JP2002116015A

JP2002116015A - 欠陥検出装置及び方法

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Publication number: JP2002116015A
Application number: JP2000305638A
Authority: JP
Inventors: Shintaro Tashiro; 慎太郎田代
Original assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2000-10-05
Filing date: 2000-10-05
Publication date: 2002-04-19
Anticipated expiration: 2020-10-05
Also published as: JP4495327B2

Abstract

(57)【要約】【課題】精度良く被検査物体の表面凹凸を検出する。【解決手段】周期的な明暗ストライプパターン(11)を
被検査物体(2)に照射する照明手段(1)と、前記被検査物
体を反射したパターンまたは透過したパターンを撮像す
る撮像手段(3)と、前記撮像手段におけるストライプパ
ターンの明暗画像のコントラスト変化に基づいて前記被
検査物体の欠陥を検出する検出手段(4)と、を備える欠
陥検出装置において、前記撮像手段が有するレンズ(31)
の焦点を、前記照明手段のストライプパターンの位置と
比較して遠方又は手前の位置にずらす。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、鏡面性あるいは透過性
を有する物体に存在する、表面凹凸、光学歪み等の欠陥
を検出する欠陥検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】連続的に生産される、金属板、不透明樹
脂板等の鏡面性を有する物体、または、透明フィルム、
透明樹脂板等の透明性を有する物体には、表面凹凸、光
学歪み等の欠陥が存在する場合がある。これらの欠陥を
検出する欠陥検出装置として、従来から、ライン状照明
装置とラインＣＣＤカメラを利用した欠陥検出装置が知
られている。例えば表面に存在する凹凸の検査では、物
体の流れ方向に対して垂直にライン状照明装置を配置
し、ライン状照明装置によって照明された物体からの反
射光をラインＣＣＤカメラで受光する。表面凹凸等の欠
陥により反射光が乱されると、欠陥部でのラインＣＣＤ
カメラの受光量が低下することを利用して連続的に物体
の表面凹凸等の欠陥を検出することが可能となる。しか
しながら、この方法では、緩やかな凹凸やラインＣＣＤ
カメラのスキャン方向に垂直な縦長の凹凸欠陥では受光
量がほとんど変化せず、欠陥部を検出できないという問
題があった。

【０００３】板状物体の表面形状を簡便に、かつ精度良
く評価する方法として特開平１１-１４８８１３号公報
に記載された方法がある。この方法では、例えば明暗が
チェッカーパターン状になっている面光源から被評価物
体に光を投射し、被評価物体からの透過光または反射光
をＣＣＤカメラ等の撮像素子で受光し、受光に基づく電
気信号を処理して表面形状を評価する。被評価物体がま
ったく平坦であれば、受光に基づく電気信号から得られ
るパターンの明暗周期は変化することはない。被評価物
体に表面変形があると、表面変形部分でパターンの明暗
周期が変化する。このパターンの明暗周期のずれ量を測
定することにより、精度良く表面形状を評価することが
可能となる。ここで、明暗周期のずれ量は、被評価物体
に照射されたパターンの明暗周期の１ピッチに対応した
サイズの受光画像における領域の明暗を平均化し、平均
化された信号の振幅の変動により測定される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、前記の装置で
は、明暗周期のずれ量のみを評価の対象としているた
め、被評価物体が全く平坦な場合のずれ量をゼロとする
ためには、パターンの明暗周期の１ピッチに対応したサ
イズの受光画像における領域が、撮像素子の最小受光単
位（画素サイズ）の整数倍に対応するように、極めて精
度良く調整する必要があるという問題がある。

【０００５】また、従来から、パターンのコントラスト
変化を検出する装置もあるが、このような装置では、正
常部でのコントラストが最大になるようにセッティング
されていることから、緩やかな表面凹凸ではコントラス
トがほとんど変化せず、表面凹凸を検出できないという
問題がある。本発明の目的は、こうした従来の装置の問
題点を解決し、光学系を精度よくセッティングしなくて
も、極めて精度良く被検査物体の表面凹凸を検出可能な
装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明による欠陥検出装置は、周期的な明暗ストラ
イプパターンを被検査物体に照射する照明手段と、前記
被検査物体を反射したパターンまたは透過したパターン
を撮像する撮像手段と、前記撮像手段におけるストライ
プパターンの明暗画像のコントラスト変化に基づいて前
記被検査物体の欠陥を検出する検出手段と、を備える欠
陥検出装置において、前記検出手段は、コンパレータ、
及び画像膨張回路を備えることを特徴とする。前記検出
手段は、更に、第２のコンパレータ、及び画像収縮回路
を備えてもよい。

