JP4723838B2

JP4723838B2 - 表面欠陥検査装置

Info

Publication number: JP4723838B2
Application number: JP2004273761A
Authority: JP
Inventors: 泰三中村; 義雄猿木
Original assignee: Mitutoyo Corp
Current assignee: Mitutoyo Corp
Priority date: 2004-09-21
Filing date: 2004-09-21
Publication date: 2011-07-13
Anticipated expiration: 2024-09-21
Also published as: JP2006090747A

Description

本発明は表面欠陥検査装置、特に検査対象物の表面にレーザビームを照射し、表面での散乱光により欠陥を検出する技術に関する。

長手方向に高速に移動するケーブルや丸棒、電線、光ファイバ等の表面欠陥をレーザ光（レーザビーム）を照射して検出する技術が知られている。

下記に示す特許文献に記載された欠陥検査装置には、駆動鏡を用いてレーザビームを走査することにより、検査対象物の表面にレーザビームを照射させ、表面で反射したレーザビームを受光素子で受光してその強度により欠陥を検出している。

特開昭５３−２７０８７号公報

しかしながら、このようにレーザビームを走査して検査対象物の表面に照射する構成では、走査して照射するための時間を要することとなり、特に長尺状あるいは円筒状の検査対象物を長手方向に移動させながら各位置においてその表面欠陥を検出しようとする場合、トータルの検査時間が著しく増大してしまう問題がある。

また、検査対象物が長手方向に高速で移動している場合、レーザビームを走査して照射する構成では、走査速度によっては表面の一部に検査漏れが生じてしまう事態も想定される。

さらに、検査対象物の表面にレーザビームを照射し、欠陥の有無によりその反射光の強度が変化することを利用して欠陥を検出しているため、欠陥検出の精度が低く、微小な欠陥を検出することが困難である。

本発明の目的は、検査対象物の表面の欠陥を、高速かつ高精度に検出することができる装置を提供することにある。

本発明は、長尺状の検査対象物の表面にレーザビームを照射することで表面欠陥を検出する表面欠陥検査装置であって、レーザビームを射出する単一光源と、前記レーザビームをリング状に整形する手段と、リング状レーザビームを、前記検査対象物の長手方向に沿った任意の位置においてそのリングでその表面を囲むように略全周的に照射する手段と、前記任意の位置においてその表面を略全周的に囲むように配置され、前記リング状レーザビームの表面での散乱光を検出する手段とを有し、前記整形する手段は、コーンレンズであり、前記照射する手段は、前記単一光源及び前記コーンレンズと同一光軸上に配置され、前記コーンレンズからのリング状レーザビームを集光するレンズと、前記レンズと同一光軸上に配置され、かつ、前記光軸に対して略直交するように配置された検査対象物がその開口を貫通するように配置され、前記レンズからのリング状レーザビームを反射するドーナツ状ミラーとを有し、前記検査対象物の径を前記集光するレンズの焦点位置における前記リング状レーザビームの径よりも小さく設定することで前記検査対象物に対する照射位置を焦点位置よりも遠方にして光の回り込みにより前記ドーナツ状ミラーの影領域を消失させ、前記散乱光により表面欠陥を検出することを特徴とする。

本発明では、レーザビームをリング状レーザビームに整形し、このリング状レーザビームを検査対象物の任意の位置、すなわち表面欠陥の有無を検出しようとする所望の位置に照射する。図１０に模式的に示されるように、検査対象物１に対し、リング状レーザビーム２はその周囲を取り囲むように集光され、任意の位置Ｐにおいて検査対象物１の表面に同時に照射される。検査対象物１の表面に欠陥がなく滑らかあるいは平坦である場合には、その照射角に応じた反射角で反射するが、表面に欠陥が存在する場合にはリング状レーザビームは散乱する。そこで、任意の位置Ｐにおいて表面を取り囲むように配置された検出手段で散乱光を全周的に検出することで、検査対象物の任意の位置Ｐにおける表面欠陥を全周にわたり同時に検出できる。

本発明によれば、単一光源のレーザビームを用いて検査対象物の任意の位置における表面を全周的に同時に検査することができる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

図１には、第１実施形態に係る表面欠陥検査装置の全体構成図が示されている。表面欠陥検査装置は、光源である半導体レーザ（ＬＤレーザ）１０、レーザビームをリング状に整形するコーンレンズ１４、リング状レーザビームを検査対象物２０の所望の位置に導く光学系、検査対象物２０の表面に照射され欠陥により散乱された光を検出するセンサ２４を含んで構成される。光源としては半導体レーザ以外のレーザであってもよく、コーンレンズ１４に平行光を入射すればよい。

