JP6086362B2 - 検査システム及び検査用照明装置 - Google Patents

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システム、検査用照明装置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、水平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形状が特殊又は複雑であるために検査光を十分な強度や光量で照射する事が難しい、検査光を照射できたとしても検査したい部分以外からの反射光が多すぎる、あるいは、欠陥などの特徴点が小さすぎたり、微かなものであったりするために明暗差が表れにくい等といった検査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は考えられる。

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に変化が生じず、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。従って、マシンビジョンとしてはこのような微小な欠陥等を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、例えば照明条件が厳しい、あるいは、欠陥などの特徴点が非常に小さく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、撮像装置の観察立体角内における光の量を大きく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、その形状等の態様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変化として捉え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、本発明の検査システムは、検査対象に検査光を照射する検査用照明装置と、前記検査対象において反射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であって、前記検査用照明装置が、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、前記面光源を前記検査対象の近傍において結像させるレンズと、前記面光源と前記検査対象との間に設けられ、前記検査対象の各点に照射される検査光の照射立体角中に暗部領域を形成する第１遮光マスクと、を備えており、前記撮像装置が、前記検査用照明装置から前記検査対象の各点に照射される検査光の照射立体角における暗部領域の形状又は大きさに基づいて観察立体角の形状又は大きさが設定されていることを特徴とする。

また、本発明の検査用照明装置は、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、前記面光源を前記検査対象の近傍において結像させるレンズと、前記面光源と前記検査対象との間に設けられ、前記検査対象の各点に照射される検査光の照射立体角中に暗部領域を形成する第１遮光マスクと、を備えたことを特徴とする。

このような検査システム及び検査用照明装置であれば、前記面光源を前記レンズにより前記検査対象の近傍で結像させているので、前記第１遮光マスクにより検査光の照射立体角中に暗部領域を形成しつつ、前記検査対象上に影を作らずに全域に亘って検査光を照射するといったことが可能となる。また、検査対象上の各点における検査光の照射立体角の大きさや、暗部領域の大きさについても略均一に揃えることができる。

言い換えると、例えば前記レンズにより検査光を平行光にした場合であれば、前記第１遮光マスクにより遮光される部分が検査対象上において影として形成されるのに対して、本願発明であれば検査対象上に影を形成することなく各点に検査光を照射しつつ、各点における検査光の照射立体角について所定の領域からのみ検査光が照射されるようにすることができる。

さらに、前記第１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の一部分に暗部領域が形成されており、観察立体角がその暗部領域の大きさや形状に合わせて設定されているので、微小な欠陥等により反射方向や散乱方向がわずかに変化した場合でも、撮像装置の観察立体角内において明部領域と暗部領域の比率を変化させやすく、欠陥として検出しやすい。

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、検査対象に応じた照射立体角で検査光を照射することができる。

検査光が欠陥等によりその反射方向が変化する際に生じる反射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、前記観察立体角の大きさが前記照射立体角の暗部領域の大きさと略同じに設定されていればよい。このようなものであれば、正常時には反射光立体角の暗部領域と観察立体角が合致して暗く撮像するようにし、少しでも反射方向が変化すると反射光立体角の明部領域が観察立体角内に入り、その変化をとらえるといったことが可能となる。従って、従来捉えることができなかった微小な欠陥等であってもマシンビジョンにおける明暗差として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均一に制御するとともに、その配置によって照射立体角の傾き分布を自由に調節できるようにするには、前記レンズの焦点に対して所定の位置に配置される第１絞りをさらに備えたものであればよい。すなわち、第１絞りの絞り量を変化させることで、各点における照射立体角の大きさを均一に所望の大きさに設定することができる。また、前記第１絞りを前記レンズの焦点よりも内側に配置すれば、結像面の外側に照射される検査光の照射立体角及びその暗部領域を外側から光軸のある中央部側へと傾かせることができる。さらに前記第１絞りを前記レンズの焦点上に配置すれば、検査光の照射立体角の向きをすべて光軸と平行に揃えることができる。加えて、前記第１絞りを前記レンズの焦点よりも外側に配置すれば、結像面の外側に照射される検査光の照射立体角及びその暗部領域を光軸のある中央部側から外側へと傾かせることができる。このように、第１絞りの配置と、その絞り量により照射立体角とその暗部領域について様々な調節が可能となり、検査対象に適した態様とすることができる。

