JPH09210850A - 周期性パターン検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 周期性パターンの不良を高精度に検出できる
周期性パターン検査装置。 【解決手段】 本装置Ａは，照明光源１より光が照射さ
れたシャドウマスク３からの透過光を結像レンズ４によ
り結像させてラインセンサ６の受光面で受光し，その受
光量に基づいてシャドウマスク３の欠陥の有無を画像処
理装置８により検査するに際し，上記受光面上の点像の
分布関数が光軸中心で最大でかつ半径方向に単調減少す
る関数となるように上記透過光を結像させている。上記
構成により，周期性パターンのピッチ変動に起因した周
期性ノイズを効果的に低減でき，周期性パターンの不良
を高精度に検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，周期性パターン検
査装置に係り，例えばブラウン管シャドウマスク製造に
おけるシャドウマスクホール径を検査するシャドウマス
ク検査装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】シャドウマスクとは，ブラウン管の構成
部品であって，各色専用の電子銃から放出したビームを
正確にその色に対応した蛍光体に衝突させる役目を持っ
た薄い金属板のことである。このシャドウマスクには，
例えば直径０．２５ｍｍ程度のホールが０．５０〜０．
６５ｍｍ程度のピッチで規則正しく配列されており，そ
のホール数は２０万〜４０万個もあって，周期性パター
ンを構成している。上記のようなブラウン管シャドウマ
スク製造におけるシャドウマスクホール径を検査する技
術が特開平６−１７４４３４号公報に開示されている。
ここ（装置Ａ０）では，図１１に示すように，透過照明
５１により発生したシャドウマスク５２のホール像を拡
散させ，この拡散された像をＴＶカメラ５４により映像
信号に変換し，この映像信号を画像処理装置５５により
所定の閾値と比較することによって，ホール径の状態を
判定する。ホール像の拡散手段としては，以下のような
手段が用いられる。 （１）拡散フィルタ５３を成形マスクの面に倣うように
密着または近接させて配置する手段。 （２）ホール像の拡散手段としてＴＶカメラの結像位置
をずらすことにより，拡散フィルタ５３を用いることな
く，上記と同様な動作を得る手段。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記したような従来の
シャドウマスク検査装置Ａ０では，ホール径の配列ピッ
チに起因した正弦波状ノイズが十分に低減されず，検出
精度が低下する場合がある。これは，次のような理由に
よるものと推察される。 （１）シャドウマスクはブラウン管の蛍光面の形状に合
わせて円筒面の一部，あるいは球面の一部などの曲面に
成形，あるいは支持部材によって保持される場合がほと
んどであるが，この場合，シャドウマスクの孔配列のピ
ッチは中央部と周辺部とで異なり，場所によって変化し
ている。 （２）また，パターンの孔配列が直線状でなく，曲線状
に配列している場合には，検査の際に位置決め精度が不
十分で画像入力用センサの画素配列方向と周期性パター
ンの配列方向とに角度が生じた状態で撮影されることが
あるが，そのような場合には，検出光学系の歪曲収差に
よって物体の寸法形状が像面上で歪むことがある。本発
明は，上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的
とするところは，周期性パターンの不良を高精度に検出
できる周期性パターン検査装置を提供することである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は，光が照射された周期性パターンからの透過
光を結像させて受光面で受光し，その受光量に基づいて
上記周期性パターンの欠陥の有無を検査する装置におい
て，上記受光面上の点像の分布関数が光軸中心で最大で
かつ半径方向に単調減少する関数となるように上記透過
光を結像させてなることを特徴とする周期性パターン検
査装置として構成されている。さらには，上記関数が，
ガウス分布関数又は三角形関数である周期性パターン検
査装置である。さらには，上記透過光を，その透過率が
光軸中心で最大でかつ半径方向に単調減少する光学フィ
ルタを介して結像させると共に，上記受光面が非結像位
置に配置されてなることを特徴とする周期性パターン検
査装置である。さらには，上記透過率の分布関数が，ガ
ウス分布関数又は三角形関数である周期性パターン検査
装置である。

【０００５】

【発明の実施の形態】及び

【実施例】以下添付図面を参照して，本発明の実施の形
態及び実施例につき説明し，本発明の理解に供する。
尚，以下の実施の形態及び実施例は，本発明を具体化し
た一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格の
ものではない。ここに，図１は本発明の実施の形態及び
実施例に係るシャドウマスク検査装置Ａの概略構成を示
す模式図，図２は光学フィルタの透過率分布を示す説明
図，図３は本装置Ａの基本原理を示す説明図，図４は点
像分布関数の測定結果を示す説明図，図５はシャドウマ
スクのホール径とその映像信号を示す説明図，図６は点
像分布関数の説明図，図７は解析のための光学配置図，
図８はある条件下での受光量分布を示す説明図，図９は
他の条件下での受光量分布を示す説明図，図１０は光学
フィルタの作成方法を示す説明図である。

