JP6642223B2 - 透明板表面検査装置、透明板表面検査方法、およびガラス板の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、透明板表面検査装置、透明板表面検査方法、およびガラス板の製造方法に関する。

特許文献１に記載の検査装置は、光源のストライプパターンを、光源からの光が透明板の検査面で反射した先に設置されたカメラで撮像し、カメラにより撮像された画像を画像処理することで透明板の表面形状を検査する。撮像された画像は、明部と暗部とが交互に繰り返されるストライプパターンを有する。このストライプパターンと基準パターンとのずれを検出することで、検査面の表面形状が検査できる。基準パターンとしては、検査面が理想平面である場合にカメラが撮像するストライプパターンが用いられる。

特開２００５−３４５３８３号公報

カメラは、直線上に並ぶ複数の画素を含む撮像素子と、ストライプパターンを撮像素子に結像するレンズとを含む。光源や撮像素子は、両方とも検査面の片側に配され、且つ、それぞれ検査面に斜めに向かい合う。この配置によって、複数の検査装置を効率よく並べることができる。

従来、検査装置のコンパクト化を目的として、カメラの位置が検査面に近く、カメラのレンズとして広角のレンズが使用されていた。

近年、透明板により高い平坦度が求められており、従来の検査装置では検査精度が不十分になっていた。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、検査精度を向上した、透明板表面検査装置の提供を主な目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様によれば、
透明板の主表面を検査する透明板表面検査装置であって、
ストライプパターンを含む光源と、前記光源からの光が前記主表面で反射した先に設置され、前記ストライプパターンを撮像するラインセンサカメラと、撮像された前記ストライプパターンの画像を画像処理する画像処理装置とを備え、
前記ラインセンサカメラは、所定方向に並ぶ複数の画素を含む撮像素子と、前記ストライプパターンを前記撮像素子に結像するレンズとを有し、
前記光源および前記撮像素子は、両方とも前記主表面の片側に配され、且つ、それぞれ前記主表面に斜めに向かい合い、
前記所定方向の一端に配される前記画素の前記主表面における撮像スポットの面積（Ｓ１）と、前記所定方向の他端に配される前記画素の前記主表面における撮像スポットの面積（Ｓ２（Ｓ２＞Ｓ１））との比（Ｓ１／Ｓ２）が０.２０以上である、透明板表面検査装置が提供される。

本発明の一態様によれば、検査精度を向上した、透明板表面検査装置、透明板表面検査方法、およびガラス板の製造方法が提供される。

一実施形態による透明板表面検査装置の、透明板の表側の主表面を検査する時の断面図であって、図２のI−Iに沿った断面図である。 一実施形態による透明板表面検査装置の、透明板の表側の主表面を検査する時の平面図である。 一実施形態によるラインセンサカメラによって撮像される画像の輝度分布のうち、透明板の表側の主表面で反射したストライプパターンの像の輝度分布を示す図である。 一実施形態による撮像素子の一端の画素によって撮像される検査面上の撮像スポットの面積の説明図である。 一実施形態による撮像素子の他端の画素によって撮像される検査面上の撮像スポットの面積の説明図である。 一実施形態による撮像素子の中点の画素によって撮像される検査面上の撮像スポットの面積の説明図である。 一実施形態による透明板表面検査装置の、透明板の裏側の主表面を検査する時の断面図である。 変形例による透明板表面検査装置の、透明板の表側の主表面を検査する時の平面図である。

以下、本発明の透明板表面検査装置及び透明板表面検査方法を実施するための形態について図面を参照して説明する。各図面において、同一の又は対応する構成には、同一の又は対応する符号を付して説明を省略する。

図１は、一実施形態による透明板表面検査装置の、透明板の表側の主表面を検査する時の断面図であって、図２のI−Iに沿った断面図である。図２は、一実施形態による透明板表面検査装置の、透明板の表側の主表面を検査する時の平面図である。

