JP2004251832A - 被測定物表面状態を観察する画像入力方法及び装置、表面欠陥検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被測定物表面状態を観察する画像入力方法について、ひとつのセンサにより、センサ間の位置調整を行う必要がなく、移動機構をもたず、測定時の光学条件の変動に対しても同一の反射光分布となる光学条件にて画像入力を行うこと。
【解決手段】相対的に移動する被測定物表面に照明手段により一方向から照明光を照射し、その反射光をラインセンサにて検出し、被測定物表面状態を観察する画像入力方法を前提として、被測定物とラインセンサ間の光路中に、投射される反射光の一部を選択可能な反射光選択手段を備え、前記反射光選択手段で、第１に反射光分布測定用パターンを選択し、そのとき取得したラインセンサ信号から、予め決められた反射光選択条件を満たす表面観察用パターンを決定し、第２に反射光選択手段を前記観察用パターンに変更し、そのとき得られたラインセンサ信号を前記被検査物の表面観察用の主走査画像信号とし、被測定物の相対的な移動によって副走査し、被測定物表面の二次元画像を得ること。
【選択図】 図８

Description

【０００１】
【発明の産業上の利用分野】
本発明は、光学的手段を使用し、材料の表面形状もしくは表面欠陥を検査するための画像入力方法及び装置並びに表面欠陥検査装置、殊に、被検物の微小な凹凸、突起等の表面欠陥検出、さらに合わせて表面の濃度変化を伴う欠陥の検出・検査の方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
関連する従来技術の主なものとして、
特開平１１−７２４３９号公報「表面検査装置」（先行技術文献１）に記載されているもの（照明手段及び撮像手段による被検査面に対する照射角度及び撮像角度が、被検査面角度位置制御手段により常に一定になるように制御するもの）、特開平１０−１２２８４１号公報「表面欠陥検出装置」（先行技術文献２）に記載されているもの（ラインセンサを移動し、正反射光とラインセンサの相対位置を一定にし、微小な凹凸欠陥を検出するもの）、特開平７―２３９３０４号公報「表面層欠陥検出装置」（先行技術文献３）に記載されているもの、特開２００２−２２８４２５号公報「ＤＭＤを用いたＣＣＤカメラによる実時間形状計測方法と装置」（先行技術文献４）に記載されているものがある。
【０００３】
ところで、一様な照明手段からの投射光を被測定物表面に照射し、その反射光分布から得られる画像に対して、物体表面の傷や凹凸および汚れ等を検出もしくは検査することが従来一般的に行われている。特にロール紙やシート等の平面状に広がる物体や円筒状の物体においては、撮像素子としてラインセンサを用いて、物体の相対的な移動や回転によって副走査を行い、表面画像を得る方法が一般的である。
【０００４】
たとえば、特開平７−２３９３０４号公報に記載されるような、複写機内部の部品である感光体ドラムや帯電ロールのような円筒状の被検査物Ｒに対して、照射手段３からライン状の光Ｌを照射するとともに該被検査物を回転し該被検査物により反射される前記ライン状の光をラインセンサＳで検出し、該ラインセンサで得られる画像を処理して欠陥処理を行う装置がある（代表図を図１に示す。また同種のもの多数あり）。
このような方法にて得られる反射光分布は、被測定物の表面が鏡面ではないため、ライン状の入射光の一部は全反射し、一部は表面で散乱することにより、図２のような空間的な広がりを示す（特開平１０−１２２８４１号公報参照）。
【０００５】
同図は被検査物を横方向から見た反射光の分布を説明するためのもので、被検査物Ｒである感光体ドラムの表面は鏡面ではないので、ライン状の入射光Ｌの一部は全反射し、一部は表面で散乱する。被検査物Ｒ上の傷等の凹凸が存在しないときは、図２（ａ）に示すように、前記ライン状入射光Ｌの被検査物Ｒ表面での反射光は正反射光１１ａが大半を占める。しかしながら、被検査物Ｒの表面に突起やへこみなどの凹凸Ｒａが存在する場合は、図９（ｂ）に示すように、その凹凸部分によって、前記ライン状光Ｌは被検査物Ｒの表面で散乱し、散乱光１１ｂ（破線にて示す）を発生する。
【０００６】
上記のように、被検査物の表面に凹凸部分の有無によって、反射光の分布が異なることを利用して欠陥の検出を行うことができる。この時、図２（ｃ）に示すように、正反射光成分１１ａをラインセンサＳに受光させ、入力光量の減少を表面欠陥として検出する方法と、正反射成分から若干離れた位置にラインセンサＳを設置し、散乱光１１ｂの増加を表面欠陥として検出する方法がある。さらに、被検査物Ｒを回転させて複数ラインを副走査することにより、被検査物全面にわたっての欠陥検出を行っている。
【０００７】
この際、反射光分布から正反射光により近い位置で画像を取得した方が、表面形状による光量の変化が激しくなり、より微小な凹凸の検出が可能となるが、実際の表面欠陥検出装置においては、被検査物の形状の歪みや、回転のムラや振動によって反射光の受光位置とラインセンサの相対位置が変動し、この相対位置変動を表面凹凸として検出してしまって検出誤差となるため、少し離すことにより感度を下げている。
