JP2014006133A - 表面欠陥検査装置および表面欠陥検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、明暗パターンを用いた表面欠陥検査装置において、表面欠陥検査の前に被検物体の設置高さと傾きを参照物体と同一とする。
【解決手段】 発明の表面欠陥検査装置は、平面上の所定方向に第１の周期で明暗が変化するパターンに対して第１の周期より大きな第２の周期の正弦波で変調した明暗パターンを、載置台に載置された被検物体の表面に照射する照明部と、被検物体の表面に照射された明暗パターンを取得する画像取得部と、被検物体の画像から明暗パターンの平均周期と、正弦波の初期位相の値とを第１の評価値として算出する評価値算出部と、参照物体に明暗パターンを照射して得られた画像を基に予め算出された明暗パターンの平均周期と正弦波の初期位相の値とからなる第２の評価値と、第１の評価値との差に基づいて、載置台に載置された参照物体に対する被検物体の姿勢の相違を検出する姿勢検出部と、を有するよう構成する。
【選択図】 図１２

Description

本発明は、携帯電話などの筐体の滑らかな塗装面上の欠陥を確度高く検出する技術に関し、より詳細には明暗パターンを用いた表面欠陥検査装置において、表面欠陥検査の前に被検物体の設置高さと傾きとを基準となる参照物体と同一となるようにするものである。

近年、携帯電話など小型機器のデザインは流麗化し、筐体表面も光沢のあるメタリック塗装など高級感溢れるものが多くなってきている。これらの塗装面は、主に顔料等を含んだベース層と、そのベース層の上に艶を出すためのクリア層を設け、２層に塗装することが行なわれている。塗装面の欠陥は、クリア層が透明であるために欠陥の凹凸を通常の照明で検出することが難しいため、代わりに明部と暗部が交互に並ぶ白黒のストライプ状の明暗パターンを用いる方法が知られている。

この方法は、検査対象の塗装表面に明暗パターンを照射し、表面に明暗パターンを映しこんで欠陥を顕著化し、撮像により得られた画像を予め用意されている欠陥が無い画像と比較するものである。より詳細には、明暗パターンが照射された被検物体の表面に映し出されたパターンをＣＣＤ（Charge Coupled Device Image Sensor）カメラ等で撮像し、得られた画像の各画素の輝度を予め基準となる参照物体から同様の方法で得た画像の各画素と比較して輝度が異なる部分がある場合に欠陥と判定するものである（被検物体と参照物体の両画像を比較するので、この方法をここでは参照比較法と言う）。

参照比較法において、撮像により画像データを採取するときに参照物体と被検物体とを表面欠陥検査装置に取り付けた高さ位置、傾き、配置方向は同一であることが求められる。一般に、明暗パターンを用いて検査を行なう表面欠陥検査装置は、少なくとも明暗パターンを投影する照明装置と、物体表面に映し込んだ明暗パターンを撮像するカメラと、参照物体または被検物体を載置する載置台とを有し、これらの配置関係は固定されている。このため、参照物体または被検物体を載置台に載置したとき、両者の姿勢（ここでは、載置台に設置された高さ、傾きを言う）は同一となるように考慮されている。しかしながら、例えば載置台や参照物体、あるいは被検物体に異物が付着したような場合に、被検物体と参照物体のデータを採取したときの姿勢が異なる場合が起こることがあり、検査結果に誤りを生ずる場合がある、という問題があった。

物体の姿勢の差異を検出する方法として、対象物体に明暗パターンを照射し、明暗パターンのぼけの度合いから高さ寸法を推定する方法が知られている。また、対象物体に縞パターンを照射し、その反射光の縞パターンを解析して対象物体の高さを計測する方法が知られている。

特開２００２-１４８１９５号公報 特開平８-１３８０５６号公報

被検物体の姿勢を参照物体と同一とするために、明暗パターンのぼけの度合いから対象物体の高さを推定する方法が知られているが、この方法は対象物体の局所的な高さを検出することはできるが、対象物体全体に対して姿勢を計測するには適していない。また、縞パターンを解析する方法は、光沢のない粗い表面の場合には問題とならないが、本発明が対象とする光沢がある表面の場合は光源がカメラに映り込む場合があり、そのような場合には縞パターンの解析ができない、という問題がある。

本発明は上記の問題に鑑みて考案されたもので、明暗パターンを用いる表面欠陥検査方法において、同じ明暗パターンを利用して被検物体の姿勢を検出し、姿勢の修正を行なうことを可能とするものである。検出結果に基づいて、被検物体の姿勢を参照物体の姿勢と同一とすることができるので、表面欠陥の検査において欠陥判定の確度が高い表面欠陥検査装置および表面欠陥検査方法を提供することができる。

発明の一観点によれば、平面上の所定方向に第１の周期で明暗が変化するパターンに対して第１の周期より大きな第２の周期の正弦波で変調した明暗パターンを、載置台に載置された被検物体の表面に照射する照明部と、被検物体の表面に照射された明暗パターンを撮像し、撮像された画像を取得する画像取得部と、被検物体の画像から明暗パターンの平均周期または正弦波の周期のいずれかと、正弦波の初期位相の値とを第１の評価値として算出する評価値算出部と、表面欠陥の判定基準となる参照物体に明暗パターンを照射して得られた画像を基に予め算出された明暗パターンの平均周期と正弦波の初期位相の値とからなる第２の評価値と、第１の評価値との差に基づいて、載置台に載置された参照物体に対する被検物体の姿勢の相違を検出する姿勢検出部と、を有する表面欠陥検査装置を提供できる。

