JP2015010824A - 欠陥検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】照明光の強度ムラや被検物に付着した異物の像などのノイズが含まれる場合であっても、光学部材の表面上の微小凹凸欠陥などの位相物体の像のコントラストを向上させることにより欠陥の検出を容易にする欠陥検出方法を提供する。【解決手段】光源１から射出する光を被検査物４に対して照射し、被検査物４を透過した光に基づいて被検査物４の欠陥検査を行う欠陥検査方法であって、被検査物４の結像位置９が結像光学系５を介して光を受光する受光面８に対して被検査物４側に位置する場合の画像を少なくとも１以上取得する工程と、被検査物４の結像位置９が結像光学系５を介して光を受光する受光面８に対して被検査物４と反対側に位置する場合の画像を少なくとも１以上取得する工程と、上記２つの工程において取得した画像間の差分演算処理を行う工程と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、透明体における欠陥の検査方法に関する。

従来、板ガラスやレンズなどの光学部材の欠陥検査は、暗視野照明や明視野照明などで被検査物を照明し、被検査物からの透過光もしくは反射光を観察して行っている。検査対象となる欠陥の中でもキズなどの散乱効率が高い欠陥は、暗視野照明を用いて比較的簡単に検出することができる。また、異物などの透過率の低い欠陥も、明視野照明では影として写るため、容易に検出することができる。従って、上記のような欠陥は、透過光の振幅に変調を与えるため、振幅物体とみなすことが出来る。一方、透明体表面上に存在する微小な凹凸や透明体内部に存在する脈理などの欠陥は、透明であるため、欠陥を検出するために可視化させる必要があるため、困難である。また、このような欠陥は、透過光の振幅には影響を与えず、位相のみを変調させることから位相物体とみなすことが出来る。

このような位相物体とみなせる欠陥の可視化方法として、以前から、シュリーレン法や位相差コントラスト（位相差顕微鏡）などが知られている。これらの方法は、位相物体から発せられる回折波の０次回折光と１次回折光とが空間的に分離された面において、それぞれナイフエッジや位相板を用いて、０次回折光の振幅もしくは位相に変調を加えることによって受光面上で欠陥像を可視化させている。また、位相物体の他の可視化方法としては、結像位置からデフォーカスさせた像を取得する方法が知られている。この方法は、例えば、被検査物が収差を持ったレンズの場合など、焦点面で０次回折光と１次回折光とを空間的に分離することが困難な系に対しても有効である。

デフォーカス像で透明体表面上に存在する微小な凹凸の欠陥の有無を検査した例としては、特許文献１で開示された方法がある。特許文献１は、透明体の被検査面をテレセントリックレンズでデフォーカスし撮像することにより、微小凹凸欠陥部分の強度が明方向・暗方向に強調され、凹凸欠陥部分の面積が拡大する現象に着目し、透明体の表面上の微小凹凸欠陥を検査する方法を開示している。

特開２０１１−２７４４３号公報

しかしながら、光学部材表面上の微小凹凸欠陥などの位相物体を検査する際、従来のデフォーカスによって可視化された画像は、コントラストが非常に低い。このため、可視化した画像から、目視あるいは画像処理で欠陥検出を行う場合、背景に含まれるノイズを検査対象の欠陥と誤検知してしまう恐れがある。ここで、ノイズとは、照明光の強度ムラや被検物に付着した異物の像などである。

