JP2017062160A - 欠陥検査装置および欠陥検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】曲面形状を有するワークの欠陥検査に要する時間を短縮することが可能な欠陥検査装置を提供する。【解決手段】本発明の一実施形態に係る欠陥検査装置１は、レーザ光を出射するレーザ光源３０１と、レーザ光から物体光および参照光を生成し、検査対象面９ａに向けて物体光を照射するとともに、検査対象面９ａからの反射光と参照光とを干渉させる干渉光学系と、物体光を屈折させ、物体光を曲面の検査対象面９ａに対して異なる複数の方向から入射させる液晶レンズ４と、干渉により生じる干渉縞を撮像データとして取得する撮像装置３１３と、撮像データに基づいて検査対象面９ａの形状を算出する制御装置８とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ホログラフィ干渉を用いてワーク表面の欠陥を検査する欠陥検査装置に関する。

スポイラー、ハンドル等のようなワークの表面には、塗装によって、はじけ、ひけと呼ばれる微小な凹凸、段差が生じる場合がある。このような凹凸、段差は、その高さが許容
公差を超えている場合に、欠陥として検出される。

このようなワークの欠陥を検出する技術として、ホログラフィ干渉計測法が知られている。ホログラフィ干渉計測法は、ワークに物体光を照射し、ワークから反射した物体光と、ワークに照射しない基準の参照光とを干渉させ、干渉により生じたホログラム（干渉縞）をＣＣＤカメラ等により撮像データとして記録する。そして、撮像データをコンピュータで解析することにより、ワークの形状を数値計算により復元し、欠陥を検出することができる。

特許文献１には、ホログラフィ干渉計測法を用いた歯車の歯面形状の測定方法が開示されている。この測定方法は、理論的歯面のシミュレーション像から物体光の入射角データを取得し、入射角の違いによる測定誤差を計算する。このため、各部分で入射角が異なるような曲面を有する歯面の形状を精度良く測定することが可能である。

特開平４−２５８７０９号公報

特許文献１の測定方法によれば、曲面を有するワークの形状を測定することが可能である。しかしながら、曲率が大きい面に対しては、干渉縞が密に形成されるため、複数本の干渉縞が１本の干渉縞としてカメラに認識されてしまう場合がある。このような場合には、測定部位を分割し、物体光の入射角を変えて複数回に分けて撮像しなければならず、測定に時間がかかってしまう。

本発明は上述の課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、曲面形状を有するワークの欠陥検査に要する時間を短縮することが可能な欠陥検査装置を提供することにある。

本発明に係る欠陥検査装置は、レーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光から物体光および参照光を生成し、検査対象面に向けて前記物体光を照射するとともに、前記検査対象面からの反射光と前記参照光とを干渉させる干渉光学系と、前記物体光を屈折させ、前記物体光を曲面の前記検査対象面に対して異なる複数の方向から入射させる液晶レンズと、前記干渉により生じる干渉縞を撮像データとして取得する撮像装置と、前記撮像データに基づいて前記検査対象面の形状を算出する制御装置とを備える。

本発明に係る欠陥検査方法は、レーザ光源からレーザ光を出射するステップと、前記レーザ光から物体光および参照光を生成し、検査対象面に向けて前記物体光を照射するステップと、液晶レンズにより前記物体光を屈折させ、前記物体光を曲面の前記検査対象面に対して異なる複数の方向から入射させるステップと、前記検査対象面からの反射光と前記参照光とを干渉させるステップと、前記干渉により生じる干渉縞を撮像データとして取得するステップと、前記撮像データに基づいて前記検査対象面の形状を算出するステップとを有する欠陥検査方法。

本発明は、液晶レンズにより物体光を屈折させ、物体光を曲面の検査対象面に対して異なる複数の方向から入射させるため、検査に要する撮像回数を低減することができる。したがって、曲面形状を有するワークの欠陥検査に要する時間を短縮することが可能となる。

本発明の第１実施形態に係る欠陥検査装置の概略図である。 本発明の第１実施形態に係る制御装置のブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る干渉計測センサの模式図である。 本発明の第１実施形態に係る撮像データを説明するための図である。 本発明の第１実施形態に係る干渉縞とカメラ画素との関係を説明するための図である。 本発明の第１実施形態に係る液晶レンズの模式図である。 本発明の第１実施形態に係る液晶レンズの断面図および平面図である。 本発明の第１実施形態に係る液晶レンズの電位と屈折率との関係を説明するための図である。 本発明の第１実施形態に係る液晶レンズによる物体光の屈折の変化を説明するための図である。 本発明の第１実施形態に係る液晶レンズによる物体光の屈折の変化を説明するための図である。 本発明の第１実施形態に係るワークの検査区域を説明するための図である。 本発明の第１実施形態に係る画像処理を説明するための図である。 本発明の第１実施形態に係る欠陥検査方法を示すフローチャートである。 本発明の第１実施形態に係る欠陥検査方法を示すフローチャートである。

以下に、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る欠陥検査装置１の概略図である。欠陥検査装置１は、干渉計測センサ３、液晶レンズ４、ロボットアーム５、回転ステージ６、ロボットコントローラ７、制御装置８を備えている。

