(57)【要約】【課題】簡単な構成および少ない演算処理により、検査対象物からの反射光の正反射成分と拡散反射成分とを分離し、それら正反射成分と拡散反射成分の双方を用いて表面状態を検査する。【解決手段】平行光束からなる照明光を検査対象物１０に照射し、照明光が検査対象物１０により反射されて得られる正反射方向の反射光を、少なくとも第１の角度および前記第１の角度よりも大きい第２の角度の開口角で結像光学系１４に入射させ、それぞれ受光部１４ｂに結像させて第１の画像データおよび第２の画像データを生成する。第１の画像データおよび第２の画像データから、反射光の正反射成分と拡散反射成分とを分離する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検査対象物の表面の状態を、反射光の正反射成分と拡散反射成分との双方を用いて検査する表面検査方法であって、
平行光束からなる照明光を検査対象物に照射し、
前記照明光が前記検査対象物により反射されて得られる正反射方向の反射光を、少なくとも第１の角度および前記第１の角度よりも大きい第２の角度の開口角で結像光学系に入射させ、それぞれ受光部に結像させて第１の画像データおよび第２の画像データを取得し、
前記第１の画像データおよび前記第２の画像データから、前記反射光の正反射成分と拡散反射成分とを分離する表面検査方法。
【請求項２】
前記第２の画像データから前記第１の画像データを減算することにより、前記反射光の前記拡散反射成分を分離することを特徴とする請求項１に記載の表面検査方法。
【請求項３】
前記開口角を前記第１の角度よりも小さい第３の角度に設定した状態で、第３の画像データを取得し、前記拡散反射成分を前記第３の画像データから減算することによって、前記正反射成分を算出することを特徴とする請求項２に記載の表面検査方法。
【請求項４】
前記検査対象物の前記表面に前記照明光を照射した場合の、正反射方向からのズレ角度に対する正反射光および拡散反射光の分布特性を予め測定し、該測定した正反射光および拡散反射光の分布特性に基づいて、少なくとも前記第１の角度および前記第２の角度を決定することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の表面検査方法。
【請求項５】
前記反射光の前記受光部への結像および前記第１の画像データおよび前記第２の画像データの取得は、カメラを用いて行うことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の表面検査方法。
【請求項６】
前記第１の角度と前記第２の角度との切替えは、前記カメラの撮像レンズを交換することにより行うことを特徴とする請求項５に記載の表面検査方法。
【請求項７】
前記第１の角度と前記第２の角度との切替えは、前記検査対象物から前記受光部への光路上に絞りを設け、該絞りの開口を変化させることにより行うことを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記照明光を、前記検査対象物の前記表面に対して垂直に照射し、該表面に対して垂直方向に反射された反射光を前記受光部に結像させることを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の表面検査方法。
【請求項９】
前記結像光学系と前記検査対象物とを、前記検査対象物の前記表面に沿うように相対移動または回転させつつ、前記検査対象物への前記照射光の照射、並びに、少なくとも前記第１の画像データおよび前記第２の画像データの生成を行うことを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載の表面検査方法。
【請求項１０】
前記受光部は直線状に配列された受光素子を有するラインセンサを備え、該受光素子に結像される前記検査対象物の前記表面上の直線状の領域と、前記結像光学系と前記検査対象物との相対移動または回転の方向とが、実質的に直交する請求項９に記載の表面検査方法。
【請求項１１】
前記検査対象物は、円環部の中心軸線の回りに回転される円環状の部材であることを特徴とする請求項９または１０に記載の表面検査方法。
【請求項１２】
前記円環状の部材は、ピストンリングであることを特徴とする請求項１１に記載の表面検査方法。
【請求項１３】
前記第１の角度は、前記反射光の前記正反射成分の９５％以上が、前記開口角の範囲内に含まれるように選択することを特徴とする請求項１〜１２の何れか一項に記載の表面検査方法。
【請求項１４】
前記第３の角度は、前記反射光の前記正反射成分の５〜５０％が、前記開口角の範囲内に含まれるように選択することを特徴とする請求項３に記載の表面検査方法。
【請求項１５】
検査対象物の表面の状態を、反射光の正反射成分と拡散反射成分との双方を用いて検査する表面検査装置であって、
平行光束からなる照明光を検査対象物に照射する光照射光学系と、
