JP7119034B2 - 表面検査方法、表面検査装置、および表面検査システム - Google Patents

Description

本発明は、表面検査方法、表面検査装置、および表面検査システムに関する。

本発明での検査対象の代表例は、建設機械に用いられる油圧ピストン（以下、「ピストン」と表記する）である。建設機械に用いられるピストンは、摺動面の耐摩耗性を高めるため、窒化処理による表面硬化処理を行う。

上記ピストンは、窒化処理後の摺動性能を保証するため、窒化不良部（以下、「窒化むら」と表記する）や傷などの表面検査が必須となる。

窒化不良部である窒化むらは、窒化正常部に対して色が暗く、かつ深さ１～３マイクロメートル程度の凹み形状という特徴を持つ。色が暗くなる理由は、母材の鋼の色が反映されるためである。また、窒化処理を行うと、表面が化合物層生成の相変態により数マイクロメートル程度膨張する。このため、窒化処理が正常に行われない窒化むら部分は相対的に凹形状になる。

一方、ピストン表面の傷は、主にピストン搬送の際、治具やピストン同士が擦れることで発生し、深さ１０～２０マイクロメートル程度の深さを持つ。

窒化むらと傷の検査を行う場合、例えば、窒化むらが窒化正常部に対して反射率が異なる特徴を持つこと、および傷の凹凸形状に着目し、それぞれを個別に検出する手法が考えられる。特許文献１に記載の表面検査方法は、円筒ワークに対して、平行光束からなる照明光を照射し、撮像光学系の開口角を調節することで反射光の正反射光成分と拡散反射光成分を分離し、正反射光に基づいて凹凸欠陥を検出し、拡散反射光に基づいて反射率差を検出している。

一方、窒化むらおよび傷を両方とも凹凸欠陥として検出する場合、微小な凹凸欠陥検査技術として従来知られている、魔鏡原理による表面検査方法の適用が考えられる。

特許文献２に記載の表面検査方法は、魔鏡原理を利用し、円筒ワークに所定の幅および所定の厚さを有する照射光の一部を照射して、検査面からの反射光をスクリーンに投影して形成された光学像を観察することで、円筒ワークの表面状態を検査している。

特開２０１４－２４０７６６号公報 国際公開第２０１８／２３５３７６号

ピストン表面には、窒化処理直後、水蒸気や油が付着することで窒化正常部と比較して反射率が低下し、色が暗くなる部位が発生する。本明細書では、前述の水蒸気・油由来で反射率が低下した部位を「色むら」と表記する。色むらは表面の反射率が変化するのみで、表面形状の変化は伴わない。また、摺動性に影響は与えないため、色むらは欠陥とはみなさない。図２７に窒化むら、傷、色むらの形状の概要図を示し、図２８に窒化むら、傷、色むらの形状と反射率をまとめた表を示す。

特許文献１に記載の表面検査方法では、窒化むらと色むらを共に暗部として検出するため（図２８参照）、窒化むらと色むらを弁別することができない。

特許文献２に記載の表面検査方法では、窒化むらサイズの分布が広いため、窒化むらを感度良く検出する光学条件を一意に定められない問題がある。魔鏡原理によると凹欠陥からの反射光は、光線が収束するため、焦点近傍が明るくなる（後述する図４参照）。凹欠陥を凹面鏡とみなした場合、深さｄ、幅Ｌの凹面鏡の焦点距離Ｒは、Ｒ＝Ｌ^２／８ｄで示される。例えば、ｄ＝１マイクロメートル、Ｌ＝１ｍｍの凹欠陥を考えると、前記式より焦点距離Ｒは１２５ｍｍとなるが、前記式よりＬが２倍の２ｍｍになると、焦点距離Ｒは４倍の５００ｍｍとなる。このように窒化むらの形状により、焦点距離が大きく変化するため、窒化むらを輝部として検出する場合、感度良く窒化むらを検出するスクリーン位置を一意に決めることができない。また、窒化むらの凹形状に依存して検出感度が低下すると、窒化むらの寸法・形状を正確に評価することができない。

すなわち、欠陥幅をＬ、欠陥深さをｄとおいたとき、窒化むらに代表される、ｄ／Ｌが１０^－３程度の緩やかな凹形状、かつ反射率差を備える欠陥に対して、従来の表面検査技術では、検出感度・非欠陥との弁別性能に関して課題がある。

本発明は、従来の表面検査手法の課題を解決するためになされたものであり、非欠陥を誤検出せず、かつ窒化むらのサイズ・形状に依存することなく安定的に窒化むらを検出し、同時に欠陥形状・寸法の評価が可能な表面検査方法、表面検査装置、および表面検査システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、代表的な本発明の表面検査方法の一態様は、互いに異なるジオメトリを有する２つの光学系を用いて、検査対象の同一位置に対してそれぞれ異なる性質の照明光を照射し、異なる反射特性から得られる２つの光学像を取得して、窒化処理を施した凸状の表面を持つ金属試料の表面欠陥である窒化むらを検出する表面検査方法であって、前記凸状の表面に所定の幅および所定の厚さを有する第１の照明光を照射し、前記第１の照明光が前記凸状の表面で反射した第１の反射光をスクリーンに投射した第１の光学像から前記表面の凹凸形状の少なくとも一部を検出する第１の検査方法において、窒化むらの直径をＬ、窒化むらの深さをｄ、窒化むらを凹面鏡とみなしたときの焦点距離をＲ、前記凸状の表面への前記第１の照明光の照射位置から前記スクリーンまでの距離をｒとしたとき、前記第１の光学像上において窒化むらによる輝度分布の変化を肉眼で確認できるように、Ｒ＝Ｌ^２／８ｄかつ０．０４７Ｒ≦ｒ＜Ｒを満足するようにｒを決定して光学像を取得した前記第１の光学像において所定の第１閾値より輝度の高い領域を窒化むら候補として特定し、前記凸状の表面に所定の波長帯域幅を持つ第２の照明光を照射し、前記第２の照明光が前記凸状の表面で反射した第２の反射光から第２の光学像を取得し、前記第２の光学像から前記表面の反射率分布を検査する第２の検査方法による判定結果を組み合わせて、前記窒化むら候補が窒化むらであるか否かを判定する。

本発明によれば、第１の検査方法の光学像において、窒化むらの凹凸形状の一部のみを検出すればよいため、窒化むらの検出感度が安定する。また、ピストンなどの金属試料の欠陥（窒化むら・傷）と非欠陥（色むら）の弁別が可能となる。また、魔鏡像と表面反射光像との判定結果を組み合わせて窒化むらを抽出することができ、さらに窒化むらを第２の検査方法の光学像にて評価することで、欠陥形状と寸法の評価が実現する。

上記以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の表面欠陥検査装置の第１の実施形態のＸ－Ｙ平面から見た構成図である。 本発明の表面欠陥検査装置の第１の実施形態のＹ－Ｚ平面から見た構成図である。 検査対象ピストンの側面図である。 魔鏡原理における凹欠陥からの反射光の光路図である。 魔鏡原理におけるピストン摺動面からの反射光の光路図と魔鏡像（第１の光学像）の概要図であり、（ａ）は窒化むらの場合、（ｂ）は傷の場合、（ｃ）は色むらの場合である。 検査対象ピストン表面にレーザ光を照射したときの主光軸光路図である。 検査対象ピストン表面の観察位置からスクリーンまでの反射光の光路長が１００ｍｍとなる場合の条件を示した表であり、（ａ）はピストン半径が１０ｍｍの場合、（ｂ）はピストン半径が１７ｍｍの場合である。 検査対象ピストン表面からの反射光がトランス‐スパロウモデルに従う場合の光路ベクトル図である。 ピストン摺動面の表面観察における、光路図と表面反射光像（第２の光学像）の概要図であり、（ａ）は窒化むらの場合、（ｂ）は傷の場合、（ｃ）は色むらの場合である。 ラインセンサカメラ観察の説明図であり、（ａ）はラインセンサカメラで検査対象を観察する概要図、（ｂ）～（ｄ）はラインセンサカメラを異なるスキャンレートで駆動する場合の取得光学像の違いを説明する図である。 第１の実施形態における、ラインセンサカメラで取得した光学像の平面模式図であり、（ａ）は第１の光学像、（ｂ）は第２の光学像を示した図である。 第１の実施形態における、窒化むら、傷、色むらのそれぞれを第１の光学像と第２の光学像にて観察した場合の特徴をまとめた表である。 本発明の表面欠陥検査装置の第２の実施形態のＸ－Ｙ平面から見た構成図である。 第２の実施形態における、ピストン表面への第１の照明光と第２の照明光のそれぞれの照射領域を示した図である。 第２の実施形態における、ラインセンサカメラで取得した光学像の平面模式図であり、（ａ）は第１の光学像、（ｂ）は第２の光学像を示した図である。 第２の実施形態における、窒化むら、傷、色むらのそれぞれを第１の光学像と第２の光学像にて観察した場合の特徴をまとめた表である。 ピストン観察位置とスクリーン間距離が可変である、本発明の表面欠陥検査装置の第３の実施形態のＸ－Ｙ平面から見た構成図である。 ピストン観察位置とスクリーン間距離を変化させた場合の窒化むら検出感度の変化を示した表である。 第４の実施形態における、表面欠陥検査システムの概略構成図である。 第４の実施形態における、表面欠陥検査装置のＸ－Ｙ平面から見た構成図である。 第４の実施形態における、表面欠陥検査システムの機能ブロック図である。 第４の実施形態における、表面欠陥検査装置の設定・校正のフロー図である。 第４の実施形態における校正用ピストンの側面図である。 第４の実施形態における、ラインセンサカメラで取得した校正用ピストンの光学像であり、上図は第１の光学像（魔鏡像）、下図は第２の光学像（表面反射光像）を示した図である。 第４の実施形態における、ピストン検査のフロー図である。 魔鏡原理における検査対象表面に異物が存在する場合の反射光光路図である。 ピストン摺動面のプロファイルであり、（ａ）は窒化むらの場合、（ｂ）は傷の場合、（ｃ）は色むらの場合である。 窒化むら、傷、色むらの特徴をまとめた表である。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。以下の実施形態の説明において、同一の機能を有する部分には同一または関連する符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の説明において、Ｘ方向（Ｘ軸）、Ｙ方向（Ｙ軸）、Ｚ方向（Ｚ軸）は、それぞれ、図示の通りとする。Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向はそれぞれ直交しており、Ｘ方向は、レーザ光の厚さ方向、Ｙ方向は、レーザ光の照射方向、Ｚ方向は、レーザ光の幅方向、ないし、検査対象物であるピストンの中心軸方向を指している。

