WO2023112809A1 - 表面検査方法および表面検査装置 - Google Patents

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light
screen
spherical surface
sphere
annular
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English (en)
French (fr)
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凡輝 孟
哲也 豊内
重信 丸山
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Hitachi Construction Machinery Co Ltd
Original Assignee
Hitachi Construction Machinery Co Ltd
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined

Definitions

  • the present invention relates to a surface inspection method and surface inspection apparatus for inspecting the surface condition of a spherical surface.
  • Spherical parts made of metals and ceramics are widely used in rotating mechanisms and sliding parts of industrial machinery, transportation machinery, and precision equipment. is required.
  • steel balls for ball bearings are required to have high dimensional accuracy, such as sphericity of 0.5 ⁇ m or less and surface roughness Ra of 0.040 ⁇ m or less, as one of the general standards. Therefore, a precise surface inspection is essential. For this reason, various inspection methods and inspection apparatuses have conventionally been proposed for industrial spherical parts.
  • Patent Literature 1 describes a surface inspection apparatus that simultaneously rotates a sphere and a laser beam axis while irradiating a sphere to be inspected with a laser beam, detects the amount of reflected light from the sphere, and inspects the surface of the sphere. It is
  • Patent Document 2 describes a method for inspecting the surface of a cylindrical component, although it is not a spherical surface.
  • the magic mirror principle is used to irradiate the surface of a cylindrical part with a sheet of irradiation light having a predetermined width and a predetermined thickness, and the reflected light from the surface of the cylindrical part is projected onto a screen. , the surface condition of the cylindrical part is inspected by observing the optical image formed on the screen.
  • the reflection angle on the spherical surface changes depending on the position where the light is irradiated and the incident angle of the irradiated light.
  • a sphere is an object to be inspected
  • light emitted from the focal point A of the ellipse is applied to one point on the spherical surface arranged at the position of the other focal point B of the ellipse.
  • the angle of reflection of light at the focal point B is not uniform, the spherical surface could not be inspected with the same sensitivity.
  • the illumination light is applied only to one point (focus B) on the spherical surface, the spherical surface cannot be inspected collectively.
  • Patent Document 2 discloses a method for inspecting the surface of a cylindrical component, but does not disclose a method for inspecting the surface of a spherical surface.
  • the present invention proposes a technique for collectively inspecting spherical surfaces with the same sensitivity.
  • one representative surface inspection method of the present invention is to irradiate a spherical surface of an inspection object having a spherical surface with light using a light irradiation device, and reflect light reflected by the spherical surface.
  • a surface inspection method in which an optical image is formed by projecting light onto a screen and the surface condition of a spherical surface is inspected based on the brightness of the optical image.
  • This surface inspection method comprises irradiating a spherical surface with circular light shaped so that the optical axis passes through the center of the spherical surface, and projecting the reflected light reflected by the spherical surface onto the concave surface of the screen to be illuminated.
  • FIG. 1 is a side view showing the configuration of the surface inspection apparatus of Example 1.
  • FIG. 1 is a front view showing the configuration of the surface inspection apparatus of Example 1.
  • FIG. 2 is a side view showing an illumination state of the sphere of the surface inspection apparatus of Embodiment 1;
  • FIG. 4 is a perspective view showing an illumination state of the sphere of the surface inspection apparatus of Embodiment 1;
  • FIG. 2 is a front view showing an illumination state of a sphere of the surface inspection apparatus of Embodiment 1;
  • FIG. 2 is a side view showing the configuration of the rotation mechanism of the surface inspection apparatus of Embodiment 1;
  • the schematic diagram of the optical image acquired with the line sensor camera The figure which shows the optical path of the reflected light from the concave defect of a spherical surface.
  • FIG. 11 is a perspective view showing an illumination state of a sphere of a modified example of the surface inspection apparatus according to the second embodiment;
  • FIG. 1 is a side view showing the configuration of the surface inspection apparatus of Example 1
  • FIG. 2 is a front view showing the configuration of the surface inspection apparatus of Example 1.
  • FIG. The surface inspection apparatus 1 irradiates the spherical surface of the sphere 100 with light, and the reflected light reflected by the spherical surface is applied to a screen having an annular and strip-shaped illuminated surface (hereinafter, this embodiment, and embodiments 3, 6, and 10 to be described later). 7) is projected onto 105 to form an optical image. Then, the surface inspection apparatus 1 inspects the surface condition of the spherical surface based on the brightness of the optical image.
  • the surface inspection apparatus 1 includes a light irradiation device 50 that irradiates the sphere 100 with light.
  • the light irradiation device 50 includes a light generation device (including a laser oscillator that generates laser light in this embodiment) 101 that generates parallel light, a beam expander 102, an axicon lens 103, and an optical system that includes an axicon lens 104. a device 51; Further, the surface inspection apparatus 1 includes an annular screen 105, a line sensor camera 106, a lens 107, a line sensor camera 108, a lens 109, an image processing device 113, a determination device 114, and a holding device 115 for the sphere 100 (see FIG. 6). , provided.
  • At least one of the axicon lens 103 and the axicon lens 104 is movable in the Y-axis direction, and the distance (distance between the axicon lenses) a between the axicon lens 103 and the axicon lens 104 is set to an arbitrary distance. be able to. That is, the optical device 51 has a configuration capable of adjusting the distance between the axicon lens 103 and the axicon lens 104 . Also, the line sensor cameras 106 and 108 are held by a holding mechanism (not shown) and made variable in the Y-axis direction.
  • the surface inspection apparatus 1 also has a controller (not shown) that controls the operations of the above-described devices and mechanisms.
  • the inspection object is the sphere 100, but the inspection object need not be a sphere as long as it has a spherical surface.
  • the test object may be a piston.
  • An example of rotating the piston is described in detail in Example 6.
  • the material of the sphere 100 does not matter as long as it is a material having a predetermined reflectance, such as metal, ceramics, or wood.
  • the laser oscillator 101 constitutes a light generation device 101 that generates parallel light (hereinafter, a case where the light generation device is a laser oscillator will be described).
  • a laser oscillator 101 outputs a parallel beam 10 having a wavelength of 670 nm and a beam diameter of 0.48 mm.
  • the parallel beam 10 is parallel light parallel to the optical axis 10a. Parallel light refers to light in which every ray in the beam is parallel to the other ray.
  • the output of the laser oscillator 101 is, for example, about 1 mW.
  • the parallel beam 10 has a single mode, the intensity distribution of the output beam is a Gaussian distribution, and the 1/ e2 diameter is the beam diameter.
  • the beam diameter is the width of the intensity when the peak intensity drops to 1/e 2 (13.6%).
  • the parallel beam 10 is expanded to have a beam diameter t0 through a beam expander 102.
  • t0 1 mm.
  • the axicon lenses 103 and 104 which are the optical device 51, are conical prism lenses and have the same shape and the same material. Also, the optical axis 10a passes through the vertices of the cones of the axicon lenses 103 and 104 and the vertices of the cones face each other.
  • the parallel beam 10 enters from the flat side of the axicon lens 103 and exits from the conical surface, the parallel beam 10 is refracted at the ridgeline of the cone and directed toward the optical axis 10a. After the parallel beam 10 crosses the optical axis 10a, the parallel beam 10 becomes an annular beam (annular light).
  • the outer diameter of the annular beam increases as the irradiation distance from the axicon lens 103 increases, but the thickness of the annular ring remains constant. This beam characteristic is close to the characteristics of the Bessel beam, and the beam intensity forming the ring is constant regardless of the irradiation distance.
  • the toric beam is then incident on the conical surface of the axicon lens 104 . At this time, since the prism angle ⁇ of the axicon lens 104 is the same as that of the axicon lens 103, the circular beam is refracted by the ridgeline of the cone, and the optical path of the circular beam becomes parallel to the optical axis 10a again.
  • the annular beam parallel to the optical axis 10a is hereinafter referred to as an annular beam 10b.
  • the annular beam 10b has an annular shape centered on the optical axis 10a, and the optical axis 10a passes through the center O of the sphere 100. FIG. Therefore, the annular beam 10b is irradiated on the spherical surface of the sphere 100 at the same angle of incidence.
  • the angle of incidence refers to the angle between the optical axis 10a of the annular beam 10b and the normal to the spherical surface of the sphere 100 irradiated with the annular beam 10b.
  • the angle of incidence of the annular illumination region 110 of the sphere 100 is given by equation (7)' described later. , at substantially the same angle of incidence.
  • the thickness t1 of the annular beam 10b formed in this embodiment will be described.
  • the thickness t1 of the annular beam 10b after passing through the axicon lens 104 is also constant regardless of the irradiation distance from the axicon lens 104.
  • the outer diameter dr of the annular beam 10b can be obtained from Equation (1).
  • dr 2a ⁇ tan((n ⁇ 1) ⁇ )) (1)
  • the outer diameter dr can be adjusted by adjusting the distance a between the axicon lenses.
  • the spherical illumination area 110 of the sphere 100 is indicated by diagonal hatching. The illumination area 110 can be arbitrarily changed by adjusting the outer diameter dr.
  • FIG. 1 The annular beam 10 b is reflected by the spherical surface of the sphere 100 , travels radially around the point O′ on the optical axis 10 a and is projected onto the annular screen 105 .
  • the annular screen 105 is a screen configured such that the surface to be irradiated with reflected light (on the side of the optical axis 10a in this embodiment) is concave.
  • the annular screen 105 of Example 1 is an annular screen arranged along the circumferential direction of a circle centered on the optical axis 10a.
  • FIG. 3 is a side view showing an illumination state of the sphere.
  • the annular screen 105 has a hollow cylindrical shape with a radius L0 and a width W in the Y-axis direction. Also, the cylindrical axis of the annular screen 105 coincides with the optical axis 10a.
  • the ring-shaped screen 105 is installed at a position separated from the center O of the sphere 100 toward the laser oscillator 101 by a distance u0.
  • the reflected light is projected onto the annular screen 105 having a concave surface on the optical axis 10a side, but the screen may not be annular.
  • the annular screen 105 may have a concave surface on the optical axis 10a side, and may have a hemispherical shape.
  • annular screen 105 As shown in FIG. 2, an optical image formed by reflected light projected onto annular screen 105 is scanned in the circumferential direction of annular screen 105 by line sensor cameras 106 and 108 via lenses 107 and 109. , is observed.
  • the line sensor cameras 106 and 108 are arranged on the same side of the rotation axis 11 on the XZ plane as shown in FIG. 2, the visual field range 111 in the circumferential direction of the annular screen 105 including the line sensor cameras 106 and 108 is at least 180° from 0° to (90°) to 180° of the annular screen 105. Covers a range of minutes.
  • the line sensor cameras 106 and 108 when the sphere 100 is rotated once about the rotation axis 11 , the line sensor cameras 106 and 108 also cover the axially symmetrical area of the circumferential viewing range 111 on the annular screen 105 . Therefore, 360° in the circumferential direction on the ring-shaped screen 105 can be accommodated within the combined field of view of the line sensor cameras 106 and 108 . Thereby, the entire illumination area 110 of the sphere 100 can be observed.
  • the observation optical axes 12a and 12b of the line sensor camera 106 and the line sensor camera 108 are arranged so as to pass through the optical axis 10a, and as shown in FIG. are arranged to intersect at a position of 135°.
  • the lens 107 and the line sensor camera 106 are arranged coaxially, and similarly, the lens 109 and the line sensor camera 108 are arranged coaxially.
  • the line sensor cameras 106 and 108 are arranged so as to image the outside of the annular screen 105, but at least one of the line sensor cameras 106 and 108 may be arranged so as to image the inside of the annular screen 105. good.
  • the relationship between the outer diameter dr of the annular beam 10b and the radius r of the sphere 100 and the relationship between the outer diameter dr and the distance a between the axicon lenses in this embodiment will be described with reference to FIG.
  • the two intersections of the sphere 100 and the rotation axis 11 are vertexes T and T', respectively.
  • the angle TOA is set to 45° in this embodiment.
  • the parallel light irradiated to point A is reflected in a direction perpendicular to the optical axis 10 a and projected onto point A' on the annular screen 105 .
  • the light irradiated to the point C on the spherical surface of the sphere 100 is reflected in the direction perpendicular to the optical axis 10a and projected onto the point C' on the annular screen 105, like the reflected light from the point A. .
  • the reflected light from the spherical surface of the sphere 100 may reflect in a direction approaching the rotation axis 11 and interfere with the holding device 115 .
  • FIG. 4 is a perspective view of FIG.
  • the inspection area 112 of the sphere 100 of this embodiment will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
  • FIG. 4(a) an illumination area 110 of the annular beam 10b irradiated onto the surface of the sphere 100 is indicated by diagonal hatching. Further, when the sphere 100 is rotated once around the rotation axis 11, the surface area of the sphere 100 passing through the illumination area 110 becomes the area indicated by diagonal hatching in FIG. 4(b).
  • a hatched area in FIG. 4B is called an inspection area 112 .
  • the ratio S of the inspection area 112 to the entire surface of the sphere 100 is obtained by Equation (2) using the radius r of the sphere 100 and the outer diameter dr of the annular beam 10b.
  • the inspection area 112 will be about 70% of the entire surface of the sphere 100 regardless of the radius r of the sphere 100. I understand.
  • the outer diameter dr of the annular beam 10b can be adjusted by the distance a between the axicon lenses according to the equation (1).
  • Observation optical axes 12a and 12b of line sensor cameras 106 and 108 are within a belt-like range surrounded by a circle passing through points A' and C' and a circle passing through points B' and D' on annular screen 105. fits in.
  • the line sensor cameras 106 and 108 are moved in the Y-axis direction so that the observation optical axes 12a and 12b are within the band-shaped range.
  • the same inspection apparatus can inspect the spherical surface.
