JP2007132864A

JP2007132864A - 表面検査装置

Info

Publication number: JP2007132864A
Application number: JP2005327973A
Authority: JP
Inventors: Tsuyoshi Morino; 剛志森野; Masataka Shirato; 昌孝白土; Yoshinori Motomiya; 佳典本宮; Tsutomu Saito; 勉齋藤; Junji Miura; 淳二三浦
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-11-11
Filing date: 2005-11-11
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2025-11-11
Also published as: JP4377872B2

Abstract

【課題】高速な搬送装置と組み合わせても、その搬送過程で生じるバタツキやスキューといった変動に対して安定した検査を行う表面検査装置を提供することを目的とする。
【解決手段】複数の波長成分を含む光を回折型光学的変化素子１０２に照射する光源２０１と、回折型光学的変化素子１０２で回折された第１の波長の回折光および第２の波長の回折光を検知する光検知手段２０３と、光検知手段２０３の検出結果に基づいて、第１の波長の回折光および第２の波長の回折光の色の違いに関する評価値を計算する計算手段２０４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面検査装置に関し、回折型光学的変化素子（回折型OVD :Optical Variable Device）の表面を検査する表面検査装置に関する。

回折型ＯＶＤは、エンボスホログラムに代表されるように、表面に光の回折現象を引き起こす加工がされた素子である。そのため光の回折・干渉現象に起因する鮮やかな発色を持つ模様を有していることを特徴としている。また、回折型ＯＶＤは、金属薄膜に形成されることも多く、金属光沢を有しているものも多い。

このように、回折型ＯＶＤは、通常の印刷とは異なる光学的な特徴を有している。そのため、商品券といった印刷物やクレジットカードといったカード類の偽造防止技術（セキュリティスレッド）として用いられることも多い。セキュリティスレッドの品質は、印刷物やカード類の信頼性に大きく関わっている。そのため、セキュリティスレッドを形成する回折型ＯＶＤの品質を検査する検査手段が重要となっている。

セキュリティスレッドが貼付または印刷された印刷物やカード類は、機械的に搬送され、数量を数える計数処理や品質検査をする処理が同時に行われる。計数処理では、高速に印刷物やカード類を搬送し計数が行われる。その搬送速度は、秒速数メートル以上であることもある。そのような高速計数と同時に品質検査を行うには、高速な検査装置が必要となる。

また、品質検査において精度の高い検査を行うためには、印刷物やカード類を正確な検査位置に静止させた状態でこれらを検査するのが望ましい。しかしながら、検査工程に至るまでには搬送を伴うため、正確な検査位置からの位置ずれを完全に回避することは困難である。さらに、検査工程を一段と高速化しようとする場合は、搬送しながら検査を行わなければならず、検査位置に対する被検査物（印刷物やカード類）の高さ方向のばたつき、搬送方向に対する角度ずれであるスキューといった変動も生じる。このような変動は、検査の精度を劣化させてしまうため、このような状態における印刷物やカード類の検査においては、変動に強く安定した検査が求められる。

このように、回折型ＯＶＤの検査には、高速性と安定性を両立させる必要があった。この安定性という目的に対して、例えば特許文献１においては、回折型ＯＶＤの一種であるホログラム面の全周を囲うように光源を配置して検査光を照射するような手段をとっている。このように照明されたホログラムにおいては、その全面から回折光を得るようになされており、この回折光を撮像することにより得られるホログラム像と、予め保存されている欠陥のないホログラム像とがパターンマッチングにより比較される。

このようにホログラム全面から得られる回折光の撮像結果に基づいて欠陥の有無を検査することにより、ホログラム全面にわたって微小な欠陥を検査するようになされている。
特開２００４−２３９８３４号公報

しかしながら、撮像したホログラム像と予め保存されているホログラム像とのパターンマッチングを行う場合、ホログラム像の特徴抽出といった複雑な処理を行う必要があった。

また、搬送装置による位置ずれやスキューといった変動を許容して安定した検査を行うためには、正規化相関法、位相限定相関法、幾何マッチングといった複雑な相関演算を伴う処理も必要となる。

このような複雑な処理は、高速な検査の妨げとなるものであり、したがって従来の検査装置では、回折型ＯＶＤを高速かつ安定に検査することが困難であった。

このような技術的課題を解決するためになされた本発明の目的は、高速に搬送された状態における回折型ＯＶＤの位置ずれ、ばたつき、スキューといった変動に対して安定かつ高速に検査を行うことができる表面検査装置を提供することである。

本発明の実施の形態に係る特徴は、複数の波長成分を含む光を回折型光学的変化素子に照射する光源と、前記回折型光学的変化素子で回折された第１の波長の回折光および第２の波長の回折光を検知する光検知手段と、前記光検知手段の検出結果に基づいて、前記第１の波長の回折光および前記第２の波長の回折光の色の違いに関する評価値を計算する計算手段とを備えることである。