発明の他の一観点によれば、平面上の所定方向に第１の周期で明暗が変化するパターンに対して第１の周期より大きな第２の周期の正弦波で変調した明暗パターンを、載置台に載置された被検物体の表面に照射する照明手順と、被検物体の表面に照射された明暗パターンを撮像し、得られた画像から明暗パターンの平均周期または正弦波の周期と、正弦波の初期位相の値とを第１の評価値として算出する評価値算出手順と、表面欠陥の判定基準となる参照物体に明暗パターンを照射して得られた画像を基に予め算出された明暗パターンの平均周期または正弦波の周期と、正弦波の初期位相の値とからなる第２の評価値と、第１の評価値との差に基づいて、載置台に載置された参照物体に対する被検物体の姿勢の相違を検出する姿勢検出手順と、を有する表面欠陥検査方法を提供できる。

本発明によれば、参照比較法において、表面欠陥検査装置に用いる明暗パターンにより参照物体と被検物体との載置台における姿勢（設置高さ、傾き）を合わせることができるので、表面欠陥の検査において欠陥判定の確度が高い表面欠陥検査装置および表面欠陥検査方法を提供できる。

参照比較法と誤検出の例を示す図である。 参照物体から基準データを採取する例を示す図である。 被検物体から検査データを採取する例（設置位置が高い例）を示す図である。 被検物体から検査データを採取する例（設置位置が低い例）を示す図である。 参照物体から基準データを採取する例を示す図である。 被検物体から検査データを採取する例（傾いた例−その１）を示す図である。 被検物体から検査データを採取する例（傾いた例−その２）を示す図である。 設置位置の高さと傾きを検出する明暗パターン例を示す図である。 表面欠陥検査装置の構成例を示す図である。 表面欠陥検査装置の機能ブロック例を示す図である。 表面欠陥検査装置の処理フロー例を示す図である。 参照物体から取得した画像と位相変化例を示す図である。 高い設置位置に置かれた被検物体から取得した画像と位相変化例を示す図である。 低い設置位置に置かれた被検物体から取得した画像と位相変化例を示す図である。 傾いて置かれた被検物体から取得した画像と位相変化例を示す図である。 アンラッピングした位相の傾きの比較を示す図である。 変調に用いた正弦波の位相変化の比較を示す図である。 明暗パターン例（その１）を示す図である。 明暗パターン例（その２）を示す図である。

本発明の実施形態を説明する前に、本発明の原理を図１から図８を用いて説明する。明暗パターンを用いた表面欠陥検査装置における参照比較法は、初めに参照物体に明暗パターンを照射して表面に映った明暗パターンをカメラで撮像し、得られた画像（基準データ）を基準画像として記憶しておく。次に、被検物体に対しても同様に表面に映った明暗パターンを撮像して得られた画像（検査データ）を基準画像と比較し、差異があれば欠陥として検出するものである。

図１は参照比較法において誤検出される例を説明する図である。図１（ａ）は、参照比較法による検査を行なう表面欠陥検査装置の構成例を示している。表面欠陥検査装置１０はベース５０上に参照物体や被検物体である対象物体６０を設置する載置台４０、スクリーンに投影された明暗パターン２１を対象物体６０の表面に映り込むようにする明暗照明装置２０、対象物体６０の表面に映った明暗パターン２１を撮像するカメラ３０から構成される。

参照比較法における参照物体と被検物体とから画像データを採取するとき、図１（ａ）に示す対象物体６０とカメラ３０の距離Ｄは一致していることが前提である（このことは、載置台４０に置かれた対象物体６０の設置高さが一致していることでもあるので、ここでは参照物体と被検物体の「設置の高さ（あるいは、設置位置高さ）」が一致している、と表現する）。また、距離Ｄの一致に加えて、対象物体６０の傾きも一致していることが前提である。

図１（ｂ）は、載置台４０に設置された参照物体と被検物体の両者の設置高さと傾き（以降において、設置高さと傾きを含めて「姿勢」と言う場合もある）が一致しており、採取された両画像のデータを比較して差異が無かったので“ＯＫ”(合格)と判定された場合の例である。即ち、被検物体に表面欠陥が無かったと判定された例である。これに対し、図１（ｃ）は図１（ｂ）と同一の被検物体で、設置高さ、または傾き（あるいは、設置高さと傾き）が参照物体が設置された状態と異なる場合で、この場合に“ＮＧ”と判定された場合の例である。表面欠陥が無い同一の被検物体であるにも係わらずＮＧと判定されたのは、設置高さ、または傾きが参照物体と異なることによる。例えば、物体のエッジ等の部分が、設置高さ、または傾きが参照物体と異なることにより画像比較において差異が発生したことによるものである。