【０００８】
上記特開平１０−１２２８４１号公報（先行技術文献２）においては、実際に反射光量分布を測定するセンサと、ラインセンサを移動させる移動手段を有し、反射光量分布の測定によりラインセンサを実際に移動追従させることにより上記問題を解消する方法を提示している。また、同様に光学条件を一定に保つ手法としては、照明手段および撮像手段による被検査面に対する照射角度および撮像角度が一定になるように、角度位置制御手段により被検査面角度位置を制御する装置が特開平１１−７２４３９号公報に記載されている。
しかしながら、実際に撮像系もしくは被測定物を移動することは動作の遅れを生じること、位置検出用に別途センサが必要となり、また移動機構や複数センサにより装置が複雑になること、移動機構の振動による誤差がでること、キャリブレーション等の調整が必要となること、またそれぞれにエネルギを消費する等の種々の問題がある。
【０００９】
また、複写機等のリサイクルに伴う感光体や定着ローラ等の部品の再利用時に、回収した部品の機能や形状等の評価を行う必要があるが、これには従来の製造時には発生しないような微妙な磨耗、こすれ傷等が存在するので、より高精度に部品の表面形状を測定する必要がある。
【００１０】
【特許文献１】特開平１１−７２４３９号公報
【特許文献２】特開平１０−１２２８４１号公報
【特許文献３】特開平７―２３９３０４号公報
【特許文献４】特開２００２−２２８４２５号公報
【００１１】
【解決しようとする課題】
本発明は、従来技術における上記問題に鑑みてなされたもので、被測定物とラインセンサ間の光路中に設置した、投射される反射光の一部を選択可能な反射光選択手段により、反射光量分布を検出すると共に、同一光学条件となる主走査画像を順次撮像し、従来移動機構が必要であった追従動作において、移動機構を廃し、応答速度向上および消費電力の削減が可能な画像入力方法およびその装置を提供し、さらには表面の微小凹凸を検出可能な表面欠陥検出装置を提供することを目的とするものであり、具体的な課題は次のとおりである。
【００１２】
【第１の課題】（請求項１に対応）
第１の課題は、ひとつのセンサにより、センサ間の位置調整を行う必要がなく、移動機構をもたず、測定時の光学条件の変動に対しても同一の反射光分布となる光学条件にて画像入力を行う方法を提供することである。
【００１３】
【第２の課題】（請求項２に対応）
第２の課題は、画像検出感度のより高い画像入力方法を提供することである。
【００１４】
【第３の課題】（請求項３に対応）
第３の課題は、反射光分布測定の外乱による誤差影響の小さい画像入力方法を提供することである。
【００１５】
【第４の課題】（請求項４に対応）
第４の課題は、反射光分布測定精度を向上させた画像入力方法を提供することである。
【００１６】
【第５の課題】（請求項５に対応）
第５の課題は、異なる光学条件の表面観察画像を同時に取得する画像入力方法を提供することである。
【００１７】
【第６の課題】（請求項６に対応）
第６の課題は、濃度変化に加えて微小な凹凸を感度よく検出する画像入力方法を提供することである。
【００１８】
【第７の課題】（請求項７に対応）
第７の課題は、ひとつのセンサにより、センサ間の位置調整をする必要がなく、移動機構をもたず、測定時の光学条件の変動に対しても同一の反射光分布となる光学条件にて画像入力を行うことが可能な画像入力装置を提供することである。
【００１９】
【第８の課題】（請求項８に対応）
本発明の第８の課題は、高性能で低コストに同一の反射光分布となる光学条件にて画像入力を行うことが可能な画像入力装置を提供することにある。
【００２０】
【第９の課題】（請求項９に対応）
第９の課題は、同一の反射光分布となる光学条件にて、被検査物表面の微小な凹凸欠陥を検出する表面欠陥検査装置を提供することである。
【００２１】
【第１０の課題】（請求項１０に対応）
第１０の課題は、円筒状被検査物の同一の反射光分布となる光学条件にて、被検査物表面の微小な凹凸欠陥を検出する表面欠陥検査装置を提供することである。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
【解決手段１】（請求項１に対応）
上記課題１に対する解決手段１は、相対的に移動する被測定物表面に照明手段により一方向から照明光を照射し、その反射光をラインセンサにて検出し、被測定物表面状態を観察する画像入力方法を前提として、次の（イ）乃至（ホ）によって構成されるものである。
（イ）被測定物とラインセンサ間の光路中に、投射される反射光の一部を選択可能な反射光選択手段を備えること、
（ロ）前記反射光選択手段で、第１に反射光分布測定用パターンを選択し、そのとき取得したラインセンサ信号から、予め決められた反射光選択条件を満たす表面観察用パターンを決定すること、
（ハ）第２に反射光選択手段を前記観察用パターンに変更すること、
（ニ）そのとき得られたラインセンサ信号を前記被検査物の表面観察用の主走査画像信号とすること、
（ホ）上記（ロ）〜（ニ）の処理を順次繰り返すとともに被測定物の相対的な移動によって副走査し、被測定物表面の二次元画像を得ること。
【作用】
