JP2021189044A - 表面検査装置および表面検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】色特性として表れにくい被検査体の表面の３次元形状に由来する微小な欠陥を一度の撮影で広範囲にわたって検出可能な表面検査装置の提供。
【解決手段】
明暗の差を周期的に繰り返す明暗パターンを被検査体の表面に投射する照明手段と、前記照明手段の前記被検査体からの正反射光を受光して撮影する撮影手段と、前記撮影手段により撮影された画像と、前記明暗パターンとを比較することで前記画像から前記被検査体の表面上の微小な形状変化を検出する検出手段と、を有し、前記撮影手段は、前記照明手段からの前記正反射光の反射角θが、条件式（１）：４５°＜θ≦８５°の範囲内に収まる位置に配置されたことを特徴とする表面検査装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面検査装置および表面検査方法に関する。

製造業において、高品質かつ安心・安全な製品を提供するために、検査工程により良品・不良品の判別を的確に行う必要がある。
一般に不良品を判断する欠陥検査において、カメラや照明などの撮像光学系を組み合わせることで、製品の外観を撮影した後、適切な画像処理を行うことで製品表面の欠陥の有無や大きさを判別する方法が知られている。
特に被検査体表面の凹凸を検査する方法としては、被検査体の表面に照明を当てて撮影し、撮影画像を解析して凹凸を検出する方法が従来から広く行われている（例えば特許文献１〜１２等参照）。
しかしながら、このような方法では被検査体の表面が鏡面光沢を有する時など、撮影画像にカメラ等の撮影手段自体や周囲の物体が映り込んでしまい、被検査体の表面の凹凸が隠れてしまう問題があった。
このような映り込みを防ぐためには、照明装置に拡散板を付ける方法があるが、一様な光を照射することとなるため、色特性の差として表れない程度に微小な３次元形状に由来する欠陥等についての検出が難しい。

鏡面光沢を有する被検査体の表面にある微小な３次元形状に由来する欠陥を検知する方法としては、例えば輝線を含む照明を被検査体の表面に照射して反射光を撮影手段により撮影し、撮影画像における輝線の明暗の境界の歪みを検出することで形状欠陥を検出する方法が考えられている（例えば特許文献３、４等参照）。
しかしながら、このような方法では広範囲の検出を行うことが難しいという問題が生じていた。

本発明は、以上のような問題点に鑑みてなされたものであり、色特性として表れにくい被検査体の表面の３次元形状に由来する微小な欠陥を一度の撮影で広範囲にわたって検出可能な表面検査装置の提供を目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明の表面検査装置は、明暗の差を周期的に繰り返す明暗パターンを被検査体の表面に投射する照明手段と、前記照明手段の前記被検査体からの正反射光を受光して撮影する撮影手段と、前記撮影手段により撮影された画像と、前記明暗パターンとを比較することで前記画像から前記被検査体の表面上の微小な形状変化を検出する検出手段と、を有し、前記撮影手段は、前記照明手段からの前記正反射光の反射角が、４５°＜θ≦８５°の範囲内に収まる位置に配置されたことを特徴とする。

本発明によれば、色特性として表れにくい被検査体の表面の３次元形状に由来する微小な欠陥を一度の撮影で広範囲にわたって検出可能である。

本発明の実施形態に係る表面検査装置の全体構成の一例を示す図である。 照明手段によって投影する明暗パターンの構成の一例を示す図である。 図１に示した撮像手段と照明手段との位置関係の一例を示す図である。 図３に示した明暗パターンを被検査体の表面に投射したときの一例を示す図である。 図３に示した明暗パターンを欠陥の無い被検査体の表面に投射したときの理想的な例を示す図である。 表面検査装置の第１の比較例における撮影画像の一例を示す図である。 表面検査装置の第２の比較例を示す図である。 図７に示した第２の比較例における撮影画像の一例を示す図である。 被検査体の表面における光の反射の一例を示す模式図である。 明暗パターンの他の一例を示す図である。 明暗パターンを動的に変化させる場合の構成の一例を示す図である。

