JP6759869B2

JP6759869B2 - 検査装置

Info

Publication number: JP6759869B2
Application number: JP2016170136A
Authority: JP
Inventors: 勝博渡辺; 稜太安保
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2020-09-23
Anticipated expiration: 2036-08-31
Also published as: CN107796829A; CN107796829B; JP2018036162A

Description

本発明は、検査装置に関する。

レンズなどの透明な光学部品の検査において、被検体に光を照射して、照射した光を投影させることで被検体のキズや細かな凹凸のような欠陥の有無を検知する検査装置が知られている（例えば特許文献１〜３等参照）。

このような検査装置において、欠陥の形状や大きさを精度よく検知するためには、投影部を半透明にして、欠陥が作る影などの光強度変化をカメラなどの撮像装置で撮影する方法が知られている。

しかしながら、単に半透明な投影部を用いるのみでは、光源の強度分布の差によってハレーションが生じて欠陥が見え難くなるという問題がある。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、精度よく欠陥を検知可能な検査装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる検査装置は、被検体に光を照射するための光源と、前記被検体に照射された前記光が投影される投影部と、前記投影部に対して前記光源とは反対側に配置され、前記投影部に投影された前記光を画像情報として取得するための撮像部と、を有し、前記投影部は表面に凹凸が形成されたレンズ拡散板であって、前記投影部を前記光の入射方向に対して直交する第１の方向と当該第１の方向と前記入射方向に対して直交する第２の方向とにそれぞれ互いに異なる周期で周期運動させ、当該周期運動により前記投影部を停止点を持たない周期運動となるように駆動する駆動部を有することを特徴とする。

本発明にかかる検査装置によれば、精度よく欠陥を検知可能な検査装置を提供できる。

本発明の実施形態に係る検査装置の構成の一例を示す平面図である。図１に示した駆動部の構成の一例を示す図である。本発明の比較例を説明するための図である。本実施形態における画像情報の見え方の一例を示す図である。図１で示したレンズ拡散板を透過した光の経路の一例を示す図である。駆動部の動作による光量ムラの変化の一例を示す図である。図６に示した駆動部を動作させたときの光量ムラの一例を示す図である。本発明の変形例として、被検体が反射体であった場合の構成の一例を示す図である。

〈第１の実施形態〉
図１は、本実施形態に係る検査装置の一例である検査装置１の外観を例示する平面図である。
検査装置１は、検査対象物たる被検体Ｐに照明光たる光Ｌを照射するための光源部１０と、被検体Ｐを透過した光Ｌが投影される投影部たるレンズ拡散板３０と、を有している。
検査装置１は、レンズ拡散板３０に対して光源部１０とは反対側に配置され、レンズ拡散板３０に投影された光Ｌを画像情報Ｑとして取得するための撮像部たるカメラ４０と、被検体Ｐと光源部１０との間に配置されて光Ｌを平行光とするレンズ２０と、を有している。
検査装置１は、レンズ拡散板３０を光軸Ｏと垂直な方向に駆動するための駆動部５０を有している。なお、特に必要のある場合には、光軸Ｏと平行な方向をＺ方向、光軸Ｏと垂直な２方向のうち、紙面上方向をＹ方向、Ｚ方向とＹ方向とに垂直な方向をＸ方向とする。

光源部１０は、本実施形態ではレーザーを用いた点光源である。なお、光源部１０はＬＥＤ、ハロゲン光源などを用いても良い。
光源部１０は、被検体Ｐの微小な欠陥を投影させるためには、発光面積が小さいものであることが望ましく、検査装置１全体の大きさに対して点光源としてみなせる程度に小さいものであることがより望ましい。

レンズ２０は、光源部１０から発した光Ｌを光軸Ｏに対して平行な光へと偏向するための両凸レンズである。
なお、かかるレンズ２０は、光量が十分に確保できる場合には省略しても良い。

レンズ拡散板３０は、表面に微細なレンズアレイを形成して任意の光拡散角度を持ったレンズ拡散板である。なお、本実施形態ではレンズ拡散板を用いたが、表面にランダムに配置された微小な凹凸により光拡散機能を備えた拡散板であればよい。
レンズ拡散板３０は、透過する光Ｌを拡散することで、カメラ４０に入射する光Ｌの照度を均一化する。
レンズ拡散板３０の拡散角は、光軸Ｏとの交点の照度、言い換えるとレンズ拡散板３０の中心照度の半値を全角表示した半値全幅ＦＷＨＭが８０ｄｅｇであることが最も望ましく、欠陥が容易に観察できる等の場合には７０ｄｅｇ〜９０ｄｅｇの範囲内で適宜設定してもよい。
なお、かかる構成に限定されるものではなく、図５に示して後述するカメラ４０に備えられたカメラレンズ４１の視野角θよりも大きければ良い。