干渉計測センサ３は、ホログラフィ干渉を利用したセンサであり、検査対象物（以下、ワークともいう）９のホログラム（干渉縞）を撮像し、撮像データとして取得することが可能である。干渉計測センサ３には液晶レンズ４が内蔵されており、干渉計測センサ３は、液晶レンズ４を通して、レーザ光をワーク９に照射するとともにワーク９からの反射光を受光する。液晶レンズ４は、電圧によって実効的な屈折率分布が変化する液晶層を備えており、印加する電圧を制御することによって、通過するレーザ光の屈折の角度を変えることが可能である。

ロボットアーム５は、多関節のアーム型ロボットであり、その先端には干渉計測センサ３が取り付けられている。ロボットアーム５は、そのアームの姿勢を変えることにより、干渉計測センサ３を自在に移動させることが可能である。回転ステージ６には、ワーク９が保持される。回転ステージ６は、駆動モータ等を備えており、ステージを回転することにより、ワーク９の表裏を反転させることが可能である。ロボットアーム５と回転ステージ６の動きを組み合わせることで、干渉計測センサ３をワーク９の所望の測定部位に近づけることができる。

ロボットアーム５、回転ステージ６には、ロボットコントローラ７が接続されている。ロボットコントローラ７は、所定のプログラムに従って、ロボットアーム５、回転ステージ６の動作をシーケンス制御することが可能である。

制御装置８は、ＣＰＵ、メモリ、記憶装置等を備えたコンピュータであり、干渉計測センサ３、液晶レンズ４、ロボットコントローラ７に接続されている。制御装置８は、干渉計測センサ３、液晶レンズ４、ロボットコントローラ７の動作を制御するとともに、干渉計測センサ３が取得した撮像データを記憶し、解析する機能を有している。これらの機能は、ＣＰＵがメモリに記憶された所定のプログラムを実行することにより実現される。

ワーク９は、金属製または樹脂製の部材であり、ワーク９の表面の微小な凹凸が検査の対象となる。ワーク９の表面は、複数の検査対象面に分割され、検査対象面ごとに欠陥検査装置１による測定が順次行われる。ワーク９は、２次曲面が組み合わされた曲面の形状を呈しているが、各検査対象面における表面形状は、２次以下の曲面または平面とみなすことができる。２次曲面は、例えば楕円球面等の直交する２軸方向に曲率を有する曲面である。以降の図面では、便宜上、ワーク９は半円球型の形状で示される。

図２は、本実施形態に係る制御装置８のブロック図である。制御装置８は、センサ制御部８１、レンズ電圧制御部８２、ロボット制御部８３、記憶部８４、画像処理部８５、表示部８６を有している。

センサ制御部８１は、干渉計測センサ３に制御信号を出力し、干渉計測センサ３がレーザ光を照射するタイミングと干渉縞を撮像するタイミングを制御する。レンズ電圧制御部８２は、液晶レンズ４に印加する電圧を制御して、液晶レンズ４の実効的な屈折率分布を変化させることができる。

ロボット制御部８３は、ロボットコントローラ７に駆動コマンドを出力する。ロボットコントローラ７は、ロボット制御部８３からの駆動コマンドに基づき、ロボットアーム５、回転ステージ６を駆動して、干渉計測センサ３を所定の測定位置に移動させる。

記憶部８４は、干渉計測センサ３により取得された撮像データを記憶する。画像処理部８５は、記憶部８４に記憶された撮像データを解析し、ワーク９の形状データを生成する。形状データは、検査対象面ごとに、基準面に対する相対的な高さの変位を含む。さらに、画像処理部８５は、生成した形状データから欠陥を抽出することで、ワーク９の良否を判定する。画像処理部８５は、形状データ、欠陥の情報などの検査結果を記憶部８４に格納する。

表示部８６は、ディスプレイ、プリンタ等であり、画像処理部８５による解析データ、例えば、ワーク９の形状データ、欠陥の有無および位置等の各種情報を表示可能である。

図３は、本実施形態に係る干渉計測センサ３の模式図である。干渉計測センサ３は、レーザ光源３０１、光アイソレータ３０２、凸レンズ３０３、３０５、３０９、３１１、ピンホール３０４、３１０、ビームスプリッタ３０６、３０８、反射ミラー３０７、ビームスプリッタ（ビームコンバイナ）３１２、カメラ３１３、液晶レンズ４を備えている。

レーザ光源３０１は、例えば発振波長が５３２ｎｍのＹＡＧレーザであり、コヒーレントなレーザ光を出射する。レーザ光源３０１として、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、半導体レーザ等を使用しても良い。レーザ光源３０１から出射するレーザ光は、光アイソレータ３０２を介して凸レンズ３０３に入射する。光アイソレータ３０２は、レーザ光源３０１への戻り光を遮断する。

凸レンズ３０３は、光アイソレータ３０２から入射するレーザ光を集光し、ピンホール３０４に通過させる。ピンホール３０４は、凸レンズ３０３の集光位置に配置され、レーザ光から不要な回折成分を除去する。凸レンズ３０５は、ピンホール３０４を通過するレーザ光を、測定用の所定のビーム径を有する平行光に変換し、ビームスプリッタ３０６に入射させる。

