特開 2024-73922 表面検査装置及び表面検査方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024073922

(43)【公開日】2024-05-30

(54)【発明の名称】表面検査装置及び表面検査方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/27 20060101AFI20240523BHJP

   G01B 11/00 20060101ALI20240523BHJP

   G01B 11/24 20060101ALI20240523BHJP

【ＦＩ】

G01N21/27 B

G01B11/00 B

G01B11/24 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022184909

(22)【出願日】2022-11-18

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001380

【氏名又は名称】弁理士法人東京国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ユディティヤ クスマワティ

(72)【発明者】

【氏名】上野 聡一

(72)【発明者】

【氏名】岡崎 幸基

【テーマコード（参考）】

2F065

2G059

【Ｆターム（参考）】

2F065AA06

2F065AA51

2F065FF04

2F065GG24

2F065HH18

2F065JJ26

2F065LL04

2F065LL67

2F065MM02

2F065PP12

2F065QQ23

2F065QQ25

2F065SS01

2G059AA01

2G059EE02

2G059EE12

2G059EE13

2G059GG01

2G059JJ01

2G059KK04

(57)【要約】

【課題】様々な表面形状の検査対象に対しその材質を高精度且つ効率的に検査できる。
【解決手段】検査対象１の表面１Ａを撮影し且つ分光分析機能を備える光学装置１１と、検査対象の表面へ光を照射し且つ設置位置及び照射角度を変更可能な照明手段１２と、検査対象の表面と光学装置との検査距離を計測する距離センサと、光学装置からの波長スペクトルに基づき検査対象の化学成分を分析して材質を判定する分析手段と、検査距離、照明手段の設置位置及び照射角度を調整する調整手段１５と、を有し、分析手段は、調整手段との協働によって、光学装置からの波長スペクトルが所定の輝度範囲外で観測されるピクセル数を最小化するように検査距離、照明手段の設置位置及び照射角度の各条件を決定し、この条件下で光学装置が再度画像を取得して分光分析し、再度の分光分析により得られた所定の輝度範囲内の波長スペクトルに基づき、分析手段が検査対象の材質を判定する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

検査対象の表面を撮影すると共に分光分析機能を備え、この分光分析によって、取得した画像の１ピクセル毎に波長スペクトルを取得する光学装置と、
前記検査対象の前記表面へ光を照射すると共に設置位置及び光の照射角度を変更可能に設けられた照明手段と、
前記検査対象の前記表面と光学装置との検査距離を計測する距離センサと、
前記光学装置が分光分析して得た波長スペクトルに基づいて前記検査対象の化学成分を分析して材質を判定する分析手段と、
前記検査距離、前記照明手段の前記設置位置及び前記照射角度を調整する調整手段と、を有し、
前記分析手段は、前記調整手段との協働によって、前記光学装置からの波長スペクトルが所定の輝度範囲外で観測されるピクセル数を最小化するように前記検査距離、前記照明手段の設置位置及び照射角度の各条件を決定する機能を更に有し、
この決定された条件下で前記光学装置が再度画像を取得して分光分析し、この再度の分光分析により得られた所定の輝度範囲内の波長スペクトルに基づいて、前記分析手段が前記検査対象の材質を判定するよう構成されたことを特徴とする表面検査装置。

【請求項2】

前記距離センサは、検査対象の表面形状を計測可能に設けられ、
前記分析手段は、前記検査対象の前記表面と光学装置との検査距離、前記光学装置のレンズの焦点位置、及び前記検査対象の前記表面形状に基づいて、前記光学装置の有効撮影範囲を決定する機能を更に有するよう構成された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】

前記調整手段が検査対象の表面と光学装置との検査距離、照明装置の設置位置及び光の照射角度を変化させながら、前記光学装置が有効撮影範囲内で画像を取得し分光分析して波長スペクトルを求め、
前記分析手段は、前記波長スペクトルの変化に基づいて前記有効撮影範囲内の前記画像において前記波長スペクトルが所定の輝度範囲外となる領域を評価して決定する機能を更に有するよう構成されたことを特徴とする請求項２に記載の表面検査装置。

