JP2015135265A

JP2015135265A - 表面形状検査装置

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Publication number: JP2015135265A
Application number: JP2014006475A
Authority: JP
Inventors: 中村　俊介; Shunsuke Nakamura; 俊介中村
Original assignee: Nok Corp
Current assignee: Nok Corp
Priority date: 2014-01-17
Filing date: 2014-01-17
Publication date: 2015-07-27
Anticipated expiration: 2034-01-17
Also published as: JP6251049B2

Abstract

【課題】被検査体１０の表面形状と、面荒れなどによる欠陥の双方を検出可能として検査精度を向上させた表面形状検査装置を提供する。【解決手段】被検査体１０の表面に光切断線ＬＬを形成する照明光Ｌ０を照射する光源２と、光切断線ＬＬの両側に位置して配置され被検査体１０の表面からの反射光の一部を反射させる一対のミラー４，５と、光切断線ＬＬからの反射光のうちさらに各ミラー４，５で反射した反射光Ｌ１，Ｌ２、及び光切断線ＬＬからの反射光のうち一対のミラー４，５の間を通過した反射光Ｌ３を受光して光切断線ＬＬの画像データＰ１〜Ｐ３を出力する撮像手段６と、画像データＰ１〜Ｐ３に所定の画像処理を行う画像処理手段７を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、被検査体の表面形状を光学的に検査する装置であって、例えば製品の表面欠陥の検査や凹凸部の検査に有用なものに関する。

近年、例えば下記の特許文献１に開示されているように、被検査体の表面形状を光学的に検出する装置として、光源からのスリット状のレーザ光（スリット光）で被検査体を切断するように照射し、被検査体の表面に形成される線状の光マークの形状を側方から画像センサで検出する、いわゆる光切断法を利用したものが開発されている）。

しかしながら、特許文献１に開示された装置は画像センサで被検査体を一方向からしか撮影しないため、被検査体の形状によっては、表面欠陥の存在する部分が死角となって被検査体からの反射光が画像センサへ届かず、表面欠陥の検出ができないことがあるといった問題があった。しかも、スリット光の照射によって被検査体の表面に形成される光マーク（光切断線）の形状を計測するものであるため、面荒れのような微小凹凸による欠陥は検出できず、このような欠陥を検出可能とするためには、照明手段や撮像手段を追加する必要があった。

これに対し、下記の特許文献２に開示された装置は、スリット光を照射することによる被検査体表面の光切断線の散乱反射光を、光切断線の両側に左右対称に配置した一対のミラーによって左右２方向から反射させ、この反射光を合成して１つの撮像光学系で撮像することにより互いの死角を補完した画像を取得し、検出能力を向上させたものである。

しかしながら、特許文献２に開示された装置も、被検査体の表面に映し出されるレーザ光による光切断線の形状を計測するものであるため、撮像光学系には光切断線しか写らず、面荒れのような微小凹凸による欠陥は検出できないといった問題がある。

さらに、下記の特許文献３に開示された装置は、波長特性の異なる二つの光源を用いて撮像することにより、光切断線による被検査体の表面形状と、面荒れのような凹凸の高さの小さい欠陥を撮像することができるものである。

しかしながら、特許文献３に開示された装置は、一方向からしか撮像していないため、特許文献１と同様、被検査体の形状によっては、欠陥の存在部分が死角となって検出できないおそれがあった。

特開平１−０１０１１７号公報特開平９−０８９５３４号公報特開平９−１５２３２２号公報

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、被検査体の表面形状と、面荒れなどによる欠陥の双方を検出可能として検査精度を向上させた表面形状検査装置を提供することにある。

上述した技術的課題を有効に解決するための手段として、請求項１の発明に係る表面形状検査装置は、被検査体の表面に光切断線を形成する照明光を照射する光源と、前記光切断線の両側に位置して配置され前記光切断線からの反射光の一部を反射させる一対のミラーと、前記光切断線からの反射光のうちさらに前記各ミラーで反射した反射光、及び前記光切断線からの反射光のうち前記一対のミラーの間を通過した反射光を受光して前記光切断線の画像データを出力する撮像手段と、前記画像データに所定の画像処理を行う画像処理手段を備えるものである。

このように構成すれば、光源からの照射光によって、被検査体の表面には光切断線が形成され、この光切断線かりの散乱反射光は、一部が、前記光切断線の両側に位置して配置された一対のミラーで反射され、他の一部が前記一対のミラーの間を通過し、これらの反射光が撮像手段で受光され、それぞれ画像データとして変換される。このため、被検査体の表面で反射した２方向の反射光によって死角のない光切断線の画像データを得ることができ、前記一対のミラーの間を通過した反射光によって得られる光切断線の画像データの光強度の変化から、被検査体の表面の微小凹凸等を検出することができる。

