JP2017161243A

JP2017161243A - 検査装置、検査方法、および物品の製造方法

Info

Publication number: JP2017161243A
Application number: JP2016043407A
Authority: JP
Inventors: 松田　英樹; Hideki Matsuda; 英樹松田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2016-03-07
Filing date: 2016-03-07
Publication date: 2017-09-14

Abstract

【課題】物体の表面の検査に有利な検査装置を提供する。【解決手段】物体１０の表面の検査を行う検査装置１であって、表面を照明する照明部１１と、照明部１１により照明された表面を撮像して画像を出力する撮像部と、撮像部の焦点位置を調整する調整部１３と、を備え、調整部１３は、表面において検出すべき欠陥の形状に関する第１情報に基づいて、焦点位置を調整する。【選択図】図１

Description

本発明は、検査装置、検査方法、および物品の製造方法に関する。

物体の外観を検査する検査装置として、撮像により得られた物体の画像に基づいて検査を行う検査装置が知られている（特許文献１）。物体の表面が鏡面であり、欠陥が凹状または凸状である場合、撮像系の焦点位置を当該鏡面に合わせた状態では、検査（欠陥の検出）が困難になりうる。特許文献１の検査装置は、当該鏡面からデフォーカスした状態での撮像により得られた画像を用いて欠陥の検査を行っている。

特開平６−５８７４３号公報

しかしながら、特許文献１は、撮像を行うにあたってのデフォーカス状態（デフォーカス量）を何ら特定していない。

本発明は、例えば、物体の表面の検査に有利な検査装置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、物体の表面の検査を行う検査装置であって、表面を照明する照明部と、照明部により照明された表面を撮像して画像を出力する撮像部と、撮像部の焦点位置を調整する調整部と、を備え、調整部は、表面において検出すべき欠陥の形状に関する第１情報に基づいて、焦点位置を調整することを特徴とする。

本発明によれば、例えば、物体の表面の検査に有利な検査装置を提供することができる。

第１実施形態に係る検査装置の構成を示す概略図である。鏡面上の凸状欠陥の断面を見た図である。撮像側の開口数を考慮した焦点位置の算出方法を説明する図である。光学シミュレーションによる欠陥のシグナル／ノイズ比を示す図である。

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、本実施形態に係る検査装置の構成を示す概略図である。検査装置１は、例えば、工業製品に利用される金属部品や樹脂部品などの物体の外観検査を行う。本実施形態では、鏡面１００を備えた物体１０の外観検査を行う。鏡面１００には、キズやムラ（例えば色ムラ）、凹状または凸状などの欠陥が生じていることがある。検査装置１は、鏡面１００の画像データに基づいて、鏡面１００の検査領域内（表面上）に生じている欠陥を検出し、物体１０を良品および不良品のいずれかに分類する。

検査装置１は、照明部１１と、カメラ１２およびテレセントリックレンズ（撮像光学系）１４を含む撮像部と、保持部（調整部）１３と、演算部１５と、表示部１６と、入力部１７と、制御部１８と、を含む。物体１０は不図示の搬送系によって検査装置１内に搬送され検査される。物体１０は検査を終えると再び同搬送系によって排出される。照明部１１は、スポット照明であり、テレセントリックレンズ１４に取り付けが可能で、カメラの光軸と照明の光軸とを同じにする同軸落射照明を実現可能な構成となっている。保持部１３は、物体１０を保持し、照明の光軸方向（Ｚ方向）に可動であり、物体１０の表面に対するテレセントリックレンズ１４の焦点位置が可変である。

カメラ１２は、照明部１１によって照明された物体１０からの反射光を検出して、画像を取得（撮像）する。カメラ１２によって取得された物体の画像は、演算部１５に出力される。演算部１５は、例えば、ＣＰＵ１５ａ（ＣｅｎｔｒａｌＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇＵｎｉｔ）、ＲＡＭ１５ｂ（ＲａｎｄａｍＡｃｃｅｓｓＭｅｍｏｒｙ）、およびＨＤＤ１５ｃ（ＨａｒｄＤｉｓｋＤｒｉｖｅ）を含む情報処理装置から成りうる。演算部１５は、カメラ１２によって取得された対象画像についての評価値を求め、求めた評価値と各グループにおける評価値の範囲（閾値）とに基づいて物体を良品と不良品のいずれかに分類する処理（分類処理）を実行する。

