JP2007010502A - 異物検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 異物にレーザ光を効率的に照射して変化を大きく捉えることで、信頼性の高い検出結果を得ることが可能な異物検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 微小異物検出装置Ｓはレーザ光を出射可能な投光ユニット３０、受光面４１Ａに撮像素子を行列状に配した受光カメラ４０、並びにコントローラ５０から構成され、受光カメラ４０ら出力される画像データの変化に基づいて異物の検出を行なっている。そして、投光ユニット３０のレーザ出射口３２の中心位置の高さは、ガラス基板Ｗの上面Ｗ１の高さとほぼ同じ高さにあって、異物に対してレーザ光の中心部分、すなわち、もっとも光強度の高い部分が照射される。このような構成であれば、画像データ中の変化もそれだけはっきりと現れるから、検出精度をより一層高めることが可能となる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、微小な異物を検出する異物検出装置に関する。

従来より、様々な異物検出装置が提案されているが、近年では、平板状をなす、特に大きな基板上の微小な異物を検出したい、という要請がある。
というのも、ＬＣＤパネルなどの生産において、平板状のガラス基板上に異物があると、生産上の品質確保の問題や設備装置破損の危険性があり、生産に先立って異物を検出する必要がある。そして、近年では、大型テレビに代表されるようにパネルの大型化が進められているから、検出対象となる基板のサイズが非常に大型化している、という事情があるためである。また、大きな基板上の微小な異物を検出したい、という要請は、金属板に一定の層厚で塗装をしたり、コーティングをする場合などにもある。
一方、基板上の異物を検出する装置として、特許文献１に記載されたものがある。このものは、半導体レーザ素子、ポリゴンミラー、光ファイバ束、光電変換素子から構成され、半導体レーザ素子から出射された光をポリゴンミラーによって基板上に光走査させている。そして、基板上の異物にあたって生じる乱反射光を光ファイバ束で捕捉し、これを光電素子で光電変換するものである。
特開平６−２５８２３０号公報（第１図）

上記構造のものは、レーザ光をポリゴンミラーで走査させ、これを光ファイバ束で捕捉しているから、検査対象のガラス基板が大きくなると、それに伴って光ファイバ束の横幅、ひいては装置が大型化するという問題があり、さらには、構成部品も多い。
係る問題を解決するには、図１３に示すように、投光素子１と受光素子２を対向して配置しておき、受光素子２で検出される受光量変化に基づいて異物の検出を行なう方法が考えられる。しかし、異物が非常に微小である場合には、受光素子２で受光される光の光量の変化も微小であり、光量の変化をうまく捉えることが出来ない。係る点を改善するために、少しでも、異物に効率よくレーザ光を照射、すなわち、強度の高い部分を集中的に照射する必要があった。
本発明は上記のような事情に基づいて完成されたものであって、異物にレーザ光を効率的に照射して変化を大きく捉えることで、信頼性の高い検出結果を得ることが可能な異物検出装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための手段として、請求項１の発明は、前記対象物の両側において光軸が前記対象物の検出面に沿うように対向配置されるレーザ照射手段、並びに前記レーザ照射手段から照射された光を受光して画像データを出力する撮像手段からなる画像データ取得手段と、前記レーザ照射手段の光軸と直交する直交方向に、前記画像データ取得手段或いは前記対象物の少なくともいずれか一方を移動させ、移動前後の画像データの変化に基づいて前記検出面上の異物の検出を行なう検出手段と、を備え、前記レーザ照射手段は、レーザ光を出射するレーザ出射口の中心位置の高さが、前記対象物の検出面とほぼ同じ高さとなるように配置されているところに特徴を有する。

請求項２の発明は、前記レーザ出射口は円形をなすところに特徴を有する。

＜請求項１の発明＞
請求項１の発明によれば、レーザ光を出射するレーザ出射口の中心位置の高さが、対象物の検出面とほぼ同じ高さとなるように配置されてから、レーザ光のうち中心部分、すなわち最も強度の高い部分の光が異物に照射される。このような構成であれば、異物にレーザ光が照射されることで生ずる受光側の画像データの変化が大きく現れるから、その分、装置の検出精度を高めることが可能となる。

