JP4679995B2 - 欠陥検出方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、透明または半透明の板状体に光を照射してその欠陥の検出を行う欠陥検出方法及び装置に関するものである。

板状体の欠陥を検査する方法として、従来から、目視で行う方法や検査装置を用いて行う方法が知られている。目視で行う方法に関しては、反射光を用いて目視検査の効率を上げる手法が提案されている（特許文献１参照）。

また、検査装置を用いて行う方法に関しては、ラインセンサによる外観検査方法が提案されている（特許文献２参照）。この方法は、被検査物に照射した光が被検査物に欠陥があった場合には、その欠陥部分で光の反射が強く起こることを利用し、その反射光をラインセンサにより撮像して得た信号を２値化処理して、欠陥部分を検出するものである。
特開２０００−６６１６４号公報 特開平８−３０４２９５号公報

しかしながら、近年では製品の高精度化に伴って従来よりも微小な欠陥を発見する必要があることから、欠陥検査を目視で行うことは長時間集中しなければならない根気のいる作業となり、精神的な負担も大きくなり疲労も増大することになる。また、視覚による検査は検査員の主観的な判断に依存することから、検査員が異なる場合、あるいは極端な場合には同じ検査員であっても検査時間の推移によって判断基準が変化する可能性があり、正確な外観検査が行われないという課題があった。

また、従来のラインセンサによる外観検査方法では、板状体の測定面を正確に検査できるのは板状体の検査面が垂直に切断されている場合に限られており、検査面の傾き角度（板状体側面の切断角度）が垂直でないと、反射した光をラインセンサで受光できず十分な光量が得られないために正確な外観検査を行えないという課題があった。

そこで本発明は、板状体の検査面の傾き角度の大きさにかかわらず正確な外観検査を行うことを可能にする欠陥検出方法及び装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の欠陥検出方法は、透明または半透明の板状体の検査面に投光手段から光を照射し、撮像手段によって前記検査面を撮像することを含む、板状体の表面に存在する欠陥部を検出する透明または半透明の板状体の欠陥検出方法であって、前記投光手段はスポット照明光を照射する投光手段であり、検査ステージ上に載置した前記板状体の検査面にスリットレーザー光を照射し、前記検査面からの反射散乱光を演算することで前記検査面の傾き角度を検出するステップと、前記撮像手段と前記投光手段とを、前記投光手段から前記検査面に入射される光の光軸と、前記検査面で反射して前記撮像手段に入射する反射光の光軸とを含む平面が、前記検査面の法線方向に対して０．５°以上１０°以下の角度を成すように位置決め配置するステップと、板状体の検査面を検査するステップを含むことを特徴とする。

上記本発明によれば、板状体の検査面の傾き角度の大きさにかかわらず正確な外観検査を行うことが可能である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明の欠陥検出装置の一実施形態を示す概略構成図である。図２は図１に示した撮像装置およびレンズ、投光装置および板状体を図１のＺ方向から観た図である。

本実施形態の欠陥検出装置は、欠陥検査対象物である透明または半透明の板状体１２が載置される検査ステージ１１と、板状体１２の検査面１２ａを撮像する撮像手段である撮像装置１３およびレンズ１４と、板状体１２の検査面１２ａにスポット照明光を照射する投光手段である投光装置１５とを有している。本実施形態では撮像装置１３にＣＣＤカメラを用いたが、撮像装置１３はこれに限られるものではない。板状体１２は、例えば、電子写真装置の像坦持体上に残留するトナーを摺擦して除去するためのクリーニングブレードである。欠陥検出装置は、さらに、撮像装置１３によって撮像された画像を画像データとして記憶・処理する記憶・処理装置１６と、記憶・処理装置１６に記憶された画像を表示する表示装置１７と、検査ステージ１１を駆動制御する駆動装置１８とを有している。検査ステージ１１は、少なくとも図示Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向に移動可能である。

