JP2015137927A - 撮像装置及び検査システム - Google Patents

Abstract

【課題】透明部材の欠陥を画像により確認できると共に、その欠陥が表面にあるか裏面にあるかを容易に識別できる。
【解決手段】撮像装置４０は、反射板２０上のアクリル基板３０の表面及び裏面でそれぞれ反射され、同一の光軸上を通過した反射光を、主にＳ波と主にＰ波に分離する偏光ビームスプリッタ４２と、Ｓ波が撮像面上で略フォーカスするように設置された撮像素子４３ｓと、Ｐ波が撮像面上で略フォーカスするように設置された撮像素子４３ｐと、を備えている。
【選択図】図２

Description

本発明は、撮像装置及び検査システムに関する。

従来、ガラス基板の欠陥を検出すると同時に欠陥の表裏判別を行う簡便な欠陥の表裏識別方法が開示されている（特許文献１参照）。

特許文献１の技術は、ガラス板の表面に検査光を照射し、検出カメラが続けて２回の散乱光を検出した場合、表面にある欠陥で散乱光が発生し、この散乱光がガラス板の内部を伝搬して裏面で反射したとみなして、ガラス板の表面に欠陥があると判断する。一方、検出カメラが１回のみの散乱光を検出した場合、ガラス板の表面では散乱せずに内部に入射した検査光が裏面の欠陥で散乱したとみなして、裏面に欠陥があると判断する。

特開２００６−７１２８４号公報

特許文献１では、ガラス板の表面での欠陥が大きい場合は問題ないが、小さい場合には、表面の欠陥での散乱光がガラス板の内部を伝搬する間に減衰し、裏面での反射光が非常に弱くなる。このため、表面の欠陥であるにも係わらず、２度目の散乱光が検出されずに、裏面の欠陥であると誤判断される場合がある。

また、特許文献１は、ガラス板の欠陥の有無を検出することができるが、その欠陥の形状、大きさ等を画像で確認することができない。さらに、表面の欠陥の近傍に裏面の欠陥がある場合は、表面及び裏面の欠陥がそれぞれどこにあるのか正確に確認できない問題がある。

本発明は、このような実情を鑑みて提案されたものであり、透明部材の欠陥を画像により確認できると共に、その欠陥が表面にあるか裏面にあるかを容易に識別することが可能になる撮像装置及び検査システムを提供することを目的とする。

本発明に係る撮像装置は、透明部材の表面及び裏面でそれぞれ反射され、同一の光軸上を通過した反射光を、主にＳ波を含む第１の反射光と、主にＰ波を含む第２の反射光と、に分離する光分離手段と、前記光分離手段により分離された第１の反射光が撮像面上で略フォーカスするように設置された第１の撮像素子と、前記光分離手段により分離された前記第２の反射光が撮像面上で略フォーカスするように設置された第２の撮像素子と、を備えている。

また、本発明に係る検査システムは、透明部材に光を照射する光照射手段と、前記透明部材を撮像する上記撮像装置と、を有している。

本発明によれば、透明部材の欠陥を画像により確認できると共に、その欠陥が表面にあるか裏面にあるかを容易に識別することが可能になる。

本発明の実施形態に係る検査システムの概略的な構成を示す図である。 撮像装置の構成を示すブロック図である。 アクリル基板の反射光が偏光ビームスプリッタによってＳ波とＰ波に分離される状態を示す図である。 アクリル基板の反射光に含まれるＳ波とＰ波のそれぞれの焦点位置を示す図である。 Ｓ波に基づく画像を示す図である。 Ｐ波に基づく画像を示す図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る検査システム１の概略的な構成を示す図である。検査システム１は、透明板状のアクリル基板３０の傷が表面、裏面のいずれにあるのかを検査するものである。

検査システム１は、アクリル基板３０に向かって光を照射する照明装置１０と、アクリル基板３０を裏面側から支持すると共に照明装置１０からの光を反射する反射板２０と、反射板２０上に配置されたアクリル基板３０を撮像する撮像装置４０と、撮像装置４０から出力された画像を表示する液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）５０と、を備えている。検査対象物は、アクリル基板３０であるが、その他ガラス基板などの透明な板状部材であればよい。

