JP5866573B1 - 検査用照明装置及び検査システム - Google Patents

Abstract

【課題】被検査対象の特徴点で生じる反射や透過、散乱の変化がわずかであっても、撮像装置の観察立体角内における光の変化量を、一定の条件下で判別可能とすることができ、反射や透過、散乱の変化が極めて小さな特徴点でも検出する事が可能な検査用照明装置を提供する。【解決手段】検査用照明装置１００において、検査光を射出する面光源１と、面光源１と検査対象Ｗとの間に、少なくともひとつの遮光マスクＭ１と、遮光マスクがそのレンズの焦点位置を中心として位置するように、遮光マスクＭ１より検査対象Ｗに近い側にレンズ２を配置し、面光源１から放射された光がレンズ２により検査対象Ｗに照射される際に、レンズ２により形成される検査対象Ｗに対する検査光の照射立体角に、遮光マスクＭ１により暗部領域を形成するようにして、被検査対象の特徴点で生じる反射や透過、散乱の変化に合わせて、検査光の照射立体角の形状や大きさ及び傾き角を変更する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば検査対象に検査光を照射し、その製品の外観や傷、欠陥等の検査を行
うために用いられる検査用照明装置、及び検査システムに関するものである。

製品の外観検査等に用いられる検査用照明装置の一例としては、特許文献１に示されるような撮像する方向と、検査対象を照明する方向とを一致させた同軸照明が挙げられる。この同軸照明は、前記検査対象の検査対象面と平行な方向に検査光を射出する光源と、前記検査対象と、当該検査対象の上方に設けられた撮像装置との間において傾けて設けられており、前記検査光を前記検査対象へと反射するとともに、前記検査対象からの反射光は撮像装置側へと透過するように配置されたハーフミラーと、を備えたものがある。

ところで、上述したような検査用照明装置を用いても検出する事が難しい欠陥などの特徴点を、撮像された画像により検出できるようにすることが近年求められている。より具体的には、検査対象である製品の表面性状が完全なミラー面ではないために、検査対象面の特徴点における所望の濃淡情報を得るために、光軸や照射立体角の形状等を精密に制御する事が難しく、検査光を照射できたとしても、特徴点が検察対象のどの位置にあるかによって明暗差が大きく変化してしまい、特徴点を判別することが難しい事例がある。

例えば、絞り等を用いて検査光の照射範囲を検査対象のみに限定することにより、検査対象以外からの反射光や散乱光である迷光を低減して、検査精度を高めることが考えられる。

しかしながら、このような手法により撮像装置内に入射する迷光を低減できたとしても、非常に微小な欠陥等の場合には、撮像される画像の明るさの変化が大きくバラツキ、欠陥として検出する事ができない場合がある。

より具体的には、検査対象上の微小な欠陥等により、照射されている検査光の反射方向がわずかに変化したとしても、撮像装置の観察立体角内に収まる程度の変化の場合には、欠陥の有無に関わらず撮像される画像の明るさとしては変化が生じない。若しくは、検査光の照射立体角が大きく、その光軸の傾きが、検査対象の各点で違っていれば、反射方向のわずかな変化が撮像装置の観察立体角内の光量の変化として捉えられないばかりか、検査対象の各点で、撮像装置の観察立体角内の光量の変化がまちまちとなって、結局、マシンビジョンとしてはこのような微小な欠陥等を、検査対象範囲において正確に捉えられないことになる。

特開２０１０−２６１８３９号公報

本発明は上述したような課題を鑑みてなされたものであり、欠陥などの特徴点が非常に小さかったり微かであったりして、その特徴点で生じる反射や散乱の変化がわずかであっても、検査対象の撮像範囲の各点において、その特徴点がどこにあっても、撮像装置の観察立体角内における光の量を一定の量だけ変化させることができ、ひいては、このような微小な特徴点を検出する事が可能となる検査システム、及び、検査用照明装置を提供することを目的とする。

すなわち、本発明は、検査用照明装置から射出される検査光の照射立体角の大きさや、その形状、傾き等の様態を均一にし、しかもこれを調節できるようにすることで、検査対象における欠陥等が微小であり、その欠陥等による反射や散乱の変化量がごくわずかであっても、撮像装置の観察立体角内での光量の変化として捉えることができ、この変化を明暗情報とする画像が得られるようにするという新規な発想に基づいてなされたものである。