【０００７】本発明による欠陥検出方法は、照明装置か
ら周期的な明暗ストライプパターンを被検査物体に照射
し、撮像装置が有するレンズの焦点を、前記照明装置の
ストライプパターンの位置と比較して遠方あるいは手前
の位置にずらし、前記被検査物体を反射したパターンま
たは透過したパターンを前記撮像装置により撮像し、撮
像したストライプパターンのコントラスト変化を表す画
像信号に基づいて、前記被検査物体の凹凸を検出する、
ステップを備える。

【０００８】また、前記撮像手段が有するレンズの焦点
をずらすステップは、前記被検査物体が正常な場合の前
記撮像手段における明暗ストライプパターンのコントラ
ストが、前記照明手段のストライプパターンの位置に合
わせた場合と比較して１／４〜３／４になるように、前
記照明手段のストライプパターンの位置の遠方あるいは
手前にずらしてもよい。

【０００９】また、前記被検査物体の凹凸を検出するス
テップは、前記画像信号を第１の基準電圧と比較し、前
記画像信号が前記第１の基準電圧より大きい部分を二値
の一方の値に設定し、前記一方の値の部分を所定の距離
だけ横方向に拡大処理し、拡大処理後に前記一方の値を
とる部分を凸部又は凹み部と検出しても良い。また、前
記被検査物体の凹凸を検出するステップは、前記画像信
号を第２の基準電圧と比較し、前記画像信号が前記第２
の基準電圧より大きい部分を二値の一方の値に設定し、
前記一方の値の部分を所定の距離だけ横方向に縮小処理
し、縮小処理後に前記一方の値をとる部分を凸部又は凹
み部と検出しても良い。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
によって説明する。図１は本発明による欠陥検出装置の
一構成例を示す構成図である。［照明手段］照明装置１は、周期的な明暗ストライプパ
ターンを有する光を被検査物体に照射するための装置で
あり、一般的に使用される蛍光灯等の光源に、透明部と
不透明部とからなるストライプパターン１１を施した前
面カバーを用いる。透明／不透明のストライプパターン
の周期は、検出したい凹凸欠陥や光学歪欠陥のサイズよ
り小さくすることが望ましい。

【００１１】［被検査物体］被検査物体２は、金属板、
樹脂板、ガラス板等の鏡面性または透過性を有する平面
を持つ物体である。図１に示すのは反射方式であり、照
明装置１により照射された明暗ストライプパターンを有
する光は、被検査物体２の表面に２１で示す線状に投影
される。被検査物体２の表面で反射した光を撮像装置３
で検出する。被検査物体２を矢印Ａで示す方向に連続的
に移動させながら、表面凹凸を検出することが出来る。
また、透明体の場合は被検査物体を透過して映し出され
るストライプパターンを撮像する透過方式により、表面
凹凸を検出することができる（図示せず）。また、例え
ば、一面側が非常に微細なマット加工を施してある透明
樹脂シートの場合、透過方式では鏡面側の凹凸欠陥が検
出できないので、鏡面側の凹凸欠陥を反射方式で検査す
る場合もある。

【００１２】［撮像手段］被検査物体２で反射した明暗
ストライプパターンは撮像装置３により受光され画像信
号に変換される。撮像装置３としては、一般的にＣＣＤ
カメラが使用され、特に被検査物体２が一方向に移動す
る場合には一次元ＣＣＤカメラが使用される。撮像装置
３では、結像レンズ３１により、被検査物体２の表面で
反射した明暗ストライプパターンをＣＣＤ素子３２に結
像する。ＣＣＤ素子３２に結像された明暗ストライプパ
ターンの１周期は、ＣＣＤ素子の最小受光単位（画素サ
イズ）の８倍以上であることが望ましい。

【００１３】図２は、上の図は透明／不透明ストライプ
パターン１１、中間の図は被検査物体２の断面を表す。
図２の下の図は、被検査物体２の表面で反射した光を撮
像装置３で検出し、撮像装置３から出力される画像信号
を表した図である。ここで、横軸は被検査物体２表面上
の線２１上の位置を表す。縦軸は画像信号の電圧を表
す。被検査物体が全く平坦な場合には、図２に示すよう
に、ストライプパターン１１に対応した一定周期のパタ
ーンが得られる。ａは、撮像手段から得られる画像信号
の最大電圧、ｂは最小電圧である。撮像装置から得られ
る画像信号が図２のようになった場合、画像信号のコン
トラストを、（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）と定義する。