ＣＰＵ１５ａは、物体を良品と不良品に分類するためのプログラムを実行し、ＲＡＭ１５ｂ、ＨＤＤ１５ｃは、当該プログラムやデータを格納する。表示部１６は、例えばモニタを含み、演算部１５によって実行された分類処理の結果を表示する。また、入力部１７は、例えばキーボードやマウスなどを含み、ユーザからの指示を演算部１５に送信する。制御部１８は、照明部１１、カメラ１２（テレセントリックレンズ１４）および保持部１３を制御する。

鏡面１００には様々な欠陥が存在し得る。スクラッチ状のキズ、異物、ムラ、凹状または凸状の欠陥などである。これらの欠陥のうち、特に、曲率が緩く、高さあるいは深さが小さい凹状または凸状の欠陥は、テレセントリックレンズ１４の焦点位置が鏡面１００の平坦な面上に合っている状態（ベストフォーカス）で撮像した画像においては極めて検出し難い。このような凹状または凸状の欠陥は、テレセントリックレンズ１４の焦点位置が鏡面１００の平坦な面からデフォーカスした位置で撮像した画像において非常に検出し易くなる。これは、鏡面上の凹状または凸欠陥が凸面鏡（凸レンズ）あるいは凹面鏡（凹レンズ）として作用するためである。すなわち、凹状または凸欠陥の焦点位置が鏡面１００の平坦な面からずれた位置にあるため、その位置にテレセントリックレンズ１４の焦点位置を合わせることで、撮像面上での検出が可能となる。

図２は、鏡面１００上の凸状欠陥１０１の断面を見た図である。ここで、光軸（Ｚ軸）に垂直な平面をＸＹ平面とする。凸状欠陥１０１の曲率半径をＲ、幅をＷとする。また、凸状欠陥１０１の焦点位置をＢとすると、焦点位置ＢのＺ座標（物体の表面からの距離）ｂは、以下の式（１）で表すことができる。ここで、βは、焦点位置Ｂと凸状欠陥１０１の端部とを結ぶ直線と照明の光軸とがなす角度を示す。

また、照明部１１の開口数をＮＡｉとすると、βは以下の式（２）で表される。なお、式（２）におけるａｒｃｓｉｎ（ＮＡｉ）は、凸状欠陥１０１に入射する光の、照明の光軸に対する最大角度を表す。また、ａｒｃｓｉｎ（Ｗ／２／Ｒ）は、照明の光軸と、凸状欠陥１０１の曲率中心と凸状欠陥１０１の端部とを結ぶ直線がなす角γを表す。

したがって、凸状欠陥１０１の幅Ｗと、曲率半径Ｒと、照明部１１の開口数ＮＡｉと、が分かれば焦点位置ＢのＺ座標ｂ（距離ｂ）を算出できる。

図３は、撮像側の開口数を考慮した焦点位置の算出方法を説明する図である。撮像側の開口数は、テレセントリックレンズ１４の開口１０２で規定される。撮像側の開口数をＮＡｃは、凸状欠陥１０１の端部からテレセントリックレンズ１４に入射する光の、照明の光軸に対する角度βの正弦で表される。すなわち、角度βは以下の式（３）で表される。なお、図中破線矢印は、撮像側の開口から漏れる光を示す。

したがって、凸状欠陥１０１の幅Ｗと、曲率半径Ｒと、撮像側の開口数ＮＡｃが分かれば焦点位置ＢのＺ座標ｂを算出できる。

βを算出する式として、式（２）および式（３）のうちどちらか一方を採用するかは、照明の開口数のＮＡｉや撮像側の開口数ＮＡｃ等により決まり、式（２）および式（３）により得られた角度β_１および角度β_２のうち、小さい方を採用する。演算部１５は、上記式（１）〜（３）に基づいてデフォーカス位置を算出し、制御部１８は算出結果に基づいて、保持部１３を移動する。

テレセントリックレンズ１４の焦点位置を算出した焦点位置に合わせるように保持部１３を駆動して焦点位置を調整し、調整後に表面を撮像することで、取得画像における欠陥のコントラストが極大値となり、検出が容易となる。ここで欠陥のコントラストとは、取得画像を用いて演算部１５により算出される量である。撮像画像上における欠陥部の輝度をＩｐ、鏡面の平坦部の輝度をＩｂとしたときに、（Ｉｐ−Ｉｂ）／Ｉｂで表される量である。または、Ｉｐ−ＩｂあるいはＩｐ／Ｉｂであらわされる量である。なお、テレセントリックレンズ１４の焦点位置を、ベストフォーカス位置に対してＢと逆側の―ｂの位置に合わせて撮像すると、取得画像における欠陥のコントラストは極小値となる。

