JP5446316B2 - 光学式センサ装置 - Google Patents

Description

本発明は、検出領域に向けて投光し、その検出領域を経て受光される光を受光することによって、検出領域中に存在する異物等の検出を行なう光学式センサ装置に関する。

従来から、光学式センサ装置として、投光器から検出領域へ平行光を投光し、受光器でその平行光を受光した際の、受光器における総受光量の変化に基づいて異物の有無を検出する装置が利用されている。

このような装置の一例として、特許文献１では、投光器および受光器に対して異物を相対的に移動させ、投光器から発せられる平行光の光路を異物が横切ることによって生じる受光器での受光量の変化の有無に基づいて、異物の有無を検出する技術が開示されている。

このような装置では、具体的には、たとえば図１６に示されるように、投光器３００から投光された幅Ｌ０のレーザ光が、基板５００上を当該基板に対して平行に伝播して、受光器４００で検出される。基板５００は、異物が付着しているか否かを検査される検査対象物であり、石定盤５１０に保持されている。図１６では、レーザ光の伝播方向が、矢印ＤＺで示されている。基板５００は、石定盤５１０とともに、投光器３００および受光器４００に対して相対的に移動される。移動方向は、矢印ＤＺおよび矢印ＤＹ（垂直方向）に対して垂直な方向であり、紙面に垂直な方向である。

図１７に示されるように、基板５００上に異物５０１が存在すると、投光器３００が投光した平行光は異物５０１によってその一部が遮られる。これによって、受光器４００において検出される総受光量が減少する。このような総受光量の変化に基づいて、異物の有無等が検出される。

また、特許文献２では、受光器の受光領域を異物が相対的な移動する方向に分割し、分割された各領域の受光量に基づいて基板上の異物の有無等を検出する技術が開示されている。

具体的には、図１８に示されるように、投光器３００から受光器４００に向けて矢印ＤＺで示される方向に検出光２００が投光され、基板５００が投光器３００と受光器４００に対して矢印Ａで示されるように水平方向に相対的に移動されるシステムにおいて、受光器４００の受光領域が、基板５００の移動方向である水平方向に並ぶように分割されている。

図１９に、投光器３００側から見た受光器４００における受光領域の配列態様を示す。
図１８に示されるように、受光器４００の受光面４０１には受光量の検出対象となる受光領域４０２が設けられており、当該受光領域４０２は、水平方向に並んだ複数の分割領域４０２Ａ〜４０２Ｊを含む。

特許文献２では、分割領域４０２Ａ〜４０２Ｊのそれぞれについて、計測周期ごとの平均受光量が算出され、所定回数前に算出された平均受光量と比較されることにより、異物の有無が判断される。このような特許文献２に開示された技術では、分割領域４０２Ａ〜４０２Ｊのそれぞれの面積に対して異物５０１の遮蔽面積が占める比率が大きなものとすることができ、受光器における総受光量の変化に基づいて異物の有無を検出する異物検査技術に対して検出感度の向上が図られている。

特開２００２−１１９５号公報 特開２００６−３５１４４１号公報

なお、上記のような光学式センサ装置において、検出精度の向上は常に切望されていることである。特に、部品の小型化が加速する近年では、より寸法の小さい異物が不良の原因となることからその検出が必要となっている。

受光器における総受光量の変化に基づいて異物の有無を検出する場合、異物が小さくなると、総受光量に対する受光量の変化が小さくなり、検出感度が不足する。

受光器の受光領域を異物の相対的な移動方向に分割し、分割された各領域の受光量に基づいて基板上の異物の有無等を検出する場合、異物が小さくなると回折が生じ、その回折光は異物を中心にして放射状に光強度の強弱分布パターン（回折パターン）を生じることになるが、複数の受光領域が異物の相対的な移動方向に並べられている場合、回折パターンによって生じる受光量の強弱の変化を検出するためには、各受光領域の移動方向の幅を回折パターンの周期よりも小さく設定し、また、移動に伴う時間変化として受光量の変化を捉えるために移動速度に応じ露光時間を短くする必要があった。これにより、得られる受光量が制限され、高感度化に限界があった。

本発明は係る実情に鑑み考え出されたものであり、その目的は、検出することを必要とされる異物の寸法が小さくなった場合であっても、確実に異物の有無等を検出することができる光学式センサ装置を提供することである。

本発明のある局面に従った光学式センサ装置は、平坦な支持面上に置かれる平板状部材の一端面側に設置された投光部から、平板状部材の上面を含む上面上の空間に検出光を投光し、他端面側に設置された受光部で検出光を受光するとともに、支持面に対して平行な方向に、検出光と平板状部材とを相対的に移動させることにより平板状部材に付着した異物を検出する光学式センサ装置であって、参照値を記憶する記憶部と、処理部とを備え、受光部は、異物が付着していない平板状部材が支持面に置かれた状態で支持面に垂直な方向について検出光が入射する範囲であって、支持面に最も近い側の端部から当該支持面から離れる方向に向けて配列された複数の受光領域を含み、記憶部は、各受光領域に対応する参照値を記憶し、処理部は、各受光領域について当該受光領域全体で受光される受光量に基いて生成された各受光領域の受光値と、対応する参照値とから差分値をそれぞれ算出し、いずれかの差分値が判定閾値を超えれば異物が有りと判断する。

