JPH07333157A - 球体表面検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 鋼球サイズに応じて光学系を変更することな
く、被検査球体の表面性状を高精度に検査することがで
きるようにした。 【構成】 レーザダイオード１からのレーザー光束はビ
ームスプリッタ４を透過し、集光レンズ３を経て鋼球２
の中心に向かって絞り込まれ、レーザ光は鋼球２の表面
に対して垂直に入射する。次いで、入射したレーザ光束
は入射光路をそのまま逆進して反射光となり、集光レン
ズ３を透過してビームスプリッタ４で偏光される。ビー
ムスプリッタ４で偏光された放射光束はフィルタ５によ
りレーザー光の波長近傍の波長を有する光を選択的を通
過し、受光領域設定部７のスリットを通過した反射光束
のみがフォトダイオード６に受光される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は球体表面検査装置に関
し、より詳しくは、鋼球等の球体の表面性状を光学的に
検査する球体表面検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、この種の球体表面検査装置と
しては、図１１に示すように、１組の投光素子５１と受
光素子５２とを等角度毎に半円周状に複数個配設してな
る半円周アレイ５３を被検査球体である鋼球５４の周方
向に設けると共に、支軸５５を中心にして前記鋼球５４
を矢印Ｙ方向に回転させ、受光素子５２から出力される
電気信号レベルに基づいて鋼球５４の表面性状を判定す
るようにしたものが知られている（以下「第１の従来
例」という）。

【０００３】上記第１の従来例においては、図１２に示
すように、投光素子５１から出射された白色光が鋼球５
４の表面で反射され、次いで該反射された光は前記投光
素子５１に対して一定角度αを有して配設されている受
光素子５２に受光される。そして、該受光素子５２を通
った光は、図示しないフォトダイオード等の光電変換素
子により電気信号に変換され、図示しない増幅器及びゲ
イン調整回路等を経て出力され、その出力信号レベルに
基づいて鋼球５４の表面性状が判断され、鋼球５４に傷
等の欠陥が無いか否かを検査している。

【０００４】また、球面表面検査装置の他の従来例とし
ては、図１３に示すように、矢印Ｚ方向に回転している
鋼球５４の表面に照明光５６（照明器等から射出され
る）を入射させると共に、該鋼球５４の表面から反射し
た反射光を凸レンズ５７を使用して集光させ、その像を
ＣＣＤ（電荷結合素子）等の光電変換素子５８に結像さ
せたものが知られている（例えば、特開昭５６−５８６
４３号公報、特開昭５６−５８６４４号公報；以下「第
２の従来例」という）。

【０００５】上記第２の従来例においては、光電変換素
子５８により光量が電気信号に変換され、該電気信号の
出力信号レベルに基づいて球面の表面性状が判断され、
鋼球５４の欠陥の有無を検査している。また、上記第２
の従来例は、前記鋼球５４を所定角度毎に連続的に回転
させる所謂スキュー回転を行うことにより、受光領域の
小さな光電変換素子５８でも鋼球５４の全表面積につい
て表面性状を検査することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記第
１の従来例においては、鋼球５４の直径寸法（以下、
「鋼球サイズ」という）に対して相対的に略同一感度で
もって鋼球５４の表面性状を検査する必要があるため、
鋼球サイズが変わる毎に鋼球５４の欠陥検出に対する感
度調整を行わなければならないという問題点があった。
すなわち、鋼球の欠陥に対して許容できる大きさは鋼球
サイズに応じて異なり、鋼球サイズの小さな鋼球５４に
対しては傷等の許容欠陥サイズを小さく設定する必要が
ある一方、鋼球サイズの大きな鋼球５４に対してはその
許容欠陥サイズは鋼球サイズに応じて大きく設定しても
良い。そこで、従来においては歩留りの低下等を防止す
るため、鋼球サイズに応じた許容欠陥サイズを設定すべ
く鋼球サイズに応じた感度調整を行っていた。したがっ
て、上記第１の従来例においては、光電変換素子の受光
量を電気信号に変換する感度のバラツキの平衡化調整や
その点検を鋼球サイズ毎に行う必要があり、装置のセッ
ティングに非常に手間がかかるという問題点があった。