図２は、撮像装置４０の構成を示すブロック図である。
撮像装置４０は、所定の倍率を有する撮像レンズ４１と、撮像レンズ４１を介して光が入射される偏光ビームスプリッタ４２と、偏光ビームスプリッタ４２で分離されたそれぞれの光に応じて画像信号を生成する撮像素子４３ｓ，４３ｐと、を備えている。

偏光ビームスプリッタ４２は、例えば、正方形の底面を有する四角柱（キューブ）状に形成されている。具体的には、偏光ビームスプリッタ４２は、２つの同一形状の直角プリズム４２ａおよび直角プリズム４２ｂが互いに斜面（貼り合わせ面）にて互いに貼り合わされたものである。

直角プリズム４２ａ，４２ｂは、同一の三角柱形状を有し、直角三角形の上面及び下面と複数の四角形の側面を備える。複数の四角形の側面のうち、最大面積の側面（上面及び下面の直角を形成しない斜面）が貼り合わせ面になる。

直角プリズム４２ａ又は直角プリズム４２ｂの貼合わせ面には、コーティングされた誘電体偏光膜である偏光フィルタ４２ｃが設けられている。このため、偏光フィルタ４２ｃの法線方向は、偏光ビームスプリッタ４２の入射角０度の光軸方向に対して４５度の角度になっている。偏光フィルタ４２ｃは、主にＰ波（Ｐ偏光）を透過して、残りの光（主にＳ波（ｓ偏光））を反射する特性を有するフィルタである。

図３は、アクリル基板３０の反射光が偏光ビームスプリッタ４２によってＳ波とＰ波に分離される状態を示す図である。同図に示すように、偏光ビームスプリッタ４２への入射光は、偏光フィルタ４２ｃによって主にＳ波とＰ波に分離される。主にＳ波は、偏光フィルタ４２ｃによって入射光の光軸に対して交差する方向（直角方向）へ反射して、撮像素子４３ｓに照射される。主にＰ波は、偏光フィルタ４２ｃを透過して、撮像素子４３ｐに照射される。

なお、偏光ビームスプリッタ４２は、上述の構成に限定されるものではなく、入射光を主にＳ波とＰ波に分離して、Ｓ波を撮像素子４３ｓに、Ｐ波を撮像素子４３ｐに照射できるものであればよい。

撮像素子４３ｓ，撮像素子４３ｐは、撮像面に照射される光に応じた画像信号をそれぞれ生成する。なお、撮像素子４３ｓ，４３ｐは、本実施形態ではＣＣＤラインセンサであるが、例えば、ＣＭＯＳセンサでもよいし、エリアイメージセンサでもよい。また、撮像素子４３ｓは、その撮像面がＳ波の焦点位置になるように設置されている。撮像素子４３ｐは、その撮像面がＰ波の焦点位置になるように設置されている。

図４は、アクリル基板３０の反射光に含まれるＳ波とＰ波のそれぞれの焦点位置を示す図である。自然界の光は、横波であり、振動方向が９０度異なるＳ波（入射面に垂直）とＰ波（入射面に平行）とが混在する。但し、光沢のある物質（ガラス表面・裏面、水面など）の反射光は、Ｓ波、Ｐ波のどちらかに偏る性質がある。

アクリル基板３０に光が照射されると、図４に示すように、アクリル基板３０の表面では主にＳ波が反射し、アクリル基板３０の裏面では主にＰ波が反射する。このように、Ｓ波とＰ波は、それぞれ反射位置が異なる。このため、Ｐ波の反射位置から光学系（図４では撮像レンズ４１）までの光路長は、Ｓ波の反射位置から光学系までの光路長に比べて、同一の光軸を通過する場合であっても、距離Ｅだけ長くなる。その結果、光学系を通過したＳ波及びＰ波の焦点位置までの距離も異なってしまう。図４では、光学系からＰ波の焦点位置までの距離は、光学系からＳ波の焦点位置までの距離よりも、ΔＥだけ長くなる。

ここで、次のように各パラメータを定義する。
ｄ：アクリル基板３０の厚み
ｎ：アクリル基板３０の屈折率
Ｘ：光学系（撮像レンズ４１）の倍率
Ｅ：アクリル基板３０内のＰ波の光路長（空気内伝播に換算した値）
ΔＥ：空気中におけるＳ波とＰ波の光路長のずれ