本発明によれば、安定かつ高速に表面検査を行うことができる表面検査装置を提供することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。なお、説明の便宜上、本発明の実施の形態においては上を前記回折型光学的変化素子の鉛直方向（前記回折型光学的変化素子の表面側）と仮定する。具体的には上とは後述するＺ方向を指す。すなわち、本発明の実施の形態の説明にて記載された方向は、前記回折型光学的変化素子に対して前記回折型光学的変化素子の鉛直方向に対する相対的な方向を指し、重力方向に対する方向を指すものに限定されない。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る回折型光学的変化素子（回折型ＯＶＤ）の表面検査装置１００の構成を示したものである。この表面検査装置１００は、紙葉類１０１に貼付または印刷されたような回折型ＯＶＤ１０２の検査に用いられるものであり、照明手段２０１、集光手段２０２、光検知手段２０３、判別処理手段２０４が設けられている。

照明手段２０１は、斜め上方向から回折型ＯＶＤ１０２に光を照射するように、回折型ＯＶＤ１０２の側面に沿って配置される。照明手段２０１は、回折型ＯＶＤ１０２より十分長い発光部分をもつ直線光源とする。具体的には直線状の蛍光管をもつ光源や、直線状のハロゲン電球をもつ光源を用いればよい。また光ファイバ等の光伝送手段により光源からの光を導光体内に入射し、光を射出する手段を線状またはアレイ状に設けた導光体により線状光源を実現するような伝送ライトを用いてもよい。光源の分光特性としては、複数の波長を含むものを用いればよいが、より好ましくは近赤外領域の波長から近紫外領域の波長までブロードな分光分布特性をもつ白色光源を用いるのがよい。

このように回折型ＯＶＤ１０２に対して斜め上方から光を照射することにより、後述する光検知手段２０３に対して正反射光を入射させずに、回折光を入射させることができる。

集光手段２０２は回折型ＯＶＤ１０２から所定の距離だけ離れており、回折型ＯＶＤ１０２の中心と集光手段２０２の光軸が概略交わるように配置される。集光手段２０２は、回折型ＯＶＤによって回折された光を集光するように配置される。具体的な集光手段としては、例えば、所定の焦点距離をもつ単一の凸レンズでもよく、また複数枚のレンズからなるカメラ用レンズでもよい。

光検知手段２０３は、集光手段２０２を挟んで回折型ＯＶＤ１０２と反対側に配置される。このとき集光手段２０２によって集光される回折光の焦点位置あるいはその近傍に配置するのが好ましい。この実施の形態においては、複数の光検知手段２０３が設けられる。各光検知手段２０３は、それぞれ複数のカラーセンサーによって構成される。本発明はカラーセンサーの数量によって限定されるものではないが、この実施の形態では各光検知手段２０３ごとに３つのカラーセンサーを用いた場合について説明をする。カラーセンサーとしては、例えばフォトダイオードに赤色のフィルタを組み合わせたもの、フォトダイオードに緑色のフィルタを組み合わせたもの、フォトダイオードに青色のフィルタを組み合わせたもの等を用いることができる。この実施の形態において、複数の光検知手段２０３は、被検物（回折型ＯＶＤ１０２）で回折された第１の波長の回折光を検知する第１の光検知手段と、被検物で回折された第２の波長の回折光を検知する第２の光検知手段を構成する。

図２に示すように、１つの光検知手段２０３には、光の３原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）を検知するようになされたカラーセンサー３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃが設けられており、それぞれのカラーセンサー３０１ａ〜３０１ｃによって検出された光強度は、複数の波長ごとの電気信号（分光強度信号）に変換され判別処理手段２０４に送られる。ここで、光検知手段２０３は必ずしも赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のそれぞれの成分に対応する必要はなく、少なくとも２種類の波長に対応可能なカラーセンサーを用いることができる。各カラーセンサーでは、光の３原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の波長を持つ光の強度を検出し、それぞれの波長の分光強度信号Ｉ_R、Ｉ_G、Ｉ_Bとして判別処理手段２０４に含まれる色差量計算部３０２に送られる。ここではカラーセンサーの検出する波長を光の３原色ＲＧＢであるとして説明をしているが、本発明はこの波長の選択の方法によって限定されるものではなく、想定される回折型ＯＶＤの種類や検査装置の構成によって適宜最適な色を選択すればよい。

判別処理手段２０４は図２に示したように、色差量計算部３０２、表面状態判定部３０３、判定結果出力部３０４からなる。色差量計算部３０２ではカラーセンサー３０１ａ〜３０１ｃから送られる分光強度信号から色差量信号（評価値）を計算し、その色差量信号を表面状態判定部３０３に送る。