カメラ４０は、レンズ拡散板３０の光軸方向下流側から、レンズ拡散板３０を透過した光Ｌを画像情報Ｑとして撮像するための撮像装置である。
カメラ４０は、光Ｌを集光する集光光学系を構成するカメラレンズ４１と、カメラレンズ４１の焦点付近に配置された撮像素子４２と、を有している。
カメラ４０は、カメラレンズ４１により、光Ｌを撮像素子４２上に結像させて画像情報Ｑを取得する。

駆動部５０は、図２に示すように、モーター５１と、モーター５１に接続されてレンズ拡散板３０を固定する固定枠５２と、を有している。
駆動部５０はまた、固定枠５２の移動方向をＹ方向のみに規制する第２ガイド部５３と、第２ガイド部５３に取り付けられた枠部５４と、枠部５４の移動方向をＸ方向のみに規制する第１ガイド部５５と、を有している。

第１ガイド部５５は、光軸Ｏに対して不動であり、枠部５４のＺ方向側に形成された溝と嵌め合うことで枠部５４をＸ方向には可動に、Ｙ方向には不動になるように支持している。
枠部５４の中心部分は、本実施形態では、レンズ拡散板３０を透過した光Ｌが透過するように空隙となっているが、例えば複数のレンズ拡散板３０を取り付ける場合には、枠部５４と固定枠５２とのそれぞれにレンズ拡散板３０を取り付けても良い。

枠部５４のＸ方向端部には、Ｙ方向に沿って第２ガイド部５３が取り付けられており、固定枠５２をＹ方向に可動に支持している。
第２ガイド部５３も、第１ガイド部５５と同様に、固定枠５２のＺ方向側に形成された溝と嵌め合うことで固定枠５２をＹ方向にのみ可動に支持している。

モーター５１が回転すると、固定枠５２が回転しようとするが、このとき固定枠５２はＹ方向のみに移動可能なように支持されている。
そのため、固定枠５２は、Ｙ方向に単振動する。
他方、固定枠５２を回転させる力の一部は、第２ガイド部５３を介して枠部５４をＸ方向に移動させる力として働くから、固定枠５２は、枠部５４ごとＸ方向に単振動しながら、Ｙ方向に単振動するように移動することとなる。
なお、このときの振動周期は、第１ガイド部５５と枠部５４、第２ガイド部５３と固定枠５２との間の摩擦などの条件によって種々に調整することができる。

駆動部５０は、モーター５１の回転によってレンズ拡散板３０をＸ方向とＹ方向とにそれぞれ独立して周期運動させる駆動手段である。
駆動部５０は、かかる構成に限定されるものではなく、レンズ拡散板３０を光Ｌの入射方向たるＺ方向に対して直交する２つの方向すなわち第１の方向（Ｘ方向）と、第２の方向（Ｙ方向）とに駆動する構成であれば良い。

さて、かかる構成の検査装置１を用いて、被検体Ｐの検査を行う方法について説明する。
光源部１０から射出された光Ｌは、レンズ２０において光軸Ｏと平行な光となって被検体Ｐを透過する。
このとき、被検体Ｐの一部に欠陥がある場合には、光Ｌが透過しないから、レンズ拡散板３０まで光Ｌが到達しない部分が生じることとなる。一方、当然ながら欠陥がない部分については透過するため、レンズ拡散板３０において、欠陥がある部分の光量が少なく、影のように表示される。
なお、ここでいう被検体Ｐの欠陥とは、たとえば被検体Ｐの内部に成型過程で閉じ込められたゴミ・異物などの遮蔽物であったり、被検体Ｐのゆがみ、スジなどによる屈折率の局所的変化である。これらの欠陥は、必ずしも影として表示されるわけではないが、いずれにせよレンズ拡散板３０において光量の変化、すなわち光強度分布の偏りとして現れる。

