Ｄ１を軸に実質的に軸対称となる。

【0080】

本実施形態において、スペキュラー成分は、第１の波長選択領域１２ａに入射し、選択光線１０１になる。一方、散乱成分は、第１の波長選択領域１２ａを中心に対称となる。波長選択領域１２も、第１の波長選択領域１２ａを中心に対称になるように配置される。このことより、波長選択部１０を通過した散乱成分は、波長スペクトルが実質的に同じ散乱成分が集まって、センサー１１に結像する。つまり、散乱成分の色相画素値を高めることができる。これにより、散乱成分の光線方向依存性に関し、Ｓ／Ｎ比の高い信号を取得できるという効果がある。

【0081】

散乱成分やスペキュラー成分の光線方向依存性を示す定量指標として、ＢＲＤＦ（Bidirectional Reflectance Distribution Function）と呼ばれる量が定義されている。ＢＲＤＦは、物体５００の材料や面５０１状態に大きく依存する。そのため、ＢＲＤＦを取得することにより、物体５００の材料や面５０１状態を知ることができるという効果がある。特に、物体５００面５０１に凹凸欠陥がある場合、ＢＲＤＦが大きく変化する。そのため、物体５００面５０１の欠陥検査が可能になるという効果がある。

【0082】

以上により、対称な波長選択部１０の中心である第１の波長選択領域１２ａに、スペキュラー成分が入射することによりＳ／Ｎが向上する。本実施形態は、第２の位置決め部７ｂにより、波長選択部１０を移動させてスペキュラー成分が第１の波長選択領域１２ａを通過するように調整することが可能である。そのため、任意の拡散面に対して、Ｓ／Ｎの向上を図ることができる。一方、もし第２の位置決め部７ｂが無ければ、そのような調整をすることができず、特定の拡散面しか検査することができない。つまり、本実施形態により、任意のスペキュラー方向Ｄ１を持つ物体５００の面５０１を検査することが可能になるという利点がある。

【0083】

次に、処理部４ａが実行する処理の流れを図９に基づいて説明する。図９は、本実施形態の光学装置１の処理部４ａが実行する処理を示すフローチャートである。

【0084】

まず、処理部４ａが行う処理の前に、制御装置４は、撮像部３の位置決め部７により、波長選択領域１２の位置を決定する。次に、制御装置４は、波長選択領域１２の位置情報と照明部２の光線射出面６の位置情報とに基づいて、物体５００の面５０１で反射される光線の方向と波長選択領域１２の関係を定める。波長選択部１０の各波長選択領域１２を通過した選択光線の波長スペクトルは、色相画素値を用いて識別できる。そのため、色相画素値と光線方向の関係が定まる。

【0085】

そして、図９に示されるように、処理部４ａが、光線方向と色相画素値との関係を記録する（Ｓ２１）。そして、処理部４ａは、撮像画像を取得し（Ｓ２２）、各画素の色相画素値を取得する。処理部４ａは、色相画素値から、先に記録した色相画素値と光線方向の関係を用い、光線方向を算出し、スペキュラー成分と散乱成分に関する情報を取得する（Ｓ２３）。つまり、物点Ｐ１のＢＲＤＦが取得できるという効果がある。

【0086】

色相画素値から光線方向を算出する際、物体５００の面５０１の色分布、反射率分布などの影響を受けにくくするための演算を行ってもよい。例えば、波長選択部１０に透明領域を設けておき、センサー１１で受光される全ての光線がその透明領域を通過するように、位置決め部７を用いて波長選択部１０を移動する。波長選択部１０が、ＳＬＭなど、電気的に各波長領域を独立制御できる場合、全ての波長領域を透明領域に瞬時に切り替えて撮像できるという効果がある。そして、その場合の撮像画像を取得しておき、その後、波長選択部１０の各波長選択領域１２が互いに異なる透過波長スペクトルを持つように振り分け、画像を取得する。そして、両画像の差分を算出することにより、物体５００の面５０１の色分布や反射率分布の影響を低減できる。あるいは、色相画素値の各色相の画素値に閾値を設け、それをオフセットしてもよい。これにより、背景ノイズが低減するという効果がある。

【0087】

以上のように、処理部４ａは、色相情報を用いて面５０１で散乱された散乱光の光線方向に関する情報を取得する。

【0088】

（第４の実施形態）
以下、本実施形態に係る光学装置１について、図１０～１２を参照して詳細に説明する。

【0089】

図１０は、本実施形態の光学装置の一部を模式的に示す斜視図である。本実施形態は、照明部２、撮像部３、および制御装置４を備える。本実施形態の構成は、基本的に第１の実施形態の構成と同じであり、ここでは第１の実施形態と本実施形態との差分を主に説明する。