ビームスプリッタ３０６は、凸レンズ３０５から入射するレーザ光を、ビームスプリッタ３０６を通過する物体光（実線矢印）と、ビームスプリッタ３０６で９０度反射する参照光（点線矢印）とに分岐する。物体光は反射ミラー３０７に入射し、参照光はビームスプリッタ３１２に入射する。反射ミラー３０７は、ビームスプリッタ３０６から入射する物体光の光路を変え、ワーク９に向けて出射する。ワーク９に向けて出射された物体光は、ビームスプリッタ３０８を通過し、液晶レンズ４を介してワーク９に照射される。

液晶レンズ４は、凸レンズまたは凹レンズのような光学特性を有し、透過する物体光を集光または発散させる。液晶レンズ４の焦点距離は、物体光の光軸方向において可変であり、ワーク９の曲率に応じて変化させることが可能である。また、液晶レンズ４は、物体光の光軸に垂直な方向へ焦点位置を移動させることも可能である。

液晶レンズ４を介してワーク９に照射された物体光は、ワーク９の表面で反射し（以下、反射光という）、再び液晶レンズ４を介してビームスプリッタ３０８に受光される。ビームスプリッタ３０８は、ワーク９からの反射光を９０度反射し、凸レンズ３０９に入射させる。

凸レンズ３０９は、ビームスプリッタ３０８から入射する反射光を集光し、ピンホール３１０に通過させる。ピンホール３１０は、凸レンズ３０９の集光位置に配置され、反射光から不要な回折成分を除去する。凸レンズ３１１は、ピンホール３１０を通過する反射光を、撮像用の所定のビーム径を有する平行光に変換し、ビームスプリッタ３１２に入射させる。

ビームスプリッタ３１２は、凸レンズ３１１から入射する反射光を通過させる。また、ビームスプリッタ３１２は、ビームスプリッタ３０６から入射する参照光を９０度反射し、ビームスプリッタ３１２を通過する反射光と重ね合わせてカメラ３１３に入射する。すなわち、ビームスプリッタ３１２は、物体光と参照光とを干渉させ、干渉光をカメラ３１３に入射させる。

カメラ３１３は、ＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳカメラであり、高分解能（例えば３０００×３０００画素）の撮像面３１３ａを有している。カメラ３１３の撮像面３１３ａには、干渉光が垂直に入射し、干渉縞が形成される。カメラ３１３は、撮像面３１３ａに形成される干渉縞を撮像し、撮像データとして出力することが可能である。

図４Ａは、本実施形態に係る撮像データを説明するための図である。図４Ａ（ａ）は、カメラ３１３の撮像面３１３ａに形成される干渉縞の一例である。図４Ａ（ａ）では、２本の干渉縞９０１、９０２が形成されている。干渉縞９０１、９０２の間隔は、ワーク９に照射される物体光の半波長に等しいため、１回の撮像で測定可能なワーク９の深さ（ワーク９の表面に対して垂直な方向の長さ）は、干渉縞の数×使用するレーザ光の波長／２となる。

図４Ａ（ｂ）は、図４Ａ（ａ）の干渉縞をカメラ３１３で撮像することにより取得される撮像データであり、図４Ａ（ａ）のＣＣ線断面における干渉縞の輝度値がグラフで示されている。カメラ３１３により撮像された干渉縞は、カメラ３１３の各画素に対応する輝度値として記録される。記録される輝度値は、図４Ａ（ｂ）に示されるように、各干渉縞の位置における輝度値を基準とする相対的な値である。

図４Ｂは、本実施形態に係る干渉縞とカメラ画素との関係を説明するための図である。図４Ｂ（ａ）は、カメラ３１３の撮像面３１３ａに形成された干渉縞を模式的に示しており、撮像面３１３ａを構成する画素の一部が拡大されている。各四角部分が１つの画素に対応し、輝度値の大きい画素が白四角（明）、輝度値の小さい画素が黒四角（暗）で示されている。

１対の明画素・暗画素の組合せが、１本の干渉縞を認識できる理論的な限界であるため、撮像データとして記録可能な干渉縞の本数は、撮像面３１３ａの画素数に依存する。すなわち、測定深さに対応する撮像面３１３ａの画素数（図４ＡにおけるＸ軸方向の画素数）がＮ個である場合、理論上の最大縞数は、Ｎ／２個となる。したがって、例えば、物体光の波長を５３２ｎｍ、撮像面３１３ａのＸ軸方向の画素数を３０００個とすると、１回の撮像で（３０００／２）×（５３２／２）＝０．３９９ｍｍの深さまでワーク９の形状が測定可能である。

図４Ｂ（ｂ）に示されるように、曲面形状を有するワーク９に対して平行光の物体光を照射すると、曲率の大きい、すなわちＺ軸方向の形状変化が大きい外周部（点線で囲まれた部分）等において、干渉縞が密に形成される。このとき、干渉縞がカメラ３１３の撮像面３１３ａの１画素内に２本以上、または隣接する画素に連続して形成されてしまうことがある（図４（ｃ）、（ｄ）参照）。このような場合、カメラ３１３が複数本の干渉縞を認識できなくなるため、正確な測定を行うことができない。つまり、１回の撮像で測定可能な領域の大きさは、カメラ３１３の分解能により制限される。