  • a certain percentage of the entire surface of the sphere 100 can be inspected.
  • FIG. 3 shows the optical path on the YZ plane of the reflected light reflected from the spherical surface of the spherical body 100 irradiated with the annular beam 10b.
  • the spherical surface of the sphere 100 enlarges the annular screen in the width direction, that is, on the YZ plane.
  • the magnification M_YZ is given by equation (4).
  • M_YZ dA'B'/dAB (4)
  • dAB and dA'B' are obtained from equations (5) and (6), respectively.
  • dAB ⁇ r (5)
  • dA′B′ r ⁇ (sin(45°+ ⁇ ) ⁇ sin(45°)) + (L0 ⁇ r ⁇ cos(45°+ ⁇ )) ⁇ tan2 ⁇ (6)
  • the angle ⁇ of the arc AB can be obtained from the thickness t1 of the annular beam 10b by Equation (7).
  • t1 r ⁇ (cos45° ⁇ cos(45°+ ⁇ )) (7)
  • the trigonometric function in equation (7) can be converted to equation (7)' by Taylor expansion and ignoring terms of second order or higher.
  • r 15 mm
  • t1 0.502 mm
  • L0 50 mm
  • the angle of incidence of the annular beam 10b on the illumination area 110 ranges from 42.3° to 45°
  • the angle of incidence of the reflected light from the point B on the annular screen 105 is 5.4°. Reflected light is vertically incident on the point A'.
  • the reflected light obliquely enters at an incident angle of 5.4°, and the brightness is lower than that at the point A'.
  • FIG. 5 shows the optical path in the XZ plane of part of the reflected light reflected from the spherical surface of the spherical body 100 irradiated with the annular beam 10b.
  • Light striking the outer ring of the annular beam is directed to points P and Q, and reflected light reflected from points P and Q is radially reflected around point O' on optical axis 10a, and is projected onto annular screen 105. are projected to points P' and Q' of .
  • the enlargement magnification M_XZ in the circumferential direction of the annular screen 105 by the spherical surface of the sphere 100, that is, on the XZ plane, is the ratio of the distance from the point O' to the point P and the distance from the point O' to the point P'. equal.
  • the distance r1 between O'P is r ⁇ cos 45°
  • the distance between O'P' is L0
  • M_XZ is given by equation (8).
  • M_XZ 1.414 ⁇ L0/r (8)
  • the line scan rate f of the line sensor cameras 106 and 108 it is possible to inspect the optical image at a magnification corresponding to the magnification of the optical image in the width direction of the annular screen 105.
  • FIG. If the rotation time per rotation of the sphere 100 is set to T, the minimum value of the scan rate f of the line sensor cameras 106 and 108 is calculated from equation (9).
  • the radius r of the sphere 100, the radius L0 of the ring-shaped screen 105, the magnification M, and the pixel size c on the ring-shaped screen 105 for one pixel of the line sensor cameras 106 and 108 are assumed.
  • the line sensor cameras 106 and 108 must be driven at a scan rate f of 1882 Hz or higher.
  • the pixel dimension c is assumed to be constant regardless of the observation position of the annular screen 105, and is calculated.
  • the holding device 115 is a device that holds the sphere 100 so as to have a configuration that allows the sphere 100 to rotate around the rotating shaft 11 .
  • the holding device 115 rotates the sphere 100 around a rotation axis 11 passing through the center of the sphere 100 and perpendicular to the optical axis 10a.
  • the holding device 115 has a holder 116 that holds the sphere 100 and a rotation mechanism (for example, a rotation stage) 117 that rotates the holder 116 around the rotation shaft 11 .
  • Retainer 116 is a hollow cylinder.
  • the outer diameter dc of the retainer 116 satisfies the condition of dc/2 ⁇ r ⁇ sin45°. This is because the retainer 116 interferes with the annular beam 10b.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of an optical image acquired by the line sensor camera 106.
  • the vertical axis of the optical image in FIG. 7 is the rotation axis direction of the sphere 100 from the vertex T to the vertex T', and the horizontal axis indicates the rotation direction of the sphere 100. As shown in FIG. FIG. FIG.
  • the optical image is magnified 4.71 times in the sphere rotation axis direction and 5.99 times in the sphere rotation direction.
  • Images 31 and 32 shown in FIG. 7 are extracted by the image processing device 113, and defect information such as defect coordinates and defect dimensions are recorded in a storage means (not shown).
  • the image processing device 113 outputs defect information such as defect coordinates and defect dimensions based on the brightness of the images acquired by the line sensor cameras 106 and 108 .
  • This image processing device 113 functions as a detection device for detecting defects on the surface of the sphere 100 .
  • the determination device 114 determines whether or not there is a defect based on the defect dimensions (defect size, defect depth) stored in storage means (not shown). For example, the determination device 114 determines that there is a defect and that the inspection object is defective if there is a defect of a size greater than or equal to a predetermined size or a depth of a defect greater than or equal to a predetermined depth. In addition, the determination device 114 can output information indicating whether the inspection target is good or bad, information indicating the dimensions and depth of defects in the inspection target, and the like to a display unit or the like.
  • the image processing device 113 and the determination device 114 constitute an inspection processing device that performs surface inspection processing of the sphere 100 . This inspection processing device may be mounted, for example, in a controller (not shown) that controls the operation of the entire surface inspection device 1, or may be provided as a separate information processing device.
  • FIG. 8(a) shows the light condensing effect when light is irradiated to the recessed defect 41.
  • FIG. The reflected light from the concave defect 41 is bright in the vicinity of the focal point because the rays are condensed.
  • a focal length F of a concave mirror having a depth d and a width Ld is given by Equation (10).
  • F Ld 2 /8d (10)
  • I(L1) indicates the brightness on the magic mirror image, and the larger I(L1) is, the brighter the condensing part and the higher the sensitivity to defects.
  • spot-like random noise occurs on the annular screen 105 . 2 ⁇ of this speckle intensity is defined as ⁇ N% of the average brightness of the optical image on the annular screen 105 .
  • a guideline for separating the speckle from the condensing effect originating from the defect it is possible to detect when the brightness of the condensing part due to the defect becomes about (1+N/100) times that of the surroundings. .
  • 2 ⁇ of the speckle intensity is estimated as ⁇ 50%.
  • the screen-to-screen distance L1 is known.
  • AA′ in FIG. 3 corresponds to the distance from the defect to the screen, for example.
  • the distance AA' can be obtained from the radius L0 of the annular screen 105 and the radius r of the sphere 100 from equation (15).
  • AA′ L0 ⁇ r ⁇ cos45° (15)
  • the range of the focal length F of the sensitive defect becomes the equation (16).
  • F 16.34 mm (range detected as a dark spot), 21.64 mm ⁇ F ⁇ 214.1 mm (range detected as bright spot) (16)
  • F 31.25 mm, which is detected as a bright spot by the apparatus of this embodiment.
  • the sphere 100 is irradiated with an annular beam 10b, the reflected light from the spherical surface is projected onto an annular screen 105, and the surface of the annular screen 105 is observed to detect minute irregularities on the spherical surface with high sensitivity. can do.
  • (2) By irradiating the sphere 100 with an annular beam 10b having an annular thickness t1 so as to satisfy t1 ⁇ r with respect to the radius r of the sphere 100, the incident angle of the illumination light within the illumination area 110 is are substantially the same. Therefore, the inspection area 112 of the sphere 100 can be inspected with substantially the same sensitivity.
  • the outer diameter dr of the annular beam 10b can be adjusted. This allows spheres with different diameters to be inspected with the same inspection device.
  • the annular screen 105 is annular, all of the annular beam 10b reflected by the spherical surface can be projected onto the annular screen 105 . Moreover, since the light is projected onto the annular screen 105 having diffuse reflection characteristics, stable optical image observation is possible without depending on the reflection characteristics of the spherical body 100 .
  • the defect detection sensitivity can be increased by adjusting the radius L0 of the annular screen 105 .
  • the energy efficiency is better than by making it circular. Since the energy density of light is higher in a circular ring than in a circular ring, the spherical surface can be inspected with high sensitivity. (7) By projecting the light reflected by the spherical surface onto the annular screen 105 having a concave surface on the optical axis 10a side, the spherical surface can be inspected with the same sensitivity.
  • the outer diameter of the annular beam 10b is fixed regardless of the optical path length, and the outer diameter of the annular beam 10b is 0.707 times the diameter of the sphere 100, so that the annular beam 10b The beam 10b can be reflected in a direction perpendicular to the optical axis 10a.
  • the spherical surface of the spherical body 100 having a spherical surface is irradiated with light using the light irradiation device 50, and the reflected light reflected by the spherical surface is projected onto the annular screen 105 to form an optical image.
  • the parallel beam 10 is shaped into a circular ring around the optical axis 10a of the parallel beam 10 by the light irradiation device 50.
  • the beam 10b is projected onto a spherical surface so that the optical axis 10a passes through the center of the spherical surface, and the reflected light reflected by the spherical surface is projected onto the concave surface of the annular screen 105 to be irradiated.
  • the annular beam 10b is annular.
  • the outer diameter of the annular beam 10b is constant regardless of the optical path length, and is shaped so that the outer diameter is 0.707 times the diameter of a sphere having a spherical surface. .
  • the sphere 100 is held by the rotatable holding device 115 and rotated around the rotation axis 11 passing through the center of the spherical surface and perpendicular to the optical axis 10a.
  • the optical image projected onto the annular screen 105 is detected by the line sensor cameras 106 and 108, the radius of the sphere 100 having a spherical surface is r, and the distance between the optical axis 10a and the annular screen 105 is
  • L0 is the distance
  • c is the pixel size on the annular screen 105 for one pixel of the line sensor camera
  • T is the rotation time per rotation of the sphere
  • f is the scan rate of the line sensor cameras 106 and 108, then f ⁇ 2 ⁇ r.
  • the line sensor cameras 106 and 108 are driven under the condition satisfying xM/(Txc).
  • the surface inspection apparatus 1 of Example 1 includes a holding device 115 that holds a sphere 100 having a spherical surface, a light generating device 101 that generates parallel light, and a parallel beam 10 that is circularly formed around the optical axis 10a of the parallel beam 10.
  • the optical device 51 irradiates the annular beam 10b shaped to be circular onto the spherical surface so that the optical axis 10a passes through the center of the spherical surface, and the reflected light from the spherical surface is projected and reflected.
  • An annular screen 105 configured such that the surface to be illuminated with light is a concave surface, and an image processing device 113 that detects defects on the spherical surface based on the brightness of the optical image formed on the annular screen 105. , provided.
  • the optical device 51 includes an axicon lens 103 for shaping the parallel beam 10 into an annular shape, and an annular light beam formed in an annular shape in parallel with the optical axis 10a and in a predetermined direction. and an axicon lens 104 that is molded to a diameter of .
  • the optical device 51 has a configuration capable of adjusting the distance between the axicon lens 103 and the axicon lens 104 .
  • the holding device 115 has a configuration capable of rotating the spherical body 100 around the rotation axis 11 passing through the center of the spherical surface and perpendicular to the optical axis 10a.
  • Example 2 the surface inspection apparatus capable of inspecting the spherical surface with substantially the same sensitivity and inspecting with the same inspection apparatus even if the diameter of the sphere to be inspected changes has been described.
  • the inspection area was limited to a part of the entire spherical surface.
  • FIG. 9 is a plan view showing the configuration of the surface inspection apparatus of Example 2.
  • FIG. 9 in addition to the device configuration of the first embodiment, another set of the same light irradiation device as a light irradiation device 60 for irradiating an annular beam having the same shape is added. That is, as shown in FIG. 9, the surface inspection apparatus 2 includes two light irradiation devices 50 and 60, two light generation devices (laser oscillators in this embodiment) 101 and 201, and two beam expanders 102.
  • the surface inspection apparatus 2 includes two screens (hereinafter referred to as semi-annular screens in this embodiment) 105b having semi-annular band-shaped illuminated surfaces corresponding to the two light irradiation devices 50 and 60, and 205b, two line sensor cameras 106 and 206, two lenses 107 and 207, two line sensor cameras 108 and 208, and two lenses 109 and 209.
  • semi-annular screens having semi-annular band-shaped illuminated surfaces corresponding to the two light irradiation devices 50 and 60, and 205b, two line sensor cameras 106 and 206, two lenses 107 and 207, two line sensor cameras 108 and 208, and two lenses 109 and 209.
  • the first light irradiation device 50 (the light generation device 101 and the optical device 51) and the second light irradiation device (another light irradiation device) 60 (the other light generation device 201 and the other Shielding plates 121 and 221 for shaping the circular beams 10b and 20b into a semi-circular shape are added to the optical device 61), respectively.
  • the optical axis 10a of the first light irradiation device 50 and the optical axis 20a of the second light irradiation device 60 each pass through the center O of the sphere 100 and form an angle of 90° with each other.
  • the rotation axis 11b forms angles of 135° and 45° with the optical axes 10a and 20a, respectively, and is set so that the optical axes 10a and 20a are positioned on the same side of a plane including the rotation axis 11b. Further, the rotation axis 11b exists on the plane formed by the optical axis 10a and the optical axis 20a.
  • the inspection range of the annular beam 10b is the lower half of the sphere 100, and the inspection range of the annular beam 20b is It becomes the upper half of the sphere 100 .
  • the entire spherical surface of the sphere 100 can be inspected.
  • FIG. 10 is a perspective view showing the illumination state of the sphere 100.
  • FIG. 10(a) illustration of the screen is omitted for explanation.
  • a light blocking plate 121 is arranged between the sphere 100 and the axicon lens 104
  • a light blocking plate 221 is arranged between the sphere 100 and the axicon lens 104 .