より具体的には、本発明の検査用照明装置は、検査対象に検査光を照射する検査用照明装置であって、前記検査対象において反射又は透過又は散乱する光を撮像する撮像装置とからなる検査システムに適用され、前記検査用照明装置において、検査光を射出する面光源と、前記面光源と前記検査対象との間に設けられ、前記面光源から放射された光を前記検査対象に照射する検査光として、前記検査対象に対する照射立体角を形成するためのレンズと、前記面光源と前記レンズとの間であって、前記レンズの焦点位置を中心としてその前後に設けられ、前記検査対象の各点に照射される検査光の照射立体角を遮光形成する第１の遮光マスクと、を備えており、前記撮像装置で前記検査対象からの光を撮像するときに形成される前記検査対象の各点に対する観察立体角に対して、各点の明暗に所望の変化が得られるように、照射立体角の形状又は大きさや傾きが設定可能なことを特徴とする。

また、前記第１の遮光マスクと前記面光源との間であって、前記レンズが前記検査対象に対して結像する近傍に第２の遮光マスクをさらに備え、前記第２の遮光マスクによって、前記検査対象に対する検査光の照射領域又は照射形状や照射パターンを任意に生成可能なことを特徴とする。

このような検査システム及び検査用照明装置であれば、前記レンズと前記第１の遮光マスクにより、前記検査対象の各点に照射される検査光の照射立体角を略均一に遮光形成しつつ、前記レンズと前記第２の遮光マスクにより、前記検査対象の必要な部分にのみ前記検査光を照射したり、その検査光の照射領域で任意の形状を形成したりすることができる。

言い換えると、例えば通常の面光源等の照明装置を用いる場合であれば、前記検査対象の各点に対する照射立体角の形状や傾きは、前記検察対象の各点と前記照明装置の光源面の形状との関係でそれぞれ決まることから、均一な検査光を得ることが難しいが、本願発明であれば前記検査対象の各点に対する照射立体角の形状や傾きを略均一としつつ調整することができ、なおかつ必要な領域のみに検査光を照射して前記検査対象からの迷光を防止することができる。

さらに、前記検査対象における微小な欠陥等により反射光や透過光又は散乱光の強度や方向がわずかに変化した場合でも、その変化する部分によって前記撮像装置の観察立体角内の光量に変化が生じるように、前記第１の遮光マスクによって、前記検査対象の各点に照射される検査光の照射立体角形状及びその角度を、前記撮像装置の観察立体角の大きさや形状及び角度との相対関係で適切に設定することができ、微小な欠陥等を検出しやすくしたり、または逆に検出されなくしたりすることができる。

また、検査対象の各点における照射立体角の中央部のみが暗部領域になり、周辺部のみが明部領域とする等、様々な態様の照射立体角を形成することができ、前記検査対象における反射光や透過光が前記撮像装置の観察立体角内に入らないようにして、散乱光のみを撮像することもでき、様々な検査対象や検出すべき様々な特徴点で生じる光の変化に応じた照射立体角で検査光を照射することができる。

本発明による、略均一な照射立体角を持つ検査光を前記検査対象に照射した場合に、欠陥等によりその反射方向又は透過方向が変化する際に生じる前記反射光又は透過光の立体角の変化に関し、ごくわずかであっても、その変化を捉えられるようにするには、その立体角の変化に対して、前記観察立体角内の光量変化が最大となり、それ以外の変化に対しては最小となるように、前記検査光の照射立体角と前記撮像装置の観察立体角との相対関係を、その形状や角度及び大きさに対して調整することにより、その変化のみを選択的に捉えることが可能となる。したがって、このように微小な欠陥等によるごくわずかな光の変化を捉えることは、その検査光の照射立体角の形状や角度及び大きさが前記検査対象面の各点に対して異なってしまう従来の照明装置では難しかったが、本発明による照明装置においてはそれを捉えることができるようになる。