【0090】

撮像部３の波長選択部１０は、複数の長方形の波長選択領域１２を備える。複数の波長選択領域１２は、第１の波長選択領域１２ａと第２の波長選択領域１２ｂと第３の波長選択領域１２ｃと、を含む。ただし、長方形の短辺が実質的に十分小さい場合、ライン状と見做すこともできる。波長選択領域１２は、例えば、１８０°回転対称であるとする。つまり、第１の波長選択領域１２ａの中心を通り、その領域に直交する回転軸を取った時、その回転軸に対して波長選択領域１２を１８０°回転させたときに元と一致する。これにより、散乱光のＢＲＤＦを精度よく取得することができる。

【0091】

複数の波長選択領域１２は、一列に並べられている。そして、センサー１１は、ラインセンサーである。

【0092】

以下に本実施形態の動作を説明する。

【0093】

図１１は、第４の実施形態の光学装置１の一部を模式的に示す上面図である。図１２は、第４の実施形態の光学装置１の一部を模式的に示す断面図である。図１１の上面図で示される部分は、第３の実施形態で述べたのと同様な動作をする。ここで、スペキュラー方向Ｄ１と光軸Ａｘ２とのなす角を角度θとする。また、波長選択部１０の軸である光軸Ａｘ３は、第１の波長選択領域１２ａの中心を通り、第１の波長選択領域１２ａに直交するように取る。第２の位置決め部７ｂにより、波長選択部１０の軸と光軸Ａｘ２との距離を制御することができる。スペキュラー方向Ｄ１に平行な光線は全て、結像光学素子９により、第１の波長選択領域１２ａを通過する。光線方向が色相画素値を用いて推定可能となるためには、少なくとも、光線が波長選択部１０の波長選択領域１２を通過し、センサー１１に到達しなければならない。つまり、角度θ２が大きい場合、波長選択領域１２を通過できない光線が増加するために、Ｓ／Ｎが下がることがある。

【0094】

図１２に示す側面側の部分は、通常の撮像光学系と同様に動作する。つまり、結像光学素子９により、物点Ｐ１からの発散光を像面に置かれたセンサー１１上に結像する。ここで、光軸Ａｘ２と主光線（物点Ｐ１から像点を結ぶ線）との成す角を角度θ３とする。角度θ３は、結像光学素子９によって光線がセンサー１１に到達できる範囲で変化し、波長選択領域１２による制限はない。つまり、図１２に示されるように側面側から見た光線については、広い画角を取ることができる。一方、例えば、波長選択領域１２が軸対称であるとし同心円であるとする。このとき、有意な光線は、上面と側面においていずれも波長選択領域１２とセンサー１１による２つの制限を受けることになる。それに比べ、本実施形態は、一軸方向の光線（側面から見た光線）が波長選択領域１２による制限を受けないため、その軸方向の画角を広くとれるという効果がある。

【0095】

（第５の実施形態）
以下、本実施形態に係る光学装置１について、図１３を参照して詳細に説明する。図１３は、本実施形態の光学装置１を模式的に示す図である。

【0096】

本実施形態は、照明部２、撮像部３、および制御装置４を有する。本構成は、本実施形態の構成は、基本的に第１の実施形態の構成と同じであり、ここでは第１の実施形態と本実施形態との差分を主に説明する。

【0097】

本実施形態の光学装置１は、ビームスプリッタ５５を備える。ビームスプリッタ５５は、照明光の光路において光源５と結像光学素子９との間に配置されている。ビームスプリッタ５５は、光線の偏光に依存しないものとする。しかし、その限りではなく、偏光に依存するものであってもかまわない。

【0098】

結像光学素子８と結像光学素子９とは、光軸Ａｘ１と光軸Ａｘ２とが交差するように配置されている。また、光軸Ａｘ１と光軸Ａｘ２との交差する点の近傍にビームスプリッタ５５が配置されている。

【0099】

以上の構成では、ビームスプリッタ５５により、物体５００の面５０１で照明光が反射される物点Ｐ１に対し、撮像部３から物点Ｐ１に向かう方向と、照明光が物点Ｐ１に向かう方向とを沿わせることができる。すなわち、ビームスプリッタ５５は、面５０１で反射される直前の照明光の光線方向を、撮像部３から面５０１で照明光が反射される点に向かう方向に沿わせる。つまり、照明光と撮像部３が取りえる正対位置関係の範囲を、ビームスプリッタ５５を用いることによって広げることができる。

