JP5082552B2

JP5082552B2 - 光学的測定装置及び光学的測定方法

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Publication number: JP5082552B2
Application number: JP2007099230A
Authority: JP
Inventors: 智秀水越
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2007-04-05
Filing date: 2007-04-05
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2027-04-05
Also published as: JP2008256539A

Description

本発明は、搬送される測定対象物の表面の状態を連続的に測定する光学的測定装置及び光学的測定方法に関するものである。

従来より、透明なガラス基板や平滑な板材の表面の欠陥や異物を検出し、検査をおこなう光学的測定装置が知られている。

この光学的測定装置は、測定対象物の表面に斜め上方から、レーザ光を照射し、表面に付着した異物による散乱光を結像光学系により受光素子に導き、受光素子出力から異物の存在を検知するものである。

このような光学的測定装置として、透明な測定対象物の表面に斜め上方から、レーザ光を照射し、表面と裏面からのそれぞれの散乱光を結像光学系により異なる２つのラインセンサに導き、２つのセンサ出力から表裏判定処理を行い、表面のデータと裏面のデータを生成するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００４−３７４００号公報

しかしながら、上記特許文献１のように、集光光学系として通常の結像光学系とラインセンサを用いた受光部で散乱光の集光及び受光を行う場合には、以下のような問題がある。

図９は、従来の光学的測定装置の問題点を示す図である。

同図に示す、１００は測定対象物、２００は倍率ｍの通常の結像光学系、３００はラインセンサである。ラインセンサ３００は紙面表裏方向に個々のセンサが１次元的に並べられて配置されている。実線で示す位置にある、表面が平滑な測定対象物１００にレーザ光を入射角θで照射した場合、異物がない場合には図示矢印方向に反射する。このとき、異物があると、その散乱光は結像光学系２００により導かれラインセンサ３００上に結像し、異物の存在を検知することができる。

一方、測定対象物１００がｄだけ変位し、破線で示す１００′の位置にずれた場合、レーザ光はｄ・ｔａｎθずれた位置に照射される。このずれた照射位置での異物の散乱光は結像光学系２００によってラインセンサ３００の中心からラインに直交する方向に、ｍ・ｄ・ｔａｎθだけずれた位置に結像し、場合によってはラインセンサから外れた位置となって、正確な異物の検出を行えなくなる問題がある。

即ち、従来の光学的測定装置においては、測定対象物と結像光学系の距離がばらつくと、レーザ光の照射される位置にずれを生じ、これにより異物からの散乱光の結像位置及び結像状態も敏感に変化し検出結果に誤りを生じることになる。また、受光部にエリアセンサを用いたとしても、受光はできるが、結像状態が変化してボケ像となり、検出感度が低下して、検出結果に誤りを生じることになる。この問題は、測定対象物が樹脂シート等の柔らかく可撓性を有するものの場合、被測定領域の定位がより難しくなり、大きな問題となる。

加えて、通常の結像光学系の場合、結像光学系の倍率が高いと分解能を上げられるが、ラインセンサの長さに比べ被測定領域の長さが短くなり、測定時間に長時間を要するものとなる。一方、結像光学系の倍率が低いと、非測定領域の長さに比べラインセンサの長さは短くてよいが、集光力や分解能が低下し充分な検出力が得られなくなる問題がある。

本発明は上記問題に鑑み、測定対象物と結像光学系の距離にばらつきが生じても、正確に異物の存在を検知でき、受光部が小さくても被測定領域を充分に長くすることのできる光学的測定装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的は、下記に記載する発明により達成される。

１．搬送される測定対象物の表面の被測定領域にレーザ光を照射する光照射部と、前記測定対象物の表面での散乱光を集光する集光光学系と、該集光光学系を介して前記散乱光を受光する受光部と、を有する光学的測定装置において、前記測定対象物を湾曲させ、前記レーザ光を前記測定対象物の接線方向から照射するようにし、前記集光光学系は、前記測定対象物の搬送方向の断面が曲面で形成された第１のレンズと、搬送方向に直交する断面が曲面で形成された第２のレンズとを少なくとも有し、前記第１のレンズを前記測定対象物に近い側に配置し、前記第２のレンズを前記受光部に近い側に配置するとともに、前記測定対象物の被測定領域と前記受光部との距離をＬとしたとき、前記測定対象物の搬送方向の断面での焦点距離をＬ／４、搬送方向に直交する断面での焦点距離をＬ／２、としたことを特徴とする光学的測定装置。