［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態を図１～図１２を用いて説明する。本実施形態では、窒化処理後のピストンを検査対象物とする。なお、本実施形態では、特に建設機械の走行装置に用いられるピストンの表面検査について述べるが、本実施形態は、窒化処理を行った凸状の表面（凸面）を有する円筒金属試料全般に有効である。

図１は、本発明の表面欠陥検査装置の第１の実施形態のＸ－Ｙ平面から見た構成図（平面図）であり、図２は、図１に示す表面欠陥検査装置のＹ－Ｚ平面から見た構成図（側面図）である。

表面欠陥検査装置１は、検査対象ピストン１００（被検査ピストン１００ともいい、以下、「ピストン１００」と表記する）を回転させる回転ステージ１０１、第１の光学系を構成する要素として、ピストン１００にレーザ光（第１の照明光）を照射するレーザ発振器（第１の照射部）１０２、パウエルレンズ１０３、シリンドリカルレンズ１０４、スクリーン１０５、カメラレンズ（第１のカメラレンズ）１０６、およびラインセンサカメラ（第１のラインセンサカメラ：第１の検出部）１０７を備え、第２の光学系を構成する要素として、ピストン１００に白色光（第２の照明光）を照射する照明（第２の照射部）１０８、カメラレンズ（第２のカメラレンズ）１０９、およびラインセンサカメラ（第２のラインセンサカメラ：第２の検出部）１１０を備える。第１の光学系と第２の光学系は、互いに異なるジオメトリで配置され、検査対象ピストン１００の同一位置に対してそれぞれ異なる性質の照明光を照射し、異なる反射特性から得られる光学像を取得する。

ピストン１００は、回転ステージ１０１上にピストン１００の中心軸（回転軸）と回転ステージ１０１の中心軸（回転軸）が一致するように配置（保持）されている。回転ステージ１０１（およびピストン１００）は、中心軸（回転軸）を中心に回転可能となっており、回転ステージ１０１の回転速度（＝ピストン１００の回転速度）は任意に変更できるようになっている。ピストン１００の代表図面を図３に示す。ピストン１００は、シュー２１と円筒部２２から構成される。円筒部２２は、シリンダ（穴）の内周円筒面と摺動する円筒面からなる（換言すれば、外周表面形状が円形である）摺動面２３を備える。本実施形態では、摺動面２３を検査領域とする。なお、検査領域（対象）とする表面は、凸状（凸面）であればよく、円筒面に限定されない。

＜第１の光学系の構成説明＞
表面欠陥検査装置１の第１の光学系は、レーザ発振器１０２、パウエルレンズ１０３、シリンドリカルレンズ１０４、スクリーン１０５、カメラレンズ１０６、およびラインセンサカメラ１０７から構成される。

第１の光学系の照明光は、表面のマイクロメートルサイズの凹凸形状を把握するため、直進性の高いレーザ光（コヒーレント光）を用いる。レーザ発振器１０２は、例えば、波長６６０ｎｍ、直径２ｍｍの平行ビーム１０を出力する。平行ビーム１０は、パウエルレンズ１０３でＹＺ平面にて扇形に広げる。本実施形態では、パウエルレンズ１０３は、レーザ発振器１０２からの平行ビーム１０を全角３０°に広げるものとして例示している。なお、レーザ発振器１０２はシングルモードレーザであり、出力モードの強度分布はガウシアン分布で１／ｅ^２（１３．６％）径をもってビーム径と称する。すなわち、ビーム径は、ピーク強度から１３．６％に落ちた強度での幅としている。

シリンドリカルレンズ１０４は、図２に図示されるように、ＹＺ平面のみ曲率を有しており、垂直方向（Ｚ方向）に凸レンズの作用を有し、水平方向（Ｘ方向）には、レンズの作用を有していない。レーザ発振器１０２から出射された平行ビーム１０を、シリンドリカルレンズ１０４により幅（Ｚ方向の長さ）Ｗ、厚さ（Ｘ方向の長さ）ｔ１の平行ビーム１０に成形する。本実施形態では、焦点距離１３０ｍｍのシリンドリカルレンズ１０４を用い、パウエルレンズ１０３とシリンドリカルレンズ１０４の距離を概ね１３０ｍｍに調節することで、ビーム幅Ｗ＝７８ｍｍ、厚さｔ１＝２ｍｍの平行ビーム１０を成形する。シリンドリカルレンズ１０４で成形された平行ビーム（平行光束とも称する）１０は、ピストン１００の外周表面に、帯状に照射される。詳しくは、成形後の平行ビーム１０は、一部（ピストン１００の中心に近い部分）がピストン１００の外周表面に当たり、残部（ピストン１００の中心から遠い部分）がピストン１００の外周表面の外側を通過するように、ピストン１００の外周表面に向けて照射される。図２の１１１は、ピストン１００の外周表面上の平行ビーム１０の照射領域を示している。レーザ光（成形後の平行ビーム１０）は、ピストン１００の外周表面で反射され、スクリーン１０５に投射される。

スクリーン１０５は、ピストン１００を挟んでレーザ発振器１０２とは反対側に、ピストン１００とは離間して配置されている。本実施形態では、スクリーン１０５は、ＸＺ平面に沿って、つまり、レーザ光（成形後の平行ビーム１０）に対して垂直に配置されている。スクリーン１０５に投射された反射光（第１の反射光）で形成された光学像（第１の光学像）は、カメラレンズ１０６を介してラインセンサカメラ１０７で撮像され、観察される。カメラレンズ１０６とラインセンサカメラ１０７とは、同軸で配置され、レーザ発振器１０２、パウエルレンズ１０３、シリンドリカルレンズ１０４が直線状に配列された光軸（図６に示す主光軸１０ａ）に対して角度αで配置されている。本実施形態では、装置の素子間が干渉せず、かつ検査装置全体のサイズを小さくするため、角度αを３０°と設定した。

図４は、凹欠陥を凹面鏡とみなした場合の反射光の収束作用を示す。ピストン１００の凹欠陥からの反射光は、光線が収束するため、焦点近傍が明るくなる。深さｄ、幅Ｌの凹面鏡の焦点距離Ｒは式（１）で示される。
（数１）
Ｒ＝Ｌ^２／８ｄ （１）
なお、凹欠陥から距離ｒの位置にスクリーンを設置すると、欠陥のない平坦面からの反射部に対して、凹欠陥からの収束部の相対的な反射光強度は式（２）で示される。
（数２）
Ｉ（ｒ）＝Ｒ^２／（Ｒ－ｒ）^２ （２）

Ｉ（ｒ）は魔鏡像上の輝度を示しており、Ｉ（ｒ）が大きいほど窒化むら（凹欠陥）への感度が高いことを示す。魔鏡の収束作用は、式（１）、式（２）から欠陥サイズＬの４乗の関数となるため、欠陥形状を考慮して欠陥とスクリーン間距離を設定する必要がある。図５（ａ）に示すように、窒化むら３１は、縁に沿って幅１～２ｍｍ程度、深さ１～３マイクロメートル程度の斜面３４があり、中央部が平坦となっている。図５（ａ）は窒化むら３１に平行光束を照射した場合の反射光の収束作用を示している。図５（ａ）に示すように、窒化むら３１を凹面鏡とみなした場合、窒化むら３１の斜面３４からの反射光が収束するため、スクリーン上の光学像は窒化むら３１の斜面３４に該当する箇所が明るくなる。

窒化むら３１の斜面３４の収束作用を式（１）、式（２）より定量的に評価する。窒化むら３１の斜面３４を、図４に示す凹面鏡を半分に分割したものとみなした場合、前述のように窒化むら３１の斜面３４は幅が１～２ｍｍ程度であるため、式（１）に代入するＬは２倍の２～４ｍｍとなる。一方、深さはそのままｄ＝１～３マイクロメートルを代入するため、窒化むら３１の斜面３４の凹形状による反射光の焦点距離はＲ＝１６０ｍｍ～１ｍとなる。

続いて、焦点距離Ｒに対応した欠陥～スクリーン間距離ｒの決定方法について述べる。ｒ＞Ｒの場合、図５（ｂ）に示すように、凹欠陥からの反射光は１度収束したのち、再度発散する光路となるため、スクリーン上の収束作用が低下し、窒化むらの検出感度が低下する。このため、ｒ＜Ｒであることが望ましい。また、ｒ＜＜Ｒの場合、式（２）よりＩ（ｒ）～１となるため、収束作用が低く、窒化むらの検出感度が低い。このことから、本実施形態では、光学像上において欠陥による輝度分布の変化を肉眼（目視）で確認できる程度の収束作用を目安として、Ｉ（ｒ）≧１．１を満たす位置にｒを設定する。すなわち、凹欠陥の収束作用により、スクリーン上の収束部の輝度が周囲と比較して１０％以上明るくなるようにｒを設定する。式（２）よりＩ（ｒ）≧１．１の場合、ｒ≧０．０４７Ｒとなる。本実施形態では１６０ｍｍ≦Ｒ≦１ｍであるため、０．０４７Ｒ≦ｒ＜Ｒを満たすｒの範囲は４７ｍｍ≦ｒ＜１６０ｍｍとなる。本実施形態では、前記の条件を満たすｒとしてｒ＝１００ｍｍと固定するが、ｒの値は一実施形態であって、これだけに限定されない。ｒ＝１００ｍｍの場合、式（２）より収束部の反射光強度は無欠陥の箇所と比較して１．２３倍～７．１倍明るくなるため、窒化むらの縁を明部として捉えることができる。

欠陥～スクリーン間距離ｒの決定後、スクリーン１０５上での傷と色むらの見え方を説明する。図５（ｂ）は傷に対して平行光束を照射した場合の反射光の収束作用を示している。傷３２は、窒化むら３１に対して、凹み形状の傾きパラメータｄ／Ｌが１００倍程度の急峻な凹みである。すなわち式（１）より、焦点距離Ｒが窒化むらに対して１０^－３程度であるため、スクリーンの手前で光が収束し、スクリーン上では反射光が発散する。このため、スクリーン１０５上では傷３２は暗部として検出することができる。図５（ｃ）は色むらに対して平行光束を照射した場合の反射光の光路を示している。色むら（輝度むらとも称する）３３は、凹凸欠陥でなく、窒化正常部と同じく平坦部であるため、平行光束の反射光は収束することはない。このため、スクリーン１０５上では輝度むら３３は観察できず、第１の光学像では検知できない。

