JP5252184B2 - 凹凸表面検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、スリット光を測定対象物の凹凸表面に照射するスリット光源ユニットと、前記スリット光を照射された前記凹凸表面を撮像する撮像ユニットと、前記撮像ユニットによって取得された画像データに基づいて前記凹凸表面の３次元形状を算出する評価部とを備えた凹凸表面検査装置に関する。

上述した凹凸表面検査装置として、測定対象物にスリット光を照射するスリット光源と、このスリット光が測定対象物に当たっているときのスリット画像を撮影するカメラと、このカメラから得られるスリット画像から３次元データを求める画像処理部とからなる装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この従来装置では、凹凸として比較的深い溝が多数形成されている表面を検査する場合、スリット光がスリット光軸を中心として扇状に拡がっているため、スリット光軸から離れた周辺領域のスリット光によって照射される溝には死角が生じる。従って、この扇状に拡がったスリット光によって照射される表面を撮像した画像にはその底部が完全に写っていない溝が現れ、結果的にその隠れた部分の形状測定が不可能となる問題が発生する。

また、測定対象物に斜め方向からスリット光を照射する光源と、テレセントリック系レンズを介してスリット光の反射光像を撮像するイメージセンサと、このイメージセンサにより撮像されたリット光の反射光像から測定対象物表面部の高さを求める画像処理手段とを備えた高さ測定装置が知られている（例えば、特許文献２）。この装置では、さらに、スリット光の反射方向に設けられてスリット光の反射光像を透過するととともにその透過方向とは異なる向きに反射するハーフミラーが備えられ、複数のイメージセンサのそれぞれがハーフミラーを透過した反射光像およびハーフミラーにより反射された反射光像を撮像されるように配置されている。この装置では、テレセントリック系レンズを用いることでスリット光の反射光像をイメージセンサがより確実に撮像することができる。しかしながら、スリット光軸及び撮影光軸が鉛直軸に対して４５度程度傾いており、これにより、比較的深い溝が多数形成されている表面に対する撮像する際には死角が生じることになる。

特開平４−３０１７０７号公報（段落番号０００５−０００６、図３） 特開２００１−１９４１１６号公報（００１１，００１２、図１）

本発明の目的は、上述した実情に鑑み、スリット光を用いて被測定物の凹凸表面を検査する際の死角の発生を抑制した凹凸表面検査装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明による凹凸表面検査装置は、スリット光を測定対象物の凹凸表面に照射するスリット光源ユニットと、前記スリット光を照射された前記凹凸表面を前記スリット光源ユニットのスリット光軸に対して３０度以下の狭角で交差する撮像光軸で撮像する撮像ユニットと、前記撮像ユニットによって取得された画像データに基づいて前記凹凸表面の３次元形状を算出する評価部とを備え、前記スリット光源ユニットは、スリット光源と、当該スリット光源から出た前記スリット光をその光軸に平行な平行光とするシリンドリカルレンズとを有し、前記撮像ユニットは、テレセントリックレンズと、前記凹凸表面における合焦範囲を拡大するために前記スリット光軸と前記撮像光軸との交差角に対応したあおり傾斜角でその撮像面が前記撮像光軸に対して傾けられている撮像部とを有し、カバーガラスが設けられた前記撮像面にＳ偏光が入射することを抑制するように前記撮像光軸上にＰ偏光板が配置されている。

本発明では、スリット光軸と撮像光軸と３０度以下の狭角で交差させる構成を採用しているので、スリット光照射領域に対する撮像死角が生じにくく、かつスリット光源ユニットと撮像ユニットとをコンパクトにまとめることが可能となる。また、スリット光をシリンドリカルレンズによって平行光として、測定対象物に照射しているので、スリット光軸から離れた周辺領域のスリット光であっても、測定対象物の凹凸に対して照射死角が生じにくくなる。さらには、撮像素子からなる撮像部の撮像面を撮像光軸に対して傾斜させていることにより、つまりあおり撮影の原理で被写界深度を稼ぐことにより、レンズのもつ被写界深度以上の測定範囲を確保している。このため、スリット光軸と撮像光軸との交差角度が３０度以下という狭角であっても、十分な合焦測定範囲を得ることができる。撮像部の撮像面にあおり傾斜角をもたせた場合、撮像光が撮像素子に斜めから入射することになり、撮像素子のカバーガラスの裏面反射に起因するノイズが発生するという問題がある。この問題は、撮像光軸上にＰ偏光板が配置し、６０度前後の大きな入射角においてはＳ偏光に比べてきわめて低い反射率を示すＰ偏光だけを撮像素子に導くようにすることで、解決されている。