透明板表面検査装置１０は、図１および図２に示すように、透明板６０の表側の主表面６１（以下、「検査面６１」とも呼ぶ）の形状を検査する。透明板６０としては、ガラス板、樹脂板などが挙げられる。透明板表面検査装置１０は、例えば、光源２０と、ラインセンサカメラ３０と、画像処理装置５０とを有する。

光源２０は、ＬＥＤなどの光源本体２１と、ストライプパターン２２とを有する。ストライプパターン２２は、光源本体２１の発光面に設けられる。ストライプパターン２２と光源本体２１との間には、光拡散シートなどの光学シートが設けられてよい。

ラインセンサカメラ３０は、光源２０の光が検査面６１で反射した先に設置され、光源２０に含まれるストライプパターン２２を撮像する。ラインセンサカメラ３０は、所定方向に並ぶ複数の画素を含む撮像素子３１と、ストライプパターン２２を撮像素子３１に結像するレンズ３２とを有する。撮像素子３１としては、例えばＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサなどが用いられる。

画像処理装置５０は、ラインセンサカメラ３０によって撮像された画像を画像処理する。画像処理装置５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５１と、メモリなどの記憶媒体５２とを有する。画像処理装置５０は、記憶媒体５２に記憶されたプログラムをＣＰＵ５１に実行させることにより、画像処理を行う。

図３は、一実施形態によるラインセンサカメラによって撮像される画像の輝度分布のうち、透明板の表側の主表面で反射したストライプパターンの像の輝度分布を示す図である。図３において、横軸はラインセンサカメラ３０の画素の番号を、縦軸は輝度を表す。画素の番号は、画素の並ぶ順番（整数）を意味する。図３に示すように、撮像された画像は、明部と暗部とが交互に繰り返されるストライプパターンを有する。

画像処理装置５０は、撮像されたストライプパターンと基準パターンとのずれを検出する。基準パターンとしては、検査面６１が理想平面である場合にラインセンサカメラ３０が撮像するストライプパターンが用いられる。基準パターンは、計算などによって求められ、予め記憶媒体５２に記憶されたものを読み出して用いる。

画像処理装置５０は、撮像されたストライプパターンの基準パターンからのずれを検出することで、検査面６１の各点での傾きを検出でき、その傾きを積分することで表面形状を検出できる。ストライプパターンのずれから表面形状を導出する方法については、一般的なものが使用でき、例えば上記特許文献１に記載のものが使用できる。

ところで、図１に示すように、光源２０および撮像素子３１は、両方とも検査面６１の片側に配され、且つ、それぞれ検査面６１に斜めに向かい合う。光源２０からの光の中心線の、検査面６１に対する傾斜角θ１は、例えば３５°以上５５°以下、好ましくは４０°以上５０°以下である。また、撮像素子３１に向かう光の中心線の、検査面６１に対する傾斜角θ２は、例えば３５°以上５５°以下、好ましくは４０°以上５０°以下である。傾斜角θ１と傾斜角θ２とは、上記範囲内で等しい。

上述の如く光源２０および撮像素子３１が両方とも検査面６１の片側に配され且つそれぞれ検査面６１に斜めに向かい合うことで、複数の透明板表面検査装置１０を効率よく並べることができる。この透明板表面検査装置１０の検査精度を向上するため、本発明者は、撮像素子３１の各画素の検査面６１における撮像スポットの面積のばらつきに着目した。