続いて、ピストン径とスクリーン間距離の相関について述べる。凹欠陥の検出感度は式（２）で示されるため、ピストン径が変化してもｒが一定である、換言すれば、異径のピストンにおいても摺動面の凹凸形状に対する検出感度が一定の範囲内に保たれることが望ましい。図６は、平行ビーム１０の主光軸１０ａがピストン１００に照射する状態における光路を示す拡大図である。なお、図６は、図１に対して上下（Ｘ方向）が逆転している。図６を用いて、観察位置（主光軸１０ａ照射位置）とスクリーン１０５間の距離の導出を行う。ピストン１００の半径をＲ_０、ピストン１００に対する主光軸１０ａの入射位置をＰ１、ピストン１００の頂点からＰ１の角度をθ１、ピストン１００の中心とスクリーン１０５間の距離をＬ１、ピストン１００からの反射光とスクリーン１０５の交点位置をＰ２、Ｐ１とＰ２間の距離をＬ２、主光軸１０ａとピストン１００からの反射光のなす角度をθ２とする。なお、図６では欠陥～スクリーン間距離ｒにあたる値がＬ２となる。

この時、θ１とθ２の関係とＬ２は式（３）で示される。
（数３）
θ２＝２×θ１
Ｌ２＝（Ｌ１＋Ｒ_０×ｓｉｎθ１）×（１／ｃｏｓθ２） （３）

また、ピストン頂点からＰ１までの（Ｘ方向の）距離をδとおくと、δが式（４）で示される。
（数４）
δ＝Ｒ_０（１－ｃｏｓθ１） （４）

図７（ａ）、（ｂ）にそれぞれＲ_０が１０ｍｍの場合と１７ｍｍの場合における、Ｌ２が約１００ｍｍとなる条件を示す。図７（ａ）、（ｂ）に示すように、ピストン１００の半径Ｒ_０とピストン１００の中心とスクリーン１０５間の距離Ｌ１が決定すれば、ピストン１００への照射位置δとラインセンサカメラ１０７のスクリーン１０５上の光学像の観察位置ｈ１（図６を併せて参照）が決定する。本実施形態ではピストン１００の中心とスクリーン１０５間の距離Ｌ１を８０ｍｍとし、ピストン１００への照射位置δとラインセンサカメラ１０７のスクリーン１０５上の光学像の観察位置ｈ１を図７（ａ）、（ｂ）に示す値に設定（調整）するが、Ｌ１の値は一実施形態であって、これだけに限定されない。

＜第２の光学系の構成説明＞
次に図１に戻り、第２の光学系であるピストン１００からの反射光を観察する光学系について説明をする。表面欠陥検査装置１の第２の光学系は、照明１０８、カメラレンズ１０９、およびラインセンサカメラ１１０から構成される。本光学系は、ピストン表面の色の差、すなわち、反射率の差（反射率分布）を検出することを目的とする。照明１０８からの照射光（第２の照明光）は、ピストン１００表面（摺動面２３）に照射する。第１の光学系は表面のマイクロメートルサイズの凹凸形状を把握するため、位相が揃って直進性の高いコヒーレント光であるレーザ光を用いているが、第２の光学系は色の観察を行うことから、白色光源を用いる。また、表面の凹凸形状により反射光が干渉するのを防ぐため、第２の光学系の照明光は、所定の波長帯域幅を持つ非コヒーレント光が望ましい。ピストン１００表面からの反射光（第２の反射光）は、カメラレンズ１０９を介してラインセンサカメラ１１０で撮像され、観察される。カメラレンズ１０９とラインセンサカメラ１１０とは、同軸で配置される。

さらに、ラインセンサカメラ１０７とラインセンサカメラ１１０がピストン１００に対して互いに反対側に配置され、平行ビーム１０と照明１０８からの照射光が異なる観察領域を照射するように配置されているので、ラインセンサカメラ１１０が、照明１０８の反射光のみを検出し、反対側表面で反射した平行ビーム１０の散乱光を検出しない。これにより後述するスキャンレートの設定が必要になるが、ラインセンサカメラ１１０への平行ビーム１０の散乱光の影響を防ぐことができる。

ピストン１００表面からの反射光を観察する際、正反射方向の光を観察すると、反射光強度が強く、ラインセンサカメラ１１０の撮像素子が飽和し、適切にピストン１００の表面反射率を評価できない。このため、ラインセンサカメラ１１０の視線方向への（すなわち、ラインセンサカメラ１１０に入射する）反射光強度が所定値以下になるように、ラインセンサカメラ１１０の視線方向は、ピストン１００からの正反射方向に対して角度をずらす必要がある。窒化処理を施したピストン表面は、金属表面と同様の反射特性を持つ場合、物体表面からの反射光分布は簡略化されたトランス‐スパロウモデルにて表現できる。簡略化されたトランス‐スパロウモデルを式（５）に示す。また、トランス‐スパロウモデルの光路ベクトル図を図８に示す。
（数５）
Ｌ_ＴＳ＝Ｋｓ ｅｘｐ（－θｊ^２／σ^２）／ｃｏｓθ_０ （５）
Ｋｓは正反射率、θ_０は検査面法線と撮像方向のなす角度、θｊは光源方向と撮像方向を二等分するベクトル（ハーフベクトル）と検査面法線のなす角度、σは検査面表面粗さを表す係数である。第１の実施形態では、図１に示すように、検査面法線とラインセンサカメラ１１０の視線方向は同一直線状に配置し、ラインセンサカメラ１１０の反射光への視線方向と光源（ここでは白色光源）からの照明光の照射方向のなす角度はθｉとしているため、θ_０＝０、θｊ＝θｉ／２となる。これにより式（５）を書き換えると、式（６）で示される。
（数６）
Ｌ_ＴＳ＝Ｋｓ ｅｘｐ（－θｉ^２／４σ^２） （６）

式（６）より、ラインセンサカメラ１１０に入射する正反射光の強度分布は、θｉを大きくすれば減少できることが分かる。本実施形態ではθi＝３０°とするが、本角度は一実施形態であって、これだけに限定されない。

なお、照明１０８は円筒ワークであるピストン１００を観察することから、ライン照明が望ましい。以下、照明１０８をライン照明１０８と表記する場合がある。本実施形態では、レーザ発振器１０２からピストン１００に照射された平行ビーム１０の散乱光がラインセンサカメラ１１０に入ること（言い換えれば、ラインセンサカメラ１１０が平行ビーム１０の散乱光を検出すること）を防ぐため、ピストン１００を挟んで、ラインセンサカメラ１０７と照明１０８およびラインセンサカメラ１１０は反対の位置に配置している。

以下、第２の光学系でピストン１００の摺動面２３の反射光観察像を撮像する場合、窒化むら、傷、色むらの光学像を図９（ａ）～（ｃ）を用いて説明する。４１はカメラ、４２は照明光光源、４３は照明光光路、４４は正反射光、４５は拡散反射光、４６は傷からの散乱光を示す。

窒化むら３１は図９（ａ）に示すように窒化が不十分で母材の鋼の色が反映された拡散反射光４５として観察されるため、窒化正常部に対して相対的に反射率の低い暗部となる。傷３２は図９（ｂ）に示すように傷３２からの散乱光４６が発生し、窒化正常部に対して相対的に明るく検出される場合と、散乱光４６を検出せず、窒化正常部と弁別できない（感度がない）場合がある。色むら３３は図９（ｃ）に示すように窒化正常部と比較して反射率が低下した拡散反射光４５を観察するため、暗部となる。

＜ラインセンサカメラ１０７、１１０のスキャンレートの説明＞
次に第１のラインセンサカメラ１０７のスキャンレートと第２のラインセンサカメラ１１０のスキャンレートを決定する方法について述べる。後述するように窒化むらを検出する際は、ラインセンサカメラ１０７で撮像される画像（第１の光学像）とラインセンサカメラ１１０で撮像される画像（第２の光学像）のそれぞれの画像の位置合わせを行い、互いに異なる光学系により得られた特徴量の判定結果を組み合わせる。そのため、第１の光学像の分解能と第２の光学像の分解能は一致することが望ましい。また、欠陥（窒化むら・傷）の評価においては、その寸法形状を評価することから、第１の光学像、第２の光学像ともにピストンの周方向と軸方向の倍率が実物と異なる、すなわちピストンの周方向に対して伸縮している光学像は不適である。図１０（ａ）はラインセンサカメラのスキャン方向、送り方向、スキャン範囲を示した概要図であり、図１０（ｂ）～（ｄ）はスキャンレートを変えた場合の光学像の縦横比の変化を示した概要図である。ラインセンサカメラのスキャン方向を「横」、送り方向を「縦」とする。取得した光学像の縦横比が１：１になるスキャンレートをf０とおくと（図１０（ｂ））、スキャンレートｆがｆ０より遅い場合（ｆ＜ｆ０）、縦方向に縮んだ光学像となり（図１０（ｄ））、スキャンレートｆがｆ０より速い場合（ｆ＞ｆ０）、縦方向に伸びた光学像となる（図１０（ｃ））。本実施形態では、ピストンの周方向が「縦」にあたり、ピストンの軸方向が「横」にあたる。つまり、第１の光学像、第２の光学像ともに適切なスキャンレートｆを設定し、ピストンの周方向分解能と軸方向分解能は同一にする（一致させる）ことが望ましい。

以下、適切なスキャンレートの導出について述べる。検査対象ピストン径をＲ_０[ｍｍ]、ピストン回転速度をｒ[ｒｐｓ]、ラインセンサカメラ１０７の視野サイズをＷ１[ｍｍ]、カメラ画素数をＮ１［ｐｉｘ］、スキャンレートをｆ１[Ｈz]、ラインセンサカメラ１１０の視野サイズをＷ２[ｍｍ]、カメラ画素数をＮ２［ｐｉｘ］、スキャンレートをｆ２[Ｈz]とする。第１の光学像と第２の光学像の軸方向の分解能が一致するとき、式（７）の関係を満たす。
（数７）
Ｗ１／Ｎ１＝Ｗ２／Ｎ２ [ｍｍ／ｐｉｘ] （７）

また、第１の光学像の周方向分解能は２πＲ_０／ｆ１であるため、第１の光学像の軸方向分解能と周方向分解能が一致する場合、式（８）の関係を満たす。
（数８）
Ｗ１／Ｎ１＝２πＲ_０ｒ／ｆ１ ［ｍｍ／ｐｉｘ］ （８）

第２の光学像も同様に考え、第２の光学像の軸方向分解能と周方向分解能が一致する場合、式（９）の関係を満たす。
（数９）
Ｗ２／Ｎ２＝２πＲ_０ｒ／ｆ２ ［ｍｍ／ｐｉｘ］ （９）

