JP2009008643A - 光走査式平面検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 透明フィルム上の突起、窪み、折れなどの平面異常による不良を高速に検査するにあたり、反射率や透過率から検査する方式の表面検査装置では平面異常だけを選択的に検出することは非常に困難であった。またレーザ光を使った凹凸測定による検出方法では表裏の反射光を分別できず正確な測定ができなかった。
【解決手段】光源より出射された光を、前記平面に対してライン状に走査する光走査手段と、該走査光による該平面および平面異常部からの透過光を受光する反射光位置検知手段と、該検知手段からの検知信号により該平面異常部の角度を算出して平面異常の検査を行う角度検査測定部と、を有する光走査式平面検査装置とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、透明シートなどの透明な平面物体上に形成されたくぼみ、突起、折れなどの平面異常を検査する平面検査装置に関する。

透明フィルムやガラス板など透明性の平面でできている製品が最近多くなっており、その品質保持の要求も高くなっている。これらはその製造工程において、支持体をローラーなどで搬送し連続走行させることが多い。

この際走行時に製品を支持するローラーなどに異物が付着するなどすると製品を変形させ製品の平面異常を発生する。これらの平面異常は人間の目には製品を傾けるなどして容易に発見され、外観不良とされる。また平面異常が工程内で発生すると工程中に支持体が破断したり、後工程での処理が不均一になる等の不具合が発生する。したがって、上述のような製品においては、支持体の表面に存在する平面異常を確実に検出し、外観不良を防止し、工程不良を防止することが極めて重要である。

このように連続走行するシート状物の表面に存在する一般的な欠陥を検出するためには、例えば特開２００３−１４９１６３号公報で公知の表面検査装置が用いられている。この表面検査装置は、正常部分と欠陥部分とで光の反射率や透過率あるいは拡散光量が異なることを利用しており、被検査体の表面にレーザによる走査光を照射してその反射光もしくは透過光を受光器により光電検出し、この検出出力に基づいて各種欠陥の有無を評価するものである。そして、この表面検査装置は、検出した反射光や透過光強度の変化のパターンから、異物の付着や凹凸の存在等の表面形状欠陥の他、表面色の濃度や光沢の異常など様々な欠陥の有無を検査することができる。

また、表面凹凸を検査する方法としてはレーザ光を使用して検査を行う方法も行われている。例えば特開２００６−０７８４５７号公報で公知の基板検査装置が用いられている。この検査装置は対象物に斜め方向よりレーザ光を照射し、その反射光を結像レンズを介してＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）センサにより検出して、三角測量の原理で高さの計測を行うものである。例えば、レーザ光の入射角度、反射角度を共に４５°とし、結像レンズの倍率をａとすると、対象物上の実際の高さｈ_０に対して、ＰＳＤセンサ上の見掛け高さｈ_１は、ｈ_１＝

また、微小な表面凹凸を検査する方法としてはさらに上記を改良した、特願２００６−２２７１６５号の平面外観検査装置が用いられている。この検査装置は図７に示すように対象物６に斜め方向よりポリゴンスキャナ２によって走査されたレーザ光を照射し、その反射光を結像レンズ８を介してＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）センサ９により検出して、反射角度の計測を行うものである。例えば、図８においてＰＳＤ上の光点位置変動量ｘと光学系の第１レンズ焦点距離ｆ１と第２レンズ焦点距離ｆ２と反射光傾き角θ２と再結像面からの距離ｄから平面上の反射角変動θ１を
θ１＝（ｆ２・ｘ）／（２・ｆ１・ｄ）
として傾斜角が検出されるものである。

最近は平面異常の有無だけでなく、その深さを測定した上で製品の合否を判定する要求が多くなってきている。しかしながら表面上記の反射率や透過率から検査する方式の表面検査装置では、平面異常の有無や大きさは判定できても深さを検出することは非常に困難であった。

また上記のレーザ光を使った三角測量法による検出方法については薄い透明シートなどの場合、表側の反射光と裏側の反射光がずれて混入するために表面と裏面の反射光量の差があるとＰＳＤの出力位置が変わってしまう。そのためＰＳＤの出力位置が変わったときに高さが変化したのか反射光量が変化したのかわからないため高さ変化を算出できないという問題点があった。

また上記のレーザ光を使った反射角度を検出する方法については薄い透明シートなどの場合、上記高さ検出でも問題となった、表側と裏側の反射光量差の影響を受ける他、同じ傾斜角度でも表側の反射光と裏側の反射光では受光する光線の角度が変わってしまうという現象があり、そのために表面で反射したか裏面で反射したかを判別しないと実際の傾き量の算出ができないという問題点があった。