これらの明暗画像を用いて、例えば、欠陥のコントラストが極大値となっている画像から欠陥のコントラストが極小値となっている画像を差し引くなどの画像合成を行うことで欠陥の検出ができる。この場合、ベストフォーカス位置を挟んだ＋ｂおよび―ｂの２つの位置で撮像を行うことで、合成後の画像上の欠陥部を示す画素を強調することができる。

また、検査対象となる凹状または凸状の欠陥の形状が複数種類存在する場合は、幅Ｗ／曲率半径Ｒの値（幅Ｗを曲率半径Ｒで割った値）が最小となる欠陥の焦点位置に基づいて撮像を行う。取得画像における欠陥のコントラストは幅Ｗ／曲率半径Ｒの値に比例するので、コントラストが最小となる欠陥の幅Ｗおよび曲率半径Ｒを用いて算出した焦点位置に基づいて撮像すれば他の欠陥に関しても検出が可能である。

なお、凹状の欠陥においては、式（２）において曲率半径Ｒとして凸の場合と逆符号の値を代入して使用すれば良い。凹状の欠陥の場合、焦点位置Ｂの位置ｂはマイナス側となる。

欠陥の具体的な形状を想定した場合について説明する。鏡面１００上の凸状欠陥１０１の幅Ｗを０．１５〜１ｍｍ、鏡面１００の平坦面に対する凸状欠陥１０１の高さを０．０５〜１０ｕｍ程度（曲率半径Ｒ１０〜５０ｍｍ）と想定する。幅Ｗ／曲率半径Ｒの値が最小となる組み合わせは（Ｒ、Ｗ）＝（５０、０．１５）である。また、照明光の開口数であるＮＡｉと撮像側の開口数であるＮＡｃはともに約０．１であるとする。

図４は光学シミュレーションにより、撮像画像における欠陥の特徴量（シグナル／ノイズ比）を算出したものである。横軸は鏡面１００の平坦面をゼロとした場合のテレセントリックレンズ１４の焦点位置で、縦軸は撮像した画像における欠陥部のシグナル／ノイズ比である。ここでシグナル／ノイズ比とは、取得画像を用いて演算部１５により算出され、撮像画像上におけるシグナルすなわち欠陥部の輝度をＳ、ノイズすなわち輝度がばらつく量をＮとしたときに、Ｓ／Ｎで表される量である。検査対象は鏡面であり光量が十分に得られるため、ノイズは最大で１％程度を想定した。

図４は、曲率半径Ｒが５０ｍｍまたは２０ｍｍ、幅Ｗが０．１５ｍｍ、０．４ｍｍまたは１ｍｍの欠陥についてのシミュレーション結果である。曲率半径Ｒが大きく幅Ｗが小さいほどシグナル／ノイズ比は小さくなっている。図４の縦軸に示した目標値は、当該値より高い場合に、欠陥部を検出できることを示す。図４の場合は、シグナル／ノイズ比の目標値（許容値）を満たすテレセントリックレンズ１４の焦点位置の範囲は約０．５〜２ｍｍであった。したがって、テレセントリックレンズ１４の焦点位置が鏡面の平坦面から約０．５〜２ｍｍの範囲内において撮像を行うことで、欠陥の検出が可能である。この範囲は、Ｗを０．１５として上記式により得られる値ｂの約０．６倍から約２．７倍の範囲に相当する。

本実施形態による検査装置は、検出すべき欠陥の形状を特定する幅Ｗ、曲率半径Ｒ（第１情報）または、これに追加して撮像側および照明のうちいずれか一方の開口数（第２情報）に基づいてデフォーカス位置を求めることができる。したがって、本実施形態によれば、取得した画像に基づいて欠陥の検査が可能となり、物体の表面の検査に有利な検査装置を提供することができる。

（第２実施形態）
上記実施形態では、テレセントリックレンズ１４をベストフォーカス位置から移動させることを前提としていたが、本実施形態では、テレセントリックレンズ１４のフォーカス位置をデフォーカス位置に合わせるのか否かの判断をする。検査対象の欠陥の曲率半径Ｒと幅Ｗのうち、幅Ｗ／曲率半径Ｒの値が最小となる組み合わせの欠陥について、例えば、光学シミュレーションによりベストフォーカス位置におけるシグナル／ノイズ比を算出する。算出結果が目標値を満たす場合はテレセントリックレンズ１４の焦点位置をベストフォーカス位置に合わせて撮像を行えば良い。目標値を満たさない場合は、テレセントリックレンズ１４の焦点位置をデフォーカス位置に合わせて撮像を行う。デフォーカス位置は、上記実施形態の式により算出される。本実施形態によっても、第１実施形態と同様の効果を奏する。