  • the shielding plates 121 and 221 shape the annular beams 10b and 20b into semi-annular beams 10c and 20c.
  • the illumination area 110c of the semi-annular beam 10c irradiated onto the spherical surface of the sphere 100 is indicated by diagonal hatching.
  • An illumination region 210c of the semi-annular beam 20c irradiated onto the spherical surface of the sphere 100 is indicated by a region surrounded by dotted lines.
  • the semi-annular screens 105b and 205b are semi-annular.
  • the spherical surface of the sphere 100 is irradiated with the semi-annular beams 10c and 20c, and the reflected light is projected onto the semi-annular screens 105b and 205b. This prevents interference between the semi-annular beams 10c and 20c reflected from the spherical surface of the sphere 100 on the screen and physical interference between the screens.
  • FIG. 11 is a plan view of the sphere 100 observed from the direction of the optical axis 10a or 20a, showing the positional relationship between the line sensor camera and the screen. Also, the illumination areas 110c and 210c are indicated by diagonal hatching.
  • the positional relationship between the line sensor cameras 106 and 108 and the semi-annular screen is shown in FIG. 11(a).
  • the line sensor cameras 106 and 108 are placed outside the semi-annular screen 105b.
  • the circumferential viewing range 111 of the line sensor cameras 106 and 108 is at least 180° from 0° to (90°) to 180° of the semi-annular screen 105b in FIG. Covers a range of minutes.
  • observation optical axes 12a and 12b of line sensor camera 106 and line sensor camera 108 are set to intersect with semi-annular screen 105b at positions of 45° and 135°, respectively, as in the first embodiment.
  • FIG. 11(b) shows the positional relationship between the line sensor cameras 206 and 208 and the semi-annular screen 205b.
  • the positional relationship between the line sensor cameras 206 and 208 and the semi-annular screen 205b and the circumferential visual field range 211 of the line sensor cameras 206 and 208 are determined by the relationship between the line sensor cameras 106 and 108 and the semi-annular screen 105b.
  • the angles of the observation optical axes 22a and 22b of the line sensor cameras 206 and 208 are also the same as the relationship between the line sensor cameras 106 and 108 and the semi-annular screen 105b.
  • the sphere 100 is irradiated with the toric semi-annular beams 10c and 20c, and the reflected light from the spherical surface is projected onto the semi-annular screens 105b and 205b. Accordingly, by observing the surfaces of the semi-annular screens 105b and 205b, the entire spherical surface can be inspected in addition to the effect of the first embodiment.
  • FIG. 12 is a plan view showing a surface inspection apparatus 2' which is a modification of this embodiment.
  • the optical axis 10 a and the optical axis 20 a of the surface inspection device 2 ′ are coaxial and pass through the center O of the sphere 100 .
  • the laser oscillator 101 and the laser oscillator 201 are located on opposite sides of the sphere 100 with the center O therebetween.
  • FIG. 13 is an enlarged perspective view for explaining a state in which the spherical surface of the sphere 100 is irradiated with the semi-annular beams 10c and 20c.
  • the illumination areas 110c and 210c of the semi-annular beams 10c and 20c applied to the spherical surface of the sphere 100 are indicated by hatching.
  • the semi-annular beams 10c and 20c irradiate the same side of the plane formed by the optical axis 10a and the rotation axis 11b.
  • This structure creates a space on the opposite side of the semi-annular screen 105c across the optical axis 10a, making it easier to transport the sphere 100 to the inspection area.
  • a light irradiation device 60 different from the light irradiation device 50 emits an annular beam 20b different from the annular beam 10b so as to form a circle around the optical axis 20a of the annular beam 20b.
  • the shaped annular beam 20b is projected onto a spherical surface so that the optical axis 20a passes through the center of the spherical surface. and projecting onto the concave illuminated surface of 205b.
  • the surface inspection apparatuses 2 and 2' of the second embodiment include a light generator 201 that generates the annular beam 20b, an optical device 61 that shapes the ring beam 20b into a circle around the center 20a and irradiates the ring beam 20b that has been shaped into a circle onto the spherical surface so that the optical axis 20a of the ring beam 20b passes through the center of the spherical surface; , provided.
  • Example 3 In the first embodiment, a surface inspection apparatus has been described that can inspect spherical surfaces with substantially the same sensitivity and can inspect with the same inspection apparatus even if the diameter of the sphere to be inspected changes. However, in Example 1, the inspection area is limited to a part of the entire spherical surface. Further, in the second embodiment and its modification, the apparatus capable of inspecting the entire spherical surface of the sphere 100 by combining two optical systems for irradiating the annular beam has been described. However, in Example 2 and its modified example, two optical systems are required, which increases the size of the device.
  • FIG. 14 is a side view of the surface inspection device 3.
  • the light irradiation device 70 has an optical device 71 having an axicon lens 301 arranged between the axicon lens 104 and the sphere 100 of the surface inspection device of the first embodiment.
  • the axicon lens 301 has the same shape and the same material as the axicon lenses 103 and 104 of the first embodiment. It is also assumed that the axicon lens 301 can be moved in the Y-axis direction by a moving mechanism (not shown).
  • the cone axis of the axicon lens 301 coincides with the optical axis 10a and the apex of the cone points toward the sphere 100.
  • FIG. the annular beam 10b passing through the ridge of the cone of the axicon lens 301 is refracted in the direction toward the optical axis 10a, and the outer diameter dr of the axicon lens 103 is proportional to the optical path length centered on the optical axis 10a. and become smaller.
  • FIG. 15 is an enlarged view showing the illumination state of the sphere 100.
  • FIG. FIG. 15 shows only the light 10d' that hits the outer ring of the annular beam 10b after passing through the axicon lens 301.
  • the angle between the light 10d' and the optical axis 10a is ⁇ . That is, the incident angle of the light 10d' with respect to the spherical surface of the sphere 100 is 45°- ⁇ .
  • the distance a between the axicon lenses and the axicon lens 301 are moved to appropriate positions, and the light 10d′ illuminates a point A1 located at a position shifted by 45° ⁇ from the vertex T of the sphere 100, the reflection from the point A1 Light is reflected in a direction perpendicular to the optical axis 10a. Thereby, the reflected light is projected onto the point A1' on the annular screen 105 without interfering with the rotating shaft 11.
  • the inspection area can be expanded as compared with the case of the first embodiment. can.
  • the surface inspection apparatus 3 of the third embodiment can expand the inspection area without increasing the size of the apparatus.
  • the outer diameter of the annular beam 10b is reduced in proportion to the optical path length, and the angle formed by the annular beam 10d and the optical axis 10a is ⁇ (where 0° ⁇ 45° ), where r is the radius of a sphere having a spherical surface, the circular beam 10d is projected onto the sphere 100 so that the outer diameter of the circular light is 2r ⁇ cos (45° ⁇ ). to mold.
  • the optical device 71 includes an axicon lens 301 that reduces the outer diameter of the annular beam 10b in proportion to the optical path length.
  • Example 4 A surface inspection apparatus 4 of Example 4 will be described with reference to FIG.
  • the annular screen 105 is curved and has blind spots
  • two line sensor cameras are used to observe the optical image on the annular screen 105 .
  • an optical image projected onto the annular screen 105 is detected by one line sensor camera without blind spots.
  • the surface inspection apparatus 4 replaces the annular screen 105 of the surface inspection apparatus 1 of the first embodiment with a screen (hereinafter referred to as an arc screen in this embodiment) 105d having an arcuate band-shaped surface to be irradiated.
  • FIG. 17 is a front view of the surface inspection apparatus 4 viewed from the laser oscillator 101.
  • FIG. The arcuate screen 105d is a part of an arc having a sufficiently large radius L0' and is concave on the optical axis 10a side.
  • the center point Od of the arc screen 105d is farther from the line sensor camera 106 than the center point O of the sphere 100, and O and Od are separated by L0'-u1.
  • the light reflected from points A and B on the spherical surface of the sphere 100 becomes reflected light parallel to the rotation axis 11, and points A1' and B1' are projected onto the arcuate screen 105d. If the reflected light from the arc AB can be observed, when the sphere 100 is rotated around the rotation axis 11, the area symmetrical about the rotation axis 11 can also be observed, so the entire area of the illumination area 110 can be inspected. The reflected light from the arc AB is projected onto the illumination area of the arc A'B' on the arc screen 105d.
  • Example 5 a surface inspection apparatus 5 capable of performing inspection at the same magnification even when the radius r of the sphere 100 changes will be described with reference to FIG. 18 .
  • the reflected light from the sphere 100 is magnified in the rotation axis direction and the rotation direction of the sphere 100 and projected onto the annular screen.
  • the rotation axis direction of the sphere 100 can be obtained from the distance L0 between the annular screen and the optical axis 10a and the radius r of the sphere 100 from equation (8).
  • M_XZ 1.414 ⁇ L0/r (8)
  • the screen is a truncated cone screen 105e having a hollow truncated cone-shaped and strip-shaped irradiated surface, and the cone axis of the truncated cone screen 105e coincides with the optical axis 10a.
  • the truncated cone screen 105e has a configuration that is movable in the Y-axis direction (optical axis 10a direction). With this structure, even if the radius r of the sphere 100 changes, the distance L0 to the projection surface of the truncated cone screen 105e can be adjusted by moving the truncated cone screen 105e in the Y-axis direction (optical axis direction).
  • the magnification M_XZ in the rotation axis direction of the optical image projected onto 105e can be made constant. Further, in the surface inspection apparatus 5, the holding device 401 for the sphere 100 is configured to be able to be inserted into the hollow of the truncated cone screen 105e from the direction opposite to the irradiation direction of the annular beam 10b.
  • the surface inspection apparatus 5 can inspect the surface of the sphere 100 at the same magnification regardless of the radius r of the sphere 100, in addition to the effect of the first embodiment.
  • the truncated cone screen 105e of the surface inspection apparatus 5 of the fifth embodiment has a hollow truncated cone shape, and is moved in the direction of the optical axis 10a so that the distance from the optical axis 10a to the projection surface of the truncated cone screen 105e is variable. have possible configurations.
  • the holding device 115 of Example 1 is configured to rotate the sphere 100 .
  • the inspection object of the present invention is not limited to the spherical body 100, and is not limited to a spherical body as long as it is a member having a spherical surface.
  • a piston with a spherical surface may be the specimen object.
  • FIG. 19 is a diagram showing the configuration of a holding device 615 of the surface inspection apparatus of Example 6. As shown in FIG. The retaining device 615 of Example 6 can rotatably retain the piston 100b.
  • the piston 100b has a shape in which a spherical portion 100c having a spherical surface is integrally formed with a tapered body portion.
  • the surface inspection apparatus 1 can use the piston 100b as an inspection target and the spherical portion 100c as an inspection target. That is, the light irradiation device 50 can be configured to irradiate the spherical portion 100c of the piston 100b with an annular beam.
  • the retainer 615 mounts the piston 100b to a rotatable retainer 617 that includes a rotating mechanism.
  • the line sensor camera 108 and the lens 109 are arranged so that the observation optical axis 12b forms an angle of 45° with respect to the annular screen 105.
  • FIG. Also, the line sensor camera 106 and the lens 107 are arranged so that the observation optical axis 12 a forms an angle of 45° with respect to the annular screen 105 .
  • the holding device 615 has a swinging mechanism (for example, a goniometer stage in this embodiment) 618 that can swing.
  • the rotating mechanism (for example, rotating stage) of the retainer 617 and the goniometer stage of the rocking mechanism 618 are integrally formed.
  • the surface inspection apparatus 7 of Example 7 has a light irradiation device 80 that irradiates the sphere 100 with circularly shaped light.
  • the surface inspection apparatus 7 of Example 7 will be described with reference to FIG. Unlike the first embodiment in which the sphere 100 is irradiated with the annular ring beam 10b, in this embodiment, the light irradiated onto the sphere 100 is circular light shaped to be circular.
  • the surface inspection device 7 includes a light generator (laser oscillator) 101, an optical device 702 consisting only of a beam expander, an annular screen 105, a line sensor camera 106, a lens 107, a line sensor camera 108, a lens 109.
  • the optical device 702 does not have the axicon lenses 103 and 104 shown in the first embodiment.
  • the optical device 702 is a beam expander (optical system) that expands or reduces the beam diameter.
  • Optical device 702 may be a Keplerian beam expander or a Galilean beam expander.
  • the optical device 702 of Example 6 has an objective lens 702a and an image side lens 702b. Parallel light incident on the objective lens 702a is condensed at a focal point between the objective lens 702a and the image side lens 702b, and the diameter of the circular light increases as the irradiation distance from the objective lens 702a increases.
  • the circular light incident on the image-side lens 702b becomes circular light 10e that is parallel to the optical axis 10a and circular again after passing through the image-side lens 702b.
  • the optical axis 10a of the circular light 10e passes through the center O of the spherical surface.
  • the sphere 100 By making the light emitted to the sphere 100 circular as in the present embodiment, it is possible to inspect the surface of the sphere 100 in the same manner as in the case of irradiating circular light. Further, for example, when performing surface inspection using circular light as in Example 7, or when irradiating the sphere 100 with light from a plurality of positions as in the various examples described above, the sphere 100 Rotating the sphere 100 may not be necessary in some cases, such as when only a portion is to be inspected. The same applies to the swing mechanism 618 as well. That is, the holding devices 115, 401 and 615 do not need to have the rotating mechanism 117 or the swinging mechanism 618, and may be configured to hold the inspection object at a predetermined position.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes various modifications.
  • the above-described embodiments have been described in detail in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and are not necessarily limited to those having all the described configurations.
  • it is possible to replace part of the configuration of one embodiment with the configuration of another embodiment and it is also possible to add the configuration of another embodiment to the configuration of one embodiment.