また、異物検出装置は、画像データ取得手段（レーザ照射手段とそれを受光する撮像手段とから構成）、検出手段だけで済むから、部品点数が少なく、装置全体をコンパクトにまとめることが可能となる。また、対象物に対して画像データ取得手段を相対移動させ、そのときの画像の変化に基づいて、検出を行なっているが、このような検出形式であれば、レーザ光を対象物に対して高速走査させることも可能であり、検出の高速化も実現可能である。

＜請求項２の発明＞
このような構成であれば、汎用性が高い。

本発明の一実施形態を図１ないし図１２を参照して説明する。
本実施形態は、本発明に係る異物検出装置を、ガラス基板（本発明の対象物に相当）上の微小異物（例えば、ガラス片）を検出する微小異物検出装置Ｓに適用したものである。

図１における、符号１０はワーク載置台、符号Ｗは検査対象のガラス基板である。ワーク載置台１０には、同載置台１０の長手方向（同図のＢ方向）に延びるスライダ２０が設けられている。このスライダ２０の両端部には、Ｌ字状の治具２１、２５が固定されており、これが載置台１０の端面部１０Ａに若干の隙間を持って嵌めあわされている。これにより、図示しない駆動装置を駆動させると、治具２１、２５と載置台１０の嵌合部分が摺動面となって、図１に示す矢印Ａ方向にスライダ２０が進退するようになっている。

微小異物検出装置Ｓはレーザ光を出射可能な投光ユニット（本発明のレーザ照射手段に相当）３０、受光面４１Ａに撮像素子（以下、画素ともいう）を行列状に配した受光部４１を有する受光カメラ（本発明の撮像手段に相当）４０からなる画像データ取得手段Ｄ、並びにコントローラ５０から構成される。投光ユニット３０は、図２に示すように、ケーシング３１内にレーザ光源３５、並びにコリメートレンズ３４を収容してなる。ケーシング３１の前面には、円形のレーザ出射口３２が開口しており、そこより、レーザ光、すなわちレーザ光源３５から出射されコリメートレンズ３４で平行光とされた光が出射されるようになっている。この投光ユニット３０は、図１における左側の治具２１の側面に固定されるが、治具側には投光ユニット３０の上下方向に関する位置を調整可能な調整機構２３が設けられている。

図２に示すように、投光ユニット３０は、レーザ出射口３２の中心位置（光軸Ｌ）が上下方向においてガラス基板Ｗの上面Ｗ１とほぼ同じ高さとなるように調整機構２３によって位置調整されている。換言すれば、レーザ出射口３２の下半分がガラス基板Ｗの端面Ｗａに対向し、それ以外の部分がガラス基板Ｗの上面側に露出される配置としてある。係る配置とすることで、投光ユニット３０から出射されたレーザ光のうちの、中心部分の光が、ガラス基板Ｗ上の異物に対して照射されることとなる。

一方、受光カメラ４０は、図１における右側の治具２５の側面において投光ユニット３０と対向する位置に固定されている。これら、投光ユニット３０と受光カメラ４０は、スライダ２０と一体的に移動するようになっている。また、受光カメラ４０と次述するコントローラ５０との間が信号線を通じて接続されている。また、同図に示す符号７０はモニタである。

次に、図３を参照して、コントローラ５０の電気的構成について説明する。
コントローラ５０は、ＣＰＵ（本発明の検出手段に相当）５１、制御回路５３、フレームメモリ５５、ＲＡＭ５６、ＲＯＭ５７並びに、出力回路５８より構成される。フレームメモリ５５は、受光カメラ４０で撮像された画像データを記憶するためのものであり、制御回路５３はＣＰＵ５１からの指令に基づいてフレームメモリ５５に画像データを記憶させたり、或いはフレームメモリ５５から画像データの読み出しを行なうものである。