また、好ましくは、受光部は、所定の計測周期で各受光領域それぞれに入射する検出光を繰返し受光し、処理部は、計測周期ごとに繰り返して差分値を算出し、検出光と平板状部材とが相対的に移動する方向における検出光および各受光領域の寸法は、計測周期と相対的な移動の移動速度との積により算出される寸法よりも長い。

また、好ましくは、光学式センサ装置は、投光部と受光部との間の所定の検査範囲に存在する少なくとも所定の大きさの異物を検出し、各受光領域の支持面に垂直な方向の寸法は、所定の大きさの異物が検査範囲の最も受光部に近い側にあるときに、当該異物によって生じる回折光が受光部で受光されることにより生じる回折パターンの回折周期の半分よりも小さい寸法である。

また、好ましくは、記憶部は、異物が付着していない平板状部材が支持面に置かれた状態で各受光領域において受光される総受光量に基づいて生成された各受光領域の受光値を参照値として記憶する。

また、好ましくは、画像を表示する表示部をさらに備え、受光部は、２次元に配列された画素からなる撮像領域を有する２次元撮像素子を含み、各受光領域は、撮像領域内に、それぞれ複数の画素を含むように設定され、記憶部は、２次元撮像素子の撮像領域により予め取得された画像を参照画像としてさらに記憶し、処理部は、２次元撮像素子の撮像領域により取得される画像と参照画像との差分画像、および設定された各受光領域を当該差分画像に画素位置を対応させて重ねて表示部に表示する。

また、好ましくは、参照画像は、異物が付着していない平板状部材が支持面に置かれた状態で取得した画像である。

また、好ましくは、２次元撮像素子の撮像領域内の各受光領域として設定される複数の画素範囲を入力する入力部をさらに備え、処理部は、入力部から入力された複数の画素範囲を、各受光領域として差分画像に画素位置を対応させて重ねて表示部に表示させるとともに、複数の画素範囲を各受光領域として設定する。

本発明の他の局面に従った光学式センサ装置は、平坦な支持面上に置かれる平板状部材の一端面側に設置された投光部から、平板状部材の上面を含む上面上の空間に検出光を投光し、他端面側に設置された受光部で検出光を受光するとともに、支持面に対して平行な方向に、検出光と平板状部材とを相対的に移動させることにより平板上部材に付着した異物を検出する光学式センサ装置であって、参照値を記憶する記憶部と、処理部とを備え、受光部は、異物が付着していない平板状部材が支持面に置かれた状態で支持面に垂直な方向について検出光が入射する範囲であって、支持面に最も近い側の端部から当該支持面から離れる方向に向けて配列された複数の受光領域を含み、記憶部は、各受光領域に対応する参照値を記憶し、処理部は、各受光領域について当該受光領域全体で受光される受光量に基いて生成された各受光領域の受光値と、対応する参照値とから比をそれぞれ算出し、いずれかの比が判定閾値を超えれば異物が有りと判断する。

本発明によれば、異物の検出対象となる平板状部材が置かれる支持面に対して平行な方向に、検出光と平板状部材とが相対的に移動され、支持面に対して垂直な方向に配列された複数の受光領域ごとに受光された受光量に基づいて生成された受光信号を参照受光信号とそれぞれ比較し、いずれかひとつの比較結果が判定閾値を超えれば異物が有りと判断される。

これにより、異物として検出することが希望される物体の寸法が小さくなることにより当該物体によって投光部からの検出光の受光量が小さくなったとしても、回折光を利用してその物体を検出することができる。また、当該物体の寸法が大きい場合には検出光の遮蔽による受光量の変動から当該物体を検出することができる。
異物検出の際、異物を中心にして同心円的に生じる回折パターンが受光領域上を移動することになるが、支持面に垂直な方向に配列された複数の受光領域のすくなくともいずれかが、回折パターンの中心部の通過を避けて配置されることになり、当該受光領域では回折パターンの移動に伴う受光量の時間変化が比較的緩やかに生じるので、露光時間を長く設定することができる。あるいは、受光領域の移動方向の幅を長く設定することができる。これにより、微弱な回折光の受光量を多くして異物の検出感度を向上させることができる。

本発明の一実施の形態である光学式センサ装置の全体構成を示すブロック図である。 図１の光学式センサ装置を異物検出に適用した場合の投光器および受光器の配置を示す構成図である。 図１の受光器の、ＣＣＤが設置された面を模式的に示す図である。 図１の光学式センサ装置において、ワーク上に存在する異物とＣＣＤとの距離の変化に基づく、投光器による投光のＣＣＤにおける受光態様の変化を説明するための図である。 図１の光学式センサ装置において異物とＣＣＤの距離が変化した際の計測領域の総受光量の一例を示す図である。 図１の光学式センサ装置において異物とＣＣＤの距離が変化した際の、計測領域の最も下に位置する分割領域の総受光量の一例を示す図である。 図１の光学式センサ装置における分割領域のそれぞれについての、異物が存在するときとしないときの総受光量の差分値を示す図である。 図１の光学式センサ装置において実行される異物検出の判定処理のフローチャートである。 図１の光学式センサ装置における評価実験の結果を示す図である。 本発明の光学式センサ装置の第２の実施の形態における計測領域の分割態様を模式的に示す図である。 図１０に示された分割領域のそれぞれについての、異物が存在するときとしないときの平均濃度の差分値を示す図である。 図１０に示された分割領域についての、異物が存在するときの垂直方向に隣接する分割領域の平均濃度の差分値を示す図である。 本発明の光学式センサ装置の第１および第２実施の形態における分割領域の構成に対する変形例を示す図である。 本発明の光学式センサ装置の第１および第２実施の形態における全体構成に対する変形例を示す図である。 本発明の光学式センサ装置において表示される画面の一例を示す図である。 特許文献１に開示された従来技術による異物検出を説明するための図である。 特許文献１に開示された従来技術による異物検出を説明するための図である。 特許文献２に開示された従来技術による異物検出を説明するための図である。 特許文献２に開示された従来技術による異物検出を説明するための図である。