すなわち、第１、第２のラインセンサカメラ１０７、１１０のスキャンレートｆ１、ｆ２はそれぞれ、式（１０）、（１１）となる。
（数１０）
ｆ１＝２πＮ１Ｒ_０ｒ／Ｗ１ [Ｈz] （１０）
（数１１）
ｆ２＝２πＮ２Ｒ_０ｒ／Ｗ２ [Ｈz] （１１）

また、式（７）より、Ｗ１／Ｎ１＝Ｗ２／Ｎ２であるため、式（１２）と書き換えると、スキャンレートｆ１、ｆ２は式（１３）の関係を満たす。
（数１２）
Ｗ１／Ｎ１＝Ｗ２／Ｎ２＝ｕ ［ｐｉｘ／ｍｍ］ （１２）
（数１３）
ｆ１＝ｆ２＝２πＲ_０ｒ／ｕ （１３）

本実施形態では、例えば、第１、第２のラインセンサカメラ１０７、１１０としてＮ１＝Ｎ２＝２０４８［ｐｉｘ］、Ｗ１＝Ｗ２＝８０ｍｍの仕様を備えたカメラを使用する。ピストン回転速度ｒを０．５ｒｐｓとすると、Ｒ_０＝１０ｍｍのピストンを検査する場合のラインセンサカメラ１０７、１１０を駆動するためのスキャンレートはそれぞれ、ｆ１＝ｆ２＝８０４[Ｈz]となり、Ｒ_０＝１７ｍｍのピストンを検査する場合のラインセンサカメラ１０７、１１０を駆動するためのスキャンレートはそれぞれ、ｆ１＝ｆ２＝１３６７[Ｈz]となる。

＜欠陥検出手順説明＞
次に図１１（ａ）、（ｂ）を用いて、窒化むらなどの欠陥検出の手順について示す。図１１（ａ）はラインセンサカメラ１０７で取得した光学像、すなわち第１の光学像（魔鏡像）であり、図１１（ｂ）はラインセンサカメラ１１０で取得した光学像、すなわち第２の光学像（表面反射光像）である。なお、図１１（ａ）、図１１（ｂ）において、ピストン１００の軸方向をｘ、周方向をｙとする。

像５１は窒化むら、像５２は傷、像５３は色むら（非欠陥）を示す。図５（ａ）で説明するように、ラインセンサカメラ１０７で取得した第１の光学像では窒化むらは縁が明るくなる。図５（ｂ）で説明するように、傷は窒化むらに対して焦点距離が１０^-３程度と急峻であるため、スクリーンの手前で反射光が収束後、スクリーンに向かって発散し、第１の光学像では暗部となる。図５（ｃ）で説明するように、色むらは凹凸形状を持たず、魔鏡原理では感度を持たないため、第１の光学像では検知しない。

一方、ラインセンサカメラ１１０で取得した第２の光学像において、窒化むらは図９（ａ）に示すように母材の鋼の色が反映されるため、窒化正常部に対して相対的に暗部となる。傷は図９（ｂ）に示すように傷からの散乱光が発生し、窒化正常部に対して明るく検出される場合と、窒化正常部と差がなく弁別できない（感度がない）場合がある。色むらは図９（ｃ）に示すように窒化正常部と比較して反射率が低下するため、暗部となる。

図１２に、第１の光学像（魔鏡像）上での窒化むら、色むら、傷の特徴と第２の光学像（表面反射光像）上での窒化むら、色むら、傷の特徴をまとめた表を示す。

上述の特徴より、像５１は窒化むらの反射率を反映し、第２の光学像（図１１（ｂ））にて暗部、かつ、第１の光学像（図１１（ａ））の同じ領域に凹形状由来の輝部または輝線が確認できるため、窒化むらと判断できる。像５２は第１の光学像（図１１（ａ））にて暗部となっているため、傷と判断する。像５３は第２の光学像（図１１（ｂ））にて暗部、かつ、第１の光学像（図１１（ａ））の同じ領域に輝部または輝線がない（非検出）ため、色むらと判断する。

なお、式（１）、式（２）より、窒化むらの検出感度は窒化むらの形状パラメータＬ、ｄに依存するため、窒化むらの形状によっては検出感度が低下し、第１の光学像（魔鏡像）上で窒化むらの一部しか捉えられない可能性がある。しかし、本実施形態では、魔鏡像上で窒化むらの一部分しか検出できなくても、第２の光学像（表面反射光像）の判定結果と組み合わせることで表面反射光像の像５１を窒化むらと判断できる。表面反射光像上の窒化むらの像５１の検出感度は窒化むら形状に依存しないため、表面反射光像上の窒化むらの像５１から窒化むらの形状と寸法の正確な評価が可能となる。

また、第１の光学系において第１の光学像（魔鏡像）からピストン表面（凸面）の凹凸欠陥位置を特定し、第２の光学系において第２の光学像（表面反射光像）からピストン表面（凸面）の反射率欠陥位置を抽出し、その凹凸欠陥位置と反射率欠陥位置の照合を行うことで、欠陥（窒化むら・傷）と非欠陥（色むら）の弁別が可能となる。

＜第１の実施形態の作用効果＞
以上で説明したように、本実施形態は、窒化処理を施した凸状の表面を持つ金属試料（ピストン）の表面状態を検査（表面欠陥である窒化むらを検出）する表面検査方法であって、前記凸状の表面に所定の幅および所定の厚さを有する第１の照明光（コヒーレント光）を照射し、前記第１の照明光が前記凸状の表面で反射した第１の反射光をスクリーン１０５に投射した第１の光学像から前記表面の凹凸形状の少なくとも一部を検査する第１の検査方法と、前記凸状の表面に所定の波長帯域幅を持つ第２の照明光（非コヒーレント光）を照射し、前記第２の照明光が前記凸状の表面で反射した第２の反射光から第２の光学像を取得し、前記第２の光学像から前記表面の反射率分布を検査する第２の検査方法による判定結果を組み合わせて、前記金属試料の表面状態を検査する。

すなわち、本実施形態は、第１の光学系（検査方法）として第１の照明光（コヒーレント光）をピストン表面（凸面）に照射し、被検査面とスクリーン間距離を窒化むらの凹形状から決定したスクリーンにその反射光を投影し、投影された光学像を撮像することで凹凸形状の一部または全部を検出する光学系と、第２の光学系（検査方法）として第２の照明光（非コヒーレント光）をピストン表面（凸面）に照射し、その表面反射光を撮像することで得られる光学像から反射率分布を検出する光学系を設け、第１、第２の光学系の光学像の判定結果を組み合わせて、欠陥（窒化むら・傷）と非欠陥（色むら）を抽出・弁別し、また窒化むらの寸法・形状を第２の光学系の光学像から評価する検査方法である。

本実施形態によれば、窒化むら形状を考慮した光学条件の魔鏡像観察とピストン表面粗さを考慮した光学条件の表面反射光像観察を組み合わせることで、窒化むらの凹凸情報および反射率情報を抽出することができる。これにより、安定的な窒化むらの検出、および、色むらとの弁別が可能となる。また、表面反射光像上の窒化むらの像５１の検出感度は窒化むら形状に依存しないため、表面反射光像上の窒化むらの像５１から窒化むらの形状と寸法の正確な評価が可能となる。

［第２の実施形態］
第１の実施形態では、魔鏡像観察と表面反射光像観察から欠陥（窒化むら・傷）と非欠陥（色むら）を検出する表面欠陥検査装置１について説明した。

第１の実施形態では図１２に示す表に従い、ラインセンサカメラ１０７で取得した第１の光学像（魔鏡像）とラインセンサカメラ１１０で取得した第２の光学像（表面反射光像）を用いて窒化むら、傷、色むらの弁別を行った。図１２の表によると、第１の光学像において傷は暗部となる。しかし、第１の実施形態では考慮しなかったが、傷から反射した第１の照明光（レーザ光）が干渉し、スクリーン１０５上に明暗パターンが発生する場合がある。第１の実施形態で示した窒化むら（欠陥）と色むら（非欠陥）の弁別法は、表面反射光像で暗部が検出された座標に、魔鏡像で輝部または輝線が存在する場合、窒化むら（欠陥）とし、表面反射光像で暗部が検出された座標に、魔鏡像で輝部または輝線が存在しない場合、色むら（非欠陥）と判断する。しかし、表面反射光像において、色むら由来の暗部が検出された座標に、魔鏡像上にて傷から反射したレーザ光同士の干渉による輝線が検出された場合、本来色むらと判定すべきところを窒化むらと誤判定する。このため、窒化むらと色むらの弁別性能を上げるためには、魔鏡像で検出される輝線または輝部が窒化むら由来か傷由来かを正確に弁別する必要がある。そのためには、同一位置を異なる光学的特徴量で評価できるように、魔鏡像と表面反射像の観察領域が同じであることが望ましい。

第２の実施形態においては、ピストン１００に対してラインセンサカメラ１０７（第１の光学系）とラインセンサカメラ１１０（第２の光学系）を、互いの観察領域が同じ位置になるように配置し、欠陥（窒化むら・傷）と非欠陥（色むら）の弁別性能を高める。以下、図１３～図１６を用いて本発明の第２の実施形態の説明を行う。

図１３は、本発明の表面欠陥検査装置の第２の実施形態のＸ－Ｙ平面から見た構成図である。本実施形態の表面欠陥検査装置２でも、第１の実施形態と同じく照明１０８とラインセンサカメラ１１０の角度θiは３０°とする。ただし、本実施形態の表面欠陥検査装置２では、ラインセンサカメラ１１０は、照明１０８を光源とし、ピストン１００の外周表面（凸面）によって反射する照明１０８の反射光と、レーザ発振器１０２からの平行ビーム１０が同じ観察領域を照射するように配置され、観察領域であるピストン１００の外周表面（凸面）によって反射する平行ビーム１０の散乱光とを同時に観察する。これにより、ラインセンサカメラ１１０がラインセンサカメラ１０７と同じ観察領域を観察していることを確認できる。

図１４は、第２の実施形態におけるピストン１００に対する、平行ビーム１０の照射領域１１１と照明１０８の照射領域１１２、およびラインセンサカメラ１１０の観察領域１１３を示している。平行ビーム１０による照射領域１１１と照明１０８による照射領域１１２が重なるようにピストン１００表面に平行ビーム１０と照明１０８を照射し、ラインセンサカメラ１１０は、照射領域１１１と照射領域１１２が重なる領域を観察する。

平行ビーム１０とラインセンサカメラ１１０の配置から、ラインセンサカメラ１１０は、平行ビーム１０を光源とする暗視野照明光学系となっている。暗視野照明は表面の微小な凹凸からの散乱光を検知し、明るく検出されるため、特に表面の傷に対して検出感度を持つ。