【0100】

（第６の実施形態）
以下、本実施形態に係る光学装置１について、図１４を参照して詳細に説明する。図１４は、本実施形態の光学装置１を模式的に示す図である。

【0101】

本実施形態は、照明部２、撮像部３、および制御装置４を備える。本実施形態の構成は、基本的に第１の実施形態の構成と同じであり、ここでは第１の実施形態と本実施形態との差分を主に説明する。

【0102】

本実施形態は、ビームスプリッタ５５を備える。ビームスプリッタ５５は、照明光の光路において結像光学素子９と波長選択部１０との間に配置されている。ビームスプリッタ５５は、光線の偏光に依存しないものとする。しかし、その限りではなく、偏光に依存するものであってもかまわない。

【0103】

結像光学素子９は、光軸Ａｘ２が光源５の光軸に沿う軸Ａｘ５と光軸Ａｘ２とが交差するように配置されている。また、光軸Ａｘ２と軸Ａｘ５との交差する点の近傍にビームスプリッタ５５が配置されている。

【0104】

結像光学素子９の実質的な焦点面９ａに波長選択領域１２が配置され、ビームスプリッタ５５によって折られた光線経路に沿った結像光学素子９の実質的な焦点面９ｂに光線射出面６が配置される。すなわち、照明部２の光線射出面６は、ビームスプリッタ５５によって折られた光線経路に沿った結像光学素子９の焦点面９ｂに配置されている。すなわち、光線射出面６は、ビームスプリッタ５５によって折られた光線経路に沿った結像光学素子９の焦点面９ｂに配置されている。これより、結像光学素子９と結像光学素子８（図１４には図示せず）は共通化することができ、結像光学素子８を省くことができる。つまり、コンパクト化できるという効果がある。

【0105】

以上の構成により、物体５００の面５０１で照明光が反射される物点Ｐ１に対し、撮像部３から物点Ｐ１に向かう方向と、照明光が物点Ｐ１に向かう方向を沿わせることができる。つまり、照明光と撮像部３の正対位置関係が取りえる範囲を、ビームスプリッタ５５を用いることによって広げることができる。

【0106】

（第７の実施形態）
以下、本実施形態に係る光学装置１について、図１５，１６を参照して詳細に説明する。図１５は、本実施形態の光学装置１を模式的に示す図である。

【0107】

本実施形態は、照明部２、撮像部３、および制御装置４を有する。本実施形態の構成は、基本的に第６の実施形態の構成と同じであり、ここでは第６の実施形態と本実施形態との差分を主に説明する。

【0108】

本実施形態では、位置決め部７ｃは、可動ユニット５７を備える。可動ユニット５７は、不図示の支持部材に移動可能に支持されている。可動ユニット５７は、支持部材５８と、光源５と、基板３０と、ビームスプリッタ５５と、波長選択部１０と、を有する。支持部材５８は、光源５と、基板３０と、ビームスプリッタ５５と、波長選択部１０と、を支持している。詳細には、支持部材５８に、光源５と、基板３０と、ビームスプリッタ５５と、波長選択部１０と、が固定されている。すなわち、可動ユニット５７は、光線射出面６と波長選択部１０の相対位置関係を保ったまま結像光学素子９およびセンサー１１に対して移動できるようにユニット化されている。つまり、位置決め部７ｃは、第１の位置決め部７ａ（図７）と第２の位置決め部７ｂ（図７）とが共通化されたものと言うことができる。

【0109】

このように、位置決め部７ｃは、光線射出面６と波長選択領域１２とを含む可動ユニット５７を有する。可動ユニット５７は、光線射出面６と波長選択領域１２との相対位置を保持した状態で結像光学素子９の光軸Ａｘ２に沿って移動可能である。

【0110】

結像光学素子９は、焦点位置が可変なレンズとする。例えば、ズームレンズのような組レンズでもよい。または、液体レンズのような電気的制御で焦点位置を可変にできるものでもよい。ここでは、結像光学素子９は、例えば液体レンズとする。