２．前記測定対象物は、円筒状のローラの外形に沿って湾曲させられることを特徴とする１に記載の光学的測定装置。

３．前記レーザ光は、前記被測定領域では前記測定対象物の厚さより薄く絞られていることを特徴とする１又は２に記載の光学的測定装置。

４．前記光照射部は走査光学系であり、前記受光部は単一の受光素子で構成されていることを特徴とする１〜３のいずれかに記載の光学的測定装置。

５．１〜４のいずれかに記載の光学的測定装置を用いた光学的測定方法において、可撓性を有する前記測定対象物を湾曲させ、前記光照射部を作動させ、前記測定対象物の湾曲部の接線方向から前記レーザ光を照射し、前記集光光学系により前記測定対象物の表面での前記散乱光を集光し、集光された前記散乱光を前記受光部で受光し、その光量に基づいて前記測定対象物の表面の状態を判定することを特徴とする光学的測定方法。

本発明によれば、測定対象物と結像光学系の距離にばらつきが生じても、正確に異物の存在を検知でき、受光部が小さくても被測定領域を充分に長くすることのできる光学的測定装置を提供することが可能となる。

以下、実施の形態により本発明を詳しく説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１は、本実施の形態に係る光学的測定装置１の全体の概略構成を示すブロック図である。

同図に示すように、光学的測定装置１は、測定対象物１００に光を照射する光照射部１０、測定対象物１００を搬送する例えばモータ等で構成された搬送部１１０、測定対象物１００の搬送部１１０による搬送量を制御部６０にフィードバックするためのエンコーダ１２０、測定対象物１００上の異物による散乱光を集光する集光光学系２０、集光光学系２０により集光された散乱光を受光する受光部３０、受光部３０からのアナログ出力をＡ／Ｄ変換しデジタルデータ化するＡ／Ｄ変換部４０、Ａ／Ｄ変換されたデータから異物の存在を判別する判定部５０、得られた結果を表示する表示部７０で構成されている。

制御部６０は、所定の動作プログラムを記憶したＲＯＭ及びワークエリアとしてのＲＡＭを含み、光照射部１０、搬送部１１０、受光部３０、Ａ／Ｄ変換部４０、判定部５０、表示部７０を制御するようになっている。なお制御部６０及び判定部５０は、パーソナルコンピュータを用いて構成するのが好ましい。

（第１の実施の形態）
図２は、第１の実施の形態に係る光学的測定装置１の光学構成を示す斜視図である。なお、以下の図においては、説明の重複を避けるため同機能部材には同符号を付与して説明する。

同図に示すように、測定対象物１００は、可撓性を有する長尺のシート材であり、搬送ローラ１１１、１１２、１１３等により図示矢印方向に搬送されるようになっている。

光照射部１０は、光源であるレーザ光を発振する半導体レーザ１１及び、半導体レーザ１１の前方に配置されたシリンドリカルレンズ１２、１３、１４を有している。シリンドリカルレンズ１２、１３、１４により、半導体レーザ１１からの光束は図示Ｈの幅に平行に広げられると共に、測定対象物１００の厚み方向では測定対象物１００の厚みより薄くなるように集光させられている。このシリンドリカルレンズ１２、１３、１４のうちの少なくとも１つの面は非球面で形成されていることが好ましい。なお、光源は小型化のできる半導体レーザを用いることが好ましいが、その他のレーザ光源、例えば、ガスレーザ、色素レーザ等であってもよい。

被測定領域は、搬送ローラ１１２に沿って湾曲されたシート材の測定対象物１００の表面の一点鎖線で示す位置であり、図示の如く、半導体レーザ１１からの光束は測定対象物１００の湾曲部に接線方向から照射されるようレイアウトされている。

集光光学系２０は、一点鎖線で示す被測定領域に対向してシリンドリカルレンズ２１、２２を有している。測定対象物１００に近い側に配置されたシリンドリカルレンズ２１は、測定対象物１００であるシート材の搬送方向での断面が曲面に形成されたレンズである。受光部３０に近い側に配置されたシリンドリカルレンズ２２は、シート材の搬送方向に直交する断面が曲面に形成されたレンズである。