本実施形態に係る液晶レンズ４は電圧によって実効的な屈折率分布が変化する液晶層を備えており、該液晶層は、ワーク９に照射される物体光を屈折させ、物体光を曲面の検査対称面に対して異なる複数の方向から入射させる。すなわち、物体光を検査対象面の曲率方向に沿って、言い換えると曲率の軸に対して垂直な面内で集光または拡散させ、曲面に対してより垂直な方向から入射させる。そのため、本実施形態では、曲率の大きい曲面部分においても干渉縞が密になり難く、上述のような制限を緩和することができる。以下、液晶レンズ４について詳しく説明する。

図５は、本実施形態に係る液晶レンズ４の模式図である。破線矢印は、物体光および反射光の光路を示している。Ｘ軸方向およびＹ軸方向に曲率を有するワーク９の曲面部に対して物体光がＺ軸方向から照射されている。

液晶レンズ４は、円形穴４１、分割電極４０４、液晶層４０６を有している。円形穴４１は液晶レンズ４の中央部に設けられており、円形穴４１の周囲には、複数の分割電極４０４が配置されている。液晶レンズ４の中層部分には、液晶層４０６が形成されている。液晶レンズ４に入射された物体光は、円形穴４１を経路とし、液晶層４０６を透過してワーク９に照射される。

複数の分割電極４０４には、レンズ電圧制御部８２によりそれぞれ独立に電圧が印加される。液晶層４０６の屈折率分布は、複数の分割電極４０４に印加される電圧値の組合せに応じて変化する。したがって、レンズ電圧制御部８２は、分割電極４０４に印加する電圧を制御することにより、液晶層４０６を透過する物体光を任意の方向に屈折させ、焦点位置を変化させることができる。例えば、物体光の光軸方向（Ｚ軸）において焦点距離を変化させることが可能であり、物体光の光軸に垂直な面内（ＸＹ面）において焦点位置を移動させることも可能である。

図６は、本実施形態に係る液晶レンズ４の断面図および平面図である。図６（ａ）は、図５におけるＸＺ面の断面図、図６（ｂ）は、図５におけるＺ軸方向の平面図である。

液晶レンズ４は、積層構造で構成されており、上（レーザ光源側）から順に、第１のガラス基板４０１、第１の透明導電膜４０２、第２のガラス基板４０３、分割電極４０４、第３のガラス基板４０５、液晶層４０６、第２の透明導電膜４０７、第４のガラス基板４０８が形成されている。液晶層４０６の外周部には、厚みを一定に保つためのスペーサ４１０が配置されている。

第１のガラス基板４０１、第２のガラス基板４０３、第３のガラス基板４０５、第４のガラス基板４０８は、例えば透明ガラスであり、第１の透明導電膜４０２、分割電極４０４、第２の透明導電膜４０７に対して、光透過性を有する絶縁層として機能する。第１の透明導電膜４０２、第２の透明導電膜４０７は、例えばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）からなる薄膜電極であり、光透過性を有している。第１の透明導電膜４０２と第２の透明導電膜４０７の間には、可変電圧値Ｖ０が印加される。

分割電極４０４は、例えばアルミニウムからなる薄膜電極である。分割電極４０４は、図６（ｂ）に示されるように、中央部に円形穴４１を有しており、８分割された電極４０４ａ〜４０４ｈによって構成されている。分割電極４０４（電極４０４ａ〜４０４ｈ）と第２の透明導電膜４０７の間には、それぞれ、可変電圧値Ｖ１〜V８が独立に印加される。円形穴４１の径Φは、例えば５０ｍｍであり、物体光のビーム径に合わせて適宜設計される。分割電極４０４ａ〜４０４ｆの形状、枚数および配置は、円形穴４１の周囲に配置されるものであれば特に限定されない。

液晶層４０６は、一方向に配向させた液晶分子からなり、分割電極４０４と第２の透明導電膜４０７によって電圧が印加される。これにより、液晶層４０６内の電位分布に応じて液晶分子の配向方向が変化し、物体光を屈折させることができる。

図７は、本実施形態に係る液晶レンズの機能を説明するための図である。図７（ａ）は、液晶レンズ４の断面図（ＸＺ面）であり、物体光の屈折方向が矢印で示されている。図７（ｂ）は、図７（ａ）のＸＺ面における等電位面の分布を曲線で示しており、図７（ｃ）は、液晶層４０６のＸ軸方向における実効的な屈折率分布の一例を示している。

第１の透明導電膜４０２と第２の透明導電膜４０７の間、および分割電極４０４と第２の透明導電膜４０７の間に電圧が印加されると、図７（ｂ）に示されるような電位分布が液晶層４０６内に形成される。上述したように、分割電極４０４は、複数の電極（電極４０４ａ〜４０４ｈ）がＸＹ面に配置されているため、Ｘ軸方向だけでなくＹ軸方向においても、図７（ｂ）と同様な電位分布が形成される。分割電極４０４の各電極４０４ａ〜４０４ｈに印加する電圧をそれぞれ独立に制御することで、所望の電位分布を液晶層４０６内に形成することができる。