以下、本発明の光学式センサ装置の一実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

なお、同一の構成要素には各図において同一の符号を付し、詳細な説明は繰返さない。
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る光学式センサ装置の全体構成を示すブロック図であり、図２は、この光学式センサ装置を異物検出に適用した場合の投光器および受光器の配置を示す構成図である。

本実施の形態の光学式センサ装置１は、ガラス基板等の被検査物としてのワーク５０上に検出光２を投光する投光器３と、この検出光２を受光する受光器４と、この受光器４の出力を信号処理してワーク５０上の異物５１の有無を判定する信号処理装置６とを備えており、ワーク５０に対して、投光器３および受光器４を、図２の矢符Ａで示すように、移動させながらワーク５０上に存在する異物５１を、受光器４における受光量の変化に基いて検出するものである。なお、異物５１は、ワーク５０上に存在する場合に限らず、ワーク５０の下にも存在し、そのためワーク５０の表面が盛り上がって遮光する場合にも検出で
きるものである。また、異物５１の有無の検査が終了したガラス基板等のワーク５０は、図示しない塗布装置によって、その表面に成膜材料が塗布される。

投光器３は、レーザ駆動回路７によって駆動される半導体レーザ８と、この半導体レーザ８からの光を平行光にするコリメートレンズ９と、開口１０Ａを有するスリット１０とを備えており、ワーク５０上に検出光２を投光する。

一方、受光器４は、二次元の撮像素子であるＣＣＤ（charge-coupled device）１１を備えており、信号処理装置６は、図１に示すように、ＣＣＤ１１から読み出された画素信号をサンプルホールドするサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路１２と、このサンプルホールド回路１２の出力を、Ａ／Ｄ（analog/digital）変換するＡ／Ｄ変換器１３と、Ａ／Ｄ変換された画素データを記憶する画像メモリ１４と、画像メモリ１４の画素データに基づいて、後述のようにして異物の有無を判断する処理部および参照値および判定閾値を記憶する記憶部としての機能を有するＣＰＵ（central processing unit）１５と、画像メモリ１４の画素データに基いて、ＣＣＤ１１により撮像された撮像画像を表示する液晶表示部１６と、入力部としての各種の操作キー１７とを備えている。尚、画像メモリ１４は、参照画像を記憶する記憶部としての機能も有する。

図３は、受光器４のＣＣＤ１１が設置された面を模式的に示す図であり、受光器４を投光器３側から見た図に相当する。

図３を参照して、受光器４のＣＣＤ１１が設けられた検出面４Ａでは、ＣＣＤ１１の撮像領域の一部が、投光器３からの投光を受光する計測領域４０とされ、この計測領域４０は、さらにワーク５０の上面に対して垂直な方向に沿って複数の分割領域（分割領域４１〜４４）に分割され、各分割領域４１〜４４毎に受光量が計測される。

本実施の形態では、投光器３のスリット１０の開口１０Ａは、投光器３および受光器４の移動方向（図２の矢印Ａ方向）に長い矩形、例えば、１ｍｍ×５ｍｍの矩形に形成されており、投光器３からのスリット状の検出光２がＣＣＤ１１の計測領域４０を覆うように投光される。

図４は、図１の光学式センサ装置１において、ワーク５０上に存在する異物５１と受光器４との距離の変化に基づく、投光器３による投光のＣＣＤ１１における受光態様の変化を説明するための図である。

図４を参照して、図４（Ｄ）には、図２の投光器３と受光器４と検出光２との位置関係が模式的に示されている。なお、図４（Ｄ）では、ワーク５０上の異物５１の位置として、異物５１Ａ〜５１Ｃの３箇所が示されている。

そして、図４（Ａ）は、異物５１Ａの位置に異物が存在するときの計測領域４０における受光量を示す。また、図４（Ｂ）は、異物５１Ｂの位置に異物が存在するときの計測領域４０における受光量を示す。また、図４（Ｃ）は、異物５１Ｃの位置に異物が存在するときの計測領域４０における受光量を示す。なお、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）では、受光量は、垂直方向の位置毎に受光量を水平方向に平均した平均値で示されており、垂直方向の位置に対応する分割領域４１〜４４が一点鎖線で示されている。

また、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）では、破線は、異物５１（異物５１Ａ〜５１Ｃ）が存在しない場合の受光量を示している。本明細書では、このような受光量を適宜「ブランクの受光量」と呼ぶ。

また、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）では、異物５１Ａ〜５１Ｃと同じ垂直方向の位置に対応する分割領域４４に対応する領域にハッチングが施されている。

スリット１０ＡからＣＣＤ１１までの距離はたとえば４．０ｍとされ、異物５１ＡからＣＣＤ１１までの距離はたとえば１．５ｍ、異物５１ＢからＣＣＤ１１までの距離はたとえば１．０ｍ、異物５１ＣからＣＣＤ１１までの距離はたとえば０．５ｍとされる。