ここで色差量計算部３０２での計算例を数式を用いて説明する。まずカラーセンサー３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃからの分光強度信号の組をそれぞれ（Ｉ_1R,Ｉ_1G,Ｉ_1B）、（Ｉ_2R,Ｉ_2G,Ｉ_2B）、（Ｉ_3R,Ｉ_3G,Ｉ_3B）として、各カラーセンサーの分光強度信号ごとにＲ信号とＢ信号の色差指標値Ｑ_ｉを次式によって求める。

ここでＩ_maxとＩ_minは、カラーセンサーによって出力される分光強度信号の最大値と最小値であり、カラーセンサーの性能によって決められるものである。

次に色差指標値Ｑ_ｉの各カラーセンサーごとの平均値Ｐを次式によって求める。

この平均値Ｐから各カラーセンサーの色差指標値Ｑ_ｉがどれだけ離れているかを次式によって求め、その値を色差量信号Ｄとする。

ここで求めた色差量信号Ｄは、色差指標値Ｑ_ｉのばらつき度合いを示す標準偏差と解釈することもできる。この色差量信号Ｄが色差量計算部３０２から表面状態判定部３０３に送られ、判定処理が行われる。なお、ここで示した計算例では、ＲとＢの成分を用いて計算する手段について述べたが、ＲとＧ、ＧとＢ、あるいはそれらを組み合わせた計算でもよい。

上述した説明では複数のカラーセンサーを用いて光検知手段を構成した場合について説明しているため式（３）のように色差量信号Ｄを定義しているが、単一のカラーセンサーを用いて光検知手段を構成した場合は色差指標値Ｑ_ｉをそのまま色差量信号Ｄとして表面状態判定部３０３に送ればよい。

表面状態判定部３０３では、図３に示すフローチャートのように判定処理が行われる。この判定処理において、まず表面状態判定部３０３に色差量信号Ｄが取り込まれる（Ｓ４０１）。次に表面状態判定部３０３において、色差量信号Ｄをもとに回折型ＯＶＤの表面状態の判定が行われる。すなわち、表面状態判定部３０３は、メモリ等の記憶手段（図示せず）にあらかじめ記憶されているある閾値と色差量信号Ｄとを比較し、色差量信号Ｄが閾値を超えるか超えないかという判別を行う（Ｓ４０２）。色差量信号Ｄが閾値を超える場合、表面状態判定部３０３は、回折型ＯＶＤが正常であると判断し、正常信号を判定結果出力部３０４に出力する（Ｓ４０３）。これに対して、色差量信号Ｄが閾値を超えない場合、表面状態判定部３０３は、回折型ＯＶＤの表面が異常であると判断し、異常信号を判定結果出力部３０４に出力する（Ｓ４０４）。

これらの信号は最終的に判定結果出力部３０４から、例えば、本実施の形態の表面検査装置１００と組み合わされる表示装置（図示せず）に送られ、可視表示等によって判定結果を表示することが可能となる。あるいは図４に示すように、表面検査装置１００を含む検査処理装置１２０の搬送区分装置１２１に送られ、表面に損傷や劣化のある回折型ＯＶＤが貼付された紙葉類を振り分けるなどの処理が可能となる。例えば、搬送区分装置１２１としては、正常信号又は異常信号に基づいて区分け用のアーム（図示せず）を動作させ、ベルトコンベア等で搬出される紙葉類を区分け用のアームによって選別するように構成されたものがある。また検査処理装置１２０では、表面検査装置１００の判定結果出力部３０４から出力された正常又は異常を示す信号に基づいて、正常な紙葉類及び異常な紙葉類の数を計数する計数装置１２２によって、それぞれの数を計数することもできる。

以下では、本実施の形態の効果についてより詳しく図面を用いて説明をする。図５に示すように、回折型ＯＶＤ１０２に斜め方向から照明光を照射すると、特定の入射光線に対する０次回折光である正反射光線は、素子表面に対して入射角と同じ射出角で反対方向に射出する。しかし、回折光光線は、回折型ＯＶＤ１０２を構成する回折格子の向きやピッチによって、素子表面に入射する光線の角度に応じた特定の平面上あるいは曲面上に沿って射出する。例えば図６に示すように、表面がＺ方向に垂直な向きで、格子の配列方向がＹ方向に平行な回折格子に、ＹＺ平面上の入射光線が斜めに回折格子に入射する場合、その回折光光線は図６中の破線で示されたＹＺ平面の近傍に限られる。また、図７に示すように格子の配列方向がＹ方向と垂直な場合、その回折光光線は破線で示された特定の円錐面近傍に限られる。

そこで本実施の形態においては、照明手段２０１として直線光源を用いることにより、光源の長手方向に関しては、多くの角度の光線が回折型ＯＶＤ１０２に入射する。そのため図８のように概して広く放射状に回折光の光線が射出することになる。