図４は、一実施形態による撮像素子の一端の画素によって撮像される検査面上の撮像スポットの面積の説明図である。図４では、光源２０のストライプパターン２２上の一点２２Ｐ１が撮像素子３１の一端の画素３１Ｐ１に結像されている。この画素３１Ｐ１の検査面６１における撮像スポットの面積Ｓ１は、下記式（１）〜（３）を用いて算出できる。
Ｓ１＝α×Ｓｆ×β１^２・・・（１）
β１＝Ａ１ｂ／Ａ１・・・（２）
Ａ１＝Ａ１ａ＋Ａ１ｂ・・・（３）
ここで、αはレンズ３２の光軸直交面ＯＰに対する検査面６１の傾斜の影響を表す係数を、Ｓｆはレンズ３２の絞り面積を、Ａ１ａはレンズ３２の光学中心３２ａから検査面６１における撮像スポットの中心Ｐ１までの距離を、Ａ１ｂはＰ１から光源２０の一点２２Ｐ１までの距離を表す。レンズ３２の光軸直交面ＯＰとは、レンズ３２の光軸３２ｂと直交する平面である。レンズ３２の絞り面積Ｓｆは、レンズ３２の焦点距離ｆと絞り値の関数であって、一定である。

図５は、一実施形態による撮像素子の他端の画素によって撮像される検査面上の撮像スポットの面積の説明図である。図５では、光源２０のストライプパターン２２上の一点２２Ｐ２が撮像素子３１の他端の画素３１Ｐ２に結像されている。この画素３１Ｐ２の検査面６１における撮像スポットの面積Ｓ２は、下記式（４）〜（６）を用いて算出できる。
Ｓ２＝α×Ｓｆ×β２^２・・・（４）
β２＝Ａ２ｂ／Ａ２・・・（５）
Ａ２＝Ａ２ａ＋Ａ２ｂ・・・（６）
ここで、αはレンズ３２の光軸直交面ＯＰに対する検査面６１の傾斜の影響を表す係数を、Ｓｆはレンズ３２の絞り面積を、Ａ２ａはレンズ３２の光学中心３２ａから検査面６１における撮像スポットの中心Ｐ２までの距離を、Ａ２ｂはＰ２から光源２０の一点２２Ｐ２までの距離を表す。尚、Ａ１とＡ２とは等しい。

図６は、一実施形態による撮像素子の中点の画素によって撮像される検査面上の撮像スポットの面積の説明図である。図６は、光源２０のストライプパターン２２上の一点２２Ｐ３が撮像素子３１の中点の画素３１Ｐ３に結像されている。この画素３１Ｐ３の検査面６１における撮像スポットの面積Ｓ３は、下記式（７）〜（９）を用いて算出できる。
Ｓ３＝α×Ｓｆ×β３^２・・・（７）
β３＝Ａ３ｂ／Ａ３・・・（８）
Ａ３＝Ａ３ａ＋Ａ３ｂ・・・（９）
ここで、αはレンズ３２の光軸直交面ＯＰに対する検査面６１の傾斜の影響を表す係数を、Ｓｆはレンズ３２の絞り面積を、Ａ３ａはレンズ３２の光学中心３２ａから検査面６１における撮像スポットの中心Ｐ３までの距離を、Ａ３ｂはＰ３から光源２０の一点２２Ｐ３までの距離を表す。Ｐ３は、検査面６１におけるレンズ３２の光軸との交点である。

図１、図４〜図６から明らかなように、撮像素子３１に含まれる各画素の検査面６１における撮像スポットの面積Ｓのうち、最大値がＳ２であり、最小値がＳ１である。撮像スポットの面積Ｓのばらつきは、Ｓの最小値であるＳ１と、Ｓの最大値であるＳ２との比（Ｓ１／Ｓ２）で表すことができる。上記式（１）、（４）において、Ｓｆは全く同じ値であり、αは略同じ値である。よって、Ｓ１／Ｓ２は、Ｓ１／Ｓ２＝β１^２／β２^２の近似式から算出される。Ｓ１／Ｓ２が１に近づくほど、撮像スポットの面積Ｓのばらつきが小さくなる。

尚、上述の如く光源２０および撮像素子３１が両方とも検査面６１の片側に配され且つそれぞれ検査面６１に斜めに向かい合うため、当然に、Ｓ２はＳ１よりも大きく、Ｓ１/Ｓ２は１未満である。Ｓ１／Ｓ２は、透明板表面検査装置１０の小型化、光学系と透明板６０との干渉防止などの観点から、好ましくは０．４５以下である。