【００１４】（１）最もコントラストが大きくなるの
は、結像レンズ３１の焦点を照明装置１のストライプパ
ターンの位置に合わせた場合である。このとき、撮像装
置から得られる画像信号を図３に示す。この場合、被検
査物体２の平面が全く平坦な場合にコントラストが最大
になるので、被検査物体２に凹凸欠陥があった場合、明
暗ストライプパターンの周期変化は起こるが、これ以上
コントラストが大きくなることはない。

【００１５】（２）図４は、結像レンズ３１の焦点を照
明装置１のストライプパターンの位置と比較して手前に
ずらし、結像レンズ３１の焦点を照明装置１のストライ
プパターンの位置に合わせた場合と比較して、コントラ
ストが１／２になるような位置に結像レンズ３１を置い
た場合を表す。図２、３と同様に、上の図はストライプ
パターン１１、中間の図は被検査物体２の断面を表す。
図４（ａ）の下の図は、被検査物体２表面が平坦な場合
において、撮像装置から得られる画像信号を示す。画像
信号は一定の周期と振幅で変化することが分かる。図４
（ｂ）に、被検査物体２に凹凸がある場合に撮像装置か
ら得られる画像信号を示す。この場合、被検査物体２の
凹み部２３において、画像信号は、５１で示すように明
暗周期が長くなりコントラストが低下する。また、凸部
２４において、画像信号は、５２で示すように明暗周期
が短くなりコントラストが大きくなる。

【００１６】（３）図示しないが、逆に、結像レンズ３
１の焦点を照明装置１のストライプパターン１１の位置
と比較して遠方にずらし、結像レンズ３１の焦点を照明
装置１のストライプパターン１１の位置に合わせた場合
と比較して、コントラストが１／２になるような位置に
結像レンズ３１を置いた場合には、被検査物体２に凹み
部２３があると、明暗周期は長くなりコントラストは大
きくなる。また、凸部２４では明暗周期が短くなりコン
トラストは低下する。

【００１７】つまり、焦点位置をずらし、正常状態での
コントラストを意識的に低下させておくことにより、凹
み部と凸部の欠陥があると、コントラストが顕著に変化
する。ここでは、コントラストが１／２になるようにレ
ンズの焦点位置をずらした場合を例にとったが、コント
ラストを丁度１／２にする必要はない。凹み部と凸部の
どちらでもコントラスト変化を得るためには、コントラ
ストが１／４〜３／４となる位置に焦点をずらすのが適
当である。

【００１８】［検出手段］図５、図６、及び図７を用い
て、処理装置４の一例を説明する。図５は、処理装置４
の一構成例である。撮像装置からの画像信号S１は、コ
ンパレータ４１に与えられる。コンパレータ４１では、
基準電圧Ｖ_r1と入力信号とを比較する。ここに、基準電
圧Ｖ_r1は、被検査物体２の平坦部ではＶ_r1を超えず、凹
み部又は凸部でのみＶ_r1を超えるようなレベルに設定す
る。基準電圧Ｖ_r1より入力信号の電圧の方が高い部分を
１、入力電圧の方が低い部分を０に２値化する。そし
て、その位置情報をコンパレータ信号Ｓ４１として出力
する。図６は、ストライプパターン１１を通り、凹み部
２３と凸部２４を有する被検査物体２で反射した光を処
理装置４により処理した信号を表す。図６（ａ）は、撮
像装置３から得られる画像信号Ｓ１を表す。Ｖ_r1を図６
（ａ）に示すような電圧レベルにセットした場合、凸部
２４に対応する画像信号５２に対応する部分のみがＶ_r1
を超えるので１にセットされる。その結果、コンパレー
タ４１から図６（ｂ）に示すようなコンパレータ信号Ｓ
４１が出力される。

【００１９】次に、コンパレータ信号Ｓ４１は画像膨張
回路４２に入力される。画像膨張回路４２では、入力さ
れたコンパレータ信号Ｓ４１を指定された幅だけ両側に
膨張する。画像膨張回路４２から出力される位置信号Ｓ
４２は、図６（ｃ）に示すようになる。例えば、明暗周
期の３／４倍に相当する幅を指定すると、同一の凸部に
より生じた値が１の複数の部分５３は１つに結合され
て、５４のようになる。画像膨張回路４２からの位置信
号Ｓ４２は、凸部のみで１をとる。こうして、凸部が存
在することを検出することが可能となる。