【０００６】図１に示すごとく，本発明の実施の形態及
び実施例に係るシャドウマスク検査装置Ａ（周期性パタ
ーン検出装置に相当）は，照明光源１により光が照射さ
れたシャドウマスク３（周期性パターンに相当）からの
透過光を結像レンズ４により結像させて，ラインセンサ
６等の受光面で受光し，その受光量に基づいて画像処理
装置８により周期性パターンの欠陥の有無を検査する点
で従来例と同様である。しかし，本実施の形態及び実施
例では，上記受光面上の点像の分布関数が光軸中心で最
大でかつ半径方向に単調減少する関数となるように上記
透過光を結像させる点で従来例と異なる。さらには，上
記透過光を，その透過率が光軸中心で最大でかつ半径方
向に単調減少する光学フィルタ５を介して結像させると
共に，上記受光面が非結像位置に配置されるようになし
てもよい。さらに，上記点像の分布関数，あるいは，上
記透過率の分布関数が，ガウス分布関数または三角形関
数であるとしてもよい。これらの点でも，従来例と異な
る。

【０００７】以下，本装置Ａをさらに具体化すると共
に，その動作について詳述する。図１において，光学フ
ィルタ５は結像レンズ４の後面（ラインセンサ６側）に
近接させて配置され，かつ，ラインセンサ６はシャドウ
マスク３のホール像の結像位置からデフォーカスさせた
非結像位置に配置される。このような構成において，照
明光源１から投光された光は，シャドウマスク３に照射
され，そのホール像が結像レンズ４，光学フィルタ５を
経て，ラインセンサ６によって受光され，主走査方向の
ラインデータが撮像される。また，搬送装置２によって
シャドウマスクを副走査方向に移動させて，順次ライン
データを取り込むことにより，シャドウマスク３の２次
元画像データが得られる。この画像データは光電変換回
路７を介して，画像処理装置８に取り込まれ，ここでホ
ール径の不良検査が行われる。光学フィルタ５として
は，光軸中心の透過率が最大で半径方向に単調減少とな
る透過率分布を有する光学特性のフィルタを使用する。
ここでは，図２に示すようなガウス分布状の透過率分
布：Ｔ（ｒ）を有する光学フィルタを使用した。

【０００８】次に，このような光学フィルタ５の作用に
ついて説明する。図３（ａ）に示すように，点光源１１
から一様な光が発せられ，レンズ１２に収差がないとし
て，点光源１１をレンズ１２の前焦点位置（焦点距離を
ｆとする）に配置した場合，レンズ１２後方の光波は平
行光であって，その強度分布Ｉ（ｒ）は一様となる。ま
た，図３（ｂ）に示すように，レンズ近傍でかつ後方
に，前記図２に示すようなガウス分布状の透過率を有す
る光学フィルタ１４を配置した場合，レンズ１２後方の
光波は平行光であって，その強度分布は光学フィルタ１
４の透過率分布をそのまま反映したガウス分布状とな
る。一方，図３（ａ），（ｂ）の点光源１１とレンズ１
２との間の距離ｌを大きくし，結像光学系にした場合
（ｌ＞ｆ）が図３（ｃ）に示すものである。ここでは，
レンズ１２後方の光波は，収束光となり，合焦点面１３
で１点に集光する。合焦点面１３からずれた位置１３′
における光波の強度分布は焦点からの距離によってその
大きさ（ガウス分布の拡がり）は変わるものの，その形
状はガウス分布のままで変わらない。

