(57)【要約】  表面検査方法は、凸状の表面を有する試料に、所定の幅および所定の厚さを有する照射光の一部を照射して、前記凸状の表面で反射した反射光をスクリーンに投射して光学像を形成し、前記照射光の一部を除く前記照射光を前記凸状の表面を通過させて基準光とし、前記基準光により特定される前記光学像の検査箇所の反射光強度分布に基づき前記試料の表面状態を検査する。
2018235376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凸状の表面を有する試料に、所定の幅および所定の厚さを有する照射光の一部を照射して、前記凸状の表面で反射した反射光をスクリーンに投射して光学像を形成し、
前記照射光の一部を除く前記照射光を前記凸状の表面を通過させて基準光とし、
前記基準光により特定される前記光学像の検査箇所の反射光強度分布に基づき前記試料の表面状態を検査する、表面検査方法。
【請求項２】
請求項１に記載の表面検査方法において、
前記照射光の一部は、前記試料の被照射部の一側縁および該一側縁の位置から厚さ方向に所定長さ離間した特定位置を含む領域に向けて照射され、
前記基準光により特定される前記光学像の検査箇所に基づき前記試料の表面状態を検査し、
前記スクリーンには、前記特定位置で反射された反射光による前記検査箇所を含んで投射される、表面検査方法。
【請求項３】
請求項２に記載の表面検査方法において、
前記照射光の一部は、光強度のピーク部位を含む、表面検査方法。
【請求項４】
請求項３に記載の表面検査方法において、
前記照射光のピーク部位は前記特定位置に照射される、表面検査方法。
【請求項５】
請求項２に記載の表面検査方法において、
前記基準光を前記スクリーンに照射して基準像を形成し、前記基準像に基づき前記試料の前記特定位置から反射した前記光学像の前記検査箇所を特定する、表面検査方法。
【請求項６】
請求項２に記載の表面検査方法において、
前記試料は断面外周形状が円形であり、前記試料を、中心軸を中心に回転させながら前記試料に前記照射光の一部を照射し、前記試料の照射部の反射光を前記スクリーンに投射する、表面検査方法。
【請求項７】
請求項６に記載の表面検査方法において、
前記試料の中心軸から前記照射光の光軸までの距離は、前記試料の半径以下である、表面検査方法。
【請求項８】
請求項６に記載の表面検査方法において、
前記試料の半径に応じて前記試料の表面への前記照射光の入射角度を調節し、半径が異なる前記試料に対して、前記スクリーンに形成される前記光学像の拡大倍率を一定にする、表面検査方法。
【請求項９】
請求項６に記載の表面検査方法において、
前記試料の半径をＲ、前記試料の表面への前記照射光の入射角をθ、前記照射光の光軸と前記試料の稜線との距離をδとしたとき、δ＝Ｒ（１−ｃｏｓθ）の関係となる、表面検査方法。
【請求項１０】
請求項６に記載の表面検査方法において、
前記スクリーンに投射された前記光学像をラインセンサカメラで読み込み、
前記試料の半径をＲ、前記スクリーン上での前記試料の周方向の拡大倍率をＭ、前記スクリーン上でのラインセンサカメラの画素寸法をｃ、前記ラインセンサカメラのスキャンレートをｆ、前記試料の回転速度をＮとしたとき、Ｎ≦ｃ・ｆ（２πＲ・Ｍ）を満足する条件で、前記試料を回転する、表面検査方法。
【請求項１１】
請求項２に記載の表面検査方法において、
前記試料は帯状の部材であり、当該検査時において、前記試料を変形させて、前記凸状の表面を形成する、表面検査方法。
【請求項１２】
試料の凸状の表面に、所定の幅および所定の厚さを有する照射光の一部を照射するとともに、前記照射光の一部を除く前記照射光を前記凸状の表面を通過させる基準光として照射する照射部と、
前記試料を保持する試料保持部と、
前記試料の凸状の表面から反射した反射光に基づく光学像を形成するスクリーンと、
前記スクリーンに形成された前記光学像を検出する検査光検出部と、
前記検査光検出部で検出した前記光学像の前記基準光により特定される検査箇所の反射光強度分布に基づき前記試料の表面状態を検出する処理部と、
を備える、表面検査装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の表面検査装置において、
前記照射部は、前記照射光の一部を、前記試料の被照射部の一側縁の位置から厚さ方向に所定長さ離間した特定位置までの領域を含み、前記一側縁に対する接線方向に向けて照射し、
前記スクリーンは、前記特定位置で反射された反射光を含んで前記光学像を形成する、表面検査装置。
【請求項１４】
請求項１２に記載の表面検査装置において、
前記照射部は、前記照射光の一部に光強度のピーク値が含まれるように前記試料の表面に前記照射光の一部を照射する、表面検査装置。
【請求項１５】
請求項１２に記載の表面検査装置において、
前記基準光を検出する基準光検出部を備え、
前記処理部は、前記基準光検出部で検出した前記基準光に基づき、前記試料と前記照射部の相対的な位置を制御する、表面検査装置。
【請求項１６】
請求項１２に記載の表面検査装置において、
前記検査光検出部は、前記試料の表面から反射した前記照射光の一部が投射されて形成された前記スクリーンの光学像を検出する第１の光検出部と、
前記試料の表面に照射された前記照射光の一部の散乱光を検出する第２の光検出部と、を備える、表面検査装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の表面検査装置において、
前記処理部は、前記第１の光検出部で検出した前記散乱光と前記第２の光検出部で検出した光学像とに基づき、表面状態を弁別する、表面検査装置。  
【請求項１８】
凸状の表面を持つ製品の製造方法であって、
前記凸状の表面を加工し、
加工された前記凸状表面に、所定の幅および所定の厚さを有する照射光の一部を照射して、前記凸状の表面で反射させた反射光をスクリーンに投射して光学像を形成し、
前記照射光の一部を除く前記照射光を前記凸状の表面を通過させて基準光とし、
前記基準光により特定される前記光学像の検査箇所の反射光強度分布に基づき試料の表面状態を検査し、
検査した前記製品の表面状態に基づき、前記製品の良否を判定し、
判定結果に基づき前記製品を次の工程に移す、製品の製造方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の製品の製造方法において、
前記基準光は、前記凸状の表面を通過させて前記スクリーンに直接照射して基準像を形成する、製品の製造方法。
【請求項２０】
請求項１８に記載の製品の製造方法において、
前記基準光の一部を光センサに直接照射し検出する、製品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面検査方法、表面検査装置および製品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面の微小な凹凸等を自動検出する方法として、被検体表面の凹凸疵を魔鏡原理で検査する方法が知られている。特許文献１には、走行する平坦状の鋼板表面に収束光を照射し、鋼板表面で反射した光をスクリーンに投射することで、凹凸疵をスクリーン上で明暗パターンとして顕在化する方法が開示されている。この文献では、鋼板への入射角をθ、光源からの光の波長をλとした場合、ｃｏｓθ／λを所定値以下にすると凹凸疵を顕在化できることが記載されている。また、特許文献１では、鋼板をロールに巻き付け、このロールに巻き付いている部分を測定することにより、走行する鋼板のパスライン変動の影響を避けることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】日本国特開２００２−１３９４４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の方法で、鋼板のロールに巻き付けた部分に収束光を照射する方法では、収束光の収束点をロール外周と概略一致させるようにしない限り検出性能を一定に維持することができない。なお、特許文献１には、スクリーン上に投射される光学像の拡大倍率についての記載は無いが、ロール径が変化すると、ロール曲率変化に伴い反射光の拡大倍率が変わるため、この場合においても、検出性能を一定に維持することができない。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第１の態様によると、表面検査方法は、凸状の表面を有する試料に、所定の幅および所定の厚さを有する照射光の一部を照射して、前記凸状の表面で反射した反射光をスクリーンに投射して光学像を形成し、前記照射光の一部を除く前記照射光を前記凸状の表面を通過させて基準光とし、前記基準光により特定される前記光学像の検査箇所の反射光強度分布に基づき前記試料の表面状態を検査する。
本発明の第２の態様によると、表面検査装置は、試料の凸状の表面に、所定の幅および所定の厚さを有する照射光の一部を照射するとともに、前記照射光の一部を除く前記照射光を前記凸状の表面を通過させる基準光として照射する照射部と、前記試料を保持する試料保持部と、前記試料の凸状の表面から反射した反射光に基づく光学像を形成するスクリーンと、前記スクリーンに形成された前記光学像を検出する検査光検出部と、前記検査光検出部で検出した前記光学像の前記基準光により特定される検査箇所の反射光強度分布に基づき前記試料の表面状態を検出する処理部と、を備える。
本発明の第３の態様によると、凸状の表面を持つ製品の製造方法は、前記凸状の表面を加工し、加工された前記凸状表面に、所定の幅および所定の厚さを有する照射光の一部を照射して、前記凸状の表面で反射させた反射光をスクリーンに投射して光学像を形成し、前記照射光の一部を除く前記照射光を前記凸状の表面を通過させて基準光とし、前記基準光により特定される前記光学像の検査箇所の反射光強度分布に基づき前記試料の表面状態を検査し、検査した前記製品の表面状態に基づき、前記製品の良否を判定し、判定結果に基づき前記製品を次の工程に移す。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、試料の凸状の表面の曲率がある程度異なっても、検出性能を一定に維持することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の表面欠陥検査装置の第１の実施形態の構成を示す平面図。
【図２】図１に示す表面欠陥検査装置の側面図。
【図３】被検査試料である試料の表面に照射光を照射した状態における光学像を説明するための拡大図。
【図４】スクリーン上における光学像の観察位置をレーザ発振器側から観た平面図。
【図５】ラインセンサカメラで取得した光学像の平面模式図であり、（ａ）は試料の半径１１ｍｍの場合、（ｂ）は試料の半径１４ｍｍの場合。
【図６】異なる半径の試料の光学像および検査条件を対比して示す図。
【図７】試料の特定位置Ｐに対するＹ軸からの角度θ−拡大倍率の関係を示す特性図。
【図８】本発明の第２の実施形態に関する図であり、拡大倍率を一定（２０倍）とした場合の、異なる半径の試料の光学像および検査条件を対比して示す図。