前記光照射光学系の正反射方向に配置され、前記照明光が前記検査対象物により反射されて得られる反射光を結像させる結像光学系と、
前記結像光学系による前記反射光の結像位置に配置された受光部と、
前記受光部により取得した画像データから正反射成分と拡散反射成分とを分離する処理部と
を備え、
前記結像光学系は、前記検査対象物に対する開口角を調整または切換え可能であり、前記処理部は、少なくとも２つの異なる開口角により撮像した画像データから、前記反射光の前記正反射成分と前記拡散反射成分とを分離することを特徴とする表面検査装置。
【請求項１６】
前記結像光学系は、前記開口角を少なくとも第１の角度、および、前記第１の角度よりも大きい第２の角度に設定した状態で、前記受光部は、それぞれ第１の画像データおよび第２の画像データを取得するように構成され、前記処理部は、前記第２の画像データから前記第１の画像データを減算することにより、前記反射光の前記拡散反射成分を分離することを特徴とする請求項１５に記載の表面検査装置。
【請求項１７】
前記受光部は、前記開口角を前記第１の角度よりも小さい第３の角度に設定した状態で、第３の画像データを取得するように構成され、前記処理部は、分離された前記拡散反射成分を前記第３の画像データから減算することによって、前記正反射成分を取得することを特徴とする請求項１６に記載の表面検査装置。
【請求項１８】
前記結像光学系と前記受光部とは、カメラにより構成されることを特徴とする請求項１５〜１７の何れか一項に記載の表面検査装置。
【請求項１９】
前記結像光学系は、前記カメラの撮像レンズを交換することにより前記開口角を切替えることを特徴とする請求項１８に記載の表面検査装置。
【請求項２０】
前記結像光学系は、前記有効開口角を調整するための絞りを含んで構成されることを特徴とする請求項１５〜１８の何れか一項に記載の表面検査装置。
【請求項２１】
前記光照射光学系は、前記結像光学系と同軸に前記検査対象物の前記表面を照射するように構成されることを特徴とする請求項１５〜２０の何れか一項に記載の表面検査装置。
【請求項２２】
前記結像光学系と前記検査対象物とが、前記検査対象物の前記表面に沿うように相対移動または回転可能なように、前記検査対象物を保持する保持部を備えることを特徴とする請求項１５〜２１の何れか一項に記載の表面検査装置。
【請求項２３】
前記受光部は直線状に配列された受光素子を有するラインセンサを備え、該受光素子に結像される前記検査対象物の前記表面上の直線状の領域と、前記結像光学系と前記検査対象物との相対移動または回転の方向とが、実質的に直交するように構成されている請求項２２に記載の表面検査装置。
【請求項２４】
前記検査対象物は円環状の部材であり、前記支持部は該円環状の部材を、円環の中心軸線の周りに回転させる回転台であることを特徴とする請求項２２または２３に記載の表面検査装置。
【請求項２５】
前記円環状の部材はピストンリングであることを特徴とする請求項２４に記載の表面検査装置。
【請求項２６】
前記第１の角度は、前記反射光の前記正反射成分の９５％以上が、前記開口角の範囲内に含まれるように選択することを特徴とする請求項１５〜２５の何れか一項に記載の表面検査装置。
【請求項２７】
前記第３の角度は、前記反射光の前記正反射成分の５〜５０％が、前記開口角の範囲内に含まれるように選択することを特徴とする請求項１７に記載の表面検査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検査対象物の表面の状態を検査する表面検査方法および表面検査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光沢材料で、かつ梨地状表面を有し、比較的平坦な表面を持つ検査対象物の表面状態を検査するために、検査対象物の表面に均一な照明光を照射し、得られる反射光から検査対象物の表面の欠陥等を検出する装置や方法が知られている。反射光には、正反射成分と拡散反射成分とが含まれており、それぞれ異なる検査目的に使用できる。図８（ａ），（ｂ）は、それぞれ正反射成分および拡散反射成分による、表面画像の検出の例である。正反射成分には検査対象物の表面の凹凸に起因する情報が主に含まれており、面粗度や突起、くぼみの大きさや、深さが反映される。これに対し、拡散反射成分には主に、表面の色むらを検出することができ、部分的な材質の違いや、汚れなどの付着などの判定が可能である。
【０００３】
観察対象物の表面検査のためには、表面検査の目的に応じて、反射光から正反射成分および拡散反射成分を分離して、いずれか一方または双方のデータから得られる画像を観察している。例えば、照明光を検査対象物に照射し、反射光路中に偏光素子を設けることにより、正反射成分を除去して、拡散反射成分のみを受光手段により検出する光学検査装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、このようにすることによって、印刷物の反射光から、光沢（つや）を除き、印刷物の絵柄の情報を検出している。