【請求項4】

前記分析装置は、光学装置の有効撮影範囲について取得された画像における１ピクセル毎の所定の輝度範囲内の波長スペクトルを、データライブラリに格納された参照用波長スペクトルと比較することで分析し、検査対象の材質を判定することを特徴とする請求項２または３に記載の表面検査装置。

【請求項5】

前記分析手段により判定された検査対象の材質判定結果を、光学装置により撮影された画像と位置合せし重畳して表示可能な表示器を、更に有して構成されたことを特徴とする請求項１に記載の請求項１または２に記載の表面検査装置。

【請求項6】

前記検査対象における次の検査領域を光学装置の視野に収めるように、前記検査対象と前記光学装置との水平方向の相対位置を変化させる移動ステージを更に有することを特徴とする請求項１または２に記載の表面検査装置。

【請求項7】

検査対象の表面を撮影すると共に分光分析機能を備え、この分光分析によって、取得した画像の１ピクセル毎に波長スペクトルを取得する光学装置と、
前記検査対象の前記表面へ光を照射すると共に設置位置及び光の照射角度を変更可能に設けられた照明手段と、
前記検査対象の前記表面と光学装置との検査距離を計測する距離センサと、
前記光学装置が分光分析して得た波長スペクトルに基づいて前記検査対象の化学成分を分析して材質を判定する分析手段と、
前記検査距離、前記照明手段の前記設置位置及び前記照射角度を調整する調整手段と、を有して構成された表面検査装置を準備し、
前記分析手段と前記調整手は協働して、前記光学装置からの波長スペクトルが所定の輝度範囲外で観測されるピクセル数を最小化するように前記検査距離、前記照明手段の設置位置及び照射角度の各条件を決定し、
前記光学装置は、上述の決定された条件下で再度画像を取得して分光分析し、
前記分析手段は、上述の再度の分光分析により得られた所定の輝度範囲内の波長スペクトルに基づいて前記検査対象の材質を判定することを特徴とする表面検査方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、検査対象の表面の画像を取得して検査対象の材質等を検査する表面検査装置及び表面検査方法に関する。

【背景技術】

【0002】

材料の化学成分を検査する方法の１つとして、材料の表面から反射した光を分光分析することが可能な光学装置を使って、材料の化学成分を波長スペクトルとして取得する方法がある。また、金属等の表面状態を検査する場合、広範囲の波長成分を含むブロードな波長スペクトルを有する光を検査対象の表面に照射し、表面で反射した光を検出器で分光分析して波長スペクトルを取得し、照射光の波長スペクトルと反射光の波長スペクトルとの差異から、検査対象の表面の腐食状態や検査対象の化学組成の異常が検査される。なお、複眼の検出器の適用や検査領域の走査により、上述の検査結果は２次元の画像として出力される場合が多い。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０２０－１４０１６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところが、上述の検査の場合、検査対象の表面に凹凸があると正反射された光が様々な角度で放射され、その光の一部が検出器に入射して、検出光量が飽和してしまう可能性がある。この信号飽和現象はフレア（白化現象）と呼ばれる。フレアが発生すると、検査対象の化学成分等に依存した反射光の波長スペクトルを正確に取得できないため、正しい検査を行うことができない。

【0005】

一般的なフレア抑制方法として、外部光を板等で遮光する方法が知られているが、上述のように検査対象に光をアクティブに照射する検査方法には適用することができない。また、特許文献１では、複数のレンズを光学系ユニットに組込む際のスペーサを工夫することで、有害光の反射等により発生するフレアを抑制する方法が開示されている。しかしながら、この方法でフレアを効果的に抑制しようとする場合、検査対象に応じて適切なスペーサを設計し、これを光学系ユニットに組み込む必要があるため、様々な表面形状の検査対象に対して効率的な検査を実施することができない。

