JP4842376B2 - 表面検査装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般には、表面検査装置及び方法に係り、特に、被検体の表面の凹凸、傷、撓み（以下、「表面欠陥」と総称する）を検出する表面検査装置及び方法に関する。本出願では、例えば、ノート型パーソナルコンピュータ（以下、「ＰＣ」と称する）、サーバー、携帯電話などの電子機器の筐体の表面欠陥を検出する表面検査装置に好適である。

技術背景

近年、様々な大きさや形状の電子機器が普及するにつれて、その筐体の表面欠陥を様々なレベルで高精度に検出する需要が増加している。例えば、サーバーの筐体に求められる表面欠陥の検出レベルよりもノート型ＰＣや携帯電話の筐体に求められる表面欠陥の検出レベルのほうが高い。これは、小型で装飾性が高い電子機器の筐体にはより細かい表面欠陥を除去することが要求されるからである。

従来、フィルム、板状製品、生産財のボディなど平面や曲面上に存在する微小な凹凸状の表面欠陥を検査する方法としては、被検体に格子や縞のパターンを投影する方法が知られている（特許文献１及び２を参照のこと）。ここで用いるパターンはガラス板に金属膜を蒸着させたものや液晶に信号発生器にてパターンを出力するものである。

その他の従来技術としては、特許文献１乃至３がある。
特許第３６８８５２０号明細書 特開平５−２８８５３３号公報 特開２００１−７６１４８号公報 特開２００４−３７１３４号公報 特開２００２−１０７１２５号公報 特公平７−１８６９２号公報

しかし、従来は、電子機器の筐体の表面欠陥を様々なレベルで高精度に検出することができなかった。まず、従来は、様々な大きさの表面欠陥を検出することができず、様々な検出レベルに対応できなかった。表面検出にラインセンサカメラを使用する場合、ラインセンサカメラの撮像線に対してライン照明の幅が固定されているからである。また、ガラス板にパターンを蒸着するものは光漏れがあり、検出精度が低かった。更に、特許文献１は明部と暗部の中間調の画像部分を抽出して処理する方法を開示しているが、かかる方法はノイズの影響を受け易く微小な表面欠陥を検出できないという問題もある。

本発明は、電子機器の筐体の表面欠陥を様々なレベルで高精度に検出する表面検査装置に関する。

本発明の一側面としての表面検査装置は、複数種類の被検体の表面を検査する表面検査装置において、パターンを有するマスクを直線的に照明するライン照明部と、前記被検体の前記表面に投影された前記マスクの前記パターンを撮像するラインセンサカメラと、前記ライン照明部によって前記被検体の前記表面に投影される照明領域の幅を可変する照明幅可変機構と、前記複数種類の被検体に対応する前記照明領域の幅の情報を格納するメモリと、検査される前記被検体に対応する前記照明領域の幅の情報を前記メモリから読み出し、該照明領域の幅の情報に基づいて前記照明幅可変機構を制御する制御部と、を有することを特徴とする。かかる表面検査装置は、照明領域の幅を変更することによって様々な検出レベルで被検体の表面を検査することができる。前記照明幅可変機構は、例えば、レンズと、当該レンズを光路上に配置又は前記光路から退避する移動機構、あるいは、レンズと、当該レンズを光路に沿って移動する移動機構とを有する。

本発明の別の側面としての表面検査方法は、パターンを有するマスクを直線的に照明するライン照明部と、被検体の表面に投影された前記マスクの前記パターンを撮像するラインセンサカメラと、前記ライン照明部によって前記被検体の前記表面に投影される照明領域の幅を可変する照明幅可変機構と、複数種類の被検体に対応する前記照明領域の幅の情報を格納するメモリと、前記メモリに格納された情報に基づいて前記照明幅可変機構を制御する制御部と、を有する表面検査装置を用いて複数種類の被検体の表面を検査する表面検査方法において、前記メモリから、検査される前記被検体に対応する前記照明領域の幅の情報を読み出すステップと、読み出された前記照明領域の幅の情報に基づいて前記照明幅可変機構を制御し、検査される前記被検体の前記表面に投影される照明領域の幅を変更するステップと、を有することを特徴とする。かかる表面検査方法は、照明領域の幅を変更することによって様々な検出レベルで被検体の表面を検査することができる。

本発明の別の側面としての電子機器の製造方法は、電子機器の筐体を形成するステップと、前記筐体を塗装するステップと、上述の表面検査装置を使用して前記筐体の表面を検査するステップと、前記筐体に電子部品を搭載するステップとを有する。かかる製造方法は、上述の表面検査装置を使用して、様々な検出レベルで被検体の表面を高精度に検査することができる。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下、添付図面を参照して説明される好ましい実施例によって明らかにされるであろう。