（第３実施形態）
本実施形態は、ベストフォーカス位置での撮像とデフォーカス位置での撮像とを併用する。ベストフォーカス位置では、ベストフォーカス位置で検出し易いスクラッチ状のキズ、異物、ムラなどの欠陥の検出が可能である。他方、デフォーカス位置ではベストフォーカス位置では検出し難い凹状または凸状の欠陥の検出が可能である。これらを併用する本実施形態によれば、種々の欠陥の検出が可能となる。

以上の実施形態において、デフォーカス位置における撮像を行う場合は、保持部１３を駆動するとしたが、テレセントリックレンズ１４に駆動部を設けて、該駆動部により、または、それと保持部１３の駆動とを併用して焦点位置を変えてもよい。また、同軸落射照明を実現する構成として、テレセントリックレンズ１４にスポット照明１１を組み込んだものを用いたが、別途照明光学系を設けハーフミラーなどを用いて同軸照明とし、撮像を行っても良い。あるいは物体の鏡面に対して斜めに照明する照明光学系と、その正反射方向に撮像光学系を設けた構成としてもよい。さらに、欠陥の検出可否を表す特徴量の目標値としてシグナル／ノイズ比を用いたが、代わりにコントラストなどの指標を用いても良い。また、本実施形態で説明した焦点位置の範囲などは、欠陥の形状に応じて適宜変更することが可能である。なお、上記実施形態では、検査装置１内の演算部１５がデフォーカス位置を算出していたが、検査装置１とは別個の装置にて算出を行ってもよい。

（物品製造方法に係る実施形態）
以上に説明した実施形態に係る検査装置は、物品製造方法に使用しうる。当該物品製造方法は、当該検査装置を用いて物体の検査を行う工程と、当該工程で検査を行われた物体を処理する工程と、を含みうる。当該処理は、例えば、加工、切断、搬送、組立（組付）、検査、および選別のうちの少なくともいずれか一つを含みうる。本実施形態の物品製造方法は、従来の方法に比べて、物品の性能・品質・生産性・生産コストのうちの少なくとも１つにおいて有利である。

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検査装置
１０物体
１１照明部
１３調整部
１８制御部

Claims

物体の表面の検査を行う検査装置であって、
前記表面を照明する照明部と、
前記照明部により照明された前記表面を撮像して画像を出力する撮像部と、
前記撮像部の焦点位置を調整する調整部と、を備え、
前記調整部は、前記表面において検出すべき欠陥の形状に関する第１情報に基づいて、前記焦点位置を調整することを特徴とする検査装置。
前記第１情報は、凸面または凹面として前記形状を特定する情報を含むことを特徴とする請求項１に記載の検査装置。
前記調整部は、前記照明部の開口数および前記撮像部の開口数のうちの少なくとも一方に関する第２情報にも基づいて、前記焦点位置を調整することを特徴とする請求項２に記載の検査装置。
前記調整部は、前記欠陥の幅をＷとし、前記欠陥の曲率半径をＲとし、前記照明部の開口数をＮＡｉとし、前記焦点位置の前記表面からの距離をｂとして、前記距離ｂを

ただし、

により得ることを特徴とする請求項３に記載の検査装置。
前記調整部は、前記欠陥の幅をＷとし、前記撮像部の開口数をＮＡｃとし、前記焦点位置の前記表面からの距離をｂとして、前記距離ｂを

ただし、

により得ることを特徴とする請求項３に記載の検査装置。
前記調整部は、前記欠陥の幅をＷとし、前記欠陥の曲率半径をＲとし、前記照明部の開口数をＮＡｉとし、前記撮像部の開口数をＮＡｃとし、前記焦点位置の前記表面からの距離をｂとして、前記距離ｂを

ただし、βは、

および

のうちいずれか小さい方である、により得ることを特徴とする請求項３に記載の検査装置。
前記調整部は、前記撮像部を移動させる駆動部を含むことを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか1項に記載の検査装置。
前記調整部は、前記物体を保持して可動の保持部を含むことを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか1項に記載の検査装置。
照明部により照明された物体の表面を撮像部により撮像して前記表面の検査を行う検査方法であって、
前記表面において検出すべき欠陥の形状に関する情報に基づいて、前記撮像部の焦点位置を調整することを特徴とする検査方法。
請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の検査装置または請求項９に記載の検査方法を用いて物体の検査を行う工程と、
前記工程で前記検査を行われた前記物体の処理を行う工程と、
を含むことを特徴とする物品の製造方法。