【０００７】また、表面性状における欠陥の検出分解能
を高めるためには、個々の受光素子５２の視野が狭くな
るように該受光素子５２をできるだけ鋼球５４の表面に
近付ける必要があるため、上記第１の従来例において鋼
球サイズに適合した複数の円周アレイ５３を予め用意し
ておく必要があるという問題点があった。すなわち、円
周アレイ５３を鋼球５４の表面にできるだけ近付けて該
鋼球５４の表面性状を高精度に検査するためには、鋼球
サイズに応じてピッチ円直径の異なる複数種の円周アレ
イ５３を製作し、該鋼球サイズに応じた所望の円周アレ
イ５３を選択して装置のセッティング等を行わなければ
ならず、測定準備に手間がかかるという問題点があっ
た。

【０００８】一方、第２の従来例においては、撮像光学
系によって検査すべき鋼球の面間距離（鋼球５４とレン
ズ５７との第１の面間距離ａ及び凸レンズ５７と光電変
換素子５８との第２の面間距離ｂ）及び像の倍率（ｂ／
ａ）が決定されるので、大きさの異なる鋼球５４に対し
第１の面間距離ａ及び第２の面間距離ｂとの相対距離が
常に同一となるように調整することは比較的容易ではあ
るが、鋼球５４の表面を一様に照明して均一な明るさの
像を得ることは困難である。すなわち、鋼球５４の表面
に照明光が照射されても照明光の中心部とその周縁部と
では鋼球５４の表面に入射した後に該表面から反射する
角度が大きく異なるため、周縁部の反射光がレンズ５７
に入光し難くなり均一な明るさの像を得ることはできな
い。このため、図１３の二点鎖線に示すように、照明光
の光路上に拡散ガラス５９を設けて多方向から鋼球５４
の表面を照射し、その反射光をあらゆる方向に散乱させ
て光電変換素子５８に結像させることが考えられる。し
かしながら、上記拡散ガラス５９を設けた場合は照明光
が鋼球表面の広い範囲に亙って拡散されるため、凸レン
ズ５７の集光性が悪く、実質上広い範囲での鋼球表面を
検査するのは困難であるという問題点があった。

【０００９】また、表面性状における欠陥の検出分解能
を鋼球サイズに対応して変えるためには鋼球サイズに応
じた凸レンズ５７を使用する必要があり、したがって鋼
球サイズに応じて凸レンズ５７のレンズ交換を行わなけ
ればならないという問題点があった。

【００１０】本発明はこのような問題点に鑑みなされた
ものであって、鋼球サイズに応じて光学系を変更するこ
となく、被検査球体の表面性状を高精度に検査すること
ができる球体表面検査装置を提供することを目的とす
る。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、被検査球体の表面を照射する光源と、前記
被検査球体の表面から反射した反射光を集光する集光手
段と、該集光手段の光量を検出する光量検出手段と、該
光量検出手段により検出された検出値に基づいて前記被
検査球体の表面性状を判定する表面性状判定手段とを備
えた球体表面検査装置において、前記光源からの射出光
が透過すると共に前記集光手段により集光された反射光
を前記光量変換手段に入射される光路分別手段と、前記
光量検出手段の受光領域を所定領域内に設定する受光領
域設定手段とを備え、前記被検査球体が、前記集光手段
の像空間領域における光軸上の所定位置に配設されてい
ることを特徴としている。

【００１２】

【作用】上記構成によれば、光源からの射出光は光路分
別手段及び集光手段を経て被検査球体に入射される。そ
して、被検査球体に入射された射出光は反射光となって
逆進し、集光手段を透過した後光路分別手段で偏光し、
光量変換手段に受光される。そして、該光量検出手段に
より検出された検出値に基づいて被検査球体の表面性状
が判定される。また、光量変換手段に受光される受光領
域は受光領域設定手段により設定される。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて詳説
する。

【００１４】図１は本発明に係る球体表面検査装置の一
実施例を模式的に示した全体構成図であって、該球体表
面検査装置は、例えば７８０ｎｍの単波長を有するレー
ザ光を発して被検査球体である鋼球２の表面を照射する
レーザダイオード（光源）１と、該レーザダイオード１
からの射出光が透過すると共に鋼球表面からの反射光を
集光する集光レンズ３と、レーザダイオード１からの射
出光を透過すると共に集光レンズ３により集光された放
射光束（鋼球表面からの反射光）を反射させるビームス
プリッタ４と、該ビームスプリッタ４に反射された放射
光束をフィルタリングするフィルタ５と、該フィルタ５
を透過した光を受光するフォトダイオード６と、該フォ
トダイオード６に受光される受光領域を設定する受光領
域設定部７とを備えている。また、本実施例において
は、鋼球２の中心は実線に示すように集光レンズ３の像
側焦点Ｆと一致するように設定されており、鋼球２は矢
印Ａ方向にスキュー回転可能とされている。

