JP4271593B2 - 表面傷検査装置 - Google Patents

Description

この発明は、球体表面の傷の有無を光学的に検査する表面傷検査装置に関する。

従来のレーザー光を用いた光学的表面傷検査装置は図４に示すように、一対の組み合わせレンズ１３，１４をレーザダイオード１１と被検査物１２との間に配設すると共に、光電変換素子として細長いフォトダイオード１５が設けられており、レーザダイオード１１からのレーザー光束はビームスプリッタ１６を透過し集光レンズ１４を経て被検査物の中心に向かって絞り込まれ、レーザー光は回転する被検査物１２の表面に対して垂直に照射される。

このとき被検査物表面でのレーザー光照射部の断面形状は円形である。（例えば特許文献１参照）
そして、反射光の干渉縞がセンサー内に入ることを避けるため、細長いスリットや横長センサーを用いて干渉縞をカットしている。また判定は一定電圧の閾値を傷信号が越えた場合に傷とするようにしている。

また光の焦点を球のほぼ中心に合わせることで、異なるサイズの玉においても測定系を変更することなく、大きな玉では大きな傷、小さな玉では小さな傷を検知できるようにしている。
特開平７−３３３１５７号公報

しかしながら、以上の従来技術によれば、安価で小型な低出力レーザー光源を用いた場合、照射面積が大きいと照射エネルギー密度が低く、そのため傷による信号変化が小さく、特に大きな球における小さな傷の検知が難しい。

逆に照射面積が小さいと照射エネルギー密度は大きくなるが検査面積が小さいために検査時間が長くなってしまう。さらに反射光のスリット状の一部のみを受光するため光の利用効率が悪い。

そこで、本発明は、低出力レーザー光源を用いても球体表面の傷による信号変化が小さくならず、かつ高速検査が可能な光学的表面検査装置を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するために、本発明はレーザー発振器１と、そのレーザー光を伝送する伝送光学部品８と、伝送後のレーザー光を平行ビームとするコリメータ４と、該平行ビームを集光し被検査球体表面２に照射する照射光学部品７と、照射光とほぼ同一光路を逆進する、被検査球体表面２で反射されたレーザー光を集光する円筒面レンズ５と、集光された反射光を受光する受光素子６と、受光素子６からの信号を処理する電気回路とを有する表面傷検査装置において、前記照射光学部品７として２枚の円筒面レンズを使用し、平行ビームを長軸方向と短軸方向を別々に集光し、数十〜数百μｍの照射幅としてレーザー光束の照射部３の垂直投影形状を最適化した線状形状で、かつ被検査球体表面２に垂直に照射できるよう構成したことを特徴とし、これに伴って被検査球体表面で反射されたレーザー光は線状に集光され、該線状に集光された反射光が受光素子により受光されるようになつている。

ここで、前記受光素子としてはフォトダイオードアレイセンサー６を使用することが好ましく、また受光素子からの信号を処理する電気回路として低周波成分を傷信号判別用閾値波形とする電気回路や傷信号波形時間幅を傷信号判別用閾値とする電気回路が使用される。

本発明によれば、低出力レーザー光源を用いてもレーザー光束の照射部を垂直投影形状を最適化した線状形状としたから球体表面の傷による信号変化が小さくならず、かつ信頼性の高い高速検査が可能な光学的表面傷検査装置を提供することができる。

以下、更に本発明の実施形態を添付図面に従って説明する。図１，図２は本発明の１実施形態であり、図２は図１を側面からみた図である。これら図において１はレーザー発振器、８はレーザー光を伝送する伝送光学部品、４は伝送後のレーザー光を平行ビームとするコリメータ、７は上記平行ビームを集光し、被検査物表面に照射する照射光学部品、５は上記照射光とほぼ同一光路を逆進する被検査球体表面２で反射されたレーザー光を集光する円筒面レンズ、６は該集光された反射光を受光する受光素子であり、図示してしないが受光素子６からの信号を処理する電気回路が設けられている。

レーザー発振器１はＨｅ−Ｎｅレーザーや半導体レーザー等の低出力レーザーよりなり、レーザー発振器１から出力されたレーザー光は伝送光学部品であるシングルモードファイバー８によりコリメータ４まで伝送される。コリメータ４は入射光を平行光、即ち平行ビームにするものであり、伝送されたレーザー光はコリメータ４により平行ビームにされ、照射光学部品７に送られる。