本発明者は、詳しくは実施例の欄で説明するが、実験等により、Ｓ１／Ｓ２を０．２０以上とすることで、透明板表面検査装置１０の検査精度を向上できることを見出した。

レンズ３２の焦点距離ｆは、好ましくは１１０ｍｍ以上である。レンズ３２の焦点距離ｆが１１０ｍｍ以上であれば、画角の狭いレンズ３２が使用でき、レンズ３２を通過する複数の光線が平行線に近づくので、Ｓ１／Ｓ２を０．２０以上とすることが容易である。レンズ３２の焦点距離ｆは、さらに好ましくは１２０ｍｍ以上である。

レンズ３２の焦点距離ｆに関し、下記式（４）が成立する。
１／ｆ＝１／Ａ３＋１／Ｂ３・・・（４）
上記式（４）中、Ａ３は、Ａ３ａとＡ３ｂとの和である。一方、Ｂ３は、レンズ３２の光学中心３２ａから、撮像素子３１の中点の画素３１Ｐ３までの距離を表す。

レンズ３２の焦点距離ｆが１１０ｍｍ以上の場合、レンズ３２の画角が狭いので、検査面６１における撮像範囲６１Ａが十分に大きくなるためには、Ａ３は８００ｍｍ以上であることが好ましい。

一方、Ａ３は、透明板表面検査装置１０の小型化の観点から、１５００ｍｍ以下であることが好ましい。Ａ３が１５００ｍｍ以下の場合、検査面６１における撮像範囲６１Ａが十分に大きくなるためには、レンズ３２の焦点距離ｆが２２５ｍｍ以下であることが好ましい。

ところで、ラインセンサカメラ３０は、表側の主表面６１で反射した先に観測されるストライプパターン２２の像と、裏側の主表面６２で反射した先に観測されるストライプパターン２２の像とを重ねて撮像する。

表側の主表面６１で反射した先に観測されるストライプパターン２２の像は、裏側の主表面６２で反射した先に観測されるストライプパターン２２の像よりも、明部と暗部とのコントラスト比が高い。

これらの像は、分離が容易になるように、暗部同士（または明部同士）が重ならないことが好ましい。暗部同士（または明部同士）が重ならないように、傾斜角θ１および傾斜角θ２は３５°以上５５°以下であることが好ましい。

尚、上述の如く２つの像は明部と暗部とのコントラスト比が異なるので、２つの像の暗部同士（または明部同士）が重なる場合にも、２つの像の分離は可能である。

透明板表面検査装置１０は、図１では表側の主表面６１の表面形状を検査するが、図７に示すように裏側の主表面６２（以下、「検査面６２」とも呼ぶ）の表面形状を検査してもよい。尚、透明板表面検査装置１０は、両方の主表面６１、６２の表面形状を検査してもよい。

透明板表面検査装置１０が裏側の検査面６２の表面形状を検査する場合、「Ｓ１／Ｓ２」、「ｆ」、「Ａ３」などの説明において、「検査面６１」を「検査面６２」と読み替えればよい。ここで、「Ｓ１／Ｓ２」などは、透明板６０と空気との境界での光の屈折を考慮して算出する。尚、透明板６０の板厚は十分に小さいので、表側の検査面６１について上記条件（例えばＳ１／Ｓ２が０．２０以上）が成立すれば、裏側の検査面６２についても上記条件が基本的に成立する。

尚、本実施形態では、図２に示すように、平面視において、同一直線上に、撮像素子３１と、透明板６０の検査面６１における撮像範囲６１Ａと、光源２０のストライプパターン２２における撮像範囲２２Ａとが配されるが、本発明はこれに限定されない。図８に示すように、平面視において、撮像素子３１と、透明板６０の検査面６１における撮像範囲６１Ａと、光源２０のストライプパターン２２における撮像範囲２２Ａとが直線上に並んで配置されるのではなく、ねじれていてもよい。また、透明板６０を搬送しながら表面形状を検査してもよい。