たとえば屈折率１．５の透明フィルムに４５度の角度で光を入射させた場合において透明フィルム表面上の角度５度の傾きが表面にあった場合と裏面にあった場合の光線経路を図９に示す。傾きが表面にあった場合には反射光は１０度の傾きを持つが、裏面反射光は逆側４．３度の傾きをもち、しかも裏面反射光の方が光量が多くなる。一方傾きが裏面にあった場合には表面反射光は変化しないが裏面反射光が１７．２度となり表面に傾きがあった場合より大きな影響を持つ。

なお干渉計による平面異常測定は可能であるが検査速度、検査環境の面で製造工程内で使用できるものではない。

そこで、本発明は透明な薄いシート状の対象物であっても平面異常を高速に検査することができる平面検査装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、対象平面に光源より光を照射し、その透過光を受光して該平面を検査する平面検査装置であって、前記光源より出射された光を、前記平面に対してライン状に走査する光走査手段と、該走査光による該平面および平面異常部からの透過光を受光する１次元ＰＳＤまたは位置検出型光電子増倍管と、そこからの検知信号により該平面異常部の角度を算出して平面異常の検査を行う角度検査測定部と、を有する光走査式平面検査装置とした。

また対象物平面と１次元ＰＳＤまたは位置検出型光電子増倍管の間に結像レンズを設け、１次元ＰＳＤまたは位置検出型光電子増倍管は結像レンズによる結像位置から所定の距離だけ光軸方向に離れて設けた。
また対象物平面と１次元ＰＳＤまたは位置検出型光電子増倍管の間にバンドルされた光ファイバを設け、光ファイバの入射口と光走査手段によって集光された走査線とを共役とするシリンドリカルレンズを設けた。
またさらに対象物および表面異常部からの反射光を受光する１次元ＰＳＤまたは位置検出型光電子増倍管と、そこからの検知信号により表面異常部の反射光角度を算出し、表面異常の検査を行う角度検査測定部とを設けた。

上記のように構成したことにより、平面検査にあたっては、光走査手段によりスポット光で平面全面を光走査を行い、平面異常部があるとそこで屈折が生じるので正常な平面の場合の透過光と比べ透過光の角度の差異が発生する。この差異を透過光位置検出手段で検知し、角度データを算出することにより角度変化部分を抽出し平面検査を行うことができる。さらにＰＳＤにより各位置の角度が定量的に検出できるのでこのデータを積分することにより平面異常部の形状を再現することができ、凹部深さを算出することが可能となる。
さらに透過光と別に反射光を同時に検出することにより、両者の比較から表面異常部が表面にあるか裏面にあるかを識別することができ、一層正確な表面状態の把握が可能となる。

以下に、本発明の光走査式平面検査装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

図１に、本発明の第１の実施例の構成図を示す。対象平面６の上方には、光源として半導体レーザコリメーション光源１が配設され、半導体レーザコリメーション光源１から出射されたレーザ光がポリゴンスキャナ２に入射する。ポリゴンスキャナ２が回転することにより走査レンズ３には走査されたレーザ光が入射し、対象平面６上に、レーザ走査光が照射される。これらポリゴンスキャナ２、走査レンズ３により光走査手段を構成する。

一方、対象平面６上に照射されたレーザ走査光の透過位置に対向して光検出器としてＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）９が配置される。このときＰＳＤ９の電極長さは、光走査幅の長さ以上となるように設定される。ＰＳＤ９からの検知信号はＩ／Ｖ変換回路１０、Ａ／Ｄ回路１１を介して角度検査測定部７に送出される。

角度検査測定部７は、ＰＳＤ９の検知信号より後述する方法により反射光の傾き角を算出し平面異常を検知する。また、光走査と直交した方向に対象平面６が搬送手段４によって搬送されることにより平面異常を連続して検査することができる。

ここで図２（ａ）により傾き検出原理を説明する。平面６に凹凸がない場合、投射した光は投射角度のまま透過する。ここで平面６に凹凸をもつ平面異常５があると斜面が存在するので斜面の片面では透過光は屈折され傾いて透過する。斜面のもう片面では傾きの方向が逆なので屈折光は逆方向に傾いて透過する。図は表面に凹部がある状態を示しているが裏面に凹部があっても同方向にほぼ同じ角度傾く。