液晶層４０６内に電圧分布が形成されると、液晶分子の配向効果により、液晶層４０６は屈折力を有するようになる。液晶層４０６の屈折率分布は、例えば図７（ｃ）に示されるような、実効屈折率が円形穴４１の中心から次第に変化する分布形状となる。屈折率分布は電位分布に対応して変化するため、制御装置８のレンズ電圧制御部８２は、分割電極４０４に印加する電圧を制御することで、液晶レンズ４の屈折率分布を所望に変化させることができる。

図８Ａは、本実施形態に係る液晶レンズ４による物体光の屈折の変化を説明するための図である。図８Ａ（ａ）は、物体光の光軸方向（Ｚ軸方向）を視点とし、液晶レンズ４による物体光の位相の変化を干渉パターンで示している。隣り合う縞が１波長分の位相差に対応しており、干渉パターンにより物体光の波面の変化、液晶レンズ４の屈折率分布特性を知ることができる。

図８Ａ（ａ）では、分割電極４０４ａ〜４０４ｈに対して軸対称の電圧が印加され、Ａ−Ａ軸を長軸とする楕円形状の干渉パターンが得られている。例えば、Ａ−Ａ軸に沿って対向する分割電極４０４ａ、４０４ｅに最も低い電圧値２０Ｖｒｍｓ（＝Ｖ１、Ｖ５）が印加され、Ａ−Ａ軸に直交するＣ−Ｃ軸に沿って対向する分割電極４０４ｃ、４０４ｇに最も高い電圧値９０Ｖｒｍｓ（＝Ｖ３、Ｖ７）が印加され、その間にあるＢ−Ｂ軸に沿って対向する分割電極４０４ｂ、４０４ｆに中間の電圧値６０Ｖｒｍｓ（＝Ｖ２、Ｖ６）が印加される。同様に、分割電極４０４ａ〜４０４ｈに対して印加する電圧値の組合せを変えることにより、Ｂ−Ｂ軸、C−C軸またはD−D軸を長軸とする楕円形状の干渉パターンを得ることが可能である。

さらに、液晶レンズ４は、分割電極４０４ａ〜４０４ｈに印加する電圧値の比率を変えることにより、楕円の長軸と短軸の比を変化させることも可能である。したがって、液晶レンズ４は、楕円の長軸方向と短軸方向とで異なる焦点距離を有し、各焦点距離を制御することが可能である。

図８Ａ（ｂ）、（ｃ）は、液晶レンズ４が楕円形状の屈折率分布を有している場合の、物体光の屈折をワーク９の曲率方向ごとに示している。ワーク９は、互いに直交する第１の方向（Ｘ軸方向）および第２の方向（Ｙ軸方向）に曲率を有している。液晶レンズ４に入射する物体光の光軸の向きは、Ｚ軸方向である。

図８Ａ（ｂ）は、ワーク９の第１の曲率方向（Ｘ軸方向）の物体光の屈折、すなわち物体光のＸＺ面内における屈折を示している。図８Ａ（ｃ）は、ワーク９の第２の曲率方向（Ｙ軸方向）の物体光の屈折、すなわち物体光のＹＺ面内における屈折を示している。液晶レンズ４の集光角および焦点距離は、Ｘ軸方向とＹ軸方向とで異なっている。Ｘ軸方向の曲率半径ｒｘがＹ軸方向の曲率半径ｒｙよりも大きい場合、Ｘ軸方向の集光角θｘはＸ軸方向の集光角θｙよりも小さくなる。液晶レンズ４の各軸方向の集光角θｘ、θｙ（以下、測定角θともいう）に対応するワーク９の曲面部分が、１度の撮像で測定可能な検査対象面９ａとなる。

ワーク９の検査対象面９ａの大きさ（表面積）は、液晶レンズ４の焦点距離とワーク９の曲率半径ｒｘ、ｒｙに応じて変化する。分割電極４０４ａ〜４０４ｈに印加する電圧値Ｖ１〜Ｖ８は、ワーク９の曲率半径ｒｘ、ｒｙに基づいて決定される。例えば、ワーク９のＸ軸方向の曲率半径ｒｘが大きい場合、X軸方向の分割電極４０４ａ、４０４ｅの電圧値（Ｖ１、V５）は低く設定され、ワーク９のＹ軸方向の曲率半径ｒｙが小さい場合、Ｙ軸方向の分割電極４０４ｃ、４０４ｇの電圧値（Ｖ３、V７）は高く設定される。電圧値Ｖ１〜Ｖ８の設定データは、予め、各検査対象面９ａの曲率半径の大きさ、曲率の方向と関連付けてロボットコントローラ７または制御装置８の記憶部８４に記憶させておく。測定時には、制御装置８のレンズ電圧制御部８２によって電圧値Ｖ１〜Ｖ８が制御され、液晶レンズ４の焦点位置が、検査対象面９ａの曲率の原点Ｒｘ、Ｒｙと一致するように調節される。

上述の説明においては、ワーク９が凸型の曲面を有する場合を説明したが、本実施形態の液晶レンズ４は、ワーク９が凹型の曲面を有する場合にも対応可能である。具体的には、第１の透明導電膜４０２と第２の透明導電膜４０７の間の電圧値V０を、分割電極４０４と第２の透明導電膜４０７の間の電圧値Ｖ１〜Ｖ８よりも大きくすることにより、液晶レンズ４に物体光を拡散する凸レンズの機能を持たせることができる。また、分割電極４０４に電圧が印加されない場合には、液晶レンズ４は、物体光および反射光をそのまま透過させ、レンズとしての機能を発揮しない。