【0006】

本発明の実施形態は、上述の事情を考慮してなされたものであり、様々な表面形状の検査対象に対してその材質を高精度且つ効率的に検査することができる表面検査装置及び表面検査方法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】

【0007】

本発明の実施形態における表面検査装置は、検査対象の表面を撮影すると共に分光分析機能を備え、この分光分析によって、取得した画像の１ピクセル毎に波長スペクトルを取得する光学装置と、前記検査対象の前記表面へ光を照射すると共に設置位置及び光の照射角度を変更可能に設けられた照明手段と、前記検査対象の前記表面と光学装置との検査距離を計測する距離センサと、前記光学装置が分光分析して得た波長スペクトルに基づいて前記検査対象の化学成分を分析して材質を判定する分析手段と、前記検査距離、前記照明手段の前記設置位置及び前記照射角度を調整する調整手段と、を有し、前記分析手段は、前記調整手段との協働によって、前記光学装置からの波長スペクトルが所定の輝度範囲外で観測されるピクセル数を最小化するように前記検査距離、前記照明手段の設置位置及び照射角度の各条件を決定する機能を更に有し、この決定された条件下で前記光学装置が再度画像を取得して分光分析し、この再度の分光分析により得られた所定の輝度範囲内の波長スペクトルに基づいて、前記分析手段が前記検査対象の材質を判定するよう構成されたことを特徴とするものである。

【0008】

本発明の実施形態における表面検査方法は、検査対象の表面を撮影すると共に分光分析機能を備え、この分光分析によって、取得した画像の１ピクセル毎に波長スペクトルを取得する光学装置と、前記検査対象の前記表面へ光を照射すると共に設置位置及び光の照射角度を変更可能に設けられた照明手段と、前記検査対象の前記表面と光学装置との検査距離を計測する距離センサと、前記光学装置が分光分析して得た波長スペクトルに基づいて前記検査対象の化学成分を分析して材質を判定する分析手段と、前記検査距離、前記照明手段の前記設置位置及び前記照射角度を調整する調整手段と、を有して構成された表面検査装置を準備し、前記分析手段と前記調整手は協働して、前記光学装置からの波長スペクトルが所定の輝度範囲外で観測されるピクセル数を最小化するように前記検査距離、前記照明手段の設置位置及び照射角度の各条件を決定し、前記光学装置は、上述の決定された条件下で再度画像を取得して分光分析し、前記分析手段は、上述の再度の分光分析により得られた所定の輝度範囲内の波長スペクトルに基づいて前記検査対象の材質を判定することを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0009】

本発明の実施形態によれば、様々な表面形状の検査対象に対してその材質を高精度且つ効率的に検査することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】一実施形態に係る表面検査装置の構成を示すブロック図。

【図2】図１の表面検査装置の検査手順を示すフローチャート。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明を実施するための形態を、図面に基づき説明する。
図１は、一実施形態に係る表面検査装置の構成を示すブロック図である。この図１に示す表面検査装置１０は、検査対象１の表面１Ａの画像を取得して検査対象１の材質等を検査するものであり、光学装置１１、照明手段１２、距離センサ１３、移動ステージ１４、調整手段１５、分析手段１６、データライブラリ１７及び表示器１８を有して構成される。

【0012】

ここで、検査対象１は、表面１Ａが平面形状であっても、凹凸形状等のような３次元形状であってもよい。また、検査対象１は、本実施形態では、移動ステージ１４に載置される大きさの例を示している。ところが、この検査対象１は、表面検査装置１０に対し大型である場合には固定して設置され、表面検査装置１０の光学装置１１、照明手段１２及び距離センサ１３が検査対象１に対して水平方向に移動可能に構成されてもよい。