次にＰＳＤ検知信号から傾きを算出する方法を説明する。平面６からＰＳＤまでの距離をｄとし、ＰＳＤ上の光点の移動量をｘ、光線傾き角をθ２とするとｘ＝ｄ・ｔａｎθ２となるのでこれから光線傾き角θ２を求めることができる。ｄの値を大きくすれば検出感度があがるが検出範囲が狭くなる。要求される検出範囲と角度から適正なｄを設定する事ができる。

上記で平面異常５の斜面角度をθ１とするとθ１の傾斜により屈折光はスネルの法則ｎｓｉｎθ＝ｎ′ｓｉｎθ′にしたがって傾く。例えば屈折率１．５で斜面角度θ１が１度の場合、透過光角度θ２は約０．５°傾く。これを逆算することによりθ１を求めることができる。このようにして各位置における斜面角度θ１が図（ｂ）のように求まる。これを積分すると凹部の形状として（ｃ）のように求まる。これから凹部深さを算出することができる。

平面異常部が上面にあるときと下面にあるときの差はθ１が１０度のとき屈折角約５度に対し０．０７度程度であり１％程度の誤差となる。この誤差はθ１が大きくなると大きくなる。よってθ１の角度が大きい場合には後述する表裏識別を行ったほうが精度があがる。

次に本発明の第２の実施例を以下に示す。
図３は本発明の第２の実施例を説明したもので、対象平面６の上方には、光源として半導体レーザコリメーション光源１が配設され、半導体レーザコリメーション光源１から出射されたレーザ光がポリゴンスキャナ２に入射する。ポリゴンスキャナ２が回転することにより走査レンズ３には走査されたレーザ光が入射し、対象平面６上に、レーザ走査光が照射される。これらポリゴンスキャナ２、走査レンズ３により光走査手段を構成する。

一方、対象平面６上に照射されたレーザ走査光の透過位置に対向してシリンドリカルレンズである結像レンズ２１が設けられ、その再結像位置からｄ離れたところに光検出器としてＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）９が配置される。このときＰＳＤ９の電極長さは、光走査幅に走査ビームのＰＳＤ上の径を加えた長さ以上となるように設定される。ＰＳＤ９の電極Ａ，Ｂからの検知信号はＩ／Ｖ変換回路１０、Ａ／Ｄ回路１１を介して角度検査測定部７に送出される。

角度検査測定部７は、ＰＳＤ９の検知信号より後述する方法により反射光の傾き角θ２Ｔを算出し平面異常を検知する。また、光走査と直交した方向に対象平面６が搬送手段４によって搬送されることにより平面異常を連続して検査することができる。

一方対象平面６により反射した光はハーフミラー２２で反射し、ここでもシリンドリカルレンズである結像レンズ２１を介して、その再結像位置からｄ離れたところにＰＳＤ９が配置される。このＰＳＤ上の電極Ｃ、Ｄからの出力を角度検査測定部７に入力し、反射光の傾きθ２Ｒが算出される。

ここで次に図４によりＰＳＤ検知信号から傾きを算出する方法を説明する。走査レンズ３により対称平面６上に集光された光は結像レンズ２１により再結像される。ここで走査レンズ３の集光点からレンズ２１までの距離をｓ１、レンズ２１から再結像点までの距離をｓ２とする。

上記で平面異常５の斜面角度θ１の傾斜により反射光は角度θ２≒θ１／２だけ傾く。この傾いた光も結像レンズ２１により同じ点に再結像する。このときＰＳＤ９面を再結像面と一致させるとＰＳＤ９には斜面角度があってもなくても同じ点に入射する。ところがここでＰＳＤ９面を再結像面から一定距離ｄだけ光軸方向に離れた位置に配置するとＰＳＤ９への入射位置は平面上での反射角θ２に比例して変動することになる。

このときの変動量ｘは光学系の前側距離ｓ１と後側距離ｓ２と反射光傾き角θ２と再結像面からの距離ｄにより以下のように求まる。
ｘ＝（ｓ１・ｄ・θ２）／ｓ２
逆算すると以下の式により平面上の反射角変動θ１を計算することができる。
θ２≒（２・ｓ２・ｘ）／（ｓ１・ｄ）
このようにして平面異常５上の光線傾斜角が検出される。上記はシリンドリカル結像レンズ２１の曲率をもつ側で説明したが通常の球面により構成されたレンズでも同じである。

このとき透過光線の角度は前述したように平面異常があるのが上面でも下面でもほぼ同じ値を示す。一方反射光線の角度は上面にある場合は直接反射光と裏面反射光が打ち消し合い、小さな値を示すが、下面にある場合は上面での屈折の影響を受けて大きな値を示す。よって透過光角度と反射光角度を比較する事で平面異常が上面にあるか下面にあるかを判定することができる。