【０００４】
また、二色性反射モデルに基づいて、正反射成分と拡散反射成分とを分離する方法（例えば、特許文献２参照）も知られている。特許文献２の従来技術には、樹脂や金属などの成型品の検査対象物の表面を検査する装置について記載している。この装置は、検査対象物の上方に、検査対象物に向けてカメラを配置し、このカメラの光軸と同じ方向から、Ｒ，Ｇ，Ｂの３種類の色彩光のうちの特定の一つを照射して、検査対象物の表面の凹凸欠陥を検出するとともに、カメラの光軸に対して斜めから他の色彩光を照射して、表面の色彩欠陥を検出している。
【０００５】
さらに、検査対象物を異なる角度で照明する２つの照明手段を設けるとともに、一方の照明手段に対しては正反射方向となり、他方の照明手段に対しては拡散反射光を受光するように結像のための光学系および受光素子を配置した検査装置についても開示されている（例えば、特許文献３参照）。この装置によれば、照明手段を切替えることにより、検査対象物の同じ位置の正反射画像と拡散反射画像とを選択的に取得できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平４−７１８４９号公報
【特許文献２】特開２００８−２１５８７５号公報
【特許文献３】特開２００７−３２７８９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の従来技術に係る表面検査装置では、正反射成分および拡散反射成分の何れか一方のみを用いてしか検査することができなかった。また、特許文献２、３の表面検査装置では、検査対象物の表面による反射光の正反射成分と拡散反射成分とをそれぞれ検出するために、複数の照射光源や受光素子を設けるために装置が複雑化する。さらに、反射成分を演算により分離する方法も知られているが、正反射成分と拡散反射成分とを分離するための演算は複雑であり、分離精度も高くない。
【０００８】
したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、簡単な構成および少ない演算処理により、検査対象物からの反射光の正反射成分と拡散反射成分とを分離し、それら正反射成分と拡散反射成分との双方を用いて、表面状態を検査することができる表面検査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成する表面検査方法の発明は、
検査対象物の表面の状態を、反射光の正反射成分と拡散反射成分との双方を用いて検査する表面検査方法であって、
平行光束からなる照明光を検査対象物に照射し、
前記照明光が前記検査対象物により反射されて得られる正反射方向の反射光を、少なくとも第１の角度および前記第１の角度よりも大きい第２の角度の開口角で結像光学系に入射させ、それぞれ受光部に結像させて第１の画像データおよび第２の画像データを取得し、
前記第１の画像データおよび前記第２の画像データから、前記反射光の正反射成分と拡散反射成分とを分離することを特徴とするものである。
なお、開口角とは、検査対象物の光軸上の点から結像光学系のレンズの有効径が張る角度である。言い換えれば、光軸上の検査対象物から発した光のうち、結像に寄与する光の角度範囲を示すものである。
【００１０】
前記表面検査方法において、前記第２の画像データから前記第１の画像データを減算することにより、前記反射光の前記拡散反射成分を分離することが好ましい。
【００１１】
さらに、前記表面検査方法において、前記開口角を前記第１の角度よりも小さい第３の角度に設定した状態で、第３の画像データを取得し、前記拡散反射成分を前記第３の画像データから減算することによって、前記正反射成分を算出することができる。
【００１２】
また、前記表面検査方法において、前記検査対象物の前記表面に前記照明光を照射した場合の、正反射方向からのズレ角度に対する正反射光および拡散反射光の分布特性を予め測定し、該測定した正反射光および拡散反射光の分布特性に基づいて、少なくとも前記第１の角度および前記第２の角度を決定することができる。
【００１３】
前記反射光の前記受光部への結像および前記第１の画像データおよび前記第２の画像データの取得は、カメラを用いて行うことができる。その場合、前記第１の角度と前記第２の角度との切替えは、前記カメラの撮像レンズを交換することにより行っても良い。
【００１４】
あるいは、前記第１の角度と前記第２の角度との切替えは、前記検査対象物から前記受光部への光路上に絞りを設け、該絞りの開口を変化させることにより行うこともできる。
【００１５】
さらに、前記表面検査方法において、前記照明光を、前記検査対象物の前記表面に対して垂直に照射し、該表面に対して垂直方向に反射された反射光を前記受光部に結像させることが好ましい。
【００１６】
また、前記結像光学系と前記検査対象物とを、前記検査対象物の前記表面に沿うように相対移動または回転させつつ、前記検査対象物への前記照明光の照射、並びに、少なくとも前記第１の画像データおよび前記第２の画像データの取得を行うことができる。