図１５（ａ）、（ｂ）は、図１３に示す、２つのラインセンサカメラで検出した光学像の平面模式図である。図１５（ａ）はラインセンサカメラ１０７で検出した光学像（魔鏡像）であり、図１５（ｂ）はラインセンサカメラ１１０で検出した光学像（表面反射光像）である。像５１は窒化むら、像５４は傷、像５５は色むらを示す。図１５（ａ）において、像５１は窒化むらの凹形状を反映した輝点または輝線であり、像５４は傷から反射したレーザ光が干渉し、輝線と暗線が繰り返す筋状（周期）パターンである。図１５（ｂ）において、像５１は窒化むらの反射率を反映して暗部、像５４は傷からの散乱光により輝線、像５５は色むらの反射率を反映して暗部となる。

図１６は、検出される欠陥の種別ごとに、ラインセンサカメラ１０７で撮像される第１の光学像（図１５（ａ）に該当）およびラインセンサカメラ１１０で撮像される第２の光学像（図１５（ｂ）に該当）でどのように撮像されるかを示している。

以下、図１５（ａ）、（ｂ）および図１６の表から、窒化むら、傷、色むらの弁別方法について述べる。像５１は図１５（ａ）で輝点または輝線であり、図１５（ｂ）において暗部であるため、窒化むらと判断できる。像５４は図１５（ａ）で輝線と暗線を含む筋状（周期）パターンであり、図１５（ｂ）では輝線となるため、傷と判定できる。像５５は図１５（ｂ）では暗部であり、図１５（ａ）の該当する座標内には輝線（像５４）が確認できる。しかし、像５４は図１５（ｂ）より傷と判断しているため、像５５は色むらと判断できる。

図１５（ａ）、（ｂ）、図１６に示すように、ラインセンサカメラ１０７で撮像される第１の光学像とラインセンサカメラ１１０で撮像される第２の光学像の判定結果を組み合わせることで、窒化むら、傷、色むらの弁別性能が向上する。

＜第２の実施形態の作用効果＞
以上で説明したように、本実施形態は、ラインセンサカメラ１１０が、ピストン１００の外周表面（凸面）によって反射する平行ビーム１０の散乱光と照明１０８の反射光を同時に検出でき、平行ビーム１０を光源とする暗視野照明光学系となっており、特に表面の傷に対して検出感度を持つ。

以上より、本実施形態によれば、第１の光学像（魔鏡像）の輝点・輝線が窒化むら由来か傷由来かを判別できるため、例えば色むらの箇所に傷が存在する場合でも色むらと正しく判定できる。このため、虚報を抑えることができる。

［第３の実施形態］
本実施形態では、窒化むら形状の分布に応じて、ピストン検査面からスクリーンまでの距離Ｌ２（図６）を変えることで、窒化むらの見逃しを防ぐ検査方法について説明する。なお、以下の説明では、Ｌ２とｒは同義のものとする。以下、図１７、図１８を用いて本発明の第３の実施形態を説明する。

第１の実施形態では、魔鏡原理において凹欠陥を凹面鏡とみなすとき、式（１）、（２）を用いて、欠陥の直径Ｌおよび欠陥深さｄが変化すると、窒化むらの焦点距離Ｒ、および窒化むらの検出感度Ｉ（ｒ）が変化することを説明した。以下に式（１）、（２）を再掲する。
（数１）
Ｒ＝Ｌ^２／８ｄ （１）
（数２）
Ｉ（ｒ）＝Ｒ^２／（Ｒ－ｒ）^２ （２）

観察位置（主光軸１０ａ照射位置）からスクリーン１０５までの距離ｒが一定の場合、Ｒが変化すると式（２）より検出感度が変化する。すなわち、窒化むらの大きさＬと深さｄによって窒化むらの検出感度Ｉ（ｒ）は変化する。第１の実施形態では、Ｉ（ｒ）≧１．１を満足させるため、ｒが０．０４７Ｒ≦ｒ＜Ｒの条件を満足する位置にスクリーン１０５を設置する。

しかし、第１の光学系の照明光光源がレーザ発振器１０２であるため、スクリーン１０５上にはスペックルノイズが発生する。このため、Ｉ（ｒ）≧１．１を満足しても、窒化むら由来の輝線または輝部がノイズに埋もれ、窒化むらを検出できない場合がある。ｒを固定した場合、式（２）より焦点距離Ｒが大きくなると、Ｉ（ｒ）の値は低下する。すなわち、焦点距離Ｒが大きくなるほど、スクリーン１０５上に投影された窒化むらの像はスペックルノイズに埋もれる可能性が増加する。

このため、本実施形態では、ｒを任意に変更することで、Ｒが増加しても窒化むら検出感度Ｉ（ｒ）の低下を防ぐ表面欠陥検査方法および表面欠陥検査装置を提案する。図１７は、本発明の表面欠陥検査装置の第３の実施形態のＸ－Ｙ平面から見た構成図であり、スクリーン１０５をＹ軸方向（レーザ光の照射方向）に駆動可能な駆動機構１１４を設けた表面欠陥検査装置３を示す。駆動機構１１４は、制御装置１１５により制御され、制御装置１１５にスクリーン位置の情報を入力することで所望の位置にスクリーン１０５を駆動することができる。

第１の実施形態で述べるように、代表的な窒化むらの焦点距離Ｒの分布は１６０ｍｍ≦Ｒ≦１ｍである。例えば、上記の焦点距離Ｒの分布から検査時にｒが１００ｍｍと５００ｍｍの２つの値をとるように検査条件を設定する。図１８は、ｒの値を１００ｍｍと５００ｍｍとした場合の、Ｒ＝１６０ｍｍｍおよび１ｍの窒化むらのそれぞれの検出感度Ｉ（ｒ）を示している。図１８に示すように、ｒ＝１００ｍｍの場合は、Ｒ＝１６０ｍｍの窒化むらの検出感度Ｉ（ｒ）が高く、Ｒ＝１ｍの窒化むらの検出感度Ｉ（ｒ）が低い。一方、ｒ＝５００ｍｍの場合は、Ｒ＝１６０ｍｍの窒化むらの検出感度Ｉ（ｒ）が低く、Ｒ＝１ｍの窒化むらの検出感度Ｉ（ｒ）が高い。すなわち、観察位置（主光軸１０ａ照射位置）からスクリーン１０５までの距離ｒが短い場合は焦点距離Ｒが短い窒化むらに検出感度を持ち、距離ｒが長い場合は焦点距離Ｒが長い窒化むらに検出感度を持つことが分かる。

＜第３の実施形態の作用効果＞
以上で説明したように、本実施形態は、スクリーン１０５を光の投射方向に対して駆動する駆動機構１１４を備え、窒化むら形状の分布に応じて、観察位置（主光軸１０ａ照射位置）からスクリーン１０５までの距離ｒが任意に変更可能である。

以上のように、本実施形態によれば、観察位置（主光軸１０ａ照射位置）からスクリーン１０５までの距離ｒを可変とすることで、窒化むらの焦点距離Ｒの長短に関わらず、窒化むらを安定的に検出できる。なお、選択するｒの値および設定数は一実施形態であって、これだけに限定されない。

［第４の実施形態］
本実施形態は、上述した表面欠陥検査装置（以下、表面欠陥検査装置４と表記する）を用いた表面欠陥検査システム６０について説明する。以下、本実施形態の表面欠陥検査システム６０を図１９～図２６を用いて説明する。

＜表面欠陥検査システム６０の概略構成＞
図１９は、上述した表面欠陥検査装置４を用いた表面欠陥検査システム６０の概略構成図である。なお、本実施形態の検査対象ピストン１００Ｂ（以下、「検査ピストン１００Ｂ」と表記する）には、検査領域である摺動面以外の箇所に検査ピストンごとの個体番号が付与された刻印が施されており、刻印から読みだした個体番号と検査結果を紐づけることができる。

表面欠陥検査システム６０は、検査前の検査ピストンを設置する検査ピストン置き場１８１、校正用ピストン１８０を設置する校正用ピストン置き場１８２、検査後の不良品判定の検査ピストンを設置する不良品ピストン置き場１８３、検査後の良品判定の検査ピストンを設置する良品ピストン置き場１８４を備える。なお、以下、検査ピストン１００Ｂと校正用ピストン１８０の両方を指し示す場合は「ピストン」と表記する。また、図１９の表面欠陥検査システム６０は、ピストンを搬送するローダ１８５、表面欠陥検査装置４、表面欠陥検査装置４の合否判定に従い検査ピストンを不良品ピストン置き場１８３または良品ピストン置き場１８４に払い出すアンローダ１８６、ローダ１８５およびアンローダ１８６（これらを纏めて搬送系と称する）を駆動させるための搬送系コントローラ１９５、ピストンの刻印を読み出す刻印読み取り装置１８７、ピストン表面の異物を除去する表面異物除去装置１８８、および表面欠陥検査システム６０全体を制御する検査システム制御装置２００から構成される。

＜表面欠陥検査装置４の構成＞
次に図２０を参照して、表面欠陥検査装置４の構成を説明する。表面欠陥検査装置４は、ピストンを回転させる回転ステージ１０１、ピストンにレーザ光（第１の照明光）を照射するレーザ発振器（第１の照射部）１０２、パウエルレンズ１０３、シリンドリカルレンズ１０４、スクリーン１０５、カメラレンズ（第１のカメラレンズ）１０６、ラインセンサカメラ（第１のラインセンサカメラ：第１の検出部）１０７、ピストンに白色光（第２の照明光）を照射するライン照明（第２の照射部）１０８、カメラレンズ（第２のカメラレンズ）１０９、ラインセンサカメラ（第２のラインセンサカメラ：第２の検出部）１１０、ラインセンサカメラ用直動ステージ（第１のラインセンサカメラ用直動ステージ）１９１、ラインセンサカメラ用直動ステージ（第２のラインセンサカメラ用直動ステージ）１９２、回転ステージ用直動ステージ１９３、および各ステージ（１０１、１９１、１９２、１９３）を駆動させるためのステージコントローラ１９４から構成される。

表面欠陥検査装置４は、検査する検査ピストンの径に応じて、ステージコントローラ１９４を介して、第１のラインセンサカメラ用直動ステージ１９１、第２のラインセンサカメラ用直動ステージ１９２、および回転ステージ用直動ステージ１９３を調整するとともに、第１のラインセンサカメラ１０７および第２のラインセンサカメラ１１０のスキャンレートを調節し、最適な検査条件で検査ピストンの検査を行うことが可能となる。また、表面欠陥検査装置４の照明光源（１０２、１０８）、ステージ（１０１、１９１、１９２、１９３）、ステージコントローラ１９４、ラインセンサカメラ１０７、１１０は、図１９および図２１に示す検査システム制御装置２００と接続されている。