ＲＯＭ５７には、画像データを解析するための各種プログラムが格納されており、これがＲＡＭ５６上の所定領域に読み出されてＣＰＵ５１により実行される。また、ＲＡＭ５６にはプログラムが読み出される領域の他に、ＣＰＵ５１が処理を行なう際に、データを一時記憶しておくための領域が設けられている。

また、同図には示されていないが、受光カメラ４０は液晶シャッターを備えている。液晶シャッターは、ＣＰＵ５１の指令に基づいて制御回路５３から出力されるシャッター開閉指令を受けて動作して、受光カメラ４０の受光面４１Ａを開閉する。尚、同図に示す符号４３はレンズであり、受光カメラ４０の受光面４１Ａに適切な大きさの画像を投影させるものである。

次に、具体的な検出動作について説明する。
検出が開始されると、まず、スライダ２０の位置が、図４に示す初期位置にセットされ、その後、投光ユニット３０からレーザ光の照射が開始される。続いて、駆動装置の駆動が開始されて、スライダ２０は図４の下方に向けてゆっくりと水平移動してゆく。これにより、投光ユニット３０と受光カメラ４０から構成される画像データ取得手段Ｄもスライダ２０とともに、一体的に移動する。

この間、ＣＰＵ５１からは、シャッター開閉指令が所定周期で受光カメラ４０に送られることで、撮影が行なわれる。そして、撮影が行なわれるたびに、制御回路５３によって受光カメラ４０から画像データが読み出され、これが、フレームメモリ５５に記憶されるようになっている。

かくして、フレームメモリ５５には、ガラス基板Ｗの一端（図４における左側）から出射された後、ガラス基板Ｗの上面に沿って水平に進み、ガラス基板Ｗの他端（図４における右側）に達したレーザ光を受光した各時点の画像データが保持される。そして、ＣＰＵ５１では、画像データの取得と並行して、保持された画像データの画像解析が行なわれる。

ここで、画像解析に先立って、取得された画像データについて説明する。図５の（Ａ）は、ガラス基板Ｗ上に異物がない場合の受光カメラ４０の画像データである。同図においてハッチングで示す領域部分はレーザ光源３５から出射された後、直進した光が入光した部分であり、基本的には、当該部分からは信号レベルの高い撮像信号が出力される。すなわち、入光部分では受光される光量が高く、これとは、反対にそれ以外の部分では低くなる。

ところが、光量の高い領域部分、或いは低い領域部分について、更に、光量の分布を細かくみると、受光された各点の光量は一定でなく、例えば、ハッチング部分には、受光される光量が特に高い部分とそれに比べて弱い部分とがある（図示せず）。このように光量の分布に斑が生ずる一つの要因に、レーザ光の回折現象がある。レーザ光の回折現象はレーザ光の進行が、障害物によって遮られるときに、レーザ光が障害物を回りこむ、換言すれば、光の直進性がわずかに崩れる現象であり、これにより、受光面４１Ａ上に回折縞が現れるためである。

図６は、受光面４１Ａと障害物との間の距離と、回折縞の模様との関係を示したものであるが、一般に、受光面４１Ａに障害物が近いほど空間周波数ｕの高い回折縞が現れ、これとは反対に、受光面４１Ａに障害物が遠いほど空間周波数ｕの低い回折縞が現れる。

本実施形態であれば、レーザ光を遮る障害物にはガラス基板Ｗ上の異物に加えて、図２に示すようにレーザ光源３５に近い側にレーザ出射口３２の口縁部３２Ａがあり、更に、ガラス基板Ｗの端面Ｗａも障害物となるから、図５に示す画像データ中には、これらによって生じた異なる空間周波数ｕの回折縞（図示せず）が混在した状態となる。尚、空間周波数ｕとは、画像データ中における濃淡（光度の強弱）の周期であり、空間周波数ｕが高いほど濃淡を繰り返す周期が短く（縞の間隔が短く）、これとは反対に空間周波数ｕが低いほど濃淡を繰り返す周期が長く（縞の間隔が広く）なる。

