(57)【要約】【課題】球面の全部又は一部を表面に有する検査対象物の表面を広範囲に且つ高精度に検査することのできる表面検査装置及び表面検査システムを提供する。【解決手段】本発明の表面検査装置１は、平行光を発する光源部１１と、光源部１１が発した平行光を検査対象球２に向けて集光すると共に、集光された光が検査対象球２の球面部分で反射した反射光を受ける集光レンズ１２と、検査対象球２を撮像する撮像素子１５と、集光レンズ１２を通過した反射光を受けて、検査対象球２の球面部分の像を撮像素子１５上に結像する結像レンズ１４と、を具備する。【選択図】図１
2011107092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
球面の全部または一部を表面に有する検査対象球の前記球面部分の表面検査を行う表面検査装置であって、
平行光を発する第１の光源部と、
前記第１の光源部が発した平行光を前記検査対象に向けて集光すると共に、前記集光された光が前記球面部分で反射した反射光を受ける集光レンズと、
前記検査対象を撮像する撮像素子と、
前記集光レンズを通過した反射光を受けて、球面部分の像を前記撮像素子上に結像する結像レンズと、を具備することを特徴とする表面検査装置。
【請求項２】
前記結像レンズが、前記第１の光源部と前記集光レンズとの間に形成される光路の外に配置され、
前記集光レンズを通過した前記反射光の進行方向を、前記結像レンズに向かうように変化させる光路変更手段を具備することを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
【請求項３】
前記結像レンズと撮像素子との間に設けられ、且つ前記結像レンズを通過した光を部分的に遮るアパーチャーを具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の表面検査装置。
【請求項４】
前記第１の光源部は、点光源と、この点光源から発せられる光を平行光に変換するコリメータレンズとを具備していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の表面検査装置。
【請求項５】
前記検査対象に設けられた孔部に挿入して用いられる第２の光源を具備する請求項１〜４のいずれかに記載の表面検査装置。
【請求項６】
球面の全部または一部を表面に有すると共に、中心部に向かう孔部を備えた検査対象の前記球面部分の表面検査を行う表面検査装置であって、
前記検査対象の孔部に挿入して用いられる光源と、
前記光源から検査対象の球面部分を通過し外部へと発せられた光を撮像する撮像手段と、を具備することを特徴とする表面検査装置。
【請求項７】
前記撮像手段は、
前記光源から検査対象の表面部分を通過し外部へと発せられた光を受ける集光レンズと、
前記検査対象を撮像する撮像素子と、
前記集光レンズを通過した光を受けて、球面部分の像を前記撮像素子上に結像する結像レンズと、を具備することを特徴とする請求項６に記載の表面検査装置。
【請求項８】
前記検査対象は、骨頭ボールであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の表面検査装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の表面検査装置と、
球面の全部または一部を表面に有する検査対象を所定の位置に支持する支持軸と、
前記検査対象が前記球面の曲率中心を回転中心として回転するように前記支持軸を回転させる回転手段、及び／又は、前記検査対象の位置と前記表面検査装置の位置とを相対的に移動させる移動手段と、を具備することを特徴とする表面検査システム。
【請求項１０】
前記移動手段は、前記検査対象の回転方向を経度方向としたときに、緯度方向を向く軌道上で前記表面検査装置を移動させるよう構成されていることを特徴とする請求項９に記載の表面検査システム。
【請求項１１】
前記検査対象は、中心部に向かう孔部を備えた骨頭ボールであって、前記孔部に前記支持軸が挿入されることを特徴とする請求項９又は１０に記載の表面検査システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、球面の全部又は一部を表面に有する検査対象物の表面を検査する表面検査技術に関する。特に、本発明の表面検査技術は、合金製もしくはセラミックス製の人工股関節用の骨頭ボール、骨頭ボールが嵌り込む人工股関節用カップの表面の検査に好適である。
【背景技術】
【０００２】
工業用ベアリングや医療用の人工股関節などは、表面に疵などの欠陥がない球体を必要とするので、球体表面の性状を高精度に検査する方法が求められている。
球体表面の性状を検査する装置として、特許文献１や特許文献２に示す球体表面検査装置がある。