【0013】

光学装置１１は、検査対象１の表面１Ａを撮影すると共に分光分析機能を備え、この分光分析によって、取得した画像の１ピクセル毎に波長スペクトルを取得する。つまり、光学装置１１は、分光分析機能を備えると共に、検査対象１の表面１Ａにおけるライン上の各位置について、照明手段１２からの照射光に対する反射光を取得可能なラインスキャンタイプの光学装置である。特に、光学装置１１は、検査対象１の形状や検査面積に応じて、検査対象１の表面１Ａ上の各位置に対して反射光を取得する２次元スキャンタイプの光学装置を用いてもよい。

【0014】

また、光学装置１１は、光学素子及びレンズを有して構成される。光学素子は、確定した視野内で撮影を行う際に、光学素子固有の画素数に応じた画像データを出力すると共に、この画像データにおける１ピクセル毎の波長スペクトルも出力する。この波長スペクトルは、光学素子の分光分析性能に応じた波長分解能のスペクトルデータである。このような光学装置１１は、例えばハイパースペクトルカメラが好適である。

【0015】

照明手段１２は、検査対象１の表面１Ａに光を照射すると共に、設置位置及び照射角度を変更可能に少なくとも１つ設けられる。この照明手段１２から照射される光は、近紫外線から近赤外線までの波長範囲の光である。このような照明手段１２は、ハロゲンランプが好適である。

【0016】

距離センサ１３は、検査対象１の表面１Ａと光学装置１１との距離（検査距離）を計測する。更に距離センサ１３は、検査対象１の表面１Ａの形状（表面形状）を計測可能に設けられている。このような距離センサ１３は、例えばレーザを用いた距離センサが好適である。

【0017】

移動ステージ１４は、検査対象１を載置して、この検査対象１を光学装置１１に対して水平方向に相対移動させる移動機構である。この移動ステージ１４は、特に、検査対象１における次の新たな検査領域を光学装置１１の視野に収めるために、検査対象１を光学装置１１に対して水平方向に移動させる。本実施形態では、移動ステージ１４は、ステッピングモータを用いた高精度な移動ステージであるが、検査精度の要求に応じてより安価な駆動モータを用いたものでもよい。

【0018】

調整手段１５は、分析手段１６からの指令信号に基づいて光学装置１１、照明手段１２及び移動ステージ１４へ動作信号を出力する。つまり、調整手段１５は、光学装置１１へ動作信号を出力して、光学装置１１と検査対象１の表面１Ａとの検査距離、及び光学装置１１内のレンズの焦点位置を調整する。また、調整手段１５は、照明手段１２へ動作信号を出力して、照明手段１２の設置位置及び光の照射角度を調整する。更に、調整手段１５は、移動ステージ１４へ動作指令を出力して、移動ステージ１４に載置された検査対象１の次の検査領域が光学装置１１の視野に収まるように移動ステージ１４を水平方向に移動させる。

【0019】

分析手段１６は、光学装置１１の有効撮影範囲を決定する第１の機能と、波長スペクトルが所定の輝度範囲外となる領域を決定する第２の機能と、波長スペクトルが所定の輝度範囲外となる領域を最小化する第３の機能と、検査対象１の材質を判定する第４の機能とを有する。

【0020】

分析手段１６の第１の機能は、検査対象１の表面１Ａと光学装置１１との検査距離、光学装置１１内のレンズの焦点位置、及び検査対象１の表面１Ａの形状に基づいて、光学装置１１が高い測定精度を保持することが可能な光学装置１１の有効撮影範囲を決定する機能である。

【0021】

分析手段１６の第２の機能では、まず、調整手段１５が検査対象１の表面１Ａと光学装置１１との検査距離、照明手段１２の設置位置及び光の照射角度を変化させながら、光学装置１１が、有効撮影範囲内でＲＧＢ画素（カラー画像）を取得し、この画像を分光分析して波長スペクトルを求める。そして、分析手段１６の第２の機能は、光学装置１１が求めた波長スペクトルの変化に基づいて、光学装置１１の有効撮影範囲内のＲＧＢ画像において波長スペクトルが所定の輝度範囲外となる領域を評価して決定するである。ここで、波長スペクトルが所定の輝度範囲外となる領域は、例えばフレア及び暗部が発生している領域をいう。