請求項２の発明に係る表面形状検査装置は、請求項１に記載された構成において、光源からの照射光を被検査体の表面へ向けて反射させると共に、被検査体の表面及び一対のミラーからの反射光を透過するハーフミラーを備え、前記ハーフミラーから前記被検査体の表面への照射光の中心と、前記被検査体の表面から前記ハーフミラーを透過して撮像手段へ入射される反射光の中心が、互いに同軸にあるものである。

このように構成すれば、被検査体の表面の光切断線からの反射光の一部を、確実に一対のミラーの間を通過させて撮像手段へ入射させることができる。

請求項３の発明に係る表面形状検査装置は、請求項１又は２に記載された構成において、被検査体を光切断線と交差する方向へ移動させる移動手段を備えるものである。

請求項３の構成によれば、被検査体を光切断線と交差する方向へ移動させることによって変化する光切断線の２次元画像データから、被検査体の３次元の表面形状を合成することができる。

本発明に係る表面形状検査装置によれば、被検査体の表面形状と、表面の荒れなどの欠陥の双方が検出可能となるため、照明手段や撮像手段を追加することなく検出精度を向上させることができる。

本発明に係る表面形状検査装置の好ましい実施の形態における概略構成を示す説明図である。本発明に係る表面形状検査装置の好ましい実施の形態における部分的な概略構成を示す斜視図である。本発明に係る表面形状検査装置の好ましい実施の形態において、カメラによる画像データを示す説明図である。本発明に係る表面形状検査装置の好ましい実施の形態において、画像データから抽出された光切断線像を示す説明図である。

以下、本発明に係る表面形状検査装置の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

まず図１及び図２に概略構成を示すように、この表面形状検査装置は、被検査体１０を位置決め載置する移動テーブル１と、光源２と、この光源２からのスリット光Ｌ０を入射してこれを被検査体１０の表面へ向けて反射させるハーフミラー３と、移動テーブル１（被検査体１０）の上方に配置され、被検査体１０の表面からの散乱反射光の一部を反射させる一対のミラー４，５と、前記被検査体１０の表面からの散乱反射光のうちさらに前記各ミラー４，５で反射した反射光Ｌ１，Ｌ２、及び前記被検査体１０の表面からの散乱反射光のうち前記一対のミラー４，５の間を通過した反射光Ｌ３を受光して前記光切断線ＬＬの画像データを生成するカメラ６と、前記画像データに所定の画像処理を行う画像処理装置７とを備える。

詳しくは、光源２は、レーザ発生部からのレーザ光をレンズで水平方向へ広げ、あるいは水平方向へ繰り返し走査するといった公知の方法によって、細いスリット状のレーザ光（以下、スリット光という）Ｌ０を出射するものである。なお、スリット光Ｌ０は請求項１に記載された照明光に相当するものである。

ハーフミラー３は、移動テーブル１の上方に傾斜した状態で配置され、光源２からの水平なスリット光Ｌ０を、移動テーブル１に載置された被検査体１０の表面へ向けて下方へ反射させると共に、下方からの光（反射光Ｌ１〜Ｌ３）を透過するものである。

ミラー４，５は、移動テーブル１の上方にあって、スリット光Ｌ０の照射により被検査体１０の表面に形成される光切断線ＬＬの両側（移動テーブル１による移動方向両側）に位置して配置され、光切断線ＬＬからの散乱反射光の一部を鉛直上方へ反射させるものである。なお、図２では、片側のミラー５を省略して示している。

カメラ６は請求項１に記載の撮像手段に相当するものであって、ボディ６１と、光軸がミラー４，５の間を通じて移動テーブル１の上面を向くように鉛直に延びるレンズ６２と、ボディ６１内に設けられ、レンズ６２によって結像した光を光電変換するイメージセンサ６３を備え、すなわちハーフミラー３からの透過光（反射光Ｌ１〜Ｌ３）を入射してそれぞれの反射光Ｌ１〜Ｌ３による２次元の画像データを出力するものである。また、ハーフミラー３で反射して被検査体１０の表面へ照射されるスリット光Ｌ０の中心と、被検査体１０の表面からミラー４，５の間を通ってハーフミラー３を透過してカメラ６へ入射される反射光Ｌ３の中心は、レンズ６２の光軸と同軸上にある。

画像処理装置７は請求項１に記載の画像処理手段に相当するものであって、例えば汎用のパーソナルコンピュータからなり、モニタディスプレイ７１や、キーボードなどの入力装置７２、及び不図示の記憶装置などを備えている。そしてこの画像処理装置７は、カメラ６から画像データを取得して、後述するような所定の信号処理を行い、その信号処理により表面欠陥の有無を判定するものである。

移動テーブル１は請求項２に記載の移動手段に相当するものであって、図２に示すように、被検査体１０を、その表面にスリット光Ｌ０の照射によって形成される光切断線ＬＬと直交する方向（Ｘ方向）へ移動させるものである。

図示の実施の形態の表面形状検査装置は、以上のような構成を備えるものであって、その動作について説明すると、まず、移動テーブル１上に位置決め載置された被検査体１０は、この移動テーブル１によってＸ方向へ移動している。また、その位置は、不図示の位置検出手段によって検出されている。