なお、レンズ１４には、パーフォーカル光学系を用いた高解像度ズームレンズであって、アイリス絞り機能を有し光量を調節可能なものを用いている。さらに詳しくは、レンズ１４は、板状体１２の検査面１２ａの切断角度や平面度の公差に関わらず、撮像装置１３の撮像可能範囲や被写界深度が検査面１２ａを撮像可能な範囲内になるように、０．７５〜３倍まで倍率調節が可能であり、かつ撮像装置１３の被写界深度を０．３〜０．５ｍｍまで調節できるようにアイリス絞りが調節可能な構成になっている。なお、本実施形態では、レンズ１４の倍率が２．０倍に調節され、撮像装置１３の被写界深度が０．５ｍｍとなるようにアイリス絞りが調節されているが、検査面１２ａを撮像可能であればそれらの数値に限定されるものではない。

撮像装置１３およびレンズ１４と、投光装置１５は、それぞれ不図示のブラケットを介して微動ステージ（不図示）上に載置されている。微動ステージは、少なくとも、図示Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向とＸ軸周りに移動可能になっている。この微動ステージは、撮像装置１３、レンズ１４および投光装置１５の、板状体１２の検査面１２ａに対する位置決めを行う位置決め手段として機能する。

さらに、本実施形態の欠陥検出装置は、検査ステージ１１に載置された板状体１２の検査面１２ａの傾き角度を検出する手段として、図３に示すように、板状体１２の検査面１２ａに例えば太さが約３０μｍのスリットレーザー光を照射するレーザー光源２１と、検査面１２ａに照射されたスリットレーザー光の検査面１２ａでの反射散乱光を撮影するＣＣＤエリアカメラ２０とを備えている。図３および図４に示すように、レーザー光源２１はスリットレーザー光を検査面１２ａに対して斜め前方から照射し、ＣＣＤエリアカメラ２０は検査面１２ａの前方（図示Ｙ軸方向）から反射散乱光を撮影するように、レーザー光源２１とＣＣＤエリアカメラ２０がそれぞれ配置されている。

図４（ａ）に示すように検査面１２ａの切断角度が直角である場合（傾き角度が０°の場合）には、検査面１２ａで反射したスリットレーザー光は垂直方向を向いている。これに対し、図４（ｂ）に示すように検査面１２ａが角度θの傾き角度を有している場合には、検査面１２ａで反射したスリットレーザー光は角度θだけ傾く。したがって、ＣＣＤエリアカメラ２０で撮影した反射散乱光の傾き角度を検出することで、検査面１２ａの傾き角度を算出することが可能である。なお、本実施形態ではＣＣＤエリアカメラ２０によって撮影された画像のデータが記憶・処理装置１６に転送されるように構成されており、記憶・処理装置１６は、転送された画像データに基づいて反射散乱光の傾き角度を検出し、検査面１２ａの傾き角度を算出する。

なお、本実施形態の欠陥検出装置は上記の各構成の動作を司る制御部（不図示）を有している。

次に、本実施形態の欠陥検出装置を用いた欠陥検出方法について説明する。

欠陥検出装置の制御部は、欠陥検出動作が開始されるとまず最初に、上述したレーザー光源２１およびＣＣＤエリアカメラ２０と記憶・処理装置１６を動作させて、検査ステージ１１に載置された検査対象である板状体１２の検査面１２ａの傾き角度を測定する。検査面１２ａの傾き角度は、上述したレーザー光源２１とＣＣＤエリアカメラ２０とによって撮影された画像に基づき、記憶・処理装置１６によって算出される。

続いて、欠陥検出装置の制御部は微動ステージ（不図示）を動作させ、測定された検査面１２ａの傾き角度に合わせて、検査面１２ａに対する撮像装置１３、レンズ１４および投光装置１５の位置決めを行う。これらは、投光装置１５から検査面１２ａに入射されるスポット照明光の光軸（入射光光軸）と、検査面１２ａで反射しレンズ１４を通って撮像装置１３に入射する反射光の光軸（反射光光軸）とを含む平面（図２参照）が、検査面１２ａの法線方向に対して角度α（図１参照）を成すように位置決めが行われる。

この角度αは、０°を越え４５°未満に設定することができるが、好ましくは、撮像装置１３の分解能や被写界深度、投光装置１５の配置関係、あるいは板状体１２の検査面１２ａの切断角度の公差の関係等の理由から、０．５°以上１５°以下の範囲であることが好ましい。撮像装置１３や投光装置１５を板状体１２の検査面１２ａに対してこのように傾けて配置することにより、欠陥部を検査する際の光の反射率が良好になり、欠陥部の検出率を高めることが可能になる。