【００１７】
さらに、前記受光部は直線状に配列された受光素子を有するラインセンサを備え、該受光素子に結像される前記検査対象物の前記表面上の直線状の領域と、前記結像光学系と前記検査対象物との相対移動または回転の方向とが、実質的に直交するようにすることができる。
【００１８】
また、前記検査対象物は、円環部の中心軸線の回りに回転される円環状の部材であり、特に、ピストンリングとすることができる。
【００１９】
さらに、前記表面検査方法において、前記第１の角度は、前記反射光の前記正反射成分の９５％以上が、前記開口角の範囲内に含まれるように選択することが好ましい。また、前記第３の角度は、前記反射光の前記正反射成分の５〜５０％が、前記開口角の範囲内に含まれるように選択することが好ましい。
【００２０】
上記目的を達成する表面検査装置の発明は、
検査対象物の表面の状態を、反射光の正反射成分と拡散反射成分との双方を用いて検査する表面検査装置であって、
平行光束からなる照明光を検査対象物に照射する光照射光学系と、
前記光照射光学系の正反射方向に配置され、前記照明光が前記検査対象物により反射されて得られる反射光を結像させる結像光学系と、
前記結像光学系による前記反射光の結像位置に配置された受光部と、
前記受光部により取得した画像データから正反射成分と拡散反射成分とを分離する処理部とを備え、
前記結像光学系は、前記検査対象物に対する開口角を調整または切換え可能であり、前記処理部は、少なくとも２つの異なる開口角により撮像した画像データから、前記反射光の前記正反射成分と前記拡散反射成分とを分離することを特徴とするものである。
【００２１】
前記表面検査装置において、前記結像光学系は、前記開口角を少なくとも第１の角度、および、前記第１の角度よりも大きい第２の角度に設定した状態で、前記受光部は、それぞれ第１の画像データおよび第２の画像データを取得するように構成され、前記処理部は、前記第２の画像データから前記第１の画像データを減算することにより、前記反射光の前記拡散反射成分を分離することが好ましい。
【００２２】
また、前記受光部は、前記開口角を前記第１の角度よりも小さい第３の角度に設定した状態で、第３の画像データを取得するように構成され、前記処理部は、分離された前記拡散反射成分を前記第３の画像データから減算することによって、前記正反射成分を生成することができる。
【００２３】
さらに、前記表面検査装置において、前記結像光学系と前記受光部とは、カメラにより構成することができる。その場合、前記結像光学系は、前記カメラの撮像レンズを交換することにより前記開口角を切替えることができる。
【００２４】
また、前記結像光学系は、前記開口角を調整するための絞りを含んで構成しても良い。
【００２５】
好適には、前記光照射光学系は、前記結像光学系と同軸に前記検査対象物の前記表面を照射するように構成される。
【００２６】
さらに、前記表面検査方法において、前記結像光学系と前記検査対象物とが、前記検査対象物の前記表面に沿うように相対移動または回転可能なように、前記検査対象物を保持する保持部を備えることができる。
【００２７】
また、前記表面検査方法において、前記受光部は直線状に配列された受光素子を有するラインセンサを備え、該受光素子に結像される前記検査対象物の前記表面上の直線状の領域と、前記結像光学系と前記検査対象物との相対移動又は回転の方向とが、実質的に直交するように構成することができる。
【００２８】
さらに、前記表面検査方法において、前記検査対象物は円環状の部材であり、前記支持部は該円環状の部材を、円環の中心軸線の周りに回転させる回転台とすることができる。また、前記円環状の部材はピストンリングとすることができる。
【００２９】
好適には、前記第１の角度は、前記反射光の前記正反射成分の９５％以上が、前記開口角の範囲内に含まれるように選択し、前記第３の角度は、前記反射光の前記正反射成分の５〜５０％が、前記開口角の範囲内に含まれるように選択することができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、照明光が検査対象物により反射されて得られる正反射方向の反射光を、少なくとも第１の角度および第１の角度よりも大きい第２の角度の開口角で入射させ、それぞれ受光部に結像させて第１の画像データおよび第２の画像データを生成し、第１の画像データおよび前記第２の画像データから、反射光の正反射成分と拡散反射成分とを分離するようにしたので、簡単な構成および少ない演算処理により、検査対象物からの反射光の正反射成分と拡散反射成分とを分離し、それら正反射成分と拡散反射成分の双方を用いて表面状態を検査することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】検査対象物の光反射特性を測定する装置の概略構成を示す図である。
【図２】検査対象物の光反射特性の一例を示す図である。