前記検査対象の各点に照射される検査光の照射立体角の大きさを略均一に制御するとともに、照射立体角の傾き分布を光軸中心に対して調節できるようにするには、前記第１の遮光マスクを前記レンズの焦点位置を中心とする前後の位置に配置すればよい。すなわち、前記第１の遮光マスクの開口部を変化させることで、前記検査対象の各点における照射立体角を所望の形状や大きさに設定することができる。また、前記第１の遮光マスクを、前記レンズの焦点位置に配置すれば、前記検査光の照射立体角の光軸はすべて前記検査光の光軸に平行となり、前記レンズの焦点位置よりレンズ側に配置すれば前記検査光が広がる方向へ、前記レンズの焦点位置より外側に配置すれば前記検査光が狭まる方向へ、それぞれ前記検査光の照射立体角を傾かせることができる。このように、前記第１の遮光マスクの配置と、その開口部を変化させることにより、前記検査対象からの反射光や透過光の立体角に直接影響を及ぼす前記検査光の照射立体角について様々な調節が可能となり、検査対象と検査対象からの反射光又は透過光又は散乱光を観察する前記撮像装置の観察立体角との相対関係を、所望の明暗情報を得るために適した様態とすることができる。

このようにして、本発明による検査用照明装置、及び前記検査用照明装置を使用し、前記検査対象において反射又は透過または散乱する光を撮像する撮像装置とからなる検査システムにおいて、所望の明暗情報を得るとことができるのは、前記検査対象の各点における明暗が、前記検査対象の各点からの反射光又は透過光又は散乱光の前記撮像装置に向かう光量で決まっており、その前記光量が前記検査対象の各点からの反射光又は透過光又は散乱光の立体角と前記撮像装置の観察立体角との包含関係で決まっていることから、前記検査対象の各点からの反射光又は透過光に直接影響する前記検査光の照射立体角を略均一に調節する機能を備えたことによる。

前記撮像装置によって撮像される前記検査対象の明暗情報を、その撮像範囲全体に亘って略均一な変化を示すものとするためには、前記撮像装置によって前記検査対象の各点に形成される観察立体角と、前記検査対象の各点からの反射光又は透過光又は散乱光の立体角との包含関係が略一定に保たれなければならない。これは、前記第１の遮光マスクを、前記レンズの焦点位置を中心とする前後の位置で移動させることによって、前記検査光の照射立体角を略均一な形状及び大きさとし、その傾き角度を調節して前記検査対象の各点における前記観察立体角の傾きに合わせこむことで実現することができる。

また、前記検査対象に対する検査光の照射領域又は照射形状や照射パターンを任意に生成可能にするためには、前記第１の遮光マスクに加えて前記第２の遮光マスクを備え、前記レンズによって前記検査対象に結像する位置近傍に配置すればよい。このようにすることで、前記検査光の照射立体角の形状や大きさ及び傾きを略均一に保ちながら、前記検査光の照射領域とその照射立体角の双方を独立に調節することができる。

前記検査対象の形状精度についても容易に検査できるようにするには、前記第１の遮光マスクに加えて、所定のマスクパターンが形成された前記第２の遮光マスクを用い、このパターンを前記検査対象に対して結像させてやればよい。このようなものであれば、前記第１の遮光マスクで調節された略均一な照射立体角によって、前記撮像装置で均一な明暗変化を持つ明暗情報を得ることができ、前記検査対象の形状に問題があれば前記撮像装置で明暗情報として得られるパターンに歪みが生じるので、容易に形状不良を検出することができる。

前記検査対象の各点の反射光又は透過光の立体角と、前記撮像装置が前記検査対象の各点に形成する観察立体角とを、その形状及び大きさ及び傾きに関して略一致させると、前記検査対象に微小な特徴点がある場合でも前記反射光又は透過光の立体角と前記観察立体角との包含関係に変化が生じ、その微小な特徴点に対する明暗情報の変化を得ることできる。このようにするためには、ひとつは、前記検査光の照射方向を変え、なおかつ前記検査対象からの光を透過して前記撮像装置で撮像できるようにするためのハーフミラーを備え、前記検査光の前記検査対象の各点に対する照射立体角と前記撮像装置の前記検査対象の各点に対する観察立体角の光軸を略一致させること、もうひとつは前記検査光の照射方向に対して前記検査対象に立てた法線に線対称な方向に前記撮像装置の観察立体角を設定し、前記検査対象の各点の反射光又は透過光の立体角と前記撮像装置の前記検査対象の各点に対する観察立体角の光軸を略一致させることで実現することができる

このように本発明の検査用照明装置、検査システムによれば、検査対象の各点に照射される検査光の照射立体角及びその暗部領域の大きさや態様を自由に調整することができるので、前記検査対象の各点からの反射光又は透過光又は散乱光の立体角と、前記撮像装置で前記検査対象の各点に形成される観察立体角との包含関係を略均一に設定することができ、従来検出の難しかった微小な欠陥等であっても検出する事が可能となる。