また、上述した透明板表面検査方法による検査工程を、溶融ガラスから板状のガラスに成形する工程と、板状のガラスを切断してガラス板を切り出す工程と、を少なくとも含むガラス板の製造方法に適用することができる。透明板表面検査方法による検査工程を経ることにより、所望の表面形状のガラス板を確実に得ることができる。

以下、実施例および比較例により本発明について詳細に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されない。試験例１が実施例、試験例２が比較例である。

［試験例１］
試験例１では、ガラス板の表側の主表面（以下、単に「検査面」とも呼ぶ）を、図１などに示す透明板表面検査装置を用いて検査した。ガラス板の検査面は、予め研磨によって理想平面に限りなく近づけた。また、検査面上の撮像範囲の左端Ｐ１（図１参照）と右端Ｐ２（図１参照）との距離Ｌ（図１参照）は２５０ｍｍとした。ラインセンサカメラの画素数は７４５０とした。

先ず、光源のストライプパターンを、光源からの光が検査面で反射した先に設置されたラインセンサカメラで撮像し、撮像した画像を画像処理することで検査面の形状を算出した。形状を算出する範囲は、（１）左端Ｐ１から３０ｍｍ以内の部分（以下、「左側の検査部分」とも呼ぶ）と、（２）右端Ｐ２から３０ｍｍ以内の部分（以下、「右側の検査部分」とも呼ぶ）の両方とした。そうして、各検査部分の、理想平面からのずれ（高低差）の生データを得た。これを、撮像範囲を変えずに２５０回繰り返すことで、検査部分毎に２５０回分の生データを得た。

次いで、２５０回分の生データに窓関数を用いて畳み込み積分し、（Ａ）波長１０ｍｍを中心とする周期帯の周波数成分（以下、「第１の周波数成分」とも呼ぶ）と、（Ｂ）波長５ｍｍを中心とする周期帯の周波数成分（以下、「第２の周波数成分」とも呼ぶ）とを抽出した。窓関数としては、ガウシアン窓を用いた。そうして、各検査部分のうちの中央部分について、各周波数成分の標準偏差を算出し、算出した標準偏差を評価値とした。ここで、各検査部分の中央部分の左右長は、５ｍｍとした。標準偏差を算出する際に、各検査部分の中央部分のみを用いるのは、十分に小さい範囲で評価値を得るため、かつ畳み込み積分の計算時に端部を仮想的に折り返したためである。

尚、ガラス板には長周期成分と短周期成分のうねりがあると推定し、波長１０ｍｍを中心とする第１の周波数成分を長周期成分として、波長５ｍｍを中心とする第２の周波数成分を短周期成分として評価した。

［試験例２］
試験例２では、「Ｓ３」が略同一であって且つ「Ｓ１／Ｓ２」が異なるように、「ｆ」、絞り、「Ａ３」、「Ａ３ｂ」などを変更した以外、試験例１と同様にして、ガラス板の表側の主表面を検査し、評価値を求めた。

［まとめ］
試験条件および試験結果を表１に示す。表１において、「ＦＣ１Ｌ」は左側の検査部分の中央部分における第１の周波数成分の標準偏差を、「ＦＣ２Ｌ」は左側の検査部分の中央部分における第２の周波数成分の標準偏差を、「ＦＣ１Ｒ」は右側の検査部分の中央部分における第１の周波数成分の標準偏差を、「ＦＣ２Ｒ」は右側の検査部分の中央部分における第２の周波数成分の標準偏差を表す。