検査対象の各点に照射される検査光の照射立体角中における暗部領域の大きさや、その形状を所望のものに調節しやすくするとともに、前記検査対象上に影が形成されないようにするには、前記第１遮光マスクが、前記第１絞りの近傍に設けられており、前記第１遮光マスクの遮光部が前記第１絞りの開口径よりも小さく形成されていればよい。

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、所定のマスクパターンが形成された第２遮光マスクが、前記面光源の射出側近傍に設けられているものであればよい。このようなものであれば、前記第１遮光マスクでは形成されない影を前記第２遮光マスクにより前記検査対象上に形成し、パターンを形成することができる。そして、検査対象の形状に問題があれば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。

同軸照明を用いることができず、例えば検査対象の斜め上方から検査光を照射しなくてはならない場合でも、面光源の全面を前記検査対象上に結像させることができるようにし、各点における照射立体角を揃えて、検査対象平面の全面における測定精度を一定にするには、前記面光源が発光平面を有しており、前記レンズの光軸が前記検査対象上の検査対象平面に対して斜めに入射するように配置されており、前記発光平面を含む第１仮想平面と、前記レンズの主面を含む第２仮想平面と、前記検査対象平面を含む第３仮想平面とが一直線上で交わるように配置されていればよい。

検査対象が検査対象曲面を有し、その曲面全面に亘って前記面光源が結像し、曲面における欠陥検出精度をより高められるようにするには、前記面光源が発光曲面を有しており、前記発光曲面の各点から射出された光が前記レンズにより前記検査対象曲面の各点において結像するように、当該発光曲面の形状が設定されていればよい。

このように本発明の検査システム、検査用照明装置によれば、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、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システムの内部構造を示す模式的断面図。 同実施形態における検査システムの模式的構成図。 同実施形態における検査対象上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欠陥の検出原理について示す模式図。 従来の検査システムでは微小欠陥を検出できない理由を示す模式図。 本発明の別の実施形態に係る検査システムを示す模式図。 本発明のさらに別の実施形態に係る検査システムにおける欠陥の検出原理について示す模式図。 本発明の異なる実施形態に係る検査システムにおける欠陥の検出原理について示す模式図。 本発明のさらに異なる実施形態に係る検査用照明装置を示す模式図。 本発明の変形例を示す模式図。

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、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している、いわゆる、同軸照明であり、検査対象Ｗの欠陥が撮像装置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。ここで、検査対象Ｗの欠陥などの特徴点とは、例えば、表面の傷や、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の断面図に示すように概略Ｌ字状の筐体を有するものであり、その内部に、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からの反射光が撮像装置Ｃに至るまでの反射光路Ｌ２と、を形成してある。より具体的には、水平方向に延びる第１筒状体９１と、上下方向に延びる第２筒状体９２と、がそれぞれ箱体９３に接続してあり、上下方向に延びる第２筒状体９２の上面開口側に撮像装置Ｃが取り付けられ、前記箱体９３の下面開口に検査対象Ｗが載置されるものである。

図２の断面図、図３（ａ）の簡略化した光路図に示すように前記照射光路Ｌ１はＬ字状に形成されており、水平方向に検査光が進む第１光路Ｌ１１と、反射されて下向きに進む第２光路Ｌ１２とから構成してある。

前記第１光路Ｌ１１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、前記面光源１の近傍に設けられた第２絞り３２と、前記面光源１から射出された検査光を集光するレンズ２と、前記レンズ２の光入射側近傍に設けられた第１絞り３１と、前記第１絞り３１の近傍に設けられた第１遮光マスクＭ１と、前記検査光を下方へと反射するように前記反射光路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と、が配置してある。さらに前記第２光路Ｌ１２上には、前記ハーフミラー４で反射された検査光が通過する第３絞り３３が設けてある。そして、前記第３絞り３３を前記箱体９３内部から通過した検査光は、前記検査対象Ｗへと照射される。