この回折光の広がりを計算により求め、その回折光の方向余弦をプロットした例を図９に示す。この計算の条件を説明すると、ここでは光軸方向にＺ軸をとった座標系に対する角度としての方向余弦（Ｌ,Ｍ,Ｎ）のＬ成分を横軸に、Ｍ成分を縦軸にプロットしている。回折格子の格子方向は図５に示したところのＹ方向に向いている。また回折型ＯＶＤ１０２に用いられる回折格子のピッチは数百ナノメートルから数マイクロメートルというのが一般的だが、ここでは１マイクロメートルとして計算例を示している。入射させる光線については、回折格子表面に対する入射光線の角度θを４５°に固定し、この状態で入射光線のＸ方向に対する角度φを０°から−１８０°まで変化させている。図９の０°から−１８０°の数字は、この入射光線の角度φに対応した回折光のプロットであることを示している。この変化は光源が長尺になることにより、回折格子に入射する光線が多くの方向から入射するようになることに相当する。また入射光線の波長は４００ｎｍ（青）から７００ｎｍ（赤）まで１００ｎｍごとに変化させプロットしている。波長とプロット点との対応は、図９中の波長対応という凡例に示している。この図９をみるとある特定の方向からから来た光線に対する回折光の方向余弦は、１次回折光から３次回折光の各波長が直線状に分布し、回折光の射出方向が限定されていることがわかる。しかし回折格子の格子方向に対する入射光の角度を増やしていくことにより、回折光に広がりを持たせることが可能なことも分かる。

このように回折型ＯＶＤ１０２から広く放射状に回折光が射出されるため、図８の破線で示したように回折型ＯＶＤ１０２の表面に角度ずれがあっても、確実に集光手段２０２に回折光を入射させることができ、光検知手段２０３により回折光を検知することができる。すなわち本実施の形態の表面検査装置１００は、回折型ＯＶＤ１０２の角度ずれといった変動に対して強く、安定した検査装置であるといえる。

また回折型ＯＶＤ１０２は、格子ピッチや格子方向が異なる複数の回折格子により構成されることも多い。このような回折型ＯＶＤに対しても、直線光源のようなあらゆる方向から光線が入射する光源（照明手段２０１）を用いることで、特定の格子ピッチや格子方向をもつ回折格子以外は見ることが困難であるという汎用性の低さを解消することができる。つまり多様な回折格子が組み合わされた回折型ＯＶＤに対しても、安定して検査を行うことができる。

回折型ＯＶＤ１０２を構成する回折格子パターンが正常であれば、特定の方向から来た光線は図８のように波長分散を受け回折される。例えば、図１０に示すように、回折型ＯＶＤ１０２の回折格子パターンが正常である場合（図１０において部分的に拡大して示す）、波長λ1、λ2、λ3という３波長を含むスペクトルをもつ照明光が回折型ＯＶＤ１０２に入射した場合、その回折光は波長λ1、λ2、λ3のそれぞれの光で異なった方向に回折される。これに対して、回折型ＯＶＤ１０２に視覚にて認識できる程度の欠損、磨耗や擦傷のある場合、波長分散を受けた回折光が減少してしまう。例えば図１１に示すように、回折型ＯＶＤ１０２に欠損、磨耗や擦傷（欠損等）がある場合（図１１において部分的に拡大して示す）、回折型ＯＶＤ１０２の欠損等のある部分では回折格子の規則正しい構造が破壊されている、または回折格子が失われている等、回折格子の機能に欠陥が生じているためである。この場合、光を反射するのは、例えば不規則な構造に変化してしまった回折型ＯＶＤ１０２の素材や、回折型ＯＶＤ１０２が添付等された紙葉類１０１の表面である。したがって回折型ＯＶＤ１０２に波長λ1、λ2、λ3という３波長のスペクトルをもつ照明光が回折型ＯＶＤ１０２に入射しても、多くの方向に波長λ1、λ2、λ3という３波長を含むスペクトルをもつ拡散反射光が多く発せられることになる。

一方、光源（照明手段２０１）の長手方向と直交する断面に注目すると、図１２に示すように、ある幅のある回折型ＯＶＤ１０２に対して微小な光源として機能する。この断面では、微小な光源が斜め上から光を照射する位置関係になる。そのため回折型ＯＶＤ１０２の表面上で、光源に近い位置では小さな入射角で光線が入射し、光源に遠い位置では大きな入射角で光線が入射する。そのことにより正常な回折型ＯＶＤ１０２では、正反射方向の光線と回折されて集光手段２０２に入射する光線のなす角度が、位置によって変わることになる。回折光は分散を受けているので、その角度が違えば波長も変わる。つまり集光手段２０２に入射する光の波長が回折型ＯＶＤ１０２の表面上の位置によって異なるということである。