本発明は、このような誤判定を無くすため、表面欠陥検査を行なう前に載置台に設置された参照物体に対する被検物体の姿勢の差異を検出し、修正を行なうものである。次に、本発明の姿勢の差異を検出する原理を説明する。

図２は、参照物体から基準となる画像を基準データとして採取する例を説明する図である。図２（ａ）は、図１（ａ）に示した明暗照明装置２０のスクリーンに投影された明暗パターン２１が参照物体６１の表面に映し込まれ、カメラ３０でその明暗パターン２１を撮像する状態を示している。明暗パターン２１は輝度が平面の一方向に正弦波状の変化する明暗パターンで、明暗照明装置２０はこの明暗パターンを正弦波状に変化する方向に位相がπ／２ずつずれた４枚の明暗パターン２１を逐次スクリーンに投影する。カメラ３０は、参照物体６１の表面に映し込まれたこれらの明暗パターン２１を撮像するが、より正確には明暗パターン２１の虚像である虚像明暗パターン２２を撮像していることになる。このときの参照物体６１とカメラ３０との距離はＤ０である。

図２（ｂ）はカメラ３０で取得した画像例を示し、図２（ｃ）は図２（ｂ）の点線で示される位置の輝度変化を示した図である。即ち、参照物体６１の表面のある一点の明るさの変化は、位相が０から３π／２までπ／２毎に次のように変化する。

Ｉ１＝Ａ＋Ｂｃｏｓφ ・・・・・・・（１）式
Ｉ２＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋π／２）・・・・（２）式
Ｉ３＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋π）・・・・・・（３）式
Ｉ４＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（φ＋３π／２）・・・（４）式
以上の式を使うと、ある一点の位相φは（５）式により求められる。求められた位相φは図２の場合たとえば−π〜πの間で連続に変化し、−πあるいはπの位置でπあるいは−πに折り返すが、図２（ｄ）は０〜２πＮ（Ｎは整数）間で位相変化が連続するようにアンラッピング（位相接続）処理した結果を示している。図２（ｃ）に示されるように輝度は一定の周期ａ０で変化しており、位相φが一定の速度で変化していることから位相変化は直線で示される。この直線で示される位相の傾斜角θは（６）式で求められる。（６）式は周期ａ０を含んでいるため、傾斜角θを求めることは周期の違いを求めることになる。（周期が小さい程、直線の傾斜は急になる）。

φ＝ａｔａｎ（（Ｉ２−Ｉ４）／（Ｉ１−Ｉ３））・・・（５）式
θ＝ａｔａｎ（ｋ１／ａ０）（ｋ１は定数）・・・・・・・・（６）式
被検物体に対しても、図２と同様の方法でデータの採取が行なわれる。載置台に設置された被検物体が参照物体と同じ設置高さにある場合は、被検物体から得られる取得画像とその位相変化は図２（ｂ）〜（ｄ）と同一となる。

次に、載置台上の被検物体が参照物体の場合より高い位置に設置された場合について説明する。図３（ａ）に示されるように、被検物体６２は参照物体６１が設置された位置より高い位置にある。即ち、被検物体６２とカメラ３０の距離Ｄ１はＤ１＜Ｄ０である。このときの取得画像は、カメラ３０に対して明暗パターンの虚像（虚像明暗パターン２２）が図２よりも近い位置に像を結ぶため、明暗パターン２１は大きく映り、図３（ｂ）に示されるようになる。このため明暗の周期ａ１は図２のａ０よりも大きくなり（即ち、ａ１＞ａ０）、位相演算の結果得られる位相の傾斜が緩やかになることを意味する。図３（ｃ）と（ｄ）はその状態を示した図で、実線は被検物体６２に対するものであり、点線は比較のために示した図２（ａ）の参照物体６１の位相変化である。

図４は、載置台上の被検物体６２が参照物体６１の場合より低い設置位置に置かれた場合の例を、図２と同様に描いている。即ち、被検物体６２とカメラ３０の距離Ｄ２はＤ２＞Ｄ０である。この場合、カメラ３０に対して虚像明暗パターン２２が図２よりも遠い位置に像を結ぶため、明暗パターンは小さく映り、そのため明暗の周期は、図２のａ０よりも小さくなる（即ち、ａ２＜ａ０）。この結果、位相演算の結果得られる位相の傾斜は急になる（図４（ｃ）、（ｄ）参照）。

以上図２〜図４により、被検物体と参照物体のデータ採取時の設置高さが同一の場合、得られる位相の周期あるいは位相の傾斜を調べることにより、データ採取時の被検物体の設置高さと参照物体の設置高さとのずれを検出することができる。被検物体の周期が参照物体より小さければ、あるいは被検物体の位相の傾斜が参照物体より急になれば、被検物体は参照物体より低い設置位置に置かれたことが分かる。反対に、被検物体の周期が参照物体より大きければ、あるいは被検物体の位相の傾斜が参照物体より緩やかであれば、被検物体は参照物体より高い設置位置に置かれたことが分かる。