【図９】本発明の第２の実施形態によって取得した光学像の平面模式図であり、（ａ）は試料の半径Ｒ＝１１ｍｍの場合、（ｂ）は試料の半径Ｒ＝１４ｍｍの場合。
【図１０】本発明の表面欠陥検査装置の第３の実施形態の構成を示す側面図。
【図１１】第３の実施形態における試料の照明領域と観察領域との関係を示す図。
【図１２】図１０に示す２つのラインセンサカメラで検出した光学像の平面模式図であり、（ａ）はラインセンサカメラ１０７で検出した光学像、（ｂ）はラインセンサカメラ１２０で検出した光学像。
【図１３】本発明の第４の実施形態を示し、光源側から見たスクリーン側の平面図。
【図１４】本発明の第４の実施形態の表面欠陥検査装置全体の構成を示す平面図。
【図１５】図１４に図示されたフォトダイオードとマスクの斜視図。
【図１６】照射光の強度分布を示す図であり、（ａ）はＹ軸からの距離−相対強度の特性図、（ｂ）はＹ軸からの距離−積算光量の特性図。
【図１７】本発明の表面欠陥検査装置の第５の実施形態の構成を示す側面図。
【図１８】本発明の第５の実施形態の変形例の構成を示す側面図。
【図１９】本発明の第６の実施形態を示し、本発明による表面検査システム構成図。
【図２０】本発明の表面欠陥検査装置の第７の実施形態の構成を示す側面図。
【図２１】円筒状の試料の表面で反射された反射光により形成される光学像がスクリーン上に拡大して投射される状態を示す本発明の原理を説明するための図。
【図２２】図２１に図示された試料上の照射領域を示す図。
【図２３】図２１において、特定位置Ｐに対するＹ軸からの角度θ−拡大倍率Ｍの関係を示す特性図。
【図２４】本発明の表面欠陥検査装置をピストンロッドの製造工程に適用した工程の流れを示すフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明によると、検出性能を一定に維持することが可能である。
【０００９】
上記目的を達成する原理について説明する。
図２１は、円筒状の試料の表面で反射された反射光により形成される光学像がスクリーン上に拡大して投射される状態を示す図であり、図２２は、図２１に図示された試料上の照射領域を示す図である。
被検査体である試料１５０は、中心軸Ｏを有する断面形状が円、すなわち、円柱状または円筒状の部材である。図２１は、試料１５０を軸方向に対して直交する面で切断した図である。試料１５０は、Ｙ軸上に頂点Ａを有する。
なお、以下の説明において、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は、それぞれ、図示の通りとする。Ｙ方向とＺ方向は直交しており、Ｘ方向はＹ方向およびＺ方向と直交している。Ｙ軸は、試料１５０の中心軸と頂点Ａを結ぶ直線上に位置している。
【００１０】
試料１５０には、幅（Ｘ方向の長さ）Ｗ×厚さ（Ｙ方向の長さ）ｔ１の帯状の照射光１５１が照射される。照射光１５１の厚さｔ１は、試料１５０の半径Ｒより小さい。照射光１５１の光軸１５１ａは、ＸＺ面と平行である。照射光１５１は、Ｙ方向における試料１５０の頂点Ａの上方から試料１５０の外周表面の照明入射点Ｂまでの厚さｔ１の範囲に照射されている。つまり、照射光１５１は、試料１５０の頂点Ａに対し接点となる光線を含んでいる。この光線は、照射光１５１の光軸１５１ａとほぼ平行である。従って、照射光１５１は、試料１５０の頂点Ａに対する接線方向から照射されている。照射光１５１の光軸１５１ａは、Ｙ方向において、試料１５０の頂点Ａと照明入射点Ｂとの間の、試料１５０の外周表面の点Ｐに位置している。
【００１１】
試料１５０の照射光１５１に照射される側の反対側には、試料１５０の中心軸ＯからＬだけ離間した位置にスクリーン１５２が配置されている。スクリーン１５２は、ＸＹ面と平行に配置されている。
照射光１５１の一部は、試料１５０の外周表面の円弧部ＡＢに照射される。また、照射光１５１の、試料１５０の頂点Ａより上方の残りの一部は、基準光として試料１５０の外周表面を通過して直接、スクリーン１５２に照射され基準像を形成する。頂点Ａに接する光線がスクリーン１５２に投射される点をＳ０とすると、試料１５０の頂点Ａとスクリーン１５２上に投射された点Ｓ０とは、Ｙ方向において同一の高さとなる。スクリーン１５２上の点Ｓ０を、基準位置として定義する。従って、基準像位置Ｓ０より下方の照射光１５１は、すべて、試料１５０の外周表面の円弧部ＡＢに、幅Ｗの帯状に照射されることになる。図２２には、試料１５０の外周表面の円弧部ＡＢに照射される照射領域１５３に斜線のハッチングを施してある。なお、照射光１５１は、不図示の照射光源からシリンドリカルレンズ１６０を介して試料１５０およびスクリーン１５２に向けて照射される。
【００１２】
図２１において、試料１５０の点ＰのＹ軸に対する角度をθとする。試料１５０の点Ｐを特定位置と定義する。上述したように、照射光１５１の光軸１５１ａの位置は特定位置Ｐに一致している。特定位置Ｐにおける照射光１５１の入射角と反射角は共にｕ１である。特定位置Ｐで反射した光線はスクリーン１５２上の点Ｓ１に到達する。特定位置Ｐからの反射光の仰角をφ１とすれば、スクリーン１５２上における基準位置Ｓ０から点Ｓ１までの高さｈ１は式（１）によって求めることができる。
ｈ１＝ｔａｎ（φ１）・（Ｌ＋Ｒ・ｓｉｎθ）−Ｒ（１−ｃｏｓθ）…（１）
ここで、φ１＝１８０−２・ｕ１、またｕ１＝９０−θである。従って、φ１＝２θである。なお、スクリーン１５２に直接照射される照射光１５１の厚さｔ２は、ｔ１／２−Ｒ（１−ｃｏｓθ）となる。
【００１３】
また、特定位置Ｐから微小角度だけ移動した円弧部ＡＢ上の点Ｑにおいては、照射光１５１の入射角と反射角は共にｕ２であり、点Ｑで反射した光線はスクリーン１５２上の点Ｓ２に到達する。点Ｑからの反射光の仰角をφ２とすれば、スクリーン１５２上における基準位置Ｓ０から点Ｓ２までの高さｈ２は式（２）によって求めることができる。
ｈ２＝ｔａｎ（φ２）・（Ｌ＋Ｒ・ｓｉｎ（θ＋α））−Ｒ（１−ｃｏｓ（θ＋α））……（２）
ここで、φ２＝１８０−２・ｕ２、またｕ２＝９０−（θ＋α）である。従って、φ２＝２（θ＋α）である。なお、αは、円弧部ＰＱに対する中心角である。
同様に、試料１５０の外周上の照明入射点Ｂで反射した光線はスクリーン１５２上の点Ｓ３に到達する。従って、円弧部ＡＢ上に照射された照射光は、スクリーン１５２上の点Ｓ０〜Ｓ３の範囲に投射される。本発明では、いわゆる魔鏡原理を利用し、試料１５０外周表面の凹凸部をスクリーン１５２上に投射される反射光の陰影として顕在化する。
【００１４】
詳細は実施形態として後述するが、式（１）により算出される、試料１５０の特定位置Ｐの反射光がスクリーン１５２上に投射される点Ｓ１の基準位置Ｓ０からの高さｈ１は、図６に示すように、半径Ｒが１１ｍｍの場合、７．４ｍｍであり、半径Ｒが１４ｍｍの場合で７．４２ｍｍである。つまり、半径Ｒが１１ｍｍと１４ｍｍとの場合のｈ１の差は、０．０２ｍｍに過ぎない。この値は、スクリーン１５２上でのラインセンサカメラ１０７（図２参照）の１画素の画素寸法ｃ（例えば、５５μｍ程度）より小さい。このため、半径Ｒがある程度異なる場合であっても、試料１５０の特定位置Ｐの設定位置（設定高さ）を調整することなく、スクリーン１５２上の点Ｓ１に投射される光学像を観察することが可能である。
【００１５】
次に、試料１５０上の微小領域（円弧部ＰＱ）の拡大倍率を算出する。円弧部ＰＱをｄと置けば、スクリーン１５２上での周方向の拡大倍率Ｍは式（３）で得られる。
Ｍ＝（ｈ２−ｈ１）／ｄ    ……（３）
ｈ１とｈ２は、それぞれ、式１（１）、式（２）から求められる。特定位置Ｐに対して照射光１５１の入射角が９０°に近い程欠陥検出感度が高くなる。このため、θを概ね５°以下の条件で検査すると仮定すれば、式（１）の第２項であるＲ（１−ｃｏｓθ）≒０として扱うことができる。さらに、Ｌ＞＞Ｒとして考えれば、（Ｌ＋Ｒ・ｓｉｎ（θ＋α））≒Ｌと近似できる。従って、式（３）は式（４）に簡略化して解釈可能である。
Ｍ＝Ｌ（ｔａｎ（φ２）−ｔａｎ（φ１））／ｄ    ……（４）
【００１６】
上述の通り、φ１＝２θ、φ２＝２（θ＋α）である。また、α＝３６０・ｄ／２πＲである。従って、微小領域として取り扱う円弧部ＰＱ、即ちｄの寸法が一定であれば、θまたはＬの増大に伴い拡大倍率Ｍが大きくなることが分かる。すなわち、Ｌが一定の条件下では、試料１５０上の光学像（欠陥がある場合には欠陥の光学像）がスクリーン１５２に投射されたとき、スクリーン１５２上の高さ（Ｙ方向の位置）によって拡大倍率が異なる。
【００１７】
図２３は、特定位置Ｐに対するＹ軸からの角度θ−拡大倍率Ｍの関係を示す特性図である。図２３では、試料の半径Ｒ＝８ｍｍ（○印）、Ｒ＝１１ｍｍ（□印）、Ｒ＝１５ｍｍ（△印）それぞれの場合について、ｄ＝０．０１ｍｍ、Ｌ＝５０ｍｍとして式（３）からθと拡大倍率Ｍの相関を算出した結果を示す。図２３に示されるように、試料１５０における特定位置ＰのＹ軸からの角度θの増大（特定位置Ｐにおける照明入射角ｕ１が小さくなることに相当）に伴い、拡大倍率Ｍが増加する。θの増大に伴ってｈ１が大きくなることが式（１）からも読み取ることができる。
【００１８】
図２３を参照して、試料１５０の半径Ｒが８ｍｍ、１１ｍｍ、１５ｍｍの３種類を比較すると、半径Ｒが小さい程、スクリーン１５２上での拡大倍率Ｍが大きくなる。また、図２３には、数値を表示していないが、特定位置Ｐの照明入射角度ｕ１が８５°（θ＝５°）となる時の拡大倍率Ｍは、Ｒ＝８ｍｍの時１３．１６倍、Ｒ＝１１ｍｍの時９．６５倍、Ｒ＝１５ｍｍの時６．６７倍である。スクリーン１５２上でそれぞれの拡大倍率Ｍが得られる点Ｓ１の位置は式（１）から算出可能であり、Ｒ＝８ｍｍの時ｈ１＝８．９１ｍｍ、Ｒ＝１１ｍｍの時ｈ１＝８．９４ｍｍ、Ｒ＝１５ｍｍのｈ１＝８．９９ｍｍである。
【００１９】
図２３から、さらに、異径の試料１５０の外周表面を同一の拡大倍率Ｍで観察するための条件を得ることができる。例えば、外周表面を２０倍に拡大して観察するためのθは、Ｒ＝８ｍｍの時１７．６°、Ｒ＝１１ｍｍの時２２．３°、Ｒ＝１５ｍｍの２５．７°である。これらを式（１）に代入すれば、スクリーン１５２上のそれぞれの観察位置である高さｈ１が求まる。Ｒ＝８ｍｍの時ｈ１＝３６．６０ｍｍ、Ｒ＝１１ｍｍの時ｈ１＝５２．６０ｍｍ、Ｒ＝１５ｍｍの時ｈ１＝６９．３０ｍｍである。
このように、試料１５０の半径Ｒ、試料１５０からスクリーン１５２までの距離Ｌ、特定位置Ｐに対する角度θ、特定位置Ｐから反射した光線のスクリーン１５２上における位置Ｓ１、点Ｓ１における観察倍率Ｍについての相関を正確に得ることができる。このため、詳細は後述するが、図８に示すように、試料１５０の半径Ｒが異なる場合において、試料１５０の半径Ｒの大きさに応じて試料１５０の表面への照射光１５１の照明入射角ｕ１を調節することにより、スクリーン１５２に形成される光学像の拡大倍率Ｍを一定にすることが可能となる。つまり、試料の半径Ｒがある程度異なっても一定の検出精度を維持することが可能となる。
【００２０】
−第１の実施形態−
図１〜図６を参照して、本発明の第１の実施形態を説明する。