本発明の実施形態の一例として図１に表面検査装置１００の概略構成を示す。
本発明の第１の実施形態における表面検査装置１００は、被検査体であるワークＰの表面に向けて明部と暗部とを有する明暗パターンを含んだ投射光１６を照射する照明手段たるハロゲンランプ１０と、投射光１６がワークＰに反射した反射光１７を受光するカメラ２０と、を有している。
表面検査装置１００は、ハロゲンランプ１０を支持する照明支持アーム１１と、カメラ２０を支持する検出器支持アーム２１と、照明支持アーム１１、検出器支持アーム２１、ワークＰ等を支持する不動の架台１と、を有している。
表面検査装置１００はまた、ハロゲンランプ１０やカメラ２０を制御するための制御手段として機能する端末である制御部９を有している。

制御部９は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、メインメモリ（ＭＥＭ−Ｐ）、ノースブリッジ（ＮＢ）、サウスブリッジ（ＳＢ）等を有する計算機である。
制御部９はまた、ＡＧＰ（Ａｃｃｅｌｅｒａｔｅｄ Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｏｒｔ）バス、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ローカルメモリ（ＭＥＭ−Ｃ）を有している。
制御部９はまた、ＨＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ）、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＰＣＩバス、ネットワークＩ／Ｆを有している。

ＣＰＵは、メインメモリに記憶されたプログラムに従って、データを加工・演算したり、上述した各部の動作を制御したりするものである。メインメモリは制御部９の記憶領域としてはたらき、制御部９の各機能を実現させるプログラムやデータを記憶する。あるいはこのプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ−ＲＯＭ、ＦＤ、ＣＤ−Ｒ、ＤＶＤ等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して提供するように構成してもよい。

ローカルメモリ（ＭＥＭ−Ｃ）は、コピー用画像バッファ及び符号バッファとして用いる。ＨＤは、画像データの蓄積、印刷時に用いるフォントデータの蓄積、フォームの蓄積を行うためのストレージである。ＨＤＤは、ＣＰＵの制御にしたがってＨＤに対するデータの読み出し又は書き込みを制御する。ネットワークＩ／Ｆは、通信ネットワークを介して情報処理装置等の外部機器と情報を送受信する。

制御部９は、通信ネットワークなどを介した上位装置（例えばパソコン）との双方向の通信を制御するための通信制御手段として動作する。
制御部９はまた、ハロゲンランプ１０とカメラ２０と接続されており、後述するようにカメラ２０により撮影された画像と、明暗パターンとを比較することでワークＰの表面上の微小な形状変化を検出する検出手段として機能する。

ハロゲンランプ１０は、ワークＰの表面に図２に示すような明暗パターンを含んだ投射光１６を投射する照明手段である。
このような明暗パターンは、例えば図１に示すようにハロゲンランプ１０の出射面にスリット５などを設けることで投影可能である他、拡散板や、複数の帯状の面照明を幅方向に並べて形成するとしても良い。
本実施形態においては、ハロゲンランプ１０の出射面に、明部１２に対応する透過部１４と、暗部１３に対応する遮蔽部１５と、を縞状に設けることで、図２に示したような明暗パターンを形成している。
なお、本実施形態ではハロゲンランプ１０を照明手段として用いたが、その他液晶、ＬＥＤ、蛍光灯、白熱電球、レーザー、プロジェクタ、有機ＥＬ素子等の様々な光源を照明手段として用いても良い。さらに、ディスプレイを用いて明部１２に対応する部分を点灯させ、暗部１３に対応する部分を消灯して、ワークＰに投射光１６を投射する構成であっても良い。

明暗パターンは、本実施形態では円弧状の明部１２と暗部１３とが交互に形成された縞状のパターンを形成する。ここで明部１２はハロゲンランプ１０によって照射された投射光１６のうち照度の高い部分、暗部１３はハロゲンランプ１０によって照射された投射光１６のうち照度の低い部分である。
このように、明暗パターンは、ある方向に対して明暗の差がある明部１２と暗部１３とが周期的に繰り返される構成であれば良く、照射される形状については特に限定されない。
なお、かかる縞状の構成に限定されるものではなく、例えば矩形の明部１２と暗部１３とが互いに隣接し合うブロック形状であっても良い。

カメラ２０は、ワークＰの表面に照射された投射光１６が正反射した反射光１７を受光するＣＣＤやＣＭＯＳ等のセンサー２２と、ズームレンズ、固定焦点レンズ、ティルト機能付きレンズ、テレセントリックレンズ等を用いて構成されたテレセントリック光学系である撮像光学系２３と、を備えたデジタルカメラである。
カメラ２０は、図３に示したように、ハロゲンランプ１０からの投射光１６の入射角θ’とし、反射光１７の反射角θとしたとき、反射角θは次の数式（１）を満足する。