本発明は、照明光の強度ムラや被検物に付着した異物の像などのノイズが含まれる場合であっても、光学部材の表面上の微小凹凸欠陥などの位相物体の像のコントラストを向上させることにより欠陥の検出を容易にする欠陥検出方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、光源から射出する光を被検査物に対して照射し、被検査物を透過した光に基づいて被検査物の欠陥検査を行う欠陥検査方法であって、被検査物の結像位置が結像光学系を介して光を受光する受光面に対して被検査物側に位置する場合の画像を少なくとも１以上取得する工程と、被検査物の結像位置が結像光学系を介して光を受光する受光面に対して被検査物と反対側に位置する場合の画像を少なくとも１以上取得する工程と、結像位置が受光面に対して被検査物側に位置する場合に取得した画像と、結像位置が受光面に対して被検査物と反対側に位置する場合に取得した画像との差分演算処理を行う工程と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、照明光の強度ムラや被検物に付着した異物の像などのノイズが含まれる場合であっても、光学部材の表面上の微小凹凸欠陥などの位相物体の像のコントラストを向上させることにより欠陥の検出を容易にする欠陥検出方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態における欠陥検査方法を模式的に示す図である。 結像位置より前側で撮像される欠陥画像を示す模式図である。 結像位置より後側で撮像される欠陥画像を示す模式図である。 図２に示す画像から図３に示す画像を差分演算処理した画像を示す模式図である。 欠陥からの回折光を示す模式図である。 本発明の第２実施形態における欠陥検査方法を模式的に示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面などを参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における欠陥検査方法を模式的に示す図である。本実施形態における欠陥検査方法における構成は、図１に示すように、まず、光源１から照明光を射出し、該照明光は、散乱体２を透過した後、ピンホール３を透過して、被検査物４を照明（照射）する。このとき、散乱体２は、被検査物４の全面を照明するように、照明放射角を広げている。

被検査物４を照明した照明光は、被検査物４を透過する際に、略平行光となる。被検査物４を透過した略平行光は、結像光学系５によって取り込まれ、被検査物４の像は、受光器７の受光面８に結像される。ここで、結像光学系５は、物体側テレセントリック光学系である。また、結像光学系５と受光器７は一体に構成され、これらは駆動機構６により光軸方向に移動することが可能である。

図１に示す被検査物４は正レンズであり、被検査物４を透過した後の光束を略平行光とするためピンホール３は被検査物４の前側焦点位置に配置されている。光束を平行光に近づけているのは、検出光学系５におけるケラれ（画像の一部が欠けること）をなくすためである。図１では、被検査物４は正レンズを想定しているが、被検査物４は正レンズでなくともよい。例えば、被検査物４が板ガラスの場合は、ピンホール３と被検査物４の間にコリメータレンズを配置して、被検査物４の透過光束を平行光としてもよい。また、被検査物４として焦点距離が負のレンズを検査する場合は、ピンホール３と被検査物４の間に焦点距離が正のレンズを投影レンズとして配置し、被検査物４を透過した後の光束を略平行光としてもよい。

結像光学系５と受光器７は、駆動機構６により光軸に沿って移動することで、被検査物４と結像光学系５の間隔が変わり、デフォーカス量を自由に調整することができる。図１（ａ）は、被検査物結像位置９に受光面８が位置している状態、図１（ｂ）は、被検査物結像位置９が受光面８に対して前側（被検査物４側）に位置している状態を示す。また、図１（ｃ）は、被検査物結像位置９が受光面８に対して後側（被検査物４と反対側）に位置している状態を示す。被検査物４の表面上に微小凹凸欠陥がある場合、図１（ａ）に示す被検物体４の欠陥部分の結像位置が受光面８と重なる位置では、欠陥は可視化されない。一方、図１（ｂ）と図１（ｃ）に示す結像位置からデフォーカスさせた状態では、受光面８上に欠陥像が可視化される。このとき、図１（ｂ）と図１（ｃ）に示す状態おいては、デフォーカス方向が異なるため、欠陥像の強度の明暗が反転する。

検査の際は、駆動機構６により結像光学系５と受光器７を移動させて、図１（ｂ）に示すように被検査物結像位置９の前側に受光面８が位置する状態で１回撮像し、図１（ｃ）に示すように被検査物結像位置９の後側に受光面８が位置する状態で１回撮像する。本実施形態では、１回ずつ撮像しているが、これに限定することなく、複数回でそれぞれ撮像してもよい（画像を１以上取得すればよい）。結像光学系５は、物体側テレセントリック光学系であるため、結像光学系５を移動させてデフォーカス量を変えても、欠陥像のボケ具合は変化するが横ずれはしない。そして、このように撮像された２枚の画像に対して、各画像間で差分演算処理を行う。差分演算処理された画像は、表面の微小凹凸欠陥を検出するための画像として使用される。