以上では、被検物体の参照物体に対する設置高さの相違を検出する方法について説明した。次に、被検物体の参照物体に対する傾きの相違を検出する方法について説明する。即ち、検査データ採取時の被検物体の傾きが、基準データ採取時の参照物体と較べて相違があるかどうかを検出する方法である（設置高さは参照物体と同一とする）。
図５は、参照物体から基準データを採取する例を説明する図で、図２と同様の方法で描いている。傾きを検出するために、図２（ａ）の明暗パターン２１を図５（ａ）明暗パターン２３に変えて使用する。この明暗パターン２３は、図２（ａ）の明暗パターン２１の中に任意のパターン（ここでは、明暗の周期が少し大きな明暗パターン）を埋め込んだものである。

カメラ３０で取得した画像は図５（ｂ）に示され、この画像の点線で示される位置の輝度変化は図５（ｃ）に示される。輝度変化は埋め込まれた明暗パターンの境界で不連続となり、図５（ｄ）に示されるアンラッピングした位相変化でも明暗パターンの境界で不連続となる。載置台に設置された被検物体が参照物体と同じ傾きである場合は、被検物体から得られる取得画像、輝度変化および位相変化はこの図５（ｂ）〜（ｄ）と同一となる。

次に、図６を用いて被検物体の参照物体に対する傾きの相違の検出方法を説明する。図６は、傾きのある被検物体６２に対して、図５と同様の方法でデータの採取が行なわれる状態と、取得した画像から得られる輝度変化と位相変化を示す。図６（ａ）に示すように被検物体６２は傾きが無い状態から矢印Ａで表される方向に傾いており、その傾きに伴って明暗パターン２３の虚像である虚像明暗パターン２４も矢印Ｂで表される方向に傾くことになる。このことを、図７を用いてより詳細に説明する。明暗パターン２３は、明暗パターン２３−１に埋め込みを行なう埋込パターン２３−２が埋め込まれているものとする。被検物体６２が点線から実線で示されるように傾くと明暗パターン２３の虚像明暗パターン２４も点線から実線に示されるように変化する。虚像明暗パターン２４も虚像の明暗パターン２４−１に埋込パターン２４−２が埋め込まれており、埋込パターン２４−２の位置はＰからＰ’に変化する。

図６に戻って、傾きによる輝度と位相の変化は図６（ｃ）と（ｄ）の実線に示され、点線で表した図５（ｃ）と（ｄ）の参照物体６２の位相変化と差異があることが分かる。図６（ｄ）において実線（被検物体）と点線（参照物体）との位相の傾斜は同一であるが、位相がずれている。これが被検物体６２の傾きの度合いを表しており、このずれ量は図６（ｄ）に示すように埋込パターンのエッジ位置を基準に差分“ｄ”として求めることができる。

図５では任意のパターンを埋め込んだ明暗パターンを用いることで、載置台に設置された被検物体の参照物体に対する傾きの相違を検出できることを説明した。任意のパターンを物理的に埋め込む替わりに、明暗パターンをその明暗パターンの周期よりも大きな周期の正弦波で変調するようにしてもよい。図８（ａ）は、一方向に一定周期で変化する明暗パターンに、その明暗パターンの周期より大きな周期の正弦波で変調をかけて作成した明暗パターンである。即ち、正弦波で変調をかけた明暗パターンは物理的にパターンを埋め込んだ明暗パターンと同様に載置台に置かれた被検物体と参照物体との傾きの相違を検出できる。更に、この変調をかけた明暗パターンを用いることで載置位置の高さの相違も検出できる。

図８（ｂ）は、図８（ａ）の点線で示される位置における輝度変化を示したものである。図８（ｂ）で見ると変調がかけられたことによる明暗の“粗”の部分と“密”の部分とが明確に分かる。設置高さの相違の検出は、図２〜図４で説明したと同様に、明暗パターンの平均周期、即ちアンラッピング処理して得られる位相の平均傾斜から検出できる。また、変調をかけた正弦波の周期からも検出できる。傾きの相違は、図５〜図７で説明したと同様に、変調をかけた正弦波の位相のずれ量から検出できる（具体的には、図８（ａ）の明暗パターンからローパスフィルターを通して正弦波の変化を取り出し、位相演算を行なって参照物体と被検物体との正弦波の位相のずれ量から傾きを検出するが、具体的には後述の実施例で示す）。即ち、図８（ａ）に示す明暗パターンを用いることで設置高さの相違と傾きの相違の両方を検出できる。図５〜図７で示した任意のパターンを埋め込んだ明暗パターンを表面欠陥検査に用いた場合には、埋め込んだパターンの領域が欠陥検出に影響を及ぼすが、図８（ａ）の明暗パターンではその影響を受けることはない。次に、図８（ａ）の明暗パターンを用いた実施形態を説明する。

まず、本発明の表面欠陥検査装置の構成例を、図９を用いて説明する。図９において、表面欠陥検査装置１００の主な構成要素は、明暗照明装置２００、カメラ３００、試料ステージ４００、および制御装置５００である。

明暗照明装置２００はスクリーンを備え、そのスクリーンに図８（ａ）で説明した明暗パターンを投影する。明暗パターンは図９に示すＸ方向とＹ方向（Ｘ方向とＹ方向は直交する）のそれぞれに、０〜３π／２までπ／２毎に位相が変化する４枚の明暗パターン（ＸとＹ方向を合わせて８枚の明暗パターンとなる）を照明コントローラ２１０の指令に基づいて切り替え、スクリーンに投影する。なお、明暗パターンの明暗が変化する方向はＸ方向、またはＹ方向とそれぞれにおいて同方向である。明暗照明装置２００は試料ステージ４００の上方に配置され、試料ステージ４００上に設置された対象物体６０の表面にスクリーンに投影された明暗パターンを映し込む。