＜表面欠陥検査システム６０の機能ブロック構成＞
続いて図２１の機能ブロック図を用いて、図１９および図２０に示す表面欠陥検査システム６０の機能を説明する。なお、検査システム制御装置２００は、表面欠陥検査システム６０の動作全体を制御するための各種の演算を行うＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）と、ＣＰＵによる演算を実行するためのプログラムを格納するＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）やＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等の記憶装置と、ＣＰＵがプログラムを実行する際の作業領域となるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）とを含むハードウェアから構成されている。

図２１に示すように、本検査システム制御装置２００は、検査ピストンの種類および検査本数を入力する検査条件入力部２０１、検査システム制御装置２００と表面欠陥検査システム６０の各部品を接続するＩ／Ｆ２０２、照明のＯＮ／ＯＦＦを制御する照明制御部２０３、検査ピストンの種類に応じた表面欠陥検査装置４のステージ位置情報、および検査ピストンの種類に応じた表面欠陥検査装置４のラインセンサカメラのスキャンレートｆを記憶する検査装置駆動条件記憶部２０４、ステージ制御部２０５、ラインセンサカメラ制御部２０６、第１の光学像と第２の光学像の位置ズレ量を演算する光学像位置ズレ演算部２０７、第１の光学像と第２の光学像の位置ズレ量に基づき位置合わせを行い、第１の検査方法と第２の検査方法による同一位置に対する判定を組み合わせた欠陥種別判定を行う画像処理部２０８、欠陥種別判定の結果に基づき検査ピストンの合否判定を行う合否判定部２０９、検査ピストンの残存数を管理する検査ピストン残存数管理部２１０、検査ピストンの個体番号、画像処理部２０８の欠陥種別判定の結果および合否判定部２０９の合否判定結果を紐づけて、結果を記録する検査結果記録部２１１、欠陥種別判定結果および合否判定結果に基づいた検査結果画像を生成する検査結果画像生成部２１２、検査結果画像を表示する表示モニタ部２１３、ローダ１８５およびアンローダ１８６（搬送系）を制御する搬送系制御部２１４を含む。なお、上記検査システム制御装置２００の機能の一部もしくは全部（例えば、画像処理部２０８や合否判定部２０９など）は、表面欠陥検査装置４側に設けられてもよい。

作業員は、所定の入力装置を介して検査システム制御装置２００の検査条件入力部２０１に検査ピストンの作番などの検査ピストンの種類が分かる情報と検査ピストンの本数の情報を入力する。

照明制御部２０３は、レーザ光（第１の照明光）を照射するレーザ発振器１０２と白色光（第２の照明光）を照射するライン照明１０８のＯＮ／ＯＦＦをＩ／Ｆ２０２を介して制御する。

ステージ制御部２０５は、検査条件入力部２０１から入力された検査ピストンの種類に応じて、検査装置駆動条件記憶部２０４に格納された第１のラインセンサカメラ用直動ステージ１９１、第２のラインセンサカメラ用直動ステージ１９２、回転ステージ用直動ステージ１９３のステージ位置情報を参照する。ステージ制御部２０５は、参照したステージ位置情報に基づきＩ／Ｆ２０２およびステージコントローラ１９４を介して、レーザ発振器１０２から照射するレーザ光（平行ビーム１０）の主光軸がピストンの外周表面に対して所望の入射位置に入射するように、回転ステージ用直動ステージ１９３の位置を調節する。同様に、ステージ制御部２０５は、第１のラインセンサカメラ１０７がスクリーン１０５上の所望の位置を観察するように、第１のラインセンサカメラ用直動ステージ１９１の位置を調節する。同様に、ステージ制御部２０５は、第２のラインセンサカメラ１１０の視野サイズが所望の値を保つように、第２のラインセンサカメラ用直動ステージ１９２の位置を調節する。

また、ステージ制御部２０５は、ローダ１８５がピストンを回転ステージ１０１に設置したことを確認後、Ｉ／Ｆ２０２およびステージコントローラ１９４を介して、回転ステージ１０１を等速かつ所定の時間回転させる。ローダ１８５がピストンを設置したことは、例えば、搬送系制御部２１４からの信号を用いて確認する。

ラインセンサカメラ制御部２０６は、検査条件入力部２０１から入力された検査ピストンの種類に応じて、検査装置駆動条件記憶部２０４に格納されたスキャンレート情報を参照し、Ｉ／Ｆ２０２を介して、第１のラインセンサカメラ１０７および第２のラインセンサカメラ１１０のスキャンレートを所定の値ｆに設定する。

加えて、ラインセンサカメラ制御部２０６は、ステージ制御部２０５が回転ステージ１０１を回転させる指令を出した後、第１のラインセンサカメラ１０７と第２のラインセンサカメラ１１０をＩ／Ｆ２０２を介して所定のスキャンレートｆで駆動させ、第１の画像（光学像）と第２の画像（光学像）を取得する。ラインセンサカメラ制御部２０６は、第１の光学像と第２の光学像を取得後、取得した光学像を画像処理部２０８に送信する。

光学像位置ズレ演算部２０７は、校正用ピストン１８０を用いた表面欠陥検査装置４の校正時に、第１の光学像と第２の光学像の撮像時の位置ズレ量Ｍ１［ｐｉｘ］を演算し、画像処理部２０８に位置ズレ量Ｍ１を転送する。

画像処理部２０８は、転送された位置ズレ量Ｍ１に基づいて第１の光学像と第２の光学像の位置合わせを行う位置合わせ部を含み、位置ズレ量の校正のための画像処理を行う。具体的な位置ズレ量の校正方法は、図２２のフロー図を用いて後述する。

第１の光学像と第２の光学像の位置合わせを行った後、画像処理部２０８は、第１の光学像と第２の光学像からピストン表面の凹凸欠陥位置情報と反射率欠陥位置情報を抽出し、あらかじめ設定した輝度あるいは反射率に関する閾値による画像処理後の両光学像を比較することで、窒化むらと傷を弁別し、また、窒化むらまたは傷の形状と寸法および位置情報を取得する（後で説明）。画像処理部２０８は、画像処理前後の画像データと窒化むらまたは傷の形状と寸法および位置情報を含んだ欠陥種別判定の結果を合否判定部２０９、検査結果記録部２１１、検査結果画像生成部２１２に送信する。

合否判定部２０９は、画像処理部２０８から入力された窒化むらまたは傷の形状と寸法および位置情報を基に、検査ピストンの合否（良品・不良品）を判定する。合否判定は、例えば、検出された窒化むらおよび傷の寸法、個数、密度などを反映した欠陥レベルの閾値を設定し、異常値が閾値を下回れば良品、異常値が閾値を上回れば不良品と判定する。また、合否判定部２０９は、合否判定結果を搬送系制御部２１４に伝える。搬送系制御部２１４は、Ｉ／Ｆ２０２および搬送系コントローラ１９５を介して合否判定に基づきアンローダ１８６を制御し、検査後の検査ピストンを不良品ピストン置き場１８３または良品ピストン置き場１８４に払い出す。また、合否判定部２０９は、合否判定結果を検査ピストン残存数管理部２１０、検査結果記録部２１１、検査結果画像生成部２１２に送信する。

検査ピストン残存数管理部２１０は、検査条件入力部２０１より入力された検査ピストン本数情報を格納する。検査ピストン残存数管理部２１０は、合否判定部２０９が合否判定を行うごとに検査ピストンの残存数を１つ減らす。検査ピストン残存数管理部２１０は、検査ピストンの残存数が０になった時点で搬送系制御部２１４に信号を送信し、搬送系制御部２１４は、Ｉ／Ｆ２０２および搬送系コントローラ１９５を介してローダ１８５を停止させる。

検査結果記録部２１１は、画像処理部２０８の欠陥種別判定の結果と合否判定部２０９の合否判定結果および刻印読み取り装置１８７を介して取得した検査ピストンの個体番号を紐づけて、検査結果を記録する。

検査結果画像生成部２１２は、画像処理部２０８の欠陥種別判定の結果および合否判定部２０９による合否判定結果に基づく検査結果画像を生成し、表示モニタ部２１３に表示する。表示モニタ部２１３に表示される画像は、例えば、窒化むらまたは傷と判定された箇所を強調した画像と合否判定結果を併記した画像がある。

＜表面欠陥検査システム６０の検査フロー＞
次に図２２～図２５を用いてピストン検査フローについて説明する。

なお、本実施形態の検査フローは大きく分けて表面欠陥検査装置４の設定・校正工程（ステップ（以下、Ｓと記す）１００）とピストン検査工程（Ｓ２００）に分かれる。

＜表面欠陥検査装置４の設定・校正工程（Ｓ１００）＞
まず、図２２を用いて表面欠陥検査装置４の設定・校正工程（Ｓ１００）の説明を行う。作業員は、所定の入力装置を介して検査システム制御装置２００の検査条件入力部２０１に検査ピストンの作番と検査本数を入力する（Ｓ１０１）。検査本数は、検査ピストン残存数管理部２１０に送信、記録される（Ｓ１０２）。

続いて、照明制御部２０３は、検査金属試料情報が入力されたことを確認後、レーザ発振器１０２とライン照明１０８をＯＮしてレーザ光と白色光（第１、第２の照明光）を照射する（Ｓ１０３）。

次に、ステージ制御部２０５は、入力された検査ピストンの作番に基づき、検査装置駆動条件記憶部２０４に格納された検査ピストンの径に対応するステージ位置情報を参照し、表面欠陥検査装置４の第１のラインセンサカメラ用直動ステージ１９１、第２のラインセンサカメラ用直動ステージ１９２、回転ステージ用直動ステージ１９３を所定の位置に駆動する（Ｓ１０４）。

ラインセンサカメラ制御部２０６は、入力された検査ピストンの作番に基づき、検査装置駆動条件記憶部２０４に格納された検査ピストンの径に対応するラインセンサカメラのスキャンレートを参照し、第１のラインセンサカメラ１０７および第２のラインセンサカメラ１１０のスキャンレートを所定の値に設定する（Ｓ１０５）。