このように本実施形態では、検査装置１は、被検体Ｐに生じた欠陥をレンズ拡散板３０における光強度分布の差として検知するものである。そのため、光源部１０は、光強度ムラの生じにくい構成であることが求められる。
また、光源部１０は、被検体Ｐの欠陥によって生じる影が明確になるような構成が望ましい。このような光源としては、発光面積が極端に小さく、点光源としてみなせるような光源が最も望ましい。

さて、ここで本実施形態との比較のために、比較例として、図３に示すように、点光源６０を備えた検査装置２について説明する。
検査装置２は、被検体Ｐに向けて光Ｌ’を照射する点光源６０と、被検体Ｐを透過した光Ｌが投影される投影部たるスクリーン６１と、スクリーン６１よりも＋Ｚ方向側に配置された撮像装置たるカメラ６２と、を有している。
スクリーン６１は、半透明のスクリーンである。
一般に、点光源はその照度の分布が中心部を最大値としてガウシアン分布で広がることが知られている。
ここで、単に半透明なだけのスクリーン６１を投影部として用いると、拡散光の広がりが小さいので、図４（ａ）に示すように、点光源６０が持つ光強度分布のムラが残ってしまう。
図４（ａ）に示したように、光強度分布にムラが残ってしまうと、スクリーン６１の中心付近と周縁部との照度の差が非常に大きくなるため、被検体Ｐの欠陥が見えにくくなるハレーションと呼ばれる現象が知られている。なお、ここでいうハレーションは、点光源６０の中心付近の強い光によって、例えば図中に矢印で示した先にあるような、周縁部の光量の変動が見え難くなる状況を指している。

かかる問題を解決するためには、ハレーションを生じさせない程度にまで点光源６０の光量を落とす方法や、スクリーン６１の拡散性を向上させる方法が考えられる。
しかしながら、光量の低下はそのまま被検体Ｐの欠陥を見えにくくなることにもつながるためあまり好ましくない。
一方、スクリーン６１の拡散性の向上とは、一般には透過性を低下させる方向にはたらく。すなわち、単にスクリーン６１を半透明な部材にするなどの方法で拡散性を向上させるのみでは、光量を下げる方法と同様に、図４（ｂ）に示すように光Ｌ’のハレーションは生じにくくなる代わりに光量も低下してしまうこととなる。

本実施形態では、検査装置１は、被検体Ｐに光を照射するための光源部１０と、被検体Ｐを透過した光Ｌが投影されるレンズ拡散板３０と、を有している。
検査装置１はまた、レンズ拡散板３０に対して光源部１０とは反対側に配置され、レンズ拡散板３０に投影された光Ｌを画像情報Ｑとして取得するためのカメラ４０と、を有している。
レンズ拡散板３０は、光Ｌの照度が一定になるように光Ｌを拡散する。
かかる構成により、レンズ拡散板３０において光量の低下を招くことなく、かつ照度が一定になるように拡散するから、図４（ｃ）に示すように、光Ｌのムラが生じず、欠陥が精度よく観察される。

また、本実施形態では、図５（ａ）に示すように、レンズ拡散板３０の拡散角が、カメラ４０に備えられたレンズ４１の視野角θよりも大きい。
拡散角が大きい場合には、図５（ａ）に模式的に示すように、レンズ拡散板３０の中心付近を透過する光である中心光Ｌ_１が拡散される。また、光強度の比較的弱い周辺部分からの光Ｌ_２が拡散されることでカメラ４０に入射しやすくなる。
かかる構成により、図５（ｂ）に示す比較例と比べて、レンズ拡散板３０において光強度の比較的弱い周辺部分からの光Ｌ_２がより多くカメラ４０に入射することとなる。すなわち、レンズ拡散板３０の周辺部分の明るさが向上する。

さらに、かかる構成により、レンズ拡散板３０の拡散角は、相対的に従来品よりも大きくなるため、光強度の強い照明の中心部分は、レンズ拡散板３０によって拡散するのでハレーションがより生じにくくなる。
かかる構成により、レンズ拡散板３０を透過した光Ｌは、レンズ拡散板３０の中心部と周辺部での光強度の差が抑制されるから、精度よく欠陥が検知される。

また、本実施形態では、レンズ拡散板３０の拡散角は、レンズ拡散板３０の中心照度に対する半値全幅が８０ｄｅｇである。
かかる構成により、レンズ拡散板３０を透過した光Ｌは、レンズ拡散板３０の中心部と周辺部での光強度の差が抑制されるから、精度よく欠陥が検知される。