特許文献１に開示された球体表面検査装置は、被検査球体の表面を照射する光源と、前記被検査球体の表面から反射した反射光を集光する集光手段と、該集光手段の光量を検出する光量検出手段と、該光量検出手段により検出された検出値に基づいて前記被検査球体の表面性状を判定する表面性状判定手段とを備えている。球体表面検査装置は、光源から被検査球体にレーザ光を照射して、被検査球体の表面で反射した反射光を光量検出手段であるフォトダイオードで受光する。フォトダイオードは、受光量に対応した電圧の電気信号を出力するので、球体表面検査装置は、出力された電圧を基準の電圧と比較することで反射光の量を把握して、球体表面の欠陥の位置を把握する。
【０００３】
特許文献２に開示された検査装置は、球体物の表面全周の欠陥を検査する装置であって、球体物を回転させる回転機構と、球体物にハロゲン等の白色光源からの照明光を照射する照明機構と、球体物からの反射光を検知する検出機構と、検出機構からの入力信号に基づいて欠陥を判別する判別機構とを有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−３３３１５７号公報
【特許文献２】特開２０００−３３８０５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の球体表面検査装置には、以下に述べる難点が存在することが明らかとなっている。
すなわち、特許文献１の球体表面検査装置では、光量検出手段としてフォトダイオードを用いており、検査対象である球体の表面像を結像する結像手段は示されていない。そのため、特許文献１の球体表面検査装置では、表面の像はもとより表面に存在する疵などの欠陥を映像として確認することは困難である。同文献の［００２７］に示されているような複数のフォトダイオードを連接した光量検出手段を採用したとしても、一次元又は二次元の画像分布として、球体の表面映像を明瞭に検出することはできない。ゆえに、表面の疵の有無は判断できても、疵の２次元的な大きさや２次元的な形状を認識することはできず、その判断結果を基に疵の分析などを行うことは難しい。
【０００６】
また、特許文献１の球体表面検査装置に用いられている光源は、レーザを用いたものとなっている。しかしながら、光源がレーザであると、検査光がコヒーレンスの高い光となり干渉性が高くなるので、疵と判断する必要のない研磨痕によって特定の干渉縞を生じる可能性がある。そのため、研磨痕の形状によっては、光量検出手段で検出される光量減少が、検出したい疵よりも大きい場合があり、誤検出の原因となりかねない。つまり、特許文献１の球体表面検査装置は、検査対象の表面性状の影響を受けやすいことが明らかとなっている。
【０００７】
加えて、特許文献１の球体表面検査装置では、検査対象の表面における検査光の反射割合が大きく、表面皮下の欠陥を光学的検査することができないという難点がある。例えば検査対象の材質がセラミックスの場合は、疵等の欠陥は表面のみに留まらず、表面近傍の内部に存在することが多い。このような表面近傍の内部欠陥の光学的検査に関しては、特許文献１の球体表面検査装置は対応困難であると思われる。
【０００８】
一方、特許文献２の検査装置は、撮像対象をボールベアリング等の球体物とし、撮像手段として１次元ＣＣＤカメラを用い、光源としてハロゲン光を採用している。
この検査装置であれば、特許文献１が有する幾つかの難点を克服可能ではあるが、検査対象物表面に光源から入射する光の角度が検査対象物表面の部分によって異なり、これによって反射特性も異なることとなるため、たとえ均一な正常面であっても撮像光学系によって局所的に強い反射光として検出される場合があり、安定した画像を得ることができない。また、検査対象物の広範囲に亘る高精度な表面検査もできない。
【０００９】
そこで本発明は、上記問題点に鑑み、球面の全部又は一部を表面に有する検査対象物の表面を広範囲に且つ高精度に検査することのできる表面検査装置及び表面検査システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の目的を達成するため、本発明においては以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明に係る表面検査装置は、球面の全部または一部を表面に有する検査対象球の前記球面部分の表面検査を行う表面検査装置であって、平行光を発する第１の光源部と、前記第１の光源部が発した平行光を前記検査対象に向けて集光すると共に、前記集光された光が前記球面部分で反射した反射光を受ける集光レンズと、前記検査対象を撮像する撮像素子と、前記集光レンズを通過した反射光を受けて、球面部分の像を前記撮像素子上に結像する結像レンズと、を具備することを特徴とする。
【００１１】
好ましくは、前記結像レンズが、前記第１の光源部と前記集光レンズとの間に形成される光路の外に配置され、前記集光レンズを通過した前記反射光の進行方向を、前記結像レンズに向かうように変化させる光路変更手段が具備されるとよい。
