(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に載置された結晶体をカメラで撮像し、
結晶体の輪郭像と、カメラの光軸と実質的に平行な垂線をもつ結晶面の像とを得て、
前記の輪郭像または結晶面像の各辺のなす角度を求め、この角度から結晶体の載置方向を特定し、
輪郭像の面積と結晶面像の面積との比率を特徴量として抽出し、
さらに輪郭像の周囲長と結晶面像の周囲長との比率を特徴量として抽出して、
結晶体の載置方向と前記各特徴量とからそれぞれの結晶モードを求め、
双方の結晶モードに一定値以上の乖離がある場合に結晶体を欠陥品と判断することを特徴とする結晶体の品質評価方法。
【請求項２】
基板上に載置された結晶体をカメラで撮像して結晶体の輪郭像を得て、
カメラと同軸の落射照明を用いて前記結晶体の平面像を撮像し、さらに偏光フィルタを用いて同様の撮像を行って、得られた両平面像よりカメラの光軸と実質的に平行な垂線をもつ結晶面の像を得て、
これら輪郭像と結晶面像に基づき結晶モードを計測することを特徴とする結晶体の品質評価方法。
【請求項３】
基板上に載置された結晶体をカメラで撮像し、
結晶体の輪郭像と、カメラの光軸と実質的に平行な垂線をもつ結晶面の像とを得て、
輪郭像から結晶体の対称性を計測し、
これら輪郭像と結晶面像に基づき結晶モードを計測することを特徴とする結晶体の品質評価方法。
【請求項４】
結晶体を撮像するカメラと、
結晶体をカメラに対して投影する透過照明と、
撮像された結晶体の投影像をデジタル画像に変換出力するデジタル化手段と、
デジタル画像データをもとに結晶体の輪郭を抽出する輪郭像抽出手段と、
抽出された輪郭データを基に輪郭を構成する各辺のなす角度と所定の特徴量とを抽出する輪郭特徴量抽出手段と、
各辺のなす角度より結晶体の載置方向を求める方向判定手段と、
カメラと同軸の落射照明と、
カメラと結晶体との間および落射照明と結晶体との間に設けられた偏光フィルタと、
落射照明を用いて前記カメラで撮像した結晶体の平面像と、さらに偏光フィルタを用いて撮像された結晶体の平面像とからカメラの光軸と実質的に平行な垂線をもつ結晶面の像を得る画像間演算手段と、
得られた結晶面の像をデジタル画像に変換出力するデジタル化手段と、
結晶面の輪郭データを抽出する結晶面抽出手段と、
抽出された結晶面の輪郭データを基に所定の特徴量を抽出する結晶面特徴量抽出手段と、
輪郭特徴量抽出手段で求められた結晶体の輪郭特徴量と結晶面特徴量抽出手段で求めた結晶面特徴量との比率を求める比率演算手段と、
この比率および方向判定手段で求められた結晶体の載置方向とを予め登録された理論的相関関係と照合して結晶モードを求めるモード判定手段とを具えることを特徴とする結晶体の品質評価装置。
【請求項５】
輪郭特徴量を、輪郭像の面積、輪郭の周囲長の少なくとも一方とし、
結晶面特徴量を、結晶面の面積、結晶面の周囲長の少なくとも一方としたことを特徴とする請求項4記載の結晶体の品質評価装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、結晶体の非接触による評価を行う方法と装置に関するものである。特に、ダイヤモンドの形状に関する評価に最適な方法と装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイヤモンドの品質評価に関する技術として、特開昭60-187744 号公報に開示されたものがある。これは、ダイヤモンドにおける赤外線の吸収係数から破壊強度を求めている。すなわち、検査対象のダイヤモンドに赤外光を照射し、ダイヤモンド表面における特定位置の温度を測定する。同様の温度測定を赤外線の吸収係数が既知のダイヤモンドにも行い、両測定結果を比較することで検査対象の吸収係数を求め、さらに破壊強度を計算するものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この技術では結晶体の破壊強度が求められるだけで、結晶体の大きさや形状、対称性といった結晶体の外観上の品質を評価することができない。
従って、本発明の主目的は、結晶体の機械的特性の他、結晶体の大きさ、形状、結晶の欠陥種別を判断できる結晶体の評価方法と装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、結晶体の破壊強度が結晶モード（結晶形状）と相関関係があり、さらに、結晶モードが結晶の外観における所定の特徴量と相関関係があることに基づいてなされた。すなわち、結晶体の外観における所定の特徴量を画像処理によって求め、そこから結晶モードを求めることで結晶体の破壊強度を評価することを特徴とする。