【００２０】また、撮像装置からの画像信号S１は、コ
ンパレータ４３にも与えられる。コンパレータ４３で
は、基準電圧Ｖ_r2と入力信号とを比較する。Ｖ_r2は、被
検査物体２の平坦部ではＶ_r2より低くなる部分がある
が、凹み部又は凸部でのみＶ_r2より低くなることがない
ようなレベルに設定する。基準電圧Ｖ_r2より入力信号の
電圧の方が高い部分を１、入力電圧の方が低い部分を０
に２値化して、コンパレータ信号Ｓ４３として出力す
る。Ｖ_r2を図７（ａ）に示すような電圧レベルにセット
した場合、コンパレータ４３からのコンパレータ信号Ｓ
４３は、図７（ｂ）に示すようになる。凹み部２３に対
応する画像信号５１に対応する部分のみで、コンパレー
タ信号Ｓ４３は、広い範囲で１をとる。

【００２１】次に、このコンパレータ信号Ｓ４３は画像
収縮回路４４に入力される。画像収縮回路４３では、入
力されたコンパレータ信号Ｓ４３を指定された幅だけ収
縮して、位置信号Ｓ４４を出力する。例えば、明暗周期
の３／４倍に相当する幅を指定すると、平坦部の位置信
号Ｓ４４は全て０になり、凹み部の位置信号Ｓ４４だけ
が１として残る（図７（ｃ））。こうして、凹み部が存
在することを検出することが可能となる。このように、
処理装置４では、凹み部２３、凸部２４を検出すること
が出来る。明暗画像のコントラスト変化が設定値以上に
なった場合に欠陥と判定する。処理装置４の構成は、こ
こに記載した以外に多数考えられる。

【００２２】

【実施例】以下、本発明の一実施例を説明する。照明装
置１としては、光源として約３０ｋＨｚの高周波点灯２
０Ｗ蛍光灯を使用し、蛍光灯具のカバーガラスに透明／
不透明周期８００μｍ（透明部４００μｍ、不透明部４
００μｍ）のストライプパターン１１を施した物を使用
した。被検査物体２としては、厚み約２００μｍの透明
樹脂シートを使用した。撮像装置３としては、三菱レイ
ヨン（株）製の５０００画素ラインＣＣＤカメラ（ＳＣ
Ｄ−５０００Ａ）を、結像レンズ３１には一眼レフ用の
５０ｍｍマクロレンズを使用した。

【００２３】そこで、本実施例では、反射照明方式で照
明装置１と撮像装置３をセッティングし、被検査物体２
である樹脂シートの鏡面側に存在する凹凸欠陥の検出を
行った。本実施例では、被検査物体２と明暗ストライプ
パターン１１との距離を５０ｍｍ、ラインＣＣＤカメラ
の結像位置と被検査物体２との距離を４１５ｍｍ、反射
角度は検査物体の法線から２０度としてセッティングし
た。このセッティングでカメラの幅分解能は約５０μｍ
となる。

【００２４】この装置を使用して、直径約４ｍｍ、高さ
約５０μｍの凸部２４、及び、直径約４ｍｍ、高さ約５
０μｍの凹み部２３を撮像したときの画像波形を、図８
〜図１０に示す。図８は、明暗ストライプパターン１１
と、凹み部２３、凸部２４を有する被検査物体２の断面
図である。図９は、明暗ストライプパターンの位置に焦
点を合わせた場合の画像信号の波形である。凸部２４、
凹み部２３においてわずかな周期変化が生じているが、
コントラストに大きな変化は現れていない。

【００２５】図１０は、焦点を明暗ストライプパターン
の位置に合わせたときと比較して、正常部のコントラス
トが約１／２になるように、焦点を手前にずらした場合
の画像信号Ｓ１の波形で、凹み部２３ではコントラスト
が低下し、凸部２４ではコントラストが大きくなってい
る。図１０の画像について、しきい値Ｖ_r1、Ｖ_r2を設定
し、Ｖ_r1より電圧の高いデータに関して、コンパレータ
信号Ｓ４１を１にセットし、さらに１ｍｍの画像膨張を
行って得られた位置信号Ｓ４２を図１１（ａ）に示す。
また、Ｖ_r2より電圧の高いデータに関して、コンパレー
タ信号Ｓ４３を１にセットし、さらに１ｍｍの画像収縮
を行った得られた位置信号Ｓ４４を図１１（ｂ）に示
す。画像膨張を行うことにより、凸部２４のみを検出す
ることができ、また、画像収縮を行うことで、凹み部２
３のみを検出することができた。