また、前記結像レンズと撮像素子との間に設けられ、且つ前記結像レンズを通過した光を部分的に遮るアパーチャーが具備されるとよい。
【００１２】
また、前記第１の光源部は、点光源と、この点光源から発せられる光を平行光に変換するコリメータレンズとが具備されるとよい。
さらには、前記検査対象に設けられた孔部に挿入して用いられる第２の光源が具備されるとよい。
本発明に係る表面検査装置は、球面の全部または一部を表面に有すると共に、中心部に向かう孔部を備えた検査対象の前記球面部分の表面検査を行う表面検査装置であって、前記検査対象の孔部に挿入して用いられる光源と、前記光源から検査対象の球面部分を通過し外部へと発せられた光を撮像する撮像手段と、を具備することを特徴とする。
【００１３】
好ましくは、前記撮像手段は、前記光源から検査対象の表面部分を通過し外部へと発せられた光を受ける集光レンズと、前記検査対象を撮像する撮像素子と、前記集光レンズを通過した光を受けて、球面部分の像を前記撮像素子上に結像する結像レンズと、を具備するとよい。
好ましくは、前記検査対象は、骨頭ボールであればよい。
【００１４】
本発明に係る表面検査システムは、上記表面検査装置と、球面の全部または一部を表面に有する検査対象を所定の位置に支持する支持軸と、前記検査対象が前記球面の曲率中心を回転中心として回転するように前記支持軸を回転させる回転手段、及び／又は、前記検査対象の位置と前記表面検査装置の位置とを相対的に移動させる移動手段と、を具備することを特徴とする。
【００１５】
好ましくは、前記移動手段は、前記検査対象の回転方向を経度方向としたときに、緯度方向を向く軌道上で前記表面検査装置を移動させるよう構成されていればよい。
また、前記検査対象は、中心部に向かう孔部を備えた骨頭ボールであって、前記孔部に前記支持軸が挿入されていればよい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る表面検査装置及び表面検査システムによれば、球面の全部又は一部を表面に有する検査対象物の表面を広範囲に且つ高精度に検査することが可能となる。特に、本発明の表面検査装置及び表面検査システムは、合金製もしくはセラミックス製の人工股関節用の骨頭ボール、骨頭ボールが嵌り込む人工股関節用カップの表面及び内部の検査に好適なものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施形態による表面検査装置及び検査対象球を示す図である。
【図２】球面の状態によって異なる、反射光の進行方向及び強度を概念的に示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態による表面検査装置及び検査対象半球を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態による表面検査システム及び検査対象球を示す図である。
【図５】本発明の第３実施形態による表面検査装置及び検査対象球を示す図である。
【図６】本発明の第３実施形態による表面検査装置の変形例及び検査対象球を示す図である。
【図７】本発明の第３実施形態による他の表面検査装置及び検査対象球を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。
［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態による表面検査装置１及び検査対象球２を示している。検査対象球２として、本実施形態の場合、人体に用いられる人工股関節の構成要素である「骨頭ボール」を用いている。骨頭ボールは、合金製、セラミック製のものがあり、略球体を呈している。
【００１９】
図１に示すように、表面検査装置１は、第１の光源部である光源部１１、集光レンズ１２、ハーフミラー１３、結像レンズ１４、撮像素子１５、アパーチャー１６、画像処理装置１７、及びモニタ２０を有する。また、表面検査装置１は、検査対象球２の表面に光を照射し、その反射光を受けることで検査対象球２の表面を撮像し、撮像された検査対象球２の画像に対して画像処理を行うことで、検査対象球２の表面や表面直下（表面近傍内部）に存在する疵や欠陥を検出するものである。
【００２０】
以下、表面検査装置１の詳細について説明する。
表面検査装置１に備えられた光源部１１は、点光源であり白色光を発するＬＥＤ光源１１１と、ＬＥＤ光源１１１が発した光を平行光に変換するコリメータレンズ１１２とを含んでいる。コリメータレンズ１１２は、焦点に配置された点光源が発した放射光を平行光に変換する機能を有するように収差補正されたレンズであり、一般的には凸レンズ、又は組合せによって凸レンズとして作用するレンズ群で構成されている。
【００２１】