即ち、シリンドリカルレンズ２１は測定対象物１００の搬送方向に屈折力を有し、シリンドリカルレンズ２２が搬送方向に直交する方向に屈折力を有している。更に、集光光学系２０のシリンドリカルレンズ２１とシリンドリカルレンズ２２は、異なる屈折力を有している。このシリンドリカルレンズ２１、２２のうちの少なくとも１つの面は非球面で形成されていることが好ましい。

受光部３０は、図２に示す例では測定対象物１００の搬送方向に直交する方向に個々のセンサが１次元的に並べられたラインセンサである。なお、ラインセンサとしては、ＣＣＤ型ラインセンサや１次元フォトダイオードアレイ等が適用可能である。

図３は、図２に示す光学的測定装置１の光照射部１０、測定対象物１００、集光光学系２０の配置を示す図である。同図（ａ）は光学的測定装置１を測定対象物１００の搬送方向に直交する方向から見た図であり、同図（ｂ）は光学的測定装置１を測定対象物１００の搬送方向下流側から見た図である。

同図（ａ）に示すように、測定対象物１００は円筒状の搬送ローラ１１２の外形に沿って湾曲させられる。半導体レーザ１１からの光束は、湾曲した測定対象物１００に対し、接線方向から照射される。この光束は、シリンドリカルレンズ１２、１３、１４により、同図（ｂ）で示すように幅Ｈに広げられている。また、同図（ａ）に示すように、測定対象物１００の厚み方向では測定対象物１００の厚みｔより薄く、搬送ローラ１１２の偏芯量よりは大きな厚い光束となるように絞られていることが、測定対象物の裏面側の影響を抑制する点で好ましい。

また、集光光学系２０は、図示の如く測定対象物１００と受光部３０との距離をＬとした場合、シリンドリカルレンズ２１の焦点距離は略Ｌ／４となるよう形成されると共に、略Ｌ／２となる位置に配置されている。シリンドリカルレンズ２２は、焦点距離は略Ｌ／２となるよう形成されており、略Ｌ／２の位置よりも、受光部３０に近い側に配置されている。

これにより、同図（ａ）に示す測定対象物１００の搬送方向では倍率が略等倍（１倍）で、同図（ｂ）の搬送方向に直交する幅Ｈの被測定領域は、受光部３０上で図示幅ｈに縮小（倍率ｈ／Ｈ）されて結像される。例えば、同図（ｂ）に示すように被測定領域の幅方向の中心からＨａの距離であるＡの位置に異物或いは傷等がある場合、この異物或いは傷等による散乱光はシリンドリカルレンズ２１及びシリンドリカルレンズ２２により導かれ、受光部３０であるラインセンサの中心からの距離ｈａ＝Ｈａ・ｈ／Ｈの位置に集光されることになる。即ち、ラインセンサを構成するセンサのうち、いずれの出力が高いか否かを判定することで、幅Ｈの被測定領域のいずれの位置に異物が付着しているかを判定することができる。

このように、測定対象物を搬送ローラの外形に沿って湾曲させ、半導体レーザからの光束を測定対象物の接線方向から照射するよう構成することにより、たとえ搬送ローラが微小に偏芯し被測定領域が変位したとしても、被測定領域であるレーザ光束の照射される位置は、搬送方向にずれることがなく、集光光学系との距離が微小に変化するのみとなる。これにより、被測定領域からの散乱光の結像位置とラインセンサの受光ラインとにずれを生じることがなくなり、異物の存在を正確に検知できる光学的測定装置とすることができる。この構成で、測定対象物を順次搬送し測定することで、広範囲の被測定領域に対し異物の存在を正確に検知できる光学的測定装置とすることができる。

更に、集光光学系は、測定対象物の搬送方向と、搬送方向に直交する方向とで異なる屈折力を有するよう構成し、搬送方向断面での倍率を高く、搬送方向に直交する断面での倍率を低く設定することで、受光部が小さくても被測定領域の長手方向を充分に長くでき、広範囲を短時間で効率的に測定できる光学的測定装置とすることができる。

図４は、第１の実施の形態に係る光学的測定装置１の変形例を示す斜視図である。同図については、図２で示した光学的測定装置１と異なる部分についてのみ説明する。

同図に示す光学的測定装置１は、図２に示す光照射部１０のうちシリンドリカルレンズ１４を省略したものである。

半導体レーザ１１からの光束は、測定対象物１００の搬送方向に直交する方向に広がりながら、測定対象物１００の図示Ｈの幅に照射されると共に、測定対象物１００の厚み方向では測定対象物１００の厚みより薄くなるように集光させられる。このシリンドリカルレンズ１２、１３のうちの少なくとも１つの面は非球面で形成されていることが好ましい。