【0022】

分析手段１６の第３の機能は、調整手段１５との協働によって、光学装置１１からの波長スペクトルが所定の輝度範囲外で観測されるピクセル数（領域）を最小化するように、光学装置１１と検査対象１の表面１Ａとの検査距離、照明手段１２の設置位置及び光の照射角度の各条件を決定する機能である。つまり、この第３の機能では、光学装置１１が１回の撮影を行う際に、分析手段１６は、まず、撮影されたＲＧＢ画像内において、分光分析された波長スペクトルが所定の輝度範囲外で観測されるピクセル数を把握する。次に分析手段１６は、上述の波長スペクトルが所定の輝度範囲外で観測されるピクセル数が最も少なくなるように、光学装置１１と検査対象１の表面１Ａとの検査距離、照明手段１２の設置位置及び光の照射角度の各条件を最適条件として決定する。

【0023】

分析手段１６の第４機能は、光学装置１１が分光分析して得た波長スペクトルに基づいて検査対象１の化学成分を分析し、検査対象１の材質を判定する機能である。具体的には、分析手段１６は、光学装置１１の有効撮影範囲内について取得されたＲＧＢ画像における１ピクセル毎の所定の輝度範囲内の波長スペクトルを、データライブラリ１７に格納された参照用波長スペクトルと比較することで検査対象１の化学成分を分析し、検査対象１の材質を判定する。ここで、データライブラリ１７には、所定の輝度範囲内で取得された各種材料の波長スペクトルが参照用波長スペクトルとして格納されている。

【0024】

ところで、この分析手段１６の第４の機能は、分析手段１６の第３の機能により決定された各条件（光学装置１１と検査対象１の表面１Ａとの検査距離、照明手段１２の設置位置及び光の照射角度の各条件）下で、光学装置１１が検査対象１の表面１ＡのＲＧＢ画像を再度取得し、再度分光分析して得た所定の輝度範囲内の波長スペクトルに対して実施される。即ち、分析手段１６は、上述のように再度の分光分析により得られた所定の輝度範囲内の波長スペクトルを、データライブラリ１７に格納された参照用波長スペクトルと比較して検査対象１の化学成分を分析し、検査対象１の材質を判定する。

【0025】

表示器１８は、分析手段１６により判定された検査対象１の材質判定結果を、光学装置１１により撮影されたＲＧＢ画像と位置合せし重畳して表示可能に構成される。また、この表示器１８は、上記材質判定結果と上記ＲＧＢ画像とを個別に並列して表示してもよい。

【0026】

表示器１８は、具体的には、ＲＧＢ画像の該当するピクセルに対応する波長スペクトルが、データライブラリ１７の参照用波長スペクトルと一致して材質が判定された場合、材質が判定されたピクセルに対して、材質毎に指定された色で表示する。例えば、銅の参照用波長スペクトルに赤色が指定されている場合、ＲＧＢ画像内の一部の領域が銅であると分析手段１６により判定されたとき、表示器１８は、上記一部の領域内のピクセルを赤色で表示して、その一部の領域の材質が銅であることを表す。

【0027】

次に、上述のように構成された表面検査装置１０による検査手順を、主に図２を参照して説明する。
最初に、検査対象１が移動ステージ１４に載置された状態で、距離センサ１３が検査対象１の表面１Ａと光学装置１１との距離である検査距離を測定すると共に、検査対象１の表面１Ａの形状を測定する（Ｓ１）。次に、分析手段１６が、ステップＳ１で測定された検査距離及び検査対象１の表面１Ａの形状、並びに光学装置１１内のレンズの焦点位置に基づいて、光学装置１１の有効撮影範囲を決定する（Ｓ２）。