一般に、反射角θを大きくすることで、ワークＰの表面上の欠陥の傾斜方向に対する明暗パターンの歪みが強調され、欠陥の検出が容易となる。なお、ここでいうワークＰ表面上の欠陥とは、例えば理想的なワークＰにはない表面の３次元形状の変化を指しているが、例えば表面の微小な凹凸や歪み、キズなどを含む。
さて、反射光１７の反射角θが４５°以下の場合には、微小な凹凸が検出し辛くなる。他方、反射角θが８５°よりも大きい場合には、微小な凹凸の検出感度は向上する一方で、奥行方向にワークＰの撮影画像面に対する正射影の長さが、ワークＰの実寸に対してｃｏｓ８５°（≒０．０８７）以下の倍率で表示されることとなるために撮影範囲が過剰に潰れてしまう。すなわち、カメラ２０から見たときのワークＰの分解能が不足して、十分な表面検査を行うことが難しくなってしまう。
また、フレネルの式で表されるブリュースター角以上の角度では、ｓ偏光、ｐ偏光ともに反射率が上昇していく。そのため、ワークＰの鏡面性が低いような場合にも、反射を得やすくなって明暗パターンのコントラストが向上するメリットもある。

センサ２１から撮像光学系２３を通して見たとき、ワークＰは光軸に対して斜めに配置されており、ワークＰの表面に射影された明暗パターンの何れの箇所においても焦点があっていることが望ましい。すなわち、撮像光学系２３は、センサ２１の受光面上に像を結ぶように、被写界深度が長い構成がより好ましい。ただし、本発明のように、ワークＰを斜めから見る構成においては特に、ワークＰの奥側と手前側とで生じる遠近差を低減するために、テレセントリック光学系であることが好ましい。
撮像光学系２３をテレセントリック光学系とすることで、ワークＰの手前側と奥側とで撮影された画像上での拡大倍率が等しくなり、ワークＰの撮影範囲全域を同品質で検査可能となる。
また、撮像光学系２３をテレセントリックレンズとすれば、テレセントリックレンズ面に対して垂直に入射した（換言するとレンズ光軸に平行な）光のみを取り込むという効果により、ワークＰの撮影範囲全域に対して同一の反射角θで表面検査を行うことができる。

カメラ２０によって撮影された撮影画像Ｑは、円筒形状のワークＰに照射した時には、例えば図４に示すように撮影される。
このとき、ハロゲンランプ１０によって照射される照射光１６は、明部１２と暗部１３とが交互に形成された明暗パターンとして照射されているから、全く歪みや傷などの表面の欠陥のない理想的なワークＰ’からの反射光１７’は、例えば図５に示す画像のように明暗パターンには歪みのない形でカメラ２０によって撮影されるはずである。
しかしながら、図４に示すように、ワークＰの表面に歪みや傷などがあったときには、撮影画像Ｑには、破線Ａ、破線Ｂで示すような明暗パターンの歪みとして検出される。

制御部９は、図５に示したような理想的なワークＰ’に明暗パターンを含む照射光１６を照射したときの参照画像Ｒと、図４に示したようなカメラ２０によって得られた撮影画像Ｑと、を比較することで、ワークＰの表面に歪みや傷等が生じていないかどうかを検出することができる。
なお、参照画像Ｒは、例えば表面検査装置１００の出荷時に予めリファレンスデータとして理想的なワークＰ’を載置して撮影した画像データであっても良いし、図２に示したような明暗パターンの投射光１６が、ある３次元形状を持ったワークＰ’に投射された時の明暗パターンの形状を表すデータであっても良い。
このとき、ワークＰの表面にハロゲンランプ１０や周囲の物体が映り込んでいたとしても、ワークＰの表面には明暗パターンが映っているために、かかる撮影画像Ｑに含まれる明暗パターンが得られる。
また、明暗パターンにより、ワークＰの表面のわずかな変化も捉えることができるから、ワークＰの表面の微小な凹凸をも確実に検出することができる。
かかる構成により、従来の明度や彩度等の画像の色情報から検出する方法よりもワークＰの歪みや傷などの表面形状の欠陥を精度よく検出することができる。