以上のように、表面欠陥検査装置４の設定が終わったら、続いて第１のラインセンサカメラ１０７で撮像する第１の光学像と第２のラインセンサカメラ１１０で撮像する第２の光学像の位置合わせ用の校正を行う。本表面欠陥検査装置４は、第１の光学像の欠陥座標と第２の光学像の欠陥座標を照らし合わせて窒化むらの検出を行うため、第１の光学像と第２の光学像の相対的な位置合わせが必須となる。以下、第１の光学像と第２の光学像の位置合わせの一例を説明する。ローダ１８５は、校正用ピストン置き場１８２より、検査ピストンに対応した校正用ピストン１８０を表面欠陥検査装置４の回転ステージ１０１上に搭載する（Ｓ１０６）。

図２３に示す校正用ピストン１８０には、軸方向に、例えば幅０．５ｍｍ、高さ２０ｍｍ、深さ５０マイクロメートルかつ黒色に着色された溝１８９が彫り込まれている。校正用ピストン１８０を回転ステージ１０１上に搭載後、ステージ制御部２０５は、回転ステージ１０１、つまり校正用ピストン１８０を（中心軸を中心に、あるいは、中心軸を回転軸として）等速で１回転させる。ラインセンサカメラ制御部２０６は、第１のラインセンサカメラ１０７および第２のラインセンサカメラ１１０をスキャンレートｆで駆動し、スクリーン１０５上に投影された光学像を第１のラインセンサカメラ１０７で撮像して第１の光学像（魔鏡像）を取得するとともに、ライン照明１０８からの反射光を第２のラインセンサカメラ１１０で撮像して第２の光学像（表面反射光像）を取得する（Ｓ１０７）。校正用ピストン１８０の溝１８９は、第１の光学像においては図５（ｂ）のパターンに該当し、溝１８９からの反射光が発散するため、第１の光学像では黒線となる。また、校正用ピストン１８０の溝１８９は、第２の光学像においては溝１８９の黒色の反射率を反映するため、第２の光学像でも黒線となる。

その後、画像処理部２０８は、第１のラインセンサカメラ１０７で取得した第１の光学像と第２のラインセンサカメラ１１０で取得した第２の光学像を二値化する画像処理後、光学像位置ズレ演算部２０７にて、それぞれの光学像上での校正用ピストン１８０の溝１８９の座標を特定して位置合わせの基準とし、両光学像（画像）の座標のズレ量Ｍ１［ｐｉｘ］を算出する（Ｓ１０８）。第１及び第２の光学像を画像処理により二値化する目的は、基準となる溝１８９を特定しやすくするためである。図２４は、二値化した校正用ピストン１８０の第１の光学像（魔鏡像）と第２の光学像（表面反射光像）の概要図である。第１の光学像と第２の光学像の位置合わせの基準座標のズレ量Ｍ１［ｐｉｘ］に合わせて、例えば第２の光学像の画素を座標のズレ量Ｍ１［ｐｉｘ］だけ相対的に移動させることで、第１の光学像と第２の光学像の基準座標が一致する。光学像位置ズレ演算部２０７にて算出した座標のズレ量Ｍ１［ｐｉｘ］は画像処理部２０８に転送し、検査実行時の位置合わせ時のパラメータとして用いる（Ｓ１０９）。

なお、本実施形態では、校正用ピストン１８０の摺動面に黒色に着色した溝１８９をつけ、位置合わせ用に用いているが、例えば校正用ピストン１８０の摺動面に更に窒化むら、傷、色むらを人工的に設け、位置合わせの校正と同時に第１の光学系での窒化むら・傷の検出感度（判定閾値）のチェック、および、第２の光学系で窒化むらと色むらの検出感度（判定閾値）のチェックを行ってもよい。その場合は、表面欠陥検査装置４における判定結果を目視による判定結果と整合させる必要があるので、光学像の画像処理は二値化ではなくグレースケール化することが望ましい。第１の光学系においては、基準となる正常部位に対して、窒化むらによる高輝度部位と、傷による低輝度部位（暗部）とが識別できるように、輝度に関する閾値を正常部位を基準として高輝度側閾値と低輝度側閾値の２つ設ける。第２の光学系に対しても同様に、反射率に関する高反射率側閾値と低反射率側閾値の２つを設定する。

位置合わせ用の画素移動量Ｍ１決定後、アンローダ１８６は、校正用ピストン１８０を図１９に示す校正用ピストン置き場１８２へアンロードする（Ｓ１１０）。以上で、表面欠陥検査装置４の設定・校正工程（Ｓ１００）を終了する。

＜ピストン検査工程（Ｓ２００）＞
表面欠陥検査装置４の設定・校正工程（Ｓ１００）を終了後、ピストン検査工程（Ｓ２００）を行う。図２５を用いてピストン検査工程（Ｓ２００）の説明を行う。

ローダ１８５は、検査ピストン置き場１８１から検査ピストンを刻印読み取り装置１８７に搬送する（Ｓ２０１）。刻印読み取り装置１８７は、搬送された検査ピストンの刻印を読み取り、刻印に付与された個体番号を検査結果記録部２１１に記録する（Ｓ２０２）。

続いて、ローダ１８５は、検査ピストンを表面異物除去装置１８８へ搬入し、表面異物除去装置１８８は、検査ピストンの外周表面上のホコリなどの表面異物を除去する（Ｓ２０３）。検査ピストンにはφ０．１ｍｍ程度のホコリなどが付着する場合がある。図２６は、被検査面に異物が付着している場合に、被検査面に平行光束を照射した場合の反射光の光路を示している。図２６に示すように、表面に凸形状が存在する場合、異物からの反射光は発散するため、スクリーン上では暗部となる。図５（ｂ）に示すように表面の傷も魔鏡像上では暗部となるため、検査ピストンの表面に異物が存在する場合、ホコリを傷と判断し、虚報となる恐れがある。このため、検査ピストンの表面の異物は検査前に除去することが望ましい。

表面異物除去装置１８８にて検査ピストンの表面から異物除去後、ローダ１８５は、表面欠陥検査装置４の回転ステージ１０１に検査ピストン１００Ｂを搭載する（Ｓ２０４）。検査ピストン１００Ｂを回転ステージ１０１上に搭載後、ステージ制御部２０５は、回転ステージ１０１、つまり検査ピストン１００Ｂを（中心軸を中心に、あるいは、中心軸を回転軸として）等速で１回転させる。ラインセンサカメラ制御部２０６は、第１のラインセンサカメラ１０７と第２のラインセンサカメラ１１０をスキャンレートｆで駆動させて、第１の光学像（魔鏡像）と第２の光学像（表面反射光像）をそれぞれ撮像し（Ｓ２０５）、画像処理部２０８は、取得した光学像（画像）に対して画像処理を行う（Ｓ２０６）。

Ｓ２０６の詳細について以下説明する。画像処理部２０８は、第１の光学像（魔鏡像）よりスクリーン１０５上の検査箇所の反射光強度分布を検出し、スクリーン１０５上の検査箇所の反射光強度分布に基づき検査ピストン１００Ｂ表面の凹凸欠陥とその位置を特定する第１の画像処理部をその内部に含む。第１の画像処理部は、前述の反射光強度分布に関して、欠陥のない正常部を基準として、あらかじめ設定された所定の高輝度側閾値より輝度が高い場合を高輝度部位、あらかじめ設定された所定の低輝度側閾値より輝度が低い場合を低輝度部位と判定して、判定結果をメモリに転送する。また、画像処理部２０８は、第２の光学像（表面反射光像）より表面反射光の反射光強度分布を検出し、表面反射光の反射光強度分布に基づき検査ピストン１００Ｂ表面の反射率欠陥とその位置を抽出する第２の画像処理部をその内部に含む。第２の画像処理部は、前述の反射光強度分布に対して所定の閾値を用いて、高反射率側閾値より反射光強度が強い（大きい）場合を高反射率部位、低反射率側閾値より反射光強度が弱い（小さい）場合を低反射率部位と判定して、判定結果をメモリに転送する。また、画像処理部２０８は、光学像位置ズレ演算部２０７より入力した座標のズレ量Ｍ１［ｐｉｘ］に合わせて、第１の光学像と第２の光学像の座標を一致させる。そして、画像処理部２０８はまた、メモリに転送しておいた第１の画像処理部の判定結果と第２の画像処理部の判定結果を読み出して比較・照合する判別部を含む。これにより、画像処理部２０８は、位置合わせ部で第１の光学像と第２の光学像の位置ズレを校正し、判別部で同じ位置における検査ピストン１００Ｂ表面の凹凸欠陥と反射率欠陥の照合を行うことで、欠陥（窒化むら・傷）と非欠陥（色むら）を弁別し、また、窒化むらまたは傷の形状と寸法および位置情報を取得する。例えば、前述のように、第１の光学像（魔鏡像）において所定の閾値より輝度の高い領域を窒化むら候補として特定し、第２の光学像（表面反射光像）から反射率分布を検査する第２の検査方法による判定結果を組み合わせて、前記窒化むら候補が窒化むらであるか否かを判定する。

画像処理部２０８の欠陥種別判定結果に対して、合否判定部２０９は、欠陥種別と欠陥数に関してあらかじめ設定している欠陥レベルに基づき、合否判定を行う（Ｓ２０７）。欠陥レベルが閾値以上の場合（Ｓ２０７／Ｎｏ）、アンローダ１８６は、回転ステージ１０１上の検査ピストンを不良品ピストン置き場１８３に搬送し（Ｓ２０８）、Ｓ２１０に進む。欠陥レベルが閾値未満の場合（Ｓ２０７／Ｙｅｓ）、アンローダ１８６は、回転ステージ１０１上の検査ピストンを良品ピストン置き場１８４に搬送し（Ｓ２０９）、Ｓ２１０に進む。

検査後の検査ピストンを搬送後、検査ピストン残存数管理部２１０は、格納されている検査ピストン残存数を１つ減らす（Ｓ２１０）。検査結果記録部２１１は、検査ピストンの個体番号と欠陥種別判定結果および合否判定結果を紐づけた検査結果を記録する（Ｓ２１１）。

続いて、検査ピストン残存数管理部２１０は、格納されている検査ピストン残存数を確認し（Ｓ２１２）、検査ピストン残存数が０でない場合（Ｓ２１２／Ｎｏ）、Ｓ２０１へ進む。検査ピストン残存数が０の場合（Ｓ２１２／Ｙｅｓ）、照明制御部２０３は、レーザ光と白色光（第１、第２の照明光）の照射を停止し（Ｓ２１３）、検査を終了する（Ｓ２１４）。

なお、本実施形態では、検査ピストンの検査数は事前に検査システム制御装置２００に入力し、合否判定部２０９と連動して残存検査ピストン本数を管理しているが、代わりにローダ１８５にカメラを接続し、残存検査ピストン本数をカメラで確認し、検査システム制御装置２００にて管理してもよい。