上記構成によれば、第１に、反射光選択手段によってパターン選択がなされ、これによって得られた反射光分布測定結果に基づいて表面観察用パターンが決定される。次に、前記決定された表面観察用パターンにより被測定物表面からの反射光が主走査信号として検出される。被測定物表面を測定系に対して順次移動させることによって副走査信号が得られ、これにより、被測定物の表面状態全般を観察するための二次元画像が得られる。即ち、ひとつの光学センサにより、センサ間の位置調整をする必要がなく、センサ移動機構を不要とし、測定時の光学条件の変動に対しても同一の反射光分布となる光学条件にて画像入力を行うことができる。
【００２３】
【解決手段２】（請求項２に対応）
上記課題２に対する解決手段２は、上記解決手段１の画像入力方法について、前記反射光分布測定用パターンを選択している期間を、観察用パターンを選択している期間よりも短期間とし、ラインセンサの露光時間を前記各パターン選択期間に同期して変更することである。
【作用】
上記構成によれば、観察用パターン選択期間が、反射光分布測定用パターン選択期間より長く設定され、かつ、ラインセンサの露光時間を前記各パターン選択期間に同期させているため、表面観察時間をより長く取って画像検出感度を上げることができ、画像検出感度を上げることができるとともに、より少ない光で同等の画像を低ノイズで得ることができる。
【００２４】
【解決手段３】（請求項３に対応）
上記課題３に対する解決手段３は、上記解決手段１の画像入力方法について、前記反射光分布測定用パターンを、複数切り替え更新しながら二次元画像を得ることである。
【作用】
上記構成によれば、複数種ある反射光分布測定用パターンを順次切り替え更新しながら反射光分布を得、被測定物表面の２次元画像を得るため、被測定物表面の欠陥などからもたらされる反射光分布測定の外乱による誤差影響の小さい画像を得ることができる。
【００２５】
【解決手段４】（請求項４に対応）
課題４に対する解決手段４は、上記解決手段１の画像入力方法について、前記反射光分布測定用パターン存在部分の位置を、その前に測定した反射光分布の情報を元に、更新しながら二次元画像を得ることである。
【作用】
副走査のような連続取り込みを行う場合、反射光分布の変動周波数に対して副走査周波数が十分に大きい場合は反射光分布の走査ごとの変動が小さい。この現象に鑑みて、測定開始時には反射光分布測定用パターンの副走査方向の幅を大きくし、大域的な情報を取得後、連続して副走査を行う際には、反射光分布測定用パターンの副走査方向の幅を小さくすることができる。反射光分布の副走査方向への変動に伴い、副走査方向の位置を更新し、常に反射光分布測定用パターンによって、反射光分布を測定できる状態にすることで、たとえば輝線を測定する場合は、その測定対象近傍の分布を密に検出できるため、反射光分布測定精度を向上させることができる。
【００２６】
【解決手段５】（請求項５に対応）
上記課題５に対する解決手段５は、上記解決手段１乃至解決手段４の画像入力方法について、前記観察用パターンとして、異なる反射光選択条件を満たす複数の観察用パターンを用い、それぞれのパターンから得られる主走査画像信号を、複数の異なる主走査画像信号として副走査し、複数の光学条件における被測定物の表面状態を撮像することである。
【作用】
上記構成によれば、被測定物の特定表面状態について、異なる光学条件の表面観察画像を同時に取得することができ、表面状態をより詳細に観察できる。
【００２７】
【解決手段６】（請求項６に対応）
上記課題６に対する解決手段６は、上記解決手段１乃至解決手段５の画像入力方法について、前記第１の反射光分布測定により、被測定物の輝線部を算出し、算出した輝線部からのオフセット量を一定とするような、第２の、少なくとも１つの観察用パターンにより、被測定物の表面状態を観察することである。
【作用】
上記構成によれば、輝線から一定のオフセット位置の画像を入力できるので、表面凹凸に対する感度を一定にすることができ、これにより、濃度変化に加えて、表面状態が高精度で観測される。
【００２８】
【解決手段７】（請求項７に対応）
上記課題７に対する解決手段７は、被測定物表面に一方向から照明光を照射する照明手段と、その反射光を検出する撮像手段とからなる、被測定物表面状態を観察するための画像入力装置を前提として、次の（イ）乃至（ト）によって構成されるものである。
（イ）被測定物と撮像手段の光路中に設けた、前記被測定物から投射される反射光の一部を選択可能とする反射光選択手段と、
（ロ）その選択パターンを制御する反射光選択パターン制御手段と、
（ハ）前記選択パターン制御に同期して、撮像手段のタイミングを制御する撮像タイミング制御手段と、
（ニ）反射光分布演算手段と、
（ホ）表面観察信号出力手段と、
（ヘ）撮像手段にて検出した信号を前記反射光分布演算手段および前記表面観察信号出力手段に切り替える検出信号選択手段と、
（ト）被測定物表面の二次元画像を得るための、被測定物を撮像手段に対して相対的に移動させる移動手段。
【作用】