本発明の一実施形態に係る検査用照明装置、及び検査システムの外観を示す模式的斜視図。 同実施形態における検査用照明装置、及び検査システムの内部構造、及び検査対象の各点における照射立体角を示す模式図。 同実施形態における検査用照明装置、及び検査対象を傾けて設置した検査システムの内部構造、及び検査対象の各点における照射立体角を示す模式図。 従来の照明使用における検査用照明装置、及び検査システムの構造、及び検査対象の各点における照射立体角を示す模式図。 第２の遮光マスクを加えた実施形態における検査用照明装置、及び検査システムの構造、及び検査対象の各点における照射立体角を示す模式図。 本発明の一実施形態に係る検査用照明装置、及び検査システムの検査対象との距離をパラメータとした検査対象の各点における照射立体角を示す模式図。 本発明の一実施形態に係る検査用照明装置、及び検査システムの第１の遮光マスクの開口部の大きさをパラメータとした検査対象の各点における照射立体角を示す模式図。 検査対象の部分的な傾きによる反射光の立体角の変化と照射立体角、及び観察立体角との相対関係。

本発明の第１実施形態について説明する。

第１実施形態の検査用照明装置１００と、撮像装置Ｃにより構成される検査システム２００は、ハーフミラー４を用いて、検査対象Ｗを撮像する方向と、検査対象Ｗを照明する方向とが一致する、いわゆる同軸照明であり、検査対象Ｗの欠陥などの特徴点が撮像装置Ｃにより撮像された画像中に明暗差として現れるようにするために用いられるものである。なお、図２から図５では、ハーフミラーを有する場合を点線で、無い場合を実線で表記した。ここで、検査対象Ｗの欠陥などの特徴点とは、例えば、表面の傷、凹み、歪み、外観の形状、穴の有無等多岐に亘る不具合やその他の特徴種を含むものである。

前記検査用照明装置１００は、図１の斜視図、及び図２の模式図に示すように、概略筒状の筐体を有するものであり、その内部と検査対象Ｗ、及び撮像装置Ｃに到る部分に、検査光を面光源１から検査対象Ｗに照射する照射光路Ｌ１と、検査対象Ｗからの反射光又は透過光が撮像装置Ｃに至るまでの反射・透過光路Ｌ２とが形成されており、ハーフミラー４が設置されている場合には、前記筐体の上面開口側に撮像装置Ｃが取り付けられ、前記筐体の下面開口側に検査対象Ｗが載置されるものである。

なお、図１、及び図２に示すように、ハーフミラー４が設置されている場合には、照射光路Ｌ１は、面光源１からのハーフミラー４に到る部分と、ハーフミラーによって部分的に反射されて検査対象に到る部分から構成され、ハーフミラー４が設置されていない場合には、照射光路Ｌ１によって直接検査対象に検査光が照射され、図２の場合、検査対象Ｗからの透過光が撮像装置Ｃに到るまでの光路がＬ２となる。

前記照射光路Ｌ１上には、検査光が進む順番に、検査光を射出する面光源１と、レンズ２の焦点位置を中心とする前後の位置に設けられた第１の遮光マスクＭ１と、前記面光源１から射出された検査光から検査対象Ｗに対する照射立体角を形成するレンズ２とが配置され、ハーフミラーが設置される場合には、さらに加えて、前記検査光を下方へと部分反射するように、前記反射・透過光路Ｌ２及び照射光路Ｌ１に対して傾けて設けられたハーフミラー４を配置し、また、さらに、検査光の照射領域を形成する第２の遮光マスクを設置する場合は、前記面光源１と前記第１の遮光マスクとの間であって、前記レンズ２によって前記検査対象Ｗに結像される位置近辺に第２の遮光マスクが設置され、前記検査光は、前記検査対象Ｗへと照射される。ただし、第２の遮光マスクが設置される場合は、図４でその具体的な機能を説明する。

また、前記反射・透過光路Ｌ２上には、ハーフミラーが設置される場合には、ハーフミラー４が設置され、このハーフミラー４によって部分透過された反射光が撮像装置Ｃによって観察され、ハーフミラーが設置されない場合は、図２においては検査対象Ｗからの透過光が撮像装置Ｃに到るまでの光路がＬ２となり、この光路Ｌ２上には図１及び図２においてはハーフミラー４以外に存在するものはないが、場合によっては前記検査対象からの迷光をカットしたりする目的で、検査対象からの反射光又は透過光を部分的に遮光するマスク若しくは絞り等を設置してもよい。