ＬＥＤ光源１１１は、コリメータレンズ１１２の焦点に配置されている。なお、点光源としては、可干渉性の低い光を発するものが望ましいので、単色光を発するレーザ光源ではないのが好ましく、本実施形態のような白色ＬＥＤがよい。白色ＬＥＤ以外の光源としては、例えばハロゲンランプ光源が適している。このような光源を用いれば、検査対象球２表面での反射光に干渉縞が生じることはない。
【００２２】
集光レンズ１２は、光源部１１が発した平行光を自身の焦点に集光するものであって、一般的には凸レンズ、又は組合せによって凸レンズとして作用するレンズ群で構成されている。集光レンズ１２は、集光レンズ１２の光軸がコリメータレンズ１１２の光軸に基本的には一致するように配置されている。
ハーフミラー１３は、光源部１１と集光レンズ１２との間に配置される光路変更手段であって、光源部１１からの平行光を透過させ、集光レンズ１２からの光を所定の方向（図１の場合は、右側９０°）に向かって反射させるものである。通常、白色光に対しては、金属膜を用いたハーフミラーが用いられるが、レーザ光に対しては、誘電体多層膜を用いたハーフミラーが用いられる。
【００２３】
結像レンズ１４は、ハーフミラー１３で反射した集光レンズ１２からの光を受け、次に説明する撮像素子１５上に像を結ぶものである。結像レンズ１４は、集光レンズ１２と同様に一般的には凸レンズ、又は組合せによって凸レンズとして作用するレンズ群で構成されている。結像レンズ１４は、集光レンズ１２の光軸を通ってハーフミラー１３で反射した光が、結像レンズ１４の光軸を通るような位置に基本的には配置されている。
【００２４】
撮像素子１５は、例えば２次元のＣＣＤ素子から構成され、素子表面で受けた光を電気信号に変換し出力するものである。検査対象球２をカラー画像として撮像したいのであれば、撮像素子１５としてカラーＣＣＤ素子を採用するとよい。
アパーチャー１６は、光が通過する開口を有している。アパーチャー１６は、結像レンズ１４と撮像素子１５との間に配置される。アパーチャー１６は、開口の大きさを適宜変更して、結像レンズ１４から撮像素子１５に向かう光の量を調整するとともに、結像に用いる反射光の角度を調整する。
【００２５】
画像処理装置１７は、撮像素子１５が出力した信号を受け取り、信号を基に画像の状態を判断して、判断結果に応じた様々な処理を実行する。画像処理装置１７は、撮像画像を取り込むためのフレームメモリを有すると共に、取り込んだ画像に対して画像処理を行うための処理部（ＣＰＵ）を有している。画像処理装置１７は、パソコンやＤＳＰなどで構成されたハードウエアで構成されており、この画像処理装置１７の処理部（ＣＰＵ）で動作する画像処理アルゴリズムは、既存のものが採用可能である。例えば、撮像画像を２値化した上で低輝度領域を抽出することで表面の割れを検知したり、撮像画像を２値化した上でパターンマッチングを行うことで、表面の疵を検知するようにしてもよい。
【００２６】
また、画像処理装置１７には、モニタ２０が接続されており、撮像素子１５が出力した信号や画像処理結果がモニタに表示可能となっている。モニタ２０には、例えばＣＲＴや液晶などの、一般的なディスプレイを用いる。
以下に、このように構成された表面検査装置１の動作を説明する。
図１に示すように、検査対象球２は、中心の位置が集光レンズ１２の焦点位置と一致するように配置される。その後、光源部１１が発光すると、光源部１１を出た平行光はハーフミラー１３を透過し、集光レンズ１２に入射する。
【００２７】
集光レンズ１２に入射した平行光は、収束されて検査対象球２の表面に照射される。このとき、集光レンズの焦点と検査対象球２の中心とが一致しているので、集光レンズ１２からの収束光は、検査対象球２表面の任意の位置に対して垂直に入射する。検査対象球２表面の任意の位置に垂直に入射した光は、当該任意の位置に対して垂直に反射し、集光レンズ１２に入射する。
【００２８】
集光レンズ１２に入射した反射光は、平行光となって集光レンズ１２を通過して、ハーフミラー１３に入射し、入射した光の一部が結像レンズ１４に向かって反射する。ハーフミラー１３で反射した光は、結像レンズ１４に入射して通過する。結像レンズ１４を通過した光のうちアパーチャー１６を通過した光は、撮像素子１５上で結像する。
ここで、集光レンズ１２の焦点と検査対象球２の中心とが厳密に一致している場合は、集光レンズ１２に入射した反射光は、ほぼ完全に平行光となって、集光レンズ１２を通過する。しかし、アパーチャー１６がある大きさを持つために、反射光は完全な平行光でなくてもアパーチャー１６を通過することができ、撮像素子１５上での結像に寄与することができる。
【００２９】
したがって、集光レンズ１２の焦点と検査対象球２の中心とは、厳密に一致している必要はない。一致の許容の程度は、アパーチャー１６の大きさや、コリメータレンズ１１２によって変換された平行光の平行度などに影響をうける。