また、前記反射光路Ｌ２上には、検査対象Ｗから反射される反射光の進む順番に、前述した第３絞り３３と、前記ハーフミラー４と、前記箱体９３の上面に取り付けられた第４絞り３４とが、前記撮像装置Ｃまでに設けられている。つまり、前記ハーフミラー４と、前記第３絞り３３は、前記照射光路Ｌ１と前記反射光路Ｌ２の重なっている部分に配置されていることになる。なお、前述してきた第１絞り３１、第２絞り３２、第３絞り３３、第４絞り３４はそれぞれ可変絞りであり、適宜その絞り量を変更することができる。また、使用態様に応じては絞り量の固定された固定絞りであっても構わない。

以下では各部材の配置や構成について詳述する。

前記面光源１は、例えばチップ型ＬＥＤ等により光射出面１１が形成されたものであり、外側に向けて放熱用の放熱フィン１２が突出させてある。また、この図２の断面図に示すように前記面光源１は、第１筒状体９１内を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絞り３１による照射立体角の制御とは独立して、前記面光源１、前記レンズ２、前記検査対象Ｗの位置関係を変更することで、前記検査対象Ｗにおける検査光の照射範囲を制御することができる。

前記第２絞り３２は、前記面光源１の光射出面１１の近傍に設けられており、その絞り量を調節することで、前記面光源１の検査光の照射面積を変更し、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。

前記第１遮光マスクＭ１は、前記第１絞り３１に近接させて設けられるものであり、図３（ｂ）の光軸に沿って見た場合の第１絞り３１と第１遮光マスクＭ１の模式図に示すように透明なガラス板の面板中央部に円形状の遮光部Ｍ１１が形成してある。すなわち、前記第１絞り３１の開口部３１ａ中の一部領域を前記第１遮光マスクＭ１の遮光部Ｍ１１が塞ぐようにしてある。前記遮光部Ｍ１１の直径は前記第１絞り３１の開口径よりも小さく形成してあり、前記面光源１から射出された検査光のうち、前記第１絞り３１において光軸近傍を通るものを遮るようにしてある。一方、前記第１絞り３１と前記遮光部Ｍ１１との間の隙間を通過する検査光は前記レンズ２へと入射し、前記検査対象Ｗへと到達する。

前記第１絞り３１は、前記レンズ２の光入射側に設けてあり、前記レンズ２により前記検査対象Ｗの表面に対して照射範囲内の各点に集光されている検査光について等しく照射立体角を調節するためのものである。この照射立体角の制御に関する機能については後述する第１遮光マスクＭ１の作用とともに説明する。

前記レンズ２は、前記箱体９３の側面開口部に取り付けられており、前記光源の結像する位置である結像面が、前記検査対象Ｗの表面近傍に位置するように配置してある。

このような前記第１遮光マスクＭ１、前記第１絞り３１、前記レンズ２によって以下のような効果が生じる。すなわち、前記第１絞り３１及び前記第１遮光マスクＭ１の前記レンズ２に対する位置によって、結像面ＩＭの各点における照射立体角の傾き分布も調節することができる。図４のように第１絞り３１と前記第１遮光マスクＭ１を前記レンズ２の面光源１側において焦点よりも内側に配置している場合は、結像面ＩＭの外側ほど外側へと傾き量の大きい照射立体角が形成されることになる。また、前記第１絞り３１が面光源１側において焦点上に配置される場合には、全ての照射立体角の照射方向は、光軸に対して平行となり、第１絞り３１がレンズ２の面光源１側における焦点よりも外側に配置されている場合は結像面ＩＭの外側の点にある照射立体角ほど光軸側への傾き量が大きくなる。なお、この例では第１絞り３１及び第１遮光マスクＭ１がレンズ２の面光源１側に設けられている場合について説明しているが、例えば第１絞り３１及び第１遮光マスクＭ１がワークＷ側に設けられている場合でも同様の効果を奏し得る。

図４に基づいて照射光路Ｌ１において面光源１、第１絞り３１、第１遮光マスクＭ１、レンズ２により形成される検査対象の各点に照射される検査光の照射立体角について説明する。ここで、図４では説明の簡略化のため、光路を伸ばした状態で記載するとともに、第３絞り３３については省略表記している。