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Abstract

球面を同一な感度で一括に検査する。球面を有する球体１００の球面に対し、光照射装置５０を用いて光を照射して、球面で反射した反射光を環状スクリーン１０５に投射して光学像を形成し、光学像の輝度に基づいて球面の表面状態を検査する表面検査方法において、光照射装置５０によって、平行ビームを平行ビームの光軸１０ａを中心に円環になるように成形した円環ビーム１０ｂを、光軸１０ａが球面の中心Ｏを通るように球面に照射し、球面で反射した反射光を前記環状スクリーン１０５の凹面となった被照射面に投射する。

Description

表面検査方法および表面検査装置
　本発明は、球面の表面状態を検査する表面検査方法および表面検査装置に関する。
　金属やセラミックを材料とする球状部品は、産業機械、輸送機械および精密機器などの回転機構や摺動部に多用されており、回転精度や摺動性能を担保するため、精密な真球であることが求められている。例えば、ボールベアリング用の鋼球は、一般的な規格のひとつに、真球度が０．５μｍ以下、表面粗さＲａが０．０４０μｍ以下といった、高い寸法精度が求められており、品質保証のため、精密な表面検査が必須となる。このため、産業用の球体部品に対しては、従来から種々の検査方法や検査装置が提案されている。
　特許文献１には、検査対象物の球体にレーザ光を照射しながら、球体およびレーザ光軸を同時に回転し、球体からの反射光量を検出して、球体の表面を検査する表面検査装置が記載されている。
　また、特許文献２には、球面ではないが、円筒部品の表面検査方法が記載されている。特許文献２では、魔鏡原理を利用し、円筒部品の表面に所定の幅および所定の厚さを有するシート状の照射光を照射して、円筒部品の表面からの反射光をスクリーンに投射し、スクリーンに形成された光学像を観察することで円筒部品の表面状態を検査している。
特開平８－２４７９５３号公報 国際公開番号ＷＯ２０１８／２３５３７６号
　球面の表面検査は、光が照射される位置や照射される光の入射角によって球面での反射角が変化する。球体を検査対象とする特許文献１に記載の従来技術では、楕円の焦点Ａから照射された光が、楕円のもう一方の焦点Ｂの位置に配置される球面の一点に照射される。しかしながら、特許文献１では、焦点Ｂでの光の反射角は均一でないため、球面を同一の感度で検査することができなかった。また、特許文献１では、照明光が球面の一点（焦点Ｂ）にしか照射されないので、球面を一括して検査することができなかった。
　また、特許文献２には、円筒部品の表面を検査する方法が開示されているものの、球面の表面検査方法が開示されていない。
　本発明は、球面を同一な感度で一括に検査するための技術を提案する。
　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つは、球面を有する検査対象物の球面に対し、光照射装置を用いて光を照射して、球面で反射した反射光をスクリーンに投射して光学像を形成し、光学像の輝度に基づいて球面の表面状態を検査する表面検査方法において、光照射装置によって、平行光を平行光の光軸を中心に円形になるように成形した円形光を、光軸が球面の中心を通るように球面に照射し、球面で反射した反射光をスクリーンの凹面となった被照射面に投射する、表面検査方法である。
　本発明によれば、球面を同一の感度で一括して検査することが可能となる。前述した以外の課題、方法および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
実施例１の表面検査装置の構成を示す側面図。 実施例１の表面検査装置の構成を示す正面図。 実施例１の表面検査装置の球体の照明状態を示す側面図。 実施例１の表面検査装置の球体の照明状態を示す斜視図。 実施例１の表面検査装置の球体の照明状態を示す正面図。 実施例１の表面検査装置の回転機構の構成を示す側面図。 ラインセンサカメラで取得した光学像の模式図。 球面の凹欠陥からの反射光の光路を示す図。 実施例２の表面検査装置の構成を示す側面図。 実施例２の表面検査装置の球体の照明状態を示す斜視図。 実施例２の表面検査装置の構成を示す正面図。 実施例２の表面検査装置の変形例の構成を示す側面図。 実施例２の表面検査装置の変形例の球体の照明状態を示す斜視図。 実施例３の表面検査装置の構成を示す側面図。 実施例３の表面検査装置の球体の照明状態を示す側面図。 実施例３の表面検査装置の構成を示す側面図。 実施例４の表面検査装置の球体およびスクリーンを示す正面図。 実施例５の表面検査装置の構成を示す側面図。 実施例６の表面検査装置の回転機構の構成を示す側面図。 実施例７の表面検査装置の構成を示す側面図。
　以下、図面を用いて、実施例を説明する。
＜実施例１＞
　以下、図１～８を用いて、実施例１の表面検査装置及び表面検査方法を説明する。図１は、実施例１の表面検査装置の構成を示す側面図であり、図２は、実施例１の表面検査装置の構成を示す正面図である。表面検査装置１は、球体１００の球面に光を照射して、球面で反射した反射光を、環状かつ帯状の被照射面を有するスクリーン（以下、本実施例並びに後述する実施例３、６及び７において環状スクリーンと称する）１０５に投射して光学像を形成する。そして、表面検査装置１は、その光学像の輝度に基づいて球面の表面状態を検査する。
　表面検査装置１は、球体１００に光を照射する光照射装置５０を含む。光照射装置５０は、平行光を生成する光生成装置（本実施例においてはレーザ光を生成するレーザ発振器を含む）１０１と、ビームエキスパンダ１０２、アキシコンレンズ１０３及びアキシコンレンズ１０４を含む光学装置５１と、を含む。
　また、表面検査装置１は、環状スクリーン１０５、ラインセンサカメラ１０６、レンズ１０７、ラインセンサカメラ１０８、レンズ１０９、画像処理装置１１３、判定装置１１４、および、球体１００の保持装置１１５（図６参照）、を備える。保持装置１１５の詳細は、後述する。
　アキシコンレンズ１０３およびアキシコンレンズ１０４の少なくとも一方は、Ｙ軸方向に移動可能であり、アキシコンレンズ１０３とアキシコンレンズ１０４との距離（アキシコンレンズ間距離）ａを任意の距離に設定することができる。すなわち、光学装置５１は、アキシコンレンズ１０３とアキシコンレンズ１０４との間の距離を調整することが可能な構成を有する。
　また、ラインセンサカメラ１０６および１０８は、保持機構（図示せず）に保持され、Ｙ軸方向に可変とする。ラインセンサカメラ１０６および１０８をＹ軸方向に可変とすることによって、ラインセンサカメラ１０６および１０８の位置を調整することができる。また、表面検査装置１は、上記した装置及び機構の動作を制御するコントローラ（図示せず）を有する。
　本実施例では、検査対象物が球体１００であったが、検査対象物は、球面を有するものであれば、球体でなくても良い。例えば、検査対象物は、ピストンであっても良い。ピストンを回転させる例については、実施例６で詳細に説明する。また、球体１００は、所定の反射率を有する素材であれば、金属、セラミックス、木材など材質は問わない。
　本実施例では、球体１００の半径ｒは、１５ｍｍである。レーザ発振器１０１は、平行光を生成する光生成装置１０１を構成する（以下、光生成装置がレーザ発振器である場合について説明する）。レーザ発振器１０１は、波長６７０ｎｍ、ビーム径０．４８ｍｍの平行ビーム１０を出力し、平行ビーム１０の光軸１０ａは、球体１００の中心点Ｏを通る。平行ビーム１０は、光軸１０ａに平行な平行光である。平行光とは、ビーム内のどの光線も他の光線に平行になっている光を言う。レーザ発振器１０１の出力は、例えば１ｍＷ程度である。平行ビーム１０は、シングルモードであり、出力ビームの強度分布はガウシアン分布で、１／ｅ２径をもってビーム径とする。すなわち、ビーム径は、ピーク強度から１／ｅ２（１３．６％）に落ちた時の強度での幅としている。平行ビーム１０は、ビームエキスパンダ１０２を介して、ビーム径をｔ０に拡張する。本実施例では、ｔ０＝１ｍｍとする。
　光学装置５１であるアキシコンレンズ１０３および１０４は、円錐型のプリズムレンズであり、互いに同形状且つ同材質である。また、光軸１０ａは、アキシコンレンズ１０３および１０４の円錐の頂点を通り且つ円錐の頂点は互いに向かい合っている。平行ビーム１０がアキシコンレンズ１０３の平面側から入射し円錐面から出射する際、平行ビーム１０は、円錐の稜線で屈折し、光軸１０ａに向かう。平行ビーム１０が光軸１０ａ横断後、平行ビーム１０は、円環ビーム（円環光）になる。円環ビームの外径は、アキシコンレンズ１０３からの照射距離が離れるほど大きくなるが、円環の厚みは一定となる。このビーム特性は、ベッセルビームの特徴に近く、円環を形成するビーム強度は、照射距離に関わらず一定となる。続いて、円環ビームは、アキシコンレンズ１０４の円錐面に入射する。このとき、アキシコンレンズ１０４のプリズム角αは、アキシコンレンズ１０３と同一のため、円環ビームは、円錐の稜線で屈折後、円環ビームの光路は再び光軸１０ａと平行になる。光軸１０ａと平行な円環ビームを、以後、円環ビーム１０ｂと表記する。円環ビーム１０ｂは、光軸１０ａを中心とする円環状であって、その光軸１０ａは、球体１００の中心Ｏを通る。このため、円環ビーム１０ｂは、球体１００の球面において同一の入射角で照射される。この入射角とは、円環ビーム１０ｂの光軸１０ａと、円環ビーム１０ｂが照射される球体１００の球面上の法線方向とのなす角度を示す。また、球体１００の半径ｒに対して、円環ビーム１０ｂの厚みｔ１がｔ１＜＜ｒの時、球体１００の環状の照明領域１１０の入射角は、後述する式（７）’で示すように、実質的に同一な入射角である。詳細は後述するが、本実施例の場合、ｒ＝１５ｍｍに対して、ｔ１＝０．５０２ｍｍであるので、照明領域１１０への円環ビーム１０ｂの入射角の範囲は、４２．３°～４５°となる。入射角の変化による環状スクリーン１０５上の輝度変化は０．５％以下に留まるため、実質的に同一の感度で検査可能となる。
　続いて、本実施例で形成される円環ビーム１０ｂの厚みｔ１について説明を行う。本実施例では、アキシコンレンズ１０３および１０４のプリズム角αは、α＝１０°、波長６７０ｎｍの照明光に対する屈折率ｎは、ｎ＝１．４５６である。平行ビーム１０の光軸１０ａは、アキシコンレンズ１０３の円錐の頂点を通るため、アキシコンレンズ１０３の透過後の円環ビームの厚みは、平行ビーム１０のビーム径ｔ０の半分、すなわち０．５ｍｍとなる。また、アキシコンレンズ１０４を透過した後の円環ビーム１０ｂの厚みｔ１も、アキシコンレンズ１０４からの照射距離に関わらず一定となる。アキシコンレンズ１０３を透過した後の円環ビームの光路と光軸１０ａのなす角を図１のようにα’とすると、ｔ１＝ｔ０／（２ｃｏｓα’）となる。また、α’＝ｓｉｎ－１（ｎ×ｓｉｎα）－αであるため、α＝１０°、ｎ＝１．４５６を代入し、ｔ１＝０．５０２ｍｍと求まる。
　次に、円環ビーム１０ｂの外径ｄｒとアキシコンレンズ間距離ａの関係について説明を行う。アキシコンレンズ１０３および１０４の屈折率ｎ、プリズム角度αを用いて、円環ビーム１０ｂの外径ｄｒは、式（１）より求まる。
　　ｄｒ＝２ａ×ｔａｎ（（ｎ－１）α））　…（１）
　式（１）で示すように、アキシコンレンズ間距離ａを調節することで、外径ｄｒを調整することができる。図２には、球体１００の球面の照明領域１１０を斜めのハッチングで示している。外径ｄｒを調整することにより、照明領域１１０を任意に変更することができる。
　次に、球体１００の球面からの反射光を投射するスクリーンおよびスクリーン上の光学像を検出するカメラの配置について、図２および図３を用いて説明する。円環ビーム１０ｂは、球体１００の球面で反射され、光軸１０ａ上の点Ｏ’を中心に放射状に進み、環状スクリーン１０５に投射される。環状スクリーン１０５は、反射光が照射される被照射面（本実施例においては光軸１０ａ側）が凹面となるように構成されたスクリーンである。実施例１の環状スクリーン１０５は、光軸１０ａを中心とする円の周方向に沿って配置される円環状のスクリーンである。図３は、球体の照明状態を示す側面図である。環状スクリーン１０５は、半径Ｌ０かつＹ軸方向に幅Ｗを有する中空円筒形状をしている。また、環状スクリーン１０５の円筒軸は、光軸１０ａと一致している。環状スクリーン１０５は、球体１００の中心Ｏからレーザ発振器１０１側に距離ｕ０だけ離れた箇所に設置されている。また、環状スクリーン１０５は、拡散反射特性を持つ。本実施例では、スクリーン半径Ｌ０＝５０ｍｍ、スクリーン幅Ｗ＝１５ｍｍ、スクリーン距離ｕ０＝５ｍｍとする。