【0028】

次に、調整手段１５が、照明手段１２の設置位置及び光の照射角度、並びに光学装置１１と検査対象１の表面１Ａとの検査距離を変化させた状態で、光学装置１１が、ＲＧＢ画像を取得し分光分析して、ＲＧＢ画像の１ピクセル毎に波長スペクトルを取得する（Ｓ３）。ステップＳ３で取得された波長スペクトルの変化に基づいて、分析手段１６は、ＲＧＢ画像の有効撮影範囲内で波長スペクトルが所定の輝度範囲外となる領域を評価し決定する（Ｓ４）。

【0029】

分析手段１６及び調整手段１５は協働して、波長スペクトルがステップＳ４で決定された所定の輝度範囲外で観測されるピクセル数を最小化するように、照明手段１２の設置位置及び光の照射角度、並びに光学装置１１と検査対象１の表面１Ａとの検査距離の各条件を決定する（Ｓ５）。

【0030】

次に、ステップＳ５にて決定された条件（照明手段１２の設置位置及び光の照射角度、並びに検査距離の各条件）下で、光学装置１１は、再度ＲＧＢ画像を取得し再度分光分析して、所定の輝度範囲内の波長スペクトルを得る（Ｓ６）。分析手段１６は、ステップＳ６にて得られた所定の輝度範囲内の波長スペクトルを、データライブラリ１７に格納された参照用波長スペクトルと比較して検査対象１の化学成分を分析し、検査対象１の材質を判定する（Ｓ７）。

【0031】

次に、光学装置１１の有効撮影範囲内において波長スペクトルが所定の輝度範囲外の領域について、光学装置１１が所定の輝度範囲内の波長スペクトルを分光分析により取得するまで、ステップＳ３～Ｓ７を繰り返す（Ｓ８）。

【0032】

ステップＳ７において検査対象１の材質を判定した後、検査対象１の次の新たな検査領域を光学装置１１の視野に収めるように、調整手段１５からの動作指定により、移動ステージ１４が検査対象１を水平方向に移動させる（Ｓ９）。そして、上述の新たな検査領域に対してステップＳ１～Ｓ９を繰り返す（Ｓ１０）。ステップＳ９の後、検査対象１の全ての検査領域に対して検査を実行したか否かを判断し、実行した場合には終了し、実行してない場合にはステップＳ１～Ｓ１０を繰り返す（Ｓ１１）。

【0033】

以上に構成されたことから、本実施形態によれば、次の効果（１）及び（２）を奏する。
（１）分析手段１６が、所定の輝度範囲内の波長スペクトルに基づいて検査対象１の化学成分を分析し、検査対象１の材質を判定することから、検査対象１の材質判定を高精度に実現することができる。

【0034】

（２）分析手段１６は、調整手段１５との協働によって、光学装置１１からの波長スペクトルが所定の輝度範囲外で観測されるピクセル数を最小化するように、検査対象１の表面１Ａと光学装置１１間の検査距離、照明手段１２の設置位置及び光の照射角度の各条件を決定する。そして、この決定された条件下で光学装置１１が再度画像を取得して分光分析し、この再度の分光分析により得られた所定の輝度範囲内の波長スペクトルに基づいて、分析手段１６が検査対象１の材質を判定している。このため、様々な表面形状の検査対象１に対しても、例えば光学装置１１の内部機器等を交換することなく、検査対象１の材質を効率的に判定することができる。

【0035】

以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができ、また、それらの置き換えや変更、組み合わせは、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0036】

１…検査対象、１Ａ…表面、１０…表面検査装置、１１…光学装置、１２…照明手段、１３…距離センサ、１４…移動ステージ、１５…調整手段、１６…分析手段、１７…データライブラリ、１８…表示器

【図1】

【図2】