JPH07104287B2 - 曲面を有する透明物体の微小欠点検査方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、曲面を有する透明物体
に微小欠点が存在するか否かを検査する、透明物体の微
小欠点検査方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】大量生産のために、研磨によらずに型に
よるプレス成形のみで目的の光学ガラスレンズを作る場
合、その成形過程で不純物混入や熱歪みなどによる微小
の欠点（例えば大きさが５μｍ〜１００μｍ程度）が表
面に生ずることがあるが、このような微小欠点は肉眼で
は識別できない。従来、その検査は顕微鏡による目視観
察で行われているが、大量生産された光学ガラスレンズ
の全てについて目視検査を行うことは生産性から見て間
尺に合わないため、抜取検査とならざるを得ない。しか
し、これは品質管理上好ましいことではない。

【０００３】そこで、自動検査を図るため、半導体の異
物検査で行われているようなレーザ光走査による検査方
法が考えられるが、光学ガラスレンズの場合、それ自体
のレンズ作用及び表面が曲面になっているため、レーザ
光走査による方法では困難である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、光学
ガラスレンズのようなレンズ効果をもった曲面を有する
透明物体の微小欠点を、簡単な手法で精度良くしかも広
い面積について効率良く自動検査できるようにすること
にある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明による方法では、
図１に示すように、レンズ効果を有する検査対象の透明
物体３の曲面３ａの近傍に、その曲率とほぼ同じ曲率で
同等のレンズ効果を有する焦点補正レンズ６を設置し、
その反対側から透明物体３に拡散光を照射し、透明物体
３のレンズ効果を受けて透過した光を、透明物体３の近
傍で更に焦点補正レンズ６により同様のレンズ効果をも
って透過させ、その透過光を拡大光学系８で拡大して固
体撮像素子カメラ７で受光し、その画素出力をデジタル
処理して暗部を検出することにより微小欠点の有無を検
査する。

【０００６】検査対象が光学ガラスレンズである場合に
は、欠点のないそれと同様の光学ガラスレンズを焦点補
正レンズとして使用すれば良い。

【０００７】固体撮像素子カメラ７からの画素出力の２
値化に当たっては、その閾値を曲面の曲率に応じて画素
ごとに変える。その曲率は、画素出力の走査方向に並ぶ
画素群の階調差から求めることができる。

【０００８】

【作用】検査対象の透明物体の表面は曲面であるため、
その表面を固体撮像素子カメラでそのまま撮像した場
合、表面の中央部と周辺部では固体撮像素子カメラの受
光部中心までの距離が異なるため、曲面の中央部にカメ
ラの焦点を合わせると周辺部がぼける。従って、一度に
検査できる範囲は固体撮像素子カメラの被写界深度によ
り自ずと制限され、固体撮像素子カメラの被写界深度に
のみ依存した撮像では、微小欠点を検出しようとする
と、１個の透明物体の曲面の検査領域を分割してその部
分ごとに焦点調整しながら検査を繰り返さなければなら
ず、非常に能率が悪い。

【０００９】そこで、本発明では、検査対象の透明物体
のレンズ効果を受けて透過した光を、この透明物体の近
傍で更に焦点補正レンズにより同様のレンズ効果をもっ
て透過させる。ここで、焦点補正レンズを検査対象の透
明物体の曲面の近傍に設置するのは、透明物体からの透
過光がレンズ効果により屈折して方向を大きく変える前
に、焦点補正レンズに当てて透明物体からの透過光の全
てを焦点補正レンズに透過させることで、焦点補正を確
実に行うためである。また、焦点補正レンズとして、透
明物体の曲率とほぼ同じ曲率で同等のレンズ効果を有す
るレンズを使用するのは、焦点補正を効果的に行うため
である。すなわち、今、検査対象の透明物体が図１に示
すように光学ガラスレンズ（凸レンズ）３で、焦点補正
レンズ６もこれと同じ光学ガラスレンズ（但し、欠点は
無い）であるとする。固体撮像素子カメラ７の焦点は光
学ガラスレンズ３の曲面の中央に合わせるので、焦点補
正を実際に必要とする部分は光学ガラスレンズ３の曲面
の周辺部である。また、光学上、レンズを透過する光の
速度はレンズの屈折率に反比例し、同じレンズを透過し
た光でもカメラの撮像面に到達する速度の違いから、カ
メラの撮像面上において焦点が合ったところと合わない
ところとが生ずる。光学ガラスレンズ３の中央部を透過
した光は、光学ガラスレンズ３の近傍に設置された焦点
補正レンズ６においても、その中央部を屈折少なく透過
するので、焦点補正レンズ６を設置しても、中央部の透
過光については、カメラの撮像面上における焦点にほと
んど影響はない。しかし、光学ガラスレンズ３の周辺部
を透過した光が焦点補正レンズ６を透過するときは、光
学ガラスレンズ３を透過したときよりも中央部側へ寄っ
たところを、より大きく屈折するので、光の速度が遅く
なる度合いが大きく、中央部からの透過光との光の速度
の差が縮まる。このことにより、カメラの撮像面上にお
いて光学ガラスレンズ３の曲面の周辺部に対する焦点か
補正される。この場合、焦点補正レンズ６は光学ガラス
レンズ３と同じものであるため、焦点補正を平均に行う
ことができる。そして、このように焦点補正した像を拡
大してから固体撮像素子カメラで画素分割して撮像す
る。