　実施例１では、光軸１０ａ側が凹面となる環状スクリーン１０５に反射光を投射したが、スクリーンは、環状でなくも良い。例えば、環状スクリーン１０５は、光軸１０ａ側が凹面となっていれば良くて、半球形状であっても良い。
　図２に示すように、環状スクリーン１０５に投射された反射光によって形成される光学像は、レンズ１０７および１０９を介して、ラインセンサカメラ１０６および１０８にて環状スクリーン１０５の円周方向に走査され、観察される。ラインセンサカメラ１０６および１０８は、図２に示すように、Ｘ－Ｚ平面上で回転軸１１に対して同じ側になるように配置される。また、ラインセンサカメラ１０６および１０８を合わせた環状スクリーン１０５の円周方向の視野範囲１１１は、図２に示すように、少なくとも、環状スクリーン１０５の０°～（９０°）～１８０°の１８０°分の範囲をカバーする。この場合、回転軸１１を中心に球体１００を１回転させると、ラインセンサカメラ１０６および１０８は、環状スクリーン１０５上の円周方向の視野範囲１１１の軸対称の領域も視野範囲に収める。このため、環状スクリーン１０５上の円周方向３６０°分を、ラインセンサカメラ１０６および１０８を合わせた視野範囲に収めることができる。これにより、球体１００の照明領域１１０を全て観察することができる。なお、本実施例では、ラインセンサカメラ１０６とラインセンサカメラ１０８の観察光軸１２ａおよび１２ｂは、光軸１０ａを通るように配置し、且つ、図２に示すように、環状スクリーン１０５の４５°と１３５°の位置で交わるように配置する。また、レンズ１０７とラインセンサカメラ１０６とは、同軸に配置され、同様に、レンズ１０９とラインセンサカメラ１０８とは、同軸に配置されている。
　本実施例では、ラインセンサカメラ１０６および１０８を環状スクリーン１０５の外側を撮像するように配置したが、ラインセンサカメラ１０６および１０８の少なくとも一方を環状スクリーン１０５の内側を撮像するように配置しても良い。
　次に、図３を用いて、本実施例おける、円環ビーム１０ｂの外径ｄｒと球体１００の半径ｒとの関係および外径ｄｒとアキシコンレンズ間距離ａとの関係について説明する。図３では、球体１００と回転軸１１の２つの交点をそれぞれ頂点Ｔ、頂点Ｔ’とする。円環ビーム１０ｂの外輪にあたる平行光が球体１００の球面に照射される位置を点Ａとすると、本実施例では、角ＴＯＡ＝４５°とした。この場合、点Ａに照射された平行光は、光軸１０ａに対し、垂直な方向に反射し、環状スクリーン１０５の点Ａ’に投射される。また、円環ビーム１０ｂは、球体１００の中心を通る光軸１０ａを中心に軸対称であるため、点Ａと軸対称の位置を点Ｃとすると、角ＴＯＣ＝１３５°（角Ｔ’ＯＣ＝４５°）となる。球体１００の球面上の点Ｃに照射された光は、点Ａからの反射光と同様に、光軸１０ａに対し、垂直な方向に反射し、環状スクリーン１０５上の点Ｃ’に投射される。角ＴＯＡが４５°未満の場合、球体１００の球面からの反射光は回転軸１１に向かって接近する方向に反射し、保持装置１１５と干渉する恐れがある。これを避けるため、本実施例では、角ＴＯＡ＝４５°となるように円環ビーム１０ｂを成形する。この場合、円環ビーム１０ｂの外形ｄｒは、２×ｒ×ｃｏｓ４５°＝１．４１４ｒとなる。
　図４は、図３の斜視図である。図３及び図４を参照して、本実施例の球体１００の検査領域１１２について説明する。図４（ａ）には、球体１００の表面に照射された円環ビーム１０ｂの照明領域１１０が斜めのハッチングで示されている。また、回転軸１１を中心に球体１００を１回転させると、照明領域１１０を通過する球体１００の表面領域は、図４（ｂ）の斜めのハッチングで示される領域となる。図４（ｂ）のハッチングで示される領域を検査領域１１２と呼ぶ。本実施例では、点Ａと点Ｃとに挟まれた角ＡＯＣ＝９０°の帯状の範囲が検査領域１１２となる。
　この場合、球体１００の表面全面に対する、検査領域１１２の割合Ｓは、球体１００の半径ｒと円環ビーム１０ｂの外径ｄｒとを用いて式（２）で求まる。
　　Ｓ＝２πｒ×ｄｒ／４πｒ２＝ｄｒ／２ｒ　…（２）
　本実施例では、ｄｒ＝２ｒ×ｃｏｓ（４５°）であるため、これを式（２）に代入し、　Ｓ＝２ｒ×ｃｏｓ（４５°）／２ｒ＝ｃｏｓ（４５°）＝０．７０７と求まる。
　これにより、本実施例では、角ＴＯＡ＝４５°となるように円環ビーム１０ｂを形成すれば、球体１００の半径ｒに関わらず、検査領域１１２は、球体１００全面の７０％程度となることが分かる。
　また、円環ビーム１０ｂの外径ｄｒは、式（１）よりアキシコンレンズ間距離ａにより調整することができる。本実施例の場合は、円環ビーム１０ｂの外径ｄｒと球体１００の半径ｒとは、ｄｒ＝１．４１４ｒの関係にある。そのため、アキシコンレンズ間距離ａは、アキシコンレンズ１０３および１０４の屈折率ｎ、プリズム角αおよび球体１００の半径ｒを用いて、式（３）で求まる。
　　ａ＝０．７０７ｒ／ｔａｎ（（ｎ－１）α）　…（３）
　本実施例では、ｎ＝１．４５６、α＝１０°、ｒ＝１５ｍｍであるため、アキシコンレンズ間距離ａは、１３３．００ｍｍと定まる。球体１００のサイズが変わり、半径ｒが変化しても、式（３）に従ってアキシコンレンズ間距離ａを調整すれば、円環ビーム１０ｂの外径ｄｒをｄｒ＝１．４１４ｒの関係を満たすようにすることができる。この場合、点Ａからの反射光は光軸１０ａに対して環状スクリーン１０５上の点Ａ’に垂直に投射される。ラインセンサカメラ１０６および１０８の観察光軸１２ａおよび１２ｂが環状スクリーン１０５上の点Ａ’と点Ｃ’を通る円周および点Ｂ’と点Ｄ’を通る円周に囲まれた帯状の範囲内に収まる。または、観察光軸１２ａおよび１２ｂが当該帯状の範囲内に収まるように、ラインセンサカメラ１０６および１０８をＹ軸方向に移動させる。これにより、球体１００の半径ｒが変化しても、同一の検査装置で球面の検査が可能となる。また、式（２）より、球体１００の表面全面の一定の割合を検査することができる。
　続いて、図３及び図５を用いて、照明領域１１０への円環ビーム１０ｂの入射角の範囲および照明領域１１０の光学像の拡大効果について説明する。球体１００の球面で反射される反射光は、球面の湾曲により、環状スクリーン１０５の幅方向（球体回転方向）と、円周方向（球体回転軸方向）にそれぞれ拡大されて環状スクリーン１０５に投射される。図３は、球体１００の球面に円環ビーム１０ｂを照射し、球面から反射した反射光のＹ－Ｚ平面の光路を示している。円環ビーム１０ｂの外輪に当たる平行光は、点Ａに照射され、点Ａから反射した反射光は光軸１０ａに対して垂直に反射し、環状スクリーン１０５の点Ａ’に投射される。一方、円環ビームの内輪に当たる平行光は、点Ｂに照射され、点Ｂから照射された反射光は環状スクリーン１０５の点Ｂ’に投射される。図３では、弧ＡＢの角度をβ、光軸１０ａと環状スクリーン１０５との間の距離をＬ０とする。照明領域１１０への円環ビーム１０ｂの入射角の範囲は、４５°－β～４５°、点Ｂからの反射光の環状スクリーン１０５への入射角は２βとなる。
　弧ＡＢの長さをｄＡＢ、環状スクリーン１０５上のＡ’Ｂ’間の長さをｄＡ’Ｂ’とすると、球体１００の球面による、環状スクリーンの幅方向、すなわちＹ－Ｚ平面上での拡大倍率Ｍ＿ＹＺは式（４）で示される。
　　Ｍ＿ＹＺ＝ｄＡ’Ｂ’／ｄＡＢ　…（４）
　また、ｄＡＢとｄＡ’Ｂ’は、それぞれ式（５）、式（６）から求まる。
　　ｄＡＢ＝βｒ　…（５）
　　ｄＡ’Ｂ’＝ｒ×（ｓｉｎ（４５°＋β）－ｓｉｎ（４５°））
＋（Ｌ０－ｒ×ｃｏｓ（４５°＋β））×ｔａｎ２β　…（６）
　また、弧ＡＢの角度βは、円環ビーム１０ｂの厚みｔ１から、式（７）により求まる。
　　ｔ１＝ｒ×（ｃｏｓ４５°－ｃｏｓ（４５°＋β））　…（７）
　なお、ｔ１＜＜ｒの場合、式（７）中の三角関数をテイラー展開し、二次以上の項を無視すると、式（７）’に変換できる。
　　β＝１．４１４×ｔ１／ｒ　（ｒａｄ）
　　　＝８０．７８×ｔ１／ｒ　（°）　…（７）’
　本実施例では、ｒ＝１５ｍｍ、ｔ１＝０．５０２ｍｍ、Ｌ０＝５０ｍｍとしており、式（４）～（７）より、Ｍ＿ＹＺ＝５．９９倍、β＝２．７°と求まる。また、照明領域１１０への円環ビーム１０ｂの入射角の範囲は４２．３°～４５°となり、点Ｂからの反射光の環状スクリーン１０５への入射角は５．４°となる。点Ａ’には垂直に反射光が入射している。一方で、点Ｂ’には、入射角５．４°で斜めに反射光が入射しており、輝度は点Ａ’に対して低下する。但し、点Ｂ’の輝度の低下量は（１－ｃｏｓ５．４°）×１００＝０．４４％と微小であり、実質的に同一の感度で検査領域１１２を検査することができる。
　図５は、球体１００の球面に円環ビーム１０ｂを照射し、球面から反射した一部の反射光のＸ－Ｚ平面の光路を示している。円環ビームの外輪に当たる光は、点Ｐおよび点Ｑに照射され、点Ｐおよび点Ｑから反射した反射光は、光軸１０ａ上の点Ｏ’を中心に放射状に反射し、環状スクリーン１０５上の点Ｐ’および点Ｑ’に投射される。球体１００の球面による、環状スクリーン１０５の円周方向、すなわちＸ－Ｚ平面上での拡大倍率Ｍ＿ＸＺは、点Ｏ’から点Ｐまでの距離と点Ｏ’から点Ｐ’までの距離の比に等しい。本実施例の場合、Ｏ’Ｐ間の距離ｒ１は、ｒ×ｃｏｓ４５°であり、Ｏ’Ｐ’間の距離は、Ｌ０であるため、Ｍ＿ＸＺは式（８）で示される。
　　Ｍ＿ＸＺ＝１．４１４×Ｌ０／ｒ　…（８）
　ｒ＝１５ｍｍ、Ｌ０＝５０ｍｍを代入するとＭ＿ＸＺ＝４．７１倍となる。
　以上より、環状スクリーン１０５上の光学像は、球体１００の球面により環状スクリーンの円周方向および幅方向に拡大することが分かる。
　また、ラインセンサカメラ１０６および１０８のラインスキャンレートｆを適切に調節すると、光学像の環状スクリーン１０５の幅方向の拡大倍率に対応した倍率で光学像の検査が可能となる。球体１００の１回転当たりの回転時間をＴと設定すると、ラインセンサカメラ１０６および１０８のスキャンレートｆの最小値は、式（９）より算出される。なお、球体１００の半径ｒ、環状スクリーン１０５の半径Ｌ０、拡大倍率Ｍ、ラインセンサカメラ１０６および１０８の１画素に対する環状スクリーン１０５上の画素寸法ｃ、とする。
　　ｆ≧２πｒ×Ｍ／（Ｔ×ｃ）　…（９）
　ここで、ｒ＝１５ｍｍ、Ｍ＝Ｍ＿ＹＺ＝５．９９、Ｔ＝３ｓ、ｃ＝０．１ｍｍとするとラインセンサカメラ１０６および１０８のスキャンレートｆは、１８８２Ｈｚ以上で駆動する必要がある。なお、本実施例では、画素寸法ｃは、環状スクリーン１０５の観察位置によらず一定と仮定し、計算している。
　次に、図６を用いて、実施例１の保持装置１１５について説明する。保持装置１１５は、回転軸１１を中心に球体１００を回転させることが可能な構成を有するように球体１００を保持する装置である。保持装置１１５は、球体１００の中心を通り、且つ光軸１０ａと直交する回転軸１１を中心に球体１００を回転させる。より具体的には、保持装置１１５は、球体１００を保持する保持器１１６と、回転軸１１を中心に保持器１１６を回転させる回転機構（例えば回転ステージ）１１７と、を有する。保持器１１６は、中空の円筒である。保持器１１６の外径ｄｃは、ｄｃ／２＜ｒ×ｓｉｎ４５°の条件を満たす。なぜなら、保持器１１６が円環ビーム１０ｂに干渉してしまうからである。
　図７は、ラインセンサカメラ１０６で取得した光学像の模式図であり、球体１００の頂点Ｔから頂点Ｔ’に向かって０°～９０°の範囲、すなわち、頂点Ｔを上、頂点Ｔ’を下と定義した場合、球体１００の上半分を検査した光学像である。図７の光学像の縦軸は、頂点Ｔから頂点Ｔ’に向かう球体１００の回転軸方向であり、横軸は球体１００の回転方向を示している。図７は、本実施例の条件に従い、半径ｒ＝１５ｍｍの球体１００を３ｓで回転させ、ラインセンサカメラ１０６のスキャンレートｆ＝１８８２Ｈｚの条件に設定して検出した環状スクリーン１０５上の反射光強度分布を模している。光学像は、球体回転軸方向に４．７１倍に拡大され、球体回転方向に５．９９倍に拡大されている。
　図７の光学像では、球体１００球面の凹凸欠陥が魔鏡原理によって輝度変化として顕在化されている。この光学像において、像３１および像３２が、輝点として検出されている。像３１は、球体１００の頂点Ｔと頂点Ｔ’の間、すなわち地球の赤道に当たる付近の欠陥である。像３２は、球体１００の頂点Ｔ付近の欠陥である。頂点Ｔに近づくにつれて、光学像は、球体１００の回転方向に延びた形で検出される。これは、球面からの反射光を平面に投射して観察することで、歪みが発生するためである。回転軸１１を中心に球体１００を１回転させたとき、球体１００の球面上半分では、頂点Ｔに近いほどが１周分の長さが短いため、回転方向の１画素あたりの長さが短くなり、見かけの画素分解能が増加する。図７に示した像３１および３２は、画像処理装置１１３によって抽出され、欠陥座標、欠陥寸法などの欠陥情報が記憶手段（図示せず）に記録される。画像処理装置１１３は、ラインセンサカメラ１０６および１０８によって取得された画像の輝度に基づいて、欠陥座標や欠陥寸法などの欠陥情報を出力する。この画像処理装置１１３は、球体１００の表面の欠陥を検出する検出装置として機能する。