上記構成によれば、被測定物から投射される反射光は、反射光選択手段によりその一部が反射光選択パターンで選択的に撮像装置に取り込まれる。取り込まれた反射光は反射光分布演算手段にてその反射光分布状態が演算で検出される。その結果に基づいて表面観察用パターンを決定して反射光選択手段を前記観察用パターンに変更し、そのとき得られたラインセンサ信号を前記被測定物の表面観察用の主走査画像信号とし、被測定物の撮像手段に対する相対的な移動によって副走査し被測定物表面の二次元画像を得る。
即ち、上記構成により、ひとつのセンサ（ラインセンサ）により、センサ間の位置調整を行う必要がなく、センサの移動機構を不要とし、測定時の光学条件の変動に対しても同一の反射光分布となる光学条件にて画像入力を行うことが可能である。
【００２９】
【解決手段８】（請求項８に対応）
上記課題８に対する解決手段８は、上記解決手段７の画像入力装置について、前記反射光選択手段をＤＭＤで構成することである。
【作用】
上記構成により、高性能かつ低コストで、同一の反射光分布となる光学条件にて画像入力を行うことが可能な画像入力装置を構成できる。
【００３０】
【解決手段９】（請求項９に対応）
上記課題９に対する解決手段９は、表面欠陥検査装置であって、上記解決手段７乃至請求項８の画像入力装置と、二次元画像を画像処理して欠陥特徴量を算出する画像処理手段と、画像欠陥判定手段とを備えていることである。
【作用】
上記構成によれば、同一の反射光分布となる光学条件にて、被検査物表面の微小な凹凸欠陥を検出する表面欠陥検査装置を構成できる。
【００３１】
【解決手段１０】（請求項１０に対応）
上記課題１０に対する解決手段１０は、上記解決手段９の表面欠陥検査装置について、検査対象が円筒形状であり、被検査物と照明手段および撮像手段を相対的に移動させる移動手段が、被検査物の中心軸を回転させる回転手段を具備することである。
【作用】
上記構成によれば、円筒状被検査物において、同一の反射光分布となる光学条件にて、被検査物表面の微小な凹凸欠陥を検出し得る表面欠陥検査装置を構成できる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
次いで、図面を参照して実施例を説明する。
平面状の被測定物体に対して、ライン光源から照射した光をラインセンサで撮像する時のモデルを図３から図５に示す。それぞれ、図３（ａ）と図４（ａ）は、物体表面の光学系となす角度により反射光分布が異なること、表面上の凹凸はまた表面上に突起部がある場合は、図５（ａ）に示すように反射光分布が異なることを示している。
【００３３】
通常、表面に突起等の異常部がある場合は、散乱方向が一定ではなくなるため、反射光分布はより広い範囲にわたるか、もしくは正反射光の生ずる角度が変化する。また、光学系および撮像系と、被検査物表面の相対位置および角度の変動によっても、反射光分布は変わる。図６、図７にそれぞれの反射光分布を重ね合わせて示している。ただし、図６より図７の方が微小な凹凸であり、形状変化が小さいため分布の差も小さい。両図から次の事項がわかる。
（１）Ａ点にラインセンサを置いた場合には、正常時は突起との光量差が出るため検出できるが、相対位置変動時は突起との光量差がなく突起を画像にて検出することができない。
（２）Ｂ点にラインセンサを置いた場合は、図６では正常時、相対位置変動時とも欠陥が検出できるが、図７では光量差があまりなく検出ができない。
（３）Ａ点とＢ点では、正常時の反射光分布と、突起が存在するときの反射光分布では、Ａ点の方が光量差が大きい。
従来は相対位置変動時が起きても凹凸が検出できるように、Ｂ点にて表面画像を取得していたため、図７のような微小な凹凸に関しては検出することができなかった。このため常に被検出物体表面と光源および撮像系の相対位置を一定に保つように、ラインセンサ位置を制御するのが、前記特開平１０−１２２８４１号公報に記載されているものである。
【００３４】
本発明においては、同様の効果をラインセンサ位置を動かすことなく実現するために、下記のような方法を採用している。
それぞれの撮像状態において、ラインセンサ近傍にて得られる二次元の反射光分布を図３から図５の（ｂ）に示している。エリア詳細に散乱光の反射光量分布を見ると、副走査方向に分布がシフトしていることがこれらの図からわかる。
【００３５】
ここで、次のような手段によって、ラインセンサにより反射光分布を測定する。
図８に示すように、反射光とラインセンサの間に反射光選択手段１０を設置し、この反射光選択手段によって、ラインセンサに導入される反射光の一部を遮蔽する。図では反射光の部分を遮光するために、光学素子により集光される焦点位置に反射光選択手段１０を設置している。反射光選択手段１０としては図８（ａ）のような透過型や、図８（ｂ）のような反射型の例がある。透過型反射光選択手段の一例としては、ディスプレイに用いられるような２次元駆動可能な液晶素子があり、反射型の反射光選択手段の一例としては、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ；商標）のような微小ミラーの方位を動的に変えることができる半導体デバイスがある。以下の説明のために、反射光選択手段１０で選択された一要素を、「選択要素」と呼んで説明を続ける。また光学系は、副走査方向の複数の選択要素からなる反射像をラインセンサの一画素にて検出できるよう設定する。