コリメータレンズ１１２によって変換された平行光の平行度が良くない場合は、光源からの光に平行光でない成分も多く含まれているため、集光レンズ１２の焦点と検査対象球２の中心とが厳密に一致していなくても、検査対象球２の表面の任意の位置に対して垂直に入射する成分が存在する場合がある。この場合は、集光レンズ１２の焦点と検査対象球２の中心との一致が要求される厳密性は小さくなる。
【００３０】
また、アパーチャー１６が大きくなると、反射光に要求される平行光の平行度が小さくなるため、この場合も、集光レンズ１２の焦点と検査対象球２の中心との一致が要求される厳密性は小さくなる。
本実施形態においては、検査対象球２の中心と集光レンズ１２の焦点とが、検査対象球２の表面の任意の位置に対して垂直に入射する成分が存在するような位置関係にあれば、検査対象球２の中心と集光レンズ１２の焦点とが一致しているとみなす。
【００３１】
撮像素子１５は、入射光を電気信号に変換し、その信号を画像処理装置１７に出力する。画像処理装置１７は、撮像素子１５が出力した信号を受信し、検査対象球２の表面の欠陥の有無などについての判断を、この信号に基づいて実行する。また、画像処理装置１７は、受信した信号を用いて検査対象球２の表面の画像に対する画像処理を行い、その結果をモニタ２０に表示する。
【００３２】
次に、図２を参照しながら、本発明に係る表面検査装置１の光学系における、検査対象球２の表面の状態と表面からの反射光の特性との関係を説明する。
図２は、検査対象球２の表面への入射光とこの表面からの反射光との進行方向及び強度を概念的に示す図である。図中、矢印の向きは入射光及び反射光の進行方向を示しており、入射光及び反射光の光量は矢印線の太さに比例している。
【００３３】
図２（ａ）は、検査対象球２の表面が欠陥のない正常面である場合を示している。検査対象球２の表面が正常面である場合は、入射光の進行方向と反射光の進行方向が正反対である。例えば正常面の反射率を１とした場合は、それぞれの光量はほぼ同じである。この反射光は、集光レンズ１２、結合レンズ１４、及びアパーチャー１６を順に通過すると、撮像素子１５の表面に照射される。このとき、検査対象球２の表面と撮像素子表面との間には、結像レンズによる結像関係があるので、検査対象球２の表面の像が、撮像素子１５の表面に結像する。
【００３４】
図２（ｂ）は、検査対象球２の表面に凹状の疵が存在する場合を示している。例えば、検査対象球２である骨頭ボールは、チタン合金製などの場合、鋳造にて製造される。そのため、製造工程において、内部に空隙が不可避的に存在することがあり、この空隙が表面研磨の過程で検査対象球２表面に出てくるとボイド状の疵となる。このようにしてできるボイド疵は、図２（ｂ）に示すような深さが浅く幅が広い疵である。このような検査対象球２表面の凹状のボイド疵に入射した光の反射光は、疵表面の向きに依存して入射方向の正反対の方向には向かわないため、反射光の多くがアパーチャー１６を通過することはできず、撮像素子１５に入射することはない。したがって、結像した画像のうちで疵に相当する部分は暗くなり、撮像画像が黒く観察される。
【００３５】
図２（ｃ）は、検査対象球２の表面の反射率が低い場合を示している。検査対象球２の表面に異物等が混入している場合や、表面の粗度が高い場合等では、検査対象球２表面からの反射光の光量は小さくなる。この反射光は、アパーチャー１６を通過できるが、その光量は正常面での反射光量と比べて小さい。このため、結像した画像のうちで、異物などが混入している、又は粗度が高くなっている部分は暗くなり、撮像画像が黒く観察される。
【００３６】
従来の検査装置（例えば、ビデオカメラを用いた表面画像の撮像）によっても、図２（ｃ）のような疵の検出が可能な場合はあるが、図２（ｂ）のように正常面と反射率がほとんど変わらず面の傾きだけがわずかに異なるボイド疵のような疵の検出は困難であった。しかしながら、本実施形態の表面検査装置１によれば、骨頭ボールのような検査対象球２の表面に存在する疵や欠陥を確実に可視化でき、検査対象球２表面に存在する疵や異物等をモニタを通じて目視、又は画像処理手法を用いて顕在化することができるようになるため、検査対象球２の表面を確実に検査することができるようになる。検査対象球２を回転させるか、表面検査装置１を移動させれば、検査対象球２の球面全体を検査することができる。
【００３７】
また、光源からの光は検査対象球表面に垂直に入射し、ほぼ垂直な反射光を検出するため、正常面においては常に安定した反射光が得られ、表面上の部位による輝度の変動が少ない（このことは、特許文献２に対する有利な効果である）。さらに、球面の広い範囲にわたって合焦した画像が得られる。
次に、図３を参照しながら、第１実施形態の変形例を説明する。本変形例では、検査対象球２の代わりに検査対象半球３を用いている。他の点、例えば光学系に関しては、図１と何ら変わる点はない。