被検査物４の結像位置の前側に受光面８が位置している状態で取得した画像を図２（ａ）に、その強度のラインプロファイルを図２（ｂ）に示す。同様に、被検査物４の結像位置の後側に受光面８が位置している状態で取得した画像を図３（ａ）に、その強度のラインプロファイルを図３（ｂ）に示す。図２および図３では表面の微小凹凸欠陥の像１０の他に、照明光の強度ムラ１１と異物の像１２が存在している。被検査物４表面上の微小凹凸欠陥の像１０は、被検査物結像位置９を境に光軸方向に前側と後側で、強度の暗明が反転している。一方、照明光の強度ムラ１１や異物の像１２は、被検査物結像位置９から光軸方向の前側と後側を比較すると強度はほとんど変化しない。従って、図２で示した画像から図３で示した画像を差分演算処理すると、図４（ａ）と図４（ｂ）に示すように被検査物４の表面の微小凹凸欠陥の像１０だけが強調され、照明光の強度ムラ１１や異物の像１２は抑制された画像を得る。このようにして得られた画像を欠陥検出に用いる。尚、本実施形態では、表面の微小凹凸欠陥の像１０を位相物体とし、異物の像１２を振幅物体として説明をする。

図１に示した検査方法は、被検査物４に対して、結像光学系５または受光器７の受光面８が結像光学系５の光軸に沿って相対的に移動すればよい。例えば、固定された被検査物４に対して、一体化した結像光学系５と受光器７を移動させているが、この代わりに被検査物４を移動させてデフォーカスさせてもよい。但し、被検査物４を透過した光束が平行光から外れ、特に、レンズの焦点距離が短い場合、結像光学系５の絞りでケラれる可能性がある。これを防ぐため、照明系を構成する光源１と拡散板２とピンホール３も被検査物４と一体化させて移動させてもよい。また、別のデフォーカス方法として、結像光学系５を固定したまま受光器７のみを移動させてもよい。但し、その場合、結像光学系５として像側テレセントリック光学系を用いる必要がある。

本実施形態における撮像条件については、受光面８が被検査物結像位置９の前側と後側であればよく、デフォーカス量は任意であってよい。但し、デフォーカス方向の欠陥像のコントラストの対称性から、受光面８と結像位置９の距離は、前側と後側とで等間隔になるように撮像するのが望ましい。

また、撮像する画像の枚数は、被検査物結像位置９の前側と後側で少なくとも１枚ずつ必要であるが、複数枚ずつ取得してもよい。例えば、結像位置９の前側と後側でそれぞれ複数枚の画像を取得して、それぞれの側で画像を平均化した後に、差分演算処理を行ってもよい。

被検査物結像位置９の前側と後側で撮像された画像は、各画像間で差分演算処理を行うため、欠陥像は画素単位で同じ位置に写される必要がある。一般的に、デフォーカスさせると、倍率変化および画像歪が生じることによって、画像上で物点の像の位置は横にずれる。そのため、結像光学系５テレセントリックレンズを用いることで、デフォーカス時の欠陥像の位置ずれを防いでいる。結像光学系５にテレセントリックレンズを使用しない代わりに、画像処理による補正を行ってもよい。ここで、画像処理とは、被検査物４毎のデフォーカスに伴う倍率変化および画像歪を、実験もしくは計算に依って予め記録しておき、差分演算処理の前段階で倍率変化および画像歪変化による欠陥像の横ずれ補正するような処理である。

さらに、一般的にオフセットとなる強度分布もデフォーカスに伴い変化する。前述の通り、位相欠陥の像はコントラストが非常に低いため、デフォーカスに伴う強度分布変化の影響が無視できない場合が多い。倍率や画像歪の場合と同様に、予め計算または実験によってデフォーカスに伴う強度分布の変化を求めておき、差分演算処理をする際に補正を行ってもよい。

次に、表面の微小凹凸欠陥の様な位相物体の欠陥像が、結像位置前後で強度分布の明暗が反転する原理について、振幅物体と比較しながら説明する。前述のように、透明体の表面の微小凹凸欠陥や脈理の様に、透過光の位相に変化を与える欠陥は位相物体とみなすことが出来る。一方、異物などの不透明な物体は、光の振幅に変化を与えるため振幅物体とみなすことが出来る。