【００１５】このように構成された球体表面装置におい
ては、レーザダイオード１からのレーザー光束はビーム
スプリッタ４を透過し、集光レンズ３を経て鋼球２の中
心に向かって絞り込まれる。すなわち、レーザー光束
は、図２に示すように、鋼球２の中心Ｃに向かって絞り
込まれるため鋼球２の表面に対しては垂直に入射する。
そして、入射したレーザ光束は入射光路をそのまま逆進
して反射光となり、次いで、該反射光は集光レンズ３を
透過してビームスプリッタ４で偏光される。次いで、ビ
ームスプリッタ４で偏光された放射光束（反射光）のう
ち、レーザー光の波長（本実施例の場合は７８０ｎｍ）
近傍の波長を有する光がフィルタ５により選択的に通過
し、次いで受光領域設定部７を通過した反射光束のみが
フォトダイオード６に受光される。尚、レーザダイオー
ド１は放射光量が変動しないようにレーザ光束の放射光
量を常に検知してフィードバック制御を行っている。

【００１６】受光量設定部７は、図３に示すように、鋼
球２の回転による反射光のパターンの移動方向（矢印Ｂ
で示す）に対して水平方向にスリット８が設けられてい
る。

【００１７】しかして、レーザ光束の放射光束は反射光
暗部９と反射光明部１０とからなる断面楕円形状を有し
ており、スリット８の長径と幅は具体的には以下の如く
決定される。すなわち、スリット８の代わりにスクリー
ンを設置し、傷のある鋼球の回転を止めたときスクリー
ン上には図４に示すような縞状パターンが得られる。反
射光明部１０の円弧状の縞はレーザー光束の収差及び集
光レンズ３の種々の収差に起因して生ずる。そこで、こ
れらの縞状パターンに受光領域が重なるのを回避すべ
く、スリット８の長径寸法は破線のように円弧状の縞を
除外して決定される。このようにスリット８を有する受
光量設定部７を設けることにより、欠陥等による光量変
化を敏感に検出して感度を向上させることができる。ま
た、これにより放射光束が受光量設定部７で絞り込まれ
ることとなり、フォトダイオード６は光強度が略均一と
見做せる放射光束を受光することができる。そして、ス
リット８の位置に鋼球２の傷が重なるとフォトダイオー
ド６上には傷に相当する略円状パターンの暗部２０が形
成され、該暗部２０に相当する光量だけスリット８の通
過光量が減少する。したがって、受光量がフォトダイオ
ード６で電気信号に光電変換された場合、例えば正常値
に対して１０％以上の電圧低下が生じたときに欠陥有り
と判定することができる。すなわち鋼球２が回転する
と、矢印Ｂ方向に傷による略円状パターンの暗部２０が
移動するので、図５に示すような信号波形が得られ、正
常時を１００％としたときに電圧値が例えば９０％に低
下したときは欠陥有りと判定することができる。

【００１８】このように上記球体表面検査装置において
は、鋼球２が、集光レンズ３の像空間領域における光軸
上の所定位置、例えば像側焦点Ｆに配設されているの
で、鋼球サイズとは無関係に集光レンズ３に対する立体
角αが一定となり、鋼球サイズが集光レンズ３の近接位
置に達する程度の大径の鋼球から微小径の鋼球までの鋼
球サイズの異なる広範囲の鋼球に対して鋼球表面の欠陥
有無を検査することができる。すなわち、従来のように
複数の円周アレイ５３（図１１参照）を準備したり、或
いは鋼球サイズに応じて凸レンズ５７を交換する必要も
なく、鋼球表面の欠陥有無を検査することができる。