カメラ３００は、試料ステージ４００に設置された対象物体６０の表面に映し込まれた明暗パターンを撮像コントローラ３１０の指令に基づいて撮像し、撮像した画像を撮像コントローラ３１０を介して制御装置５００に送信する。

試料ステージ４００は、データ取得の対象物体６０が設置される載置台である。ステージコントローラ４１０の指令に基づいて高さと傾きを変化させることができる。

制御装置５００は、表面欠陥検査装置１００の全体を制御し、例えばパーソナルコンピュータで構成される。制御装置５００は記憶部を内蔵し（不図示）、本発明の姿勢検出・制御を含んだ表面欠陥検査プログラムを格納している。また、その記憶部の一部は取得した画像を記憶する。また、制御装置５００はディスプレイ装置６００と接続し、オペレータに対し検査結果等を表示する。

次に表面欠陥検査装置１００の機能を図１０を用いて説明する。図１０は表面欠陥検査装置１００の機能ブロックを示し、画像取得部５１０、評価値算出部５２０、姿勢判定部５３０、姿勢制御部５４０、表面欠陥検査部５５０および画像記憶部５６０からなる。これらの機能は、表面欠陥検査装置１００の制御装置５００が備えるプログラムとして記述され、プログラムの処理として実行される。次に各機能の概要を述べる。

画像取得部５１０は、照明コントローラ２１０に対して明暗照明装置２００がスクリーンに投影する明暗パターンを指定した制御指令を送信すると共に、撮像コントローラ３１０に対してカメラ３００に対象物体６０の表面に映し出された明暗パターンを撮像させる制御指令を行なう。撮像された画像は撮像コントローラ３１０を介して取込み、画像記憶部５６０に記憶する。画像取得部５１０はこの処理を、ＸとＹのそれぞれの方向に対してπ／２毎に０〜３π／２まで位相変化する明暗パターンを逐次スクリーンに投影させて画像を取得する。

評価値算出部５２０は、画像記憶部５６０に記憶された画像を基に位相演算を行い、明暗パターンの平均周期と明暗パターンを変調した正弦波の初期位相とを評価値として求める（詳細は後述する）。

姿勢判定部５３０は、参照物体の画像から算出された評価値と被検物体の画像から算出された評価値とを比較し、それらが一致していれば被検物体の試料ステージに設置された姿勢（設置高さ、傾き）は参照物体が試料ステージに設置されて基準データを採取したときの姿勢と同一と判定し、そうでなければ姿勢が異なると判定する。

姿勢制御部５４０は、姿勢判定部５３０で被検物体の試料ステージに置かれた姿勢が参照物体と異なると判定された場合に、ステージコントローラ４１０を介して試料ステージの高さ、あるいは傾き、若しくは両方を参照物体の姿勢と合わせるように制御する。

表面欠陥検査部５５０は、画像取得部５１０で取得した被検物体の画像を基準となる参照物体の画像とを画素毎に比較し、差異があればその画素は欠陥であるとして表面欠陥を検出する。なお、この表面欠陥検査部５５０は従来技術である。

次に、表面欠陥検査装置１００の処理フローを図１１を用いて説明する。この処理フローは上記に示した画像取得部５１０〜表面欠陥検査部５５０の処理の流れを示すものである。なお、この処理フローでは、設置高さの検出を明暗パターンの平均周期を用いて行なうこととするが、正弦波の周期を用いても検出できるので、これについても触れている。

まず、処理フローのステップＳ１（以降、単にＳ１と言う）において、比較の基準となるデータ（基準データ）を採取するために、参照物体（検査する製品の中で、目視により表面欠陥のないと判断されたもの）を試料ステージ４００上に設置する。

Ｓ２において、明暗照明装置２００にＸ方向に明暗が変化する明暗パターンをスクリーンに投影し、カメラ３００で参照物体の表面に映った明暗パターンを撮像する。撮像した画像は画像記憶装置５６０に格納する。続いて、Ｘ方向にπ／２に位相変化させた明暗パターンをスクリーンに投影し、撮像する。これをπ／２毎に３π／２まで位相変化させて撮像し、合計４枚の明暗パターンの画像を得る。次にＹ方向に変化する明暗パターンに対しても同様に撮像し、Ｘ方向と合わせて合計８枚の明暗パターンの画像を得る。