例えば、欠陥が倍率＋１倍の理想的な結像状態で受光面に結像していると仮定すると、欠陥を透過した直後の波面と全く同じ波面が、結像位置において再現されていると考えることが出来る。光軸方向にｚ軸をとると、結像位置の後側、つまり＋ｚ方向へデフォーカスさせると、受光面上では欠陥を透過した直後の波面が＋方向へデフォーカス分だけ伝搬した波面として観測される。同様に結像位置の前側、つまり−ｚ方向へデフォーカスさせた場合は、欠陥を透過した直後の波面がデフォーカス分だけ逆方向に伝搬された波面として観測される。よって、±ｚ方向にデフォーカスさせたときの欠陥像は、欠陥（位相・振幅物体）によって位相もしくは振幅が変調された透過波面の順伝搬後の強度分布、もしくは逆伝搬後の強度分布として考えてよい。

図５は、欠陥像からの回折光の模式図を示す。原点に欠陥１６が存在するとし、説明を簡単にするため、欠陥をＹ方向に沿った１次元構造と仮定すると、回折方向は、ＸＺ面内に存在し、Ｙ方向には均一であるため、ＸＺ平面内のみを考えればよい。また、実際の回折光は連続的なスペクトル分布を持つが、ここでは、説明を簡単にするため、回折光は、離散的なスペクトルのモデルであると仮定する。つまり、図５に示すように、入射光１５は、欠陥１６によって回折され、０次回折光から±N次回折光までの回折光１７が発生する。これらのｚ＝０の回折光が重ね合わさったものがｚ＝０の波面である。デフォーカス分だけ伝搬した波面は、ｚ＝０の各回折光がデフォーカス方向にデフォーカス分だけ進んだ後、重ね合わさったものと考えればよい。ｉを０以上の整数とし、±ｉ次回折光の振幅をＥ_ｉ、波数ベクトルをｋ_ｉ、０次回折光との位相差をδ_ｉ、虚数単位をｊとすると、±ｉ次回折光の複素振幅Ｕは式（１）で表される。

そして、±ｉ次回折光の伝搬方向のＸ方向余弦をα_ｉ、０次回折光との位相差をδ_ｉとすると、±ｉ次回折光の波数ベクトルｋは式（２）で表される。

ここで、ｅ_１とｅ_３はｘ軸方向とｚ軸方向の単位ベクトルであり、振幅Ｅ_ｉと、Ｘ方向余弦α_ｉの絶対値は、対称性から回折次数の符号によらず同じとした。また、０次回折光は直進する為、Ｘ方向余弦は０である。

０次以外の回折光の０次回折光との位相差δ_ｉは、位相物体と振幅物体で異なる。振幅物体の場合は、１８０°または０°である。位相物体の場合は、位相物体を透過する際に生じる位相差が微量の場合には、ほぼ±９０°である。ガラス表面上の凹凸欠陥の場合は、深さもしくは高さが波長に比べて十分小さい場合、位相差は微量とみなすことが出来る。符号については、欠陥周辺の非欠陥部分（正常部分）に対して位相が遅れているか進んでいるかに依存するため、例えば、ガラス表面上に存在する欠陥の場合には、その凹凸に依存して符号が変わる。また、結像系倍率の符号によっても符号が変わる。ここでは、回折次数を考慮した位相差δ_ｉを、位相物体の場合は式（３）、振幅物体の場合は式（４）で表す。

次に、波面として、０次から±Ｎ次までの回折光を合成した複素振幅Ｕは、式（５）によって表される。

従って、回折光の干渉による強度分布は式（６）に示すように導くことが出来る。

式（６）の右辺第１項は０次回折光の強度、第２項は異符号で同じ次数同士の干渉による強度、第３項は０次と０次以外の回折光との干渉に依る強度、第４項は０次以外の回折光同士の干渉に依る強度を示す。この式において、位相物体と振幅物体の違いは、０次とi次回折光との位相差δ_ｉだけであるが、δ_ｉ−δ_ｊの値は式（７）に示されるように、位相物体と振幅物体で同じである。