ＬＤレーザ１０は、任意波長のレーザ光をビーム状に射出する。ＬＤレーザ１０から射出されたレーザ光はコリメータレンズ１２に入射し、平行光とされた後にコーンレンズ１４に入射する。

コーンレンズ１４は、円錐形状を有するレンズであり、ＬＤレーザ１０、コリメータレンズ１２と同一光軸上に配置される。コーンレンズ１４は、円錐形状の底面側から入射したビームを円錐の側面側から射出することでリング状ビームを生成する。すなわち、底面側から入射したレーザビームを円周方向に分散させることでリング状ビームを生成する。コーンレンズ１４の円錐頂角を調整することでリング状ビームの形状を調整できる。レーザビームをリング状に整形するのは、リングの開口に検査対象物２０を配置するようにし、リングの内側に絞りこむように集光することで検査対象物２０の表面に全周的に照射するためであり（図１０参照）、レーザビームのエネルギをリング部に集中させるためである。本実施形態ではリング状ビームを形成するためにコーンレンズ１４を用いているが、他の光学機器を用いてもよい。コーンレンズ１４によりリング状ビームに整形する技術は、例えば特開平１０−３００４３８号公報にも開示されている。コーンレンズ１４でリング状に整形されたビーム（照射レーザ光１５）は、発散角αでレンズ（集光レンズ）１６に入射する。レンズ１６は、ＬＤレーザ１０及びコーンレンズ１４と同一光軸上に配置され、リング状ビームを楕円ドーナツ状ミラー１８に導く。

楕円ドーナツ状ミラー１８は、コーンレンズ１４及びレンズ１６の光軸に対して約４５度の角度で配置され、かつ、光軸に対して略直交するように配置された検査対象物２０がその開口を貫通するように配置される。楕円ドーナツ状ミラー１８がドーナツ状、すなわち開口を有するのは、このように検査対象物２０が貫通するためである。楕円ドーナツ状ミラー１８は、レンズ１６からのリング状ビームを反射し、検査対象物２０の所望の位置、すなわち検査すべき表面位置に導く。楕円ドーナツ状ミラー１８は、楕円ミラーの中央部を除去することで構成され、検査対象物２０が高速で移動した場合にも接触することなく貫通できる程度の開口面積を有していればよい。また、その外形は円あるいは楕円である必要はなく、矩形あるいは多角形でもよい。

検査対象物２０は、ケーブルや電線、光ファイバなどの円筒状あるいは長尺状の形状を呈し、駆動機構（不図示）によりその長手方向に高速で移動する。例えば、検査対象物２０をケーブルとした場合、巻取機により高速で巻き取られる結果、ケーブルは高速で図中上下方向に移動する。検査対象物２０は、ＬＤレーザ１０、コーンレンズ１４、レンズ１６の光軸に略直交するように配置され、楕円ドーナツ状ミラー１８の中央開口を貫通するように配置される。

検査対象物２０は楕円ドーナツ状ミラー１８を貫通するように配置されているため、ビームの進行方向から見ると（図１における矢印Ｖ方向）、図２に示すように楕円ドーナツ状ミラー１８の一部が検査対象物２０の影となって影領域Ａが存在する。したがって、楕円ドーナツ状ミラー１８でリング状ビームを反射させ、検査対象物２０の所望位置Ｐにリング状ビームを照射する場合、位置Ｐがレンズ１６の焦点位置に相当するときには影領域Ａの存在により表面を全周的に照射することができなくなる。そこで、照射位置Ｐは焦点位置よりも遠方に設定し、光の回り込みにより影領域Ａをカバーすることが望ましい。具体的には、リング状ビームが発散角αでレンズ１６に入射する場合、検査対象物２０の径φを焦点位置におけるリング状ビームの径より小さく設定すればよい。これにより、影領域Ａをなくし、位置Ｐにおいて検査対象物２０の表面を全周的に照射できる。

円筒状センサ２４は、位置Ｐにおいて検査対象物２０の周囲を取り囲むように配置される。円筒状センサ２４は、フォトダイオード等の受光素子を円筒の内側に複数配置して構成され、検査対象物２０の表面全周の散乱光２２を検出する。楕円ドーナツ状ミラー１８で反射され、位置Ｐにおいて全周的に検査対象物２０に照射されるリング状ビームは、位置Ｐにおいて反射され、反射光２６として射出される。一方、位置Ｐにおいて検査対象物２０の表面に欠陥が存在すると、その欠陥の凹凸によりリング状レーザビームは散乱し、散乱光２２が生じる。円筒状センサ２４は、この散乱光２２を検出することで検査対象物２０の表面欠陥を検出する。検査対象物２０は長手方向に沿って高速移動しており、したがって楕円ドーナツ状ミラー１８により反射されてリング状ビームが照射される位置Ｐにおける表面も高速で移動する。円筒状センサ２４は、検査対象物２０の長手方向の位置の関数として散乱光２２の有無を検出することで、検査対象物２０の長手方向にわたって表面欠陥の有無を検出することができる。円筒状センサ２４で散乱光２２のみを検出するため、円筒状センサ２４のセンサの幅と位置とで定まる受光角よりもリング状ビームの照射角（検査対象物２０に対する照射角）を小さくし、照射レーザ光１５や反射レーザ光２６を誤って検出しないように調整することはいうまでもない。本実施形態では散乱光２２のみを検出するために円筒状センサ２４を用いているが、照射レーザ光１５がセンサに入射しないように検査対象物２０の照射位置に対してセンサ位置をずらす、あるいは円筒状センサ２４の直径を適切に選ぶ等の方法も可能である。