図８Ｂは、本実施形態に係る液晶レンズによる物体光の屈折の変化を説明するための図である。図８Ｂ（ａ）は、図８Ａ（ａ）と同様の楕円形状の干渉パターンを示しているが、楕円の中心が円形穴４１の中心から変位している。

図８Ｂ（ａ）では、分割電極４０４ａ〜４０４ｈに対して偏った電圧が印加され、Ａ−Ａ軸方向に偏心した楕円形状の干渉パターンが得られている。例えば、分割電極４０４ｄ、４０４ｅ、４０４ｆに最も低い電圧値２０Ｖｒｍｓ（＝Ｖ４〜Ｖ６）が印加され、分割電極４０４ａ、４０４ｂ、４０４ｈに最も高い電圧値９０Ｖｒｍｓ（＝Ｖ１、Ｖ２、Ｖ８）が印加され、その間にある分割電極４０４ｃ、４０４ｇに中間の電圧値６０Ｖｒｍｓ（＝Ｖ３、Ｖ７）が印加される。同様に、分割電極４０４ａ〜４０４ｈに対して印加する電圧値の組合せを変えることにより、Ｂ−Ｂ軸、C−C軸、D−D軸方向に偏心した楕円形状の干渉パターンを得ることが可能である。

図８Ｂ（ｂ）は、液晶レンズ４が偏心した楕円形状の屈折率分布を有している場合の物体光の屈折を示している。ワーク９は、Ｘ軸方向に曲率（曲率半径ｒ）を有している。液晶レンズ４の焦点位置は、円形穴４１の中心軸に対して垂直な面内（ＸＹ面）において、Ｘ軸方向に移動され（白抜き矢印）、ワーク９の曲率の原点Ｒと一致している。液晶レンズ４の集光角θ（以下、測定角θともいう）に対応するワーク９の曲面部分が、１度の撮像で測定可能な検査対象面９ａとなる。このように、液晶レンズ４により物体光の光軸の向きを変化させることで、干渉計測センサ３の向きを変えることなく、物体光のワーク９に対する照射方向を変えることができる。

図９は、本実施形態に係るワーク９の検査対象面９ａを説明するための図である。図９（Ａ）は、干渉計測センサ３（液晶レンズ４）とワーク９の側面図、図９（Ｂ）は、液晶レンズ４とワーク９の上面図（表側）を示している。ワーク９の上方から、液晶レンズ４を介して物体光が照射され、撮像が行われる。以下の説明では、ワーク９の表側のみを検査対象面として説明するが、ワーク９の裏側についても同様である。

ワーク９は２次曲面の形状を有しており、平面部９１と曲面部９２とに分類される。平面部９１は、ほぼ平面状の面であれば良く、所定の曲率半径（例えば１４５ｍｍ）を閾値として、閾値より大きい面を平面部９１、閾値より小さい面を曲面部９２と決定することができる。

ワーク９の平面部９１と曲面部９２は、それぞれ複数の検査対象面９ａに分割される。検査対象面９ａは、１回の撮像（１ショット）で測定される範囲であり、干渉計測センサ３により順次測定が行われる。図８（Ｂ）における区画の１つ１つが検査対象面９ａに対応する。図では、便宜上、検査対象面９ａの符号は一部の区画のみに付している。

平面部９１の検査対象面９ａ（白抜区画）の数は、物体光のビーム径に基づいて決定することができる。また、曲面部９２の検査対象面９ａ（斜線区画）の数は、曲率方向ごとにワーク９の曲面部９２の広がり角φを液晶レンズ４の測定角θで除することで決定することができる。なお、ワーク９の全体形状は、３次元計測機、設計データ等から取得可能である。

ワーク９の全体形状、検査対象面９ａの位置情報、曲率の大きさ、曲率の方向、測定順序等のデータは、３次元座標等の形式でロボットコントローラ７に事前に登録される。もしくは、これらの情報を制御装置８の記憶部８４に記憶させ、制御装置８がロボットコントローラ７に必要な情報を適宜送信するように構成しても良い。

図１０は、本実施形態に係る画像処理を説明するための図である。画像処理は、制御装置８の画像処理部８５で行われ、例えば、形状データに対してボトムハット処理が適用される。図１０（ａ）〜（ｄ）では、ボトムハット処理の一例が模式的に示されている。便宜上、形状データとしてワーク９の断面画像（２次元画像）が図示されているが、３次元画像についても同様に処理することができる。

ボトムハット処理では、まず、元の形状データ（図１０（ａ））に対して、ディレート（膨張）処理が施される（図１０（ｂ））。例えば、形状データの輝度値が、周辺画素のうちの最大の輝度値で置き変えられる。すなわち、形状データを膨張させることにより、輪郭部分の微小な凹凸が削除される（埋められる）。

次に、ディレート処理後の形状データに対して、エローデ（収縮）処理が施される（図１０（ｃ））。例えば、形状データの輝度値が、周辺画素のうちの最小の輝度値で置き変えられる。すなわち、ディレート処理で削除されなかった部分が元の状態に戻される。したがって、エローデ処理後の形状データは、元の形状データから微小な凹凸のみが削除されたものとなる。したがって、エローデ後の形状データと元の形状データとの差分を得ることにより、元の形状データに含まれている微小な凹凸を抽出することができる（図１０（ｄ））。