ここで、ｉ、ｊは、０でない整数であり、ｎは、整数である。このため、以下に示す式（８）の右辺第４項は位相物体と振幅物体で同じとなる。結果として、式（６）の中で位相物体と振幅物体の違いが表れる項は、０次と０次以外の回折光との干渉に依る強度を示すのは右辺第３項だけである。

そして、位相物体の強度分布は、式（６）に式（３）と式（７）を代入することで得られ、式（８）に示す。

同様に、振幅物体の強度分布は、式（６）に式（４）と式（７）を代入することで得られる。これを式（９）に示す。

式（８）と式（９）から±方向にデフォーカスさせた際の結像位置前後における像の強度分布の変化について述べる。まず、式（８）に示す位相物体の強度分布では、０次光強度が他の回折光より圧倒的に大きいため、右辺第２項、第４項に比べて、０次光の振幅Ｅ_０を含む右辺第１項、第３項の方が大きくなる。この内、第１項はｚ方向に依存しない成分であるので、位相物体が可視化される現象は、第３項で説明することが出来る。尚、この第３項は、ｓｉｎ関数の和であるため奇関数となる。位相物体は、結像位置（ｚ＝０）で不可視であり、デフォーカス位置（ｚ≠０）によって可視化され、さらに結像面（ｚ＝０）を境に強度の明暗が反転する理由はこのためである。結像面（ｚ＝０）から±方向に等しいデフォーカス量の像の差分を取った強度分布は、式（１０）示すように式（８）の右辺第３項、つまり位相物体の可視化を示す成分だけが残る。

一方、振幅物体については式（９）が変数ｚの偶関数であることから、結像面(ｚ＝０)を境に対称的な強度分布であることが分かる。結像面（ｚ＝０）から±方向に等しいデフォーカス量の像の差分を取った強度分布は、式（１１）示すようにゼロになる。

実際の振幅比を考えると、０次以外の回折光の振幅Ｅ_ｉの中では、±１次の回折光の振幅が圧倒的に大きい。よって、０次と±１次の干渉による成分が多くを占める。また、実際の回折光の強度は、離散的ではなく連続的な分布を有する。しかし、ここでは振幅欠陥と位相欠陥とで回折光の位相差δが異なり、これによって結像位置近傍でのデフォーカスによる欠陥像の強度変化が異なることを上記のモデルで説明した。

また、式（８）に示す位相物体の強度変化は、位相物体を透過する際に生じる位相差が微量の場合にのみ成り立つ。本実施形態においても、このような位相差が微量の欠陥を対象としている。位相差がπ近づくにつれ、ｚ方向の強度変化は奇関数から偶関数に近づく。屈折率が１．５に近いガラス部材の表面凹（凸）の深さ（高さ）が波長と同程度では位相物体を透過する際に生じる位相差は、ほぼπとなり、±方向のデフォーカス像で明暗が反転しない。従って、差分演算処理によるコントラスト向上の効果は、小さい。しかしながら、位相差が大きい欠陥の場合は、単一デフォーカス像のコントラストが高くなるため、あえて差分演算処理を行い、コントラストを向上させる必要はない。

以上の結果から、結像位置から同じ距離だけ±方向にデフォーカスさせた強度分布の差分画像は、異物などの振幅物体の強度は理想的には式（１１）に示すようにゼロになる。また、照明光の強度ムラは、式（６）、（８）、（９）の右辺第１項がＸＹ平面で分布を有することに相当するが、ｚ方向には変化しないため、差分を取ることで除去されてしまう。一方、微小凹凸欠陥などの位相物体の場合は、理想的には、式（１０）のように変調整分がそのまま残ることになる。結果として、差分画像は、表面の微小凹凸欠陥の像だけが強調され、照明光の強度ムラや異物の像は抑制される。