上述したように、多数の深溝からなる凹凸表面の検査において撮像死角を少なくするためには、前記スリット光軸と前記撮影光軸との交差角度を小さくする必要がある。しかしながら、小さい交差角度は、測定領域における合焦範囲の低下、スリット光源ユニットと撮像ユニットとの配置の困難さ、三角測量における精度の低下など、種々の問題を引き起こす。そのような問題は上述した本発明の特徴によって低減することができるが、検査すべき凹凸形状によってその最適解が変動する。本発明の構成を採用した場合、矩形断面の深溝からなる凹凸表面の検査などでは、前記スリット光軸と前記撮影光軸との交差角度を１１度近傍とすることが最適であることが実験的に確かめられている。

また、本発明に係る凹凸表面検査装置は、さらに、前記スリット光軸又は前記撮影光軸のいずれかが鉛直方向となるように前記スリット光源ユニットと前記撮像ユニットとが配置されていることを特徴とする。この特徴によれば、前記スリット光軸又は前記撮影光軸のいずれかが測定対象物の凹凸表面に対して鉛直方向に当たることになり、特に凹凸表面が矩形断面を有する深溝によって形成されている場合などでは、照射死角又は撮像死角が生じにくくなる。

Ｐ偏光板は、テレセントリックレンズと撮像部との間に配置することもできるし、テレセントリックレンズと測定対象物との間に配置することもできる。しかしながら、Ｐ偏光板をテレセントリックレンズと撮像部との間に配置すると、テレセントリックレンズと撮像部との間の光路長が変化することになり、光学設計が複雑になる。これに比べ、Ｐ偏光板をテレセントリックレンズと測定対象物との間に配置した場合、そのテレセントリックレンズと測定対象物との間の光路長の変化はピント調整で簡単に調整できるので、好都合である。

以下に、本発明に係る凹凸表面検査装置の一実施形態として、表面に多数の直線上の深溝が整列形成されている測定対象物の溝断面を検査する表面検査装置を図面を用いて説明する。図１は、この表面検査装置の構成を模式的に示す斜視図である。

表面検査装置は、測定装置部１と、この測定装置部１に対する制御及びその測定結果に対する評価を行うコントローラ１００を備えている。測定装置部１は、測定系の主な構成要素として、スリット光を発生させるレーザタイプのスリット光源ユニット２と、測定対象物のスリット光が照射されている領域を撮像する撮像ユニット３とを備えている。このスリット光源ユニット２と撮像ユニット３とは測定ヘッドＭＨとして一体的に組み付けられている。また測定装置部１は、機構系の主な構成要素として、基台１０と、基台１０に立設された門形フレーム１１、門形フレーム１１の中央部分で測定ヘッドＭＨを昇降可能に支持している昇降機構１２を備えている。さらに、測定対象物のポジショニング機構として、測定対象物を載置させるとともに回転する回転テーブル１３、回転テーブル１３をＸ−Ｙ平面（スリット光軸に直交する平面）上で移動させるためのＸ−Ｙ移動機構を構成するＸ方向移動可能なＸステージ１４及びＹ方向移動可能なＹステージ１５を備えている。