【００１０】検査対象の透明物体が曲面を有するため、
該曲面を固体撮像素子カメラで撮影した場合、その像が
曲面の曲率に応じたシェーディングを生ずる。つまり、
固体撮像素子カメラの光軸を曲面の中心に合わせた場
合、曲面が凸面であると中央部から周辺部に行くに従い
輝度が低くなる。その補償、つまりシェーディング補正
を光学的に行うことが考えられるが、光学系が複雑にな
るため、本発明では、固体撮像素子カメラの画素出力の
２値化閾値を、曲面の曲率に応じて画素ごとに変えると
いう画像処理によってシェーディング補正を行う。

【００１１】２値化処理前の画素出力は、曲面の位置の
違いによりその曲率に応じた階調差を示すので、その階
調差を比較することで、撮像された曲面の曲率を求める
ことができる。そして、その求めた曲率に従って２値化
閾値を調整する変動２値化方式を採れば、すなわち２値
化を行う良否判定レベルを固定するのではなく、シェー
ディング特性に沿うように変化させれば、透明物体の位
置ズレなどに影響されない欠点検査ができる。

【００１２】

【実施例】次に、本発明の一実施例について説明する。
図１に本発明による方法を実施する装置の概要を示す。
この装置は検出・ハンドリング装置１と検査処理装置２
とに大別される。検出・ハンドリング装置１は、検査対
象の透明物体、例えばプレス成形された光学ガラスレン
ズ（凸レンズ）３を所定の検査位置にセットし、その検
査位置の下方より拡散光源４から拡散光を光学ガラスレ
ンズ３に照射する。この拡散光源４としては、例えば、
安定化電源５により高周波点灯する蛍光灯からの光を拡
散板で拡散する構造のものを使用する。

【００１３】検査対象の光学ガラスレンズ３を透過した
光は、その上方の近傍に配置された焦点補正レンズ６を
透過し、更にその上方の拡大鏡付きＣＣＤカメラ７の拡
大鏡（例えばズーム顕微鏡）８を通してＣＣＤカメラ７
の二次元イメージセンサに入光する。すなわち、光学ガ
ラスレンズ３の被検査面である曲面（上面）３a を、焦
点補正レンズ６で焦点補正しかつ拡大鏡８で所望の倍率
に拡大してから、ＣＣＤカメラ７で撮像する。焦点補正
レンズ６には、検査対象の光学ガラスレンズ３と同じ光
学ガラスレンズのうちから欠点の無いものを選んで使用
すれば、専用のレンズを用意しなくともすむ。

【００１４】検査処理装置２は、入力・演算・制御手段
であるパーソナルコンピュータ２aと画像処理回路９と
信号入出力回路１０とモニタ切替器１１とで構成され
る。この検査処理装置２は、検出・ハンドリング装置１
から信号入出力回路１０へ入力される検査タイミング信
号に従って検査を行い、その検査の結果、欠点有りと判
定した場合には、信号入出力回路１０から検出・ハンド
リング装置１へ排除信号を出力する。ＣＣＤカメラ７の
二次元イメージセンサからの画素出力は、検出・ハンド
リング装置１から信号入出力回路１０へ入力される画像
取込タイミング信号に従い画像処理回路９へ取り込ま
れ、後述のように画像処理される。また、モニタ切替器
１１を切り替えることで、画像処理しないＣＣＤカメラ
７の撮影像をパーソナルコンピュータ２a のＣＲＴ１２
に画面表示できるようにもなっている。なお、本例では
操作性などの面からパーソナルコンピュータを使用した
が、入力・演算・制御を他の手段で行っても良いこと勿
論である。