Ｓ３において、画像記憶装置に格納されたＸ方向とＹ方向のそれぞれ４枚の画像をもとに画像の各点の位相演算を行い、輝度変化に対する位相変化を求める。さらに求めた位相変化をアンラッピング（位相接続）することで、平均周期Ｔを得る。図１２はＳ３の処理を説明する図で、図１２（ａ）は取得した明暗パターンの画像例を示し、図１２（ｂ）は図１２（ａ）の点線で示される位置における輝度変化を示している。また、図１２（ｃ）の実線で示される位相の変化は、図１２（ｂ）で求めた輝度変化に対して位相演算を行なって位相変化を求め、アンラッピング処理したものである。この位相変化は、変調に用いた正弦波により直線とはならず僅か波打ってある傾斜を持っている。これを平均化したものが点線で示される直線で、図２（ｃ）で説明したように、この直線の傾斜（以降、位相傾斜という）は明暗パターンの平均周期Ｔに対応していることになる（平均周期Ｔは位相傾斜角度をθとしたとき、Ｔ＝ｋ２／ｔａｎθ（ｋ２は定数）で表される）。

次に、図１２（ｂ）の輝度変化をローパスフィルタに通す処理を行なって低周波成分である変調に用いた正弦波を取り出し位相変化を求める。求めた位相変化は図１２（ｄ）に示される。このときの初期位相であるＢｘ（Ｘ方向に明暗変化する明暗パターンの初期位相）、またはＢｙ（Ｙ方向に明暗変化する明暗パターンの初期位相）を前述の平均周期Ｔを表す位相傾斜θと共に基準データの評価値（ここでは、基準評価値と言う）として記憶する。これらの基準評価値は、以降の被検物体の姿勢判定における比較の基準となる。

なお、この正弦波の周期は図１２（ｄ）に示すようにｔ０である。この正弦波の周期を求めて、平均周期の代わりに基準評価値としてもよい。

次に、参照物体を試料ステージより外し、被検物体を試料ステージに設置する。被検物体に対しても、参照物体と同様に被検物体の表面の明暗パターンの画像を取得し、その画像から平均周期Ｔ’（位相傾斜θ’）と初期位相の値Ｂｘ’、Ｂｙ’を検査データの評価値（ここでは検査評価値と言う）として算出する。

このようにして求めた被検物体の検査データは図１３〜図１５に示される。図１３は、被検物体が高い設置位置に置かれた場合の例で、被検物体がカメラ３００に近づくため図１３（ａ）の取得した明暗パターンの画像は基準データの図１２（ａ）と較べて拡大されたものとなっている。また、図１３（ｃ）に示される平均周期を示すアンラッピングした位相傾斜は図１２（ｃ）に較べ僅か緩やかになっている。このことは、距離Ｍに対する位相の変化量Ｈ１が、Ｈ１＜Ｈ０であることから分かる。即ち、被検物体が高い設置位置に置かれた平均周期は大きくなっていることを示している。なお、被検物体が高い設置位置に置かれた正弦波の周期ｔ１は図１３（ｄ）に示され、参照物体で求めた周期より大きくなっている（即ち、ｔ１＞ｔ０）。

図１４は、被検物体が低い設置位置に置かれた場合の例で、被検物体がカメラ３００に遠のくため図１４（ａ）の取得した明暗パターンの画像は基準データと較べて縮小されたものとなっている。図１４（ｃ）で示される位相変化量Ｈ２は参照物体の位相変化量Ｈ０より大きくなり（Ｈ２＞Ｈ０）となっている。即ち、位相傾斜が大きくなり、このことは平均周期が小さくなっていることを示している。逆に、平均周期が小さくなっていることから、被検物体が低い設置位置に置かれていることを検出できる（Ｓ４−Ｓ６）。

ここまで、参照物体に対する基準評価値と被検物体に対する検査評価値を算出することを行なった。Ｓ７では、検査評価値と基準評価値の平均周期（ここでは位相傾斜）を比較して設置高さの差異を検出する。検査評価値の平均周期Ｔ’と基準評価値の平均周期Ｔとが等しければ（即ち、検査評価値の位相傾斜θ’と基準評価値の位相傾斜θが等しければ）試料ステージ上に置かれた被検物体の設置高さは参照物体の基準データを採取したときの設置高さと等しいと判定し、そうでなければ被検物体の設置高さは参照物体と異なると判定する。被検物体の設置高さが参照物体と異なると判定された場合は、Ｓ８に進んで試料ステージの高さを参照物体と合わせるように調整する。調整後、Ｓ５に戻る（Ｓ７、Ｓ８）。

被検物体の設置高さが参照物体の画像を取得したときの高さと等しくなったところで、検査評価値の初期位相Ｂｘ’及びＢｙ’と、参照物体の初期位相Ｂｘ及びＢｙとをそれぞれ比較し、傾きの検出を行なう。初期位相が等しければ（即ち、Ｂｘ’＝Ｂｘ、Ｂｙ’＝Ｂｙ）、傾きは無いと判定される。いずれかの初期位相に差異があれば、試料ステージの傾きを調整した後にＳ５に戻る。

被検物体が傾いて置かれた場合の画像と位相傾斜は図１５に示される。取得した明暗パターンの画像（図１５（ａ））は基準データと較べて大きさは変わらない。このことは、図１５（ｃ）と図１２（ｃ）の位相傾斜は等しいことから分かる。しかし、図１２（ａ）と較べて僅か明暗パターンが右方に移動している。またこのことも、図１５（ｂ）で示される粗密の位置が図１２（ｂ）に較べて右方に移動していることで分かる。図１５（Ｍ）に示されるＢｘ’（Ｂｙ’）が検査評価値の１つである初期位相である。被検物体の初期位相Ｂｘ’（またはＢｙ’）と参照物体の初期位相Ｂｘ（またはＢｙ）の差分（ΔＢｘ＝Ｂｘ’−Ｂｘ、またはΔＢｙ＝Ｂｙ’−Ｂｙ）が被検物体のＸ方向またはＹ方向の傾き量に対応している（Ｓ９、Ｓ１０）。