以下では各部材の配置や構成、機能について詳述する。

前記面光源１は、例えばチップ型ＬＥＤや拡散板等により光射出面１１が形成されたものである。また、前記面光源１は、図１に示すように、筒状の筐体内を照射光軸方向に進退可能に取り付けられており、検査光の照射開始位置を調整できるようにしてある。すなわち、後述する第１の遮光マスクによる照射立体角の制御や、第２の遮光マスクによる照射領域の制御とは独立して、前記第１の遮光マスクＭ１及び前記第２の遮光マスクＭ２及び前記レンズ２及び前記検査対象Ｗの位置関係で決まる検査光の光路に対して、前記検査対象Ｗにおける検査光の均一度や輝度分布等を制御することができる。照射領域によって照射光路が異なるので、例えば、前記面光源１に所定の輝度分布、若しくは発光波長分布、偏光特性分布等を備えておくと、照射領域によってその分布を変化させることもできるし、均一にすることもできる。

前記第２の遮光マスクＭ２は、図１に示すように、筒状の筐体内を照射光軸方向に進退可能に取り付けられており、前記レンズ２と前記検査対象との距離によって、前記第２の遮光マスク自身が前記検査対象に対する結像位置近傍に調整できるようにしてある。このようにすることによって、図５に示すように、前記面光源１からの照射光を部分的に遮光することができ、前記第２の遮光マスクの開口部の形状が検査対象Ｗに略結像されることから、前記第２の遮光マスクＭ２の開口部の形状や大きさを変えることにより、前記検査対象Ｗにおける検査光の照射範囲を変更することができる。また、この調整や変更は、後述する前記第１の遮光マスクＭ１による照射立体角の制御とは独立して行うことができる。

前記第１の遮光マスクＭ１は、前記レンズ２と前記面光源との間であって、前記レンズ２の焦点位置を中心とする前後の位置に設けられ、図１に示すように、筒状の筐体内を照射光軸方向に進退可能に取り付けられている。前記第１の遮光マスクＭ１を、例えば、前記レンズ２の焦点位置に設けた場合は、図２のように、前記検査対象Ｗの各点における照射立体角の大きさと形状と傾き角がすべて同じになり、図３に示したように、前記検査対象の各点と前記レンズ２との距離が異なる場合でも同様である。また、これは、図６に示すように、前記ハーフミラー４の有無に拘わらず、また前記検査対象Ｗと前記レンズ２との距離にも拘わらず、同様である。

次に、前記第１の遮光マスクＭ１が、前記レンズ２の焦点位置の前後にある場合について説明する。

図７の（ａ）に示すように、まず、前記第１の遮光マスクＭ１が極微小な透過部分で焦点位置近傍にある場合、照射立体角はほぼ０に近くなり、前記第１の遮光マスクＭ１が前記レンズ２の焦点位置より前記レンズ２の側にあるとき、前記検査光は、図７の（ａ）の実線で示したように光軸中心より外側に広がっていくように傾いた光路で形成され、前記第１の遮光マスクＭ１が前記レンズ２の焦点位置より前記面光源１の側にあるとき、前記検査光は、図７の（ａ）の破線で示したように光軸中心に集光するように傾いた光路で形成される。一方で、前記検査光の前記検査対象の各点に対する照射立体角の形状及び大きさは、図７の（ｂ）（ｃ）に示すように、前記第１の遮光マスクＭ１の開口部の形状及び大きさで一律に決定され、これとは独立に、前記第１の遮光マスクＭ１の位置によって、その照射立体角の傾きを制御することができる。

図７におけるＰ１、Ｐ２、Ｐ３は、前記レンズ２の物体側焦点位置の距離にある点であり、少なくともＰ１を通る光は前記レンズ２によって、前記面光源１より照射された光軸に平行な光路を取る光のみであり、前記第１の遮光マスクＭ１によってこの光路の開口部が例えば直径ｒである場合、Ｐ１における照射立体角は、図７下部に示したように前記レンズ２の焦点距離ｆと開口部の直径ｒのみによって一意に決まり、理想的にはレンズよりＰ１と同じ距離にあるＰ２、Ｐ３も同様である。また、前記レンズ２の焦点距離より遠い任意の点であるＰ４、Ｐ５でもその照射立体角はすべて、Ｐ１での照射立体角と略同じ形状、略同じ大きさとなる。