　判定装置１１４は、記憶手段（図示せず）に記憶された欠陥寸法（欠陥の大きさ、欠陥の深さ）に基づいて、欠陥の有無を判定する。例えば、判定装置１１４は、所定サイズ以上の大きさの欠陥または所定深さ以上の欠陥の深さがあれば、欠陥があると判定し、検査対象物が不良であると判定する。また、判定装置１１４は、検査対象物が良または不良であることを示す情報、検査対象物の欠陥の寸法や深さを示す情報、などを表示部などに出力することができる。なお、画像処理装置１１３及び判定装置１１４を含めて球体１００の表面検査処理を実行する検査処理装置を構成する。この検査処理装置は、例えば表面検査装置１の全体の動作制御を行うコントローラ（図示せず）内に実装されていてもよいし、別個の情報処理装置として設けられていてもよい。
　最後に、環状スクリーン１０５の半径Ｌ０と欠陥検出性能との関係について説明する。図８（ａ）は、凹欠陥４１に光を照射したときの集光作用を示している。凹欠陥４１からの反射光は、光線が集光するため焦点近傍が明るくなる。深さｄ、幅Ｌｄの凹面鏡の焦点距離Ｆは、式（１０）で示される。
　　Ｆ＝Ｌｄ２／８ｄ　…（１０）
　なお、凹欠陥から距離Ｌ１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、凹欠陥からの集光部の相対的な反射光強度は、式（１１）で示される。
　　Ｉ（Ｌ１）＝Ｆ２／（Ｆ－Ｌ１）２　…（１１）
　Ｉ（Ｌ１）は、魔鏡像上の輝度を示しており、Ｉ（Ｌ１）が大きいほど集光部は明るく、欠陥への感度が高いことを示す。ただし、本実施例では、光源に可干渉性の大きいレーザ光を使用しているため、環状スクリーン１０５上には、斑点状のランダムなノイズ（スペックル）が発生する。このスペックル強度の２σを環状スクリーン１０５上の光学像の平均輝度の±Ｎ％とする。本実施例では、欠陥由来の集光作用とスペックルを分離できる目安として、欠陥による集光部の明るさが周囲と比較して（１＋Ｎ／１００）倍程度になったときを検出可能とした。すなわち、Ｉ（Ｌ１）≧（１＋Ｎ／１００）の場合、欠陥を検出できる。式（１１）より凹欠陥の焦点距離Ｆが既知の場合、式（１２）を満たすとき、欠陥を輝点として検出可能と期待できる。
　　Ｆ×（１＋Ｎ／１００－（１＋Ｎ／１００）０．５）／（１＋Ｎ／１００）≦Ｌ１≦Ｆ×（１＋Ｎ／１００＋（１＋Ｎ／１００）０．５）／（１＋Ｎ／１００）
　　…（１２）
　本実施例では、例えば、スペックル強度の２σを±５０％と見積もる。この場合、式（１２）にＮ＝５０を代入すると、０．１８４Ｆ≦Ｌ１≦１．８２Ｆの条件を満たすとき、欠陥を輝点として検出可能と期待できる。
　また、図８（ｂ）は、凹欠陥４１に光を照射したときの拡散作用を示している。凹欠陥４１からの反射光は、焦点に集光後、続いて拡散し、光路が焦点距離の２倍を超えると該当箇所は暗くなる。凹欠陥の拡散効果により暗くなった箇所の反射光強度は、集光時と同じく式（１１）で示される。
　　Ｉ（Ｌ１）＝Ｆ２／（Ｆ－Ｌ１）２　…（１１）
　但し、図８（ｂ）は、Ｌ１＞２Ｆであるため、Ｉ（Ｌ１）＜１となっている。Ｉ（Ｌ１）が０に近づき、周囲に対して暗い場合、やはり欠陥は検出可能となる。ただし、今回もスペックルノイズと分離して検出するため、Ｉ（Ｌ１）≦１－Ｎ／１００を満たすとき検出可能となる。式（１１）より、凹欠陥の焦点距離Ｆが既知の場合、式（１３）の条件を満足するとき、欠陥を暗点として検出可能と期待できる。
　　Ｆ×（１－Ｎ／１００＋（１－Ｎ／１００）０．５）／（１－Ｎ／１００）≦Ｌ１
　　…（１３）
　すなわち、式（１２）または式（１３）を満足するように、Ｌ１が決定される。
　欠陥を輝点として検出する場合と同じく、本実施例では、式（１３）に、Ｎ＝５０を代入し、２．４１Ｆ≦Ｌ１の条件を満たすとき、欠陥を暗点として検出可能と期待できる。　以上より、検査対象の凹欠陥の焦点距離Ｆ１が既知の場合、スペックル強度の２σを±５０％と見積もると、スクリーン距離Ｌ１が式（１４）を満たすように環状スクリーン１０５を設計することで、欠陥を輝点または暗点として検出可能となる。
　　０．１８４Ｆ≦Ｌ１≦１．８２Ｆ、２．４１Ｆ≦Ｌ１　…（１４）
　本実施例では、逆にスクリーン間距離Ｌ１が既知である。欠陥からスクリーンまでの距離は、例えば、図３のＡＡ’が該当する。ＡＡ’の距離は、環状スクリーン１０５の半径Ｌ０と球体１００の半径ｒとから、式（１５）より求まる。
　　ＡＡ’＝Ｌ０－ｒ×ｃｏｓ４５°　…（１５）
　Ｌ０＝５０ｍｍ、ｒ＝１５ｍｍを代入し、ＡＡ’＝Ｌ１＝３９．４ｍｍと求まる。
　これを（１４）式に代入すると、感度持つ欠陥の焦点距離Ｆの範囲は式（１６）となる。
　　Ｆ≦１６．３４ｍｍ（暗点として検出する範囲）、
　　２１．６４ｍｍ≦Ｆ≦２１４．１ｍｍ（輝点として検出する範囲）　…（１６）
　例えば、直径０．５ｍｍ、深さ１μｍの凹形状欠陥の場合、Ｆ＝３１．２５ｍｍであり、本実施例の装置では輝点として検出される。
　本実施例の形態によれば、以下の効果を得られる。
（１）球体１００に円環状の円環ビーム１０ｂを照射し、球面からの反射光を環状スクリーン１０５に投射し、環状スクリーン１０５の表面を観察することにより、球面の微小な凹凸を感度良く検出することができる。
（２）球体１００に円環状の厚みがｔ１の円環ビーム１０ｂを、球体１００の半径ｒに対してｔ１＜＜ｒを満たすように照射することで、照明領域１１０内の照明光の入射角が実質的に同一となる。よって、球体１００の検査領域１１２を実質的に同一の感度で検査することができる。
（３）アキシコンレンズ１０３および１０４の間の距離ａを変えることで、円環ビーム１０ｂの外径ｄｒを調整することができる。これにより、異なる直径の球体も同一の検査装置で検査することができる。
（４）環状スクリーン１０５が円環状であるため、球面で反射した円環ビーム１０ｂの全てを環状スクリーン１０５に投射することができる。また、拡散反射特性を有する環状スクリーン１０５に投射するため、球体１００の反射特性に依存せず、安定した光学像観察が可能となる。
（５）検出したい欠陥の寸法や形状が既知の場合、環状スクリーン１０５の半径Ｌ０を調節することで欠陥検出感度を高めることができる。
（６）球体１００に照射される光を円環にすることによって、円形にするよりもエネルギー効率が良くなる。円形にするよりも円環の方が、光のエネルギー密度が高くなるので、感度良く球面を検査することができる。
（７）球面で反射した反射光を、光軸１０ａ側が凹面となる環状スクリーン１０５に投射することによって、球面を同一の感度で検査することができる。
（８）円環ビーム１０ｂの外径を、光路長に関わらず一定にし、且つ、円環ビーム１０ｂの外径が球体１００の直径の０．７０７倍になるように成形することによって、円環ビーム１０ｂを光軸１０ａに対して、垂直な方向に反射することができる。
　実施例１の表面検査方法は、球面を有する球体１００の球面に対し、光照射装置５０を用いて光を照射して、球面で反射した反射光を環状スクリーン１０５に投射して光学像を形成し、光学像の輝度に基づいて球面の表面状態を検査する表面検査方法において、光照射装置５０によって、平行ビーム１０を平行ビーム１０の光軸１０ａを中心に円形になるように成形した円環ビーム１０ｂを、光軸１０ａが球面の中心を通るように球面に照射し、球面で反射した反射光を環状スクリーン１０５の凹面となった被照射面に投射する。
　実施例１の表面検査方法において、円環ビーム１０ｂは円環状である。
　実施例１の表面検査方法において、円環ビーム１０ｂの外径は、光路長に関わらず一定であり、且つ、外径が球面を有する球体の直径の０．７０７倍になるように成形される。
　実施例１の表面検査方法において、球体１００を回転可能な保持装置１１５によって保持させ、球面の中心を通り且つ光軸１０ａと直交する回転軸１１を中心に回転させる。
　実施例１の表面検査方法において、環状スクリーン１０５に投射された光学像をラインセンサカメラ１０６及び１０８で検出し、球面を有する球体１００の半径をｒ、光軸１０ａと環状スクリーン１０５との間の距離をＬ０、ラインセンサカメラの１画素に対する環状スクリーン１０５での画素寸法をｃ、球体の１回転当たりの回転時間をＴ、ラインセンサカメラ１０６及び１０８のスキャンレートをｆとした場合、ｆ≧２πｒ×Ｍ／（Ｔ×ｃ）を満たす条件でラインセンサカメラ１０６及び１０８を駆動する。
　実施例１の表面検査方法において、球面の欠陥を凹面鏡とみなしたときの焦点距離をＦ、球面から環状スクリーン１０５までの距離をＬ１とした場合、環状スクリーン１０５での光学像において、欠陥由来の輝度変化を環状スクリーン１０５上のスペックルノイズと分離して検出する条件として、スペックルノイズの強度の２σが環状スクリーン１０５上の光学像の平均輝度に対して±Ｎ％であるとき、
　　Ｆ×（１＋Ｎ／１００－（１＋Ｎ／１００）０．５）／（１＋Ｎ／１００）≦Ｌ１≦Ｆ×（１＋Ｎ／１００＋（１＋Ｎ／１００）０．５）／（１＋Ｎ／１００）
または、
　　（１－Ｎ／１００＋（１－Ｎ／１００）０．５）／（１－Ｎ／１００）≦Ｌ１
　を満足するようにＬ１を決定する。
　実施例１の表面検査装置１は、球面を有する球体１００を保持する保持装置１１５と、平行光を生成する光生成装置１０１と、平行ビーム１０を平行ビーム１０の光軸１０ａを中心に円形になるように成形し、円形になるように成形された円環ビーム１０ｂを、光軸１０ａが球面の中心を通るように球面に照射する光学装置５１と、球面からの反射光が投射され、反射光が照射される被照射面が凹面となるように構成された環状スクリーン１０５と、環状スクリーン１０５に形成された光学像の輝度に基づいて、球面の表面の欠陥を検出する画像処理装置１１３と、を備える。
　実施例１の表面検査装置１において、光学装置５１は、平行ビーム１０を円環状に成形するアキシコンレンズ１０３と、円環状に形成された円環光を光軸１０ａに対して平行で且つ所定の直径に成形するアキシコンレンズ１０４と、を有する。
　実施例１の表面検査装置１において、光学装置５１は、アキシコンレンズ１０３とアキシコンレンズ１０４との距離を調整することが可能な構成を有する。
　実施例１の表面検査装置１において、保持装置１１５は、球体１００を球面の中心を通り且つ光軸１０ａと直交する回転軸１１を中心に回転させることが可能な構成を有する。
＜実施例２＞
　実施例１では、球面を実質的に同一な感度で検査可能で且つ検査対象の球体の直径が変化しても同一の検査装置で検査可能な表面検査装置について説明した。しかし、実施例１では、球面全面のうち、検査領域は一部にとどまっていた。
　実施例２では、球面全面が検査可能な表面検査装置２について、図９～図１１を用いて説明する。図９は、実施例２の表面検査装置の構成を示す平面図である。本実施例では、実施例１の装置構成に加え、同形状の円環ビームを照射する同一の光照射装置を光照射装置６０としてもう一式追加した。すなわち、表面検査装置２は、図９に示すように、２つの光照射装置５０及び６０として、２つの光生成装置（本実施例においてはレーザ発振器）１０１及び２０１と、２つのビームエキスパンダ１０２及び２０２、２つのアキシコンレンズ１０３及び２０３並びに２つのアキシコンレンズ１０４及び２０４からそれぞれなる２つの光学装置５１及び６１と、を有する。
　また、表面検査装置２は、２つの光照射装置５０及び６０に対応する、半円環状かつ帯状の被照射面を有する２つのスクリーン（以下、本実施例において半円環状スクリーンと称する）１０５ｂ及び２０５ｂと、２つのラインセンサカメラ１０６及び２０６と、２つのレンズ１０７及び２０７と、２つのラインセンサカメラ１０８及び２０８と、２つのレンズ１０９及び２０９と、を備える。さらに、表面検査装置２では、第１の光照射装置５０（光生成装置１０１及び光学装置５１）と第２の光照射装置（他の光照射装置）６０（他の光生成装置２０１及び他の光学装置６１）に円環ビーム１０ｂと２０ｂを半円環状に成形するための遮光板１２１および２２１がそれぞれ追加されている。