次に、欠陥検出装置の制御部は、撮像装置１３、レンズ１４および投光装置１５を動作させ、検査面１２ａの画像を撮像する。その際、投光装置１５は光量が均一化された直径１５ｍｍ程度のスポット照明光を検査面１２ａに照射する。このスポット照明光の大きさは、レンズ１４の倍率や撮像装置１３の撮像可能範囲に応じて決められる。検査面１２ａに欠陥部がある場合、スポット照明光があてられた欠陥部には影が生じ、欠陥部の輪郭が表れる。検査面１２ａの画像はレンズ１４を通過して撮像装置１３の受光素子上に結像し、撮像装置１３に画像データとして取込まれる。前述したように、レンズ１４には、パーフォーカル光学系を用いた高解像度ズームレンズであって、アイリス絞り機能を有し光量を調節可能なものを使用しているので、像を、ハレーションを起こすことなく、精度よく撮像装置１３に結像させることが可能である。

撮像装置１３に取込まれた画像データは、記憶・処理装置１６に電気信号で転送され、記憶・処理装置１６に記憶される。その後、画像データは記憶・処理装置１６によって画像処理が施され、画像データにおいて欠陥部によって形成された像の位置情報（重心位置）が抽出される。なお、記憶・処理装置１６に画像データが転送される際には、その画像を撮像したときの検査ステージ１１の位置、レンズ１４の倍率、撮像装置１３等の角度α、撮像装置１３の撮像可能範囲などの設定情報も記憶・処理装置１６に入力され、その画像データと関連付けて記憶・処理装置１６に記憶される。

ここで、記憶・処理装置１６による上記の画像処理動作について詳しく説明する。

撮像装置１３には２次元のカメラを用いているため、撮像装置１３で撮影された画像は２次元平面の画像である。その画像の画素数は、１画像に付き約３０万画素である。約３０万の画素の各々は、アナログ階調で２５５段階の光量に段階付けられている。

記憶・処理装置１６は、まず、記憶している画像データの画像フィルター処理を行い、光量が周囲の画素と突発的に大きく異なる画素などの突発的なノイズを除去する。

次に、記憶・処理装置１６は、光量が２５５段階の所定の設定値以下の画素を「１」とし、設定値以上の画素を「０」とする二値化処理を行い、画像データ内の各画素をデジタル化する。続いて、「１」とみなされた画素同士の距離が所定の設定距離以下の場合、その画素同士を結ぶ（すなわち、その画素同士の間に存在する画素も「１」とする）。この処理を各画素について行い、「１」とみなされた画素を１つの島状に纏めることにより１つの塊を生成する。なお、その塊の内部が中空のとき（「０」の画素が存在しているとき）には、塊の内部の画素を「１」とし、塊の内部を「１」の画素で埋める。記憶・処理装置１６は、このようにして生成した島状の塊を欠陥部と認識する。

また、記憶・処理装置１６は、上記の二値化処理とは別に、画像データのフィルター処理を行う。この処理工程では各画素のデジタル化は行わず、各画素をアナログ２５５階調のまま扱う。記憶・処理装置１６は、画像データ内の隣合う画素同士の光量の変化量が所定の設定値よりも大きい部分を点として認識する。その後、その「点」を基に上記の処理と同様に島状の塊を生成し、それを欠陥部と認識する。

ここで、上記の各処理によって認識された欠陥部の中には、本来欠陥部でない部分も欠陥部として認識されているものも含まれている可能性があるため、本来欠陥部でない部分を認識から除外するために、記憶・処理装置１６は以下の処理を行う。

まず、上記の２つの処理工程で認識した欠陥部について、以下の項目に関する数値を求める。
（１）欠陥部を埋める画素の画素数（面積）
（２）欠陥部の一番遠い画素同士の距離
（３）欠陥部を囲む稜線の真円度
（４）欠陥部を囲む稜線の方形度（縦横比）
（５）欠陥部を囲む稜線の長さ
欠陥部と欠陥部でない部分とを判別する所定の条件式に、これらの項目（１）〜（５）に関して求めた数値を当てはめ、認識していた欠陥部が欠陥部であるか欠陥部でない部分であるかを判別し、欠陥部であると判別されたものを欠陥部として確定する。その後、上記項目の数値に基づいて、確定した欠陥部の重心位置を算出する。