本発明の一側面としての表面検査装置の概略ブロック図である。 図１に示すメタルマスクの平面図である。 図３（ａ）と図３（ｂ）は、図１に示す表面検査装置の本発明の一実施例としての表面検査装置の概略ブロック図である。 図４（ａ）は、第１の照明幅のライン照明とラインセンサカメラの撮像ラインとの関係を示す平面図であり、図４（ｂ）は、第２の照明幅のライン照明とラインセンサカメラの撮像ラインとの関係を示す平面図である。 図５（ａ）は、図４（ａ）に示す状態のラインセンサカメラの画像であり、図５（ｂ）は、図４（ｂ）に示す状態のラインセンサカメラの画像である。 本発明の一側面としての表面検査方法のフローチャートである。 図７（ａ）乃至図７（ｄ）は、図６に示す各工程で得られる画像である。 図６に示す表面検査工程を有する電子機器の製造方法を説明するためのフローチャートである。

以下、添付図面を参照して、本発明の一側面としての表面検査装置１００について説明する。ここで、図１は、表面検査装置１００の概略断面図である。表面検査装置１００は、図１に示すように、照明装置１１０と、ラインセンサカメラ１６０と、画像処理装置１７０とを有する。

照明装置１１０は、マスクパターンを被検体１０の表面１２に投影し、ライン照明部１２０と、メタルマスク１３０と、フレネルレンズ１４０と、駆動機構１５０とを有する。被検体１０はスライダ２０によって３次元方向に移動されるが、図１ではＸ方向のみを矢印で示している。被検体１０は、例えば、ＰＣ、サーバ、携帯電話である。

ライン照明部１２０は、メタルマスク１３０を直線状に照明するライン状プロジェクタを有する。ライン状プロジェクタは、ＬＥＤリニアアレイ素子、レーザリニアアレイなどを使用する。

メタルマスク１３０は、図２に示すように、金属製の基板（遮光部分）１３２にＰ方向に一定間隔で延びる複数の矩形スリット１３４の縞パターンを有する。メタルマスク１３０は、エッチング又はレーザ加工によって形成される。エッチングの方が高精度にスリット１３４を形成することができる。レーザ加工は板厚がある場合に有効である。

メタルマスク１３０は、ガラス基板等でスリットを製作する場合と異なり、大型の縞パターンを容易に、しかも安価に作製することができる。印刷シートでスリットを製作する場合と異なり、遮光部分が完全に遮光でき、光が漏れることがないため、縞パターンのコントラストが高く、高品質な縞パターンをラインセンサカメラ１６０において形成することができる。

フレネルレンズ１４０は、高さが小さいため小型化と迷光の低減に向いている。フレネルレンズは、複数の輪帯を含み、各輪帯の最大光路長差は照明光の一波長に設定された構造を有する。また、かかる構造を有するレンズはキノフォームであってもよい。もっとも、小型化と迷光の低減を考慮しないのであれば、通常の凹レンズ、凸レンズ、その他の光学素子（ミラーなど）であってもよい。

駆動機構１５０は、複数の種類（即ち、複数のパワー）のフレネルレンズ１４０のいずれかを光路上に配置するか、いずれのフレネルレンズ１４０も光路上に配置しないように、フレネルレンズ１４０を移動する。移動は、回転でも直線移動でもよい。

これにより、一又は複数のフレネルレンズ１４０と駆動機構１５０は、ライン照明部１２０によって被検体１０の表面１２に投影される照明領域の幅を可変する照明幅可変機構として機能する。かかる実施例を図３（ａ）に示す。図３（ａ）における矢印Ｍは駆動機構１５０による移動の方向である。実線と点線の四角は複数の種類のフレネルレンズ１４０、又は、フレネルレンズ１４０とレンズ無しである。もちろん、駆動機構１５０に搭載されるレンズの数は限定されない。

図４（ａ）は、第１の照明幅Ｗ１を有するライン照明Ｉとラインセンサカメラ１６０の撮像ラインＬとの関係を示す平面図である。第１の照明幅Ｗ１は、メタルマスク１３０なしで、かつ、駆動機構１５０がフレネルレンズ１４０を光路から退避させてライン照明部１２０が被検体１０を照明した時のＸ方向の幅である。一般に、ラインセンサカメラ１６０に対応して用いられるライン照明Ｉはライン状であるため発光面幅は狭い。被検体１０の表面１２が非常に平坦であれば、特に問題はない。しかしこの時、被検体１０の表面１２に窪み又は撓みＤが点線の円で示すように存在すると、ライン照明Ｉが撮像ラインＬから外れることになる。この結果、図５（ａ）に示すように、撓みＤ内で反射光が得られず不均一な明度の画像になる。これによって、かかる撓みＤを把握することができる。撓みＤの検出が必要である場合に有効である。