　第１の光照射装置５０の光軸１０ａと第２の光照射装置６０の光軸２０ａとのそれぞれは、球体１００の中心Ｏを通り且つお互いが９０°の角度をなす。回転軸１１ｂは、光軸１０ａおよび２０ａとそれぞれ１３５°および４５°の角度をなし且つ回転軸１１ｂを含む平面を挟んで光軸１０ａおよび２０ａが同じ側の位置に配置されるように設定する。また、回転軸１１ｂは、光軸１０ａと光軸２０ａが作る平面上に存在する。これにより、球体１００の頂点Ｔを球体１００の上、頂点Ｔ’を球体１００の下と定義すると、円環ビーム１０ｂの検査範囲は、球体１００の下半分、円環ビーム２０ｂの検査範囲は、球体１００の上半分となる。その結果、実施例２では、球体１００の球面全面の検査が可能となる。
　図１０は、球体１００の照明状態を示す斜視図である。図１０（ａ）では、説明のため、スクリーンの描写を省略している。本実施例では、球体１００とアキシコンレンズ１０４との間に遮光板１２１を配置し、球体１００とアキシコンレンズ１０４との間に遮光板２２１を配置する。遮光板１２１および２２１は、円環ビーム１０ｂおよび２０ｂを半円環ビーム１０ｃおよび２０ｃに成形している。図１０（ａ）には、球体１００の球面に照射された半円環ビーム１０ｃの照明領域１１０ｃが斜めのハッチングで示されている。また、球体１００の球面に照射された半円環ビーム２０ｃの照明領域２１０ｃは、点線で囲まれた領域で示されている。
　本実施例では、図１０（ｂ）に示すように、半円環状スクリーン１０５ｂおよび２０５ｂは、半円環状になっている。球体１００の球面に半円環ビーム１０ｃおよび２０ｃを照射し、その反射光を半円環状スクリーン１０５ｂおよび２０５ｂに投射する。これにより、半円環ビーム１０ｃおよび２０ｃの球体１００の球面からの反射光同士がスクリーン上で干渉することおよびスクリーン同士の物理的な干渉を防いでいる。
　図１１は、光軸１０ａまたは２０ａ方向から球体１００を観察した平面図であり、ラインセンサカメラとスクリーンとの位置関係を示している。また、照明領域１１０ｃと２１０ｃを斜めのハッチングで示している。ラインセンサカメラ１０６および１０８と半環状スクリーンの位置関係を図１１（ａ）に示す。ラインセンサカメラ１０６および１０８は、半円環状スクリーン１０５ｂの外側の位置に配置する。実施例１と同じく、ラインセンサカメラ１０６および１０８の円周方向の視野範囲１１１は、少なくとも、図１１（ａ）中の半円環状スクリーン１０５ｂの０°～（９０°）～１８０°の１８０°分の範囲をカバーする。本実施例では、ラインセンサカメラ１０６およびラインセンサカメラ１０８の観察光軸１２ａおよび１２ｂは、実施例１と同じく半円環状スクリーン１０５ｂの４５°と１３５°の位置でそれぞれ交わるように設定する。図１１（ｂ）は、ラインセンサカメラ２０６および２０８と半円環状スクリーン２０５ｂの位置関係を示している。ラインセンサカメラ２０６および２０８と半円環状スクリーン２０５ｂとの位置関係、および、ラインセンサカメラ２０６および２０８の円周方向の視野範囲２１１は、ラインセンサカメラ１０６および１０８と半円環状スクリーン１０５ｂとの関係と同じである。また、ラインセンサカメラ２０６および２０８の観察光軸２２ａおよび２２ｂの角度も、ラインセンサカメラ１０６および１０８と半円環状スクリーン１０５ｂとの関係と同じである。
　本実施例は、球体１００に円環状の半円環ビーム１０ｃおよび２０ｃを照射し、球面からの反射光を半円環状スクリーン１０５ｂおよび２０５ｂに投射する。これにより、半円環状スクリーン１０５ｂおよび２０５ｂの表面を観察することにより、実施例１の効果に加え、球面全面を検査が可能となる。
　また、実施例２の変形例となる表面検査装置２’を図１２と図１３を用いて説明する。図１２は、本実施例の変形例である表面検査装置２’を示す平面図である。表面検査装置２’は、光軸１０ａと光軸２０ａが同軸上に存在し、かつ、球体１００の中心Ｏを通る。また、レーザ発振器１０１とレーザ発振器２０１は、球体１００の中心Ｏ挟んで反対側に位置する。回転軸１１ｂは、光軸１０ａまたは２０ａと４５°の角度をなしており、光軸１０ａ、回転軸１１ｂ、半円環状スクリーン１０５ｃの円筒軸は同じ平面上に存在する。図１３は、球体１００の球面に半円環ビーム１０ｃおよび２０ｃを照射した状態を説明するための拡大斜視図である。図１２には、球体１００の球面に照射された半円環ビーム１０ｃおよび２０ｃの照明領域１１０ｃおよび２１０ｃをハッチングで示している。表面検査装置２’では、半円環ビーム１０ｃと２０ｃは光軸１０ａと回転軸１１ｂが作る平面に対して同じ側を照射する。この構造により、光軸１０ａを挟んで半円環状スクリーン１０５ｃと反対側に空間が生じるため、球体１００を検査領域に搬送することが容易になる。
　実施例２の表面検査方法は、光照射装置５０とは異なる光照射装置６０によって、円環ビーム１０ｂとは異なる円環ビーム２０ｂを円環ビーム２０ｂの光軸２０ａを中心に円形になるように成形した円環ビーム２０ｂを、その光軸２０ａが球面の中心を通るように球面に照射し、球面で反射した円環ビーム２０ｂの反射光を、半円環状スクリーン１０５ｂとは異なる半円環状スクリーン２０５ｂの凹面となった被照射面に投射すること、を有する。
　実施例２の表面検査装置２及び２’は、光生成装置１０１及び光学装置５１に加えて、円環ビーム２０ｂを生成する光生成装置２０１と、円環ビーム２０ｂを円環ビーム２０ｂの光軸２０ａを中心に円形になるように成形し、円形になるように成形された円環ビーム２０ｂを、円環ビーム２０ｂの光軸２０ａが球面の中心を通るように球面に照射する光学装置６１と、を備える。
＜実施例３＞
　実施例１では、球面をほぼ同一の感度で検査可能且つ検査対象の球体の直径が変化しても同一の検査装置で検査可能な表面検査装置について説明した。しかし、実施例１では、球面全面のうち、検査領域は、一部にとどまる。また、実施例２およびその変形例では、円環ビームを照射する光学系を２つ組み合わせることで、球体１００の球面全面を検査可能な装置について説明した。しかし、実施例２およびその変形例では、光学系が２つ必要であるので、装置が大型化する。
　実施例３では、検査装置を大型化することなく、検査領域を実施例１よりも拡張することができる表面検査装置３について図１４～１６を用いて説明する。図１４は、表面検査装置３の側面図である。表面検査装置３においては、光照射装置７０は、実施例１の表面検査装置のアキシコンレンズ１０４と球体１００の間に配置されたアキシコンレンズ３０１を備えた光学装置７１を有する。実施例３では、アキシコンレンズ３０１は、実施例１のアキシコンレンズ１０３および１０４と同形状且つ同材質とする。また、アキシコンレンズ３０１は、図示しない移動機構により、Ｙ軸方向に移動できるものとする。アキシコンレンズ３０１の円錐軸は、光軸１０ａと一致し且つ円錐の頂点は、球体１００の方を向いている。この場合、アキシコンレンズ３０１の円錐の稜線を通過した円環ビーム１０ｂは、光軸１０ａに向かう方向に屈折し、アキシコンレンズ１０３の外径ｄｒは、光軸１０ａを中心として光路長に比例して小さくなる。
　図１５は、球体１００の照明状態を示す拡大図である。図１５では、アキシコンレンズ３０１を透過した後の円環ビーム１０ｂのうち、外輪にあたる光１０ｄ’のみを図示している。なお、光１０ｄ’と光軸１０ａのなす角をγとおく。すなわち、球体１００の球面に対する、光１０ｄ’の入射角は４５°－γとなる。実施例３の場合、アキシコンレンズ３０１は、アキシコンレンズ１０３および１０４と同形状且つ同材質のため、γは、実施例１の図１または実施例３の図１４中のα’と等しくなり、γ＝α’＝ｓｉｎ－１（ｎ×ｓｉｎα）となる。実施例３では、α＝１０°、ｎ＝１．４５６のため、γ＝４．６５°となる。アキシコンレンズ間距離ａおよびアキシコンレンズ３０１を適切な位置に移動し、光１０ｄ’が球体１００の頂点Ｔから４５°－γ移動した位置にある点Ａ１に照射したとき、点Ａ１からの反射光は、光軸１０ａに対し、垂直方向に反射する。これにより、反射光が回転軸１１と干渉することなく、環状スクリーン１０５上の点Ａ１’に投射される。
　次に、図１６を用いて、点Ａ１に光１０ｄ’を照射するための、アキシコンレンズ間距離ａおよびアキシコンレンズ３０１の円錐の頂点と球体１００の中心点Ｏとの間の距離ｂの一例を説明する。例えば、円環ビーム１０ｂの外径ｄｒを３０ｍｍとすると、式（１）にｎ＝１．４５６、α＝１０°を代入し、ａ＝１８８．０７ｍｍと求まる。
　　ｄｒ＝２ａ×ｔａｎ（（ｎ―１）α））　…（１）
　次に、円環ビーム１０ｂは、アキシコンレンズ３０１を透過すると、光軸１０ａに向かって、円環の外径が縮小する円環ビーム１０ｄとなる。この縮小量は、アキシコンレンズ３０１と球体１００との間の距離に比例する。円環ビーム１０ｄが点Ａ１に到達したときの外径をｄｒ’とすると、図１６より、式（１７）および（１８）が成立する。
　　ｄｒ’＝２ｒ×ｃｏｓ（４５°－γ）　…（１７）
　　（ｄｒ－ｄｒ’）／２＝（ｄｒ／２×ｓｉｎα＋ｂ－ｒ×ｓｉｎ（４５°－γ））×ｔａｎγ　…（１８）
　式（１７）および（１８）にｄｒ＝３０ｍｍ、α＝１０°、γ＝４．６５°を代入すると、ｂ＝５０．９８ｍｍとなる。実施例３において、アキシコンレンズ１０３および１０４の間の距離をａ＝１８８．０７ｍｍ、アキシコンレンズ３０１の円錐の頂点と球体１００の中心Ｏの間の距離をｂ＝５０．９８ｍｍとすれば、球体１００からの反射光が回転軸１１に干渉しない。その結果、検査領域を実施例１の検査領域１１２より拡大することができる。
　この場合、球体１００の検査領域の割合Ｓは、球体１００の球面全面に対し、球体１００の半径ｒ、弧ＴＡ１’の中心角４５°－γおよびγ＝４．６５°を用いて、式（２）を変形して求められる。
　　Ｓ＝ｄｒ’／２ｒ＝２ｒ×ｃｏｓ（４５°－γ）／２ｒ
　　　＝ｃｏｓ（４５°－γ）＝０．７６２＞０．７０７　…（２）’
　式（２）’の結果より、実施例１にアキシコンレンズ３０１を追加し、円環ビーム１０ｂにγの入射角をつけると、実施例１の場合と比較して検査領域を拡大することができる。
　第３の実施例の表面検査装置３は、実施例１の効果に加え、さらに装置を大型化することなく検査領域を拡大することができる。
　実施例３の表面検査方法において、円環ビーム１０ｂの外径は、光路長に比例して縮小し、円環ビーム１０ｄと光軸１０ａのなす角をγ（ただし、０°＜γ＜４５°）、球面を有する球体の半径をｒとした場合、円環ビーム１０ｄが球体１００に照射されたときの円形光の外径が、２ｒ×ｃｏｓ（４５°－γ）となるように円形光を成形する。
　実施例３の表面検査装置３において、光学装置７１は、円環ビーム１０ｂの外径を光路長に比例して縮小するアキシコンレンズ３０１を備える。
＜実施例４＞
　実施例４の表面検査装置４を、図１７を用いて説明する。実施例１では、環状スクリーン１０５が湾曲し、死角ができるため、２台のラインセンサカメラ用いて環状スクリーン１０５上の光学像の観察を行っていた。実施例４では、環状スクリーン１０５に投射される光学像を死角なく１台のラインセンサカメラで検出する。
　表面検査装置４は、実施例１の表面検査装置１の環状スクリーン１０５を円弧状かつ帯状の被照射面を有するスクリーン（以下、本実施例において円弧スクリーンと称する）１０５ｄに置き換えている。図１７は、表面検査装置４をレーザ発振器１０１から見た正面図である。円弧スクリーン１０５ｄは、十分に大きな半径Ｌ０’をもつ円弧の一部であり、光軸１０ａ側が凹状になっている。円弧スクリーン１０５ｄの中心点Ｏｄは、球体１００の中心点Ｏと比較し、ラインセンサカメラ１０６から遠い位置にあり、ＯとＯｄは、Ｌ０’－ｕ１だけ離れている。球体１００の球面上の点Ａおよび点Ｂから反射した光は、回転軸１１と平行な反射光となり、円弧スクリーン１０５ｄに投射される箇所をそれぞれ点Ａ１’および点Ｂ１’とする。弧ＡＢからの反射光を観察できれば、球体１００を回転軸１１を中心に回転させた場合、回転軸１１に対称な領域も観察できるため、照明領域１１０のすべての領域が検査可能となる。弧ＡＢからの反射光は円弧スクリーン１０５ｄでは、弧Ａ’Ｂ’の照明領域に投射される。実施例４では、弧Ａ’Ｂ’の角度δが比較的小さいため、一台のラインセンサカメラ１０６で死角なく円弧スクリーン１０５ｄ上の必要な領域の光学像を観察することができる。例えば、Ｌ０’＝１２０ｍｍ、Ｌ０’－ｕ１＝９０ｍｍの場合、球体１００の半径がｒ＝１５ｍｍ、円環ビーム１０ｂの外径ｄｒが１．４１４ｒであることを用いて、δ＝８２．８°となる。そして、ラインセンサカメラ１０６と円弧スクリーン１０５ｄ間の距離が十分離れていれば、一台で円弧スクリーン１０５ｄ上の弧Ａ１’Ｂ１’が視野範囲になる。
＜実施例５＞