以上で説明した、照射立体角が略均一に形成できる本発明の検査用照明に対して、従来の通常の光源面のみを用いる照明では、図４に示したように、検査対象Ｗの各点に対する検査光の照射立体角は、各点によってその形状や大きさ、及び傾きが異なる。これは、前記検査対象Ｗの各点に対する照射立体角が、その各点から照明を逆に見たときの面光源１の射影形状、及び大きさ、及び角度で決まっているからである。一方で、前記検査対象の各点における観察立体角は、前記撮像装置Ｃの瞳位置、及び瞳形状、及び瞳の大きさと前記検査対象の各点との相対関係で決まっており、撮像装置Ｃによる各点の明るさは、各点において照射立体角を直接反映する反射光若しくは透過光の立体角と観察立体角との包含関係で決まっており、反射光若しくは透過光の立体角の変化が微小であると、検査領域の各点で、同じ光の変化量を得ることが難しくなる。

一般に結像光学系の特性により、主光軸以外の観察立体角の傾き度合いが決まっており、それは通常のレンズの性質上、主光軸から同心円状に変化している。このような結像光学系に対して、均一な光の変化、特に前記検査対象の各点における反射、若しくは透過光の立体角の傾きの変化に対して均一な変化量を得るためには、前記検査対象に対する前記検査光の照射立体角の傾きを主光軸に対して同心円状に変化させて、各点における照射立体角と観察立体角の相対関係を一定に保つことが有効である。

ここで、図８を用いて、照射立体角と観察立体角との包含関係と前記撮像装置が得られる明暗情報について説明する。

図８の（ａ）は、前記検査対象Ｗの点Ｐに着目して、前記点Ｐに照射立体角ＩＳなる検査光を照射した場合を考え、前記検査対象の点Ｐを含む面が部分的にφだけ傾いたときに、点Ｐの明るさがどのように変化するかを、前記撮像装置Ｃが点Ｐに形成する観察立体角ＯＳに対して、点Ｐからの反射光の立体角ＲＳ１が立体角ＲＳ２のように変化したときの、各立体角の相対関係がどのようになるかを示している。

図８の（ａ）において、点Ｐからの前記反射光の立体角ＲＳ１及びＲＳ２の形状と大きさは、点Ｐに対する検査光の照射立体角ＩＳに等しい。また、前記反射光の立体角ＲＳ１の傾きは、点Ｐに立てた法線に対して前記検査光の照射立体角ＩＳの線対称となる方向に、前記検査光の照射立体角ＩＳの傾きθと同じだけ傾いている。このとき、前記撮像装置Ｃが点Ｐに対して形成する観察立体角ＯＳが、前記反射光の立体角ＲＳ１とその光軸が一致しており、なおかつ前記反射光の立体角ＲＳ１に比べてその大きさがごく小さいとすると、前記撮像装置Ｃで捉えられる点Ｐの明るさは、その観察立体角ＯＳの大きさで律速され、この包含関係が変わらない範囲で前記反射光の立体角ＲＳ１が傾いても変化することはない。ただし、照射立体角ＩＳ、反射光の立体角ＲＳ１及びＲＳ２内の光エネルギーはその立体角内で均一に分布しているものと仮定する。

次に、図８の（ａ）において、前記検査対象Ｗの点Ｐを含む面が部分的にφだけ傾いた場合を考えると、点Ｐからの反射光の立体角ＲＳ１は、図中点線で示したＲＳ２のように２φだけ傾くことになる。このときに、点Ｐからの反射光の立体角ＲＳ２が、前記撮像装置Ｃが点Ｐに対して形成する観察立体角ＯＳとなんらの包含関係を持たなければ、前記撮像装置Ｃから見た点Ｐの明るさは０となる。このときに、もし照射立体角ＩＳの平面半角が、前記検査対象Ｗの部分的な傾きによって生じる反射光の傾き角２φに対して十分大きければ、点Ｐの明るさは変化しない。また、観察立体角ＯＳの平面半角が、前記反射光の傾き角２φと前記反射光の立体角ＲＳ１の平面半角を加えたものより大きければ、やはり点Ｐの明るさは変化しない。このことは、結局、点Ｐの明るさは、点Ｐからの反射光の立体角ＲＳ１と点Ｐに対する観察立体角ＯＳの包含関係で決まっており、点Ｐに照射される検査光の照射立体角ＩＳと点Ｐに対する観察立体角ＯＳとの、形状、及び大きさ、及び傾きに関する相対関係を設定することで、点Ｐの明るさの変化を制御できる、ということを示している。