図１１Ａ、図１１Ｂは、本実施形態に係る欠陥検査方法を示すフローチャートである。制御装置８によって行われる処理は、制御装置８のＣＰＵが、記憶部８４に格納された所定の検査プログラムを実行することにより実現される。

まず、操作者は、ワーク９を回転ステージ６上にセットする（ステップＳ１０１）。次に、操作者が欠陥検査装置１を起動させると、制御装置８は、検査プログラムの実行を開始する（ステップＳ１０２）。すなわち、制御装置８のロボット制御部８３は、ロボットコントローラ７に駆動コマンドを送信して、ロボットコントローラ７にロボットアーム５の制御を開始させる。

ロボットコントローラ７は、ロボットアーム５を制御して、干渉計測センサ３を最初の検査対象面９ａに対する所定の撮像位置に移動させる（ステップＳ１０３）。

ロボットアーム５の移動が開始されると、制御装置８のレンズ電圧制御部８２は、記憶部８４に予め記憶されている検査対象面９ａの形状データ、例えば３次元ＣＡＤデータに基づいて、液晶レンズ４に電圧を印加する（ステップＳ１０４）。具体的には、レンズ電圧制御部８２は、曲面部９２の検査対象面９ａに対し、各検査対象面９ａに関連付けられた電圧値の組合せ（Ｖ０、Ｖ１〜Ｖ８）を記憶部８４から取得し、第１の透明導電膜４０２と第２の透明導電膜４０７の間に電圧値V０、分割電極４０４と第２の透明導電膜４０７の間に電圧値Ｖ１〜Ｖ８を印加する。これにより、物体光は屈折され、曲面部９２の曲率に合わせて焦点距離が変更される。一方、レンズ電圧制御部８２は、平面部９１の検査対象面９ａに対しては何れの電極にも電圧を印加しない。よって、物体光はそのまま検査対象面９ａに照射される。

次に、制御装置８の画像処理部８５は、記憶部８４に未処理の撮像データ（干渉縞）が残されているか否かを判定する（ステップＳ１０５）。未処理の撮像データが存在する場合には（ステップＳ１０５でＹＥＳ）、画像処理部８５は、撮像データから検査対象面９ａの形状データを演算し、得られた形状データに画像処理を施す（ステップＳ１０６）。

具体的には、制御装置８の画像処理部８５は、算出した形状データにボトムハット処理を適用することにより、形状データに含まれる微小な凹凸を抽出する。次いで、画像処理部８５は、抽出された微小な凹凸の大きさを所定の閾値と比較し、その微小な凹凸が欠陥であるか否かを判定する。さらに、画像処理部８５は、欠陥であると判定した凹凸部分を検査対象面９ａにおいて所定の色で強調した強調画像を生成し、記憶部８４に記憶する。

続いて、制御装置８は、画像処理部８５による判定結果、すなわち検査対象面９ａにおける欠陥の有無（ＯＫ、ＮＧ）を表示部８６に表示する（ステップＳ１０７）。さらに、制御装置８は、検査対象面９ａの強調画像等を表示しても良い。画像処理部８５によるこれらステップＳ１０５からステップＳ１０７までの処理は、ステップＳ１０３の処理、すなわちロボットコントローラ７によるロボットアーム５の移動と平行して実行される。

また、制御装置８の記憶部８４に未処理の撮像データが存在しない場合には（ステップＳ１０５でＮＯ）、ステップＳ１０６、ステップＳ１０７の処理はスキップされる。

次に、制御装置８は、ロボットアーム５が停止している否かを判定する（ステップＳ１０８）。すなわち、ステップＳ１０３で開始されたロボットアーム５の移動が完了し、干渉計測センサ３が所定の撮像位置に位置しているか否かが判定される。ロボットアーム５が未だ移動中である場合には（ステップＳ１０８でＮＯ）、制御装置８は、ロボットアーム５の移動が完了し、ロボットアーム５が停止するまで待機する。ロボットアーム５が停止している場合には（ステップＳ１０８でＹＥＳ）、制御装置８のセンサ制御部８１は、干渉計測センサ３を制御して、レーザ光源３０１からレーザ光を出射させる（ステップＳ１０９）。

続いて、制御装置８のセンサ制御部８１は、干渉計測センサ３を制御して、カメラ３１３で干渉縞を撮像する（ステップＳ１１０）。さらに、センサ制御部８１は、干渉計測センサ３から撮像した撮像データを受信し、記憶部８４に記憶する。撮像が終了すると、センサ制御部８１は、干渉計測センサ３を制御して、レーザ光源３０１からのレーザ光の発振を停止させる（ステップＳ１１１）。

次に、制御装置８は、ワーク９の表側の全ての検査対象面９ａの撮像が終了したか否かを判定する（ステップＳ１１２）。表側に撮像していない検査対象面９ａが残っている場合には（ステップＳ１１２でＮＯ）、制御装置８はステップＳ１０３以後の処理を実行する。すなわち、ロボットコントローラ７はロボットアーム５を駆動して、干渉計測センサ３を次の検査対象面９ａの撮像位置に移動し（ステップＳ１０３）、制御装置８はステップＳ１０４からステップＳ１１１までの処理を再度実行する。