図１は、本発明の表面欠陥検査装置の第１の実施形態の構成を示す平面図であり、図２は、図１に示す表面欠陥検査装置の側面図である。
被検査対象である試料１００は、例えば、ショックアブソーバに用いられるピストンロッドである。スプリングとショックアブソーバは、サスペンションストラットアセンブリとして自動車の車体に組み込まれる。ピストンロッドは、気密性の高いシリンダ内部を円筒摺動面でシールする円筒状の構造部品であり、その表面に数ｕｍの凹凸が存在すると、サスペンションシステムのオイル漏れの原因となる。従ってその真円度、円筒度はマイクロメートルオーダーで管理されており、表面の算術平均粗さ（Ｒａ）は、０．０５ｕｍ以下である。ピストンロッドはＳ２５Ｃ等の低炭素鋼を素材とした円筒部品であり、焼入れと成形工程経た後、表面処理を施してその表面を平坦に仕上げてから組立工程に投入される。被検査対象である試料（以下、単に「試料」という）１００であるピストンロッドは、一般的に、直径２２ｍｍ程度、全長２５０ｍｍ程度に形成されている。試料１００の両端には、機械的な取り合いのための接続部１００ａ、１００ｂが形成されている。両端の接続部１００ａ、１００ｂは検査対象外である。
【００２１】
表面欠陥検査装置１は、試料１００にレーザ光（照射光）を照射するレーザ発振器１０４、パウエルレンズ１０５、シリンドリカルレンズ１０６、ローラ１０１ａ、１０１ｂ、ラインセンサカメラ１０７、ＴＶカメラレンズ１０８およびにスクリーン１０２を備えている。
試料１００は、ローラ１０１ａおよび１０１ｂに跨って搭載されている。ローラ１０１ａとローラ１０１ｂは、同径を有し、軸心をＸ軸に平行にした状態で、Ｙ方向に同一の高さ位置に、Ｚ方向に離間して配置されている。試料１００は、ローラ１０１ａとローラ１０１ｂとの境界部の中心線上に軸心が配置されるように、ローラ１０１ａ上とローラ１０１ｂ上に搭載されている。ローラ１０１ａは、モータ１０３に連結されている。ローラ１０１ｂは、軸心に対し、フリーに回転可能となっている。モータ１０３を回転駆動することで、ローラ１０１ａが回転し、試料１００およびローラ１０１ｂが回転する。つまり、モータ１０３の回転を制御することで、試料１００を任意の速度で回転制御可能な構成となっている。
なお、図示はしないが、ローラ１０１ａおよびローラ１０１ｂは、移動ステージに装着されており、一体的に上下方向（Ｙ方向）に移動可能とされている。
【００２２】
レーザ発振器（照明光源）１０４は、例えば、波長６７０ｎｍ、直径２ｍｍの平行ビーム（「照射光」ということもある）１０を出力する。レーザ発振器１０４の出力は、例えば、１００ｍＷ程度である。レーザ発振器１０４から出力された平行ビーム１０は、パウエルレンズ１０５でＸＺ平面のみ扇形に広げる。パウエルレンズ１０５は、丸みを帯びた稜線を有する円柱レンズであり、レーザラインジェネレータとも称される。レーザ発振器１０４から出力された平行ビーム１０を均一強度分布の直線形状に伸長する用途で多用されている。本実施形態では、パウエルレンズ１０５は、レーザ発振器１０４からの直径２ｍｍの平行ビーム１０を全角３０°に伸長するものとして例示している。なお、レーザ発振器１０４はシングルモードレーザであり、出力ビームの強度分布はガウシアン分布で、１／ｅ2径を以ってビーム径と称する。すなわち、ビーム径は、ピーク強度値から１／ｅ2（１３．６％）に落ちた時の強度での幅としている。
【００２３】
シリンドリカルレンズ１０６は、図１に図示されるように、ＸＺ平面のみ曲率を有しており、水平方向に凸レンズの作用を有し、垂直方向には、レンズの作用を有していない。レーザ発振器１０４から出射された平行ビーム１０を、シリンドリカルレンズ１０６により幅（Ｘ方向の長さ）Ｗｘ厚さ（Ｙ方向の長さ）ｔ１の平行ビーム１０に成形する。一例を示せば、焦点距離４００ｍｍのシリンドリカルレンズ１０６を用い、パウエルレンズ１０５とシリンドリカルレンズ１０６との間隔を概ね４００ｍｍに調節することで、幅Ｗ＝２００ｍｍ、厚さｔ１＝２ｍｍの平行ビーム１０に成形される。シリンドリカルレンズ１０６で成形された平行ビーム１０は、試料１００の外周表面に、帯状に照射される。図１には、シリンドリカルレンズ１０６を介して試料１００の外周表面に照射される照射光の照射領域１１０を斜めのハッチングで示している。照射光は、試料１００の外周表面で反射されてスクリーン１０２に投射される。試料１００の外周表面で反射される反射光は、試料１００の外周表面の湾曲面で拡大されてスクリーン１０２に投射される。
【００２４】
スクリーン１０２は、試料１００のレーザ発振器１０４側とは反対側に、試料１００とは離間して配置されている。スクリーン１０２に拡大して投射された反射光で形成された光学像は、ＴＶカメラレンズ１０８を介してラインセンサカメラ１０７で読み取られ、観察される。ＴＶカメラレンズ１０８とラインセンサカメラ１０７とは、同軸に配置され、レーザ発振器１０４、パウエルレンズ１０５、シリンドリカルレンズ１０６が直線状に配列された光学面に対し、仰角βの角度に配置されている。なお、スクリーン１０２の材料は、レーザ光をほとんど透過せず拡散板として作用する普通紙を用いることができる。また、本実施形態では、ラインセンサカメラ１０７の仰角βを３０°に設定した。
【００２５】
図３は、被検査試料である試料の表面に照射光を照射した状態における光学像を説明するための拡大図である。
図３を用いて、スクリーン１０２上におけるラインセンサカメラ１０７の視野と試料１００の表面からの反射光との位置関係について説明する。
本実施形態では、試料１００上の特定位置Ｐへの照明入射角ｕ１を８７°に設定する。従って、図３におけるθは３°である。試料１００を搭載したローラ１０１ａ、１０１ｂは、上述した通り、不図示の移動ステージにより上下方向に移動可能とされている。予め決められた検査レシピに基づいて、移動ステージにより試料１００を上下方向に移動させて、厚さｔ１の平行ビーム１０の光軸１０ａの高さに試料１００の最上部の頂点Ａ（一側縁）の高さを正確に一致させる。この状態から、平行ビーム１０の光軸１０ａが特定位置Ｐに一致するように、試料１００をＹ方向に上昇させる。試料１００の移動量、換言すれば、特定位置Ｐから頂点Ａまでの高さをδとすると、図３において、δ＝Ｒ（１−ｃｏｓθ）である。試料１００の径は２２ｍｍであり、従って、半径Ｒ＝１１ｍｍ、またθ＝３°であるから、δ＝０．０１５ｍｍとなる。
【００２６】
ここで、試料１００に照射されずにスクリーン１０２に、直接、照射される照射光１０の厚さｔ２は、ｔ１／２−δで求まる。ｔ１＝２ｍｍであることからｔ２＝０．９８５ｍｍとなる。厚さｔ１の平行ビーム１０の最下面の光線が試料１００外周表面に照射される照明入射点Ｂに対するＹ軸からの角度をｖとすると、ｃｏｓ（ｖ）＝（Ｒ−（ｔ１／２＋δ））／Ｒである。この関係式から、角度ｖは、２４．８°となる。
試料１００の中心軸Ｏからスクリーン１０２までの間隔Ｌを７０ｍｍとすれば、照明入射点Ｂで反射した光線はスクリーン１０２上の点Ｓ３に到達した時の高さｈ３は、式（１）のφ１をｖに置き換えるによって求めることができ、ｈ３＝８６．６６ｍｍとなる。また、θ＝３°であることから、特定位置Ｐで反射した光線はスクリーン１０２上の点Ｓ１に到達した時、式（１）によって、ｈ１＝７．４０ｍｍと求められる。Ｓ１における試料１００表面の周方向の拡大倍率Ｍを式（３）で算出すると、Ｍ＝１３．０３である。
【００２７】
図４は、スクリーン上における光学像の観察位置をレーザ発振器側から観た平面図である。
スクリーン１０２の寸法は、例えば、２８０ｍｍ×１５０ｍｍである。試料１００の表面で反射した光束は、２点鎖線で示す幅Ｗ＝２００ｍｍ×高さｈ３＝８６．６６ｍｍの投射領域１２に投射される。但し、この投射領域１２には、試料１００に照射されない照射光１０の基準光により形成される基準像としての直接照明範囲１１が含まれている。つまり、厚さｔ１の平行ビーム１０のうち、試料１００の頂点Ａより上方の領域の基準光としての厚さｔ２の光束は、スクリーン１０２の直接照明範囲１１に投射され基準像を形成する。ラインセンサカメラ１０７の視野位置１０９は、スクリーン１０２上の点Ｓ０を基準位置としてｈ１の高さに合わせる。本実施形態では、ｈ１＝７．４０ｍｍである。
【００２８】
ラインセンサカメラ１０７は４０９６画素で、１画素の素子寸法ｃは５．５ｕｍの正方形状である。これをＴＶカメラレンズ１０８で１０倍に拡大してスクリーン１０２と共役関係に配置している。スクリーン１０２上でのラインセンサカメラ１０７の１画素の素子寸法ｃは５５ｕｍである。これらの条件からラインセンサカメラ１０７の視野長Ｃは２２５ｍｍとなり、反射光の投射領域の幅Ｗ＝２００ｍｍを包含する。
【００２９】
モータ１０３を回転駆動して試料１００を１回転させ、試料１００の周方向全面を観察する検査時間について述べる。スクリーン１０２上でのラインセンサカメラ１０７の１画素の素子寸法をｃ、ラインレートをｆと定めたとき、試料１００の半径Ｒ、スクリーン１０２上における拡大倍率Ｍから、試料１００表面の全面検査を行うための回転の角速度Ｎの最大値は式（５）によって得ることができる。
Ｎ≦c・ｆ／（２πＲ・Ｍ）    ……（５）
ここで、ｃ＝０．０５５ｍｍ、ｆ＝５ｋＨｚ、Ｒ＝１１ｍｍ、Ｍ＝１３．０３倍の場合、Ｎ≦０．３０５４ｒｐｓとなり、この逆数をとれば試料１本当りの検査時間が約３．２７sec／本となることが分かる。
【００３０】
上記は、試料１００の半径Ｒを１１ｍｍとして説明したが、これ以外の径の試料１００についても同一の方法で検査可能である。例えば、Ｒ＝１４ｍｍの試料について、被検査面への照明入射角が８７°となる条件で検査する場合を以下に述べる。
図３においてδ＝Ｒ（１−ｃｏｓθ）である。特定位置Ｐの位置θ＝３°は同一となるが、Ｒ＝１４ｍｍであるから、δ＝０．０１９ｍｍとなる。ここで、試料１００に照射されずにスクリーン１０２に直接照射される照射光１０の厚さｔ２は、ｔ１／２−δで求まる。ｔ１＝２ｍｍであることからｔ２＝０．９８１ｍｍとなる。また、試料１００の外周の照明入射点Ｂの角度ｖについては、ｃｏｓ（ｖ）＝（Ｒ−（ｔ１／２＋δ））／Ｒの関係式から、２２．０°となる。試料１００の回転の中心軸Ｏからスクリーン１０２までの間隔Ｌは７０ｍｍである。照明入射点Ｂで反射した光線はスクリーン１０２上の点Ｓ３に到達した時、式（１）のφ１をｖに置き換えるによって求めることができ、ｈ３＝７１．６４ｍｍとなる。同様に、θ＝３°であることから、特定位置Ｐで反射した光線はスクリーン１０２上の点Ｓ１に到達した時、式（１）によってｈ１＝７．４２ｍｍと求められる。Ｓ１における試料１００表面の拡大倍率Ｍを式（３）で算出すると、Ｍ＝１０．２７である。
【００３１】