【0111】

本実施形態の動作原理を図１６を参照して説明する。図１６は、本実施形態の光学装置１における可動ユニット５７の移動を説明するための説明図である。図１６には、可動ユニット５７の移動の様子が示されている。具体的には、可動ユニット５７が図１６の（ａ）の位置から図１６の（ｂ）の位置に移動した様子が示されている。図１６は、光源５の光軸Ａｘ４が結像光学素子９の光軸Ａｘ２の軸方向に沿って移動するように、可動ユニット５７が移動された例である。このとき、結像光学素子９の焦点面の位置を変化させたとしても、光軸Ａｘ２に沿って可動ユニット５７を動かせば、照明光の光線方向と波長選択領域１２との関係は保たれるという効果がある。これにより、ワーキングディスタンスや、光学倍率を可変にできるという利点がある。

【0112】

（第８の実施形態）
以下、本実施形態に係る光学装置１について、図１７，１８を参照して詳細に説明する。図１７は、本実施形態の光学装置１を模式的に示す斜視図である。図１８は、本実施形態の光学装置１を模式的に示す分解斜視図である。

【0113】

本実施形態の光学装置１は、照明部２、撮像部３、および制御装置４を備える。本実施形態の構成は、基本的に第７の実施形態の構成と同じであり、ここでは第７の実施形態と本実施形態との差分を主に説明する。

【0114】

本実施形態では、結像光学素子９は、ズームレンズとする。結像光学素子９は、位置決め部７ｄによって、焦点距離を可変にできる。

【0115】

位置決め部７ｄは、可変部６０を有する。可変部６０は、第１の部材６１と、第２の部材６２と、回転レバー６３と、可動ユニット５７と、を有する。

【0116】

第１の部材６１は、円筒状に形成され、内部に可動ユニット５７を収容している。可動ユニット５７は、ピン５７ａを有する。第１の部材６１には、ピン５７ａが入れられたスリット６１ａが設けられている。第１の部材６１は、ピン５７ａひいては可動ユニット５７を光軸Ａｘ２に沿って移動可能に支持している。すなわち、可動ユニット５７は、第１の部材６１のスリット６１ａを介して一軸方向にスライドする。また、第１の部材６１とセンサー１１とは、互いに固定されている。

【0117】

第２の部材６２は、円筒状に形成され、内部に第１の部材６１を収容している。すなわち、第１の部材６１の外側に第２の部材６２が配置されている。第２の部材６２には、ピン５７ａが入れられたスリット６２ａが設けられている。第２の部材６２は、ピン５７ａひいては可動ユニット５７および第１の部材６１を光軸Ａｘ２回りに回転可能に支持している。

【0118】

回転レバー６３は、第２の部材６２に固定されている。回転レバー６３には、結像光学素子９が固定されている。

【0119】

このような構成では、第２の部材６２は、回転レバー６３によって回転する。また、回転レバーによって第２の部材６２が回転すると、可動ユニット５７が第１の部材６１のスリット６１ａに沿って一軸方向に移動する。すなわち、可動ユニット５７と結像光学素子９とは、相対的に、一軸方向に移動しながら回転可能である。回転レバー６３を回転させることによって、結像光学素子９とは、相対的の焦点距離が変化する。それに追随して可動ユニット５７が移動する。回転レバー６３によって回転する第２のスリットを適正な形状とすることにより、結像光学素子９の焦点面の距離の変化に合わせて可動ユニット５７を移動させることができる。換言すると、結像光学素子９のズーム倍率の変化に伴う結像光学素子９の焦点面の移動に応じて、Ａｘ２に沿って可動ユニット５７が移動する。

【0120】

（第９の実施形態）
以下、本実施形態に係る光学装置１について、図１９を参照して詳細に説明する。図１９は、本実施形態の光学装置１を模式的に示す斜視図である。

【0121】

本実施形態は、照明部２、撮像部３、および制御装置４を備える。本実施形態の構成は、基本的に第７の実施形態の構成と同じであり、ここでは第７の実施形態と本実施形態との差分を主に説明する。

【0122】

位置決め部７ｅは、パラレルリンク機構７０と、駆動部８５と、制御装置４と、を有する。位置決め部７ｅは、可動ユニット５７を結像光学素子９に対して移動させる。なお、本実施形態では、可動ユニット５７は、センサー１１を含む。

【0123】

パラレルリンク機構７０は、複数（一例として三つ）の支持機構７１を有している。三つの支持機構７１は、第１の支持機構７１ａと、第２の支持機構７１ｂと、第３の支持機構７１ｃとである。パラレルリンク機構７０は、三つの支持機構７１によって、可動ユニット５７を支持している。三つの支持機構７１は、所定の空間内で、可動ユニット５７の位置および姿勢を変化させることができる。このように、三つの支持機構７１は、互いに同部品から構成される。このため、パラレルリンク機構７０の構造がシンプルになり、コスト低減効果がある。