【００３８】
図３に示すように、検査対象半球３は、例えば人工股関節の骨盤側のカップであって、前述した検査対象球２（骨頭ボール）が嵌り込むものである。検査対象半球３は、半球状であるとともに、内側に凹状の半球面を有している。
この凹状半球面の曲率中心が集光レンズ１２の焦点と一致するように検査対象半球３を配置する。その上で前述の通りに表面検査装置１を動作させると、半球面に垂直に入射した光が半球面から垂直に反射して、結像レンズ１４によって、凹状半球面の像が撮像素子１５に結像する。
【００３９】
なお、検査対象球２を用いる第１実施形態の場合と同様に、凹状半球面の曲率中心と集光レンズ１２の焦点とは、必ずしも厳密に一致する必要はない。本変形例においては、凹状半球面の曲率中心と集光レンズ１２の焦点とが、凹状半球面の表面の任意の位置に対して垂直に入射する成分が存在するような位置関係にあれば、凹状半球面の曲率中心と集光レンズ１２の焦点とが一致しているとみなす。
【００４０】
この凹状半球面に、図２（ｂ）及び（ｃ）で説明したような疵や欠陥があったとしても、それら疵や欠陥をモニタを通じて目視、又は画像処理手法を用いて顕在化することができるため、検査対象半球３の表面を確実に検査できるようになる。
［第２実施形態］
次に、本発明に係る表面検査システムを第２実施形態として述べる。
【００４１】
本実施形態の表面検査システム４は、第１実施形態で説明した表面検査装置１を有している。表面検査システム４はさらに、検査対象球５を所定の位置に支持する検査対象支持軸６と、検査対象球５が球面の曲率中心を回転中心として回転するように支持軸を回転させる回転手段、及び／又は、表面検査装置１の位置と検査対象球５の位置とを検査対象球５の曲率中心を中心に持つ軌道上で相対的に移動させる移動手段と、を具備している。
【００４２】
図４は、本実施形態による表面検査システム４及び検査対象球５を示している。
この図に示されているように、表面検査装置１は画像処理装置１７以外の構成要素がセンサヘッド１８としてユニット化されており、図中の１２が集光レンズである。表面検査装置１には、第１実施形態で示した光学系と略同様の構成が内蔵されている。
検査対象球５は、この集光レンズ１２の直前に配置される。検査対象球５としては、本実施形態の場合、人工股関節の骨頭ボールであり、特に表面から中心に向かう略円筒状の孔部を有するものである。この孔部は、人工股関節を構成するステムが嵌り込むためのもの(ステム嵌合孔２１)であり、ステムと骨頭ボールが嵌り込むことで、人工股関節の大腿部側の部材が形成される。
【００４３】
検査対象支持軸６は、例えば図に示すような直線状の柱状の部材であって、検査対象球５の孔部に挿入されて接合することで、検査対象球５を支持するものである。検査対象支持軸６は、検査対象球５の中心が常にセンサヘッド１８の集光レンズ１２の焦点と一致するように、検査対象球５を支持する。
さらに、本実施形態の表面検査システム４は、前述したセンサヘッド１８を、電気的、機械的な動力手段によって、又は手動の操作によって、検査対象球５の周りで相対的に移動させる図示しない移動手段と、検査対象支持軸６を回転させる図示しない回転手段を有している。
【００４４】
回転手段は、まず、検査対象支持軸６を図中矢印で示す方向（以下、地球上の位置の座標に例えて経度方向という）に回転させる。これによって、検査対象球５は自身の中心を通る軸を回転軸として経度方向に回転する。
また、移動手段は、集光レンズ１２の焦点を中心とする軌道上で、センサヘッド１８を相対的に移動させる。詳しくは、移動手段は、検査対象球５の緯度方向を向き、検査対象球５のほぼ全周を取り囲むように配備されたガイドレール１９を有している。移動手段は、このガイドレール１９に沿ってセンサヘッド１８を移動させるように構成されている。
【００４５】
また、検査対象球５とセンサヘッド１８の相対的位置関係を変えるために、センサヘッド１８を固定して、検査対象球５を移動させてもよい。
このような構成を有する回転手段及び移動手段を、表面検査装置１の撮像タイミングに合わせて動作させる。例えば、連続的に撮像しながら検査対象球５を経度方向に３６０°回転させた後、いったん撮像をやめ、所定角度（例えば５°）だけセンサヘッド１８を緯度方向に移動させて、再度、撮像しながら検査対象球５を経度方向に３６０°回転させる。このようなセンサヘッド１８の移動を、北極に相当する位置から南極に相当する位置（０°〜１８０°）まで行うことで、検査対象球５のほぼ全表面を容易且つ確実に検査することができる。
【００４６】
ここでは、回転手段が検査対象支持軸６を経度方向に回転させ、移動手段がセンサヘッド１８を緯度方向に移動させる場合を説明したが、これら回転及び移動方向は任意に決定することができる。つまり、検査対象球５の中心とセンサヘッド１８の集光レンズ１２の焦点とが一致していれば、回転手段は、緯度方向及び経度方向に関係なく、検査対象球５をいかなる方向に回転させてもよいし、移動手段は、センサヘッド１８を相対的にいかなる方向に移動させてもよい。