図４（Ａ）〜図４（Ｃ）から理解されるように、異物５１の位置が異物５１Ａ〜５１Ｃのどこに位置するかによって、計測領域４０における受光態様は変化している。

図４（Ａ）では、計測領域４０の垂直方向の下端から、異物５１Ａが存在する垂直方向の位置よりもかなり上方まで、ブランクの受光量に対して受光量が低くなっている。

図４（Ｂ）においても、分割領域４１の中段程度まで、ブランクの受光量よりも受光量が低くなっている。

図４（Ｃ）では、計測領域４０の下端からブランクの受光量より受光量が低い領域が続いているが、分割領域４３の中段で、ブランクの受光量に復帰している。

なお、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）のいずれにおいても、計測領域４０の下端からの上方への受光量の変化を見た場合、一度受光量が減少した後、上方に行くにつれて受光量は上昇し、ブランクの受光量を超えている。図４（Ｃ）については、再度ブランクの受光量を下回った後、さらに、ブランクの受光量を越えている。

計測領域４０の下端から上方に向けて受光量がこのように変化するのは、異物によって投光器３からの投光が回折されているからであると考えられる。

そして、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に示されるように異物５１の受光器４（ＣＣＤ１１）との距離に従って計測領域４０全体の受光量が変化するため、計測領域４０全体の受光領域の受光量に基づいて異物５１の有無を検出しようとすると、異物５１が受光器４に近い位置に存在した場合には、その存在を検出しにくいと考えられる。このことを図５を参照して説明する。

図５に、異物５１とＣＣＤ１１の距離が変化した際の計測領域４０の総受光量（図５中の「○」）を示す。なお、図５では、参考として、異物５１が存在しないときの計測領域４０の総受光量（図５中の「●」）が示されている。

図５から理解されるように、異物５１がＣＣＤ１１に近い位置に存在するにつれて、計測領域４０における総受光量は、異物５１が存在しないときの受光量に近づいている。つまり、異物５１がＣＣＤ１１に近い位置に存在するにつれ、存在しないときとの総受光量の差が小さくなり、総受光量に基づいて異物５１の存在を検出することが難しくなっている。これは、異物５１がＣＣＤ１１に近い位置に存在するにつれて、計測領域４０において、異物５１による回折光を多く受光していることに起因すると考えられる。

なお、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）にハッチングを施して示したように、計測領域４０の一部である受光領域４４の受光量のみによって、異物５１の有無を判断することも可能であると考えられる。しかしながら、このように異物５１の有無を判断すれば、異物５１が受光器４に遠い位置に存在した場合には、その存在を検出しにくいと考えられる。このことを図６を参照して説明する。

図６に、異物５１とＣＣＤ１１の距離が変化した際の分割領域４４の総受光量（図６中の「○」）を示す。なお、図６では、参考として、異物５１が存在しないときの分割領域４４の総受光量（図６中の「●」）が示されている。

図６から理解されるように、異物５１がＣＣＤ１１に遠い位置に存在するにつれて、分割領域４４における総受光量は、異物５１が存在しないときの受光量に近づいている。つまり、異物５１がＣＣＤ１１に遠い位置に存在するにつれ、存在しないときとの総受光量の差が小さくなり、総受光量に基づいて異物５１の存在を検出することが難しくなっている。

本実施の形態では、分割領域４１〜４４のそれぞれについて、異物５１が存在するときとしないときの平均濃度の差分値を算出する。算出される差分値の一例を図７に示す。

図７では、横軸に、分割領域４１〜４４のそれぞれが、分割領域Ｎ（Ｎ＝１〜４）として示されている。また、本実施の形態では、異物が存在するときの平均濃度が一点鎖線で結ばれた「●」（今回の画像）で示され、異物が存在しないときの平均濃度が破線で結ばれた「●」（Ｔ回前の画像）で示され、そして、異物が存在するときとしないときの差分値が実線で示された「●」（平均濃度差）で示されている。図７中の「Ｔ回前」については、後述する。

そして、図７に示されたような、分割領域４１〜４４についての差分値のいずれかにおいて、予め定められた閾値（図７中のＰ１）を越えるか否かを判断することにより、異物がワーク５０上に存在するか否かが判断される。なお、閾値は、たとえば、各分割領域４１〜４４のそれぞれの平均濃度の検出についてのノイズの値に所定の余裕値を加えたもの（ノイズの値の２倍程度の値）とされる。図７に示された例では、分割領域４３（Ｎ＝３）の受光量Ｍ１が閾値を越えている。これにより、このような受光量が計測された時点で、計測領域４０に対向するワーク５０上（またはワーク５０の下）には異物５１が存在していると判断される。

本実施の形態では、ＣＣＤ１１の計測可能な面積の中の一部を計測領域４０とされている。計測領域４０のサイズは、たとえば縦１．０ｍｍ×横３．０ｍｍとしている。したがって、分割領域４１〜４４は、縦０．２５ｍｍ×横３．０ｍｍとなる。

また、異物５１は、そのサイズが、例えば、直径１００μｍ程度以上である。
なお、分割領域４１〜４４の垂直方向（縦方向）の寸法は、異物５１として検出することを意図される物体の垂直方向の寸法以上とされることが好ましい。これにより、分割領域４１〜４４の垂直方向の中心間の距離も、それに合わせて異物５１として検出することを意図される物体の垂直方向の寸法以上とされることが好ましい。