【００３６】
このように設定された反射光選択手段１０において、まず被測定物表面からの反射光分布を測定する。当該測定のため、図９の例のように、反射光選択手段１０の選択要素の主走査方向走査に伴って、該当する反射光分布が副走査方向に渡るように、反射光測定パターンを選択する。主走査方向をＸ方向（ｘ＝１，，，ｘｓｉｚｅ），副走査方向をＹ方向（ｙ＝１，，，ｙｓｉｚｅ）としたときの、（ｘ，ｙ）での選択要素のオン／オフをｓｅｌ（ｘ，ｙ）として表し、ｓｅｌ（ｘ，ｙ）＝１でオン、ｓｅｌ（ｘ，ｙ）＝０で選択要素をオフする。ただし、選択要素がオンの時にラインセンサに被測定物からの該当箇所の反射光が到達すると定義する。
【００３７】
このとき図７の反射光測定用パターンは、
ｆ（ｘ）＝ａ＊（ｘ−ｘ￥ｄ１）＋ｂ （ただし、￥は商を求める演算子とし、ａは傾き、ｂは初期オフセット、ｄ１は測定周期）・・・式（１）の式から、ｓｅｌ（ｘ，ｆ（ｘ））＝１，（ｘ＝１，，，ｘｓｉｚｅ）・・・式（２）として表すことができる（ただし、その他の選択要素はオフ）。図９（ａ）は、ａ＝−１，ｂ＝２０，ｄ１＝２０の例を図示している。
【００３８】
このような反射光分布測定用パターンを用いることによって得られるラインセンサ信号は、被測定物からの反射光分布が図９（ｂ）のような輝線部を光量のピークとして周辺に光量が落ちてゆく場合、図９（ｃ）のように検出周期ｄ２となる信号が得られる。ｄ１とｄ２の比は、光学系の倍率設定により決定される。図９においては、ｄ１＝ｄ２として図示してある。ラインセンサ信号の各周期中の極大値を示すｘにおいて、式（１）の逆関数で求められるｙが、輝線部のｙ座標となる。このようにして、ラインセンサを用いた場合においても、反射光分布測定用パターンを用いることで、副走査方向の反射光分布を求めることができる。このようにして求めた反射光分布をもとに、観察用パターンを生成する。図９（ａ）では、輝線部に相当する選択要素に対して、ｙ方向に３選択要素ずらした要素を用いて、観察用パターンを生成した例である。
【００３９】
ラインセンサの主走査ごとに上記操作を繰り返し、副走査を行うことにより、光学条件が一定となる２次元画像を得ることが可能となる。
なお、反射光測定用パターンの他の例としては、図１０のようなノコギリ波、三角波、正弦波等を挙げることができる。また、反射光選択手段と撮像手段の各画素の対応が十分に取れている場合は、図１０のような連続波形ではなく、副走査方向にランダムに散らばった要素を反射光選択手段により選択することで局所的な被測定物表面状態の影響を受けにくいロバストな反射光測定が可能となる。また、Ｙ方向の各列の選択要素数を増減することにより、ラインセンサに入る光量を調整することができる。さらに、反射光測定用パターンで得られる反射光分布に対して、空間方向および時間方向にローパスフィルタをかけることは、測定誤差を低減するのに大きな効果がある。
【００４０】
前述のように、Ｙ方向の各列の選択要素数を増減することによりラインセンサに入る光量を調整することができるが、実際の測定に際して、反射光分布のもっとも顕著な変化である輝線（被測定物から得られる照明の直接反射光成分）により反射光分布を求めるような場合は、輝線部が、観察部分よりも明らかに反射光量が大きくなるため、図１１に示すように、反射光分布測定用パターンの選択期間を、観察用パターンの選択期間より短くしても十分に反射光分布を測定することができる。さらにこのタイミングとラインセンサの露光時間を同期することで、反射光分布測定期間と観察期間を同一とする場合よりも、より高速に取り込むことができ、照射光エネルギーの有効活用ができる。
【００４１】
ここで、被測定物上に異常部が存在する状況を考察する。たとえば微小な突起状の欠陥が被測定物表面にある場合、反射光分布は乱れる。このとき、同一の反射光分布測定用パターンで反射光分布を測定すると、欠陥部により大域的な測定ができなくなるため誤差が生ずる。この対策として、図１０のような複数パターンや、式（１）のａ，ｂ，ｄ１等のパラメータを順次変更することにより局所的な影響を低減することができる。また、ここで想定している反射光分布の変化は、被測定物の回転ムラや偏心、振動によるが、これは高々１０数Ｈｚ程度であり、現実的にはラインセンサの副走査周波数（数１００Ｈｚを超える）に対して非常に低い周波数領域での変化である。このように反射光分布の変動周波数に対して撮像周波数が高い場合には、連続して得られる反射光分布測定結果に対して、ローパスフィルタを掛けることが各測定間の誤差や局所的な影響を低減するために有効な手段となる。
【００４２】