同図に示す構成は、一点鎖線で示した被測定領域での異物による散乱光に指向性がなく均等に散乱する場合に好適な構成であり、このようにすることで、構成が簡素となり、より低コストの光学的測定装置とすることができる。

（第２の実施の形態）
図５は、第２の実施の形態に係る光学的測定装置１の光学構成を示す斜視図である。同図に示す光学的測定装置１は、光照射部１０に回転多面鏡を用いた走査光学系を用い、受光部３０は分割されていない単一の受光素子、例えばフォトダイオードとしたものである。同図についても、図２に示した光学的測定装置１と異なる部分についてのみ説明する。

同図に示す光照射部１０は走査光学系である。半導体レーザ１１から発振された光束は、不図示のコリメータレンズで平行光とされた後、シリンドリカルレンズ１５を経て回転多面鏡１６で走査され、ｆθレンズ１７により測定対象物１００上の位置Ｈｓから位置Ｈｅまでの一点鎖線で示す幅Ｈの被測定領域に照射される。この場合も、湾曲した測定対象物１００に対し、接線方向から照射されることは同様であり、照射される光束は被測定領域では測定対象物の厚みより薄く絞られていることが好ましい。１８は初期位置検出用の反射鏡であり、１９は反射鏡１８からの光束を受光する受光素子である。この受光素子１９の信号出力で、回転多面鏡１６の初期位置検知を行う。なお、一点鎖線で示す幅Ｈの被測定領域に対し、光束が被測定領域Ｈに直交して照射するよう、ｆθレンズ１７と測定対象物１００の間にシリンドリカルレンズを配置した構成でもよい。

また、本例のような構成の場合、受光部３０は上述のラインセンサ、１次元フォトダイオードアレイ等である必要はなく、単一の受光素子で構成することができる。

図６は、第２の実施の形態に係る光学的測定装置１の異物の有る場合と無い場合の受光部３０の状態を示すタイミングチャートである。以下、同図を用いて、第２の実施の形態に係る光学的測定装置１の異物の検出について説明する。

同図に示す受光部３０の出力は、ａで示した状態は異物が無い場合を示し、同図のｂで示した状態は異物が有る場合を示したものである。

同図に示すように、光照射部１０に配置された受光素子１９からの出力により、回転多面鏡１６の回転状況を検知することで、測定対象物１００の幅Ｈの被測定領域へのレーザ光の走査タイミングを知ることができる。同図では、受光素子１９の出力の立ち下がりから時間ｔ₀経過後に幅Ｈの被測定領域へのレーザ光の走査が開始され、被測定領域のＨｓからＨｅまでを時間ｔ₁で走査している。

このとき、幅Ｈの被測定領域に異物が無い場合には、単一のフォトダイオードで構成された受光部３０の出力は、散乱光が無いためノイズレベルの出力となる（ａで示した状態）。一方、幅Ｈの被測定領域に異物が有る場合には、散乱光を受光し、フォトダイオード出力が走査時間ｔ₁内で高い値となる（ｂで示した状態）。このフォトダイオード出力が所定の値より高くなることにより、被測定領域に異物が存在することが判定できる。更に、Ｈｓからの経過時間ｔ₂と走査時間ｔ₁から、位置Ｈｓから異物まで距離は、Ｈ・ｔ₂／ｔ₁で求めることができる。

このような構成でも、上記第１の実施の形態の光学的測定装置と同様の効果を得ることができる。

即ち、光照射部を走査光学系とし、受光部を単一の受光素子とすることにより、受光部側の複雑なアライメント調整を必要とせず、受光素子上に散乱光を導くだけで、異物の検出のみならず、その位置まで判定することが可能な光学的測定装置とすることができる。なお、上記の第２の実施の形態では、単一の受光素子としてフォトダイオードを例にとって説明したが、これに限るものでなく、その他の受光素子、例えば光電子増倍管等を用いて構成してもよい。