図４（ａ）に面光源１の最下部から射出された光により形成される照射立体角、図４（ｂ）に面光源１の中央部から射出された光により形成される照射立体角、図４（ｃ）に面光源１の上部側から射出された光により形成される照射立体角を示す。図４から明らかなように、前記第１遮光マスクＭ１が前記第１絞り３１の近傍にあっても、検査対象Ｗ上の結像面ＩＭに影が形成されることはなく、前記面光源１がレンズ公式に従って縮小されたものが結像される。

また、前記面光源１が検査対象Ｗ上において結像するように面光源１及びレンズ２が検査対象Ｗに対して配置されているので、その途中に第１絞り３１を配置することで、結像面ＩＭの各点における照射立体角の大きさを均一に変更することができる。言い換えると、結像面ＩＭの全ての点において、照射立体角は略同じ大きさであり、前記第１絞り３１の絞り量を大きくすると、照射立体角を小さくできるとともに第１絞り３１の絞り量を小さくすると、照射立体角を大きくできる。

さらに、本実施形態では、第１遮光マスクＭ１が前記第１絞り３１の近傍に設けられているので、照射立体角の一部に暗部領域を形成することができる。本実施形態では、第１遮光マスクＭ１は、光軸近傍の光を遮光するように遮光部Ｍ１１が形成してあるので、図４の各図に示すように結像面ＩＭの各点における照射立体角は、概略細円錐状の暗部領域が中央部に形成される。言い換えると、照射立体角は中空円錐状の明部領域に、前記明部領域の中空部分に細円錐状の暗部領域が嵌合した形で形成される。

前記第１絞り３１の絞り量を変更すると主に明部領域の外縁の大きさ、すなわち、照射立体角全体の大きさを調節することでき、前記第１遮光マスクＭの遮光部Ｍ１１の大きさを調整することで暗部領域の大きさを調節することができる。このように、本実施形態であれば、検査対象Ｗの各点に照射される検査光の照射立体角の大きさを前記第１絞り３１により自由に制御できるとともに、前記第１遮光マスクＭ１の遮光部Ｍ１１の大きさや形状、位置により、照射立体角中における暗部領域の大きさや形状、位置を自由に設定することができる。

前記ハーフミラー４は、概略正方形状の枠体４１により支持された円形状の薄肉のものである。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部分を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、生じる微小な屈折等による撮像の誤差を最小限にすることができる。

前記第３絞り３３は、前記箱体９３の下面開口部に取り付けられたものであり、前記ハーフミラー４と前記検査対象Ｗとの間に配置してある。この第３絞り３３により、前記第１絞り３１で決定された照射立体角からさらに微調整を行うことができる。また、前記第３絞り３３は、自身を通過した検査光が前記検査対象Ｗで反射されて反射光となった際に、迷光となったものが検査光照射装置内に侵入するのも防ぐことができる。

前記第４絞り３４は、前記箱体９３の上面開口部に取り付けられたものであり、前記ハーフミラー４と、前記撮像装置Ｃとの間に配置してある。この第４絞り３４は、前記撮像装置Ｃに入射する前記反射光を観察する観察立体角をさらに調節するためのものである。また、前記第２筒状体９２は、伸縮可能に取り付けられており、前記第４絞り３４と前記撮像装置Ｃとの離間距離を調節できるようにしてある。これによって、反射光の傾き変動に対する濃淡プロファイルを更に精密に最適化することが可能になる。

以上のように構成された検査用照明装置１００を用いた場合に、撮像装置Ｃにおいて微小な欠陥等が明暗差として検出しやすくなる理由について図５及び図６を参照しながら説明する。

例えば前記第３絞り３３によって、照射立体角の暗部領域と観察立体角を精密に同軸上で同じ大きさとすることができる。本実施形態では、同軸照明であるため、欠陥がない場合には照射立体角の暗部領域と反射光立体角の暗部領域は完全に一致するので、第３絞り３３により撮像装置Ｃの観察立体角を照射立体角の暗部領域と同じ大きさとした場合、図５（ａ）に示すように反射光の照射立体角の暗部領域と観察立体角は完全に合致することになる。

この場合、図５（ｂ）に示すように検査対象Ｗに欠陥があり、反射光の立体角に傾き変動が生じると、図５（ａ）のような正常時には観察立体角内に明部領域がないため真っ暗にしか撮像されなかったのに対して、図５（ｂ）のように一部明部領域が観察立体角内に入るので明るく撮像されることになる。つまり、反射光の立体角反射光の傾き変動を前記撮像装置Ｃにより観察される観察光の濃淡情報として捉えることができ、欠陥を検出することができる。