コントローラ１００は、実質的にはコンピュータユニットとして形成されており、本発明に関係するものとして、光源制御部８０、画像メモリ８１、画像処理部８２、評価部８３、昇降機構制御部８４、回転テーブル制御部８５、Ｘステージ制御部８６、Ｙステージ制御部８７を備えている。回転テーブル制御部８５、Ｘステージ制御部８６、Ｙステージ制御部８７はそれぞれ、回転テーブル１３、Ｘステージ１４、Ｙステージ１５の動作を制御して、測定対象物を測定平面（Ｘ−Ｙ平面）内の適正な測定位置に設定する。昇降機構制御部８４は、昇降機構１２の動作を制御して、測定ヘッドＭＨの測定対象物までの高さを測定可能高さに設定する。

スリット光源ユニット２は、図２に示すように、スリット光源としてのレーザスリット投光器２０と、レーザスリット投光器２０から出たスリット光をその光軸に平行な平行光とするシリンドリカルレンズ２１とを備えている。シリンドリカルレンズ２１により、レーザスリット投光器２０から出た扇状に拡がっていくスリット光はスリット光軸に平行な平行光に変換され、測定対象物を照射する。

撮像ユニット３は、テレセントリックレンズユニット３０と、面状に配置された多数の受光素子（ＣＣＤやＣＭＯＳ）からなる撮像部３１と、テレセントリックレンズユニット３０の被写体側に配置されたＰ偏光板３２とを備えている。スリット光光源ユニット２からのスリット光が測定対象物の表面に照射され、そこで反射した反射光が、撮像ユニット３の撮像光軸に沿って、Ｐ偏光板３２とテレセントリックレンズユニット３０とを通過して撮像部３１に達する様子が図３に示されている。スリット光光源ユニット２のスリット光軸と撮像ユニット３の撮像光軸とが交差する交差角、つまり撮像角αは、この実施の形態では約１１度という極めて狭い角度を採用している。従って、図３において点線で示すように、撮像部３１の撮像面３１ａが撮像光軸に直角となる姿勢であると、スリット光軸方向に沿った測定深さの範囲がテレセントリックレンズユニット３０の被写界深度を超えていると測定深さの範囲においてピントの合わない領域が生じる。これを回避するため、撮像部３１の撮像面３１ａを撮像光軸に対してあおり角βを作り出すように傾け、あおり撮影の原理で被写界深度を稼いでいる。これにより、テレセントリックレンズユニット３０のもつ被写界深度以上の測定範囲においてもピンボケのない撮影画像が取得できる。

ただし、このあおり角βが大きくなると、撮像部３１の撮像面３１ａに設けられているカバーガラス３１ｂの裏面で反射が生じ、撮像画像におけるノイズとなる。あおり角βは撮影光軸の入射角θ1とほぼ等しくするのが好ましいので、もし入射角θ1とあおり角βをほぼ７０度とした場合、図４から理解できるように、ほぼ７０度の入射角でガラスへ入射した場合、Ｓ偏光の反射率が約３０％を超えるのに対して、Ｐ偏光の反射率はわずか３％程度である。このことから、この実施の形態では、Ｐ偏光板３２を撮像光軸上に配置し、あおり角βをほぼ７０度とすることで、カバーガラス３１ｂの裏面反射に起因するノイズを低減し、かつあおり撮影の原理による被写界深度の拡張効果も十分に得られるようにしている。

撮像ユニット３からコントローラ１００に送られてきた撮像画像（画像データ）は、画像メモリ８１に展開される。さらに、必要に応じて、画像処理部８２によって座標変換やレベル補正、エッジ検出などの画像処理を施され、スリット光による光切断線Ｓが検出される。評価部８３は、スリット光の照射点や照射角度、スリット光軸と撮像光軸とのなす角度が既知なので、画像処理部８２で検出された光切断線Ｓの座標値から三角測量法に基づいて演算することで、光切断線Ｓつまり複数の直線状深溝の３次元断面形状を得ることができる。なお、三角測量法に基づく演算に代えて、その演算結果を格納したテーブルを用いる方法を採用してもよい。評価部８３では、測定対象物において予め区分けされた所定ブロックの測定が完了すると、測定データを用意した該当ブロックにおける形状寸法データと比較することで、検査判定を行う。