図４において、試料１００表面で反射した光束は、２点鎖線で示す幅Ｗ＝２００ｍｍ×高さｈ３＝７１．６４ｍｍの投射領域１２に投射される。ラインセンサカメラ１０７の視野位置１０９はスクリーン１０２上の点Ｓ０を基準としてｈ１の高さに合わせる。試料１００の半径Ｒ＝１４ｍｍの場合、ｈ１＝７．４２ｍｍとなる。半径Ｒ＝１１ｍｍの試料１００ではｈ１＝７．４０ｍｍである。スクリーン１０２上でのラインセンサカメラ１０７の画素寸法ｃは０．０５５ｍｍである。従って、半径Ｒが異なる上記２例の試料１００におけるｈ１の差（０．０２ｍｍ）は、スクリーン１０２上でのラインセンサカメラ１０７の画素寸法ｃよりも小さい。それ故、ラインセンサカメラ１０７の視野位置１０９の変更は不要である。つまり、試料１００の半径Ｒ＝１１ｍｍとＲ＝１４ｍｍとの表面欠陥検査は、試料１００の特定位置Ｐの設定位置（設定高さ）を変えることなく、継続して行うことができる。なお、ラインセンサカメラ１０７の画素寸法ｃや観察する試料１００の状態によっても異なるが、通常、ｈ１の差が、スクリーン１０２上における１画素の画素寸法ｃ以内であれば、試料１００の特定位置Ｐの設定位置（設定高さ）を変更する必要はがないものと判断される。
【００３２】
モータ１０３を駆動して試料１００を１回転させ、試料１００の周方向全面を観察する検査時間について述べる。ラインセンサカメラ１０７のスキャンレートｆを５ｋＨｚとすれば、ｃ＝０．０５５ｍｍ、Ｒ＝１４ｍｍ、Ｍ＝１０．２７倍であるから、式（５）よりＮ≦０．３０４４ｒｐｓとなる。この逆数をとれば試料１本当りの検査時間は、約３．２９sec／本となる。試料１００の半径Ｒ＝１１ｍｍの場合、検査時間は約３．２７sec／本であり、ラインセンサカメラ１０７のスキャンレートｆを一定として検査を行う場合、試料１００の径に応じて検査時間が変動する。但し、実用上、両者はほぼ同一と見なせる。試料１００の径が拡大した一方で検査時間がほぼ同一となる理由は、スクリーン１０２上における試料１００表面の拡大倍率Ｍの差が原因である。Ｒ＝１１ｍｍの場合は拡大倍率Ｍ＝１３．０３倍であるのに対し、Ｒ＝１４ｍｍの場合はＭ＝１０．２７倍と倍率が小さくなる。
【００３３】
スクリーン１０２上のラインセンサカメラ１０７の画素寸法ｃは０．０５５ｍｍであるから、スクリーン１０２に投射された光学像を、スクリーン１０２を介して試料１００の周方向をｃ／Ｍの空間分解能で観察することに相当する。試料１００の径によって周方向の観察分解能が異なり、ラインセンサカメラ１０７で得られる光学像の画素寸法ｃは、Ｒ＝１１ｍの場合は４．２２ｕｍ、Ｒ＝１４ｍｍの場合は５．３６ｕｍとなっている。
【００３４】
以上の結果が、図６に示されている。図６は、異なる半径の被検査体の光学像および検査条件を対比して示す図であり、試料の半径は、１１ｍｍと１４ｍｍである。
【００３５】
なお、図６にも図示されているように、試料１００の外周面全面を観察するに要する検査時間は、試料１００の半径Ｒ＝１１ｍｍの場合は、３．２７sec／本、半径Ｒ＝１４ｍｍの場合は、３．２９sec／本である。しかし、試料１００の半径Ｒ＝１１ｍｍおよびＲ＝１４ｍｍの場合に、両者の検査時間が同一となるように他の条件を設定することもできる。
以下に、その設定条件について述べるが、ここでは、検査時間３sec／本とする場合として例示する。
【００３６】
試料１００が半径Ｒ＝１１ｍｍの場合、検査時間を３sec／本で終了するためには、式（５）においてスキャンレートｆを未知数として求めれば良い。検査時間３sec／本の逆数が角速度に相当するため、Ｎ＝１／３として代入すると、スキャンレートｆ＝５．４５８ｋＨｚとなる。また、試料が半径Ｒ＝１４ｍｍの場合、式（５）においてＮ＝１／３として代入すると、スキャンレートｆ＝５．４７５ｋＨｚとなる。従って、ラインセンサカメラ１０７のスキャンレートｆを、試料１００が半径Ｒ＝１１ｍｍの場合には、５．４５８ｋＨｚとし、試料１００が半径Ｒ＝１４ｍｍの場合には、５．４７５ｋＨｚとすれば、どちらの場合も、試料１００の全面検査を３sec／本で終了することができる。この様に、ラインセンサカメラ１０７のスキャンレートｆを変更することで、異径の試料１００の表面欠陥検査を同一のタクトで行うことができる。
【００３７】
図５は、ラインセンサカメラで取得した光学像の平面模式図であり、図５（ａ）は試料の半径１１ｍｍの場合、図５（ｂ）は試料の半径１４ｍｍの場合である。なお、図５（ａ）、５（ｂ）において、試料１００の軸方向をｘ、周方向をｙとする。
図５（ａ）は、半径Ｒ＝１１ｍｍの試料１００を０．３０５４ｒｐｓで１回転させつつ、ラインセンサカメラ１０７のスキャンレートｆ＝５ｋＨｚの条件に設定して検出したスクリーン１０２上の反射光強度分布である。この場合の検査時間は３．２７sec／本である。ｘ方向については、試料１００の曲率による倍率変化は無い。従って、スクリーン１０２上でのラインセンサカメラ１０７画素寸法ｃは０．０５５ｍｍであり、照射光１０の幅Ｗと同じ２００ｍｍの範囲が検出される。ｘ方向の画素数は２００／０．０５５＝３６３６画素である。ｙ方向は、試料１００の周方向の展開長であり、６９．１ｍｍの範囲が検出されている。ｙ方向については、試料１００の曲率によって拡大倍率Ｍが変化する。ラインセンサカメラ１０７の画素寸法ｃは、上述の通り４．２２ｕｍである。ｙ方向の画素数は、６９．１／０．００４２２＝１６３７４画素である。
【００３８】
図５（ｂ）は、半径Ｒ＝１４ｍｍの試料１００を０．３０４４ｒｐｓで１回転させつつ、ラインセンサカメラ１０７のスキャンレートｆ＝５ｋＨｚに設定して検出したスクリーン１０２上の反射光強度分布である。検査時間は３．２９sec／本である。ｘ方向の画素数は図５（ａ）と同様に、３６３６画素である。ｙ方向は、試料１００の周方向の展開長であり、８８．０ｍｍの範囲が検出されている。ｙ方向の画素寸法ｃは、上述の通り５．３６ｕｍである。ｙ方向の画素数は、８８．０／０．００５３６＝１６４１８画素である。
【００３９】
これらの検出光学像では、試料１００表面の凹凸欠陥が魔鏡原理によって輝点と黒点として顕在化される。図５（ａ）に図示された像５１、および図５（ｂ）の像５４は共に黒点であり、試料１００表面の凸欠陥に相当する。但し、試料１００表面に付着した塵埃等についても黒点として顕在化するため、検査前に試料１００表面を清浄化することが好ましい。図５（ａ）に図示された像５２、および図５（ｂ）に図示された像５３、５５は輝点であり、試料１００表面の凹欠陥に相当する。試料１００表面が無欠陥の場合、検出光学像上で陰影変化は生じない。
【００４０】
図５（ａ）、図５（ｂ）に示した検出光学像上の欠陥形状は共に、ｘ方向とｙ方向の画素寸法ｃが異なり、ｘ方向に対してｙ方向が引き伸ばされた形として検出されている。
上述したように、試料１００の径が大きくなると、ｙ方向の拡大倍率Ｍが小さくなるため、図５（ａ）と図５（ｂ）とでは試料１００の外周面の長さが異なるが、ｘ軸方向ではほぼ同一のサイズの画像として検出されている。
図５（ａ）、図５（ｂ）に示した像５１〜５５は、画像処理装置（図示せず）によって抽出され、欠陥座標、欠陥寸法、欠陥種別等の欠陥情報が記憶手段（図示せず）に記録される。
【００４１】
第１の実施形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）凸状の表面を有する試料１００に、所定の幅Ｗおよび所定の厚さｔ１を有する照射光１０の一部を照射して、前記凸状の表面で反射した反射光をスクリーン１０２に投射して光学像を形成するとともに、前記照射光１０の一部を除く前記照射光１０を基準光として凸状の表面を通過させてスクリーンに直接照射して基準像を形成し、基準像により特定される光学像の検査箇所の反射光強度分布に基づき試料の表面状態を検査する。この構成によれば、試料１００の半径Ｒがある程度異なっても、検出性能を一定に維持することが可能である。
【００４２】
（２）試料１００に照射される照射光の一部は、光強度のピーク値を含んでいる。このため、スクリーン１０２に光学像の陰影パターンを投射するうえで、レーザ発振器１０４から出力される照射光１０を最も効率的に活用することができる。
【００４３】
（３）試料１００を、中心軸Ｏを中心に回転させながら試料１００に照射光を照射し、試料１００の周方向全表面をスクリーン１０２に投射する。このため、小さな装置により、スクリーン１０２に投射された試料１００の外周面全面を検査することができる。
【００４４】
（４）試料１００の中心軸Ｏから照射光１０の光軸１０ａまでの距離は、試料１００の半径Ｒ以下である。このため、試料１００の反射光が、ほぼ同一のＸＹ座標内に投射され、スクリーン１０２の面積を小さくすることが可能となる。
【００４５】
−第２の実施形態−
第１の実施形態では、試料１００の半径Ｒが異なる場合であっても、スクリーン１０２に投射される、試料１００の特定位置Ｐに対応する光学像の高さ（Ｙ方向）の位置を、ほぼ同一とすることが可能な表面欠陥検査装置について説明した。
第２の実施形態では、試料１００の半径Ｒが異なる場合であっても、スクリーン１０２に投射される光学像の拡大倍率を同一にすることが可能な表面欠陥検査装置について説明する。
第２の実施形態においても、表面欠陥検査装置１の構成は、第１の実施例と同一である。つまり、第１の実施形態に示す表面欠陥検査装置１は、第２の実施形態における表面欠陥検査装置としても用いることが可能である。
以下、表面欠陥検査装置１により、半径Ｒ＝１１ｍｍおよびＲ＝１４ｍｍの試料１００の表面欠陥を検査する場合を例として、図１〜図４を参照して、その詳細を述べる。
【００４６】
図３には、第１の実施形態にて説明した通り、被検査体である試料の表面に照射光を照射した状態における光学像が図示されている。
図７は、試料の特定位置Ｐに対するＹ軸からの角度θ−拡大倍率の関係を示す特性図を示す。試料の半径Ｒは、１１ｍｍ（○印）と１４ｍｍ（×印）である。試料１００の中心軸Ｏからスクリーン１０２までの距離Ｌ＝７０ｍｍであり、円弧部ＰＱ（図２１参照）の長さｄ＝０．０１ｍｍである。
先ず、スクリーン１０２上における試料１００の外周表面の拡大倍率Ｍを設定する。異径の試料１００に対してその外周表面を同一の拡大倍率Ｍで観察するための角度θを図７から読み取ることができる。例えば、試料１００外周表面を２０倍に拡大するための条件は、半径Ｒ＝１１ｍｍの場合ではθ＝１７．３°、半径Ｒ＝１４ｍｍの場合ではθ＝２１．１°である。特定位置Ｐにおける照明入射角ｕ１（図２１参照）は９０−θであるから、それぞれの照明入射角ｕ１はＲ＝１１ｍｍの場合７２．７°、Ｒ＝１４ｍｍの場合６８．９°となり、試料１００の半径Ｒに応じて異なる条件に設定する。
【００４７】
次に、試料１００に入射する平行ビーム１０の光軸１０ａの高さを特定位置Ｐに一致させる。図３において、δ＝Ｒ（１−ｃｏｓθ）である。試料１００の半径Ｒ＝１１ｍｍであり、θ＝１７．３°であるから、δ＝０．４９８ｍｍとなる。また、試料１００に照射されずにスクリーン１０２に直接照射される基準光としての照射光１０の厚さｔ２は、ｔ１／２−δで求まる。ｔ１＝２ｍｍであることからｔ２＝０．５０２ｍｍとなる。
また、試料１００の外周上の照明入射点Ｂの角度ｖについては、ｃｏｓ（ｖ）＝（Ｒ−（ｔ１／２＋δ））／Ｒの関係式から、３０．２°となる。試料１００の中心軸Ｏからスクリーン１０２までの間隔Ｌを７０ｍｍとすれば、照明入射点Ｂで反射した光線はスクリーン１０２上の点Ｓ３に到達した時、式（１）のφ１をｖに置き換えるによって求めることができ、ｈ３＝１２９．３０ｍｍとなる。同様に、θ＝１７．３°であることから、特定位置Ｐで反射した光線はスクリーン１０２上の点Ｓ１に到達した時、式（１）によってｈ１＝５０．０５ｍｍと求められる。