一方、前記第１遮光マスクＭ１が設けられていない場合には、図６に示すように同等の反射光の立体角の傾き変動が生じたとしても、図６（ｂ）に示すように、観察立体角内で考えると全く光の量に変化が生じないので、撮像装置Ｃでも濃淡情報の変化は捉えられない。このため、微小な欠陥を検出することができない。

さらに、欠陥等の特性に応じて、前記第１絞り３１により照射立体角の大きさを調節する、あるいは、前記第１遮光マスクＭ１の遮光部Ｍ１１の大きさを最適化することによって、さらに精密な欠陥検出を行うこともできる。

このように本実施形態の検査システム２００によれば、結像光学系を形成した上で、前記第１絞り３１を設けることにより、前記検査対象Ｗの検査光の照射範囲全域において各点での照射立体角の大きさを精密に制御することができる。

しかも、前記第１絞り３１の近傍に設けられた第１遮光マスクＭ１により、検査対象Ｗ上の結像面ＩＭにおいて影を形成することなく、照射立体角の中に暗部領域を形成することができる。そして、照射立体角の大きさを変更できるとともに、照射立体角の内部に暗部領域があることにより、欠陥の有無により観察立体角内において光の量が変化させやすい態様を作ることができるので、従来検出できなかった欠陥等も検出する事が可能となる。

言い換えると、本実施形態の検査システム２００によれば、照射立体角の大きさや暗部領域の形状等を調節することによって反射光の立体角と観察立体角の包含関係を欠陥検出に適したものに自由に設定することができるので、従来検出が難しかった欠陥等であっても撮像画像の濃淡情報として現れるようにし、欠陥を検出できるようになる。

次に本発明の別の実施形態について説明する。

前記実施形態では同軸照明により検査システム２００を構成していたが、図７（ａ）に示すように検査対象に対して斜め上方から検査光を照射し、その反射光により前記検査対象Ｗを撮像装置Ｃで撮像して検査するような単純な光学系で検査システム２００を構成しても構わない。さらに、図７（ａ）に示すように、第１絞り３１及び第１遮光マスクＭ１をレンズ２と検査対象Ｗとの間に配置しても構わない。

また、図７（ａ）に示すように第１絞り３１の近傍に第１遮光マスクＭ１を設けるだけでなく、さらに前記面光源１の近傍に第２遮光マスクＭ２を設けておき、検査対象Ｗの形状精度を検査できるようにしてもよい。

より具体的には、前記第２遮光マスクＭ２は図７（ｂ）に示すような例えば格子状の遮光部Ｍ１１が形成されたものであり、検査対象Ｗ上に格子状の明暗部を形成するものである。もし検査対象Ｗの形状が正常なものからずれている場合には、この検査対象Ｗ上に検査光の結像面ＩＭにおける格子のゆがみ量が変化するので、形状の誤差等を検出することができる。また、第２実施形態でも前記第１絞り３１と第１遮光マスクＭ１の遮光部Ｍ１１の形状等により反射光の立体角と観察立体角の包含関係をうまく調節することができるので、わずかな格子のゆがみでも撮像画像中の明暗差として検出することができる。従って、高い精度で検査対象Ｗの形状誤差等を検出する事が可能となる。

次に本発明のさらに別の実施形態について説明する。

前記実施形態では、照射立体角及びその暗部領域は底面が円形の円錐形状に形成される場合について説明したが、前記第１絞り３１及び前記第１遮光マスクＭ１の遮光部Ｍ１１の形状により様々な形状や大きさの照射立体角を設定することができる。

この実施形態では、図８（ａ）に示すように第１絞り３１の開口部３１ａは概略長方形状に形成されており、第１遮光マスクＭ１の遮光部Ｍ１１も前記開口部３１ａよりも小さい長方形状に形成してある。また、観察立体角についても照射立体角の暗部領域よりも小さく底面が長方形状の四角錐として形成されるようにしてある。具体的には、撮像装置Ｃを含む結像光学系内における絞り位置、絞り形状、絞りの開口部に配置された第１遮光マスクの遮光部Ｍ１１の形状又は大きさにより図８に示すような任意の観察立体角を形成することができる。観察立体角の形状や大きさの形成方法の詳細については、照射立体角の形状や大きさ、暗部領域の形成方法と同様であるので省略する。