【図３】第１実施の形態に係る表面検査装置の概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。
【図４】図３の表面検査装置で、開口角を絞った場合を示す平面図である。
【図５】全反射光を正反射成分と拡散反射成分とに分離する処理を示す図である。
【図６】第２実施の形態に係る表面検査装置の概略構成を示す平面図である。
【図７】第３実施の形態に係る表面検査装置の正面図である。
【図８】光反射による表面検査画像の一例を示す図であり、（ａ）は正反射成分による凹凸欠陥を示し、（ｂ）は拡散反射成分による汚れ欠陥を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００３３】
（第１実施の形態）
以下に第１実施の形態に係る表面検査装置と、これを用いた表面検査方法について説明する。本実施の形態では、樹脂製のピストンリングを検査対象物とする。まず、目的とする検査対象物の表面検査を行う前に、一般的に検査対象物の材料が有する光反射特性を測定する。光反射特性とは、正反射方向からのズレ角度に対する、正反射光および拡散反射光の相対輝度の変化を示すものである。
【００３４】
図１は、検査対象物５の光反射特性を測定する測定装置の概略構成を示す図である。この測定装置は、光源１とカメラ２と２つの偏光素子３、４とを含んで構成される。検査対象物５は、表面検査を行う検査対象物（ピストンリング）と同じ素材で形成され、比較的平坦で良好な状態の表面を有する。
【００３５】
光源１は、ビーム径の小さいレーザ光を射出するレーザ光源であり、検査対象物５の表面を斜めからスポット照射する。光源１と検査対象物５との間には、偏光素子３が配置され光源１を出射したレーザ光は、一方向に直線偏光した状態で検査対象物５に入射する。カメラ２は、検査対象物５上のレーザ光のスポット位置に対して撮像レンズの光軸を向けた状態で、図示しない支持部により、上記スポット位置を中心として回転可能に支持されている。カメラ２と検査対象物５のスポット位置との間には、偏光素子４が適宜配置できるように構成されている。また、カメラ２は、絞りを小さく絞った状態とし、例えば、開口角（光軸上のレーザのスポットからカメラ２のレンズの有効径が張る角度）を、例えば１〜３°程度とする。
【００３６】
次に、この装置を用いた光反射特性の測定方法について説明する。まず、偏光素子３を光源１から検査対象物５への光路上に配置し、偏光素子４をカメラ２と検査対象物５との間に配置せずに、光源１からのレーザ光の検査対象物５による全反射方向と、カメラ２の光軸との成す角θ（正反射方向からのズレ角度）を変化させ、カメラ２で輝度を測定する。これにより、正反射光と拡散反射光との双方を含む全反射光の反射光分布が得られる。なお、偏向素子４の透明度（透過率）が小さい場合は、偏向素子４と同程度の透明度を有するガラス板を偏向素子４の代わりに配置し、光量を調節するようにしても良い。また、正反射光が拡散反射光にくらべ十分小さい場合は、正反射光の透過方向に偏向素子４を配置して得られた反射光分布で代用しても良い。（この場合、拡散反射光の一部が偏光素子４を通過できないが、以下の演算において補正すれば良い。）
【００３７】
次に、カメラ２と検査対象物５との間に偏光素子４を挿入する。偏光素子４はカメラ２と共に移動するように図示しない支持部により支持される。また、偏光素子４は、偏光素子３による偏光方向と９０°を成す方向の光のみを透過させる。正反射光は、反射の前後で偏光方向が変化しない一方、拡散反射光は反射により偏光方向がランダムに変化することから、偏光素子４は、全反射光を透過させず、拡散反射光を部分的に透過させる。したがって、この状態でカメラ２により得られた信号から、ズレ角度θに対する拡散反射光のみの反射光分布を算出することができる。また、ズレ角度θに対する正反射光の輝度分布は、全反射光と拡散反射光の輝度分布の差分として得られる。
【００３８】
図２は、検査対象物の光反射特性の一例を示す図であり、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂にカーボン繊維を分散させた樹脂製品の表面より得られる反射光分布特性を示すグラフである。このグラフから分かるように、正反射光の輝度は、正反射方向からのズレ角度θが０°の正反射方向で相対輝度が最大となり、ズレ角θが大きくなるにつれ大きく低下する。一方、拡散反射光は、ズレ角度θの変化に対する変化が小さく、ほぼ一定値となっている。なお、このような拡散反射成分の分布特性を利用して、全反射光の輝度分布のみのグラフから、ズレ角度θが正反射方向から離れて略一定値となる値を拡散反射成分（ズレ角度θによらず一定）とみなし、それ以外を正反射成分とみなして、正反射成分と拡散反射成分とを分離する簡易な方法もある。
【００３９】