したがって回折型ＯＶＤ１０２が正常であれば、周囲の物体による拡散反射光等のノイズとなるような光を除くと、図１２に示すように、光検知手段２０３に含まれる各カラーセンサーに入射する回折光の波長も異なってくる。つまりカラーセンサーに入射する回折光は単色に近い色となることにより、カラーセンサーで単色に近い色を検出することになり、また各カラーセンサーで検出される色が異なっているという特徴がある。またこれとは逆に上述したように回折型ＯＶＤ１０２に欠損、磨耗や擦傷といった異常がある場合は、カラーセンサーに入射する光は拡散反射光である。そのため各カラーセンサーは複数波長が含まれる白色に近い光を検出するという特徴がある。これは正常な回折型ＯＶＤの特徴と欠損等をもつ異常な回折型ＯＶＤの特徴とを光学的な情報に置き換えていることになる。具体的には、上述の式（２）によって算出される平均値Ｐは、拡散光が検出された場合の色差指標値と見ることができ、また上述の式（３）において、色差量信号Ｄは、色差指標値Ｑ_ｉの標準偏差と見ることができる。

この標準偏差は、上述の式（２）で表される平均値Ｐに対する色差指標値Ｑ_ｉの差が小さくなるほど小さくなるものである。すなわち、検出光が白色に近い複数波長が含まれる光（拡散反射光）になるほど色差量信号Ｄが小さくなる。ここで、図１１について上述したように、回折型ＯＶＤ１０２に欠陥、磨耗、擦傷等があると、カラーセンサーに入射される光は拡散反射光に近くなる。これらにより、表面状態判定部３０３（図２）において、色差量信号Ｄが閾値を超えたか否かに基づき、回折型ＯＶＤ１０２に欠陥があるか否かを判断することができる（図３）。

判別処理手段２０４においてはその光学的な情報を的確に捉えるために、カラーセンサーからくる分光強度信号から色差量を計算するという方法（式（１）〜式（３））で、正常な回折型ＯＶＤと欠損等をもつ異常な回折型ＯＶＤを判別する処理をおこなう。すなわち、判別処理手段２０４では回折型ＯＶＤ表面の部位によって光検知手段まで到達する光の波長が異なっているという特徴をとらえ、正常な回折型ＯＶＤと損傷・劣化した回折型ＯＶＤを判別する処理をおこなう。この処理は上述したように数個の数式と閾値との比較という組合せで成り立たせることが可能であり、単純で高速な判別処理が可能である。つまり本実施の形態により提供される回折型ＯＶＤの表面検査装置１００は、回折型ＯＶＤ１０２に含まれる回折格子の特徴を的確に捉えることが可能で、かつ高速な検査が可能な表面検査装置であると言える。かくして表面検査装置１００は、高速な搬送装置と組み合わせても、その搬送過程で生じる紙葉類１０１のバタツキやスキューといった変動に対して安定した検査を行うことができる。

（第２の実施の形態）
以下、本発明の第２の実施の形態について図面を用いて説明を行う。なお、第１の実施の形態と同一部分については、同一符号を付してその説明を省略する。

図１３は本発明の第２の実施の形態に係る回折型ＯＶＤの表面検査装置２００の構成を示したものである。この表面検査装置２００は、紙葉類１０１に貼付または印刷されたような回折型ＯＶＤ１０２の検査に用いられるものである。また紙葉類１０１は搬送ベルト１０３によって搬送されながら、表面検査装置２００により検査される。

この表面検査装置２００は、主に照明手段２０１、集光手段２０２、光検知手段２０３、判別処理手段２０４から構成される。

照明手段２０１は、斜め上方向から回折型ＯＶＤ１０２に光を照射するように、回折型ＯＶＤ１０２の側面に沿って配置する。照明手段２０１は、回折型ＯＶＤ１０２より十分長く、細長い発光部分をもつ略円弧状光源とする。光源の分光特性としては、複数の波長を含むものを用いればよいが、より好ましくは近赤外領域の波長から近紫外領域の波長までブロードな分光分布特性をもつ白色光源を用いるのがよい。

このように回折型ＯＶＤ１０２に対して斜め上方から光を照射することにより、後述する光検知手段２０３に対して正反射光を入射させずに、回折光を入射させることができる。この場合、略円弧状光源を回折型ＯＶＤ１０２の周囲の１８０°に亘って配置される構成とすることにより、正反射光が光検知手段２０３に入射することを有効に防止することができる。なお、略円弧状光源の構成は、回折型ＯＶＤ１０２の周囲の１８０°に亘って配置される構成に限らず、１８０°以上又は以下であってもよく、要は回折型ＯＶＤ１０２に対して斜め上方から光が入射するような構成であればよい。

集光手段２０２は回折型ＯＶＤ１０２から所定の距離だけ離れており、回折型ＯＶＤ１０２の中心と集光手段２０２の光軸が概略交わるように配置する。このとき集光手段２０２は、カメラレンズを用いるのが好ましく、その焦点距離やＦナンバーは表面検査装置全体の大きさや、光源の明るさ、回折型ＯＶＤ１０２の大きさなどによって最適なものを選択すればよい。