　実施例５では、球体１００の半径ｒが変化しても、同じ倍率で検査可能な表面検査装置５について、図１８を用いて説明する。本実施例では、実施例１と同様に、球体１００からの反射光は球体１００の回転軸方向、回転方向にそれぞれ拡大されて環状スクリーンに投射される。特に、球体１００の回転軸方向は、式（８）より環状スクリーンと光軸１０ａの距離Ｌ０と球体１００の半径ｒから求まる。
　　Ｍ＿ＸＺ＝１．４１４×Ｌ０／ｒ　…（８）
　実施例５では、スクリーンは、中空の円錐台形状かつ帯状の被照射面を有する円錐台スクリーン１０５ｅであって、円錐台スクリーン１０５ｅの円錐軸は光軸１０ａと一致する。円錐台スクリーン１０５ｅは、Ｙ軸方向（光軸１０ａ方向）に移動可能な構成を有する。この構造により、球体１００の半径ｒが変化しても、円錐台スクリーン１０５ｅをＹ軸方向（光軸方向）に動かすことで円錐台スクリーン１０５ｅの投射面までの距離Ｌ０を調節し、円錐台スクリーン１０５ｅに投射される光学像の回転軸方向の倍率Ｍ＿ＸＺを一定にできる。また、表面検査装置５では、球体１００の保持装置４０１は、円錐台スクリーン１０５ｅの中空のうち、円環ビーム１０ｂの照射方向と反対側の方向から挿入できる形態とする。
　以上の構造により、表面検査装置５では、実施例１の効果に加え、球体１００の半径ｒに関わらず、同一の倍率で球体１００の表面を検査することができる。
　実施例５の表面検査装置５の円錐台スクリーン１０５ｅは、中空の円錐台形状であって、光軸１０ａから円錐台スクリーン１０５ｅの投射面までの距離が可変となるよう光軸１０ａの方向に移動可能な構成を有する。
＜実施例６＞
　実施例１の保持装置１１５は、球体１００を回転させるように構成されている。本発明の検査対象物は、球体１００に限らず、球面を有する部材であれば球体に限定されない。例えば、球面を有するピストンが、検体対象物であっても良い。図１９は、実施例６の表面検査装置の保持装置６１５の構成を示す図である。実施例６の保持装置６１５は、ピストン１００ｂを回転可能に保持することが可能である。
　ピストン１００ｂは、テーパ形状の本体部に球面を有する球体部１００ｃが一体的に形成されたような形状を有する。表面検査装置１は、保持装置６１５の構成及び配置をピストン１００ｂに合わせることで、ピストン１００ｂを検査対象物とし、この球体部１００ｃを検査対象部とすることが可能である。すなわち、光照射装置５０は、ピストン１００ｂの球体部１００ｃに円環ビームが照射されるように構成されることができる。
　より具体的には、保持装置６１５は、ピストン１００ｂを、回転機構を含んだ回転可能な保持器６１７に設置される。ラインセンサカメラ１０８とレンズ１０９は、観察光軸１２ｂが環状スクリーン１０５に対して４５°の角度をなすように配置されている。また、ラインセンサカメラ１０６とレンズ１０７も、観察光軸１２ａが環状スクリーン１０５に対して４５°の角度をなすように配置されている。
　また、保持装置６１５は、保持器６１７に加え、揺動可能な揺動機構（例えば本実施例においてはゴニオステージ）６１８を有する。本実施例においては、保持器６１７の回転機構（例えば回転ステージ）と揺動機構６１８のゴニオステージとは、一体的に形成されている。揺動機構６１８によって回転軸１１を揺動させる（ピストン１００ｂを傾ける）ことによって、球体部１００ｃの頂点Ｔの方まで検査範囲を拡大することができる。
＜実施例７＞
　実施例７の表面検査装置７は、球体１００に対して、円形に形成された光を照射する光照射装置８０を有する。図２０を用いて、実施例７の表面検査装置７を説明する。円環状の円環ビーム１０ｂを球体１００に照射する実施例１とは異なり、本実施例では、球体１００に照射される光は、円形になるように成形された円形光である。図２０に示すように、表面検査装置７は、光生成装置（レーザ発振器）１０１、ビームエキスパンダのみからなる光学装置７０２、環状スクリーン１０５、ラインセンサカメラ１０６、レンズ１０７、ラインセンサカメラ１０８、レンズ１０９を備える。表面検査装置７においては、光学装置７０２は、実施例１で示したアキシコンレンズ１０３および１０４を備えていない。光学装置７０２は、ビーム径を拡大または縮小させるビームエキスパンダ（光学システム）である。光学装置７０２は、ケプラー式ビームエキスパンダでも、ガリレオ式ビームエキスパンダでも良い。実施例６の光学装置７０２は、対物レンズ７０２ａと、像側レンズ７０２ｂと、を有している。対物レンズ７０２ａに入射する平行光は、対物レンズ７０２ａと像側レンズ７０２ｂとの間にある焦点で集光し、対物レンズ７０２ａから照射距離が離れるほど円形光の径が大きくなる。そして、像側レンズ７０２ｂに入射した円形光は、像側レンズ７０２ｂを通過すると再び光軸１０ａと平行で且つ円形の円形光１０ｅになる。円形光１０ｅの光軸１０ａは、球面の中心Ｏを通過する。
　本実施例のように、球体１００に照射される光を円形にすることによっても、円環状の光を照射する場合と同様に、球体１００の表面検査を行うことが可能となる。
　また、例えば実施例７のように円形の光を用いて表面検査を行う場合、又は上記した種々の実施例のように複数の位置から球体１００に光を照射する場合など、また、球体１００の一部のみを検査する場合など、によって、球体１００を回転させることが不要となる場合がある。また、揺動機構６１８についても同様である。すなわち、保持装置１１５、４０１及び６１５は、回転機構１１７又は揺動機構６１８を有する必要はなく、検査対象物を所定の位置に保持するように構成されていればよい。
　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例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、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例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。
１、２、２’、３、４、５、７　表面検査装置
１０、２０　平行ビーム
１０ａ、２０ａ　光軸
１０ｂ、１０ｄ、２０ｂ　円環ビーム
１０ｃ、２０ｃ　半円環ビーム
１１、１１ｂ　回転軸
１２ａ、１２ｂ、２２ａ、２２ｂ　観察光軸
３１　像
４１　凹欠陥
５０、６０、７０、８０　光照射装置
５１、６１、７１、７０２　光学装置
１００　球体
１００ｂ　ピストン
１０１、２０１　レーザ発振器（光生成装置）
１０２、２０２　ビームエキスパンダ
１０３、１０４、２０３、２０４、３０１　アキシコンレンズ
１０５　環状スクリーン
１０５ｂ、１０５ｃ　半円環状スクリーン
１０５ｄ　円弧スクリーン
１０５ｅ　円錐台スクリーン
１０６、１０８、２０６、２０８　ラインセンサカメラ
１０７、１０９、２０７、２０９　レンズ
１１０、１１０ｃ、２１０ｃ　照明領域
１１１、２１１　視野範囲
１１２　検査領域
１２１、２２２　遮光板
１１５、４０１、６１５　保持装置

Claims (15)

  1. 　球面を有する検査対象物の前記球面に対し、光照射装置を用いて光を照射して、前記球面で反射した反射光をスクリーンに投射して光学像を形成し、前記光学像の輝度に基づいて前記球面の表面状態を検査する表面検査方法において、
    　前記光照射装置によって、
    　平行光を前記平行光の光軸を中心に円形になるように成形した円形光を、前記光軸が前記球面の中心を通るように前記球面に照射し、
    　前記球面で反射した前記反射光を前記スクリーンの凹面となった被照射面に投射することを特徴とする表面検査方法。
  2. 　請求項１に記載の表面検査方法において、前記円形光は円環状である、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、前記円形光の外径は、光路長に関わらず一定であり、且つ、前記外径が前記球面を有する球体の直径の０．７０７倍になるように成形される、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、前記円形光の外径は、光路長に比例して縮小し、前記円形光と前記光軸のなす角をγ（ただし、０°＜γ＜４５°）、前記球面を有する球体の半径をｒとした場合、円形光が前記球体に照射されたときの前記円形光の外径が、２ｒ×ｃｏｓ（４５°－γ）となるように前記円形光を成形する、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、前記検査対象物を回転可能な保持装置によって保持させ、前記球面の中心を通り且つ前記光軸と直交する回転軸を中心に回転させること、を有する表面検査方法。
  6. 　請求項５に記載の表面検査方法において、前記スクリーンに投射された前記光学像をラインセンサカメラで検出し、前記球面を有する球体の半径をｒ、前記光学像の前記スクリーン上での拡大倍率をＭ、前記ラインセンサカメラの１画素に対する前記スクリーンでの画素寸法をｃ、前記球体の１回転当たりの回転時間をＴ、前記ラインセンサカメラのスキャンレートをｆとした場合、ｆ≧２πｒ×Ｍ／（Ｔ×ｃ）を満たす条件で前記ラインセンサカメラを駆動すること、を有する表面検査方法。
  7. 　請求項５に記載の表面検査方法において、前記球面の欠陥を凹面鏡とみなしたときの焦点距離をＦ、前記球面から前記スクリーンまでの距離をＬ１とした場合、前記スクリーンでの前記光学像において、欠陥由来の輝度変化を前記スクリーン上のスペックルノイズと分離して検出する条件として、スペックルノイズの強度の２σが前記スクリーン上の光学像の平均輝度に対して±Ｎ％であるとき、
    Ｆ×（１＋Ｎ／１００－（１＋Ｎ／１００）０．５）／（１＋Ｎ／１００）≦Ｌ１≦Ｆ×（１＋Ｎ／１００＋（１＋Ｎ／１００）０．５）／（１＋Ｎ／１００）
    または、
    （１－Ｎ／１００＋（１－Ｎ／１００）０．５）／（１－Ｎ／１００）≦Ｌ１
    　を満足するようにＬ１を決定する、表面検査方法。
  8. 　請求項１の表面検査方法において、
    　前記光照射装置とは異なる他の光照射装置によって、
    　前記平行光とは異なる他の平行光を前記他の平行光の光軸を中心に円形になるように成形した他の円形光を、その光軸が前記球面の中心を通るように前記球面に照射し、
    　前記球面で反射した前記他の円形光の反射光を、前記スクリーンとは異なる他のスクリーンの凹面となった被照射面に投射すること、を有する表面検査方法。
  9. 　球面を有する検査対象物を保持する保持装置と、
    　平行光を生成する光生成装置と、
    　前記平行光を前記平行光の光軸を中心に円形になるように成形し、円形になるように成形された円形光を、前記光軸が前記球面の中心を通るように前記球面に照射する光学装置と、
    　前記球面からの反射光が投射され、前記反射光が照射される被照射面が凹面となるように構成されたスクリーンと、
    　前記スクリーンに形成された光学像の輝度に基づいて、前記球面の表面の欠陥を検出する検出装置と、を備えることを特徴とする表面検査装置。
  10. 　請求項９に記載の表面検査装置において、前記光学装置は、前記平行光を円環状に成形する第１のアキシコンレンズと、前記円環状に形成された円環光を前記光軸に対して平行で且つ所定の直径に成形する第２のアキシコンレンズと、を有する、表面検査装置。
  11. 　請求項１０に記載の表面検査装置において、前記光学装置は、前記第１のアキシコンレンズと前記第２のアキシコンレンズとの距離を調整することが可能な構成を有する、表面検査装置。
  12. 　請求項１０に記載の表面検査装置において、前記保持装置は、前記検査対象物を前記球面の中心を通り且つ前記光軸と直交する回転軸を中心に回転させることが可能な構成を有する、表面検査装置。
  13. 　請求項１０に記載の表面検査装置において、
    　他の平行光を生成する他の光生成装置と、
    　前記他の平行光を前記他の平行光の光軸を中心に円形になるように成形し、円形になるように成形された円形光を、前記他の平行光の光軸が前記球面の中心を通るように前記球面に照射する他の光学装置と、を備える、表面検査装置。
  14. 　請求項１０に記載の表面検査装置において、前記光学装置は、前記円環光の外径を光路長に比例して縮小する第３のアキシコンレンズを備える、表面検査装置。
  15. 　請求項９に記載の表面検査装置において、前記スクリーンは、中空の円錐台形状であって、前記光軸から前記スクリーンの投射面までの距離が可変となるよう前記光軸の方向に移動可能な構成を有する、表面検査装置。
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