なお、本実施の形態では、分割領域４１〜４４の面積は、０．７５ｍｍ^２であるが、その面積が１ｍｍ^２以下であるのが好ましい。

また、この実施の形態では、ＣＣＤ１１は、３．２ｍｍ×３．４６ｍｍであるが、投光器３と受光器４との光軸合わせを考慮すると、２ｍｍ×２ｍｍ以上であるのが好ましい。

そして、本実施の形態では、相対移動する異物５１が、分割領域４１〜４４を通過する間に、ＣＣＤ１１（の分割領域４１〜４４）を構成する画素信号の取り込みを少なくとも１回行なえるように設定することが可能となる。

この実施の形態では、計測領域４０の移動方向に沿う幅を、例えば、３ｍｍ、最大の移動速度を、例えば、４００ｍｍ／ｓとしており、したがって、分割領域４１〜４４の前の検出領域を異物５１が通過するのに要する時間は、例えば、７．５ｍｓとなり、ＣＣＤ１１の取り込み周期７．０ｍｓよりも大きなものとなり、異物５１が通過する間に、画像信号の取り込みを行なうことが可能となる。

この実施の形態では、分割領域４１〜４４の受光量に基いて、次のようにして、異物５１の有無を判定するようにしている。

すなわち、図１の信号処理装置６のＣＰＵ１５では、ＣＣＤ１１の取り込み周期（７．０ｍｓｅｃ）毎に、分割領域４１〜４４を構成する複数の画素の受光濃度（以下、単に濃度と言う）の平均値（平均濃度）を、分割領域４１〜４４の各分割領域毎にそれぞれ算出する。

次に、算出した分割領域４１〜４４毎の平均濃度値と、所定回（Ｔ回）前にそれぞれ算出された分割領域４１〜４４毎の平均濃度との差（平均濃度差）の絶対値を、分割領域４１〜４４毎にそれぞれ算出する。

そして、算出された分割領域４１〜４４毎の平均濃度差の絶対値の内の最大値が、予め定めた閾値を超えたか否かを判定し、閾値を超えたときに、異物が有ると判定して対応する判定出力を外部に与えるものであり、この判定出力に基いて、異物の存在を報知したり、ワーク５０に対する処理を停止させるといった適宜の措置をとることができる。なお、閾値とは、分割領域４１〜４４のそれぞれについて、当該分割領域を構成する画素からの信号のノイズレベルに所定の余裕値を加えたものであって、たとえば、ノイズレベルの２倍程度の値とされる。

ここで、その時点での検出値に基づいて算出された分割領域４１〜４４毎の平均濃度差が図７の「今回の画像」に相当し、Ｔ回目前の平均濃度が図７の「Ｔ回前の画像」に相当し、そして、これらの差の絶対値が図７の「平均濃度差」に相当する。本実施の形態では、Ｔ回前の平均濃度値により参照受光信号が構成されている。

このように今回の平均濃度値と所定回（Ｔ回）前の平均濃度との差を用いるのは、光量変化が空間内でなだらかに生じている場合、移動速度との兼ねあいから異物による受光量の変化が明確に得られる時点との比較を行うためである。したがって、この所定回（Ｔ回）は、想定される光量の変化の度合いなどに応じて、適宜定められることになり、例えば、数回ないし数十回であり、この実施の形態では、例えば、１０回とされる。

本実施の形態による異物の有無の判定態様の変形例としては、所定回前の平均濃度との差を算出することなく、今回の平均濃度と予め定めた閾値（たとえばＣＰＵ１５内のメモリに記憶）とを比較して異物の有無を判定するようにしてもよい。

図８は、以上説明した異物検出の判定処理のフローチャートである。この図に示すように、先ず、１〜ｎ（ｎ＝４）の複数の分割領域４１〜４４毎に平均濃度Ｄ１（０）〜Ｄｎ（０）を算出するとともに、算出した平均濃度値をＣＰＵ１５内のメモリに蓄積する（ステップｎ１）。そして、算出した分割領域毎の平均濃度値と、所定回（Ｔ回）前に算出した分割領域４１〜４４毎の平均濃度Ｄ１（Ｔ）〜Ｄｎ（Ｔ）との平均濃度差の絶対値│Ｄ１（Ｔ）−Ｄ１（０）│〜│Ｄｎ（Ｔ）−Ｄｎ（０）│を算出するとともに、所定回（Ｔ回）前に算出した各分割領域４１〜４４毎の平均濃度Ｄ１（Ｔ）〜Ｄｎ（Ｔ）を消去する（ステップｎ２）。

次に、算出した平均濃度差の絶対値の内の最大値が、予め定めた閾値よりも大きいか否かを判断し（ステップｎ３）、大きくないとき（最大値が閾値以下のとき）には、次の取り込み計測サイクルまで待機する（ステップｎ４）。一方、上記最大値が閾値よりも大きいときには、異物であるとして判定出力をオンする（ステップｎ５）。

次に、本実施の形態の光学式センサ装置１による異物検出の評価実験について説明する。なお、評価実験は、スリット１０ＡとＣＣＤ１１の間の平行光の光軸方向についての間隔を４０００ｍｍとし、異物５１として、厚さ０．１ｍｍの３．５ｍｍ四方のガラスプレートを配置して行なわれた。