光検知手段２０３は図１４に示すように、例えばＣＣＤ（charge-coupled device）で構成されたカラー・ラインイメージセンサー３０５ａ〜３０５ｃからなる。それぞれのカラー・ラインイメージセンサーは、３０５ａが赤（Ｒ）、３０５ｂが緑（Ｇ）、３０５ｃが青（Ｂ）の成分の画像を取得するようにする。ここでは紙葉類１０１が搬送ベルト１０３によって搬送されている。したがってカラー・ラインイメージセンサが回折型ＯＶＤ１０２の表面を回折光を介してスキャンし、その画像データを取得する。このように撮像を行うために光検知手段２０３はカメラレンズである集光手段２０２の結像位置に配置するのがこのましい。

カラー・ラインイメージセンサーは上述したような光の３原色である赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のそれぞれの成分に対して撮像を行う３本のラインセンサーを持つものが一般的である。しかし、ラインセンサーは必ずしも赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のそれぞれの成分に対応する３本を必要とするものではなく、少なくとも２種類の波長に対応可能な本数のラインセンサーが設けられていれば良い。すなわち、色成分やラインセンサーの本数によって本発明が限定されるわけではなく、検査対象の回折型ＯＶＤの特性や必要となる処理速度に応じて最適な値を選択すればよい。

判別処理手段２０４においては、まず画像取り込み部３０６でカラー・ラインイメージセンサ３０５ａ〜３０５ｃからくる信号からＲＧＢ成分で分解された３つの回折型ＯＶＤ画像データを生成する。

次に色差量計算部３０２において、回折型ＯＶＤの画像データから色差量Ｄが計算される。その計算方法を数式を用いて説明する。まず画像データの各画素における画素濃度値をＩ(ｍ,ｎ)とする。ここでｍは画像データ上におけるラインイメージセンサーの主走査方向の座標を表し、ｎは副走査方向の座標を表す。そしてカラー・ラインイメージセンサ３０５ａ〜３０５ｃによって取得されるＲＧＢ各成分の画像データの画素濃度値をＩ_R（ｍ,ｎ）、Ｉ_G（ｍ,ｎ）、Ｉ_B（ｍ,ｎ）とする。

ここで画像データの各画素ごとの色差指標値Ｑ（ｍ,ｎ）を次式によって求める。

ここでＣは画素濃度値の最大値と最小値の中間の値である。例えばラインイメージセンサーにより画素濃度値０〜２５５の２５６階調の画像データを取得した場合、Ｃは１２８となる。次に色差指標値Ｑ（ｍ,ｎ）の各カラー・ラインイメージセンサーごとの平均値Ｐを次式によって求める。

この平均値Ｐから各カラーセンサーの色差指標地Ｑ（ｍ,ｎ）がどれだけ離れているか求め、それを積算したものをその値を色差量信号Ｄとする。この色差量信号Ｄは次式で表される。

ここで求めた色差量信号Ｄは色差指標値Ｑ（ｍ,ｎ）のばらつき度合いを示す標準偏差と解釈することもできる。この色差量信号Ｄが色差量計算部３０２にから表面状態判定部３０３に送られ、判定処理が行われる。なお、ここで示した計算例では、ＲとＢの成分を用いて計算する手段について述べたが、ＲとＧ、ＧとＢ、あるいはそれらを組み合わせた計算方法を用いてもよい。

表面状態判定部３０３では第１の実施の形態と同様に図３に示したフローチャートに従う判定が行われ、正常信号または異常信号が出力される。これらの信号は最終的に判定結果出力部から、例えば、本実施の形態の表面検査装置２００と組み合わされる表示装置（図示せず）に送られ、可視表示等によって判定結果を表示することが可能となる。あるいは図４について上述したように、表面検査装置２００を含む検査処理装置１２０の搬送区分装置１２１に送られ、表面が損傷や劣化のある回折型ＯＶＤが貼付された紙葉類が振り分けるなどの処理が可能となる。また検査処理装置１２０では、表面検査装置２００の判定結果出力部３０４から出力された正常又は異常を示す信号に基づいて、正常な紙葉類及び異常な紙葉類の数を計数する計数装置１２２によって、それぞれの数を計数することもできる。

このように、第２の実施の形態に係る表面検査装置２００においては、回折型ＯＶＤ１０２に欠陥、磨耗、擦傷等があると、カラー・ラインイメージセンサーに入射される光は拡散反射光が多くを占めるようになり、表面状態判定部３０３（図２）において、色差量信号Ｄが閾値を超えたか否かに基づき、回折型ＯＶＤ１０２に欠陥があるか否かを判断することができる（図３）。