【０００５】
本発明方法は次の構成を具える。
基板上に載置された結晶体をカメラで撮像し、結晶体の輪郭像と、カメラの光軸と実質的に平行な垂線をもつ結晶面の像とを得て、これら輪郭像と結晶面像に基づき結晶モードを計測する。
【０００６】
結晶体の輪郭像を得るには、結晶体をカメラに対して投影する透過照明を用いることが望ましい。すなわち、カメラと透過照明との中間に結晶体を配置する。
結晶モードは結晶体の載置方向と結晶体の所定の特徴量とを基に求める。この載置方向とは、結晶体がどの結晶面を上（または下）にして基板上に載置されているかということである。載置方向の検出には、まず結晶体の輪郭像の各辺のなす角度を求める。そして、この角度を結晶体の輪郭が構成する各辺のなす理論上の角度と照合することで結晶体の載置方向を特定する。
また、この角度から結晶体の欠陥を判断することもできる。求められた角度が理論上の角度と乖離する場合、結晶体を欠陥品と判断する。判断できる欠陥種別には双晶、連晶、骸晶が挙げられる。
【０００７】
結晶体の所定の特徴量には、輪郭像の面積と前記結晶面像の面積との比率、および輪郭像の周囲長と結晶面像の周囲長との比率とが挙げられる。結晶体の載置方向がわかれば、これらの比率が結晶モードと相関関係にあることが分かっているため、画像処理により各比率を求めれば結晶モードを求めることができる。結晶モードを求めるには、上記２つの比率のいずれか一方を求めればよい。
【０００８】
上記２つの比率を求めた場合、結晶体の欠陥を検知することもできる。すなわち、いずれの比率から結晶モードを求めても結晶体に欠陥がなければ得られる結晶モードは理論上一致するはずである。従って、双方の結晶モードに一定値以上の乖離がある場合には結晶体を欠陥品と判断することができる。ここで判断される欠陥の種別としては結晶の欠けが挙げられる。
【０００９】
実質的にカメラの光軸を垂線とする結晶面の像を得る手段として、カメラと同軸の落射照明を用いることが挙げられる。特に、偏光フィルタも用いることが好適である。すなわち、カメラと同軸の落射照明を用いて結晶体の平面像を撮像する。このとき、フィルタの偏光特性を用いた平面像と用いない平面像の２種類を撮像し、得られた両画像よりカメラの光軸と実質的に平行な垂線をもつ結晶面の像を得る。
偏光特性を用いることなく撮像した場合に、実質的にカメラの光軸を垂線とする結晶面の像が得られなければ結晶体を欠陥品と判断することができる。ここでの欠陥種別としては、双晶や骸晶といった結晶学上の不良が挙げられる。
【００１０】
また、結晶体の輪郭像から結晶体の大きさや対称性も計測することが好適である。特に、複数の結晶体を品質評価し、得られた評価結果（結晶モード、結晶欠陥の有無、欠陥種別、結晶体の大きさ・対称性）を統計処理することが望ましい。これにより、統計処理結果を結晶体の製造条件に反映することができる。
【００１１】
さらに、上記方法を実施するのに最適な本発明装置は、結晶体を撮像するカメラと、結晶体をカメラに対して投影する透過照明と、撮像された結晶体の投影像をデジタル画像に変換出力するデジタル化手段と、デジタル画像データをもとに結晶体の輪郭を抽出する輪郭像抽出手段と、抽出された輪郭データを基に所定の特徴量を抽出する輪郭特徴量抽出手段と、輪郭特徴量より結晶体の載置方向を求める方向判定手段と、カメラと同軸の落射照明と、カメラと結晶体との間および落射照明と結晶体との間に設けられた偏光フィルタと、落射照明を用いて前記カメラで撮像した結晶体の平面像と、さらに偏光フィルタを用いて撮像された結晶体の平面像とからカメラの光軸と実質的に平行な垂線をもつ結晶面の像を得る画像間演算手段と、得られた結晶面の像をデジタル画像に変換出力する手段と、結晶面の輪郭データを抽出する結晶面抽出手段と、抽出された結晶面の輪郭データを基に所定の特徴量を抽出する結晶面特徴量抽出手段と、輪郭特徴量抽出手段で求められた結晶の輪郭特徴量と結晶面特徴量抽出手段で求めた結晶面特徴量との比率を求める比率演算手段と、この比率および方向判定手段で求められた結晶の載置方向とを予め登録された理論的相関関係と照合して結晶モードを求めるモード判定手段とを具える。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体的に説明する。図１は本発明装置の概略を示す構成図である。