図９に、評価実験の結果を示す。なお、図９において、実線で結ばれた「●」は、図３に示したように計測領域４０を垂直方向に分割して得られる分割領域４１〜４４の中で平均濃度差の絶対値（図７参照）が最も大きかった分割領域についての平均濃度差を示している。また、図９において、「△」は、比較として、計測領域４０を水平方向に４つに分割して得られる分割領域についての中の平均濃度差の絶対値が最も大きかった分割領域についての平均濃度差を示している。以下、適宜、「●」で示された実験結果については縦分割の場合のデータと呼び、「△」で示された実験結果については横分割の場合のデータと呼ぶ。

なお、図９は、異物５１のダミーとして上記ガラスプレートを配置して得られたデータを示している。そして、図９中、横軸は、投光器３（スリット１０Ａ）からガラスプレート（異物５１）を配置した位置までの、光軸方向の距離が示されている。具体的には、図９では、当該距離が、２００ｍｍ、５００ｍｍ、１０００ｍｍ、１５００ｍｍ、２０００ｍｍ、２５００ｍｍ、３０００ｍｍ、３５００ｍｍ、３８００ｍｍのそれぞれについてのデータが示されている。

図９から理解されるように、横分割の場合のデータでは、上記距離が２５００ｍｍを越えた付近で、ワーク５０上に異物５１が配置されているにもかかわらず、平均濃度差が閾値（Ｐ４：上記Ｐ１と同様に、ノイズレベル等に基づいて決定される）を越えていない。一方、縦分割の場合のデータでは、図９の測定結果において、いずれの距離においても、平均濃度差が閾値を越えている。つまり、従来のように水平方向のみに計測領域４０が分割された場合には、異物５１が投光器３から遠い位置に存在している場合にはその存在を検出できない事態が想定されるが、本実施の形態に従えば、異物５１が投光器３と受光器４の間の光路上のいずれの位置に配置されていても、当該異物５１の存在を検出することができる。

なお、以上説明した本実施の形態では、上記した各分割領域４１〜４４の、上記したようなワーク５０上面に垂直な方向の長さは、前記所定の異物が前記検査範囲の最も前記受光部に近い側にあるときに、当該異物によって発生する回折光が前記受光部で受光されることによる生じる回折パターンの回折周期よりも小さくされることが好ましい。また、図４（Ｃ）からわかるように、各分割領域４１〜４４のワーク５０上面に垂直な方向の長さは、上記回折パターンの回折周期の半分よりもさらに小さくされることが好ましい。

また、本実施の形態において、計測領域４０の、ワーク９０上面に垂直な方向の範囲は、前記異物が存在しないときに前記投光部から投光されて前記受光部で受光される光が存在する範囲である。

なお、本実施の形態では、図４等から理解されるように、投光器３は、その投光が、ワーク５０上に異物が存在しない状態でワーク５０により一部が遮光されるように設置されることが好ましい。また、受光器４は、投光器３から投光された光がワーク５０により遮光されたエッジを含んで受光するように設置されている。そして、図３および図４から理解されるように、計測領域４０や分割領域４１〜４４は、たとえば、ワーク５０上面に垂直な方向に関して、受光器４により受光される光の中のエッジの位置を起点にして、投光器３からの光が受光される側に並べられる。

［第２の実施の形態］
本発明の光学式センサ装置の第２の実施の形態の全体構成は、概ね、図１および図２を参照して説明した第１の実施の形態と同様のものとすることができるため、重複した説明は繰り返さない。

なお、本実施の形態の光学式センサ装置１では、計測領域４０は、図１０に第１分割領域〜第６分割領域として示されるように、ワーク５０上面に対して垂直な方向だけでなく、当該上面に対して水平方向にも分割される。

そして、本実施の形態の光学式センサ装置１では、第１分割領域〜第６分割領域のそれぞれについて、図１１に示されるように、今回の画像およびＴ回前の画像に基づいて、平均濃度差が算出され、そして、当該平均濃度差が閾値（Ｐ２：上記Ｐ１と同様に、ノイズレベル等に基づいて決定される）を越えたものが有るか否かによって、ワーク５０上に異物５１が存在するか否かが判断される。

また、本実施の形態では、また、Ｔ回前の画像との差分ではなく、第１分割領域〜第６分割領域の中で互いに上下方向に隣接する（垂直方向に隣接する）分割領域における検出濃度の差分に基づいて、異物５１の有無の判断をすることもできる。このような判断に利用するデータを、図１２に示す。

図１２を参照して、図１１で「今回の画像」として示した、第１分割領域から第６分割領域の中の、互いに垂直方向に隣接する第１分割領域と第２分割領域についての平均濃度差の差分が、第Ｎ分割領域が「（２−１）」であるときのデータとして示されている。また、図１２では、互いに垂直方向に隣接する第３分割領域と第４分割領域についての平均濃度差の差分が、第Ｎ分割領域が「（４−３）」であるときのデータとして示されている。また、図１２では、互いに垂直方向に隣接する第５分割領域と第６分割領域についての平均濃度差の差分が、第Ｎ分割領域が「（６−５）」であるときのデータとして示されている。

なお、図１２では、参考として、Ｔ回前に測定された第１分割領域〜第６分割領域のそれぞれにおける平均濃度差についての、第１分割領域と第２分割領域の差分と、第３分割領域と第４分割領域の差分と、第５分割領域と第６分割領域の差分が、破線で結ばれて示されている。