ここまで図１２〜図１５の図を個々に説明してきたが、位相傾斜、および正弦波の周期について参照物体と被検物体との違いをより見易く比較するためにそれらを図１２〜図１５から抜き出して図１６と図１７に示す。

図１６は、位相傾斜を比較した図で、図に示される距離Ｍに対する高さを較べることで、傾斜の違いが分かる。即ち、参照物体の距離Ｍに対する高さＨ０に対し、設置高さが高い位置の被検物体の高さＨ１は、Ｈ１＜Ｈ０となる。また、設置高さが低い場合の高さＨ２はＨ２＞Ｈ０となり、傾きがある場合の高さＨ３はＨ３＝Ｈ０となる。従って、この距離Ｍに対する高さを比較することで、試料ステージに置かれた被検物体の参照物体に対する設置高さの相違を検出できる。

図１７は、抽出した正弦波の波形を比較した図で、各正弦波の周期の違いが明確に分かる。即ち、参照物体の周期をｔ０としたとき、設置高さが高い位置の場合の周期ｔ１はｔ１＞ｔ０、低い場合の周期ｔ２はｔ２＜ｔ０、傾きがある場合の周期ｔ３はｔ３＝ｔ０である。このように、被検物体の参照物体に対する設置高さの検出は、抽出した正弦波の周期を比較することでも検出できる。

以上Ｓ１〜Ｓ１０までが、本発明に関わる処理である。これ以降の処理は従来技術であるので簡単に説明する。被検物体の試料ステージにおける姿勢（設置高さと傾き）が参照物体と同一となったところで、表面欠陥検査を行なうために被検物体の画像を参照物体の画像に合わせる（アライメント）ことを行なう。具体的には、被検物体の画像の特徴点を参照物体の画像の特徴点とマッチングするように平面上で回転と移動を行い、一致度を求めてその一致度が所定の範囲内であればアライメント完了とする（Ｓ１１）。

続いて、明暗パターンを用いた表面欠陥検査の処理を行なう。即ち、再度被検物体の明暗パターンの画像と参照物体の明暗パターンの画像とを画素単位で比較し、画像間に相違があればその画素が欠陥部分の画素と判定する。合格、不合格の判定結果をディスプレイ装置に出力し、オペレータに通知する。続いて未検査の被検物体があれば、Ｓ４に戻って未検査の被検物体を試料ステージに設置し、未検査の被検物体がなければ終了となる（Ｓ１２−Ｓ１４）。

以上、表面欠陥検査装置の処理フローを説明した。ここで用いた明暗パターンは図１８（ａ）に示すＸ方向に明暗が変化する明暗パターンと、図１８（ｂ）に示すＹ方向に明暗が変化する明暗パターンであった。両図とも変調される前の明暗パターンの輝度変化はＸまたはＹ方向に正弦波状に変化しているものであるが、白黒のストライプ状のパターンが交互に配置される明暗パターンであってもよい。また、図１９に示すように、図１８（ａ）の明暗パターンが４５°に傾いた明暗パターンでも良い。この明暗パターンを用いる場合は、明暗が変化する方向に０〜３π／２までπ／２毎に変化する４枚の明暗パターンを撮像することで、姿勢の検出ができる。即ち、実施例ではＸ方向とＹ方向の各４枚、合計８枚の明暗パターンの画像を必要としたが、４枚の画像で済むことになる。傾いた明暗パターンを用いることで、画像データの取得時間は半分の時間で済むことになり、表面欠陥検査の時間を短縮することができる。

また、実施例では、明暗パターンを切り替えてスクリーンに投影してデータ取得を行なう対象物体の表面に明暗パターンを映し込んだが、明暗パターンを固定して試料ステージを移動させるようにしてもよい。

また、実施例では、試料ステージの高さと傾きを調整するようにしたが、検出した設置高さ、あるいは傾きの量に応じて被検物体から取得した画像を画像処理により補正して参照物体から取得した画像に合わせる（または、参照物体から取得した画像を被検物体から取得した画像に合わせる）ようにしてもよい。この場合、図９におけるステージコントローラ４１０は不要であり、その代わりに図１０に示す姿勢制御部５４０が例えば画像の補正を行なう画像補正部と置き換わることになる。

また、実施例では設置高さを検出するために明暗パターンの平均周期を用いて検出したが、変調をかけた正弦波の周期を用いて設置高さを検出するようにしてもよい。

以上、本発明の表面欠陥検査装置と表面欠陥検査方法の実施例を説明したが、これらは上記した内容に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々なる態様で実施し得るものである。