次に、第１実施の形態の表面検査装置および方法について説明する。図３は、第１実施の形態に係る表面検査装置の概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面図である。表面検査装置１１は、光源１２とビームスプリッタ１３とカメラ１４と検査対象物１０を固定するための回転台１６（保持部）とを備える。
【００４０】
ピストンリングである検査対象物１０は、回転台１６に取り付けられている。回転台１６は、ピストンリングを取り付けた状態で、ピストンリングのリング部分の回転対称軸と同軸の回転軸回りに回転駆動可能に構成されている。
【００４１】
光源１２は、均質な平行光束を射出することができる光源である。使用する光源としては、単色光源よりも、干渉を起こしにくい白色ＬＥＤなどの白色の光源が望ましい。ビームスプリッタ１３は、光源１２から入射した平行光束の一部を、検査対象物１０に向けて偏向させ面的に照射させる。さらに、検査対象物１０の表面１０ａで反射された光は、再びビームスプリッタに入射し、その一部がビームスプリッタ１３を透過して、カメラ１４の撮像レンズ１４ａへ入射する。照射光と、結像光学系、すなわち撮像レンズ１４ａの光軸とを同軸とすることによって、合焦点範囲が大きく、画像寸法から実寸法の計算がし易いというメリットがある。なお、表面検査装置１１は、ビームスプリッタ１３を透過した平行光束が検査対象物１０に照射され、検査対象物１０の表面１０ａでの反射光がビームスプリッタ１３で偏向されカメラ１４の撮像レンズ１４ａに入射するように構成しても良い。ここで、光源１２およびビームスプリッタ１３は、光照射光学系を構成し、また、ビームスプリッタ１３と撮像レンズ１４ａとは、結像光学系を構成している。
【００４２】
カメラ１４は、受光部１４ｂとして直線状に受光素子が配列されたラインセンサを有するラインスキャンカメラである。ラインスキャンカメラを使うことによって、曲面の観察にも対応することが可能である。このカメラ１４は、ピストンリングである検査対象物１０の側面で、ピストンリングの回転対称軸（回転台の回転軸）に沿う方向、すなわち、図３においてｚ方向に、輝度信号を取得する。これにより、回転台１６が検査対象物１０を取り付けたまま一回転することによって、ピストンリングの外周全体に渡る輝度信号を取得することができる。また、カメラ１４内には、略円形の開口の直径を調整することが出来る可変絞り１４ｃが内蔵されている。可変絞り１４ｃの開口の直径を変化させることによって、光軸上の被写体の一点と撮像レンズ１４ａの有効径の張る角度である開口角（２φ）を変化させることができる。図４に、図３のカメラ１４と比べて開口角（２φ）が小さくなるように、可変絞り１４ｃを絞った状態の、表面検査装置１１を示している。
【００４３】
カメラ１４には、処理部１５が接続されている。処理部１５は、可変絞り１４ｃの設定を変えてカメラ１４の受光部１４ｂで検出した反射光の輝度信号から、全反射光による画像データを生成するとともに、正反射成分および拡散反射成分を分離する。処理部１５は、パソコンなどの処理装置により実現される。
【００４４】
以下に、図２に示した光反射特性を有する樹脂製品の検査対象物１０について、反射光の正反射成分と拡散反射成分とを分離する方法について図５を用いて説明する。図２を参照すると、正反射方向からのズレ角度が２５度を超えると、正反射成分はほぼ０になり、拡散反射成分のみがほぼ一様の輝度となっている。そこで、開口半角（開口角の半分の角度）φがそれぞれ２５度（第１の角度）および３０度（第２の角度）となるように、カメラ１４の可変絞り１４ｃを調節して、回転台１６により観察対象物１６を少なくとも一ずつ周回転させて、それぞれ、第１の画像データと第２の画像データとを取得する（ステップＳ０１，Ｓ０２）。さらに、開口半角φを５度（第３の角度）として第３の画像データを取得する（ステップＳ０３）。なお、第１〜第３の画像データの取得は、この順序に限られず、どのような順序で行っても良い。
【００４５】
次に、処理部１５において、第２の画像データから第１の画像データを減算することにより、開口半角φが０度〜２５度の範囲の正反射成分および拡散反射成分が除去され、ズレ角度２５度〜３０度の範囲の拡散反射成分のみで結像された画像が得られる（ステップＳ０４）。なお、拡散反射成分は、正反射方向からのズレ角にほとんど依存しないので、取得する角度範囲によらず同様な画像が得られる。
【００４６】
さらに、処理部１５において、第３の画像データから、上記第１の画像データと第２の画像データとの差分により得られた拡散反射成分を減算すると、正反射成分のみの画像が得られる（ステップＳ０５）。この正反射成分は、ズレ角度０度〜５度の範囲のものである。正反射成分には、検査対象物１０の表面の凹凸に起因する情報が含まれており、面粗度や突起、くぼみの大きさや、深さを判定することができる。なお上記の減算においては、図２の反射光分布のグラフから、第３の角度の開口半角の範囲内の拡散反射成分が除去されるように、拡散反射成分に適切な乗数を掛けて減算する。
【００４７】