図１２から理解されるように、実線で結ばれた、異物５１が存在する際のデータについては閾値（Ｐ３：上記Ｐ１と同様に、ノイズレベル等に基づいて決定される）を越えるものも含むが、破線で結ばれた、異物５１が存在しない場合のデータには、閾値を越えるデータは含まれない。これにより、このような垂直方向に隣接する分割領域との間の差分を算出し、当該差分が閾値を越えるものを含むか否かによっても、ワーク５０上の異物５１の有無を判断できる。

このように垂直方向に隣接する分割領域との間での差分を算出することにより、隣接する一方の分割領域では異物５１によって遮蔽された光の影響が検出され、他方の分割領域では当該異物５１による回折光の影響が検出された場合、特に大きな差分値を得ることができると考えられ、寸法の小さい異物５１の有無の検出には有効であると考えられる。

なお、図１０に示されるように、分割領域を平行方向にも分割する際には、異物５１が、投光器３および受光器４の相対的な移動（図２の矢印Ａ方向）により、各分割領域を通過する間に、各分割領域を構成するＣＣＤ１１による画素信号の取り込みが少なくとも１回行なえるよう、移動速度を設定することが必要となる。

［その他の変形例等について］
１）分割領域の配列
以上説明した各実施の形態では、計測領域４０が、垂直な方向に分割されて分割領域が定義された。なお、分割領域は、少なくともワーク５０の上面に対して各分割領域の垂直な方向の位置を異ならせて配置されていれば、必ずしもワーク５０の上面に垂直な方向に直線状に整列している必要はなく、図１３に示されるように、分割領域４１Ｘ〜４５Ｘとして示すように、水平方向においてずれを生じていてもよい。

２）風防の設置
また、以上説明した各実施の形態では、検出対象物とされるワーク５０の上方に、図１４（Ａ）および図１４（Ｂ）に示されるように、室内の空気の流れが検出領域を横切ることを回避する等の理由から、風防５１１を設置されることが好ましい。

なお、図１４（Ｂ）は、投光器３側から受光器４側を見た場合の図に相当する。風防５１１の設置位置は、図１３に示されるように、たとえば石定盤５１０から高さ５ｍｍ程度の位置に設置されることが好ましい。

３）差分画像の表示
光学式センサ装置１では、ＣＰＵ１５は、ＣＣＤ１１の計測領域全域において得られた各画素について、異物５１が存在するときと存在しないときの濃度差を、液晶表示部１６に表示させてもよい。このような場合に表示される画面の一例を図１５に示す。

図１５を参照して、画面７００には、当該濃度差を示す画像が表示欄７１０に表示されている。

具体的には、表示欄７１１において、ＣＣＤ１１の計測領域全域についての濃度差が、カラー画像（図面ではモノクロ）で示されている。なお、表示欄７１１における表示色は、表示欄７４０に示された表示色と濃度差の対応関係に基づいて表示されている。

つまり、ＣＰＵ１５は、ＣＣＤ１１の計測領域全域の全画素について、異物５１が存在するときとしないときの一方が計測された時点で、受光濃度を記憶し、また、他方が計測された時点で、受光濃度を記憶し、そして、画素ごとに差分を算出し、そして、得られた差分値を、表示欄７４０に示された対応関係に基づいてカラーの画素に変換して、表示欄７１１に表示させている。

表示欄７１１には、断面指示線７１２，７１４が表示されている。
断面指示線７１２は、水平方向の断面位置を指示するために表示され、断面指示線７１４は、垂直方向の断面位置を指示するために表示される。そして、画面７００では、断面指示線７１２によって指示された断面についての差分値の分布が、濃度分布表示欄７１３に示されている。また、断面指示線７１４によって指示された断面についての差分値の分布が、濃度分布表示欄７１５に示されている。

また、表示欄７１１では、計測領域４０に対応する枠７１０Ａが表示されている。枠７１０Ａの表示位置は、ＣＣＤ１１の計測領域内のどこに計測領域４０を設定するかを示していることになる。

枠７１０Ａの表示欄７１１における表示位置は、ユーザによって操作キー１７等を適宜操作されることにより、変更することができる。また、ＣＰＵ１５は、当該表示位置に対応するように、計測領域４０として受光濃度を取得する領域を変更する。

なお、ＣＰＵ１５は、異物５１が存在しないときのＣＣＤ１１の撮像画像を、ユーザによる操作キー１７に対する操作に基づいて、画像メモリ１４に記憶させるとともに表示欄７２０に表示させ、さらに、異物５１が存在するときのＣＣＤ１１の撮像画像を、ユーザによる操作キー１７に対する操作に基づいて、画像メモリ１４に記憶させるとともに表示欄７３０に表示させることができる。

４）比に基づく異物の存在の判断
以上説明した各実施の形態では、各分割領域について異物が存在するときの平均濃度（受光値）と異物が存在しないときの平均濃度（参照値）の差分値を算出して閾値を越えるか否かにより異物の存在を判断していたが、これに代えて、受光値と参照値との比を算出し、その比が閾値を越えるか否かにより異物の存在を判断するようにしてもよい。また、差分画像を表示することに代えて、異物が存在するときの画像と異物が存在しないときの画像の対応する各画素について濃度の比を算出した比画像を表示してもよい。

５）光学式センサ装置の用途
また、以上説明した各実施の形態では、光学式センサ装置が、ガラス基板上の異物の検出に適用された例が説明されたが、本発明の光学式センサ装置が適用される態様はこれに限定されず、フィルム、金属、紙などのシート状の検査対象についての異物検出に適用することもできると考えられる。また、異物検出に限らず、他の物体、例えば、糸の毛羽の検出などに適用することもできると考えられる。