副走査のような連続取り込みを行う場合、反射光分布の変動周波数に対して副走査周波数が十分に大きい場合は、反射光の分布の走査毎の変動は小さい。この現象に鑑みて、測定開始時には反射光分布測定用パターンの副走査方向の幅を大きくし、大域的な情報を取得して後、連続して副走査を行う際には、反射光分布測定用パターンの副走査方向の幅を小さくすることができる。反射光分布の副走査方向への変動に伴い、副走査方向の位置を更新し、常に反射光分布測定用パターンによって、反射光分布を測定できる状態にすることで、たとえば輝線を測定する場合は、その測定対象近傍の分布を密に検出できるので、測定精度を向上させることができる。このことを上記式（１）のパラメータで表現するとｂを更新することにより、ｄ１を小さくできることを意味する。反射光選択手段部での反射光分布測定時の選択要素の存在する領域の変化を、輝線部に対して図示すれば、図１２のとおりである。図中、ｔ＝０は初期状態で、広い領域で輝線部近傍を抽出し、その後、選択要素の幅を狭くしている。
【００４３】
前述のように、反射光選択手段が観察用パターンとして出力されるラインセンサ信号は、反射光分布が一定な一条件の画像を出力する。ここで、図１３（ａ）に示すように、観察用パターンを複数設定し、同図（ｂ）のように測定時間を変えて信号を取得することにより、異なる複数の条件の画像が得られる。前記、反射光分布測定用パターンは、観察用パターンに対して、それぞれ異なる場合と、同じパターンでオフセット量のみ異なる場合等がある。また、輝線から離れるほど表面状態による変化が小さくなり、濃度変化を良好に取得することができ、この場合、相対位置変化による画像変化が小さいため撮像条件を固定にできることから、複数の観察用パターンのうち、画像変化が小さな部分においては、固定パターンとすることで同程度の効果を少ない演算処理量で得ることができる。
また、反射光選択手段が、透過型や２方向選択のＤＭＤでは、異なる観察用パターンを設定するためには、時分割でセンサに反射光を入れるが、多方向選択ができるデバイスにおいては、各方向にラインセンサを設けることによって、同時に信号を取得することも可能である。
【００４４】
前記の通り、反射光分布として輝線部を算出し、算出した輝線部から一定のオフセット位置を観察用パターンとして反射光選択手段に設定することで、被測定物と検出系の相対移動によって発生する光学条件変化や、被測定物の巨視的な形状誤差を吸収し、微小な凹凸をラインセンサにて観測することが可能となる。ここで、輝線部とオフセット量の算出方法および、それによる反射光選択手段の選択要素の選択条件に関する例を挙げる。
輝線部の算出方法としては、図１４にあげた例のように、
（ａ）副走査方向の最明値を示す画素、
（ｂ）副走査方向の多値データから求めた重心値、
（ｃ）予め規定したスレッシュレベルにて２値化した画像からの重心値、
等のさまざまな方法がある。また、オフセット量の大きさは、結像される像に対する副走査方向の選択要素の大きさで決まるので、その反射光分布の変化の度合いと、選択要素の大きさから最適値を求める。この際、副走査方向に各列複数の要素を選択することによって、オフセット量を、反射光選択手段の各要素の大きさよりも小さくすることができる（選択数の逆数単位でオフセット量を変更できる）。
このように複数要素を選択しても、ラインセンサの各画素上で各選択要素から得られた光量は積算されるため、特に加算手段を必要としない。このことは反射光選択手段を用いることの大きな利点である。
【００４５】
輝線部の算出方法のその他の例として、
（ｄ）予め決められた反射光量となる要素を選択する。この場合、副走査方向の分布に対して、反射光量近傍を直線近似したり、ローパスフィルタを掛けることにより、微小な変化に対して追従し過ぎないように設定する（図１５）。
（ｄ´）さらに所定のオフセット量ｄだけ離れた要素を選択する（図１６）。この方法は、表面凹凸による反射光の分布の変化によって異なる副走査方向の変化率に着目し、規定反射光量から離れることによって、その変化率の違いを画像として捉える方法である。
（ｅ）反射光量の副走査方向の変化率から選択要素の位置を決定する（図１７）。
この場合、変化率として、反射光分布の微分値の分布を利用している。図１７（ａ）においては、その変化率が最大の選択要素の位置を示し、（ｂ）においては、変化率が規定値となる選択要素の位置を示す。
（ｅ´）さらに所定のオフセット量ｄだけ離れた要素を選択する（図１８）等の方法もある。
【００４６】
上記方法においては副走査方向の各列における反射光分布は、２次元を１次元に投影した形となるため、検出した選択要素を直線補間や、スプライン補間等の補間を行い、全体の選択要素を決定する。この際、照明手段が直線照明であり、被測定物形状もラインセンサに対して直線である場合は輝線も概略直線をなす。円筒状物体を被測定物とした図１９の例では、ライン光源・被測定物・センサが平行となるとき、理想状態の直線となり、軸倒れが生じている場合には直線と異なる。このような軸ぶれや倒れが顕著な場合は、曲線補間が有効となる。
さらに図２０のように太鼓形状の被測定物の場合は、輝線が直線ではなく曲線となるが、反射光選択手段によって適切な観察用パターンを生成することによって、この方法では、直線状にではない物体の表面の微小な変化を検出することが可能である。なお、図１９、図２０においては、反射光選択手段は図示していないが、被測定物とラインセンサ間に存在する。
【００４７】