【００４８】
図４において、上述したように、スクリーン１０２の寸法は、２８０ｍｍ×１５０ｍｍである。試料１００表面で反射した光束は、２点鎖線で示す幅Ｗ＝２００ｍｍ×高さｈ３＝１２９．３０ｍｍの投射領域１２に投射される。但し、この投射領域１２には試料１００に照射されない照射光１０による基準像としての直接照明範囲１１が含まれている。ラインセンサカメラ１０７の視野位置１０９は、スクリーン１０２上の点Ｓ０を基準としてｈ１の高さに合わせる。本実施例では上述の通りｈ１＝５０．０５ｍｍである。
【００４９】
以上、試料１００の半径Ｒ＝１１ｍｍの場合について説明したが、半径Ｒ＝１４ｍｍの場合は角度θ＝２１．１°であり、それぞれ次の値となる。図３において、δ＝Ｒ（１−ｃｏｓθ）のため、δ＝０．９３９ｍｍである。試料１００に照射されずにスクリーン１０２に直接照射される照射光１０の厚さｔ２は、ｔ１／２−δで求まる。ｔ１＝２ｍｍであることからｔ２＝０．０６１ｍｍである。試料１００の外周上の照明入射点Ｂの角度ｖについては、ｃｏｓ（ｖ）＝（Ｒ−（ｔ１／２＋δ））／Ｒの関係式から、３０．５°となる。試料１００の中心軸Ｏからスクリーン１０２までの間隔Ｌを７０ｍｍとすれば、照明入射点Ｂで反射した光線はスクリーン１０２上の点Ｓ３に到達した時、式（１）のφ１をｖに置き換えるによって求めることができ、ｈ３＝１３７．１６ｍｍとなる。同様に、θ＝２１．１°であることから、特定位置Ｐで反射した光線はスクリーン１０２上の点Ｓ１に到達した時、式（１）によってｈ１＝６７．１０ｍｍと求められる。
【００５０】
従って、図４において、試料１００表面で反射した光束が、２点鎖線で示す幅Ｗ＝２００ｍｍ×高さｈ３＝１３７．１６ｍｍの投射領域１２に投射される。但し、この投射領域１２には、試料１００に照射されない照射光１０による直接照明範囲１１が含まれている。ラインセンサカメラ１０７の視野位置１０９はスクリーン１０２上の点Ｓ０を基準としてｈ１の高さに合わせる。半径Ｒ＝１４ｍｍの試料１００の場合、上述の通りｈ１＝６７．１０ｍｍである。
【００５１】
次に、試料１００の回転数とラインセンサカメラ１０７のスキャンレートｆの関係を求める。ラインセンサカメラ１０７のスキャンレートｆを５ｋＨｚとすれば、ｃ＝０．０５５ｍｍ、Ｒ＝１１ｍｍ、Ｍ＝２０倍であるから、式（５）よりＮ≦０．１９８９ｒｐｓとなる。この逆数をとれば、Ｒ＝１１ｍｍの試料１本当りの検査時間は、約５．０３sec／本となる。試料１００の半径Ｒ＝１４ｍｍの場合は、式（５）よりＮ≦０．１５６３ｒｐｓとなる。この逆数をとれば、試料１本当りの検査時間は、約６．４０sec／本となる。この様にラインセンサカメラ１０７のスキャンレートｆを一定として検査を行う場合、試料１００の径に応じて検査時間が変動する。
【００５２】
スクリーン１０２上のラインセンサカメラの画素寸法cは０．０５５ｍｍであるから、スクリーン１０２に投射された光学像を、スクリーン１０２を介して試料１００の周方向をc／Ｍの空間分解能で観察することに相当する。本実施形態の場合、試料１００の半径Ｒによらず拡大倍率Ｍは２０倍となるため、ラインセンサカメラ１０７で得られる光学像の試料１００の外周方向の画素寸法ｃは共に２．７５ｕｍである。
【００５３】
以上の結果が、図８に図示されている。図８は、本発明の第２の実施形態に関する図であり、拡大倍率Ｍを一定（２０倍）とした場合の、異なる半径の試料の光学像および検査条件を対比して示す図である。試料１００の半径Ｒは、１１ｍｍと１４ｍｍであり、各数値は、上記で説明した内容の結果を示す。各試料１００の特定位置Ｐに対するＹ軸からの角度θ（このときの照明入射角はｕ１である）を、図８に示す角度に設定することにより、スクリーン１０２に拡大倍率Ｍが同一（２０倍）の光学像を投射することができる。
【００５４】
図９は、本発明の第２の実施形態によって取得した光学像の平面模式図であり、図９（ａ）は試料の半径Ｒ＝１１ｍｍの場合であり、図９（ｂ）は試料の半径Ｒ＝１４ｍｍの場合である。
なお、図９（ａ）は図５（ａ）と、図９（ｂ）は図５（ｂ）と、それぞれ、同一の欠陥を有する試料の検査結果である。なお、図９（ａ）、９（ｂ）において、試料１００の軸方向をｘ、周方向をｙとする。
図９（ａ）は、半径Ｒ＝１１ｍｍの試料１００を０．１９８９ｒｐｓで１回転させつつ、ラインセンサカメラ１０７のスキャンレートｆ＝５ｋＨｚの条件に設定して検出した光学像である。検査時間は５．０３sec／本である。ｘ方向については、試料１００の曲率による倍率変化は無い。従って、画素寸法ｃは０．０５５ｍｍであり、照射光１０の幅Ｗと同じ２００ｍｍの範囲が検出される。ｘ方向の画素数は２００／０．０５５＝３６３６画素である。ｙ方向は、試料１００の周方向の展開長であり、６９．１ｍｍの範囲が検出されている。ｙ方向については、試料１００の曲率によって拡大倍率が変化する。ラインセンサカメラ１０７の画素寸法ｃは、上述の通り２．７５ｕｍである。ｙ方向の画素数は６９．１／０．００２７５＝２５１２７画素である。
【００５５】
図９（ｂ）は、半径Ｒ＝１４ｍｍの試料１００を０．１５６３ｒｐｓで１回転させつつ、ラインセンサカメラ１０７のラインレートｆ＝５ｋＨｚの条件に設定して検出した光学像である。検査時間は６．４０sec／本である。ｘ方向の画素数は図９（ａ）と同じで３６３６画素である。ｙ方向は、試料１００の周方向の展開長であり、８８．０ｍｍの範囲が検出されている。図９（ｂ）の光学像についてもｙ方向の画素寸法ｃは２．７５ｕｍである。ｙ方向の画素数は８８．０／０．００２７５＝３２０００画素である。
【００５６】
図９（ａ）、図９（ｂ）に示した検出光学像上の欠陥形状は共に、ｘ方向とｙ方向の画素寸法が異なり、ｘ方向に対してｙ方向が引き伸ばされた形として検出されている。検出光学像のｙ方向の画像サイズは図９（ａ）よりも図９（ｂ）の方が大きい。図９（ａ）の像５１、および図９（ｂ）の像５４は共に黒点であり、試料１００表面の凸欠陥に相当する。図９（ａ）の像５２、および図９（ｂ）の像５３、５５は輝点であり、試料１００表面の凹欠陥に相当する。図９（ａ）、図９（ｂ）で検出された像５１〜５５のｘ方向の画素数は、図５（ａ）、図５（ｂ）と同じである。但し、ｙ方向については、図５（ａ）、図５（ｂ）よりも引き伸ばされた形となって検出される。図９（ａ）、図９（ｂ）では、ｙ方向の拡大倍率Ｍが共に２０倍となっているため、像５１〜５５の大小関係を、直接、比較することができる。
【００５７】
図９（ａ）、図９（ｂ）に示した像５１〜５５は、画像処理装置（図示せず）によって抽出され、欠陥座標、欠陥寸法、欠陥種別等の欠陥情報が記憶手段（図示せず）に記録される。
第２の実施形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）円筒状の試料１００に、のレーザ光（照射光）１０を照射し、試料１００の円筒部の表面で反射して拡大された反射光をスクリーン１０２に投射して光学像を形成し、該光学像に基づき試料の表面状況を検査する表面検査方法であり、照射光１０は、試料１００の頂点Ａの位置から厚さ方向に所定長さ離間した特定位置Ｐまでの領域を含み、一側縁に対する接線方向に向けて照射され、スクリーン１０２には、特定位置Ｐで反射された反射光を含んで投射され、スクリーンには、特定位置で反射された反射光を含んで投射される。この構成によれば、試料１００の特定位置Ｐの設定位置（設定高さ）を調節することにより、スクリーンに投射される光学像の拡大倍率Ｍを一定にすることができ、試料１００の半径Ｒがある程度異なっても一定の検出精度を維持することが可能となる。
【００５８】
−第３の実施形態−
図１０〜図１２を参照して、本発明の第３の実施形態を説明する。
図１０は、本発明の表面欠陥検査装置の第３の実施形態の構成を示す側面図である。
第３の実施形態の表面欠陥検査装置１Ａは、第１および第２の実施形態の表面欠陥検査装置１に対し、さらに、ラインセンサカメラ１２０およびＴＶカメラレンズ１２１を付随して備えている。
ラインセンサカメラ１２０およびＴＶカメラレンズ１２１は、同軸に配置され、ＸＺ平面に対してγの仰角から試料１００の外周表面を、直接、観察する。仰角γは５°〜９０°の範囲内で最適な角度とする。本実施形態では、仰角γ＝４５°として例示する。ラインセンサカメラ１２０とＴＶカメラレンズ１２１とを配列する仰角γは、ラインセンサカメラ１０７との干渉を避ける必要がある。ラインセンサカメラ１２０とＴＶカメラレンズ１２１とは、それぞれ、ラインセンサカメラ１０７とＴＶカメラレンズ１０８と同一仕様である。
【００５９】
図１１は、第３の実施形態における試料の照明領域と観察領域との関係を示す図である。図１１はＸＺ平面図である。
ラインセンサカメラ１２０の視野位置１２２は、シリンドリカルレンズ１０６を介して試料１００の外周表面に照射される照射光の照射領域１１０と一致させる。ラインセンサカメラ１２０は４０９６画素で、１画素の素子寸法ｃは５．５ｕｍの正方形状である。これをＴＶカメラレンズ１２１で１０倍に拡大して試料１００の表面と共役関係に配置している。試料１００上でのラインセンサカメラ１２０の１画素の素子寸法ｃは５５ｕｍである。これらの条件からラインセンサカメラ１２０の視野長Ｃａは２２５ｍｍとなり、試料１００上の照明領域の幅Ｗ＝２００ｍｍを包含している。
【００６０】
モータ１０３を回転駆動して試料１００を回転させ、ラインセンサカメラ１０７で試料１００の表面の光学像を検出する条件について述べる。先ず、ラインセンサカメラ１０７でスクリーン１０２を観察するための条件を設定する。試料１００表面への照明入射角ｕ１＝８７°（θ＝３°）とし、試料１００の半径Ｒ＝１１ｍｍ、試料１００の中心軸Ｏからスクリーン１０２までの距離Ｌ＝７０ｍｍとする。この場合、スクリーン１０２上の点Ｓ０を基準とした高さｈ１＝７．４０ｍｍとなり、この時のスクリーン１０２上の位置Ｓ１をラインセンサカメラ１０７で観察することで、スクリーン１０２上での試料１００の表面の拡大倍率Ｍ＝１３．０３倍が得られることを第１の実施形態で説明した。さらに、スクリーン１０２上でのラインセンサカメラ１０７の１画素の素子寸法ｃ＝０．０５５ｍｍ、ラインレートをｆ＝５ｋＨｚすれば、試料１００表面の全面検査を行うためのロッド回転の角速度Ｎの最大値は、式（５）から得られ、Ｎ≦０．３０５４ｒｐｓとなることも示した。
【００６１】
ラインセンサカメラ１２０のスキャンレートｆについても、式（５）でｆを未知数として算出することができる。但し、ラインセンサカメラ１２０は試料１００の外周表面を、直接、観察するため、拡大倍率Ｍ＝１として取り扱う。式（５）において、Ｎ＝０．３０５４ｒｐｓ、c＝０．０５５ｍｍ、Ｒ＝１１ｍｍ、Ｍ＝１とした時、ｆ＝３８３．８Ｈｚが得られる。ラインセンサカメラ１２０のスキャンレートｆは３８４Ｈｚとして用いる。即ち、ラインセンサカメラ１０７のラインレートの１／１３．０３に設定すれば良い。
【００６２】
図１２は、図１０に示す２つのラインセンサカメラで検出した光学像の平面模式図であり、図１２（ａ）はラインセンサカメラ１０７で検出した光学像であり、図１２（ｂ）はラインセンサカメラ１２０で検出した光学像である。