（第２実施形態）
図６は、第２実施形態の欠陥検査方法を模式的に示す図である。第２実施形態の欠陥検査方法は、被検査物４を透過した後にビームスプリッタ（光路分岐手段）１４を配置し、光路を２方向に分岐させて、それぞれの方向に結像光学系５ａ、５ｂと受光器７ａ、７ｂを設けている。２方向の結像系の内、１方向（一方）は、被検査物結像位置９ａの前側に受光面８ａが位置するように、被検査物４と結像光学系５ａとの間隔が調整されている。もう片方（他方）は、被検査物結像位置９ｂの後側に受光面８ｂが位置するように被検査物４と結像光学系５ｂとの間隔が調整されている。結像光学系５ａ、５ｂは物体側テレセントリックであるため、デフォーカス方向が異なる２方向の結像系で撮像された画像において、欠陥像は横ずれしない。従って、２方向の受光器７ａ、７ｂで撮像された２枚の画像に対して、第１実施形態と同様の方法で各画像間の差分演算処理が可能であり、差分演算処理された画像は欠陥検出に用いられる。

第２実施形態では、前記の様な構成とすることで、第１実施形態と比べ結像光学系５と受光器７が２組必要であるものの、結像系を移動させる時間を省き２方向の像を同時に撮像することができ、検査時間を短縮することが出来る。

図６では結像系を透過した後に、結像光学系５の前に光路分岐手段であるビームスプリッタ１４が配置されているが、光路分岐手段は結像光学系５の後でもよい。

被検査物側と像側でどちらをデフォーカスするように配置させてもよいが、第１実施形態と同様の理由で、結像光学系５ａ、５ｂは、デフォーカス側でテレセントリックである必要がある。もし、テレセントリック光学系を用いないのであれば、倍率および画像歪を補正する画像処理を施す必要がある。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。

１ 光源
４ 被検査物
５ 結像光学系
８ 受光面
９ 被検査物結像位置

Claims (5)

1. 光源から射出する光を被検査物に対して照射し、前記被検査物を透過した前記光に基づいて前記被検査物の欠陥検査を行う欠陥検査方法であって、
   前記被検査物の結像位置が結像光学系を介して前記光を受光する受光面に対して前記被検査物側に位置する場合の画像を少なくとも１以上取得する工程と、
   前記被検査物の結像位置が前記結像光学系を介して前記光を受光する前記受光面に対して前記被検査物と反対側に位置する場合の画像を少なくとも１以上取得する工程と、
   前記結像位置が前記受光面に対して前記被検査物側に位置する場合に取得した画像と、前記結像位置が前記受光面に対して被検査物と反対側に位置する場合に取得した画像との差分演算処理を行う工程と、
   を有することを特徴とする欠陥検査方法。
   
2. 前記被検査物を透過した光を受光する前記結像光学系は、テレセントリック光学系であることを特徴とする請求項１記載の欠陥検出方法。
   
3. 前記結像位置が前記受光面に対して前記被検査物側に位置する場合、または前記結像位置が前記受光面に対して前記被検査物と反対側に位置する場合に取得した前記画像に対して、各画像の倍率および画像歪を補正するための画像処理を行うことを特徴とする請求項１記載の欠陥検出方法。
   
4. 前記被検査物に対して前記結像光学系または前記受光面を前記結像光学系の光軸に沿って相対的に移動させることによって、前記結像位置が前記受光面に対して前記被検査物側に位置する場合、または前記結像位置が前記受光面に対して前記被検査物と反対側に位置する場合の画像をそれぞれ１以上取得する
   ことを特徴とする請求項１に記載の欠陥検出方法。
   
5. 前記被検査物を透過した前記光の光路を分岐する光路分岐手段を用いて前記光路を分岐する工程、
   をさらに有し、
   前記光路分岐手段で分岐した一方の光路において、前記被検査物の前記結像位置が前記結像光学系を介して前記光を受光する前記受光面に対して被検査物側に位置する場合の画像を少なくとも１以上取得し、前記光路分岐手段で分岐した他方の光路において、前記被検査物の前記結像位置が前記結像光学系を介して前記光を受光する前記受光面に対して前記被検査物と反対側に位置する場合の画像を少なくとも１以上取得する
   ことを特徴とする請求項１に記載の欠陥検出方法。
   
   
   
   

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