このように、第２の実施の形態に係る表面検査装置２００では、数個の数式（式（４）〜式（６））と閾値との比較という組合せで成り立たせることが可能であり、単純で高速な判別処理が可能である。すなわち、判別処理手段２０４では回折型ＯＶＤ表面の部位によって光検知手段まで到達する光の波長が異なっているという特徴をとらえ、正常な回折型ＯＶＤと損傷・劣化した回折型ＯＶＤを判別する処理をおこなうことができる。つまり本実施の形態により提供される回折型ＯＶＤの表面検査装置２００は、回折型ＯＶＤ１０２に含まれる回折格子の特徴を的確に捉えることが可能で、かつ高速な検査が可能な表面検査装置であると言える。かくして表面検査装置２００は、高速な搬送装置と組み合わせても、その搬送過程で生じる紙葉類１０１のバタツキやスキューといった変動に対して安定した検査を行うことができる。

（他の実施の形態）
なお、本発明の第１の実施の形態では、光検知手段としてカラーセンサーを用いる例について説明を行ったが、光検知手段としてカラー・エリアイメージセンサを用いてもかまわない。この場合、第２の実施の形態と同じ判定処理手段を用いればよい。カラー・エリアイメージセンサを用いることで、より細かい空間分解能で分光強度信号を得ることができる。そのためより精度の高い表面検査が可能となる。

また、本発明の第１の実施の形態では直線光源、第２の実施の形態では略円弧状光源を用いる例について説明を行った。しかし本発明では実施の形態に関わらず直線光源と略円弧状光源のどちらを用いてもかまわない。直線光源は構成が単純であり調整が容易であるという特徴を持ち、略円弧状光源は効率的に光を照射することができるため、省エネルギー化が図れるという特徴を持つ。これらの特徴を鑑みて、本発明の表面検査装置を組み込むシステムの性能や制約によって適宜選択すればよい。

また、本発明の実施の形態の説明においては、照明手段２０１として直線や円弧といった光源を用いる例について説明を行った。しかし本発明はそれらの形状によって限定されるものではなく、図１５に示すように微小光源５０１が直線アレイ状に配列した光源や、図１６に示すように微小光源５０１が略円弧状に配列した光源を用いてもかまわない。あるいは図１７に示すように直線光源５０２が折れ線状に連なった光源を用いてもかまわない。あるいは図１８に示すように、直線光源５０２が互いに性対する２つのミラー５０３によって挟み込み、見かけ上長尺の照明手段となるようにした光源を用いてもかまわない。あるいは図１９に示すようにミラー５０３が直線光源５０２に対して斜めになるように配置され、見かけ上折れ線状に連なった照明手段になる光源を用いてもかまわない。あるいは図１８及び図１９の直線光源５０２を、１つの微小光源５０１または複数の微小光源からなる微小光源アレイに置き換えてもかまわない。さらにはこれらの直線光源と微小光源を組み合わせてもよく、例えば図２０に示すように微小光源５０１と直線光源５０２を組み合わせた光源を用いてもよい。本発明の表面検査装置では、検査対象の回折型ＯＶＤの仕様や検査装置に優先的に求められる特性に応じて、これらの光源を適宜選択すれよい。最適な光源を適宜選択することにより効率が良くかつより安定した回折型ＯＶＤの分光強度信号や画像データが取得できるようになり、精度の高い検査が可能となる。

また、本発明の実施の形態の説明においては、判別処理手段の中で式（１）または式（４）で表される色差指標値Ｑの標準偏差値を求めることにより色差量信号Ｄを求める例について説明した。しかし本発明はその色差量信号Ｄの定義に限定されるものではなく、例えば色差指標値Ｑの変わりにＨＳＶ（Hue Saturation Value）表色系で用いられる彩度Ｓを用いてもよい。彩度Ｓは例えば以下のように定義される。

ここで、Ｉ_R、Ｉ_G、Ｉ_Bは第１の実施の形態のようにカラーセンサーを用いた場合には、各カラーセンサーより出力される信号を表し、第２の実施の形態のようにカラーイメージセンサを用いて撮像した場合には、画像データの各画素濃度値のＲＧＢ各成分を表すとする。また、式（７）において、max{Ｉ_R,Ｉ_G,Ｉ_B}は、Ｉ_R、Ｉ_G、Ｉ_Bのうち最大の値をとるものを選択することを意味し、min{Ｉ_R,Ｉ_G,Ｉ_B}は、Ｉ_R、Ｉ_G、Ｉ_Bのうち最小の値をとるものを選択することを意味する。式（７）は、このmax{Ｉ_R、Ｉ_G、Ｉ_B}が０のときと、０でないときとで彩度Ｓが異なることを表している。

この彩度Ｓを用いる場合も、彩度Ｓのカラーセンサーについて集計した標準偏差値あるいは画像データの画素について集計した標準偏差値を計算することで色差量信号Ｄを求めればよい。このように彩度から色差信号Ｄを計算する処理判別装置を用いることで、よりホログラム表面から射出しカラーセンサーに入射する回折光に対して広い表色域で判別するこが可能になる。そのためホログラムを構成する回折格子のピッチの変化やパターンの変化に対しても安定した検査ができるようになり、汎用性の高い表面検査装置とすることができる。