前述の方法を実現し、反射光分布を一定とするライン画像を出力する画像入力装置は、図２１に示すような、照明手段（検査光照射装置）３、ラインセンサＳ、二次元要素のスイッチングが可能な反射光選択手段１０、反射光選択手段１０を任意パターンで変更可能な反射光選択パターン制御手段４、反射光分布演算手段５、撮像タイミング制御手段６、撮像手段にて検出した信号を反射光分布演算手段５および観察信号出力手段８に切り替える検出信号選択手段７、被測定物と撮像手段を相対的に移動させる被測定物移動手段９とにより構成される。
第一に、
反射光選択パターン制御手段４は、内部で反射光測定パターンを生成し、反射光測定パターン信号を反射光選択手段１０に出力して、反射光選択手段の選択要素を制御する。この時、ラインセンサＳからの検出信号が検出信号選択手段７に伝送され、検出信号選択手段７は反射光分布演算手段５に検出信号を出力する。反射光分布演算手段５は、反射光分布を演算処理して反射光選択パターンを生成し、反射光選択パターン制御手段４へ観察用パターン信号を出力する。
第二に、
反射光選択パターン制御手段４は、前記観察用パターン信号を反射光選択手段１０に出力して、反射光選択手段の選択要素を制御する。この時、ラインセンサＳからの検出信号が検出信号選択手段７に伝送され、検出信号選択手段７は観察信号出力手段８に検出信号を出力する。観察信号出力手段８は、観察用パターンによる検出信号を画像信号に変換し、画像信号として出力する。
上記第一及び第二の処理を繰り返し行う。
なお、上記の「画像信号への変換」は、出力転送レートの変換や、同期信号の付加、画像信号形式の変換等であるが、後段の画像処理とのインターフェースからして、最も適した方法を選択する。
図２１は、反射光選択手段が透過型であるが、図８（ｂ）のような反射型でも同様であり、反射型では、前述のＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ；商標）のような微小ミラーの方位を動的に変えることができる半導体デバイスを用いることにより高速なスイッチングができ、本方式を非常に効率的に実現することができる。
【００４８】
解決手段７の画像出力に対して、画像上の特異点を検出するような画像欠陥検出処理を行い欠陥の度合いを表す特徴量を算出する画像処理手段と、さらにその特徴量から被測定物の良・不良を判別するような画像欠陥判定手段を備えることにより、表面の微小凹凸等の形状変化を検出できる表面欠陥検査装置を提供することができる。
【００４９】
さらに、図２２に示すように、相対的な移動手段として円筒形状の被測定物においては、その中心軸を回転することにより、被測定物表面を展開した状態の２次元画像を得ることができる。処理系については図示しないが、図２１に準ずる。これにより、複写機はプリンタ等の主要部品である感光体や定着ローラ等の微小な表面形状欠陥を検出する表面欠陥検査装置を提供することができる。
【００５０】
【発明の効果】
（１）請求項１に係る発明の効果
従来の移動機構の移動に伴う遅れにより生ずる誤差をなくすことが可能であり、光学条件をより精度よく一定に保つことができる。従来同様の効果を得るために撮像系を相対的に移動制御する方法に対して、移動制御に伴う機構および、その駆動に関わるエネルギ消費を削減できる。センサが一系統なので、複数センサ間の位置調整や、誤差補正を行う必要がない。従来より高精度に表面形状を検出できるため、リサイクル部品の微小な磨耗や傷も検出可能である。
【００５１】
（２）請求項２に係る発明の効果
同じ測定時間においても、表面観察時間をより長くとることができるため、画像検出感度を上げることができ、より少ない光で同等の画像を低ノイズで得ることが可能である。
【００５２】
（３）請求項３に係る発明の効果
反射光分布測定パターンを複数切り替えることにより、画像上に存在する特異部による異常反射光の検出確率が低下し、分布測定誤差を低減することができる。
【００５３】
（４）請求項４に係る発明の効果
以前に測定した反射光分布から、反射光分布測定に大きく寄与する範囲に注目して測定できるため、反射光分布の測定精度を向上させることができる。
【００５４】
（５）請求項５に係る発明の効果
複数の観測条件による画像を撮像できるので、表面状態をより詳しく観察することが可能である。
【００５５】
（６）請求項６に係る発明の効果
輝線から一定のオフセット位置の画像を入力できるので、表面凹凸に対する感度を一定にすることができ、これによりより高精度に表面状態を観測することが可能である。
【００５６】
（７）請求項７に係る発明の効果
光学的な測定条件を一定とする画像入力装置を提供することが可能となる。
【００５７】
（８）請求項８に係る発明の効果
高速駆動ができ、光利用効率が高いから、低コストで高性能な画像入力装置を提供できる。
【００５８】
（９）請求項９に係る発明の効果
光学的な測定条件を一定とすることにより、表面濃度変化と表面凹凸を同時により高精度に検査する欠陥検査機を提供することができる。
【００５９】
（１０）請求項１０に係る発明の効果
円筒状の被検査物に対しての、表面濃度変化と表面凹凸を同時により高精度に検査する欠陥検査機を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】は従来の表面検査装置である。
【図２】は従来の表面検査装置の反射光分布モデルである。