さて、ＣＰＵ５１における画像解析処理であるが、これには二つの段階、すなわち、取得された各画像データに対してＦＦＴ（離散フーリエ変換）を行なって、各画像データのパワースペクトル分布を算出する第一段階と、第一段階で取得されたパワースペクトル分布の時間的な変化を検出し、これに基づいて異物検出を行なう第二段階とがある。尚、パワースペクトルとは、データをフーリエ変換して得られるフーリエ係数（スペクトル）を自乗したものであって、ここでは、画像データ中に含まれる各空間周波数の強さである。

＜第一段階＞
ＣＰＵ５１は、まず、フレームメモリ５５から一の画像データを読み出して、スポットサーチを行なって、次述するＦＦＴの対象となるエリアの指定を行なう。スポットサーチは例えば、読み出された画像データ中の最大受光量の画素を特定し、それを基準として領域を決定してやるものである。本実施形態であれば、図５に示す、Ｐ点が最大受光量のポイントであり、これを基準として幅Ａ、高さＢをエリアとして指定している。

このように、エリアの指定を行なうのは、画像データの全画素に対してＦＦＴを行なうと解析の対象となるデータ数が多くなり処理に時間がかかるから、解析の対象となるデータを必要最小限に留めるためであり、幅方向にエリアを長くとっているのは、スライダ２０が幅方向に走査されるからである。

上記したエリアの指定がなされると、ＣＰＵ５１はエリア内の画像データを対象として、次述する（１）、（２）式に従って、公知のＦＦＴを行って、パワースペクトル分布、すなわち、指定されたエリア内の画像データ中に、如何なる空間周波数の成分が、どの割合で含まれているのかを算出する。図７には、パワースペクトル分布の一例が示されているが、このものであれば、対象となった画像データ中に、空間周波周１の成分が最も多く含まれ、次いで空間周波数２の成分、次いで空間周波数３の成分が多く含まれていたこととなる。そして、ＣＰＵ５１は上記したパワースペクトル分布を各画像データごとに、それぞれ算出する。

ｕ・・・・・・空間周波数
ｆ（ｎ）・・・画像データ（画素の光量）
Ｆ（ｕ）・・・スペクトル
Ｇ（ｕ）・・・パワースペクトル

＜第二段階＞
ＣＰＵ５１は、上記した第一段階の処理を繰り返し行なうことで所定数（例えば、１０個）のパワースペクトル分布が得られると、今度はパワースペクトル値の時間的な変化の有無を、各空間周波数ｕについて、それぞれ算出する。具体的には、空間周波数１であれば、１０個のパワースペクトル値がサンプリングされているから、まず、サンプリングされた１０個の値からパワースペクトル値の平均を算出する。そして、得られた平均値を基準として各パワースペクトル値の増減値（絶対値）を算出し、これを設定された閾値と比較する。比較した結果、空間周波数１のパワースペクトル値の増減値がいずれも、閾値を下回っている場合には、空間周波数１について変化なしと判定する。

そして、上記した増減値と閾値とを比較する処理を全ての空間周波数ｕについて行ない、全ての空間周波数ｕについて、増減値が閾値を下回っていれば、そのときには、異物なしとの判定を行なう。これは、ガラス基板Ｗ上に異物がない場合には、同じ空間周波数ｕであれば、図８に示すように、パワースペクトル値はほぼ一定しており、ほとんど、変化が現れないからである。

ＣＰＵ５１は、図９に示すように、１０個のスペクトル分布がストックされるまで、初回の判定を行なわないが、そこで異物なしと判定した場合には、それ以降、新しいスペクトル分布が、前記した第一段階における処理で取得される都度、判定を行なう。すなわち、新しい１０個のパワースペクトル分布を対象（サンプルデータ）として、上記した平均値の算出を再び行い、その後、得られた平均値を基準として各パワースペクトル値の増減量を算出し、これを設定された閾値と比較する。このように、パワースペクトル分布の取得と同時に判定処理を行なうことで、スライダ２０によるレーザ光の走査（画像データの取得）と並行して、異物検出を行なうことが出来る（初回検出を除く）。