次に本発明の第３の実施例を以下に示す。
図５は本発明の第３の実施例を説明したもので、対象平面６の上方には、光源として半導体レーザコリメーション光源１が配設され、半導体レーザコリメーション光源１から出射されたレーザ光がポリゴンスキャナ２に入射する。ポリゴンスキャナ２が回転することにより走査レンズ３には走査されたレーザ光が入射し、対象平面６上に、レーザ走査光が照射される。これらポリゴンスキャナ２、走査レンズ３により光走査手段を構成する。

一方、対象平面６上に照射されたレーザ走査光の透過位置に対向してシリンドリカルレンズである結像レンズ２１が設けられ、その再結像位置からｄ離れたところに光検出器としてＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）９が配置される。このときＰＳＤ９の電極長さは、光走査幅に結像レンズ８の結像倍率を乗じた長さ以上となるように設定される。ＰＳＤ９からの検知信号はＩ／Ｖ変換回路１０、Ａ／Ｄ回路１１を介して角度検査測定部７に送出される。

角度検査測定部７は、ＰＳＤ９の検知信号より後述する方法により反射光の傾き角θ２Ｔを算出し平面異常を検知する。また、光走査と直交した方向に対象平面６が搬送手段４によって搬送されることにより平面異常を連続して検査することができる。この結果から表面角度θ１を算出し、積分計算などにより表面形状を算出することができる。

一方対象平面６により反射した光は走査レンズ３に戻りポリゴンスキャナ２を介して１／４波長板１４に入射する。ここで反射光は波長板により偏光方向が９０°変化し、偏光ビームスプリッタにより反射され、第２の結像レンズ１７に入射する。さらに第２の結像レンズ１７の焦点からｄ２だけはなれたところに第２のＰＳＤ１８が設けられ、そこからの電極Ｃ、Ｄからの出力を角度検査測定部７に入力し、反射光の傾きθ２Ｒが算出される。

このときの変動量ｘは光学系の走査レンズ焦点距離ｆ３と第２結像レンズの焦点距離ｆ４と反射光傾き角θ２と再結像面からの距離ｄにより以下のように求まる。
ｘ＝（ｆ３・ｄ・θ２）／ｆ４
逆算すると以下の式により平面上の反射角変動θ２を計算することができる。
θ２＝（ｆ４・ｘ）／（ｆ３・ｄ）

このとき透過光線の角度は前述したように平面異常があるのが上面でも下面でもほぼ同じ値を示す。一方反射光線の角度は上面にある場合は直接反射光と裏面反射光が打ち消し合い、小さな値を示すが、下面にある場合は上面での屈折の影響を受けて大きな値を示す。よって反射光から検出されたθ２と透過光から検出されたθ２を比較し、反射光のθ２が透過光のθ２に比べて数倍大きい場合には平面異常部が下面にあると推定できる。このようにして平面異常が上面にあるか下面にあるかを判定することができる。

なお本実施例は反射光をポリゴンミラーに戻す方式のため対応する角度範囲が狭い一方、広域化が容易であるので、検出すべき平面異常角度が微小であってかつ速度が求められる場合に適用できる。

次に、図６に、第４の実施例の構成図を示す。図６は、第１実施例における平面検査装置においてレンズに換えて特殊バンドルファイバを介した構造としたものである。

対象平面上方には、光源として半導体レーザコリメーション光源１が配設され、半導体レーザコリメーション光源１から出射されたレーザ光がポリゴンスキャナ２に入射する。ポリゴンスキャナ２が回転することによりテレセントリックに設計された走査レンズ３には振られたレーザ光が入射し、対象平面上に垂直にレーザ走査光が照射される。

一方透過側には１次元にバンドルされたファイバ２０にシリンドリカルレンズ１９がセットされたものが複数個放射状に配置されている。各シリンドリカルレンズ１９は上記レーザ走査線とファイバ端を共役としている。ファイバの逆側においては各１次元バンドルファイバがさらにバンドルされて２次元の出口となっている。ここにＰＳＤを設けファイバからの光をＰＳＤに入射させる。

対象平面６上に照射されたレーザ走査光は平面異常部で屈折されて曲がった方向のファイバに入射する。ファイバにはいった光は２次元にバンドルされた出口からＰＳＤ９上に入射する。ＰＳＤ９からの検知信号は角度検査測定部７に送出される。