本発明装置は、結晶体を撮像するカメラ１、透過照明２、落射照明３、画像処理装置４、およびモニタ５を主な構成とする。
【００１３】
カメラ１（例えばＣＣＤカメラ）は下方を撮像するように配置され、前方（下方）に鏡筒６が一体化されている。一方、透過照明はこのカメラ１に対向して上向きに配置され、カメラ１と透過照明２の中間に結晶体Ｃを載置する基板７が配置されている。透過照明２の光は基板７を透過し、カメラ１に対して結晶体Ｃを投影する。結晶体Ｃの像は鏡筒６で拡大されてカメラ１に取り込まれる。
【００１４】
鏡筒６の下方部には鏡筒６から直角に枝分かれした光路８を具える。光路８は開口端に落射照明３を具え、鏡筒６と光路８の接続部には落射照明３の光を下方に反射するミラー（図示せず）が内蔵されている。
【００１５】
また、鏡筒６とカメラ１の接続部および光路８の中間部にはそれぞれ偏光フィルタ９，10が設けられている。フィルタ９は結晶体Ｃからの反射光の特定成分を抽出するために用いられ、フィルタ10は落射照明３の特定成分の光のみを透過させることに用いられる。
【００１６】
さらに、このカメラ１には画像処理装置４が接続されている。これは、カメラ１を介して得られた画像を処理し、結晶モード、結晶欠陥の有無、欠陥種別などの判定を行う。そして、取り込まれた画像や判定結果は画像処理装置４に接続されたモニタ５に表示される。
【００１７】
画像処理装置５による結晶体Ｃの品質評価手順を説明する。ここでは結晶体Ｃをダイヤモンドとした場合を例とする。
最初にダイヤモンドの載置方向を求め、さらにダイヤモンド輪郭像の面積と周囲長を求める。
ダイヤモンドの外形の一例を図２（Ａ）に示す。このダイヤモンドは立方体の各角部を切り欠いた形状で、ほぼ三角形の面と八角形の面とで構成されている。そのため、このダイヤモンドを平面上に載置した場合、三角面を上（下）にするか、八角面を上（下）にするかの２通りの載置方向がある。この載置方向を特定するには、まず基板上に載せたダイヤモンドを透過照明を用いて撮像する。このとき、フィルタの偏光特性を用いる必要はない。得られた投影像は画像処理装置に取り込まれる。
【００１８】
画像処理装置は、デジタル化手段、メモリ、輪郭抽出手段、輪郭特徴量抽出手段、および方向判定手段とを含む。
デジタル化手段は取り込まれた画像を画素ごとのデジタルデータに変換出力する。ここで、二値化処理を行って画像を二値化画像とし、この二値化画像データをメモリに記憶する。次に、輪郭抽出手段により二値化画像データから投影像の輪郭点を抽出する。さらに、輪郭特徴量抽出手段により、輪郭像の各辺のなす角度と輪郭像の面積・周囲長を抽出する。例えば、抽出された輪郭点から直線成分を抽出するためにハフ変換を用い、投影像の輪郭を構成する直線群を抽出する。抽出した直線群からそれらの交点を求め、多角形の輪郭像に近似する。この近似処理により、各直線群のなす角度を求める。同時に、輪郭像の面積と周囲長も求めてメモリに記憶させる。そして、方向判定手段により前記角度を幾何学的理論値と照合して載置方向を特定する。すなわち、図２（Ａ）の(100) 面15を上面とした載置方向の場合、図２（Ｂ）に示す輪郭像が得られ、(111) 面16を上面とした場合、図２（Ｃ）に示す輪郭像が得られる。前者の場合、輪郭を構成する直線がなす理論値は９０°であり、後者の場合は１２０°となる。従って、予め理論値をメモリに登録しておき、輪郭像を基に演算された角度がメモリから出力された理論値のいずれかに適合すれば、載置方向を特定することができる。いずれの理論値とも適合しなければ、結晶に欠陥があるものと判断する。
【００１９】
次に、ダイヤモンドの上面の画像からその面積と周囲長を求める。
基板７はその垂線がカメラの光軸と平行になるよう配置されている。そのため、結晶欠陥のないダイヤモンドの上面はカメラ１の光軸と実質的に平行な垂線をもつ結晶面となる。すなわち、図２（Ｂ）では(100) 面15が、同（Ｃ）では(111) 面16が上面となる。
【００２０】