【００１９】また、鋼球２の位置についてはレーザダイ
オード１と集光レンズ３とを結ぶ光軸上であって集光レ
ンズ３の像空間領域、具体的には鋼球２の中心が像側焦
点Ｆの近傍域に配設されていればよい。例えば、図１の
二点鎖線に示すように、鋼球２′を像側焦点Ｆと集光レ
ンズ３の間に配設してもよい。この場合には集光レンズ
３に対する立体角α′は前記立体角αより大きくなるた
め鋼球表面からの反射光のうち集光レンズ３の周縁部近
傍から入射した光に対応する反射光は集光レンズ３の外
方に向かって進み、集光レンズ３には入光しない。した
がって、レンズ収差等による縞状パターンはスリット８
の外側へ遠ざかる結果となり、検査し得る視野は狭くな
るもののフォトダイオード６に受光された光は全体とし
て円滑な放射光束が得られる。すなわち、鋼球２を上述
した像側焦点Ｆに配設した場合（図１の実線で示す鋼球
２）はフォトダイオード６の受光面に鮮明な像が形成さ
れるが、スキュー回転させたときに像が躍るためこれに
起因してスリット８内に入った縞パターンによって欠陥
が有ると判定されることがあるのに対し、二点鎖線に示
すように鋼球２′を像側焦点Ｆと集光レンズ３との間に
配設した場合はかかる不具合が生ぜず、しかも光学系周
縁部の影響を受けることがなく、鋼球サイズの小さな鋼
球２′に対しては好都合となる。

【００２０】また、図１の破線に示すように鋼球２″を
像側焦点Ｆの外方に配設してもよい。この場合において
は集光レンズ３に対する立体角α″が前記立体角αより
小さくなり観察面の視野は広くなるが、反射光が交叉す
るようになるためレンズ収差による縞状パターンをも拾
ってしまう。しかしながら、これに対しては、縞状パタ
ーンを排除するようにスリット８で領域を絞ることによ
り、縞状パターンによる検査精度の悪化を回避すること
ができる。

【００２１】尚、上述したように鋼球２，２′，２″の
位置については像側焦点Ｆの内側又は外側のいずれでも
よいが、スリット８による複雑な受光領域の調整を行う
ことなく上述した縞状パターンに起因する誤検知等を防
止するためには、図１の実線に示す鋼球２と二点鎖線に
示す鋼球２′の間に配設するのが好ましく、具体的には
像側焦点Ｆの位置からレンズ側に向けて鋼球サイズの２
０〜３０％に相当する距離範囲で、適宜位置を決め鋼球
を配するのが好ましい。

【００２２】図６は球体表面検査装置の他の実施例（第
２の実施例）であって、ビームスプリッタ４として偏光
ビームスプリッタを使用し、さらに集光レンズ３と鋼球
２との間に１／４波長板１２を介在させている。すなわ
ち、１／４波長板１２を往復通過させて位相を１／２波
長（位相換算で１８０°）だけ偏位させることにより、
レーザダイオード１から射出される所定単波長（７８０
ｎｍ）の直線偏光の方向に交叉する直線偏光となってビ
ームスプリッタ４でフォトダイオード６の方向に反射さ
れるので、レーザ光のパワーを有効に利用でき、したが
って信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が改善される。

【００２３】図７は球体表面検査装置のさらに別の実施
例（第３の実施例）であって、一対の組み合わせレンズ
（第１及び第２の組み合わせレンズ１３、１４）をレー
ザダイオード１とビームスプリッタ４との間、及びビー
ムスプリッタ４と鋼球２との間に夫々配設すると共に、
光電変換素子として横に細長いフォトダイオード１５を
設け、さらに図８に示すように、フォトダイオード１５
の表面にはフォトダイオードの表面部と略同等の領域を
有する受光部１６が設けている。また、本第３の実施例
では鋼球２の中心は第２の組み合わせレンズ１４の像側
焦点Ｆに配設されている。

【００２４】上記第３の実施例においては、組合せレン
ズ１３，１４によって収差の補正を行うとともに焦点距
離を短くでき、結果として収差が小さく且つ焦点距離
（Ｆ値）の大きいレンズとなり、鋼球２の有効な立体角
αを大きくとることができる。すなわち、レーザダイオ
ード１からのレーザー光束は第１の組み合わせレンズ１
３を通過して平行光束となりビームスプリッタ４を透過
する。このように第１の組み合わせレンズ１３によりレ
ーザ光束は平行光束となるので、光学系周縁部の収差に
よる影響を少なくすることができ、有効視野を広くする
ことができる。そして、ビームスプリッタ４を透過した
レーザ光束は第２の組み合わせレンズ１４を透過して像
側焦点Ｆに集光され、その反射光は入射光路を逆進して
再び第２の組み合わせレンズ１４を透過して平行光束と
なりビームスプリッタ４で反射され、フィルタ５を経て
フォトダイオード１５に受光される。このように第２の
組み合わせレンズ１４により反射光が平行光束となるの
で、第１の組み合わせレンズ１３と同様、有効視野を広
くすることができ、また光学系周縁部の収差による影響
を少なくすることができる。したがって、受光領域を広
くすることができ、有効視野をより広くして鋼球の表面
性状を検査することができる。例えば、本第３の実施例
ではレーザー光束による楕円形の反射光明部１０（図
３、図４参照）の長径にほぼ等しい幅が視野として使用
可能となり、鋼球のスキューを大きくして少ない回転数
で鋼球全面を検査することができる。