角度検査測定部は、上述したものと同様な方法でＰＳＤ９の検知信号から反射光の傾き角を算出する。ＰＳＤの検出位置をｘ、透過光角度をθ、ファイバ入り口の角度ピッチをα、ファイバ出口のファイバピッチをｈとし、光がｎ番目のファイバを透過したとすると
θ＝（α・ｘ）／ｈ
としてθが求められ、これを積分することで表面の形状が求められる。

この方法は非常に大きな角度まで対応できることが利点である。一方ファイバ入射口の数が限られるため角度検出精度、ひいては形状計測精度は他の方法に比べ悪くなる。

なおいずれの実施例においてもＰＳＤを位置検出型光電子増倍管に置き換えることができ、この置き換えにより、光源光量を少なくできる。またより高速化が可能となる。

またいずれの実施例においてもポリゴンスキャナを共振型ミラースキャナに置き変えることができ、この置き換えにより、コンパクト化、高速化、面倒れ低減が可能となる。

本発明の実施例１における光走査式平面検査装置の構成図である。 （ａ）実施例１における光走査式平面検査装置の平面異常による反射光角度変化を説明するための図である。（ｂ）実施例１における光走査式平面検査装置によって検出された平面異常部の角度変化例である。（ｃ）実施例１において検出された平面異常部の形状算出例である。 実施例１における光走査式平面検査装置の受光光学系の構成および、ＰＳＤによる反射光角度検出原理を説明するための図である。 実施例２における光走査式平面検査装置の構成図である。 実施例３における光走査式平面検査装置の構成図である。 実施例４における光走査式平面検査装置の構成図である。 従来例の構成図である。 従来例における受光光学系の構成および、ＰＳＤによる反射光角度検出原理を説明するための図である。 従来例における透明フィルムの場合の光線説明図である。

符号の説明

１ 光源
２ ポリゴンスキャナ
３ 走査レンズ
４ 搬送手段
５ 平面異常部
６ 対象平面
７ 角度検査測定部
８ 結像レンズ
９ １次元ＰＳＤ
１０ Ｉ／Ｖ変換回路
１１ Ａ／Ｄ変換回路
１２ ビームスプリッタ
１４ １／４波長板
１７ 結像レンズ２
１８ 小型ＰＳＤ
１９ ファイバ用シリンドリカルレンズ
２０ ファイババンドル
２１ シリンドリカル結像レンズ
２２ ハーフミラー
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ ＰＳＤ出力
ｄ 再結像点からの光軸方向距離
ｘ ＰＳＤ上の変動量
ｙ ＰＳＤ上の変動量
ｓ１ 結像レンズ前側距離
ｓ２ 結像レンズ後側距離
ｆ３ 走査レンズ焦点距離
ｆ４ 第２結像レンズ焦点距離
θ１ 平面異常部傾き角度
θ２ 平面異常部出射光角度

Claims (4)

1. 対象物（６）に光源（１）より光を照射し、その透過光を受光して該透明対象物（６）の表面を検査する平面検査装置であって、前記光源（１）より出射された光を、前記対象物（６）に対してライン状に走査する光走査手段（２，３）と、該走査光による該対象物（６）および表面異常部（５）からの透過光を受光する１次元ＰＳＤまたは位置検出型光電子増倍管（９）と、該１次元ＰＳＤまたは位置検出型光電子増倍管（９）からの検知信号により該表面異常部（５）の透過光角度を算出して表面異常の検査を行う角度検査測定部（７）と、を有することを特徴とする光走査式表面検査装置。
2. 前記対象物平面（６）と前記１次元ＰＳＤまたは位置検出型光電子増倍管（９）の間に結像レンズ（８、２１）を設け、前記反射光位置検知手段（９）は結像レンズ（８）による結像位置から所定の距離だけ光軸方向に離れて設けられることを特徴とする請求項１の光走査式表面検査装置。
3. 前記対象物平面（６）と前記１次元ＰＳＤまたは位置検出型光電子増倍管（９）の間にバンドルされた光ファイバ（２０）を設け、光ファイバ（２０）の入射口と前記光走査手段によって集光された走査線とを共役とするシリンドリカルレンズ（１９）を設けることを特徴とする請求項１の光走査式表面検査装置。
4. 前記走査光による対象物（６）および表面異常部（５）からの反射光を受光する１次元ＰＳＤまたは位置検出型光電子増倍管（９）と、該１次元ＰＳＤまたは位置検出型光電子増倍管（９）からの検知信号により該表面異常部（５）の反射光角度を算出し、表面異常の検査を行う角度検査測定部（７）と、を有することを特徴とする請求項１乃至３の光走査式表面検査装置。

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