【０００９】図４は，焦点距離ｆ＝５０ｍｍ，Ｆ値＝８
の結像レンズの絞りの位置に前記図２に示した特性の光
学フィルタを配置し，結像倍率ｍ＝０．１の条件でデフ
ォーカス位置での点像分布関数を測定した結果である。
点像分布関数がガウス分布形状となっていることがわか
る。このように，レンズ近傍に光学フィルタを配置した
結像光学系における焦点ぼけ位置での点像分布関数Ｐ
（ｒ）の波形は光学フィルタの透過率分布Ｔ（ｒ）とほ
ぼ等価な関係にある。したがって，光学フィルタの透過
率分布を変えると共に，結像面の位置を変えることによ
り，ガウス分布形状だけでなく任意の分布関数を実現す
ることができる。一方，従来例で示された拡散手段は，
ＴＶカメラの結像位置をずらして撮像することと同様な
動作で得ることができるとされている。このことは，前
記図３（ｃ）において，光学フィルタを用いないでデフ
ォーカス状態で受光する場合に相当し，この場合の点像
分布関数は矩形関数で表現できる。このような結像光学
系の点像分布関数に対し，シャドウマスクのホール像を
撮像した場合の映像信号について解析した結果を以下に
説明する。

【００１０】まず，図５（ａ）に示すシャドウマスクの
ホール孔に対し，光学フィルタを通さず，かつ，ライン
センサをホール像の結像位置に配置した場合の映像信号
の輝度レベルは，図５（ｂ）に示すようになる。一方，
ラインセンサの結像位置を光軸方向の前後にずらして，
ホール像の非結像位置に配置した場合には，個々のホー
ル像の映像信号が拡がる（ぼける）ため，合成輝度信号
は平滑化される。しかし，デフォーカスの条件によって
は平滑が十分に行われず，孔配列ピッチと周期の合った
正弦波状の輝度レベルの変動が生じ，図５（ｃ）に示す
ような状態となる。この時，シャドウマスクにホール径
が小さい場合の欠陥があると，欠陥箇所の合成輝度信号
に凹部が生じることになる。しかし，上記のような孔配
列ピッチに起因した正弦波ノイズがあると，欠陥信号が
正弦波状ノイズに埋もれて，検出感度が低下する。ま
た，ホール径が大きい場合の欠陥があると，欠陥箇所の
合成輝度信号に凸部が生じるが，同様に，検出感度が低
下することになる。以下，この現象を解析により明らか
にするために，従来例の場合の結像光学系の点像分布関
数である矩形関数を図６（ａ）に示し，本装置Ａの光学
フィルタを用いた場合の点像分布関数である三角形関
数，ガウス分布関数を図６（ｂ），（ｃ）にそれぞれ示
した。そして，各種条件で孔配列周期パターン（１次元
配列）の撮像面上における受光量分布を求めた。

【００１１】ここで，矩形，三角形，ガウス分布の全幅
Ｗをそれぞれ図６に示すように定義する。尚，ガウス分
布の場合は，標準偏差の４σを全幅とした。また，解析
のための光学配置図を図７に示した。同図中，１１はシ
ャドウマスク，１２は結像光学系，１３は受光素子であ
る。さらに，結像光学系の倍率ｍ＝１，ホール基準径Ｄ
＝１５０ミクロン，ホール径が基準径より１０％小さい
欠陥として１３５ミクロンのホール（Ｄｆ）がシャドウ
マスク上の光軸中心に１個あるとし，シャドウマスクの
孔配列の周期パターンのピッチＰと受光素子面（１次
元）を結像光学系のデフォーカス位置に配置した場合の
点像分布の全幅Ｗをパラメータ変数とする。孔配列の基
準ピッチがＰ０＝３００ミクロン，全幅がＷ＝２×Ｐ
（６００ミクロン）の場合について，点像分布関数がそ
れぞれ矩形，三角形，ガウス分布における受光量分布を
求めた結果を図８（ａ），（ｂ），（ｃ）に示した。ま
た，孔配列ピッチが基準ピッチＰ０から１０％変動した
としてＰ＝０．９×Ｐ０（２７０ミクロン）と小さくな
った場合について，点像分布関数がそれぞれ矩形，三角
形，ガウス分布における受光量分布を求めたのが図９
（ａ），（ｂ），（ｃ）である。