【００２５】このように本第３の実施例では上記第１及
び第２の組み合わせレンズ１３、１４を使用することに
より、視野の立体角を大きく且つレーザー光束の収差及
びレンズ収差の影響をできるだけ少なくすることができ
る。これにより、縞状パターン（図４参照）に影響され
ない幅広い視野を獲得することができ、したがって鋼球
のスキューを大きくすれば少ない回転軸で迅速に鋼球全
面を検査できる。

【００２６】以上詳述したことから明らかなように、本
発明の光学系は必ずしも完全な結像系である必要はない
が、鋼球２を回転させながらその表面を検査する場合、
鋼球２の動きに伴って縞状パターンがスリット内に入っ
たり出たりするのは誤検査の原因になるので、 （１）スリット８により縞パターンを制限する（図１） （２）鋼球をレンズ３方向に少し近づけて縞パターンを
レンズの外方方向に排除する（図１の二点鎖線） （３）光学系の収差をなくして縞状パターンを発生しな
いようにする（図７）など適宜選択する等の方策を採る
のが好ましい。

【００２７】さらに、本発明は上記実施例に限定される
ものではなく、例えば図９に示すように、１素子（１画
素）に対し一対のリード線１８、１９を有する複数のフ
ォトダイオード１７…を連設し、これら個々のフォトダ
イオードに対し、光電変換された電気信号を図１０
（ａ）に示すように空間的積分（加算）をしたり、図１
０（ｂ）に示すように空間的微分（差分）をし、これら
複数のフォトダイオードを組み合わせた信号を出力する
ことにより検出分解能をより一層向上させることがで
き、高感度化が可能となる。

【００２８】

【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、被
検査球体の被検査領域が球体サイズとは無関係に一定の
立体角となるため、鋼球のサイズに応じて光学系を変更
する必要がなく、かつ、鋼球径に比例した検出分解能を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る球体表面検査装置の一実施例を模
式的に示した概念図である。

【図２】レーザ光が球体表面に入射する状態を示した図
である。

【図３】レーザ光束がフォトダイオードに受光されたと
きの様子を示す図である。

【図４】スリットの長さと幅の決定手法を説明するため
の図である。

【図５】球体表面の正常時と異常時（欠陥有り時）のフ
ォトダイオードの出力電圧の変動状態を示す図である。

【図６】本発明に係る球体表面検査装置の第２の実施例
を模式的に示した概念図である。

【図７】本発明に係る球体表面検査装置の第３の実施例
を模式的に示した概念図である。

【図８】第３の実施例に使用されるフォトダイオードの
平面図である。

【図９】フォトダイオードが複数連設された状態を示す
図である。

【図１０】個々のフォトダイオードの出力電圧を空間的
積分、又は空間的微分するときの電気回路図である。

【図１１】球体表面検査装置の第１の従来例を模式的に
示す要部概念図である。

【図１２】図１１のＸ矢視図である。

【図１３】球体表面検査装置の第２の従来例を模式的に
示す要部概念図である。

【符号の説明】

１ レーザダイオード（光源） ２、２′、２″ 鋼球（被検査球体） ３ 凸レンズ（集光手段） ４ ビームスプリッタ（光路分別手段） ６ フォトダイオード（光量検出手段） ７ 受光量設定部（受光領域設定手段） １５ フォトダイオード（光量検出手段）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検査球体の表面を照射する光源と、前
   記被検査球体の表面から反射した反射光を集光する集光
   手段と、該集光手段の光量を検出する光量検出手段と、
   該光量検出手段により検出された検出値に基づいて前記
   被検査球体の表面性状を判定する表面性状判定手段とを
   備えた球体表面検査装置において、 前記光源からの射出光が透過すると共に前記集光手段に
   より集光された反射光を前記光量変換手段に入射させる
   光路分別手段と、前記光量検出手段の受光領域を所定領
   域内に設定する受光領域設定手段とを備え、 前記被検査球体が、前記集光手段の像空間領域における
   光軸上の所定位置に配設されていることを特徴とする球
   体表面検査装置。