さらに、本発明の実施の形態の説明においては、最終的な出力が異常信号と正常信号という２値出力である例について説明した。しかし本発明はその出力の形態によって限定されるものではなく、色差量計算部によって計算される色差量を最終的に出力にする装置でもかまわない。これにより本発明の表面検査装置を、例えば回折型ＯＶＤの劣化や損傷の度合いを定量的に測定する装置や、その測定を多数の回折型ＯＶＤに対して行いデータを収集する装置としても使用することができる。

本発明に係る表面検査装置の第１の実施の形態を示す斜視図である。図１の表面検査装置の光検知手段と判別処理手段を示すブロック図である。図１の表面検査装置の判別処理手段に含まれる表面状態判定部の動作を示すフローチャートである。本発明に係る表面検査装置を含む検査処理装置を示すブロック図である。回折型ＯＶＤに入射する光線と正反射する光線および回折光光線の角度関係を示す図である。回折光光線が限定された方向に射出することを表す図である。回折光光線が限定された方向に射出することを表す図である。本発明に係る表面検査装置が回折型ＯＶＤの変動に対して安定した検査が可能であるという効果を示す略線的斜視図である。入射光線の角度変化に対する回折光の広がりと色分散を表す図である。正常な回折型ＯＶＤの回折光光線の方向と波長の関係の例を示す略線図である。破損や劣化のある回折型ＯＶＤの回折光光線の方向と波長の関係の例を示す略線図である。複数の波長を含むように検知されることで回折型ＯＶＤの特徴を捉えるという効果を示す略線的側面図である。本発明に係る表面検査装置の第２の実施の形態を示す斜視図である。図１３の表面検査装置の光検知手段と判別処理手段を示すブロック図である。他の実施の形態に係る照明手段を示す略線図である。他の実施の形態に係る照明手段を示す略線図である。他の実施の形態に係る照明手段を示す略線図である。他の実施の形態に係る照明手段を示す略線図である。他の実施の形態に係る照明手段を示す略線図である。他の実施の形態に係る照明手段を示す略線図である。

符号の説明

１００、２００表面検査装置
１０１紙葉類
１０２回折型ＯＶＤ
１０３搬送ベルト
１２０検査処理装置
２０１照明手段
２０２集光手段
２０３光検知手段
２０４判別処理手段
３０１ａ、３０１ｂ、３０１ｃカラーセンサー
３０２色差量計算部
３０３表面状態判定部
３０４判定結果出力部
３０５カラー・ラインイメージセンサー
５０１微小光源
５０２直線光源
５０３ミラー

Claims

複数の波長成分を含む光を回折型光学的変化素子に照射する光源と、
前記回折型光学的変化素子で回折された第１の波長の回折光および第２の波長の回折光を検知する光検知手段と、
前記光検知手段の検出結果に基づいて、前記第１の波長の回折光および前記第２の波長の回折光の色の違いに関する評価値を計算する計算手段と
を備えることを特徴とする表面検査装置。
前記光源は、前記回折型光学的変化素子に対して前記回折型光学的変化素子の鉛直方向を上とした場合の斜め上方に相当する方向から前記光を照射することを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
前記光源は、前記回折型光学的変化素子の照射面の幅方向に延在する直線状の光源であることを特徴とする請求項２に記載の表面検査装置。
前記光源は、前記回折型光学的変化素子の照射面の周囲に沿って延在する半円弧状の光源であることを特徴とする請求項２に記載の表面検査装置。
前記光検知手段は、前記第１及び第２の波長成分ごとの分光強度を検知するカラーセンサーであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の表面検査装置。
前記光検知手段は、前記第１及び第２の波長成分ごとの画像データを取得する撮像手段であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の表面検査装置。
前記計算手段は、前記評価値を前記第１及び第２の波長成分の各分光強度に基づいて計算し、
また、前記評価値と所定の閾値とを比較し、該比較結果に基づいて前記回折型光学的変化素子の表面の状態を判別する判別手段を備えることを特徴とする請求項５に記載の表面検査装置。
前記計算手段は、前記評価値を前記第１及び第２の波長成分ごとの分光強度から求められる彩度に基づいて計算し、
また、前記評価値と所定の閾値とを比較し、該比較結果に基づいて前記回折型光学的変化素子の表面の状態を判別する判別手段を備えることを特徴とする請求項５に記載の表面検査装置。
前記計算手段は、前記評価値を前記前記第１及び第２の波長成分ごとの画像データの画素濃度に基づいて計算し、
また、前記評価値と所定の閾値とを比較し、該比較結果に基づいて前記被検物の表面の状態を判別する判別手段を備えることを特徴とする請求項５に記載の表面検査装置。