＜第４の実施形態の作用効果＞
本実施形態の表面欠陥検査システム６０によって、窒化むらを有する検査ピストンのインライン全数検査が実現する。したがって、本実施形態の表面欠陥検査システム６０を外観検査工程に適用すれば、製品の全数品質保証が実現する。また、製品への検査結果の紐づけ工程を加えることで、該当検査ピストンを含む製品が場外不良を起こした場合、表面欠陥検査工程時の取得光学像を見直すことで、不良要因の特定に用いることができる。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形形態が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

また、上記した実施形態のコントローラの各機能は、それらの一部または全部を、例えば集積回路で設計することによりハードウェアで実現してもよい。また、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、コントローラ内の記憶装置の他に、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。

１ 表面欠陥検査装置（表面検査装置の第１の実施形態）
２ 表面欠陥検査装置（表面検査装置の第２の実施形態）
３ 表面欠陥検査装置（表面検査装置の第３の実施形態）
４ 表面欠陥検査装置（表面検査装置の第４の実施形態）
１０ 平行ビーム（第１の照明光）
１０ａ 平行ビームの主光軸
２３ ピストンの摺動面（検査領域）
３１ 窒化むら
３２ 傷
３３ 色むら
５１ 窒化むらの像
５２、５４ 傷の像
５３、５５ 色むらの像
６０ 表面欠陥検査システム（表面検査システム）
１００、１００Ｂ ピストン
１０１ 回転ステージ（保持部）
１０２ レーザ発振器（第１の照射部）
１０５ スクリーン
１０７ 第１のラインセンサカメラ（第１の検出部）
１０８ 照明（第２の照射部）
１１０ 第２のラインセンサカメラ（第２の検出部）
１８７ 刻印読み取り装置
１９４ ステージコントローラ
１９５ 搬送系コントローラ
２００ 検査システム制御装置
２０１ 検査条件入力部
２０４ 検査装置駆動条件記憶部
２０５ ステージ制御部
２０６ ラインセンサカメラ制御部
２０７ 光学像位置ズレ演算部
２０８ 画像処理部
２０９ 合否判定部
２１１ 検査結果記録部
２１４ 搬送系制御部

Claims (12)

1. 互いに異なるジオメトリを有する２つの光学系を用いて、検査対象の同一位置に対してそれぞれ異なる性質の照明光を照射し、異なる反射特性から得られる２つの光学像を取得して、窒化処理を施した凸状の表面を持つ金属試料の表面欠陥である窒化むらを検出する表面検査方法であって、
   前記凸状の表面に所定の幅および所定の厚さを有する第１の照明光を照射し、前記第１の照明光が前記凸状の表面で反射した第１の反射光をスクリーンに投射した第１の光学像から前記表面の凹凸形状の少なくとも一部を検出する第１の検査方法において、
   窒化むらの直径をＬ、窒化むらの深さをｄ、窒化むらを凹面鏡とみなしたときの焦点距離をＲ、前記凸状の表面への前記第１の照明光の照射位置から前記スクリーンまでの距離をｒとしたとき、前記第１の光学像上において窒化むらによる輝度分布の変化を肉眼で確認できるように、Ｒ＝Ｌ²／８ｄかつ０．０４７Ｒ≦ｒ＜Ｒを満足するようにｒを決定して光学像を取得した前記第１の光学像において所定の第１閾値より輝度の高い領域を窒化むら候補として特定し、
   前記凸状の表面に所定の波長帯域幅を持つ第２の照明光を照射し、前記第２の照明光が前記凸状の表面で反射した第２の反射光から第２の光学像を取得し、前記第２の光学像から前記表面の反射率分布を検査する第２の検査方法による判定結果を組み合わせて、前記窒化むら候補が窒化むらであるか否かを判定する表面検査方法。
2. 請求項１に記載の表面検査方法において、
   異径の金属試料においても前記表面の凹凸形状に対する検出感度が一定の範囲内に保たれるように、前記凸状の表面への前記第１の照明光の主光軸の照射位置と前記スクリーン上の前記第１の光学像の観察位置を調節する表面検査方法。
3. 請求項１に記載の表面検査方法において、
   前記第２の反射光を観察する際、前記第２の反射光への視線方向と前記第２の照明光の照射方向のなす角度をθiとしたとき、前記視線方向への反射光強度が所定値以下になるように、θiを決定する表面検査方法。
4. 請求項１に記載の表面検査方法において、
   前記金属試料は外周表面形状が円形であり、前記金属試料を中心軸を中心に回転させながら前記凸状の表面に前記第１の照明光および前記第２の照明光を照射するとともに、前記第１の反射光を前記スクリーンに投射した前記第１の光学像を第１のラインセンサカメラで撮像して第１の画像を取得し、前記第２の反射光を第２のラインセンサカメラで撮像して第２の画像を取得し、
   前記第１の画像と前記第２の画像の軸方向および周方向の分解能を一致させるため、
   前記金属試料の半径をＲ₀、前記金属試料の回転速度をｒ、前記第１のラインセンサカメラの視野サイズをＷ１、前記第１のラインセンサカメラのカメラ画素数をＮ１、前記第１のラインセンサカメラのスキャンレートをｆ１、前記第２のラインセンサカメラの視野サイズをＷ２、前記第２のラインセンサカメラのカメラ画素数をＮ２、前記第２のラインセンサカメラのスキャンレートをｆ２としたとき、
   Ｗ１／Ｎ１＝Ｗ２／Ｎ２かつｆ１＝ｆ２＝２πＲ₀ｒＮ１／Ｗ１を満足する条件で、前記第１のラインセンサカメラおよび前記第２のラインセンサカメラを駆動する表面検査方法。
5. 請求項１に記載の表面検査方法において、
   前記第１の検査方法において前記第１の光学像より前記表面の凹凸欠陥位置を特定し、前記第２の検査方法において前記第２の光学像より前記表面の反射率欠陥位置を抽出し、前記凹凸欠陥位置と前記反射率欠陥位置の照合を行うことで、窒化むらおよび傷を含む欠陥と色むらを含む非欠陥を弁別する表面検査方法。
6. 請求項１に記載の表面検査方法において、
   前記第１の照明光はコヒーレント光であり、前記第２の照明光は非コヒーレント光である表面検査方法。
7. 窒化処理を施した凸状の表面を持つ金属試料の表面状態を検査する表面検査装置であって、
   前記金属試料を保持する保持部と、
   前記凸状の表面に、所定の幅および所定の厚さを有する第１の照明光を照射する第１の照射部と、
   前記第１の照明光が前記凸状の表面で反射した第１の反射光を投射して光学像を形成するスクリーンと、
   前記光学像を検出して第１の光学像を取得する第１の検出部と、
   前記第１の光学像から検出される前記スクリーン上の検査箇所の反射光強度分布に基づき前記表面の凹凸欠陥を検出する第１の画像処理部と、
   前記凸状の表面に、所定の波長帯域幅を持つ第２の照明光を照射する第２の照射部と、
   前記第２の照明光が前記凸状の表面で反射した第２の反射光を検出して第２の光学像を取得する第２の検出部と、
   前記第２の光学像から検出される表面反射光の反射光強度分布に基づき前記表面の反射率欠陥を検出する第２の画像処理部と、
   前記第１の画像処理部の前記第１の光学像と前記第２の画像処理部の前記第２の光学像の位置合わせを行う位置合わせ部と、
   前記金属試料の同一位置における前記凹凸欠陥と前記反射率欠陥の判定結果の照合を行うことで、窒化むらおよび傷を含む欠陥と色むらを含む非欠陥を弁別する判別部と、を備え、
   窒化むらの直径をＬ、窒化むらの深さをｄ、窒化むらを凹面鏡とみなしたときの焦点距離をＲ、前記凸状の表面への前記第１の照明光の照射位置から前記スクリーンまでの距離をｒとしたとき、前記第１の光学像上において窒化むらによる輝度分布の変化を肉眼で確認できるように、Ｒ＝Ｌ ² ／８ｄかつ０．０４７Ｒ≦ｒ＜Ｒを満足するようにｒが決定されており、
   前記第１の画像処理部は、前記第１の光学像において所定の第１閾値より輝度の高い領域を窒化むら候補として特定し、
   前記判別部は、前記窒化むら候補が窒化むらであるか否かを判定して、窒化むらおよび傷を含む欠陥と色むらを含む非欠陥を弁別する表面検査装置。
8. 請求項７に記載の表面検査装置において、
   前記第１の検出部と前記第２の検出部が前記金属試料に対して反対側に配置され、前記第１の照明光と前記第２の照明光が異なる観察領域を照射するように前記第１の照射部と前記第２の照射部が配置され、前記第２の検出部が、前記第２の反射光のみを検出し、前記凸状の表面で反射した前記第１の照明光の散乱光を検出しない表面検査装置。
9. 請求項７に記載の表面検査装置において、
   前記第１の検出部と前記第２の検出部が前記金属試料に対して同じ側に配置され、前記第１の照明光と前記第２の照明光が同じ観察領域を照射するように前記第１の照射部と前記第２の照射部が配置され、前記第２の検出部が、前記凸状の表面で反射した前記第１の照明光の散乱光と前記第２の反射光を同時に検出できる表面検査装置。
10. 請求項７に記載の表面検査装置において、
    前記スクリーンを光の投射方向に対して駆動する駆動機構をさらに備え、
    前記金属試料と前記スクリーンの距離が任意に変更可能である表面検査装置。
11. 窒化処理を施した凸状の表面を持つ金属試料の表面状態を検査する表面検査システムであって、
    請求項７から１０のいずれか一項に記載の表面検査装置と、
    前記金属試料は円筒面を有し、前記円筒面の中心軸を回転軸として前記金属試料を回転させる回転機構、前記第１の検出部を構成する第１のラインセンサカメラ、および前記第２の検出部を構成する第２のラインセンサカメラの位置を制御できるステージ制御部と、
    前記金属試料の径に応じて、前記第１のラインセンサカメラおよび前記第２のラインセンサカメラのスキャンレートを設定するラインセンサカメラ制御部と、
    検査条件を入力する検査条件入力部と、
    前記金属試料ごとの装置設定を記憶する検査装置駆動条件記憶部と、
    検査結果に基づいて前記金属試料を搬送する搬送系を制御する搬送系制御部と、
    検査結果を記録する検査結果記録部と、を備える表面検査システム。
12. 請求項１１に記載の表面検査システムにおいて、
    前記金属試料の個体番号が付与された刻印を読み取る刻印読み取り装置を備え、
    前記金属試料の検査結果を前記刻印読み取り装置で読み取った前記金属試料の個体番号と紐づけして前記検査結果記録部に記録する表面検査システム。

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