［第３実施形態］
図５は、本発明の第３実施形態による表面検査装置７を示している。
【００４７】
表面検査装置７は、第１実施形態の表面検査装置１と同様の、平行光を発する光源部１１と、光源部１１が発した平行光を集光し、かつ検査対象球５に照射する集光レンズ１２と、検査対象球５の表面で反射して集光レンズ１２を透過した反射光の光路を変更するハーフミラー１３と、検査対象球５を撮像する撮像素子１５と、ハーフミラー１３からの反射光を受けて、撮像素子１５に検査対象球５の像を結像する結像レンズ１４と、結像レンズ１４と撮像素子１５の間で結像レンズ１４を通過した光を部分的に遮るアパーチャー１６とを有する光学系、及び画像処理装置１７に加え、第２の光源部である光源部８を有している。
【００４８】
検査対象球５は、第２実施形態で説明したように、例えば人工股関節の骨頭ボールであり、ステムを取り付けるための孔部(ステム嵌合孔２１)が表面から中心に向かって設けられている。本実施形態では、内部から外部に向かって光を透過可能な検査対象球５を想定しており、検査対象球５は、例えばセラミックス製である。
光源部８は、検査対象球５の孔部に挿入される点光源であり、光源部８を制御する制御部９に接続されている。光源部８には、点光源のＬＥＤ、ハロゲンランプ、又はファイバ導光光源などを用いることができる。
【００４９】
上述のような構成の表面検査装置７に対して、検査対象球５は、中心の位置が集光レンズ１２の焦点位置と一致するように配置される。検査対象球５が配置されると、検査対象球５のステム嵌合孔２１に光源部８の点光源が挿入される。
なお、表面検査装置１を用いる第１実施形態及び第２実施形態の場合と同様に、検査対象球５の中心と集光レンズ１２の焦点とは、必ずしも厳密に一致する必要はない。本実施形態においては、検査対象球５の中心と集光レンズ１２の焦点とが、検査対象球５の表面の任意の位置に対して垂直に入射する成分が存在するような位置関係にあれば、検査対象球５の中心と集光レンズ１２の焦点とが一致しているとみなす。
【００５０】
次に、本実施形態による表面検査装置７の動作を説明する。
上述のように表面検査装置７と検査対象球５を配置した後に光源部８を発光させると、光源部８が発した光の一部は、検査対象球５の内部を透過して検査対象球５の球面から外部に出る。球面から出た光のうち集光レンズ１２に入射した光は、第１実施形態で説明した表面検査装置１と同様の経路で撮像素子１５に入射し、像として結ばれる。
【００５１】
このように検査対象球５の内部を透過する光は、検査対象球５内部（特に表面近傍の内部）の異物混入部やクラックなどの欠陥を透過できなかったり、それら欠陥によって散乱したりする。画像処理装置１７において、それら欠陥が存在する部分の画像は欠陥のない正常部の画像とは異なるので、検査対象球５内部を透過する光を検査対象球５の表面で観察するだけで、内部（特に、表面直下）に存在する欠陥を検査することができる。検査対象球５表面の汚れ及び付着物なども光速の透過率を低下させるので、内部の欠陥と同時にそれら汚れや付着物も検出できる。
【００５２】
ここで光源部８と同時に又は交互に光源部１１を発光させ、それぞれの画像を得ることで、上述の内部の欠陥と共に第１実施形態で観察した検査対象球５の表面の欠陥を検査することができる。
図６（ａ）を参照しながら、第３実施形態の変形例１を説明する。
上述の第３実施形態において、特に、表面近傍内部に存在する欠陥を検出したい場合、図６（ａ）に示すような、表面検査装置２２を用いてもよい。図６（ａ）の表面検査装置２２は、図５に示す第３実施形態の表面検査装置７から、光源部１１だけを除いた構成を有しており、他の構成要素は表面検査装置７のものと同一である。
【００５３】
なお、変形例１の構成は、表面検査装置７と共通の光学系を用いることができるので、表面検査装置７の構成から容易に実現することができる。また、光源部１１を着脱可能な構成にしておけば、表面検査装置７の構成と本変形例の構成とを容易に切り替えることができる。また、第１実施形態において、光源を無点灯状態とすることでも本変形例の構成は実現可能である。
【００５４】
本変形例においては、光源部８が発して検査対象球５の内部を透過した光のうち、球面に対してほぼ垂直な方向に向かう透過光のみを検出するため、正常面においては常に安定した透過光が得られ、表面上の部位による輝度の変動が少ない。さらに、球面の広い範囲にわたって合焦した画像が得られる。
次に、図６（ｂ）を参照しながら、第３実施形態の変形例２を説明する。
【００５５】