また、ワークＰの表面が鏡面仕上げされている場合にも、カメラ２０はワークＰの表面に映り込んだハロゲンランプ１０に焦点を合わせることにより、明暗パターンを高精度で撮影することができて、画質の良い明暗パターンの画像を得ることができるから、ワークＰ表面の欠陥の検出精度を高めることができる。
このように、ワークＰの表面が鏡面光沢を有する場合にも、ワークＰの表面の三次元形状の欠陥を検出することができる。

ここで、本発明に対する第１の比較例として、図６に明暗パターンのない投射光１６１を照射した場合の撮影画像Ｑ１を示す。なお、第１の比較例においては、カメラ２０はワークＰに対して反射角７０°の位置になるように斜めに配置されており、ワークＰの表面は鏡面加工が施されている。
すなわち、第１の比較例においては、投射光１６１に明暗パターンのない点で本発明の実施形態と異なっている。
図６から明らかなように、単に数式（１）の範囲内にカメラ２０を設置するだけでは、一点鎖線で示したような投射光１６１の映り込みの境界部分近傍にあるような欠陥部分については検知可能なものの、検知可能な領域が狭いという課題がある。

また、第２の比較例として、図７、図８に明暗パターンについては本発明の実施形態と同様に含む投射光１６２を照射した場合であって、カメラ４０の位置がワークＰ直上に配置された構成における撮影画像Ｑ２を示す。
なお、明暗パターンについては本発明の実施形態と同様に図２、図４に示したような明暗パターンを形成するとし、ワークＰについても同様の形状の物を用いた。

図８から明らかなように、ワークＰの上方からカメラ４０を用いて撮影された撮影画像Ｑ２においては、明暗パターンがワークＰ上に照射されてはいるものの、明暗パターンの歪みを用いて欠陥を検出することが難しい。

この点について図９（ａ）、（ｂ）を用いて更に詳細に説明する。なお、図９（ａ）（ｂ）ではハロゲンランプ１０から照射された照射光１６と、欠陥の無いワークＰ表面で反射された正反射光を実線で示し、欠陥があった場合の正反射光を一点鎖線で示している。
また、図９（ａ）において円で囲まれた欠陥部Ａ近傍を拡大し、光線の模式図を追加したものが図９（ｂ）である
本発明の実施形態においては、ワークＰとハロゲンランプ１０とに対するカメラ２０を斜めに、数式（１）を満足するような位置で配置するとともに、ワークＰにハロゲンランプ１０から明暗パターンを含む投射光１６を照射している。
このように、明暗パターンを含む投射光１６をワークＰに照射するとともに、投射光１６の正反射の方向に配置されたカメラ２０へ向かう反射光１７の反射角θとしたとき、反射角θが数式（１）を満足することとすると、明暗パターンの歪みから微小な凹凸を検知することができるとともに、ワークＰの実寸サイズに対して画像面に対する正射影の長さを十分に確保できるから、画像の分解能を確保することができる。

また、明暗パターンの歪みは、表面形状の微小な凹凸や傷などの欠陥の有無による光の正反射のずれに起因する。ワークＰにおける欠陥の無いフラットな面での正反射光と、欠陥部分での正反射光とのずれは、欠陥部分からの距離が遠ざかる程大きくなる。
すなわち、明暗パターンの歪みがカメラ２０をワークＰから離すことで徐々に強調されていくことを示している。また、正反射光を受光するためにハロゲンランプ１０とワークＰとカメラ２０との間の位置関係は一意に定まるから、入射光である投射光１６についても光路の長さが長いほど歪みの影響が大きくなる。
すなわち、ハロゲンランプ１０とワークＰとカメラ２０とは、互いに配置される角度が数式（１）の範囲内で規定されつつも、照明手段であるハロゲンランプ１０とワークＰとの間の距離は出来るかぎり遠ざけた方が、明暗パターンの歪みを大きく検知することができる。

具体的には、ワークＰの表面上の微小な３次元形状の欠陥部Ａとして、ハロゲンランプ１０によりワークＰの表面に投影された明暗パターンの正反射における法線と垂直な方向の変位をｘ、ｘに対する法線方向の変位をｙと定義し、カメラ２０により撮影された撮影画像ＱにおけるワークＰ表面の分解能をδ、入射光たる投射光１６の光路長Ｌとする。このとき、ワークＰの表面上の欠陥は、微小な凹凸であるからｙはｘに対して十分に小さい（ｙ＜＜ｘ）。