ここで、光源２からのスリット光Ｌ０をハーフミラー３へ向けて水平に出射すると、このスリット光Ｌ０は、斜めに設置されたハーフミラー３によって、その真下の位置をＸ方向へ移動している被検査体１０の表面へ向けて反射される。このため、被検査体１０の表面にはスリット光Ｌ０の照射による光切断線ＬＬが映し出され、この光切断線ＬＬからの散乱反射光は、一部Ｌ１，Ｌ２がミラー４，５によって上方へ反射され、他の一部Ｌ３がミラー４，５の間を上方へ通過し、さらにこれらの反射光Ｌ１〜Ｌ３がハーフミラー３を透過してカメラ６に入射され、２次元の画像データとして変換される。

そして被検査体１０の表面に、例えば図２に示すような凸形状（又は凹形状）の表面欠陥１０ａが存在する場合、スリット光Ｌ０によって被検査体１０の表面に映し出される光切断線ＬＬは、これを真上から観察した場合は直線状であるが、斜め上方に位置するミラー４に写る鏡像Ｉは、表面欠陥１０ａの部分ではその起伏形状に倣って屈曲した形状となり、反対側のミラー５に写る鏡像（不図示）は、ミラー４による鏡像Ｉと対称の屈曲形状となる。

したがって図３に示すように、カメラ６からの画像データのうち、ミラー４，５からの反射光Ｌ１，Ｌ２による画像データＰ１，Ｐ２は、光切断線像ＬＬ１，ＬＬ２が被検査体１０の表面の凹凸形状に対応して屈曲した形状となり、かつ互いに対称であるのに対し、ミラー４，５の間を通過した反射光Ｌ３による画像データＰ３は、光切断線像ＬＬ３が直線状である。

そして、ミラー４，５からの反射光Ｌ１，Ｌ２による画像データＰ１，Ｐ２及びミラー４，５の間を通過した反射光Ｌ３による画像データＰ３からは、画像処理装置７において図４に示すような光切断線像ＬＬ１’〜ＬＬ３’が抽出される。

このうち、光切断線像ＬＬ１’又はＬＬ２’に現れる凹凸の高さｈが予め設定された閾値以上であれば、これを欠陥として判定することができる。また、移動テーブル１によるＸ方向への被検査体１０の移動に伴って、この被検査体１０の表面へのスリット光Ｌ０の照射位置、言い換えれば光切断線ＬＬが映し出される位置が相対的に変化して行くため、上述の処理が所定の周期で繰り返されることにより、光切断線像ＬＬ１’及びＬＬ２’と位置検出手段からの位置データを用いて、被検査体１０の表面の３次元形状に変換することができる。

一方、被検査体１０の表面の面荒れ等による微小凹凸（不図示）については光切断線像ＬＬ１’及びＬＬ２’には明瞭に現れないが、このような微小凹凸の有無は、被検査体１０の表面から垂直に反射した反射光Ｌ３による画像データＰ３の信号強度の相違すなわち明るさの濃淡として現れるので、画像処理装置７において、例えば画像データＰ３の信号強度が予め設定された閾値未満の信号を光切断線像ＬＬ３’として抽出するといった処理によって、面荒れ等による欠陥の有無を判定することができる。

しかも上記構成の表面形状検査装置によれば、被検査体１０の形状によって、例えばミラー４，５のうちの一方の鏡像では欠陥１０ａが死角となる場合、他方の鏡像によってこれを補完することができるため、死角のない光切断線ＬＬの画像データを得ることができ、検出精度を向上させることができる。

１移動テーブル（移動手段）
２光源
３ハーフミラー
４，５ミラー
６カメラ（撮像手段）
７画像処理装置（画像処理手段）
１０被検査体
Ｌ０スリット光（照明光）
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３反射光
ＬＬ光切断線
ＬＬ１〜ＬＬ３，ＬＬ１’〜ＬＬ３’ 光切断線像

Claims

被検査体の表面に光切断線を形成する照明光を照射する光源と、前記光切断線の両側に位置して配置され前記被検査体の表面からの反射光の一部を反射させる一対のミラーと、前記光切断線からの反射光のうちさらに前記各ミラーで反射した反射光、及び前記光切断線からの反射光のうち前記一対のミラーの間を通過した反射光を受光して前記光切断線の画像データを出力する撮像手段と、前記画像データに所定の画像処理を行う画像処理手段を備えることを特徴とする表面形状検査装置。
光源からの照射光を被検査体の表面へ向けて反射させると共に、被検査体の表面及び一対のミラーからの反射光を透過するハーフミラーを備え、前記ハーフミラーから前記被検査体の表面への照射光の中心と、前記被検査体の表面から前記ハーフミラーを透過して撮像手段へ入射される反射光の中心が、互いに同軸にあることを特徴とする請求項１に記載の表面形状検査装置。
被検査体を光切断線と交差する方向へ移動させる移動手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面形状検査装置。