【００１２】即ち，上記図８（ａ），（ｂ），（ｃ）
は，点像分布関数の全幅Ｗが孔配置ピッチＰの整数倍
（Ｗ＝２×Ｐ）の条件の時の受光量分布である。点像分
布関数が矩形（ａ），三角形（ｂ），ガウス分布（ｃ）
のいずれの場合であっても，孔配列ピッチに起因した周
期性のノイズは小さい。また，ホール径が小さい欠陥部
（図中の横軸Ｘ＝０近傍）の受光量分布に凹部が生じ，
閾値ＴＨで凹部の欠陥判定ができることになる。図９
（ａ），（ｂ），（ｃ）は，孔配列のピッチが基準ピッ
チＰ０＝３００ミクロンから２７０ミクロンと代わり，
分布関数の全幅Ｗが孔配列ピッチＰの整数倍とならない
条件の時の受光量分布である。この場合は全幅Ｗ＝２．
２×Ｐである。このときでも，点像分布関数が三角形
（ｂ）とガウス分布（ｃ）の場合は，孔配列ピッチに起
因した周期性のノイズは小さく，孔配列ピッチが基準ピ
ッチの時（図８（ｂ），（ｃ））と同程度である。これ
に対し，矩形（ａ）の場合は，周期変動幅が大きくなっ
てしまい，かつ，位相が反転している（図中の横軸Ｘ＝
０近郷で輝度レベルが小さくなる領域で逆にそのレベル
が上がっている）。この位相の反転はレンズを用いた光
学系においてピントがはずれた時に像の位置ずれ（明暗
の反転）として観察される偽解像と呼ばれる現象を示
し，欠陥部位の位置ずれという観点からも望ましくない
（「科学計測のための画像データ処理」ｐ１４９〜ｐ１
５４，ＣＱ出版発行，１９９４年参照）。その結果，矩
形関数の場合は，前記閾値ＴＨで凹部判定を行う場合の
検出性能が大きく低下していることがわかる。

【００１３】以上のことから，矩形，三角形，ガウス分
布の点像分布関数の幅が孔配列ピッチの整数倍の条件で
は，波形分布の違いによる孔配列ピッチに起因する周期
性のノイズの低減効果に大きな差異はみられない。しか
し，分布の幅が孔配列ピッチの整数倍からずれる条件で
は，矩形分布については周期性ノイズが十分に低減され
ず，三角形やガウス分布形状の点像分布関数では，孔配
列ピッチの影響を受けていない。以上の解析結果から，
三角形やガウス分布形状の点像分布関数は矩形形状の点
像分布関数に比べて周期性ノイズの低減効果において優
れているといえる。シャドウマスクはブラウン管の蛍光
面の形状に合わせて円筒面の一部，あるいは球面の一部
などの曲面に成形あるいは支持部材によって保持される
場合がほとんどである。この場合，シャドウマスクの孔
配列のピッチは中央部と周辺部とで異なり，場所によっ
て変化している。この場合，点像分布が上記のように矩
形であると周期性ノイズが十分に低減されず，検出精度
が低下する。また，パターンの孔配列が直線状でなく曲
線状に配列している場合には，検査の際に位置決め精度
が不十分で画像入力用センサの画素配列方向と周期性パ
ターンの配列方向との間に角度が生じた状態で撮像され
る場合があるが（この場合は角度誤差による周期性パタ
ーンのピッチが変化する），検出光学系の歪曲収差で物
体の寸法形状が像面で歪むことになる場合がある。これ
らの点については従来例の問題点で述べた通りである。

【００１４】従って，シャドウマスクの検査を行う場合
には，従来例のような点像の分布が矩形の拡散手段で検
査しても，孔配列ピッチに起因した正弦波状ノイズが十
分低減されず，検出性能が低下してしまう問題があっ
た。しかし，上記三角形やガウス分布のような光軸中心
で最大でかつ半径方向に単調減少する点像分布の光学フ
ィルタを用いた本装置Ａによれば，実際に孔配列ピッチ
が場所によって変わる場合や，検出光学系とシャドウマ
スクとの相対的な位置決め（角度）誤差が生じる場合で
あっても，検出感度を低下させることなく，簡単に，か
つ安定したシャドウマスクの検査を行うことができる。
ところで，上記装置Ａでは，光学中心の透過率が最大で
半径方向に単調減少となる透過率分布を有する光学フィ
ルタを用い，この光学フィルタを結像レンズの像面側に
配置したが，結像レンズ近傍であれば，レンズの物体面
側に配置してもよい。また，組み合わせレンズ群のよう
な結像レンズにおいてはレンズ間の中間位置，例えば，
レンズの絞り面の位置に配置してもよい。即ち，前記図
３に示した光学系で，レンズに収差がなく（又は小さ
く），幾何光学近似が成立する領域（波長オーダよりも
はるかに大きい）において，デフォーカス位置での点像
分布関数は矩形波関数と近似できる。このため，光学フ
ィルタを用いた場合の点像分布関数は，光学フィルタの
透過率分布と等価な関係になる。