そこで、駆動機構１５０がフレネルレンズ１４０を光路に挿入して、図４（ｂ）に示すように、第１の照明幅Ｗ１よりも広い第２の照明幅Ｗ２で被検体１０を照明する。この結果、図５（ｂ）に示すように、均一な明度の画像を低コストで得ることができる。これによって、かかる撓みＤを無視することができる。撓みＤが小さすぎてその検出が不要である場合に有効である。

別の実施例の駆動機構１５０は、フレネルレンズ１４０を光路に沿って直線移動させてその焦点距離を変更するズーム機構として機能する。これにより、フレネルレンズ１４０とかかる実施例の駆動機構１５０は、ライン照明部１２０によって被検体１０の表面１２に投影される照明領域の幅を可変する照明幅可変機構として機能する。かかる実施例を図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）における矢印Ｑは駆動機構１５０によるフレネルレンズ１４０の移動の方向である。実線と点線の四角は同一のフレネルレンズ１４０の異なる位置である。

図４（ａ）は、第１の照明幅Ｗ１を有するライン照明Ｉとラインセンサカメラ１６０の撮像ラインＬとの関係を示す平面図である。第１の照明幅Ｗ１は、メタルマスク１３０なしで、かつ、駆動機構１５０がフレネルレンズ１４０を光路上でメタルマスク１３０に近い位置に配置した時のＸ方向の幅である。一般に、ラインセンサカメラ１６０に対応して用いられるライン照明Ｉはライン状であるため発光面幅は狭い。被検体１０の表面１２が非常に平坦であれば、特に問題はない。しかしこの時、被検体１０の表面１２に窪み又は撓みＤが点線の円で示すように存在すると、ライン照明Ｉが撮像ラインＬから外れることになる。この結果、図５（ａ）に示すように、撓みＤ内で反射光が得られず不均一な明度の画像になる。これによって、かかる撓みＤを把握することができる。撓みＤの検出が必要である場合に有効である。

そこで、駆動機構１５０がフレネルレンズ１４０を光路上でメタルマスク１３０から遠い位置に移動し、図４（ｂ）に示すように、第１の照明幅Ｗ１よりも広い第２の照明幅Ｗ２で被検体１０を照明する。この結果、図５（ｂ）に示すように、均一な明度の画像を低コストで得ることができる。これによって、かかる撓みＤを無視することができる。撓みＤが小さすぎてその検出が不要である場合に有効である。

ラインセンサカメラ１６０は、図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す撮像ラインＬを有するＣＣＤから構成される。

画像処理装置１７０は、ラインセンサカメラ１６０が撮像した画像を処理する機能を有し、本体１７２と、入力部１７４と、出力部１７６と、ポインティングデバイス１７８とを有する。本体１７２はＰＣ本体として具体化され、ＣＰＵとメモリを含む。なお、ＣＰＵは表面検査装置１００の各部を制御し、メモリはＣＰＵの制御に必要な情報やプログラムを格納する。入力部１７４はキーボードとして具体化され、出力部１７６はディスプレイとして具体化され、ポインティングデバイス１７８はマウスとして具体化されている。

以下、図６を参照して、表面検査装置１００の動作について説明する。ここで、図６は、本発明の一側面としての表面検査方法のフローチャートである。まず、被検体１０の種類に応じて予め設定した設定情報を指定する。次に、被検体１０をスライダ２０の規定位置に搭載後に、検査開始のトリガーを画像処理装置１７０の本体１７２に入力部１７４とポインティングデバイス１７８を介して入力する。入力情報は出力部１７６に表示される。次に、ＣＰＵは選択された設定情報に基づいて駆動機構１５０を駆動して照明領域の幅を変更するかどうかを判断する。

ラインセンサカメラ１６０は、図７（ａ）に示す画像を画像処理装置１７０に入力する（ステップ１３０２）。本実施例では、縞パターンの明暗間隔は１：１である。照明の準備が整うと、ラインセンサカメラ１６０とスライダ２０が同期を取りながら、ライン画像を撮像し、画像処理装置１７０内で二次元画像を構成する。

次に、ＣＰＵは、縞パターンの線方向（Ｙ方向）に画像を数画素シフトして画像間で差分処理を行い、図７（ｂ）に示す画像を取得する（ステップ１３０４）。この際、欠陥検出に必要な感度に応じて、差演算又は除算による画像間演算後、適当な係数を乗算して差分画像を得る。例えば、上下方向（Ｙ方向）にｎ画素シフトして差分する場合は以下の数式１を利用する。なお、Ｉ（ｉ，ｊ）は入力画像の（ｉ，ｊ）座標の画素値であり、ｎは画像のシフト量であり、Ａ， Ｂは係数である。