図８の（ｂ）は、（ａ）において検査光の照射光軸と点Ｐの法線及び点Ｐからの反射光軸を含む面での断面図であり、各要素の傾きとその包含関係がより定量的に把握できる。ただし、図８の（ｂ）では、観察立体角ＯＳが、照射立体角ＩＳ、つまり反射光の立体角ＲＳ１より大きい場合を図示した。検査対象Ｗが傾いて、点Ｐからの反射光の立体角ＲＳ１が点線で示したＲＳ２になると、本図では観察立体角ＯＳとの包含関係がなくなり、その観察立体角ＯＳ内の光エネルギーは０となるので、この観察立体角ＯＳに含まれる光を再び点に集めて結像させても、点Ｐは真っ暗にしか見えない。

図８の（ｂ）において、ここで、もし観察立体角ＯＳの形状及び大きさが照射立体角ＩＳと同じで、点Ｐからの反射光の立体角ＲＳ１の傾きと一致しているとすると、その状態から少しでも検査対象Ｗが傾くと、少なくともその分だけ観察立体角ＯＳと反射光の立体角ＲＳ１の重なっている部分が減少するので、観察立体角ＯＳを介して見た点Ｐの明るさはその分変化する。しかもその各立体角が小さければ小さいほど、検査対象Ｗが同じ角度だけ傾いたときの点Ｐの明るさの変化量は大きくなり、逆に大きければ大きいほど、検査対象Ｗが同じ角度だけ傾いたときの点Ｐの明るさの変化量は小さくなる。また、照射立体角ＩＳと観察立体角ＯＳの形状や大きさや傾き等を、検査対象の所望の特徴点で発生する光の変化に対応して適切に設定すれば、これまで安定に検出できなかった特徴点の検出が精度良くできるようになる。本発明では、この原理に着目し、照射立体角の形状や大きさ及び傾きを精度良く制御することが可能な検査用照明装置が考え出されるに到った。

前記ハーフミラー４は、概略正方形状の枠体により支持された円形状のごく薄いものである。このようなハーフミラー４を用いることで、ハーフミラー４の反射又は透過が起こる表面と裏面の乖離部分をごく薄く形成することができ、前記検査対象Ｗからの反射光がハーフミラー４を透過する際に、生じる微小な屈折や内面反射等によるゴーストを最小限にすることができる。

前記第１の遮光マスク、及び前記第２の遮光マスクは、一般的な光学材料である複数枚の羽根を使用した絞りであってもよく、または任意の開口部を持つごく薄い遮光板と絞りを組み合わせてもよく、さらには電子的にその開口部の設定が可能な液晶等の部材を用いても良い。

また、前記第１の遮光マスクの開口部の別な実施形態として、例えば、その開口部が円状ではなく、楕円、若しくは細長いスリット状にすることで、前記検査対象の特徴点を検出するに当たり、その検出感度に異方性を持たせることができる。すなわち、このとき、前記検査対象の各点に対する照射立体角は前記第１の遮光マスクのスリットと同じ長手方向に広がり、短手方向にはごく薄い照射立体角となり、この場合は長手方向の前記検察対象の傾きの検知感度は低く、短手方向の検知感度のみが高く設定できる。ただし、この場合は前記撮像装置が前記検査対象の各点に形成する観察立体角の形状や大きさ及び傾きを、照射立体角の短手方向に合わせて、相対的にほぼ同等になるように設定する必要がある。若しくは、前記撮像装置が前記検査対象の各点に形成する観察立体角の大きさを十分小さく設定すると、照射立体角の広がっている分、検出する傾きにしきい値を設定することが可能となる。