【図３】（ａ）は被検査物表面における反射光量分布モデル図であり、（ｂ）は検査装置で得られた被検査物の反射光２次元画像の例である。
【図４】（ａ）は被検査物表面と光源・撮像系の相対位置が異なる時の反射光量分布モデル図であり、（ｂ）は二次元画像の例である。
【図５】（ａ）は被検査物表面に突起部がある時の反射光量分布モデル図であり、
（ｂ）は二次元画像の例である。
【図６】は検出感度設定の概念図である。
【図７】は従来方法で検出できない凹凸の概念図である。
【図８】は反射光選択手段を用いた測定の概要図である。
【図９】は反射光選択手段の各パターン説明図である。
【図１０】は反射光分布測定用パターンの例である。
【図１１】は反射光分布測定用パターン選択期間と観察用パターン選択期間の関係を示す図である。
【図１２】は反射光分布用パターンの更新例である。
【図１３】は複数の観察用パターンを使用する表面検査方法例である。
【図１４】は輝度検出方法例である。
【図１５】は予め決められた反射光量における要素を選択する概念図である。
【図１６】は予め決められた反射光量における要素からの所定値離れた要素を選択する概念図である。
【図１７】は反射光分布から要素を選択する概念図である。
【図１８】は反射光分布から得られた要素から所定値離れた要素を選択する概念図である。
【図１９】は軸倒れによる輝度変化状態を模式的に示す図である。
【図２０】は太鼓状被測定物の輝度変化状態を模式的に示す図である。
【図２１】は被測定物が平面体の場合の画像入力装置の概念図である。
【図２２】は円筒状被測定物微少凹凸欠陥検査装置の概念図である。
【符号の説明】
Ｌ：ライン状検査光
Ｒ：被測定物
Ｒａ：突起部
Ｓ：ラインセンサ
３：照明手段
１０：反射光選択手段

Claims (10)

1. 相対的に移動する被測定物表面に照明手段により一方向から照明光を照射し、その反射光をラインセンサにて検出し、被測定物表面状態を観察する画像入力方法において、
   被測定物とラインセンサ間の光路中に、投射される反射光の一部を選択可能な反射光選択手段を備えておき、該反射光選択手段で、第１に反射光分布測定用パターンを選択し、そのとき取得したラインセンサ信号から、予め決められた反射光選択条件を満たす表面観察用パターンを決定し、第２に反射光選択手段を前記観察用パターンに変更し、そのとき得られたラインセンサ信号を前記被測定物の表面観察用の主走査画像信号とし、第１と第２の処理を順次繰り返すとともに被測定物の相対的な移動によって副走査し被測定物表面の二次元画像を得ることを特徴とする画像入力方法。
2. 前記反射光分布測定用パターンを選択している期間を、観察用パターンを選択している期間よりも短期間とし、ラインセンサの露光時間を前記各パターン選択期間に同期して変更することを特徴とする請求項１の画像入力方法。
3. 前記反射光分布測定用パターンを、複数切り替え更新しながら二次元画像を得ることを特徴とする請求項１の画像入力方法。
4. 前記反射光分布測定用パターンの存在部分の位置を、その前に測定した反射光分布の情報を元に、更新しながら二次元画像を得ることを特徴とする請求項１の画像入力方法。
5. 前記観察用パターンとして、異なる反射光選択条件を満たす複数の観察用パターンを用い、それぞれのパターンから得られる主走査画像信号を、複数の異なる主走査画像信号として副走査し、複数の光学条件における被測定物の表面状態を撮像することを特徴とする請求項１乃至４の画像入力方法。
6. 前記第１の反射光分布測定により、被測定物の輝線部を算出し、算出した輝線部からのオフセット量を一定とするような、第２の少なくとも１つの観察用パターンにより、被測定物の表面状態を観察することを特徴とする請求項１乃至請求項５の画像入力方法。
7. 被測定物表面に一方向から照明光を照射する照明手段と、その反射光を検出する撮像手段とからなる、被測定物表面状態を観察するための画像入力装置において、
   被測定物と撮像手段の光路中に設けてなる前記被測定物から投射される反射光の一部を選択可能とする反射光選択手段と、その選択パターンを制御する反射光選択パターン制御手段と、選択パターン制御に同期して撮像手段のタイミングを制御する撮像タイミング制御手段と、反射光分布演算手段および表面観察信号出力手段と、撮像手段にて検出した信号を反射光分布演算手段および観察信号出力手段に切り替える検出信号選択手段と、被測定物を撮像手段に対して相対的に移動するための移動手段により、被測定物表面の二次元画像を得ることを特徴とする画像入力装置。
8. 前記反射光選択手段が、ＤＭＤであることを特徴とする請求項７の画像入力装置。
9. 請求項７乃至請求項８の画像入力装置と、二次元画像を画像処理して欠陥特徴量を算出する画像処理手段と、画像欠陥判定手段を備えることを特徴とする表面欠陥検査装置。
10. 検査対象が円筒形状であり、被検査物と照明手段および撮像手段を相対的に移動させる移動手段が被検査物の中心軸を回転させる回転手段であることを特徴とする請求項９の表面欠陥検査装置。

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