１０ 表面欠陥検査装置
２０ 明暗照明装置
２１ 明暗パターン
２２ 虚像明暗パターン
２３ 明暗パターン
２３−１ 明暗パターン
２３−２ 埋込パターン
２４ 虚像明暗パターン
２４−１ （虚像の）明暗パターン
２４−２ （虚像の）埋込パターン
３０ カメラ
４０ 載置台
５０ ベース
６０ （データ取得の）対象物体
６１ 参照物体
６２ 被検物体
１００ 表面欠陥検査装置
２００ 明暗照明装置
２１０ 照明コントローラ
３００ カメラ
３１０ 撮像コントローラ
４００ 試料ステージ
４１０ ステージコントローラ
５００ 制御装置
５１０ 画像取得部
５２０ 評価値算出部
５３０ 姿勢判定部
５４０ 姿勢制御部
５５０ 表面欠陥検査部
５６０ 画像記憶部
６００ ディスプレイ装置

Claims (11)

1. 平面上の所定方向に第１の周期で明暗が変化するパターンに対して該第１の周期より大きな第２の周期の正弦波で変調した明暗パターンを、載置台に載置された被検物体の表面に照射する照明部と、
   前記被検物体の表面に照射された前記明暗パターンを撮像し、撮像された画像を取得する画像取得部と、
   前記被検物体の画像から前記明暗パターンの平均周期または前記正弦波の周期のいずれかと、該正弦波の初期位相の値とを第１の評価値として算出する評価値算出部と、
   表面欠陥の判定基準となる参照物体に前記明暗パターンを照射して得られた画像を基に予め算出された該明暗パターンの平均周期と前記正弦波の初期位相の値とからなる第２の評価値と、前記第１の評価値との差に基づいて、前記載置台に載置された該参照物体に対する前記被検物体の姿勢の相違を検出する姿勢検出部と
   を有することを特徴とする表面欠陥検査装置。
2. 前記照明部は、前記明暗パターンを前記所定の方向に複数回移動させて前記載置台に載置された前記被検物体の表面に照射する
   ことを特徴とする請求項１に記載の表面欠陥検査装置。
3. 前記姿勢検出部は、前記第１の評価値の平均周期と前記第２の評価値の平均周期との差、または該第１の評価値の周期と該第２の評価値の周期との差により、前記載置台に載置された前記参照物体に対する前記被検物体の上下の高さの相違を検出する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の表面欠陥検査装置。
4. 前記姿勢検出部は、前記第１の評価値の初期位相の値と前記第２の評価値の初期位相の値との差により、前記載置台に載置された前記参照物体に対する前記被検物体の傾きの相違を検出する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の表面欠陥検査装置。
5. 前記表面欠陥検査装置は、さらに
   前記第１の評価値と前記第２の評価値との差に基づいて、前記載置台に載置された前記被検物体の姿勢を、前記参照物体が該載置台上で前記明暗パターンを照射されて前記画像が得られたときの姿勢に合わせるよう該載置台を制御する姿勢制御部と
   を有す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項に記載の表面欠陥検査装置。
6. 前記表面欠陥検査装置は、さらに
   前記第１の評価値と前記第２の評価値との差に基づいて、前記被検物体の前記画像を、前記参照物体の前記画像に合わせるよう補正する画像補正制御部と
   を有す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項に記載の表面欠陥検査装置。
7. 前記表面欠陥検査装置は、さらに
   前記明暗パターンを用いて前記被検物体の表面欠陥を検査する表面欠陥検査部と
   を有することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の表面欠陥検査装置。
8. 平面上の所定方向に第１の周期で明暗が変化するパターンに対して該第１の周期より大きな第２の周期の正弦波で変調した明暗パターンを、載置台に載置された被検物体の表面に照射する照明手順と、
   前記被検物体の表面に照射された前記明暗パターンを撮像し、得られた画像から該明暗パターンの平均周期または前記正弦波の周期と、該正弦波の初期位相の値とを第１の評価値として算出する評価値算出手順と、
   表面欠陥の判定基準となる参照物体に前記明暗パターンを照射して得られた画像を基に予め算出された該明暗パターンの平均周期または前記正弦波の周期と、該正弦波の初期位相の値とからなる第２の評価値と、前記第１の評価値との差に基づいて、前記載置台に載置された該参照物体に対する前記被検物体の姿勢の相違を検出する姿勢検出手順と
   を有することを特徴とする表面欠陥検査方法。
9. 前記表面欠陥検査方法は、さらに
   前記第１の評価値と前記第２の評価値との差に基づいて、前記載置台に載置された前記被検物体の姿勢を、前記参照物体が該載置台上で前記明暗パターンを照射されて前記画像が得られたときの姿勢に合わせるよう該載置台を制御する姿勢制御手順と
   を有することを特徴とする請求項８に記載の表面欠陥検査方法。
10. 前記表面欠陥検査方法は、さらに
    前記第１の評価値と前記第２の評価値との差に基づいて、前記被検物体の前記画像を、前記参照物体の前記画像に合わせるよう補正する画像補正手順と
    を有することを特徴とする請求項８に記載の表面欠陥検査方法。
11. 前記表面欠陥検査方法は、さらに
    前記明暗パターンを用いて前記被検物体の表面欠陥を検査する表面欠陥検査手順と
    を有することを特徴とする請求項８乃至請求項１０のいずれか１項に記載の表面欠陥検査方法。