図１２（ａ）はＲ＝１１ｍｍの試料１００を０．３０５４ｒｐｓで回転させつつ、ラインセンサカメラ１０７のスキャンレートｆを５ｋＨｚの条件に設定して検出したスクリーン１０２上の反射光強度分布であり、図５（ａ）と同様な光学像である。但し、図５（ａ）の像５１を凸欠陥として例示しているのに対し、図１２（ａ）では、像５８を塵埃として示している。検査時間は３．２７sec／本である。試料１００の軸方向をｘ、周方向をｙとする。ｘ方向については、試料１００の曲率による倍率変化は無い。従って、画素寸法ｃは０．０５５ｍｍであり、照射光１０の幅Ｗと同じ２００ｍｍの範囲が検出される。ｘ方向の画素数は２００／０．０５５＝３６３６画素である。ｙ方向はロッド周方向の展開長であり、６９．１ｍｍの範囲が検出されている。ｙ方向については、ロッド曲率によって拡大倍率Ｍが変化するため、画素寸法ｃは０．０５５／１３．０３＝４．２２ｕｍである。ｙ方向の画素数は、６９．１／０．００４２２＝１６３７４画素である。
【００６３】
図１２（ｂ）はラインセンサカメラ１２０で検出した光学像の模式図であり、スキャンレートｆを３８４Ｈｚの条件に設定して検出した試料１００表面の散乱光強度分布である。検査時間は図１２（ａ）と同様、３．２７sec／本である。ｘ方向、ｙ方向の画素寸法ｃは共に０．０５５ｍｍである。ｘ方向の画素数は図１２（ａ）と同様３６３６画素である。ｙ方向は、試料１００の周方向の展開長であり、６９．１ｍｍの範囲が検出されている。ｙ方向の画素数は、６９．１／０．０５５＝１２５６画素である。
【００６４】
図１２（ａ）における像５２は輝点であり、試料１００表面の凹欠陥に相当する。ラインセンサカメラ１２０で検出した光学像である図１２（ｂ）では、試料１００表面の突起によって生じる散乱光が輝点として顕在化される。５８、５６、５７が検出された輝点である。ラインセンサカメラ１２０による検出では、試料１００表面の凹欠陥には検出感度を有さない。このため、図１２（ａ）における像５２は、図１２（ｂ）の検出画像によっても、凹欠陥であることを確認することができる。
像５８については、図１２（ａ）からのみでは欠陥であるのか塵埃であるのか見分けがつかない。ラインセンサカメラ１２０で検出した光学像も、ラインセンサカメラ１０７で検出した光学像も、欠陥あるいは塵埃の形状を反映した形状の光学像を検出する。上述の通り、図１２（ｂ）の検出光学像におけるｘ方向、ｙ方向の画素寸法ｃは共に０．０５５ｍｍである。図１２（ａ）における像５８と図１２（ｂ）における像５８とは、ｘｙ座標が一致している。このことから、図１２（ａ）における像５８と図１２（ｂ）における像５８とは、同一の対象物であると判断される。像５８の形状は、糸屑のような塵埃の形状を示している。このため、像５８は、試料１００表面の欠陥ではなく、表面に付着した塵埃である可能性が高いと判断する。
【００６５】
上述の通り、図１２（ｂ）の検出光学像におけるｘ方向、ｙ方向の画素寸法ｃは共に０．０５５ｍｍである。暗視野照明による欠陥検出の場合、画素寸法ｃよりも小さな微小欠陥に対しても検出感度を有する。このため、図１２（ｂ）には、図１２（ａ）にて検出されない像５６、５７が検出されている。図１２（ｂ）における像５６、５７の形状は、真円に近い。一般的に、真円に近い塵埃は存在しない。従って、図１２（ｂ）に示された像５６、５７は、試料１００表面の凹欠陥である可能性が高いと判断する。
【００６６】
図１２（ａ）、図１２（ｂ）に示した像５８、５２、５６、５７は、画像処理手段（図示せず）によって抽出され、欠陥座標、欠陥寸法、欠陥種別等の欠陥情報が記憶手段（図示せず）に記録される。
【００６７】
第３の実施形態の表面欠陥検査装置１Ａは、第１および第２の実施形態の表面欠陥検査装置１と同様な効果を奏する。
加えて、第３の実施形態の表面欠陥検査装置１Ａによれば、照明条件の異なる２種類の観察光学系で試料１００表面の光学像を観察するため、検出された光学像が、試料１００の微小欠陥によるものではなく、試料１００表面に付着した塵埃である可能性が高いことも判断することが可能となる。このため、分析の効率化を図ることができる。
【００６８】
−第４の実施形態−
図１３〜図１６を参照して、本発明の第４の実施形態を説明する。
図１３は、本発明の第４の実施形態を示し、光源側から観たスクリーン側の平面図であり、図１４は、本発明の第４の実施形態の表面欠陥検査装置全体の構成を示す平面図である。
第４の実施形態の表面欠陥検査装置１Ｂは、第１および第２の実施形態にて例示する表面欠陥検査装置１と同様である。但し、スクリーン１３０の後方に、マスク１４２およびフォトダイオード１４０が配置されている。また、スクリーン１３０には、Ｘ方向の各端部に開口部１３１、１３２が設けられている。
マスク１４２は、スクリーン１３０の後方に、開口部１３１、１３２に対応して配置されている。平行ビーム１０の試料１００の頂点Ａより上方の光束は、開口部１３２およびマスク１４２を介してフォトダイオード１４０に入射する。
【００６９】
図１５は、図１４に図示されたフォトダイオードとマスクの斜視図である。マスク１４２は照射光１０を透過しない金属板で形成されている。マスク１４２の中心にスリット１４３が設けられている。スリット１４３の開口寸法は１ｍｍ×８ｍｍ（Ｘ方向×Ｙ方向）である。このマスク１４２をフォトダイオード１４０の受光面１４１に近接して配置する。スクリーン１３０の開口部１３２を通過した照射光１０の一部は、つまり、照射光１０の厚さｔ２の部分は、マスク１４２のスリット１４３を通過し、フォトダイオード１４０で受光される。照射光路に試料１００が存在しなければ、スリット１４３の幅１ｍｍ×照射光１０の厚さｔ１＝２ｍｍ（Ｘ方向×Ｙ方向）の光がフォトダイオード１４０で受光される。照射光路上に試料１００が配置されていると、試料１００によって照射光１０が遮られ、受光量が減少する。フォトダイオード１４０における受光量は、照射光路を遮る試料１００の面積により変化する。このことを利用して、照射光１０を遮る試料１００の位置を検出することができる。
【００７０】
表面欠陥の検査に先立ち、試料１００の外周表面上の特定位置Ｐに対する所望の照明入射角度の情報から、特定位置Ｐに対する角度θが決定される。この角度θと試料１００の半径Ｒから、照射光１０の光軸１０ａに対する試料１００の高さδを、δ＝Ｒ（１−ｃｏｓθ）として求めることができる。例えば、θ＝１７．３°、Ｒ＝１１ｍｍであれば、δ＝０．４９８ｍｍとなる。ここで、照射光１０の厚さｔ１＝２ｍｍとすれば、試料１００に照射されずにスクリーン１３０に、直接、照射される照射光１０の厚さｔ２＝ｔ１／２−δであるから、厚さｔ２＝０．５０２ｍｍとして求められる。なお、ＹＺ平面内における照射光１０の強度分布はガウス分布で、１／ｅ2 径を以って厚さｔ１と定める。
【００７１】
本実施形態では、特定位置Ｐに対する角度θ、半径Ｒ、照射光１０の厚さｔ１の検査条件に応じて変化する角度δを精密に調節するため、フォトダイオード１４０で光量を検出し、その結果を試料１００の移動ステージ（図示せず）の変位にフィードバックする。
図１６は、照射光の強度分布を示す図であり、図１６（ａ）はＹ軸からの距離−相対強度の特性図であり、図１６（ｂ）はＹ軸からの距離−積算光量の特性図である。
図１６（ａ）はＹＺ平面における厚さｔ１＝２ｍｍの照射光１０の相対強度分布である。レーザ発振器１０４はシングルモードレーザであり、ＹＸ面内については、パウエルレンズ１０５、シリンドリカルレンズ１０６によるビーム成形作用の影響が無く、その強度分布はガウス分布のまま試料１００の表面に照射される。便宜上、最大強度の１／ｅ2 径を以ってシート厚と称するが、実際はサイドローブを有しており、厚さｔ１より広い範囲に光が照射されている。平行ビーム１０の中心で最大強度を示すガウス分布は、そのガウシアン半径をωとした時、半径方向の任意の座標Ｙにおける強度Ｉ（Ｙ）を式（６）によって求めることが出来る。
Ｉ（Ｙ）＝Ｉ（０）・ｅｘｐ（−２Ｙ2／ω2）    ……（６）
ここでＩ（０）は光軸１０ａ上の強度である。図１６（ａ）は、Ｉ(０)＝１、ω＝ｔ１／２として式（６）から求めた相対強度分布である。
【００７２】
試料１００が半径Ｒ＝１１ｍｍの時、θ＝１７．３°の条件を満たすδ＝０．４９８ｍｍである。図１６（ａ）において、Ｙ＝０ｍｍの位置が光軸１０ａであり、δはＹ＝０〜０．４９８の範囲に相当し、ｔ２はＹ＝０．４９８〜１の範囲を指している。本実施形態において、照射光路に試料１００が存在しなければ、図１４ａの強度分布波形の全面積がフォトダイオード１４０で検出される。これに対してδ＝０．４９８ｍｍの条件で試料１００が存在する時、図１６（ａ）の斜線に示す範囲のみがフォトダイオード１４０で検出されることになる。
【００７３】
フォトダイオード１４０に入射する光量の割合は、式（６）を積分して面積比を求めることで算出できる。図１６（ｂ）は、図１６（ａ）に示した強度分布の照射光量をＹ＝−２ｍｍ〜＋２ｍｍの範囲で積算した結果である。δ＝０．４９８ｍｍの時、全光量の約８６．４％が試料１００表面に照射され、残りの１３．６％がフォトダイオード１４０で受光されることが分かる。
【００７４】
以上の方法によって、試料１００表面への照明入射角が決まれば、試料１００の半径Ｒ、照射光１０の厚さｔ１の検査条件から試料１００の高さδを求め、フォトダイオード１４０の検出光量を監視しながら試料１００を上昇させることで、試料１００の高さを精密に位置決めすることができる。
【００７５】
なお、図１４では、スクリーン１３０の開口部１３２に対して配置したフォトダイオード１４０を示したが、図１３における開口部１３１についても同様、フォトダイオード１４０とマスク１４２がそれぞれ配置されている。Ｘ方向に離間して配置された二つのフォトダイオード１４０を用いて試料１００の高さδをそれぞれ調節することで、ＸＹ平面内における試料１００回転軸と照射光１０の平行度を精密に調整することができる。
【００７６】
第４の実施形態の表面欠陥検査装置１Ｂは、第１および第２の実施形態の表面欠陥検査装置１と同様な効果を奏する。
加えて、試料１００の頂点Ａから特定位置Ｐまでの高さδを正確に計測することが可能になり、試料１００の特定位置Ｐへの設定を容易かつ迅速に行うことができる。
【００７７】
−第５の実施形態−
図１７および図１８を参照して、本発明の第５の実施形態を説明する。
図１７は、本発明の表面欠陥検査装置１の第５の実施形態の構成を示す側面図である。
第１〜第４の実施形態においては、照射光１０を、平行ビームとするものであり、平行ビームの放射角度、すなわち、傾きについては考慮されていない。
第５の実施形態では、ＹＺ平面内における照射光束２０の平行度の影響について考察する。
仮想点Ｆから全角η０の角度で出射した照射光束２０が試料１００の表面に照射された様子を図１７に示す。なお、ＸＺ平面はこれまでの説明と同様に平行光束として取り扱う。
光軸２０ａの高さに試料１００の外周上の特定位置Ｐを一致させた時、特定位置Ｐで反射した光はスクリーン１０２上の点Ｓ１に到達する。一方で、特定位置Ｐから角度αだけ移動した周上の点Ｑにおける照明入射角度ｕ２ａは、平行光束が入射した時と比べてη１だけ小さくなる。