レンズ拡散板３０は、本実施形態では、表面に凹凸が形成されたレンズ拡散板である。
かかる構成により、レンズ拡散板３０を透過した光Ｌは、レンズ拡散板３０の中心部と周辺部での光強度の差が抑制されるから、精度よく欠陥が検知される。

さて、上述のように、レンズ拡散板３０を用いたときには、表面に微小な凹凸が形成されるために、かかる凹凸に偏りがある場合など、被検体Ｐの欠陥として誤認してしまうことが有り得る。
かかる問題を解決するために、本実施形態のように、駆動部５０を用いてレンズ拡散板３０を移動させることがより望ましい。

駆動部５０の動作についてさらに詳しく説明する。
すでに図２を用いて説明したように、駆動部５０は、モーター５１の回転運動により光Ｌの入射方向たるＺ方向に対して直交するＸ方向とＹ方向にレンズ拡散板３０を駆動する。
このとき、振動方向が直線状、例えばＸ方向のみに往復動させるだけでは、図６（ａ）に点Ｒとして示すように、レンズ拡散板３０の凹凸がスジ状に残る形で光量にムラが生じてしまう。
それに加えて、往復動ではその端部において、レンズ拡散板３０が停止状態になることを避けられず、移動方向の端部において強い光量ムラが生じてしまう懸念がある。

また、図６（ｂ）に示すように、レンズ拡散板３０の中心すなわち光軸Ｏを中心を中心として回転運動をさせる場合には、周辺部においては光量ムラが抑制されると考えられるが、中心部が不動となってしまい、中心部の光量ムラまでは抑制できない。

そこで、本実施形態では、駆動部５０は、図６（ｃ）に示すように、レンズ拡散板３０をＸ方向とＹ方向との２軸方向にそれぞれ単振動させる構成としている。かかる構成により、レンズ拡散板３０は、不動の回転中心をもたない周期運動、具体的にはリサージュ図形を形成するようなリサージュ運動をすることになる。

ここでいうリサージュ運動とは、Ｘ方向とＹ方向とが独立して、互いに異なる周期で周期運動するような運動を示している。すなわち、レンズ拡散板３０の特定の１点を点Ｒ（ｘ、ｙ）としたとき、ｘ座標、ｙ座標が時間ｔとともに数式１のように変化する運動である。なお、図６（ｃ）には不動の回転中心をもたない周期運動の最も特徴的な例として、リサージュ運動の軌跡を示しているが、かかる構成に限定されるものではない。

図７（ａ）に、かかる駆動部５０を用いなかった場合のレンズ拡散板３０を透過した光の画像情報Ｑを示す。同様に、駆動部５０を動作させた場合の画像情報Ｑを図７（ｂ）として示す。図７（ｂ）から明らかなように、レンズ拡散板３０の表面の凹凸によって生じる光量ムラが抑制されていることがわかる。

かかる構成により、レンズ拡散板３０は、動きを止めることなく回転中心をもたない周期運動をすることとなるから、レンズ拡散板３０の表面に形成された凹凸による光量のムラが抑制されて、より精度よく被検体Ｐの欠陥が検知される。

なお、このように駆動部５０がレンズ拡散板３０を動作させるときには、その移動距離、具体的には数式１に示した振幅を表す定数Ａ、Ｂは、レンズ拡散板３０の凹凸の間隔よりも大きく、かつカメラ４０の分解能の２倍より大きいことが望ましい。
かりに、カメラ４０の分解能よりも小さく動かしてしまうと、カメラ４０にはかかる駆動部５０による移動が画素に反映されないために、動いていないかのように見えてしまうことになるためである。
なお、本実施形態では、レンズ拡散板３０の移動距離を当該レンズ拡散板３０の凹凸の間隔よりも大きいとしたが、かかる移動距離はレンズ拡散板３０の拡散角によって変えても良い。
光量むらを極力抑制するためには、かかるレンズ拡散板３０の凹凸の間隔よりも大きくレンズ拡散板３０を移動させることが望ましい。
また、カメラ４０のシャッタースピードが、数式１の単振動の周期よりも十分に早い場合には、移動距離が小さくなって、動いていないかのように見えてしまう。
そのため、Ｘ方向とＹ方向との移動の周期は、カメラ４０の露光時間、所謂シャッタースピードよりも短いことが望ましい。