上述したように構成された表面検査装置を用いた、測定対象物の検査手順を図５に示されたフローチャートを用いて以下に説明する。ここでの測定対象物は、長方形のプレート体に表面に多数の直線状の深溝が形成されたもので、その測定領域は４００mm×３００mm程度である。この測定領域は１００mm×１５mmの測定ブロックに区分けされており、１回のＸ軸方向走査で４つの測定ブロックを走査して、直線状深溝の３次元断面形状データを取得して、測定ブロック毎に区分けしてメモリに格納する。1回のＸ軸方向走査が完了する毎に所定ピッチでＹ軸方向移動を行い、次の測定ブロックに対するＸ軸方向走査を逆方向で行う。このような、Ｘ軸方向走査とＹ軸方向移動を繰り返すことで、全測定領域おける直線状深溝の３次元断面形状データを取得する。さらに、測定死角の発生を考慮して、測定対象物を９０度回転させた状態で、再度測定領域にわたる測定を行う。なお、取得した３次元断面形状データを用いた測定対象物の測定結果に対する評価は、つまり測定対象物に対する検査は、各ブロック単位で行われ、各ブロック単位での検査結果をまとめて、最終的な総合判定が行われる。

上述した検査を行うために、測定対象物が回転テーブル１３にセットされる（＃０１）。図示されていない測定開始ボタンが操作されると（＃０２Yes分岐）、測定が開始される。まず、光源制御部８０によってレーザスリット投光器２０がＯＮされ、スリット光が照射される（＃０３）。測定開始ポイントである１番目の測定ブロックの左エッジがスリット光によって照射されるように、Ｘステージ１４及びＹステージ１５、回転テーブル１３を動作させる（＃０４）。

Ｘステージ１４を正方向に定速移動させながらＸ軸方向走査を行う（＃０５）。それとともに、撮像ユニット３からの画像データを画像メモリ８１に転送する（＃０６）。このＸ軸方向走査と画像データの取得は、スリット光が測定対象物の側端に達するまで行われる。スリット光が測定対象物の側端に達すると（＃０７Yes）、Ｘ軸方向走査を停止する（＃０８）。

Ｘ軸方向走査を停止すると、画像処理部８２は、転送された画像データを処理し、その光切断線画素位置情報を生成する（＃０９）。評価部８３は、画素位置とその画素位置から三角測量法に基づいて演算された３次元位置との関係を格納したテーブルを利用して、光切断線画素位置情報に基づき深溝の三次元形状データを読み出し、測定位置に対応付けられたメモリアドレスに格納する（＃１０）。もちろん、テーブルを用いずに、その都度、光切断線画素位置情報を用いて三角測量法に基づく演算を行い、深溝の三次元形状データを求めてもよい。続いて、測定ブロック単位で、得られた三次元形状データと目標三次元形状データであるマスタデータとを照合する（＃１１）。この照合結果に基づいて、測定ブロック毎に深溝形状の欠陥閾値を用いた欠陥判定が行われる（＃１２）。なお、Ｘ軸方向走査を停止すると、Ｙステージ１５が動作され、所定のピッチでＹ軸方向のシフトが行われる（＃１３）。従って、ステップ＃０９から＃１２までの評価処理と、Ｙ軸方向のシフト処理が同時に行われる。この評価処理とシフト処理の両方が終わると、Ｘ軸方向走査がまだ残っているかどうかのチェックが行われる（＃１４）。