なお、第３の画像を用いずに、第１の画像データから、ズレ角度０度〜２５度の範囲に対応する大きさの拡散反射成分を、上記で求めた２５度〜３０度の範囲の拡散反射成分から算出して減算することにより、正反射成分のみの画像を得ることもできる。その場合、得られる正反射成分は、ズレ角度０度〜２５度の範囲のものとなる。つまり、表面１０ａに垂直な方向から０度〜２５度偏向された光が、正反射光として検出される。この場合、検査対象物１０の表面１０ａに小さい傾きの凹凸が存在しても、正反射画像に反映されない。したがって、小さい傾きの凹凸を確認するためには、開口半角φを小さくとった第３の画像を利用した方が有利である。
【００４８】
以上説明したように本実施の形態によれば、単一の光源１２により、平行光束からなる照明光を検査対象物１０に照射して、全反射方向に固定して配置したカメラ１４によって、２つの開口半角２５度（第１の角度）と３０度（第２の角度）とで、それぞれ第１の画像データと第２の画像データを生成し、この第１の画像データと第２の画像データとの差分をとることによって、反射光の正反射成分と拡散反射成分を分離するようにしたので、簡単な構成および少ない演算処理により、検査対象物１０からの反射光の正反射成分と拡散反射成分とを分離し、それら正反射成分と拡散反射成分の双方を用いて検査対象物１０の表面１０ａの状態を検査することができる。すなわち、表面の凹凸に起因する面粗度や突起等と、部分的な材質の違いや汚れ等による色むらとを分離して検出することができる。
【００４９】
さらに、第２の角度である２５度より小さい開口半角５度（第３の角度）で第３の画像データを生成して、これから反射光の正反射成分を算出するようにしたので、検査対象物１０の表面１０ａのより小さい角度を有する凹凸を検出することが可能である。すなわち、検査対象物１０の表面１０ａ上のより小さい表面粗さや突起物まで検出することが可能になる。
【００５０】
なお、第１の角度、第２の角度および第３の角度の選択は、ここに示された２５度、３０度、５度に限られない。これらの角度は、材質により異なる光反射特性に基づいて、適切な値が採用される。  第１の角度としては、反射光分布において正反射成分が拡散反射成分に対して十分小さくなるズレ角度を採用する。これに対して、第２の角度は、第１の角度における第１の画像と第２の画像との差分をとったときに、十分な大きさの拡散反射成分が得られるように、第１の角度とある程度離して設定する。また、第３の角度は、十分な反射光強度が得られることと、観察しようとする凹凸の傾きの程度を考慮して設定する。
【００５１】
例えば、前記第１の角度は、前記反射光の前記正反射成分の９５％以上が、前記開口角の範囲内に含まれるように選択することができる。このように選択することで、第１の角度の開口角より外側では、正反射成分は拡散反射成分に対して無視できる程度となる。また、前記第３の角度は、例えば、前記反射光の前記正反射成分の５〜５０％が、前記開口角の範囲内に含まれるように選択することができる。正反射成分の５％以上が含まれていれば、十分な信号強度が得られ、正反射成分の５０％以下になるように開口角を設定すれば、第１および第２の角度のみから正反射成分を分離する場合に比べ、十分小さい凹凸を検出することができる。
【００５２】
また、本実施の形態では、カメラ１４の可変絞り１４ｃにより開口角（２φ）を変化させたが、カメラ１４の撮像レンズを口径の異なるものに順次取り替えて撮像し、あるいは、カメラ１４の直前に別体の開口径を調整可能な部材を配置しても良い。また、検査対象物１０は、一例としてＰＥＥＫ樹脂からなるピストンリングとしたが、これに限られず、種々の材料からなる種々の部材に適用することができる。
【００５３】
（第２実施の形態）
図６は、第２実施の形態に係る表面検査装置の概略構成を示す平面図である。第１実施の形態では、カメラ１４の可変絞り１４ｃを操作して撮像レンズの開口角（２φ）を変更し、検査対象物１０の表面１０ａを撮像し、さらに開半角（２φ）を変更して撮像をするという操作を繰り返す必要がある。これに対して、第２実施の形態は、予め開口半角φをそれぞれ、２５度、３０度、５度となるように調整した３つの表面検査装置１１，１１’，１１”を、回転台１６の回転軸を中心に異なる方向に配置する。そして、回転台１６により検査対象物１０を回転させて、各カメラ１４，１４’，１４”で、第１の画像データ、第２の画像データおよび第３の画像データを取得する。そして、各画像データを処理部１５に出力して、処理部１５において第１実施の形態と同様の演算により、正反射成分と拡散反射成分とを分離する。
【００５４】
本実施の形態によれば、第１実施の形態の表面検査装置の効果に加え、一つの検査対象物１０の検査中に、カメラ１４，１４’，１４”の可変絞りを操作したり、撮像レンズを交換したりする必要が無いので、表面検査を高速に行うことができる。
【００５５】
（第３実施の形態）