そして、スライダ２０が、終端位置（図４に示す一点鎖線で示す位置）まで達し、レーザ光による光の走査がガラス基板Ｗの全面についておこなわれると、検出動作が完了する。

一方、上記した第二段階の判定処理において、いずれかの空間周波数ｕについて、増減値が閾値を上回っている場合には、パワースペクトル分布に時間的な変化があったと判定されて、異物ありとされる。これは、ガラス基板Ｗ上に異物がある場合には、図１０の（Ａ）に示すように、異物により生じた回折縞が受光面４１Ａ上に現れるから、これにより、パワースペクトル値の分布に変化が起きるためである。より具体的に言えば、発生した回折縞の空間周波数ｕに近い周波数帯（図１０の（Ｂ）におけるＣ部）では、パワースペクトル値が大きくなる。

そして、ＣＰＵ５１は異物ありと判定した場合には、出力回路５８を通じて異物検出信号を出力するとともに、これと並行して、光軸方向（図１におけるＢ方向）に関する異物の位置を検出するための処理を行なう。尚、本実施形態において、出力回路５８はスライダ２０を駆動させる駆動装置に接続されており、異物検出信号が出力されると、駆動装置がこれを受信してスライダ２０の進退を停止させるようになっている。

次に、異物の位置検出であるが、これは、予めＲＯＭ５７に記憶されているパワースペクトル分布の変化パターンと、検出されたパワースペクトル分布の変化パターンとを照合し、最も変化パターンの似通ったパワースペクトル分布を抽出することにより行なわれる。すなわち、本実施形態のものであれば、異物検出を行なうに先立って、試験的にガラス基板Ｗ上に異物を置いた状態で上記した一連の処理を行ってパワースペクトル分布を取得しており、係る試験を、図１１に示すように光軸方向に異物を移動させて、各位置においてそれぞれ行っている。これにより、例えば、図１１の（Ａ）から（Ｅ）の５つのパワースペクトル分布の変化パターンが取得されている（ＲＯＭ５７に記憶してある）。

そして、ＣＰＵ５１は、現実の測定において、先の第二段階における判定処理で異物ありと判定すると、判定の対象となったパワースペクトル分布の変化パターンと、上記した５つのパワースペクトルの分布の変化パターンを照合する。すなわち、変化のあった空間周波数帯を比較する。

先に述べたように、図１０の例であれば、空間周波数ｕが２〜４の部分において特に、変化が現れている。一方、これと同じ周波数帯に変化が現れているものは、図１１の（Ｃ）であるから、このときには、レーザ光源３５と受光カメラ４０のほぼ中間位置に異物があると判定され、その結果がモニタ７０に表示される。尚、このように、光軸方向に関する異物の位置によって、変化が現れる周波数帯が異なるのは、図６に示すように、光軸方向に関する異物の位置によって、受光面４１Ａに現れる回折縞の空間周波数ｕがそれぞれ、異なるためである。

このように本実施形態によれば、微小異物検出装置Ｓは、投光ユニット３０、受光カメラ４０並びにコントローラ５０だけで構成されているから、部品点数が少なく、装置全体がコンパクトにまとめられている。また、異物の検出については、異物によって生じた回折縞に起因するパワースペクトル分布の時間的な変化に基づいて検出を行なっている。従って、ノイズ成分、並びに種々の空間周波数成分が混在する画像データの中から、異物に起因する画像の変化を適格に捉えることが可能となり、受光量変化に基づいて判定を行なう場合（図１３の構成のもの）に比べて、信頼性の高い検出結果を得ることが出来る。

また、異物の有無についての判定は、スライダ２０の移動（レーザ光による走査）と並行して行なわれ、異物ありと判定された場合には、その場でスライダ２０が停止されるようになっているから、単に、異物の検出のみを行なうものに比べて、更に、商品性が高くなっている。加えて、コントローラ５０のＲＯＭ５７には、予め、パワースペクトル分布の変化パターンが記憶されており、これと異物ありと判定されたパワースペクトル分布を比較することで、光軸方向に関する異物の位置を特定することが出来るようになっている。このような構成であれば、ガラス基板Ｗ上における異物の位置を容易に特定することが可能となるから、より一層、商品性に優れるものとなる。