このように、Ｘ方向に直交するＹ方向にラインセンサカメラ１６０が撮像した画像をシフトして差分処理を実行する。１枚の撮像画像を上下に一定量シフトして画像間で差分処理（差演算や除算を行った後、適当な係数を乗算する）することで、特許文献１における明部と暗部の中間調の画像部分を抽出して処理する方法よりも、微小な欠陥についても精度良く検出することができる。特に縞パターン直交する方向にシフトすることで、撓み等の影響を受けずに縞パターンをキャンセルすることができる。この結果、本実施例の差分処理は、高精度に被検体１０の表面１２を検査することができる。

この段階では画像にはノイズが多く見られるため、ＣＰＵは平均化などのフィルタ処理を行い、ノイズを抑制し、図７（ｃ）に示す画像を取得する（ステップ１３０６）。例えば、３×３の平均化フィルタ処理の場合は以下の数式で表される。

フィルタとしては、以下の、数式３や４がある。

また、入力画像とフィルタ行列により処理画像O(i,j)は以下の数式５のようにして算出する。これを全画素について行う。

次に、ＣＰＵは適切なレベルで二値化を行い、図７（ｄ）に示す画像を取得する（ステップ１３０８）。画像が２５６階調でＳを予め指定した任意の階調値とすると、数式６のように記述される。

次に、ＣＰＵは残った領域についてラベリングして欠陥と考えられる特徴量を持つ領域のみを抽出して欠陥とする（ステップ１３１０）。

この後、ＣＰＵは設定情報に２回目の撮像が指示されていたら、その情報に基づき、また、駆動機構１５０の動作を制御し、１回目同様に画像の入力、検査を実施する。これで設定された検査が終了の場合は、検査結果を表面検査装置１００の出力部１７６に出力し、一連の検査を終える。

次に、図８を参照して、本発明の一側面としての電子機器の製造方法について説明する。まず、電子機器の筐体を形成する（ステップ１１００）。次に、筐体を塗装する（ステップ１２００）。次に、表面検査装置１００を使用して筐体の表面を検査する（ステップ１３００）。次に、筐体に電子部品を搭載する（ステップ１４００）。かかる製造方法は、表面検査装置１００を使用して、様々な検出レベルで被検体の表面を高精度に検査することができる。

以上、本発明の好ましい実施例を説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で様々な変形及び変更が可能である。

産業上の利用の可能性

本発明によれば、電子機器の筐体の表面欠陥を様々なレベルで高精度に検出する表面検査装置を提供することができる。

Claims (5)

1. 複数種類の被検体の表面を検査する表面検査装置において、
   パターンを有するマスクを直線的に照明するライン照明部と、
   前記被検体の前記表面に投影された前記マスクの前記パターンを撮像するラインセンサカメラと、
   前記ライン照明部によって前記被検体の前記表面に投影される照明領域の幅を可変する照明幅可変機構と、
   前記複数種類の被検体に対応する前記照明領域の幅の情報を格納するメモリと、
   検査される前記被検体に対応する前記照明領域の幅の情報を前記メモリから読み出し、該照明領域の幅の情報に基づいて前記照明幅可変機構を制御する制御部と、
   を有することを特徴とする表面検査装置。
2. 前記照明幅可変機構は、レンズと、当該レンズを光路上に配置又は前記光路から退避する移動機構とを有することを特徴とする請求項１記載の表面検査装置。
3. 前記照明幅可変機構は、レンズと、当該レンズを光路に沿って移動する移動機構とを有することを特徴とする請求項１記載の表面検査装置。
4. パターンを有するマスクを直線的に照明するライン照明部と、被検体の表面に投影された前記マスクの前記パターンを撮像するラインセンサカメラと、前記ライン照明部によって前記被検体の前記表面に投影される照明領域の幅を可変する照明幅可変機構と、複数種類の被検体に対応する前記照明領域の幅の情報を格納するメモリと、前記メモリに格納された情報に基づいて前記照明幅可変機構を制御する制御部と、を有する表面検査装置を用いて複数種類の被検体の表面を検査する表面検査方法において、
   前記メモリから、検査される前記被検体に対応する前記照明領域の幅の情報を読み出すステップと、
   読み出された前記照明領域の幅の情報に基づいて前記照明幅可変機構を制御し、検査される前記被検体の前記表面に投影される照明領域の幅を変更するステップと、を有することを特徴とする表面検査方法。
5. 電子機器の筐体を形成するステップと、
   前記筐体を塗装するステップと、
   請求項１乃至３の表面検査装置を使用して前記筐体の表面を検査するステップと、
   前記筐体に電子部品を搭載するステップとを有する電子機器の製造方法。