試料１００の半径をＲ、特定位置Ｐに対する角度をθ、頂点Ａと特定位置Ｐの高さの差をδ、ＸＺ平面における仮想点Ｆから試料１００の中心軸Ｏまでの距離をlとした時、これらとη１との相関は式（７）の通りである。なお、図１７ではδを図示しないが図３と同一の位置を指している。
ｔａｎ（η１）＝（Ｒ（１−ｃｏｓ（θ＋α））−δ）／（l−Ｒ・ｓｉｎ（θ＋α））      ……（７）
【００７８】
ここで、η０＝２０ｍｒａｄとすれば、Ｙ軸上でビーム厚が２ｍｍとなる時のl＝１／ｔａｎ（η０／２）で求められるから、l＝１００ｍｍとなる。さらに、第１の実施形態と同様に、Ｒ＝１１ｍｍ、θ＝３°とすれば、δ＝Ｒ（１−ｃｏｓθ）であるから、δ＝０．０１５ｍｍである。また、円弧部ＰＱをｄと置き、ｄ＝０．０１ｍｍとすれば、α＝３６０・ｄ／２πＲであるから、αは０．０５２°と算出される。これらを式（７）に代入すれば、η１＝６．０５７×１０-6 °、即ち０．１０６ｕｒａｄが得られる。
【００７９】
従って、上述の通り、ｕ２ａ＝９０−（θ＋α）―η１となり、φ２ａ＝１８０−２・ｕ２ａであることから、φ２ａ＝６．１０４０１２°と算出される。これは、点Ｑに平行光束が入射した場合に対して０．０１２×１０-3 °大きいが、僅かな値である。Ｌ＝７０ｍｍとし、φ２aを式(２)に代入すると、ｈ２＝７．５３２８２８ｍｍが得られる。これは点Ｑに平行光束が入射した場合に対して０．０１５ｕｍ大きい。
【００８０】
以上説明した通り、試料１００の外周上の点Ｑに全角２０ｍｒａｄの発散光を照射した場合、スクリーン１０２上の点Ｓ２ａが０．０１５ｕｍ高い位置に移動する。しかし、スクリーン１０２上におけるラインセンサカメラ１０７の画素寸法ｃは５５ｕｍであるため、その影響は無視できる。
【００８１】
なお、仮想点Ｆから出射した基準光としての光線は頂点Ａの近傍を通過し、スクリーン１０２上の基準位置Ｓ０ａに、直接、照射され基準像を形成する。従って、この光線についてもη２の角度が生じる。ｔａｎ（η２）＝δ／lであり、本実施形態の場合η２＝０．１５×１０-3 °と算出される。従って、スクリーン１０２上の基準位置Ｓ０ａについても、Ｌ・ｔａｎ（η２）＝０．２６ｕｍだけ高い位置に移動する。仮想点Ｆと頂点Ａとの間の距離lを変化させることで、スクリーン１０２上の点Ｓ２ａと基準位置Ｓ０ａの位置が僅かに変化するが、上述の方法で位置の変化を算出できる。lを変化させると試料１００の外周上の頂点Ａにおける照射光束２０の厚さも変化するが、照射光束２０の厚さを、試料１００の直径の概ね１／１０程度を目安とすれば、スクリーン１０２上の点Ｓ２ａと基準位置Ｓ０ａの位置の移動量は、無視できる程度になる。第５の実施形態において、仮想点Ｆから出射される光束は、試料１００の頂点Ａの接線となる光線を含んでいる。
【００８２】
図１８は、本発明の第５の実施形態の変形例の構成を示す側面図である。
図１８は、仮想点Ｆから全角η０の角度で収束する照射光束３０が試料１００表面に照射された様子を示している。なお、ＸＺ平面はこれまでの説明と同様に平行光束として取り扱う。
照射光束３０の光軸３０ａの高さに試料１００の外周上の特定位置Ｐを一致させた時、特定位置Ｐで反射した光はスクリーン１０２上の点Ｓ１に到達する。一方で、特定位置Ｐから角度αだけ移動した周上の点Ｑにおける照明入射角度ｕ２ｂは、平行光束が入射した時と比べてη１だけ大きくなる。
試料１００の半径をＲ、特定位置Ｐに対する角をθ、頂点Ａと特定位置Ｐの高さの差をδ、ＸＺ平面における試料１００の中心軸Ｏから仮想点Ｆまでの距離をlとした時、これらと前記η１との相関は式（８）の通りである。なお、図１６ではδを図示しないが図３と同一の位置を指している。
ｔａｎ（η１）＝（Ｒ（１−ｃｏｓ（θ＋α））−δ）／（l＋Ｒ・ｓｉｎ（θ＋α））      ……（８）
【００８３】
ここで、η０＝２０ｍｒａｄとすれば、Ｙ軸上でシートビーム厚が２ｍｍとなる時のl＝１／ｔａｎ（η０／２）で求められるから、l＝１００ｍｍとなる。さらに、第１の実施例と同様に、Ｒ＝１１ｍｍ、θ＝３°とすれば、δ＝Ｒ（１−ｃｏｓθ）であるから、δ＝０．０１５ｍｍである。また円弧部ＰＱをｄと置き、ｄ＝０．０１ｍｍとすれば、α＝３６０・ｄ／２πＲであるから、αは０．０５２°と算出される。これらを式（８）に代入すれば、η１＝０．３４３×１０-3 °、即ち５．９８６ｕｒａｄが得られる。
【００８４】
従って、上述の通り、ｕ２ｂ＝９０−（θ＋α）＋η１となり、φ２ｂ＝１８０−２・ｕ２ｂであることから、φ２ｂ＝６．１０３３°と算出される。これは、点Ｑに平行光束が入射した場合に対して０．７×１０-3 °小さいが、僅かな値である。Ｌ＝７０ｍｍとし、φ２ｂを式（２）に代入すると、ｈ２＝７．５３１９ｍｍが得られる。これは点Ｑに平行光束が入射した場合に対して０．９ｕｍ小さい。
【００８５】
以上説明した通り、試料１００周上の点Ｑに全角２０ｍｒａｄの収束光を照射した場合、スクリーン１０２上の点Ｓ２ｂが０．９ｕｍ低い位置に移動する。しかし、スクリーン１０２上におけるラインセンサカメラ１０７の画素寸法ｃは５５ｕｍであるため、その影響は無視できる。
【００８６】
なお、仮想点Ｆから出射した基準光としての光線は頂点Ａの近傍を通過し、スクリーン１０２上の点Ｓ０ｂに直接照射され基準像を形成する。従って、この光線についてもη２の角度が生じる。ｔａｎ（η２）＝δ／lで、この場合もη２＝０．１５×１０-3 °と算出される。従って、スクリーン１０２上の点Ｓ０ｂについても、Ｌ・ｔａｎ（η２）＝０．２６ｕｍだけ低い位置に移動する。仮想点ＦとＡ点との間の距離lを変化させることで、スクリーン１０２上の点Ｓ２ｂと基準位置Ｓ０ｂの位置が僅かに変化するが、上述の方法で位置の変化を算出できる。lを変化させると試料１００の外周上の頂点Ａにおける照射光束３０の厚さも変化するが、照射光束３０の厚さを、試料１００の直径の概ね１／１０程度を目安とすれば、スクリーン１０２上の点Ｓ２ｂとＳ０ｂの位置の移動量は、無視できる程度になる。図１８に示す第５の実施形態の変形例においても、仮想点Ｆに収束する光束は、試料１００の頂点Ａの接線となる光線を含んでいる。
【００８７】
上記の通り、第１〜第４の実施形態において、試料１００に照射する照射光束２０、３０は、通常、平行と見做される全角数ｍｒａｄ程度の平行光束とする必要が無く、全角で数十ｍｒａｄ程度もしくはそれ以上の、発散または収束する光束を用いることができる。
一般的には、平行ビームとされるレーザ発振器は、全角５ｍｒａｄ程度以下である。本発明では、全角２０ｍｒａｄ以上のレーザ発振器を採用することができる。このため、レーザ装置を安価にすることが可能である。また、発散または収束する光束を用いても、頂点Ａと特定位置Ｐとの高さの差δが平行光線とほぼ同一であるため、検査時における調整が容易となる。
【００８８】
−第６の実施形態−
図１９は、第６の実施形態を示し、本発明による表面検査システムの構成図である。
表面検査システムは、表面欠陥検査装置１Ｃを含む。表面欠陥検査装置１Ｃは、照射光源１７１、ローラ１０１ａ、１０１ｂ、ローラユニット１７２、スクリーン１０２、受光器１７５、スクリーン揺動機構１７６、ラインセンサカメラ１０７、およびＴＶカメラレンズ１０８を備えている。
照射光源１７１は、レーザ発振器１０４（図１参照）およびレーザ発振器１０４から出射された光束を成形するレンズユニットを含む。予め決められた高さに位置決めされた照射光１０の一部は試料１００の頂点Ａおよび特定位置Ｐを含む円弧部ＡＢ上に、帯状に照射される。試料１００の円弧部ＡＢに照射された照射光１０は、試料１００の円弧部ＡＢで反射され、スクリーン１０２に照射される。また、照射光１０の他の一部である基準光は、すなわち、試料１００の頂点Ａより上方の厚さｔ２の光束は、スクリーン１０２に、直接、照射されると共に、その一部は、スクリーン１０２の開口部１３２（図１３参照）を通過して受光器１７５で検出される。
【００８９】
被検査体である円筒状の試料１００が図示しないローダによってローラユニット１７２上に搭載される。ローラユニット１７２には、試料１００の表面に刻印された識別番号を読み取るセンサ（図示せず）が内蔵されている。コンピュータ１７９は上位サーバ１８２から試料１００の検査レシピ１８１をダウンロードする。検査レシピ１８１には、試料１００の製造経緯、直径、表面検査時の検査条件が含まれている。
【００９０】
コンピュータ１７９は、検査レシピ１８１の内容に基づき、照射光源１７１から出射する照射光１０が試料１００の外周表面に対して所望の入射角となるように、高さ調節ステージ１７４の高さを調節し、試料１００の高さを合わせる。この時、試料１００の高さによって変化する受光器１７５の出力を、逐次、検出しながら、高さ調節ステージ１７４の高さを合わせることで精密な高さ位置の設定が実現する。
【００９１】
以上の手順によって、照射光１０と試料１００の相対的な位置合わせが終了する。その結果、照射光源１７１から出射された照射光１０は、試料１００の頂点Ａに対する接線方向から、試料１００の円弧部ＡＢ（図３参照）に、帯状に照射される。試料１００の円弧部ＡＢで反射した光はスクリーン１０２の所定の位置に投射される。
【００９２】
ラインセンサカメラ１０７、及びＴＶカメラレンズ１０８は、カメラ高さ調整ステージ１７７に搭載されている。コンピュータ１７９は、検査レシピ１８１に基づいてカメラ高さ調整ステージ１７７の高さを調節することで、スクリーン１０２上におけるラインセンサカメラ１０７の観察視の高さを合わせる。
【００９３】
以上により位置決めが終了したら、検査レシピ１８１に基づいてモータコントローラ１７３を制御し、試料１００を等速で１回転させる。試料１００を回転させながら、ラインセンサカメラ１０７を所定のスキャンレートｆで駆動し、スクリーン１０２上に投射された反射光による光学像を撮像する。
【００９４】
ラインセンサカメラ１０７で撮像した画像は、コンピュータ１７９に取り込まれる。以上、全ての装置動作は装置制御部１７８を介してコンピュータ１７９によって制御される。コンピュータ１７９には、欠陥検出アルゴリズムが実装されており、画像処理によって、試料１００表面の欠陥座標を軸方向と周方向に分けて記憶装置１８０に記録する。
【００９５】
試料１００の検査が終了したら、図示しないアンローダで試料１００をローラユニット１７２上から払い出す。本実発明の表面検査システムによって、異径ロッドのインライン全数検査が実現する。従って、本表面検査システムを試料であるロッドの製造工程毎に適用すれば、その製造工程の不具合箇所を即座に検知するプロセスモニタが実現する。また、本発明の表面検査システムを最終外観検査工程に適用すれば、製品の全数品質保証が実現する。
【００９６】
なお、本実施形態では照射光源１７１がレーザ光源のため、スクリーン１０２でレーザスペックルが生じる。これを除去するために、スクリーン揺動機構１７６を備えている。
【００９７】