このとき、ｙ／ｘ＝ｔａｎφとなる角度φとすると、ｙ＜＜ｘよりｙ／ｘ＝ｔａｎφ≒φ（ｒａｄ）である。図９（ｂ）から明らかなように、このｙ／ｘあるいはｔａｎφは、欠陥部Ａにおける傾斜を表している。
つまり欠陥部Ａにおいて、法線の角度は理想的なワークＰの表面の法線方向からφだけずれることとなる。このとき、欠陥の無いフラットな面での正反射光の反射角θであり、反射角θの方向にカメラ２０が設置されているから、欠陥部Ａがあるときには、ハロゲンランプ１０の同一位置から照射された光線は、法線の傾きによってカメラ２０とは異なる方向に反射されてしまう。カメラ２０がテレセントリック光学系であるなら、欠陥部Ａがあるときにカメラ２０に入射する光線は、反射角θ＋φとなるような光線である。すなわち、理想的な入射光と、欠陥部Ａでの正反射光がカメラ２０に受光されるような入射光との角度のずれは２φで表される。
言い換えるとカメラ２０に入射するためには、入射光側で２φの角度のずれを持つ光である必要がある。ｙ＜＜ｘより、φが十分小さいので図９（ｃ）に示すように２つの同一な長さＬの光線によってつくられる弧の長さは２Ｌｔａｎφ＝２Ｌφとなる。

以上の説明により、理想面の正反射光に対して、カメラ２０に入射する欠陥部Ａで反射された正反射光は、かかる弧の長さ２Ｌφだけずれた位置からの投射光１６を受光することとなる。既に説明したように、ハロゲンランプ１０は図２に示すような明部１２と暗部１３とが周期的に繰り返す明暗パターンを投射するのであるから、このような入射位置のずれが、カメラ２０に撮影される撮影画像において図４に例示するような明暗パターンの歪み、ずれとして計測されることとなる。
欠陥による明暗パターンの歪みを強調させるためには、この弧の長さ２Ｌφが、分解能δの２倍以上であることが望ましい。すなわち、数式（２）、（３）を満足することが好ましい。

さて、ハロゲンランプ１０からワークＰまでの距離が遠ざかる程、光の拡散の影響によってワークＰに照射される明部１２と暗部１３との間の輝度コントラストが下がってしまう。
特にカメラ２０によって撮影された撮影画像Ｑにおいて、明部１２の輝度が暗部１３の輝度に対して１．３倍未満となるような条件下では、明暗パターンの明部１２と暗部１３との区別が難しくなってしまい、欠陥の検出が難しくなってしまう。
そこで、ハロゲンランプ１０とワークＰとカメラ２０とは、明部１２の輝度が暗部１３の輝度に対して１．３倍以上となるような位置に配置されることが好ましい。
なお、かかる明部１２と暗部１３との間の輝度差については、ハロゲンランプ１０とワークＰとカメラ２０との間のそれぞれの距離の他、ハロゲンランプ１０の透過部１４と、遮蔽部１５との間の透過率の差等によっても生じるため、撮影画像Ｑにおける明部１２と暗部１３との輝度差を条件とすることがより好ましい。

また、明暗パターンは、明部１２と暗部１３とが周期的に繰り返されることが好ましい。
明暗パターンは、ワークＰの表面に均一に明暗パターンが投影されるように、ワークＰの３次元形状に応じてハロゲンランプ１０側に明暗パターンが設定されていることが好ましい。具体的には、例えば図４に示したような円筒形状のワークＰに対しては、照射した時に明部１２と暗部１３とが交互に縞状の線として投影されるようにアナモルフォーシス技法を参考にしたパターン設計により設定されることが好ましい。
なお、このような「３次元形状に応じたパターン」については、かかる構成に限定されるものではなく、ハロゲンランプ１０の形状や位置、カメラ２０の位置や検査の走査方法に応じて自由に変形して良い。

さらに、明暗パターンの明部１２と暗部１３との周期性を持つ方向への幅（例えば、図４に示すＹ方向に沿った方向への幅）が、何れも欠陥の幅の１倍以下であることが検出感度の観点から好ましい。
すなわち、検出しようとする欠陥の幅よりも明部１２の幅と暗部１３の幅とが小さくなるように、明部１２と暗部１３とが設定されることが好ましい。
かかる構成によれば、明部１２と暗部１３との境界部において欠陥があったときに反射光から明暗パターンの歪みが検知されるから、かかる境界部が欠陥と交差する頻度、回数を高めることで、明暗パターンの歪みによる欠陥の検出精度をより向上させることを目的としている。
この際、明部１２と暗部１３との幅の設計の変更によるもの以外にも、例えば明暗パターンの歪みを、明部１２または暗部１３の何れかの位相を任意の値だけ動かして投影することでも、実質的に本来の明部１２と暗部１３との有する幅よりも狭い間隔で欠陥の検出を行うことができる。