【0124】

各支持機構７１は、レール部材７２と、スライダー７３と、ロボットアーム７４と、を有している。すなわち、パラレルリンク機構７０は、三つのレール部材７２と、三つのスライダー７３と、三つのロボットアーム７４とを有している。レール部材７２は、不図示のベースに支持され、スライダー７３は、レール部材７２に支持され、ロボットアーム７４は、スライダー７３に支持されている。また、ロボットアーム７４は、可動ユニット５７を支持している。

【0125】

レール部材７２は、結像光学素子９の光軸Ａｘ２に沿った回転中心回り）に回転可能に、ベースに支持されている。

【0126】

スライダー７３は、レール部材７２に沿って移動可能にレール部材７２に接続（支持）されているとともに、レール部材の回りに回転可能にレール部材７２に接続（支持）されている。

【0127】

第３の支持機構７２ｃのスライダー７３は、駆動部８５によって、レール部材７２に沿って移動される。

【0128】

駆動部８５は、モータ７９と、モータ７９に連結されたギヤ８０と、プーリ８１と、タイミングベルト８２と、連結部８３と、を有する。モータ７９は、ステッピングモーターである。タイミングベルト８２は、ギヤ８０とプーリ８１とに掛け渡されている、連結部８３は、タイミングベルト８２とスライダー７３とを連結している。このような構成では、モータ７９が回転することにより、ギヤ８０が回転し、タイミングベルト８２が動く。これにより、スライダー７３がレール部材７２に沿って移動する。

【0129】

各ロボットアーム７４は、二つのロッド７５を有する。各ロッド７５は、ジョイント部７７によってスライダー７３とステージ７８に連結されている。ジョイント部７７は、ボールジョイントである。ステージ７８には、可動ユニット５７が固定されている。

【0130】

以上のように、光学装置１は、可動ユニット５７に連結された複数のロッド７５を有し可動ユニット５７を移動させるパラレルリンク機構７０と、パラレルリンク機構７０を駆動する駆動部８５と、駆動部８５を制御する制御装置４と、を有する。可動ユニット５７は、センサー１１を有する。

【0131】

以下、本実施形態の動作原理を説明する。上記のように、各スライダー７３には、２つのロッド７５が一組になり、互いに平行になるように取り付けられる。また、各ロッド７５のもう一方の端部はステージ７８にジョイントされる。さらにロッド７５の長さは等しいとする。つまり、各組の２つのロッド７５は平行かつ長さが等しいため、平行四辺形を描くことになる。

【0132】

本実施形態では、３つのスライダー７３のそれぞれに一組のロッド７５が配置される。各組のロッド７５は平行四辺形を描く。つまり、ステージ７８は、各組のロッド７５が描く３つの平行な線分上になくてはならない。そのため、ステージ７８は常に、ある平面に平行となる。ステージはそのため、スライダー７３が様々に移動しても同一の姿勢（傾き）を保ったまま移動できる。そのため、可動ユニット５７の照明光と撮像部３の正対位置関係を保ったまま移動できるというメリットがある。

【0133】

（第１０の実施形態）
以下、本実施形態に係る光学装置１について、図２０を参照して詳細に説明する。図２０は、本実施形態の光学装置１を模式的に示す図である。

【0134】

本実施形態の光学装置１は、照明部２、撮像部３、および制御装置４を有する。本実施形態の構成は、基本的に第７の実施形態の構成と同じであり、ここでは第７の実施形態と本実施形態との差分を主に説明する。

【0135】

本実施形態の可動ユニット５７は、可動部１３、センサー１１および結像光学素子９を含む。そして、可動ユニット５７は、スキャン用のロボット機構９０に取り付けられている。これにより、広域スキャンが可能となる。

【0136】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。

【符号の説明】

【0137】

１…光学装置
２…照明部、
３…撮像部
４…制御装置
４ａ…処理部
６…光線射出面（出光部）
７，７ｃ，７ｄ，７ｅ…位置決め部
７ａ…第１の位置決め部
７ｂ…第２の位置決め部
８…結像光学素子
９…結像光学素子
１０…波長選択部
１１…センサー
１２…波長選択領域
１２ａ…第１の波長選択領域
１２ｂ…第２の波長選択領域
１２ｃ…第３の波長選択領域
２０…板部材（出光部）
５５…ビームスプリッタ
５７…可動ユニット
７０…パラレルリンク機構
７４…ロボットアーム
８５…駆動部
１００…光線
１０１…選択光線
２００…光線
２０１…選択光線
５００…物体
５０１…面

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】