この実施形態のように照射立体角を底面が長方形状の角錐として形成し、暗部領域も長方形状の角錐として形成すると、反射光の立体角も長方形状の角錐として形成される。従って、図８においては照射立体角の表示を省略し、反射光立体角のみを表示している。

図８（ｂ）に示すように正常時において反射光立体角の暗部領域中に観察立体角が形成されるようにしておくと、反射光の傾きに方向性が生じる欠陥を有効に検出することができる。

より具体的には、図８（ｂ）に示すように長方形の長辺方向に反射方向の傾きが生じる欠陥の場合には、観察立体角は反射光立体角の暗部領域から出にくいので、暗く撮像されたまま変化が生じず、検出されない。

一方、図８（ｃ）に示すように長方形の短辺方向に反射方向の傾きが生じる欠陥の場合には、少しの変化量で観察立体角は反射光立体角の暗部領域から出ることになり、明るく撮像されて検出されることになる。

このように、反射方向の傾きに方向性がある特定の欠陥のみを検出したい場合には、図８に示すように照射立体角及び暗部領域の形状が一方にのみ大きく形成されるようにするとともに、検出したい欠陥の方向性に合わせて短辺方向を一致させるようにすればよい。

また、例えば第１絞り３１及び第１遮光マスクＭ１を光軸周りに対して回転可能に構成し、検査対象Ｗ上における照射立体角及び暗部領域の向きを欠陥の反射光の傾き方向性に合わせられるようにしてもよい。また、この実施形態で示したような底面が長方形状の照射立体角及び暗部領域が形成されるものだけでなく、例えば楕円形状の底面を有する照射立体角の検査光を照射するようにしてもよい。

さらに異なる実施形態について説明する。

この実施形態では、照射立体角内に複数の暗部領域を形成することで、多重中抜き構造を有するようにし、特定の方向へ特定の角度だけ反射光が傾き性質を有する欠陥のみを検出できるように構成したものである。

具体的には図９（ａ）に示すように、第１遮光マスクＭ１の遮光部Ｍ１１が同心円状に複数形成してあり、照射立体角の暗部領域と明部領域が内側から外側へ交互に形成されるようにしてある。また、図９（ｂ）に示すように、観察立体角は反射光立体角の中央部に形成される暗部領域及びその外側に形成される暗部領域の間にある明部領域の幅よりも小さくなるように形成してある。

このようにすることで、図９（ｃ）に示すように欠陥により反射光の立体角がわずかに傾いた場合には観察立体角中に反射光立体角の明部領域が入り、明るく撮像されて欠陥検出することができる。一方、図９（ｄ）に示すように欠陥により反射光の立体角が大きく変化した場合には、再び外側の暗部領域が観察立体角内に入るので暗く撮像されることになり、欠陥は検出されない。

従って、この実施形態のように多重に暗部領域を形成することで、欠陥のうち反射光立体角に所定の角度の傾きを生じるもののみを検出する事が可能となる。また、例えば検査対象が中央部に水平面を有し、その水平面の外周を円環状に取り囲む傾斜面が連続して形成されているような２つの異なる検査対象面を有している場合には、各面の傾きの違いによる反射方向の変化量については外側の暗部領域に観察立体角が含まれるように設定することで検出されないようにすることができる。また、水平面上の欠陥による反射方向の変化は、内側の明部領域に観察立体角が入るように調整しておき、傾斜面による変化と傾斜面上の欠陥による変化が合わさった場合のみ外側の明部領域が観察立体角内に入るように調整することで、各面の傾きが異なっていたとしても容易に判別することができるようになる。

本発明について、様々な制約等により同軸照明を用いずに検査対象Ｗに対して例えば斜め上方から検査光を当てなくてはならない場合について、より検査精度を向上させるための実施形態について説明する。