上記ではスクリーン１０２の外周表面で反射される反射光による光学像パターンを観察する構成で説明した。しかし、第３の実施形態として説明したように、図１０に示す、試料１００の表面を、直接、観察するラインセンサカメラ１２０を追加すれば、試料１００から得られた光学像が欠陥によるものか塵埃によるものかの弁別性を向上することができる。また、これまで説明した各実施形態では、スクリーン１０２の表面をラインセンサカメラ１０７、１２０で観察する場合で例示したが、スクリーン１０２を半透明の素材とし、スクリーン１０２の裏面を観察するようにしても良い。
【００９８】
−第７の実施形態−
図２０は、本発明の表面欠陥検査装置の第７の実施形態の構成を示す側面図である。
第１〜第５の実施形態では、被検査体である試料１００を、円筒状の部材とし、その外周表面の欠陥を検査するための表面欠陥検査装置１、１Ａ〜１Ｃとして例示した。第７の実施形態では、圧延鋼板やフィルム等のシート状部材の表面欠陥の検査に適用した表面欠陥検査装置１Ｄを例示する。
表面欠陥検査装置１Ｄは、照射光源１７１、搬送ローラ２００、スクリーン１０２、ラインセンサカメラ１０７、およびＴＶカメラレンズ１０８を備える。
被検査体である試料２０１は、金属板等のシート部材である。シート状の試料２０１は、不図示の走行ベルトや移動装置により、製造ラインまたは検査ラインを走行させられる。試料２０１は、円筒状の搬送ローラ２００の外周面の一部に巻き付けられ、方向転換するように搬送される。試料２０１の搬送ローラ２００に巻き付けられた部分は、搬送ローラ２００の外周面の形状に倣い、円弧形状となる。試料２０１の円弧部の外周表面の検査は、試料２０１の円弧部の半径と試料２０１の厚さとの合計値に等しい半径Ｒを有する円筒状の試料１００の外周表面の検査と等価である。
【００９９】
照射光源１７１は、レーザ発振器から出射された光束を成形するレンズユニットを含む。照射光源１７１から出射された照射光１０は、搬送ローラ２００上の試料２０１の外周表面に照射される。照射光１０は、試料２０１の円弧部の頂点Ａの接線方向から照射される。照射光１０は、試料２０１の頂点Ａから試料２０１の特定位置Ｐまでを含む領域に帯状に照射される。照射光１０は、試料２０１の特定位置Ｐにおいて、照明入射角ｕ３で入射し、同一の角度ｕ３で反射する。試料２０１で反射した反射光はスクリーン１０２に投射される。スクリーン１０２に投射された試料２０１の特定位置Ｐを含む領域の光学像がラインセンサカメラ１０７とＴＶカメラレンズ１０８によって観察される。照射光１０の一部は基準光として試料２０１には照射されず、スクリーン１０２に直接照射され基準像を形成する。
【０１００】
照射光１０が発散光または収束光の場合は、照射光源１７１と搬送ローラ２００の回転の中心軸Ｏとの距離Ｌ１を調節し、搬送ローラ２００上の照射光１０の厚さｔ１を最適な条件に設定する。また、照射光源１７１を、中心軸Ｏと頂点Ａを結ぶ法線２０２と平行方向に移動させることで、スクリーン１０２上に投射される試料２０１の表面の拡大倍率を調節することができる。即ち、照射光源１７１を図中の矢印２０３の方向に移動させれば、特定位置Ｐにおける照射光１０の入射角度ｕ３が大きくなり、スクリーン１０２上での拡大倍率が小さくなる。これと逆に、図中の矢印２０４の方向に移動させれば、特定位置Ｐにおける照射光１０の入射角度ｕ３が小さくなり、スクリーン１０２上での拡大倍率が大きくなる。搬送ローラ２００の中心軸Ｏとスクリーン１０２との距離Ｌ２を変化させることでも、拡大倍率を調整することができる。
【０１０１】
シート状の試料２０１を搬送する製造ラインにおいては、検査開始時や終了時、或いはその製造中に搬送速度が変動したり、目標搬送速度に対して加減速が生じたりする。その場合、搬送ローラ２００にロータリエンコーダ（図示せず）を接続し、エンコーダパルスを利用してラインセンサカメラ１０７のラインレートを制御すれば、搬送速度変動の影響を排除することができる。
このように、円筒状のローラに巻き付けたシート状部材の表面を観察する場合においても、表面欠陥検査装置１Ｄを適用することが可能であり、第１および第２の実施形態と同様な効果を奏する。
【０１０２】
図２４は本発明の表面欠陥検査装置をピストンロッドの製造工程に適用した工程の流れを示すフローチャートである。まず、ピストンロッドを加工する工程について説明する。なお、適用できる製品はピストンロッドに限られず、曲面を含む凸状の表面を持つ製品であればよい。すなわち、第１〜第７の実施形態に適用可能である。はじめに、直径が一定の範囲に揃えられた円筒素材（低炭素鋼）に対して、その表面硬度を高めるために焼入れ処理２４１を施した後、形状矯正処理２４２によって、素材の円筒度を一定の精度内に収める。その後、素材の両端成形処理２４３によって機械的な取り合い部（図１の１００ａ及び１００ｂ）を加工成形し、表面研削処理２４４で試料１００の表面を平滑に仕上げ、メッキ処理２４６によって表面にＣｒメッキ層を成膜する。
【０１０３】
ここで、表面研削処理２４４後のピストンロッドの一部を抜き取り、検査工程２４５において本発明の表面欠陥検査装置によってその表面を検査し、メッキ前のピストンロッド表面の凹凸欠陥の発生状況を把握する（検査１）。検査工程２４５における欠陥検出データ２４５’は、中央処理装置２５０に記録、解析される。例えば、表面研削処理２４４で用いる研削砥石の磨耗や劣化等が原因で、ピストンロッド表面の欠陥個数が徐々に増加する傾向を捉え、研削砥石の交換を促す。
メッキ処理２４６後のピストンロッドについては表面研磨処理２４８を施し、その表面粗さを０．０５ｕｍ未満（算術平均粗さ）に仕上げ、組立工程に移される。ここで、メッキ処理２４６後のピストンロッドの一部を抜き取り、検査工程２４７において本発明の表面欠陥検査装置によってその表面を検査し、研磨前のピストンロッド表面の凹凸欠陥の発生状況を把握する（検査２）。検査工程２４７における欠陥検出データ２４７’は、中央処理装置２５０に記録、解析される。例えば、メッキ処理２４６での処理条件変動（電流値や処理時間変動）、メッキ液の劣化等でピストンロッド表面の欠陥個数が徐々に増加する傾向を捉え、メッキ処理条件のメンテナンスを促す。
【０１０４】
なお、表面研磨処理２４８後のピストンロッドについては、検査工程２４９において本発明の表面欠陥検査装置によってその表面を検査し、研磨後のピストンロッド表面の凹凸欠陥の発生状況を把握する（検査３）。検査工程２４９における欠陥検出データ２４９’は、中央処理装置２５０に記録、解析される。検査工程２４９では、全てのピストンロッドを検査対象とし、組立工程への欠陥品の流出を防ぐ。
例えば、検査工程２４５、２４７、２４９で同一のピストンロッドを検査し、中央処理装置２５０において、それらの欠陥検出データ２４５’、２４７’、２４９’を統合することにより、検査工程２４９で検出された欠陥の座標情報から、その発生原因を遡って追跡することもできる。或いは、同一のピストンロッドについて、検査工程２４９で検出された凹欠陥の座標を遡った時、検査工程２４５、２４７で無欠陥であるケースもある。この場合、前記凹欠陥は表面研磨処理後に発生した打痕の可能性が高い。
以上述べた通り、本発明の表面欠陥検査装置をピストンロッドの製造工程に適用することで、各処理工程のプロセス以上を早期発見できる。また欠陥検出データをフィードバックすることで、不良品の作り込みを抑止する効果がある。その結果、ピストンロッドの製造歩留まりが向上する。
【０１０５】
なお、上記実施形態では、本発明の検査装置および検査方法を、試料１００、２０１の表面の欠陥を観察したり検出したりするものとして説明した。しかし、本発明は、試料１００、２０１の表面の欠陥以外の、試料の表面の状態や、試料の表面に付着または形成さている物質の検出および観察に適用することもできる。
【０１０６】
上記各実施形態では、試料１００の断面形状が円として例示した。しかし、本発明は、試料１００の表面形状が、楕円状等に湾曲している場合にも適用することができる。
【０１０７】
上記各実施形態では、スクリーン１０２に投射された光学像を、ラインセンサカメラ１０７とＴＶカメラレンズ１０８により検出または観察するものとして例示した。しかし、スクリーン１０２に、イメージセンサを一体的に設けて、該イメージセンサにより試料１００、２０１からの反射光２を読み込むようにしてもよい。
【０１０８】
上記では、種々の実施の形態および変形例を説明したが、本発明はこれらの内容に限定されるものではない。本発明の技術的思想の範囲内で考えられるその他の態様も本発明の範囲内に含まれる。
【０１０９】
次の優先権基礎出願の開示内容は引用文としてここに組み込まれる。
日本国特許出願２０１７年第１２０８６７号（２０１７年６月２０日出願）
【符号の説明】
【０１１０】
１、１Ａ〜１Ｄ      表面欠陥検査装置
１０、１５１      平行ビーム（照射光）
１０ａ、２０ａ，３０ａ、１５１ａ    光軸
２０、３０      照射光束
５１〜５８      像
１００、２０１      試料
１０２、１３０、１５２    スクリーン
１０４      レーザ発振器（照射光源）
１０７、１２０      ラインセンサカメラ（光検出部）
１０８、１２１      ＴＶカメラレンズ
１４０      フォトダイオード（強度検出部）
１７１      照射光源
１７２      ローラユニット（試料保持部）
１７８      装置制御部
１７９      コンピュータ（処理部）
Ａ      頂点（一側縁）
Ｐ      特定位置
ｕ１〜ｕ３    照明入射角
【図１】
2018235376.tif 000003
【図２】
2018235376.tif 000004
【図３】
2018235376.tif 000005
【図４】
2018235376.tif 000006
【図５】
2018235376.tif 000007
【図６】
2018235376.tif 000008
【図７】
2018235376.tif 000009
【図８】
2018235376.tif 000010
【図９】
2018235376.tif 000011
【図１０】
2018235376.tif 000012
【図１１】
2018235376.tif 000013
【図１２】
2018235376.tif 000014
【図１３】
2018235376.tif 000015
【図１４】
2018235376.tif 000016
【図１５】
2018235376.tif 000017
【図１６】
2018235376.tif 000018
【図１７】
2018235376.tif 000019
【図１８】
2018235376.tif 000020
【図１９】
2018235376.tif 000021
【図２０】
2018235376.tif 000022
【図２１】
2018235376.tif 000023
【図２２】
2018235376.tif 000024
【図２３】
2018235376.tif 000025
【図２４】
2018235376.tif 000026
【国際調査報告】
2018235376.tif 000027
2018235376.tif 000028
2018235376.tif 000029
2018235376.tif 000030