変形例１のように、第３実施形態の表面検査装置７と共通の光学系を用いる必要がなければ、図６（ｂ）のように、ハーフミラー１３を含まない構成の表面検査装置２３を用いてもよい。この表面検査装２３は、図６（ａ）の表面検査装置２２からハーフミラー１３を除いて、集光レンズ１２と結像レンズ１４のそれぞれの光軸を一致させた構成となっている。本構成によれば、ハーフミラーを用いない分容易かつ安価に表面検査装置を実現することができる。
【００５６】
この変形例２も変形例１と同様に、球面の広い範囲にわたって合焦することができ、任意の球面部分を同等の明るさで撮像することができる。
なお、図６（ａ）又は図６（ｂ）においても、表面検査装置７の場合と同様に、検査対象球５の中心と集光レンズ１２の焦点とは、必ずしも厳密に一致する必要はない。
アパーチャー１６はある大きさを持つために、透過光は完全な平行光でなくてもアパーチャー１６を通過することができ、撮像素子１５上での結像に寄与することができる。
【００５７】
したがって、集光レンズ１２の焦点と検査対象球２の中心とは、厳密に一致している必要はない。一致の許容の程度は、アパーチャー１６の大きさなどに影響をうける。例えば、アパーチャー１６が大きくなると、透過光に要求される平行光の平行度が小さくなるため、集光レンズ１２の焦点と検査対象球２の中心との一致が要求される厳密性は小さくなる。
【００５８】
本実施形態の変形例１及び２においては、検査対象球５の中心と集光レンズ１２の焦点とが、検査対象球５の表面の任意の位置に対して垂直に透過する成分が存在するような位置関係にあれば、検査対象球５の中心と集光レンズ１２の焦点とが一致しているとみなす。
図７を参照しながら、第３実施形態の変形例３を説明する。
【００５９】
上述の第３実施形態では、第１実施形態の表面検査装置１と光源部８とで表面検査装置７を構成したが、表面検査装置１に相当する部分を、図７に示すように、結像レンズ１４、撮像素子１５、及び画像処理装置１７だけの構成、すなわち、ビデオカメラ等の一般的な撮像手段に置き換えてもよい。検査対象球５と結像レンズ１４の距離を調整してピントを合わせれば、このような構成でも、検査対象球５の内部の欠陥と、表面の汚れ及び付着物を検査することができ、簡易な構成で且つ安価な表面検査装置を提供することができる。
【００６０】
以上の第３実施形態及び第３実施形態の変形例１〜３では、光源をステム嵌合孔２１から検査対象球５の内部に挿入しているが、検査対象球５の表面の任意の位置から検査対象球５の内部を照射する光源を用いてもかまわない。ステム嵌合孔２１のないセラミック製球体の場合、表面の任意の位置から内部を照射し、球体中心をはさんで照射位置のほぼ反対側で球体内部を透過した光を受ければよい。
【００６１】
ところで、今回開示された各実施形態はそれぞれの変形例も含めて全ての点で例示であって、これら例示によって本発明を限定するものではない。本発明の範囲は上記の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
例えば、検査対象球２及び５として骨頭ボールを例示したが、球状の検査対象物であれば、検査対象球２及び５として採用可能である。上記実施形態の表面検査装置１であれば、検査対象物の検査面を均一な輝度で撮像可能であるため、ベアリング等の鋼球ボールの表面検査も可能である。
【００６２】
また、上記実施形態では、検査対象球２及び５並びに検査対象半球３を合金製又はセラミックス製としたが、ポリエチレンなどの高分子材料であってもよい。
また、光源部１１として白色光を発するＬＥＤやハロゲンランプを開示したが、可干渉性の低い可視光線を発する光源であれば、ＬＥＤやハロゲンランプに限らず光源部１１に用いることができる。
【００６３】
また、光路変更手段としてハーフミラーを用いたが、同等の機能を有するものであれば、ハーフミラーでなくともよい。
【符号の説明】
【００６４】
１    表面検査装置
２    検査対象球
３    検査対象半球
４    表面検査システム
５    検査対象球
６    検査対象支持軸
７    表面検査装置
８    光源部
９    制御部
１１  光源部
１２  集光レンズ
１３  ハーフミラー
１４  結像レンズ
１５  撮像素子
１６  アパーチャー
１７  画像処理装置
１８  センサヘッド
１９  ガイドレール
２０  モニタ
２１  ステム嵌合孔
２２  表面検査装置
２３  表面検査装置
１１１  ＬＥＤ光源
１１２  コリメータレンズ
【図２】
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【図１】
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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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