図１０（ａ）に示すように、レンズ２の光軸が検査対象Ｗの検査対象平面Ｗａに対して斜めに入射し、検査光が検査対象平面Ｗａに対して斜め上方から照射される場合、前記面光源１の発光平面１ａが前記レンズ２の主面２ａに対して平行に配置されていると一部については面光源１を検査対象平面Ｗａ上に結像させることができるものの、他の部分に関しては結像位置からずれてしまうため結像面がぼやけてしまう。

すなわち、同軸照明のようにレンズ２の主面２ａと検査対象平面Ｗａが平行であれば面光源１を全て結像させることができ、照射立体角の形状や大きさを均一にすることができるが、斜め上方から検査光を照射した場合、一部の領域で検査光の照射立体角の形状や大きさが変化してしまい、検査精度に影響が出ることがある。

このような問題を解決するためにこの実施形態では、図１０（ｂ）に示すように面光源１の発光平面１ａをレンズの主面２ａに対して平行に配置するのではなく、傾けて配置してある。より具体的には、前記発光平面１ａを含む第１仮想平面ＶＰ１と、前記レンズの主面２ａを含む第２仮想平面ＶＰ２と、前記検査対象平面Ｗａを含む第３仮想平面ＶＰ３とが一直線上で交わるように配置してある。

次に前記面光源１の発光平面１ａの傾きの調整方法について説明する。なお、この面光源１には、光軸に沿って前記レンズ２との離間距離を変更するとともに、主面１ａに対する傾き具合を変更するための姿勢調節機構が設けてある。

まず、面光源１の発光平面１ａの中央をレンズ２の光軸上に配置し、かつ、前記発光面１ａの中央が検査対象平面Ｗａ上に結像するように面光源１、レンズ２、検査対象Ｗとのそれぞれの離間距離を設定する。

次に、検査対象Ｗの検査対象平面Ｗａと、レンズ２の主面２ａとの交線を求め、その光線と前記発光平面１ａの中央とを通る平面を第１仮想平面ＶＰ１とする。この第１仮想平面ＶＰ１と発光平面１ａとが合致するように面光源１の傾きを調節し、図１０（ｂ）のような状態とする。このように面光源１の傾きを設定することにより、発光面１ａの各点と検査対象平面Ｗａの対応する各点との間でそれぞれガウスの結像公式が成り立つ離間距離に設定されるので、検査対象平面Ｗａ上に面光源１の発光平面１ａの全面を結像させることができる。

このように面光源１を配置することによって、面光源１の発光平面１ａの各点と、前記検査対象Ｗの検査対象平面Ｗａの対応点との間において各々ガウスの結像公式を満たすように離間距離を合わせることができる。

従って、図１０（ｂ）の場合には、検査対象平面Ｗａ上には前記面光源１が均一に結像しており、照射立体角やその暗部領域の大きさや形状を均一に揃えることができ、検査精度を高めることができる。

さらに、検査対象Ｗが検査対象曲面Ｗｂを有している場合について検査精度を高めるための構成について説明する。検査対象Ｗが検査対象曲面Ｗｂを有している場合に、発光平面１ａを有する面光源１で検査光を照射しても、検査対象曲面Ｗｂ上の一部においては面光源１を結像させることができるものの、その他の領域についてはレンズからの離間距離が異なっているため結像させることができない。

このような曲面上の全ての点に対しても前記面光源１から射出される検査光を結像させてより好ましい態様で検査光を照射できるようにするには、前記面光源１が発光曲面１ｂを有し、前記発光曲面１ｂの各点から射出された光が前記レンズにより前記検査対象曲面Ｗｂの各点において結像するように、当該発光曲面１ｂの形状が設定されていればよい。

より具体的には、図１１（ａ）のようにレンズ２の光軸と、検査対象Ｗの中心軸が一致するような態様で照射する場合には、例えば発光曲面１ｂの形状は検査対象曲面Ｗｂと略相似形状のものにすればよい。

別の表現をすると、発光曲面１ｂの形状や曲率は、検査対象曲面Ｗｂの各点と発光曲面１ｂの対応する各点との間でガウスの結像公式が成り立つように決めればよい。

また、図１１（ｂ）に示すように斜め上方から検査光を照射する場合にも同様の考え方を用いることで、対応する発光曲面１ｂ形状を設定することができる。

その他の実施形態について説明する。

前記各実施形態では、第１遮光マスクの遮光部の形状は円形状であったが、その他、三角形や四角形等の多角形状や、格子状等さまざまな形状の遮光部であっても構わない。要するに、照射立体角中に暗部領域を形成するとともに、全ての検査光を遮らないように、第１絞りの開口量よりも小さいものであればよい。また、同様に結像光学系の構成による観察立体角の形状や大きさも同様の構成で任意に設定することができる。さらに、欠陥の性質等に応じて任意の形状の照射立体角と観察立体角の組み合わせを選ぶことによって、より精密な欠陥検査が可能となる。