【００２６】図１２は、焦点を明暗ストライプパターン
の位置に合わせたときと比較して、正常部のコントラス
トが約１／２になるように、焦点を遠方にずらした場合
の画像信号Ｓ１の波形である。焦点を近くにずらした場
合とは逆に、凹み部２３ではコントラストが大きくな
り、凸部２４ではコントラストが低下している。この画
像信号により、凹み部と凸部を検出することも出来る。

【００２７】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、光学系を精度よくセッティングしなくても、
極めて精度良く被検査物体の表面凹凸等の欠陥を検出す
ることが出来る。更に、凹み部と凸部ではコントラスト
が逆方向に変化するので、従来困難であった、凹み部と
凸部の判別も可能となるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による欠陥検出装置の一構成例を示す構
成図である。

【図２】コントラストの定義を示す説明図である。

【図３】焦点位置を明暗パターンに合わせた場合の一例
を示す波形図である。

【図４】焦点位置を手前にずらした場合の一例を示す波
形図である。（ａ）は、検査物体が正常な場合、（ｂ）
は、検査物体に凹凸が存在した場合の一例を示す波形図
である。

【図５】処理装置の一構成例を示すブロック図である。

【図６】処理装置の動作を示す説明図である。

【図７】処理装置の動作を示す説明図である。

【図８】本発明の一実施例によるストライプパターンと
被検査物体の断面図である。

【図９】本発明の一実施例で得られた、焦点位置を明暗
パターンに合わせた場合の波形図である。

【図１０】本発明の一実施例で得られた、焦点位置を手
前にずらした場合の波形図である。

【図１１】本発明の一実施例で得られた、位置信号の波
形図である。

【図１２】本発明の一実施例で得られた、焦点位置を遠
方にずらした場合の波形図である。

【符号の説明】

１照明装置１１ストライプパターン２被検査物体２３凹み部２４凸部３撮像装置３１結像レンズ３２ＣＣＤ素子４処理装置４１コンパレータ４２画像膨張回路４３コンパレータ４４画像収縮回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】周期的な明暗ストライプパターンを被検
査物体に照射する照明手段と、前記被検査物体を反射し
たパターンまたは透過したパターンを撮像する撮像手段
と、前記撮像手段におけるストライプパターンの明暗画
像のコントラスト変化に基づいて前記被検査物体の欠陥
を検出する検出手段と、を備える欠陥検出装置におい
て、前記検出手段は、コンパレータ、及び画像膨張回路を備
えることを特徴とする欠陥検出装置。
【請求項２】請求項１記載の欠陥検出装置において、
前記検出手段は、更に、第２のコンパレータ、及び画像
収縮回路を備えることを特徴とする欠陥検出装置。
【請求項３】照明装置から周期的な明暗ストライプパ
ターンを被検査物体に照射し、撮像装置が有するレンズの焦点を、前記照明装置のスト
ライプパターンの位置と比較して遠方あるいは手前の位
置にずらし、前記被検査物体を反射したパターンまたは透過したパタ
ーンを前記撮像装置により撮像し、撮像したストライプパターンのコントラスト変化を表す
画像信号に基づいて、前記被検査物体の凹凸を検出す
る、ステップを備えることを特徴とする欠陥検出方法。
【請求項４】請求項３記載の欠陥検出方法において、
前記撮像手段が有するレンズの焦点をずらすステップ
は、前記被検査物体が正常な場合の前記撮像手段におけ
る明暗ストライプパターンのコントラストが、前記照明
手段のストライプパターンの位置に合わせた場合と比較
して１／４〜３／４になるように、前記照明手段のスト
ライプパターンの位置の遠方あるいは手前にずらすこと
を特徴とする欠陥検出方法。
【請求項５】請求項３記載の欠陥検出方法において、
前記被検査物体の凹凸を検出するステップは、前記画像
信号を第１の基準電圧と比較し、前記画像信号が前記第
１の基準電圧より大きい部分を二値の一方の値に設定
し、前記一方の値の部分を所定の距離だけ横方向に拡大
処理し、拡大処理後に前記一方の値をとる部分を凸部又
は凹み部と検出する、ことを特徴とする欠陥検出方法。
【請求項６】請求項３記載の欠陥検出方法において、
前記被検査物体の凹凸を検出するステップは、前記画像
信号を第２の基準電圧と比較し、前記画像信号が前記第
２の基準電圧より大きい部分を二値の一方の値に設定
し、前記一方の値の部分を所定の距離だけ横方向に縮小
処理し、縮小処理後に前記一方の値をとる部分を凸部又
は凹み部と検出する、ことを特徴とする欠陥検出方法。