さらに、また、前記第１の遮光マスクの開口部の別な実施形態として、例えば、その開口部が同心円状の遮光部と開口部とを備えることによって、その幅を適当にとれば、前記検査対象の部分的な傾きに対して、或る一定の傾き角度範囲だけを検出することもできるし、必要な方向にその幅を必要なだけ設定すると、その検出角度に異方性を持たせることもできる。若しくは、このような検査用照明を多段に設ければ、表面の傾き度合いに応じて、これを分類検出することができ、さらに加えて、前記第１の遮光マスクを電子的にその開口部の設定が可能な前記液晶等の部材とすれば、この開口パターンを動的に切り替えることによって、複数種類の明暗情報が得られ、さらに詳細な分類検出を行うことができる。

また、前記第２の遮光マスクに、電子的にその開口部の設定が可能な前記液晶等の部材とすれば、この開口パターンを動的に切り替えることによって前記検査光の照射領域を変更し、前記検査対象に異なる照射領域必要とするものがあっても、それぞれの領域に合わせて検査光を照射し、複数種類の明暗情報を得ることができる。

さらに、また、前記面光源を、その照射面の発光波長分布や輝度分布、偏光状態分布を動的に変更できるカラー液晶等と白色光源を組み合わせて構成することにより、さらに様々な種類の検査対象に対応することが可能になる。

その他、本発明の趣旨に反しない限りにおいて様々な変形や実施形態の組み合わせを行っても構わない。

２００ ：検査システム
１００ ：検査用照明装置
１ ：面光源
１１ ：光射出面
２ ：レンズ
４ ：ハーフミラー
Ｃ ：撮像装置
Ｌ１ ：照射光路
Ｌ２ ：反射・透過光路
Ｍ１ ：第１遮光マスク
Ｍ２ ：第２遮光マスク
Ｗ ：検査対象
Ｐ１ ：レンズ２の物体側焦点
Ｐ２ ：レンズ２からＰＩと同一距離の点
Ｐ３ ：レンズ２からＰＩと同一距離の点
Ｐ４ ：レンズ２の物体側焦点以遠の任意の点
Ｐ５ ：レンズ２の物体側焦点以遠の任意の点
ＩＳ ：照射立体角
ＯＳ ：観察立体角
ＲＳ１ ：反射光の立体角
ＲＳ２ ：反射光の立体角

Claims (4)

1. 検査対象に検査光を照射する検査用照明装置であって、前記検査対象において反射又は透過または散乱する光を撮像する撮像装置とからなる検査システムに適用され、前記検査用照明装置において、検査光を射出する面光源と、前記面光源と前記検査対象との間に設けられ、前記面光源から放射された光を前記検査対象に照射する検査光として、前記検査対象に対する照射立体角を形成するためのレンズと、前記面光源と前記レンズとの間であって、前記レンズの焦点位置を中心としてその前後に設けられ、前記検査対象の各点に照射される検査光の照射立体角を遮光形成する第１の遮光マスクと、を備えており、少なくとも、前記面光源が前記レンズによって前記検査対象に結像される位置の近傍以外の位置を含むように配置される場合において、前記レンズから前記検査対象までの距離に依らず、前記撮像装置で前記検査対象からの光を撮像するとき形成される前記検査対象の各点に対する観察立体角に対して、各点の明暗に所望の変化が得られるように、照射立体角の形状又は大きさや傾きが設定可能なことを特徴とする検査用照明装置。
   
   
2. 前記第１の遮光マスクと前記面光源との間であって、前記レンズによって前記検査対象に対して結像される近傍の位置に第２の遮光マスクをさらに備え、前記第２の遮光マスクによって、前記検査対象に対する検査光の照射領域又は照射形状や照射パターンを任意に生成可能なことを特徴とする請求項１記載の検査用照明装置。
3. 前記検査用照明装置において、前記レンズと前記検査対象との間に、前記検査光の照射方向を変え、なおかつ前記検査対象からの光を透過して前記撮像装置で撮像できるようにするためのハーフミラーを備え、前記検査光の前記検査対象の各点に対する照射立体角と前記撮像装置の前記検査対象の各点に対する観察立体角の光軸を略一致させたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の検査用照明装置。
4. 請求項１又は２又は３記載の検査用照明装置を使用し、前記検査対象において反射又は透過または散乱する光を撮像する撮像装置とからなる検査システムであって、前記検査用照明装置で前記検査対象に照射される検査光において、前記撮像装置の前記検査対象の各点における観察立体角の形状又は大きさや傾きに基づいて、前記検査対象の各点における照射立体角の形状又は大きさや傾きが設定、若しくは相対的に前記照射立体角と前記観察立体角の形状又は大きさや傾きが設定されていることを特徴とする検査システム。