まず、落射照明３を用いて結晶体の平面像を撮像する。このとき、フィルタ９,10 の偏光特性を用いて撮像した平面像と、そうでない平面像の双方を撮像する。例えば、結晶の載置方向が図２（Ａ）の八角面を上面としている場合、偏光特性を用いることなく撮像して、同図（Ｂ）のような平面像を得る。このとき、上面像が得られなければ結晶欠陥と判断する。次に、偏光フィルタ９,10 を操作して、上面以外の面（図２Ｂの平面像における４隅の三角面）のみの平面像を得る。各平面像のデータをメモリに記憶しておき、画像間演算手段により前者の平面像から後者の平面像を差し引くことで上面のみの画像を抽出する。
【００２１】
抽出された結晶面（上面）の画像をデジタル化手段を介して二値化処理する。得られた二値化画像から前記輪郭像の場合と同様に結晶面の面積と周囲長を求める。すなわち、画像処理装置を構成する結晶面輪郭抽出手段により結晶面の輪郭点を抽出する。そして、この輪郭点を基に結晶面特徴量抽出手段により結晶面を多角形に近似し、その面積と周囲長を演算する。
【００２２】
以上の手順により得られた輪郭像の面積・周囲長と、結晶面像の面積・周囲長の各比率を演算する。すなわち、「結晶面像の面積／輪郭像の面積」と「結晶面像の周囲長／輪郭像の周囲長」を比率演算手段により求める。以下、前者の比率を面積比、後者の比率を周囲長比という。
【００２３】
ところで、これらの比率と結晶モードの間には相関関係がある。図３に理論的相関関係を示す。同図において、「(100) 面積比」は結晶が(100) 面を上面とした載置方向における面積比と結晶モードの関係を示し、同様に、「(111) 周囲長比」は結晶が(111) 面を上面とした載置方向における周囲長比と結晶モードの関係を示す。従って、この理論的相関関係を基準値メモリに登録しておけばよい。そして、既に求めた結晶体の載置方向と面積比または周囲長比とを結晶モード判定手段により基準値メモリから出力した理論的相関関係と照合することで結晶モードを求めることができる。例えば、結晶体が(100) 面を上面とした載置方向で、面積比を基準に結晶モードを求めるには、演算により求められた面積比が、理論的相関関係の「(100) 面積比」の曲線上のどこに相当するかを演算して結晶モードを求める。
【００２４】
ここで、面積比を基準に求めた結晶モードと、周囲長比を基準に求めた結晶モードとの間に一定値以上の乖離があった場合、結晶体を欠陥品と判断する。結晶モードが求められれば、既知の結晶モードと破壊強度との相関関係から検査対象のダイヤモンドの破壊強度を判断することができる。
【００２５】
この評価手順を実行する際、結晶体の輪郭像およびその面積が求められているため、これをもとにダイヤモンドの大きさや対称性も判断することができる。対称性は、例えば輪郭像を楕円近似して主軸・副軸の比から求める。これにより、ダイヤモンドの選別を効果的に行うことができる。さらに、このような品質評価を多数のダイヤモンドについて行い、その破壊強度、大きさ、対称性、欠陥の有無、欠陥種別に関するヒストグラムを得て、ダイヤモンド製造条件との相関関係を調べることで製造条件の最適化を図ることができる。
【００２６】
以上の説明はダイヤモンドを例として行ったが、これ以外にもＣＢＮなど載置方向が限られた結晶体の品質評価に本発明を利用することが好適である。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明方法によれば、画像処理により結晶体の載置方向を特定し、結晶モードを求めることができるため、結晶体の破砕性を検出することができる。併せて、結晶体の大きさ・形状、結晶欠陥の有無、欠陥種別も検知することができる。特に、多数の結晶体について品質評価を行い、その評価結果を統計処理することで製造条件の最適化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明装置の概略を示す構成図。
【図２】（Ａ）は結晶体の斜視図、（Ｂ）は(100) 面を上面とした結晶の平面図、（Ｃ）は(111) 面を上面とした結晶の平面図。
【図３】面積比および周囲長比と結晶モードとの理論的相関関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１  カメラ  ２  透過照明  ３  落射照明  ４  画像処理装置  ５  モニタ
６  鏡筒  ７  基板  ８  光路  ９,10 偏光フィルタ  15  (100) 面
16  (111) 面
【図１】
0003674801.tif 000002
【図２】
0003674801.tif 000003
【図３】
0003674801.tif 000004