本実施形態では、リング状ビームを用いて検査対象物２０の表面を全周的に照射するため、たとえ検査対象物２０が高速で移動してもビームの照射漏れがなく、表面の欠陥を検出することができる。また、円筒状センサ２４により散乱光２２を検出することで表面欠陥の有無を検出する構成であるため、反射光の強度変化により表面欠陥を検出する場合に比べて高精度に表面欠陥を検出できる。具体的には、円筒状センサ２４では、ある信号レベル以上の信号を受光することで表面欠陥ありと検出する。また、本実施形態では、単一の光源であるＬＤレーザ１０からのレーザビームをリング状ビームに整形して検査対象物２０に全周的に照射しているため、単一の光源からのレーザ光を駆動ミラーにより走査して全周的に照射する、あるいは複数の光源を用いて全周的に照射する場合に比べて簡易な構成で高速に表面欠陥を検査できる。

図３には、第２実施形態の全体構成が示されている。上記の第１実施形態では、ＬＤレーザ１０、コリメータレンズ１２、コーンレンズ１４からなるレーザ照射ユニットは光軸に対する位置が固定されているが、図３に示されるレーザ照射ユニット１７は光軸に沿って移動自在に構成されている。レーザ照射ユニット１７を光軸に沿って移動させると、レンズ１６に入射するリング状レーザビームの入射位置が変化する。しかし、楕円ドーナツ状ミラー１８で反射されて検査対象物２０に照射される照射位置Ｐは変化しないので、その照射角βが変化することとなり、レンズ照射ユニット１７の位置を調整することで照射角βを調整することができる。レーザ照射ユニット１７の位置を全体的に移動させるのではなく、少なくともコーンレンズ１４の光軸上の位置を移動させることで同様に照射角βを変化させることもできる。また、コーンレンズ１４の光軸上の位置を移動させるのではなく、その円錐頂角が互いに異なる複数のコーンレンズ１４を予め用意しておき、これらを順次切り替えて光軸上に配置することで照射角βを変化させてもよい。

円筒状センサ２４は、検査対象物２０の表面欠陥による散乱光２２を検出するが、表面欠陥の形状によっては特定の照射角βでは散乱光２２を検出できない場合も生じ得る。そこで、例えば検査対象物２０に存在するであろう表面欠陥の形状を事前に予測し、その形状に応じた照射角βを設定すべくレーザ照射ユニット１７を光軸に沿って移動させる。検査対象物２０を検査する前に、まず試行検査としてレーザ照射ユニット１７の位置を種々変化させて照射角βを変化させ、最も良好に散乱光２２のみを検出できる照射角βを選択し、その位置にレーザ照射ユニット１７を設定して本検査に移行してもよい。

図４には、第３実施形態の全体構成図が示されている。第１及び第２実施形態では、リング状ビームを検査対象物２０に照射するために楕円ドーナツ状ミラー１８を用いているが、この例では、レンズ１６を不要とし、かつ、ドーナツ状凹面ミラー１９を用いて検査対象物２０の所望の位置Ｐにリング状ビームを集光し照射する。ドーナツ状凹面ミラー１９は、その中央に開口を有し、この開口を検査対象物２０が貫通する。ドーナツ状凹面ミラー１９は光軸に対して約４５度の角度をなし、その凹面によりリング状ビームを集光する。図では簡略化のため、ドーナツ状凹面ミラー１９及び円筒状センサ２４はその一部が示されているが、図１と同様にそれぞれ円環状及び円筒状をなす。ドーナツ状凹面ミラー１９は、凹面ミラーの中央部を除去することで構成できる。