また、光照射部を走査光学系として、受光部にラインセンサ、１次元フォトダイオードアレイ等を適用した構成も可能である。

図７は、集光光学系２０の他の変形例を示す図である。同図は、図２、図４、図５に示した集光光学系２０を構成するシリンドリカルレンズ２１、２２を一体で形成したものである。同図に示す集光光学系２０も、測定対象物側の面を測定対象物１００の搬送方向に屈折力を有するよう形成し、受光部側の面を測定対象物１００の搬送方向に直交する方向に屈折力を有するよう形成されている。このような集光光学系２０は、樹脂材料で一体成形することにより、容易に非球面化、低コスト化することができる。

図８は、集光光学系２０の他の変形例を示す図である。同図に示す集光光学系２０は、シリンドリカルレンズ２１の倍率を上げ、より測定対象物１００に近接させて配置したものである。このような配置とすることで、図２、図４、図５に示した集光光学系２０よりもシリンドリカルレンズ２１の入射側の開口数を大きくすることができ、集光力を向上させ、より微細な異物の検出が可能な光学的測定装置とすることができる。

なお、上記第１及び第２の実施の形態で説明した光照射部１０に光源として用いられる、半導体レーザから発振される光束の波長は、可視領域である４００ｎｍ〜８５０ｎｍが好ましい。可視領域の波長とすることで装置の調整等を容易とすることができる。また、上記の波長範囲のうち、より微細な異物を検出したい場合には短波長側の光源を用いることが好ましく、より低コストとしたい場合には汎用的な長波長側の光源を用いることが好ましく、目的に応じて適宜選択され使用されるものである。

本実施の形態に係る光学的測定装置の全体の概略構成を示すブロック図である。第１の実施の形態に係る光学的測定装置の光学構成を示す斜視図である。図２に示す光学的測定装置の光照射部、測定対象物、集光光学系の配置を示す図である。第１の実施の形態に係る光学的測定装置の変形例を示す斜視図である。第２の実施の形態に係る光学的測定装置の光学構成を示す斜視図である。第２の実施の形態に係る光学的測定装置の異物の有る場合と無い場合の受光部の状態を示すタイミングチャートである。集光光学系の他の変形例を示す図である。集光光学系の他の変形例を示す図である。従来の光学的測定装置の問題点を示す図である。

符号の説明

１光学的測定装置
１０光照射部
１１半導体レーザ
１２、１３、１４、１５シリンドリカルレンズ
１６回転多面鏡
１７ｆθレンズ
２０集光光学系
２１、２２シリンドリカルレンズ
３０受光部
４０Ａ／Ｄ変換部
５０判定部
６０制御部
７０表示部
１００測定対象物
１１０搬送部
１１１、１１２、１１３搬送ローラ
１２０エンコーダ

Claims

搬送される測定対象物の表面の被測定領域にレーザ光を照射する光照射部と、前記測定対象物の表面での散乱光を集光する集光光学系と、該集光光学系を介して前記散乱光を受光する受光部と、を有する光学的測定装置において、
前記測定対象物を湾曲させ、前記レーザ光を前記測定対象物の接線方向から照射するようにし、
前記集光光学系は、前記測定対象物の搬送方向の断面が曲面で形成された第１のレンズと、搬送方向に直交する断面が曲面で形成された第２のレンズとを少なくとも有し、前記第１のレンズを前記測定対象物に近い側に配置し、前記第２のレンズを前記受光部に近い側に配置するとともに、前記測定対象物の被測定領域と前記受光部との距離をＬとしたとき、前記測定対象物の搬送方向の断面での焦点距離をＬ／４、搬送方向に直交する断面での焦点距離をＬ／２、としたことを特徴とする光学的測定装置。
前記測定対象物は、円筒状のローラの外形に沿って湾曲させられることを特徴とする請求項１に記載の光学的測定装置。
前記レーザ光は、前記被測定領域では前記測定対象物の厚さより薄く絞られていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学的測定装置。
前記光照射部は走査光学系であり、前記受光部は単一の受光素子で構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光学的測定装置。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の光学的測定装置を用いた光学的測定方法において、
可撓性を有する前記測定対象物を湾曲させ、
前記光照射部を作動させ、前記測定対象物の湾曲部の接線方向から前記レーザ光を照射し、
前記集光光学系により前記測定対象物の表面での前記散乱光を集光し、
集光された前記散乱光を前記受光部で受光し、その光量に基づいて前記測定対象物の表面の状態を判定することを特徴とする光学的測定方法。