さらに、明部１２と暗部１３との間は、前述の幅方向において、明部１２に対する暗部１３の比率が０．５〜２．０の範囲内であることが明暗のコントラスト確保を維持する観点から有利であって、検出感度を確保する上で好ましい。

明暗パターンが撮影された撮影画像Ｑにおいて、明暗パターンの形状は例えば縦、横、斜め、十字、多次元関数等、様々な形状をとって良いが、最も好ましくは縞形状である。
これは、明部１２と暗部１３との間の境界部分が明確であって、さらに欠陥と交差する頻度、回数を高めることで欠陥を検出しやすくすることができるためである。

また、互いに矩形の明部１２と暗部１３とが互いに交互に隣接し合う、図１０に示したようなブロック形状であっても良い。このようなブロック形状とすることによれば、単位面積当たりの明暗の境界部が占める面積が増加するため、欠陥と明暗の境界部とが交差する頻度や回数を確保して、検出しやすくするためである。

また、明暗パターンは、明部１２と暗部１３とがスリット５の透過部１４と遮蔽部１５とによって静的に形成されるものであっても良いし、スリット５や液晶素子、その他光学部材を用いて、透過部１４と遮蔽部１５との位置を動的に変化させて明部１２と暗部１３との配列を動的に変化させるものであっても良い。
また、このような場合には、図１１に示すように、互いに隣接する明部１２と暗部１３との１組を１周期と定めて、図１１（ｂ）の位相表に従って変動するようなものであっても良い。なお、図１１（ｂ）において、白が明部１２、黒が暗部１３に対応しており、「位相をπだけ動かす」ことは明部１２と暗部１３とを互いに反転させることを表している。このとき、スリット５は、明暗パターンの位相を任意の値だけ動かすことを可能とする位相変化手段として機能する。
また、ハロゲンランプ１０に代えて液晶ディスプレイ等を照明手段として用いる場合には、点灯と消灯によって明部１２と暗部１３とを任意に切替可能であるので、かかる照明手段が、位相変化手段としての機能をも有することとなる。

また、制御部９による比較を定量的に行うためには、撮影画像Ｑの観察視野の水平方向に対して平行または略平行に明部１２と暗部１３との境界部が形成されることがより好ましい。
このように明暗パターンの形状が平行または略平行に撮影画像Ｑに撮影されることによれば、画像処理による明暗パターンの歪みの定量化が簡便になる効果がある。

カメラ２０は、ワークＰの表面そのものではなく、ワークＰの表面に映り込んだハロゲンランプ１０に投影される明暗パターンに焦点を合わせて撮影を行われる。
このように、映り込んだハロゲンランプ１０に焦点を合わせるとはすなわちワークＰの表面に投射された明暗パターンに焦点を合わせることと等しい。
このようにカメラ２０の焦点を調整することで、明暗パターンの歪みを検出しやすくなって検査のＳＮ比の向上に寄与する。

本発明にかかる表面検査装置１００は、撮影画像Ｑを複数の領域に分割して検査しても良い。
このように各領域に区切ることで、領域ごとに検査の閾値を設定することができるので、より細分化したワークＰの表面の３次元形状の評価を行うことができる。
このような撮影画像Ｑの領域の分割は、ワークＰの大きさや３次元形状、投影される明暗パターンの周期や形状によって個別に設定することが好ましい。
また、制御部９が行う撮影画像Ｑと参照画像Ｒとの比較あるいは３次元形状の評価は、周波数フィルタリングを用いた画像処理や時間変化法、位相シフト法、その他のルールベースに基づく画像処理方法全般、および機械学習やディープラーニングによる画像処理法を用いても良い。
これらの画像処理方法を用いて撮影画像Ｑに写った明暗パターンから、ワークＰの欠陥によって生じる明暗パターンの歪みを検出することにより、ワークＰの表面の凹凸などの欠陥を検出することができる。
また本発明に係る表面検査装置１００は、従来の装置では検出が困難であった塗膜上の微小な膜厚段差や、異物による凹凸を容易に精度よく検出することができる。
またかかる表面検査装置１００によって検査されるワークＰは、投影された明暗パターンに対する反射光があればよく、光沢を有する塗装面や金属面、ガラス面等、さまざまなワークＰに対して適用することができる。