アクリル基板３０への光の入射角は０度に近い値なので、ｄ＝Ｅとみなしてよい。そこで、アクリル基板３０の厚みを空気長に換算した値Ｅは次のようになる。
Ｅ＝ｄ＋ｄ（１−１／ｎ）

よって、ΔＥは次の通りになる。
ΔＥ＝Ｅ・Ｘ＝ｄ（２−１／ｎ）Ｘ ・・・（１）

例えば、ｄ＝２ｍｍ、ｎ＝１．５、Ｘ＝０．５の場合、ΔＥ＝１．３ｍｍになる。つまり、光学系から撮像素子４３ｐの撮像面までの距離は、光学系から撮像素子４３ｓの撮像面までの距離に比べて、１．３ｍｍ長くなるようにすればよい。
なお、Ｓ波とＰ波が撮像面でジャストフォーカスになるためには、ΔＥが上述した式（１）を満たす必要がある。但し、後述するように、Ｓ波画像及びＰ波画像に現れる傷が視認可能であれば、ΔＥは式（１）の近傍値でもよいし、Ｓ波とＰ波は撮像面で略ジャストフォーカスする程度でもよい。

また、図２に示すように、撮像装置４０は、撮像素子４３ｓ，４３ｐからの画像信号に相関二重サンプリング処理を行うＣＤＳ回路４４ｓ，４４ｐと、ＣＤＳ回路４４ｓ，４４ｐから出力された画像信号をディジタル信号に変換するアナログ／ディジタル（Ａ／Ｄ）コンバータ４５ｓ，４５ｐと、Ａ／Ｄコンバータ４５ｓ，４５ｐから出力された画像信号に所定の信号処理を施す信号処理回路４６と、を備えている。

ＣＤＳ回路４４ｓ，４４ｐは、撮像素子４３ｓ，４３ｐからそれぞれ出力された画像信号に相関二重サンプリング処理を施し、当該画像信号に含まれるノイズ成分を除去する。Ａ／Ｄコンバータ４５ｓ，４５ｐは、ＣＤＳ回路４４ｓ，４４ｐからそれぞれ出力された画像信号をディジタル信号に変換する。

信号処理回路２４は、Ａ/Ｄコンバータ４５ｓ，４５ｐからそれぞれ出力された画像信号に所定の処理（ガンマ補正、ゲイン制御、露光制御、ラインレート制御等）を施す。さらに、信号処理回路２４は、Ｓ波に基づく画像信号、Ｐ波に基づく画像信号をそれぞれ同時に出力することができるが、いずれか一方の画像信号を選択して出力することもできる。

以上のように構成された検査システム１において、照明装置１０がアクリル基板３０に光を照射すると、アクリル基板３０の反射光が偏光ビームスプリッタ４２に入射され、偏光ビームスプリッタ４２に入射された反射光が主にＳ波とＰ波に分離される。Ｓ波とＰ波は、それぞれ撮像素子４３ｓ，４３ｐの撮像面にジャストフォーカス（又は略ジャストフォーカス）の状態で照射される。

これにより、撮像素子４３ｓは、主にアクリル基板３０の表面で反射されたＳ波に基づく画像信号を生成して、ＣＤＳ回路４４ｓ、Ａ／Ｄコンバータ４５ｓ、信号処理回路４６を介して、図１に示すＬＣＤ５０へ供給する。一方、撮像素子４３ｐは、主にアクリル基板３０の裏面で反射されたＰ波に基づく画像信号を生成して、ＣＤＳ回路４４ｐ、Ａ／Ｄコンバータ４５ｐ、信号処理回路４６を介して、図１に示すＬＣＤ５０へ供給する。ＬＣＤ５０には、Ｓ波に基づく画像、Ｐ波に基づく画像が表示される。

図５は、Ｓ波に基づく画像（Ｓ波画像）を示す図である。Ｓ波画像は、アクリル基板３０の表面に焦点位置が合った画像である。このため、アクリル基板３０の表面の傷は色が濃いが、裏面の傷は色が薄い。また、表面の傷の近傍には、その傷の影であるミラー像が現れている。ミラー像は、裏面の傷と同じ面に現れるので、裏面の傷と同程度に色が薄い。なお、裏面の傷の近傍には、その傷のミラー画像は現れない。