図５には、第４実施形態の全体構成が示されている。図１において、レンズ１６を不要とし、代わりに楕円ドーナツ状ミラー１８で反射されたリング状ビームを集光するドーナツ状レンズ（あるいはリング状レンズ）２１を用いる。ドーナツ状レンズ２１は、楕円ドーナツ状ミラー１８に対して検査対象物２０の長手方向に沿って配置され、ドーナツ状レンズ２１の開口を検査対象物２０が貫通する。楕円ドーナツ状ミラー１８とドーナツ状レンズ２１の光軸は一致し、検査対象物２０の長手方向に略等しい。ドーナツ状レンズ２１は、レンズ１６の中央部を除去したレンズで構成される。ドーナツ状レンズ２１で集光されたリング状ビームは検査対象物２０の位置Ｐに集光され、その表面を全周的に照射する。

図６及び図７には、円筒状センサ２４が示されている。円筒状センサ２４は、検査対象物２０を位置Ｐにおいて全周的に取り囲むように配置され、円筒の側面に複数のフォトディテクタを配置して全周的に検査対象物２０からの散乱光２２を検出する。円筒状センサ２４は図６に示されるようにその側面が連続的でもよく、あるいは図７に示されるようにいくつかのセクションに分割されていてもよい。図７においては、円筒状センサ２４は４個のセクションに分割されている。各セクションでそれぞれ独立に散乱光２２を検出することで、単に検査対象物２０の位置Ｐにおける表面欠陥を検出するのではなく、位置Ｐにおける表面のどの方向に表面欠陥が存在するかを検出することができる。すなわち、４つに分割されたセクションをそれぞれセクション２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄとし、セクション２４ａでのみ散乱光２２を検出した場合、検査対象物２０の位置Ｐにおける表面のうち、セクション２４ａに対向する表面に欠陥が存在することになる。

図８には、散乱光２２を検出する他のセンサ構成が示されている。センサは円筒状である必要はなく、図に示すように角柱状センサ２５でもよい。要は、リング状ビームが検査対象物２０の表面に全周的に照射されるため、これに対応して表面を全周的に囲むような形状であればよい。

図９には、さらに他のセンサの構成が示されている。センサを積分球２７で構成し、全周的に検出した散乱光２２を集め、受光素子２８で積分値として検出する。表面のどの部位に欠陥が存在するかを検出することはできないが、表面欠陥有無をより高精度に検出できるため、より微小な欠陥にも対応することができる。

第１実施形態の全体構成図である。影領域の説明図である。第２実施形態の全体構成図である。第３実施形態の全体構成図である。第４実施形態の全体構成図である。円筒状センサの構成図である。円筒状センサの他の構成図である。センサの他の構成図である。センサのさらに他の構成図である。本発明のリング状レーザビームの照射説明図である。

符号の説明

１０ＬＤレーザ（半導体レーザ）、１２コリメータレンズ、１４コーンレンズ、１６レンズ、１８楕円ドーナツ状ミラー、２０検査対象物、２２散乱光、２４円筒状センサ、２６反射レーザ光。

Claims

長尺状の検査対象物の表面にレーザビームを照射することで表面欠陥を検出する表面欠陥検査装置であって、
レーザビームを射出する単一光源と、
前記レーザビームをリング状に整形する手段と、
リング状レーザビームを、前記検査対象物の長手方向に沿った任意の位置においてそのリングでその表面を囲むように略全周的に照射する手段と、
前記任意の位置においてその表面を略全周的に囲むように配置され、前記リング状レーザビームの表面での散乱光を検出する手段と、
を有し、
前記整形する手段は、コーンレンズであり、
前記照射する手段は、
前記単一光源及び前記コーンレンズと同一光軸上に配置され、前記コーンレンズからのリング状レーザビームを集光するレンズと、
前記レンズと同一光軸上に配置され、かつ、前記光軸に対して略直交するように配置された検査対象物がその開口を貫通するように配置され、前記レンズからのリング状レーザビームを反射するドーナツ状ミラーと、
を有し、
前記検査対象物の径を前記集光するレンズの焦点位置における前記リング状レーザビームの径よりも小さく設定することで前記検査対象物に対する照射位置を焦点位置よりも遠方にして光の回り込みにより前記ドーナツ状ミラーの影領域を消失させ、
前記散乱光により表面欠陥を検出することを特徴とする表面欠陥検査装置。
請求項１記載の装置において、
前記コーンレンズは、前記光軸上に沿って移動自在に配置されることを特徴とする表面欠陥検査装置。
請求項１記載の装置において、
前記検出する手段は、前記検査対象物の前記任意の位置を取り囲むように円筒状に構成され、前記円筒の側面に複数の受光素子が配置されることを特徴とする表面欠陥検査装置。
請求項１記載の装置において、
前記検出する手段は、前記任意の位置を取り囲む積分球を含むことを特徴とする表面欠陥検査装置。
請求項１〜４のいずれかに記載の装置において、
前記検査対象物は、その長手方向に沿って移動することを特徴とする表面欠陥検査装置。