以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

９ 検出手段（制御部）
１０ 照明手段（ハロゲンランプ）
１２ 明部（明暗パターンの一部）
１３ 暗部（明暗パターンの一部）
２０ 撮影手段（カメラ）
１００ 表面検査装置
Ｐ 被検査体（ワーク）
Ｑ 撮影画像
Ｒ 参照画像

特開平１１−１３２９６４号公報 特許第４６８５９７１号公報 特開２００５−３３７８５７号公報 特許第５８９５７３３号公報 特許第５１８２８３３号公報 特許第６４２０１３１号公報 特開２００９−１６８４５４号公報 特開２００７−０７１５６２号公報 特開２０１０−２３０６８４号公報 特開２００６−０１７４８１号公報 特開２０１２−０６３１９０号公報 特開２００２−１４８０２９号公報

Claims (10)

1. 明暗の差を周期的に繰り返す明暗パターンを被検査体の表面に投射する照明手段と、
   前記照明手段の前記被検査体からの正反射光を受光して撮影する撮影手段と、
   前記撮影手段により撮影された画像と、前記明暗パターンとを比較することで前記画像から前記被検査体の表面上の微小な形状変化を検出する検出手段と、を有し、
   前記撮影手段は、前記照明手段からの前記正反射光の反射角θが、条件式（１）：
   ４５°＜θ≦８５°
   の範囲内に収まる位置に配置されたことを特徴とする表面検査装置。
2. 請求項１に記載の表面検査装置において、
   前記被検査体の表面上の前記形状変化は、前記照明手段により前記被検査体の表面に投影された前記明暗パターンの正反射における法線と垂直な方向の変位をｘ、前記ｘに対する前記法線方向の変位をｙ、としたとき、前記撮影手段によって撮影された前記画像における前記被検査体の表面の分解能をδ、前記入射光の長さをＬとしたとき、条件式（２）：
   Ｌ≧δｘ／ｙ
   を満足することを特徴とする表面検査装置。
3. 請求項１または２に記載の表面検査装置において、
   前記明暗パターンは、前記撮影手段によって撮影された画像における明部の輝度が暗部の輝度の１．３倍以上となることを特徴とする表面検査装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１つに記載の表面検査装置において、
   前記明暗パターンの形状が明部と暗部とを交互に繰り返す縞形状であることを特徴とする表面検査装置。
5. 請求項１乃至３の何れか１つに記載の表面検査装置において、
   前記明暗パターンの形状が、明部と暗部とが互いに隣接し合うブロック形状であることを特徴とする表面検査装置。
6. 請求項１乃至５の何れか１つに記載の表面検査装置において、
   前記照明手段は、前記明暗パターンの位相を任意の値だけ動かすことを可能とする位相変化手段を有することを特徴とする表面検査装置。
7. 請求項１乃至６の何れか１つに記載の表面検査装置において、
   前記被検査体は円筒形状であることを特徴とする表面検査装置。
8. 請求項１乃至７の何れか１つに記載の表面検査装置において、
   前記撮影手段は、前記被検査体の表面に写り込んだ前記照明手段に焦点を合わせて撮影することを特徴とする表面検査装置。
9. 請求項１乃至８の何れか１つに記載の表面検査装置において、
   前記検出手段は、前記撮影手段によって撮影された画像を当該画像中の前記明暗パターンと、検出したい前記形状変化の大きさとに基づいて複数の領域に分割し、各領域に含まれる前記明暗パターンに基づいてそれぞれの領域毎に前記被検査体の表面上の微小な形状変化を検出することを特徴とする表面検査装置。
10. 被検査体の表面に照度を与える光源部と、前記被検査体の３次元形状に応じた周期的な明暗パターンを前記被検査体の表面に投影する明部と暗部とを備えた照明手段と、
    前記明暗パターンからの正反射光を反射角θが４５°＜θ≦８５°を満足する位置で受光して撮影する撮影手段と、
    前記撮影手段により撮影された画像から前記明暗パターンの周期性に対する歪みを検出することで前記被検査体の表面上の微小な３次元形状に由来する欠陥を検出する検出手段と、を用いることを特徴とする表面検査方法。

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