なお、上述したように、記憶・処理装置１６に画像データが転送される際に、その画像を撮像したときの検査ステージ１１の位置、レンズ１４の倍率、撮像装置１３等の角度α、撮像装置１３の撮像可能範囲などの設定情報も記憶・処理装置１６に入力され、その画像データと関連付けて記憶・処理装置１６に記憶されており、記憶・処理装置１６は、それらの情報と、上記のように算出した欠陥部の重心位置とに基づいて、検査面１２ａにおける当該欠陥部の位置や大きさを算出し、記憶する。

欠陥検出装置の制御部は、駆動装置１８を駆動させて、撮像装置１３の撮像可能範囲に応じた距離だけ検査ステージ１１を移動させ、駆動装置１８による検査面１２ａの撮影位置を変えてその撮影を行い、撮影した画像を上述したように処理する動作を繰り返し行って、検査面１２ａ全体の検査を行う。

上記のように構成された欠陥検出装置を用いて、８０〜１５０μｍ程度の大きさの欠陥部が存在していることが拡大顕微鏡による測定によって予め確認されている１０個の板状体サンプルの検査面を検査した。これらの板状体の検査面の傾き角度θはそれぞれ異なっている。それらの検査時には、撮像装置１３等の設置角度αは２°に設定した。その検査の結果、１０個の板状体サンプルの全てについて欠陥部が検出された。

これに対し、欠陥検出装置を用いて撮像装置１３等の設置角度αを０°に設定して同じ板状体サンプルの検査面を検査したところ、１０個の板状体サンプルのうち欠陥部が検出できたのは８個であった。

この結果から、検査面１２ａに対して撮像装置１３等の設置角度αを持たせることにより、欠陥部の検出をより正確に行うことが可能であることが分かった。

本発明の欠陥検出装置の一実施形態を示す概略構成図である。 図１に示した撮像装置およびレンズ、投光装置および板状体を図１のＺ方向から観た図である。 検査ステージに載置された板状体の検査面の切断角度を検出するためのレーザー光源およびＣＣＤエリアカメラを示す図である。 図３に示したレーザー光源およびＣＣＤエリアカメラを用いて板状体の検査面の切断角度を検出する様子を示す図である。

符号の説明

１１ 検査ステージ
１２ 板状体
１２ａ 検査面
１３ 撮像装置
１４ レンズ
１５ 投光装置
１６ 記憶・処理装置
１７ 表示装置
１８ 駆動装置
２０ ＣＣＤエリアカメラ
２１ レーザー光源

Claims (2)

1. 透明または半透明の板状体の検査面に投光手段から光を照射し、撮像手段によって前記検査面を撮像することを含む、板状体の表面に存在する欠陥部を検出する透明または半透明の板状体の欠陥検出方法であって、
   前記投光手段はスポット照明光を照射する投光手段であり、
   検査ステージ上に載置した前記板状体の検査面にスリットレーザー光を照射し、前記検査面からの反射散乱光を演算することで前記検査面の傾き角度を検出するステップと、
   前記撮像手段と前記投光手段とを、前記投光手段から前記検査面に入射される光の光軸と、前記検査面で反射して前記撮像手段に入射する反射光の光軸とを含む平面が、前記検査面の法線方向に対して０．５°以上１０°以下の角度を成すように位置決め配置するステップと、板状体の検査面を検査するステップを含むことを特徴とする透明または半透明の板状体の欠陥検出方法。
2. 透明または半透明の検査面に板状体が載置される検査ステージと、前記板状体の検査面を撮像する撮像手段と、前記検査面に光を照射する投光手段とを含む、板状体の表面に存在する欠陥部を検出する透明または半透明の板状体の欠陥検出装置であって、
   前記投光手段はスポット照明光を照射する投光手段であり、
   検査ステージ上に載置した前記板状体の検査面にスリットレーザー光を照射し、前記検査面からの反射散乱光を演算することで前記検査面の傾き角度を検出する角度検出手段と、
   前記撮像手段と前記投光手段とを、前記投光手段から前記検査面に入射される光の光軸と、前記検査面で反射して前記撮像手段に入射する反射光の光軸とを含む平面が、前記検査面の法線方向に対して０．５°以上１０°以下の角度を成すように位置決め配置する位置決め手段と、
   を有していることを特徴とする透明または半透明の板状体の欠陥検出装置。

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