前記第２遮光マスクの遮光部の形状も実施形態に限られるものではなく、その他の形状であっても構わない。例えばストライプ状や、円形、多角形状等様々な形状であってもよい。

観察立体角の設定方法は、各実施形態に示したものに限られず、照射立体角の暗部領域に基づいて適宜設定すればよい。例えば、正常時においては観察立体角が反射光の立体角の明部領域を包含するようにしておき、欠陥があった場合の傾き変化により暗部領域が観察立体角内に入るように構成しても構わない。

前記実施形態では、第１遮光マスクは第１絞りに近接させて設けていたが、前記第１絞りの近傍に第１遮光マスクは配置されていればよく、若干離間していても構わない。また、前記面光源の結像面は検査対象の近傍にあればよく、厳密に検査対象上で結像していなくてもよい。

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
１２ ：放熱フィン
２ ：レンズ
３１ ：第１絞り
３２ ：第２絞り
３３ ：第３絞り
３４ ：第４絞り
４ ：ハーフミラー
４１ ：枠体
９１ ：第１筒状体
９２ ：第２筒状体
９３ ：箱体
Ｃ ：撮像装置
ＩＭ ：結像面
Ｌ１ ：照射光路
Ｌ１１ ：第１光路
Ｌ１２ ：第２光路
Ｌ２ ：反射光路
Ｍ１ ：第１遮光マスク
Ｍ２ ：第２遮光マスク
Ｗ ：検査対象

Claims (8)

1. 検査対象に検査光を照射する検査用照明装置と、前記検査対象において反射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であって、
   前記検査用照明装置が、
   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、前記面光源を前記検査対象の近傍において結像させるレンズと、
   前記面光源と前記検査対象との間に設けられ、前記検査対象の各点に照射される検査光の照射立体角中に暗部領域を形成する第１遮光マスクと、を備えており、
   前記撮像装置が、
   前記検査用照明装置から前記検査対象の各点に照射される検査光の照射立体角における暗部領域の形状又は大きさに基づいて観察立体角の形状又は大きさが設定されていることを特徴とする検査システム。
2. 前記観察立体角の大きさが前記照射立体角の暗部領域の大きさと略同じに設定されている請求項１記載の検査システム。
3. 前記レンズの焦点に対して所定の位置に配置される第１絞りをさらに備えた請求項１又は２記載の検査システム。
4. 前記第１遮光マスクが、前記第１絞りの近傍に設けられており、前記第１遮光マスクの遮光部が前記第１絞りの開口径よりも小さく形成されている請求項３記載の検査システム。
5. 所定のマスクパターンが形成された第２遮光マスクが、前記面光源の射出側近傍に設けられている請求項１乃至４いずれかに記載の検査システム。
6. 前記面光源が発光平面を有しており、
   前記レンズの光軸が前記検査対象上の検査対象平面に対して斜めに入射するように配置されており、
   前記発光平面を含む第１仮想平面と、前記レンズの主面を含む第２仮想平面と、前記検査対象平面を含む第３仮想平面とが一直線上で交わるように配置されている請求項１乃至５いずれかに記載の検査システム。
7. 前記面光源が発光曲面を有しており、
   前記発光曲面の各点から射出された光が前記レンズにより前記検査対象上の検査対象曲面の各点において結像するように、当該発光曲面の形状が設定されている請求項１乃至５いずれかに記載の検査システム。
8. 検査光を射出する面光源と、
   前記面光源と検査対象との間に設けられ、前記面光源を前記検査対象の近傍において結像させるレンズと、
   前記面光源と前記検査対象との間に設けられ、前記検査対象の各点に照射される検査光の照射立体角中に暗部領域を形成する第１遮光マスクと、を備えたことを特徴とする検査用照明装置。