【００１５】検査対象である光学ガラスレンズ３が凸レ
ンズで、その被検査面３a が図２に示すように球面であ
る場合、この球面をＣＣＤカメラ７で直接撮像すると、
この球面上の欠点の検査可能範囲φ1 は該カメラ７自体
の被写界深度Ｄ１によって決まってしまう。今、検査目
標範囲を検査可能範囲φ1 より広いφ2 （φ1 ＞φ2）
とした場合、この検査目標範囲φ2 内の欠点を一度に検
査しようとすると、ＣＣＤカメラ７自体の被写界深度Ｄ
１に依存したのでは、φ1 からφ2 の間の部分がぼけて
しまい、この範囲の欠点を検出できない。

【００１６】ところが、本発明では、光学ガラスレンズ
３の被検査面３a の近傍に焦点補正レンズ６を設置して
焦点補正しているため、これよって被写界深度をＤ１か
らＤ２へ拡げることができるので、検査目標範囲φ2 内
の欠点を一度に検査することが可能となる。

【００１７】図３は、焦点補正レンズ６を使用した場合
と、使用しない場合との被写界深度の差を実験により調
べた測定結果のグラフである。この実験では、検査対象
の光学ガラスレンズ３として、直径が約１２ｍｍ、厚さ
が約６．７ｍｍ、両面が曲率の異なる球面で、その一方
の球面に５０μｍほどの異物が付いたプレス成形ガラス
レンズをサンプルとし、またこれと同じように成形した
欠点の無いプレス成形ガラスレンズをもって焦点補正レ
ンズ６とした。そして、拡大鏡付ＣＣＤカメラ７の位置
を被検査面３a に向かって０．５ｍｍずつ移動させなが
ら、被検査面３a におけるＳ／Ｎ比を調べた。その結
果、焦点補正レンズ６が無い場合には、Ｓ／Ｎ比が１．
５以下となるＣＣＤカメラ７の移動距離は約１．５ｍｍ
であったのに対し、焦点補正レンズ６が有る場合には、
Ｓ／Ｎ比が１．５以下となるＣＣＤカメラ７の移動距離
は約３ｍｍと倍増した。

【００１８】図４は、上記サンプルと同様の光学ガラス
レンズ３の一方の球面を、倍率２５倍に設定した拡大鏡
８を通してＣＣＤカメラ７で撮像してＣＲＴ１２上に映
し出した図で、矢印で示す点が約２５μｍほどの大きさ
の欠点を示す。この欠点を図５に示すように横切る線に
沿って、ＣＣＤカメラ７の二次元イメージセンサからの
画素出力を走査し、その輝度分布を計測したところ図６
の如くであった。この図から分かるように、欠点部分は
暗部となって輝度階調値が急激に低下し、また光学ガラ
スレンズ３の曲面（凸面）３a の中央部から周辺部へ行
くに従い曲面の曲率に応じて輝度階調値が低下（シェー
ディング）している。図７は欠点を中心としてその周辺
部分の輝度分布を拡大したものである。

【００１９】そこで、本発明では、取り込んだ画素出力
を画像処理回路９で２値化処理するに当たり、画素出力
の走査方向に並ぶ画素群の階調差から曲面３a の曲率を
求め、その曲率に従って２値化閾値を設定する。すなわ
ち、図７において輝度分布から曲面の線形ＬＮを求め、
この線形ＬＮを形成する輝度より所定レベル低い線に沿
って２値化閾値ＳＨを設定することでシェーディング補
正を行う。そして、階調値がこの２値化閾値ＳＨ以下の
画素は欠点画素とし、設定面積中における欠点画素数が
所定個数以上のとき欠点有りと判定し、排除信号を出力
する。