加えて、本実施形態のものは、ガラス基板Ｗ上の異物に対して、投光ユニット３０から出射されたレーザ光の中心部分、すなわち、もっとも光強度の高い部分（図１２における中央の山部分）が異物に照射される。このような構成であれば、低い部分（図１２における裾部分）が照射される場合に比べて、画像データ中の変化もそれだけはっきりと現れるから、検出精度をより一層高めることが可能となる。また、レーザ出射口３２は円形とされ、汎用性が高いものとなっている。

＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれ、さらに、下記以外にも要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することができる。

（１）上記実施形態では、微小異物検出装置Ｓをガラス基板Ｗ上の異物検出に適用したが、用途はガラス基板等に限定されるものではなく、金属板上の異物検出に適用してもよい。

（２）上記実施形態では、パワースペクトル値の時間的な変化の有無を判定を、以下の様に行なった。まず、各空間周波数ｕについて、それぞれパワースペクトル値の平均を算出し、これと、各パワースペクトル値を比較し、その大小に基づいて判定した。しかし、パワースペクトル値の時間的な変化の有無の判定は、少なくとも大きな変化があったときにこれを検出できればいいから、パワースペクトル値の推移、すなわち微分処理等を行なって、変化の割合に基づいて検出してもよい。

また、投光ユニットは、単一波長の光を安定して出射可能なものであればよく、例えば、半導体レーザ、固体レーザ、液体レーザ、気体レーザ等が適用可能である。

また、本実施形態のものは、受光カメラから得られる画像データ中に、レーザ光が異物に照射されると回折縞が現れることに着眼して検出を行なったが、画像データの変化に基づいて検出を行なうものであれば、適用可能であり、例えば、散乱光に着眼してもよい。

本実施形態に適用された微小異物検出装置の概観構成を示す斜視図 投光ユニットのレーザ光の光軸と、ガラス基板上との関係（上下方向の位置関係）を示す図 検出装置の電気的構成を示すブロック図 スライダの初期位置、並びに終端位置を示す平面図 受光カメラの受光画像（画像データ）を示す図 異物の位置により回折縞の模様が変わる様子を示す図 画像データをＦＦＴした結果（パワースペクトル分布）を示す図 パワースペクトル分布の時間的な推移を示す図 ＣＰＵによる異物の判定タイミングを示す図 （Ａ）ガラス基板上に異物があった場合の画像データを示す図 （Ｂ）パワースペクトル分布の時間的な推移に変化のあった状態を示す図 パワースペクトル分布の変化パターンを示す図 レーザ光の強度分布を示す図 従来例を示す図

符号の説明

Ｓ…微小異物検出装置
Ｄ…画像データ取得手段
Ｗ…ガラス基板
Ｗ１…上面
３０…投光ユニット（レーザ照射手段）
３２…レーザ出射口
４０…受光カメラ（撮像手段）
５０…コントローラ

Claims (2)

1. 前記対象物の両側において光軸が前記対象物の検出面に沿うように対向配置されるレーザ照射手段、並びに前記レーザ照射手段から照射された光を受光して画像データを出力する撮像手段からなる画像データ取得手段と、
   前記レーザ照射手段の光軸と直交する直交方向に、前記画像データ取得手段或いは前記対象物の少なくともいずれか一方を移動させ、移動前後の画像データの変化に基づいて前記検出面上の異物の検出を行なう検出手段と、を備え、
   前記レーザ照射手段は、レーザ光を出射するレーザ出射口の中心位置の高さが、前記対象物の検出面とほぼ同じ高さとなるように配置されていることを特徴とする異物検出装置。
2. 前記レーザ出射口は円形をなすことを特徴とする請求項１に記載の異物検出装置。

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