図７は、第３実施の形態に係る表面検査装置の正面図である。表面検査装置２１は、第１実施の形態の表面検査装置１１とは異なり、平板状の検査対象物２０の表面２０ａを検査するものである。第１実施の形態と同様に、検査対象物２０の反射光分布は予め測定しておく。ここでも、検査対象物２０は樹脂製品であり、図２と同じ反射光分布を有するものとする。また、照明光の入射方向と、結像光学系の光軸とは同軸になっていない。以下に、本実施の形態の表面検査装置２１の構成を説明する。
【００５６】
表面検査装置２１は、光源２２、結像光学系２３、受光部２４、処理部２５およびステージ２６（保持部）を含んで構成される。光源２２（光照射光学系）は、平行光束を射出するレーザ光源である。光源２２からのレーザ光の検査対象物２０による正反射方向には、結像光学系２３が配置されており、結像光学系２３の光軸は受光部２４の受光面に垂直に延びている。
【００５７】
結像光学系２３は、凸レンズである第１のレンズ２３ａ、第２のレンズ２３ｂおよび可変絞り２３ｃを含んで構成される。第１のレンズ２３ａは観察対象物２３ａ側に、第２のレンズ２３ｂは受光部２４側に配置され、可変絞り２３ｃは、これら第１のレンズ２３ａおよび第２のレンズ２３ｂの間に配置される。可変絞り２３ｃは、直径が可変の円形の開口部を有しており、その開口径を変化させることによって、結像光学系２３の、観察対象物２０側の開口半角（φ）を変化させることができる。結像光学系２３は、少なくとも物体側テレセントリックな光学系として構成することが好ましく、両側テレセントリックな光学系として構成することがより好ましい。
【００５８】
受光部２４は、２次元配列された光電変換素子により構成され、結像光学系２３により結像された観察対象物２０の画素ごとの輝度を検出する。受光部２４によりされた反射光の輝度信号は、処理部２５に送信され、反射光による画像データが生成されるとともに、正反射成分および拡散反射成分が分離され、図示しないモニターや記憶部に処理結果を表示および／または蓄積する。
【００５９】
また、検査対象物２０は、載置面の面内方向に移動可能なステージ２６の上に載置されており、ステージ２６を駆動することによって、結像光学系２３に対して表面２０ａに沿う方向に、移動させることができる。
【００６０】
次に、図７に示した光反射特性を有する樹脂製品の検査対象物２０について、反射光の正反射成分と拡散反射成分とを分離する方法について説明する。本実施の形態では、第１実施の形態と異なり、受光部２４は検査対象物２０の表面２０ａの画像を面的に検出することができる。そこで、光源２２、結像光学系２３、受光部２４および検査対象物２０の位置関係を固定した状態で、可変開口２３ｃの設定を変えて、開口半角（φ）を順次２５度（第１の角度）、３０度（第２の角度）および５度（第３の角度）に設定し、それぞれの条件で受光部２４により輝度信号を取得する。取得された輝度信号に基づいて、処理部２５では、それぞれ第１の画像データ、第２の画像データおよび第３の画像データが形成される。これらの画像データに対して、第１実施の形態と同様に、第２の画像データから第３の画像データを減算することによって、拡散反射成分のみによる画像が得られる。また、この拡散反射成分に適切な乗数を掛け、第３の画像から減算することによって、正反射成分のみによる画像データが得られる。これによって、所定の領域の正反射画像と拡散反射画像が得られる。さらに、ステージ２６を移動させることによって、観察対象物２０上の観察位置を順次変更することができる。
【００６１】
以上説明したように、本実施の形態によれば、第１実施の形態と同様に、単一の光源２２と単一の結像光学系２３および受光部２４を用いた簡単な構成で、反射光から正反射成分と拡散反射成分とを分離し、これら正反射成分と拡散反射成分との双方を用いて、検査対象物２０の表面２０ａの表面状態を検査することができる。
【００６２】
なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、検査対象物の材料は樹脂に限られず、金属や紙製品、木製品等種々の材料に適用可能である。さらに、形状は円環状や板状に限られず、円柱状や球体状など様々な形状の部材に対して適用できる。
【符号の説明】
【００６３】
１    光源
２    カメラ
３、４    偏光素子
５    検査対象物
１０    検査対象物（ピストンリング）
１０ａ、２０ａ    表面
１１、２１    表面検査装置
１２、２２    光源
１３    ビームスプリッタ
１４    カメラ
１４ａ    撮像レンズ
１４ｂ    受光部
１４ｃ    可変絞り
１５、２５    処理部
１６    回転台
２０    検査対象物（平板状部材）
２３    結像光学系
２３ａ    第１のレンズ
２３ｂ    第２のレンズ
２３ｃ    可変絞り
２４    受光部
２６    ステージ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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