照射光学部品７は２枚の円筒面レンズが使用され、これら２枚の円筒面レンズにより平行ビームは長軸と短軸が別々に集光され、従来装置におけると同じく回転する被検査球体２の表面に対して垂直に、かつ数十〜数百μｍの照射幅をもって照射される。即ち、図２では１枚目の円筒面レンズ７により短軸方向のみが球表面に焦点が来るよう集光され、図１では２枚目の円筒面レンズ７により長軸方向のみが球中心に焦点が来るよう集光され、これにより球表面で照射部３は短軸が数十μｍ、長軸が数ｍｍの線状ビームとなって照射される。

そして、被検査球体表面に照射された照射光は被検査球体表面で反射され、この反射したレーザー光は照射光とほぼ同一光路を逆進する。そしてこの逆進した反射光は光路途中に設置されたハーフミラー１０及び円筒面レンズ５により受光素子６であるフォトダイオードアレイセンサーに入射される。この場合、レーザー光の中心部のみを使用することで前記フォトダイオードアレイセンサーの１素子内の光強度分布を均一にし、１素子内各部位での信号差を小さくする。

また、前記円筒面レンズ及び被連鎖球体を含めた球面収差を光学的に補正することで、前記フォトダイオードアレイセンサーの各素子に対応する被検査球体表面上のビーム長さを均一にする。更にはフォトダイオードアレイセンサーの複数の素子に跨る高周波信号波形のみを加算することも一方法である。

かくして被検査球体表面に傷があった場合、傷部分に対応する一つ若しくは複数のセンサー信号が低下（正反射光）もしくは増加（散乱光）する。そしてこの信号変化により傷の有無を検知する。

なお、受光素子６からの上記傷の有無を検知する信号変化は電気回路によって処理されるが、この信号の変化に対応して低周波部分を傷信号判別用閾値波形とする電気回路、あるいは傷信号波形時間幅を傷信号判別用閾値とする電気回路が使用され、処理される。

以上のように上記図１及び図２に示す実施例では、照射部３のレーザー光断面形状が照射幅をもつ線状であることから従来の円形に比べてパワー密度を１０倍以上高くすることができた。そして、この効果により、傷による信号変化が大きくなり、より好感度に顕出できる。さらにビームサイズが数十μｍ×数ｍｍであることから、大きな被検査球体に存在する数十μｍ程度の微少傷を高速で検知できた。

なお、図１及び図２の実施例では、１枚目の円筒面レンズにより短軸方向のみが球表面に焦点がくるよう集光され、球正面上に数十μｍの長さで投光される。同じ円筒面レンズを球体に近づけるか、もしくはより焦点距離の長い円筒面レンズを用いて、図３に示すように焦点を球中心にすることも可能である。この場合、球表面でのビーム幅は数百μｍとなり、稍大きめの傷を検出できた。

この発明の一実施形態を示す平面図である。 上記図１の側面図である。 この発明の一実施形態を示す平面図である。 従来技術を示す平面図である。

符号の説明

１．レーザー発振器
２．被検査対象物
３．レーザー照射部
４．コリメータ
５．円筒面レンズ
６．フォトダイオードアレイ
７．円筒面レンズ
８．光ファイバー
９．スリット
１０．ハーフミラー

Claims (2)

1. レーザー発振器と、そのレーザー光を伝送する伝送光学部品と、伝送後のレーザー光を平行ビームとするコリメータと、コリメータで平行とされた平行ビームを集光し被検査球体表面に照射する照射光学部品と、照射光とほぼ同一光路を逆進する被検査球体表面で反射されたレーザー光を集光する円筒面レンズと、集光された反射光を受光する受光素子と、受光素子からの信号を処理する電気回路とを有してなる表面傷検査装置において、前記照射光学部品をコリメータで平行とされた平行ビームを２枚の円筒面レンズにより長軸と短軸別々に集光し、レーザ光の断面形状を照射幅が数十〜数百μｍの線状にして被検査球体表面に垂直に照射せしめるよう構成したことを特徴とする表面傷検査装置。
2. 受光素子としてフォトダイオードアレイセンサーを使用する請求項１記載の表面傷検査装置。

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