図６は、Ｐ波に基づく画像（Ｐ波画像）を示す図である。Ｐ波画像は、アクリル基板３０の裏面に焦点位置が合った画像である。但し、アクリル基板３０の裏面の傷は色が濃いが、表面の傷は色が薄い。また、表面の傷の近傍には、その傷の影であるミラー像が現れている。ミラー像は、裏面の傷と同じ面に現れるので、裏面の傷と同程度に色が濃い。

以上のように、撮像装置４０は、反射板２０上のアクリル基板３０の表面及び裏面でそれぞれ反射され、同一の光軸上を通過した反射光を、主にＳ波と主にＰ波に分離する偏光ビームスプリッタ４２と、Ｓ波が撮像面上で略フォーカスするように設置された撮像素子４３ｓと、Ｐ波が撮像面上で略フォーカスするように設置された撮像素子４３ｐと、を備えている。これにより、撮像装置４０は、焦点位置の異なるＳ波及びＰ波に基づく画像をそれぞれ同時に生成することができる。

このとき、ユーザは、時間差のないＳ波画像及びＰ波画像を目視して両画像を比べることができ、アクリル基板３０の傷の大きさ・形状などの状態を確認するとともに、ミラー像を比較することで、アクリル基板３０の表面・裏面のいずれに傷があるかを把握することができる。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された事項の範囲内で設計変更されたものにも適用可能である。
例えば、上述の実施形態では、波長帯域が４００〜７００ｎｍの可視光を対象にしているが、波長帯域が７００〜１６００ｎｍの光（ＮＩＲ、ＳＷＩＲ）を対象にしてもよい。この場合、上記波長帯域の光に対応する撮像素子を用いればよい。

また、検査システム１の検査対象は、アクリル基板３０のような透明部材に限らず、透明部材と反射板が一体になったようなもの（例えば、金属板上に透明フィルムが貼り合わされたもの）であってもよい。この場合、ユーザは、透明フィルムの表面及び裏面の傷を把握できるだけでなく、金属板と透明フィルムの間にできた気泡の有無も確認することができる。

なお、図１において、反射板２０は任意の構成要素である。つまり、検査システム１は図１から反射板２０を除外した構成でもよい。このとき、上述した実施形態と同様に、アクリル基板３０の表面で反射されたＳ波が、撮像素子４３ｓの撮像面にジャストフォーカス（又は略ジャストフォーカス）の状態で照射され、アクリル基板３０の裏面で反射されたＰ波が、撮像素子４３ｐの撮像面にジャストフォーカス（又は略ジャストフォーカス）の状態で照射されればよい。これにより、反射板２０がなくても、図５及び図６と同様の画像がそれぞれ得られる。

１ 検査システム
１０ 照明装置
２０ 反射板
３０ アクリル基板
４０ 撮像装置
４１ 撮像レンズ
４２ ビームスプリッタ
４２ａ，４２ｂ 直角プリズム
４３ｓ，４３ｐ 撮像素子
４４ｓ，４４ｐ ＣＤＳ回路
４５ｓ，４５ｐ Ａ／Ｄコンバータ
４６ 信号処理回路
５０ ＬＣＤ

Claims (4)

1. 透明部材の表面及び裏面でそれぞれ反射され、同一の光軸上を通過した反射光を、主にＳ波を含む第１の反射光と、主にＰ波を含む第２の反射光と、に分離する光分離手段と、
   前記光分離手段により分離された第１の反射光が撮像面上で略フォーカスするように設置された第１の撮像素子と、
   前記光分離手段により分離された前記第２の反射光が撮像面上で略フォーカスするように設置された第２の撮像素子と、
   を備えた撮像装置。
2. 前記光分離手段から前記第２の撮像素子までの光路長が、前記光分離手段から前記第１の撮像素子までの光路長に比べて、前記透明部材の前記表面から前記裏面までの厚みを空気長に換算した値と、光学系の倍率と、に応じた距離だけ長いこと
   を特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
3. 透明部材に光を照射する光照射手段と、
   前記透明部材を撮像する請求項１又は請求項２に記載の撮像装置と、
   を有する検査システム。
4. 光反射面を有する光反射部材を更に有する
   請求項３に記載の検査システム。