【００１５】一方，実際の結像レンズ系は，レンズ開口
部の周辺光量の低下があることや開口が有限であること
から波動光学的な回折によって有限の点像分布関数Ｇ
（ｒ）をもつ。このため，前記近似ができないケースが
生じる。この場合，光学フィルタを配置しない状態で結
像レンズ系の点像分布関数Ｇ（ｒ）を予め求めておけ
ば，点像分布関数Ｐ（ｒ）と光学フィルタの透過率分布
Ｔ（ｒ）との間の関係が，Ｐ（ｒ）＝Ｔ（ｒ）×Ｇ
（ｒ）となることから，目的とする点像分布関数が得ら
れるように，光学フィルタを設計・製作することができ
る。その他の受光面での点像分布関数として光軸中心が
最大でかつ半径方向に単調減少となる特性を持たせるた
めの手段としては，例えば表面に水滴状の凹凸腐食処理
を施した軟焦点用光学フィルタを用いて，結像レンズの
近傍に配置することも考えられる。

【００１６】次に，上記のような光学フィルタの作成方
法について述べる。図１０（ａ）に示すように，先ず任
意の半径ｒにおいて円周長に対する明部の周長比がＲと
なるように設計した明暗パターンの円盤を作成する。こ
の円盤を均一照明し，モータによって高速回転させるこ
とにより，任意の半径でＲに比例した露光量分布が得ら
れる。ここでは，光学フィルタとして写真乾板を利用し
た。即ち，図１０（ｂ）に示すような光学系で明暗パタ
ーンの円盤を適当な結像倍率で長時間露光し，写真乾板
に露光撮影した。写真乾板の透過率と露光量との関係を
図１０（ｃ）に示したが，この関係から，又は，適当な
露光量を選ぶことによって，特性曲線の直線的な部分を
用いれば露光量分布に比例した目的とする光学フィルタ
の透過率分布を得ることができる。尚，上記では，周期
性パターンの具体例として，ブラウン管シャドウマスク
を考えたが，本発明は，その適用範囲としてこれに限ら
れるものではなく，周期性パターンを有するあらゆる検
査対象に適用することができる。

【００１７】

【発明の効果】本発明に係る周期性パターン検査装置
は，上記したように構成されているため，周期性パター
ンのピッチ変動に起因した周期性ノイズを効果的に低減
でき，周期性パターンの不良を高精度に検出することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施の形態及び実施例に係るシャド
ウマスク検査装置Ａの概略構成を示す模式図。

【図２】 光学フィルタの透過率分布を示す説明図。

【図３】 本装置Ａの基本原理を示す説明図。

【図４】 点像分布関数の測定結果を示す説明図。

【図５】 シャドウマスクのホール径とその映像信号を
示す説明図。

【図６】 点像分布関数の説明図。

【図７】 解析のための光学配置図。

【図８】 ある条件下での受光量分布を示す説明図。

【図９】 他の条件下での受光量分布を示す説明図。

【図１０】 光学フィルタの作成方法を示す説明図。

【図１１】 従来のシャドウマスク検査装置Ａ０の一例
における概略構成を示す模式図。

【符号の説明】

Ａ…シャドウマスク検査装置（周期性パターン検査装置
に相当） １…照明装置 ２…搬送装置 ３…シャドウマスク（周期性パターンに相当） ４…結像レンズ ５…光学フィルタ ６…ラインセンサ ７…光電変換回路 ８…画像処理装置

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中井 康秀 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 神戸製鋼５号館 ジェネシス・テクノロジ ー株式会社内 (72)発明者 山本 雄治 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 神戸製鋼５号館 ジェネシス・テクノロジ ー株式会社内 (72)発明者 山本 雅裕 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 神戸製鋼５号館 ジェネシス・テクノロジ ー株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光が照射された周期性パターンからの透
   過光を結像させて受光面で受光し，その受光量に基づい
   て上記周期性パターンの欠陥の有無を検査する装置にお
   いて，上記受光面上の点像の分布関数が光軸中心で最大
   でかつ半径方向に単調減少する関数となるように上記透
   過光を結像させてなることを特徴とする周期性パターン
   検査装置。
2. 【請求項２】 上記関数が，ガウス分布関数又は三角形
   関数である請求項１記載の周期性パターン検査装置。
3. 【請求項３】 上記透過光を，その透過率が光軸中心で
   最大でかつ半径方向に単調減少する光学フィルタを介し
   て結像させると共に，上記受光面が非結像位置に配置さ
   れてなることを特徴とする請求項１記載の周期性パター
   ン検査装置。
4. 【請求項４】 上記透過率の分布関数が，ガウス分布関
   数又は三角形関数である請求項３記載の周期性パターン
   検査装置。