ワーク９の表側の全ての検査対象面９ａの撮像が終了した場合には（ステップＳ１１２でＹＥＳ）、制御装置８は、ワーク９の裏側の全ての検査対象面９ａの撮像が終了したか否かを判定する（ステップＳ１１３）。裏側に撮像していない検査対象面９ａが残っている場合には（ステップＳ１１３でＮＯ）、制御装置８は回転ステージ６にセットされているワーク９が裏側を向いているか否かを判定する（ステップＳ１１４）。

ワーク９が表側を向いている場合には（ステップＳ１１４でＮＯ）、制御装置８のロボット制御部８３は、ロボットコントローラ７に駆動コマンドを送信し、ワーク９が裏側を向くように、ロボットコントローラ７に回転ステージ６を回転させる（ステップＳ１１５）。

ワーク９を裏側に反転させた後、またはワーク９が裏側を向いている場合には（ステップＳ１１４でＹＥＳ）、フローチャートはステップＳ１０３に戻る。すなわち、ロボットコントローラ７は、ロボットアーム５を駆動して、干渉計測センサ３を次の検査対象面９ａの撮像位置に移動し（ステップＳ１０３）、制御装置８は、ステップＳ１０４からステップＳ１１１までの処理を再度実行する。

ワーク９の裏側の全ての検査対象面９ａの撮像が終了した場合には（ステップＳ１１３でＹＥＳ）、制御装置８のロボット制御部８３は、ロボットコントローラ７に駆動コマンドを送信し、ロボットアーム５、回転ステージ６を原点位置に復帰させる（ステップＳ１１６）。

また、制御装置８の画像処理部８５は、最後に撮像された検査対象面９ａの撮像データに対して、画像処理を施す（ステップＳ１１７）。これは、ステップＳ１０６における処理と同様の処理である。

最後に、制御装置８は、記憶部８４から全ての検査対象面９ａの欠陥の有無、強調画像等のデータを取得し、ワーク９の総合判定を行う（ステップＳ１１８）。例えば、制御装置８は、表示部８６において、検査対象面９ａごとの欠陥の数および位置、ワーク９が良品であるか不良品であるかの判定結果等を表示する。

このように、本実施形態に係る欠陥検査装置は、焦点距離が可変な液晶レンズを備えている。液晶レンズは、物体光を集光または拡散させ、物体光の波面を平面から曲面に、また曲面から平面に変換する。検査対象物の曲面部に対して曲面波の物体光を照射することにより、カメラの分解能により制限される１回の撮像（１方向の画像）で測定可能な領域を拡大することができる。したがって、検査に要する撮像の回数を低減し、撮像に伴うロボットアームの移動時間を削減することができ、検査に要する時間を短縮することが可能となる。

本発明は、上述の実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施可能である。例えば、本発明は、液晶レンズに代えて液体レンズを使用することも可能である。

１ 欠陥検出装置
３ 干渉計測センサ
３０１ レーザ光源
３１３ カメラ
３１３ａ 撮像面
４ 液晶レンズ
４１ 円形穴
４０４ 分割電極
４０６ 液晶層
５ ロボットアーム
６ 回転ステージ
７ ロボットコントローラ
８ 制御装置
９ ワーク
９ａ 検査対象面
９１ 平面部
９２ 曲面部
９０１、９０２ 干渉縞

Claims (5)

1. レーザ光を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光から物体光および参照光を生成し、検査対象面に向けて前記物体光を照射するとともに、前記検査対象面からの反射光と前記参照光とを干渉させる干渉光学系と、
   前記物体光を屈折させ、前記物体光を曲面の前記検査対象面に対して異なる複数の方向から入射させる液晶レンズと、
   前記干渉により生じる干渉縞を撮像データとして取得する撮像装置と、
   前記撮像データに基づいて前記検査対象面の形状を算出する制御装置と、
   を備える欠陥検査装置。
2. 前記検査対象面は、直交する第１の方向および第２の方向に曲率を有し、前記液晶レンズは、前記第１の方向と前記第２の方向とで焦点距離が異なる、請求項１に記載の欠陥検査装置。
3. 前記制御装置は、前記検査対象面の曲率に応じた電圧を前記液晶レンズに印加することによって、前記液晶レンズの焦点距離を調節する、請求項１または２に記載の欠陥検査装置。
4. 前記制御装置は、前記液晶レンズの焦点位置を前記検査対象面の曲率の中心に一致させる、請求項１乃至３のいずれかに記載の欠陥検査装置。
5. レーザ光源からレーザ光を出射するステップと、
   前記レーザ光から物体光および参照光を生成し、検査対象面に向けて前記物体光を照射するステップと、
   液晶レンズにより前記物体光を屈折させ、前記物体光を曲面の前記検査対象面に対して異なる複数の方向から入射させるステップと、
   前記検査対象面からの反射光と前記参照光とを干渉させるステップと、
   前記干渉により生じる干渉縞を撮像データとして取得するステップと、
   前記撮像データに基づいて前記検査対象面の形状を算出するステップと、
   を有する欠陥検査方法。

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