ステップ＃１４のチェックでＸ軸方向走査がまだ残っている場合（＃１４Yes分岐）、Ｘ軸方向走査の方向を反転し（＃１５）、ステップ＃０５に戻ってＸ軸方向走査を行う。ステップ＃１４のチェックでＸ軸方向走査が残っていない場合（＃１４No分岐）、レーザスリット投光器２０がＯＦＦされ、スリット光の照射が停止する（＃１６）。さらに、回転テーブル１３を９０度回転測定死角の発生に伴う測定不能箇所の測定データを補完するために、回転テーブル１３を９０度回転させる必要があるかどうかをチェックする（＃１７）。回転テーブル１３を９０度回転させる必要がある場合は（＃１７Yes分岐）、回転テーブル１３の９０度回転動作を行い、再びステップ＃０３に戻り、この測定を繰り返す。なお、この９０度の追加回転で不十分な場合には、さらに９０度毎のあと２回までの回転（最初の姿勢位置に対する１８０度位置と２７０度位置）が行われる。回転テーブル１３を９０度回転させる必要がない場合は（＃１７No分岐）、全ての測定ブロックにおける検査結果に基づく総合判定を行う（＃１７）。この総合判定では、全測定ブロックで一箇所でも欠陥があれば不良品と判定される。また、この総合判定において、欠陥の位置を測定対象物の全体を示す全体図の上でマーキングした欠陥位置表示図をモニタ又はプリントを通じて出力する。

上記実施の形態では、測定対象物を載置する基準水平面を作り出している回転テーブル１３の鉛直線方向にスリット光軸が位置するようにスリット光源ユニット２が配置されている。従って、撮像ユニット３がその撮像光軸が鉛直線に対して、３０度以下、好ましくは１１度程度傾斜するように配置されていた。このような測定ヘッドＭＨのレイアウトに代えて、スリット光源ユニット２と撮像ユニット３との配置関係を逆にしてもよい。
また上記実施の形態では、Ｐ偏光板３２がテレセントリックレンズ３０の直前に配置されていたが、撮像部３１の撮像面３１ａにＰ偏光だけが入射してＳ偏光が入射することが抑制できるような配置であれば、前述したレイアウトにこだわる必要はない。例えば、テレセントリックレンズ３０と撮像部３１との間の撮像光軸上にＰ偏光板を配置するレイアウトを採用してもよい。

本発明による凹凸表面検査装置を組み込んだ表面検査装置の構成を模式的に示す斜視図 測定ヘッドの構成を示す図解斜視図 スリット光軸と撮像光軸との関係及び撮像光軸と撮像面との関係を模式的に示す展開図 撮像部に入射した光の反射挙動を説明する説明図であり、撮像部での光ビームを示す模式図で、（ｂ）はＰ偏光とＳ偏光の反射率と透過率を示すグラフ 筒体内面検査システムにおける検査手順をしめすフローチャート

１： 想定装置部
２：スリット光源ユニット
３： 撮像ユニット
２０：レーザスリット投光器
２１：シリンドリカルレンズ
３０：テレセントリックレンズユニット
３１：撮像部
３１ａ：撮像面
３２：Ｐ偏光板
８３：評価部
１００：コントローラ

Claims (3)

1. スリット光を測定対象物の凹凸表面に照射するスリット光源ユニットと、前記スリット光を照射された前記凹凸表面を前記スリット光源ユニットのスリット光軸に対して３０度以下の狭角で交差する撮像光軸で撮像する撮像ユニットと、前記撮像ユニットによって取得された画像データに基づいて前記凹凸表面の３次元形状を算出する評価部とを備え、
   前記スリット光源ユニットは、スリット光源と、当該スリット光源から出た前記スリット光をその光軸に平行な平行光とするシリンドリカルレンズとを有し、
   前記撮像ユニットは、テレセントリックレンズと、前記凹凸表面における合焦範囲を拡大するために前記スリット光軸と前記撮像光軸との交差角に対応したあおり傾斜角でその撮像面が前記撮像光軸に対して傾けられている撮像部とを有し、
   カバーガラスが設けられた前記撮像面にＳ偏光が入射することを抑制するように前記撮像光軸上にＰ偏光板が配置されている凹凸表面検査装置。
2. 前記スリット光軸又は前記撮影光軸のいずれかが鉛直方向となるように前記スリット光源ユニットと前記撮像ユニットとが配置されている請求項１に記載の凹凸表面検査装置。
3. 前記Ｐ偏光板が前記テレセントリックレンズと前記測定対象物との間に配置されている請求項１又は２に記載の凹凸表面検査装置。

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