このような駆動部５０による効果は、レンズ拡散板３０を用いたときには、レンズ拡散板３０の表面に凹凸が形成されているために、より強く光量ムラを抑制して、被検体Ｐの欠陥の検知に寄与する。
しかしながら、かかる構成によらず、例えば従来のように半透明なスクリーン６１を用いたとしても、表面にある凹凸によって生じる光量ムラを抑制するはたらきがあることは言うまでもない。

以上述べたように、本実施形態では、光Ｌが拡散される距離よりも大きく、かつカメラ４０の分解能の２倍より大きくなるように駆動部５０がレンズ拡散板３０を移動させる。
かかる構成により、レンズ拡散板３０の表面に形成された凹凸による光量のムラを抑制して、より精度よく被検体Ｐの欠陥が検知される。

また本実施形態では、駆動部５０は、Ｘ方向とＹ方向においてそれぞれ周期的に回転するリサージュ運動を行うようにレンズ拡散板３０を駆動し、リサージュ運動の周期はカメラ４０の露光時間よりも短い。
かかる構成により、レンズ拡散板３０の表面に形成された凹凸による光量のムラを抑制して、より精度よく被検体Ｐの欠陥が検知される。

さて、上述の実施形態においては、被検体Ｐが光Ｌを透過する場合の検査装置１の構成についてのみ述べたが、例えばミラーなどのように、被検体Ｐは光Ｌを反射する構成であっても良い。
かかる構成においては、図８に示すように、被検体Ｐにおいて反射された光Ｌがレンズ拡散板３０を透過してカメラ４０に到達するように、カメラ４０は、「レンズ拡散板３０に対して光源部１０とは反対側に配置」されている。
このような配置とすることで、光Ｌを反射するような被検体Ｐであっても、検査装置１を用いて欠陥を検知することができる。
なお、本変形例においては、すでに述べた実施形態と同様の構成については、同一の図番を付して説明を適宜省略する。

以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されること
はなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種
々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、レンズ拡散板の凹凸が十分に小さく、凹凸による光量のムラが生じない、あるいは生じたとしても撮像装置に検知できない程度にしか生じない場合には、駆動部を省略しても良い。

また、投影部としてレンズ拡散板を用いず、半透明なスクリーンを利用し、投影部を駆動部によって動かす構成として、光量ムラを抑制するとしても良い。

１検査装置
２検査装置
１０光源（光源部）
２０レンズ
３０投影部（レンズ拡散板）
４０撮像部（カメラ）
４１レンズ（カメラレンズ）
４２撮像素子
５０駆動部
θ （レンズ４１の）視野角
Ｏ光軸
Ｐ被検体
Ｘ第１の方向
Ｙ第２の方向
Ｚ光の入射方向

特許第４２３８０１０号公報特許第５２５５７６３号公報特開平０８−２９７０９６号公報

Claims

被検体に光を照射するための光源と、
前記被検体に照射された前記光が投影される投影部と、
前記投影部に対して前記光源とは反対側に配置され、前記投影部に投影された前記光を画像情報として取得するための撮像部と、を有し、
前記投影部は表面に凹凸が形成されたレンズ拡散板であって、
前記投影部を前記光の入射方向に対して直交する第１の方向と当該第１の方向と前記入射方向に対して直交する第２の方向とにそれぞれ互いに異なる周期で周期運動させ、当該周期運動により前記投影部を停止点を持たない周期運動となるように駆動する駆動部を有することを特徴とする検査装置。
請求項１に記載の検査装置であって、
前記投影部の拡散角が前記撮像部に備えられたレンズの視野角よりも大きいことを特徴とする検査装置。
請求項１または２に記載の検査装置であって、
前記投影部の拡散角は、当該投影部の中心照度に対する半値全幅が７０〜９０ｄｅｇの範囲内であることを特徴とする検査装置。
請求項１乃至３の何れか１つに記載の検査装置であって、
前記駆動部が前記投影部を移動させる距離は、前記凹凸の間隔よりも大きく、かつ前記撮像部の分解能の２倍より大きいことを特徴とする検査装置。
請求項４に記載の検査装置であって、
前記駆動部は、前記第１の方向と前記第２の方向においてそれぞれ周期的に回転するリサージュ運動を行うように前記投影部を駆動することを特徴とする検査装置。
請求項５に記載の検査装置であって、
前記リサージュ運動の周期は前記撮像部の露光時間よりも短いことを特徴とする検査装置。