表１から明らかなように、試験例１によれば、試験例２とは異なり、Ｓ１／Ｓ２が０．２０以上であるため、ＦＣ１ＬとＦＣ１Ｒとの比（ＦＣ１Ｌ／ＦＣ１Ｒ）およびＦＣ２ＬとＦＣ２Ｒとの比（ＦＣ２Ｌ／ＦＣ２Ｒ）がそれぞれ１に近かった。これらの比が１に近いことは左側の検査部分の精度と右側の検査部分の精度とが近いことを意味しており、撮像スポットの面積のばらつきによる検査精度の低下を抑制できたことがわかる。

以上、透明板表面検査装置の実施形態などについて説明したが、本発明は上記実施形態などに限定されず、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形、改良が可能である。

１０ 透明板表面検査装置
２０ 光源
２１ 光源本体
２２ ストライプパターン
３０ ラインセンサカメラ
３１ 撮像素子
３２ レンズ
３２ａ 光学中心
３２ｂ 光軸
５０ 画像処理装置
６０ 透明板
６１ 表側の主表面（検査面）
６２ 裏側の主表面（検査面）

Claims (8)

1. 透明板の主表面を検査する透明板表面検査装置であって、
   ストライプパターンを含む光源と、前記光源からの光が前記主表面で反射した先に設置され、前記ストライプパターンを撮像するラインセンサカメラと、撮像された前記ストライプパターンの画像を画像処理する画像処理装置とを備え、
   前記ラインセンサカメラは、所定方向に並ぶ複数の画素を含む撮像素子と、前記ストライプパターンを前記撮像素子に結像するレンズとを有し、
   前記光源および前記撮像素子は、両方とも前記主表面の片側に配され、且つ、それぞれ前記主表面に斜めに向かい合い、
   前記所定方向の一端に配される前記画素の前記主表面における撮像スポットの面積（Ｓ１）と、前記所定方向の他端に配される前記画素の前記主表面における撮像スポットの面積（Ｓ２（Ｓ２＞Ｓ１））との比（Ｓ１／Ｓ２）が０.２０以上である、透明板表面検査装置。
2. 前記レンズの焦点距離が１１０ｍｍ以上である、請求項１に記載の透明板表面検査装置。
3. 前記レンズの光学中心から前記主表面における前記レンズの光軸との交点までの距離と、前記交点から前記光源の前記ストライプパターンまでの距離との和が８００ｍｍ以上である、請求項２に記載の透明板表面検査装置。
4. 透明板の主表面を検査する透明板表面検査方法であって、
   光源に含まれるストライプパターンを、前記光源からの光が前記主表面で反射した先に設置されたラインセンサカメラで撮像し、撮像された前記ストライプパターンの画像を画像処理し、
   前記ラインセンサカメラは、所定方向に並ぶ複数の画素を含む撮像素子と、前記ストライプパターンを前記撮像素子に結像するレンズとを有し、
   前記光源および前記撮像素子は、両方とも前記主表面の片側に配され、且つ、それぞれ前記主表面に斜めに向かい合い、
   前記所定方向の一端に配される前記画素の前記主表面における撮像スポットの面積（Ｓ１）と、前記所定方向の他端に配される前記画素の前記主表面における撮像スポットの面積（Ｓ２（Ｓ２＞Ｓ１））との比（Ｓ１／Ｓ２）が０.２０以上である、透明板表面検査方法。
5. 前記レンズの焦点距離が１１０ｍｍ以上である、請求項４に記載の透明板表面検査方法。
6. 前記レンズの光学中心から前記主表面における前記レンズの光軸との交点までの距離と、前記交点から前記光源の前記ストライプパターンまでの距離との和が８００ｍｍ以上である、請求項５に記載の透明板表面検査方法。
7. 前記透明板がガラス板である、請求項４から６の何れか一項に記載の透明板表面検査方法。
8. 溶融ガラスから板状のガラスに成形する工程と、前記板状のガラスを切断してガラス板を切り出す工程と、請求項７に記載の透明板表面検査方法による検査工程とを含む、ガラス板の製造方法。

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