今回開示された各実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。また、各実施の形態に開示された技術は、変形例も含め、可能な限り組み合わされて適用されることが意図される。

１ 光学式センサ装置、２ 平行光、３ 投光器、４ 受光器、４Ａ 検出面、６ 信号処理装置、７ レーザ駆動回路、８ 半導体レーザ、９ コリメートレンズ、１０ スリット、１０ａ 開口、１１ ＣＣＤ、１２ サンプルホールド回路、１３ Ａ／Ｄ変換器、１４ 画像メモリ、１５ ＣＰＵ、１６ 液晶表示部、１７ 操作キー、４０ 計測領域、４１〜４４，４１Ａ〜４６Ａ 分割領域、５０ ワーク、５１ 異物、５１０ 石定盤。

Claims (8)

1. 平坦な支持面上に置かれる平板状部材の一端面側に設置された投光部から、平板状部材の上面を含む上面上の空間に検出光を投光し、他端面側に設置された受光部で検出光を受光するとともに、支持面に対して平行な方向に、検出光と平板状部材とを相対的に移動させることにより平板状部材に付着した異物を検出する光学式センサ装置であって、
   参照値を記憶する記憶部と、
   処理部とを備え、
   前記受光部は、異物が付着していない平板状部材が前記支持面に置かれた状態で前記支持面に垂直な方向について検出光が入射する範囲であって、前記支持面に最も近い側の端部から当該支持面から離れる方向に向けて配列された複数の受光領域を含み、
   前記記憶部は、前記各受光領域に対応する参照値を記憶し、
   前記処理部は、前記各受光領域について当該受光領域全体で受光される受光量に基いて生成された各受光領域の受光値と、対応する参照値とから差分値をそれぞれ算出し、いずれかの差分値が判定閾値を超えれば異物が有りと判断する、光学式センサ装置。
2. 前記受光部は、所定の計測周期で前記各受光領域それぞれに入射する検出光を繰返し受光し、
   前記処理部は、前記計測周期ごとに繰り返して前記差分値を算出し、
   検出光と平板状部材とが相対的に移動する方向における前記検出光および各受光領域の寸法は、前記計測周期と前記相対的な移動の移動速度との積により算出される寸法よりも長い、請求項１に記載の光学式センサ装置。
3. 前記光学式センサ装置は、前記投光部と前記受光部との間の所定の検査範囲に存在する少なくとも所定の大きさの異物を検出し、
   前記各受光領域の前記支持面に垂直な方向の寸法は、前記所定の大きさの異物が前記検査範囲の最も前記受光部に近い側にあるときに、当該異物によって生じる回折光が前記受光部で受光されることにより生じる回折パターンの回折周期の半分よりも小さい寸法である、請求項１または２に記載の光学式センサ装置。
4. 前記記憶部は、異物が付着していない平板状部材が前記支持面に置かれた状態で前記各受光領域において受光される総受光量に基づいて生成された各受光領域の受光値を前記参照値として記憶する、請求項１から３のいずれかに記載の光学式センサ装置。
5. 画像を表示する表示部をさらに備え、
   前記受光部は、２次元に配列された画素からなる撮像領域を有する２次元撮像素子を含み、
   前記各受光領域は、前記撮像領域内に、それぞれ複数の画素を含むように設定され、
   前記記憶部は、前記２次元撮像素子の撮像領域により予め取得された画像を参照画像としてさらに記憶し、
   前記処理部は、
   前記２次元撮像素子の撮像領域により取得される画像と前記参照画像との差分画像、および設定された前記各受光領域を当該差分画像に画素位置を対応させて重ねて前記表示部に表示する、請求項１から４のいずれかに記載の光学式センサ装置。
6. 前記参照画像は、異物が付着していない平板状部材が前記支持面に置かれた状態で取得した画像である、請求項５に記載の光学式センサ装置。
7. 前記２次元撮像素子の撮像領域内の前記各受光領域として設定される複数の画素範囲を入力する入力部をさらに備え、
   前記処理部は、前記入力部から入力された前記複数の画素範囲を、前記各受光領域として前記差分画像に画素位置を対応させて重ねて前記表示部に表示させるとともに、前記複数の画素範囲を前記各受光領域として設定する、請求項６に記載の光学式センサ装置。
8. 平坦な支持面上に置かれる平板状部材の一端面側に設置された投光部から、平板状部材の上面を含む上面上の空間に検出光を投光し、他端面側に設置された受光部で検出光を受光するとともに、支持面に対して平行な方向に、検出光と平板状部材とを相対的に移動させることにより平板上部材に付着した異物を検出する光学式センサ装置であって、
   参照値を記憶する記憶部と、
   処理部とを備え、
   前記受光部は、異物が付着していない平板状部材が前記支持面に置かれた状態で前記支持面に垂直な方向について検出光が入射する範囲であって、前記支持面に最も近い側の端部から当該支持面から離れる方向に向けて配列された複数の受光領域を含み、
   前記記憶部は、前記各受光領域に対応する参照値を記憶し、
   前記処理部は、前記各受光領域について当該受光領域全体で受光される受光量に基いて生成された各受光領域の受光値と、対応する参照値とから比をそれぞれ算出し、いずれかの比が判定閾値を超えれば異物が有りと判断する、光学式センサ装置。