【００２０】以上、プレス成形された光学ガラスレンズ
を検査対象とした実施例について説明したが、本発明は
このようなレンズに限らず、曲面を有する他の光学レン
ズやガラス製品、又は精密加工された曲面を有する透明
プラスチック製品の微小欠点の検査に広範に適用でき
る。また、上記実施例では変動２値化方式を採ったが、
固定２値化方式としても良い。更に、固体撮像素子カメ
ラ以外の光電変換手段を用いても良く、またその出力を
アナログ処理して欠点検出しても良く、光源も拡散光源
に限らない。

【００２１】

【発明の効果】以上述べたとおり本発明によれば次のよ
うな効果がある。 焦点補正レンズを検査対象の透明物体の曲面の近傍
に設置し、透明物体からの透過光がレンズ効果により屈
折して方向を大きく変える前に、焦点補正レンズに当て
て透明物体からの透過光の全てを焦点補正レンズに透過
させるので、焦点補正を確実に行うことができる。 焦点補正レンズとして、透明物体の曲率とほぼ同じ
曲率で同等のレンズ効果を有するレンズを使用するの
で、焦点補正を効果的に行うことができるとともに、広
い面積について平均した焦点補正を行える。 上記のように焦点補正した像を拡大してから固体撮
像素子カメラで画素分割して撮像するので、微小欠点を
精度良くしかも広い面積について効率良く検出できる。

【００２２】請求項２のように、検査対象が光学ガラス
レンズである場合、欠点のないそれと同様の光学ガラス
レンズを焦点補正レンズとして使用すれば、専用の焦点
補正レンズを別に用意しなくともすむので、経済的であ
るとともに、焦点補正を適切に行える。

【００２３】請求項３のように、画素出力の２値化閾値
を、曲面の曲率に応じて画素ごとに変えれば、シェーデ
ィング補正を光学系によらずに画像処理により簡単に行
える。

【００２４】請求項４のように、画素出力の走査方向に
並ぶ画素群の階調差から曲面の曲率を求め、その曲率に
従って２値化閾値を調整する変動２値化方式を採れば、
検査対象の位置ズレなどに影響されない欠点検査ができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法を実施する装置の概要構成図であ
る。

【図２】検査対象の光学ガラスレンズの曲面に対する検
査可能範囲がＣＣＤカメラの被写界深度により決まるこ
とを説明する図である。

【図３】焦点補正レンズを使用した場合と、使用しない
場合との被写界深度の差を実験により調べた測定結果の
グラフである。

【図４】欠点のある光学ガラスレンズの球面を拡大鏡付
きＣＣＤカメラで撮像してＣＲＴ上に映し出した図であ
る。

【図５】同上において欠点を横切る線に沿って画素出力
を走査することを示す図である。

【図６】同走査により輝度分布を計測したグラフであ
る。

【図７】図６の一部を拡大して２値化閾値の設定手法を
説明する図である。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レンズ効果を有する検査対象の透明物体の
   曲面の近傍に、その曲率とほぼ同じ曲率で同等のレンズ
   効果を有する焦点補正レンズを設置し、その反対側から
   透明物体に拡散光を照射し、透明物体のレンズ効果を受
   けて透過した光を、透明物体の近傍で更に焦点補正レン
   ズにより同様のレンズ効果をもって透過させ、その透過
   光を拡大光学系で拡大して固体撮像素子カメラで受光
   し、その画素出力をデジタル処理して暗部を検出するこ
   とにより微小欠点の有無を検査することを特徴とする、
   曲面を有する透明物体の微小欠点検査方法。
2. 【請求項２】検査対象の透明物体が光学ガラスレンズで
   ある場合、焦点補正レンズとして欠点の無い同じ光学ガ
   ラスレンズを使用することを特徴とする請求項１に記載
   の、曲面を有する透明物体の微小欠点検査方法。
3. 【請求項３】固体撮像素子カメラの画素出力の２値化閾
   値を、検査対象の透明物体の曲面の曲率に応じて画素ご
   とに変えることを特徴とする請求項１又は２に記載の、
   曲面を有する透明物体の微小欠点検査方法。
4. 【請求項４】画素出力の操作方向に並ぶ画素群の階調値
   から被検査面である曲面の曲率を求め、その曲率に従っ
   て２値化閾値を調整することを特徴とする請求項３に記
   載の、曲面を有する透明物体の微小欠点検査方法。