JP2003269931A - 欠陥の立体形状検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 繰り出されるワークの平面上の立体的な欠陥
の立体形状を画像処理技術により高速で検出できるよう
にする。 【解決手段】 ワーク送り出し機構６により繰り出され
るワーク１の平面上の立体的な欠陥を検査する装置にお
いて、欠陥の立体形状検出装置１０は、互いに平行な棒
状で三原色のうち異なる色の照明光を異なる角度からワ
ーク１の検査対象の平面に向けて照射する一対の光源
３、４と、異なる色の照明光の下でワークの検査対象の
平面をワーク１の上方から撮像するＲＧＢ対応のカラー
ラインＴＶカメラ２と、このカラーラインＴＶカメラ２
からの異なる色毎の画像データ間で同一対応点における
明るさ（濃度値）の比からワークに対する観測点の傾斜
角φyを求め、この傾斜角φyの正接値から求められる高
さの増分をＸ軸方向に順次累積することによりワークの
平面上の欠陥の立体形状を検出する画像処理装置７とを
具備している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、繰り出されるワー
クの平面上の立体的な欠陥の立体形状を画像処理技術に
より高速で検出する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１は、従来の技術による平面状のワー
クの欠陥形状計測装置を示す。その欠陥形状計測装置
は、ワークの平面上の立体的な欠陥を検出するために、
レーザスリット発射器、エリアＴＶカメラ、および画像
処理装置を用いている。なお、ワークは、コンベア等の
ワーク送り出し手段により定速（一定の速度）で送り出
されているものとする。

【０００３】ここでエリアＴＶカメラの視野内の画像サ
イズをH512×V480pixelとし、１画素（pixel）の分解能
を0.1mmとする。レーザスリット光は、斜め上方から照
射され、エリアＴＶカメラは、ワークの平面の法線方向
から観察するとしたとき、ワークが完全な平面であれ
ば、レーザスリット光は、エリアＴＶカメラから見て直
線状に観察されるのに対して、ワークに窪み欠陥がある
ときには、エリアＴＶカメラの画像上のレーザスリット
光は、エリアＴＶカメラで観察すると、ゆがんで見え
る。そこで、画像処理装置は、上記のゆがみ量、レーザ
スリット発射器の位置、エリアＴＶカメラの位置から、
三角測量の原理を応用して、画像処理により、ワークの
平面上の欠陥の立体形状を判別する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のケースでは、平
面分解能を画素の分解能と同じに保つには、撮像サイク
ル毎に、ワークを0.1mmづつしか繰り出せない。H512×V
480pixel程度のエリアＴＶカメラよると、撮像サイクル
は、せいぜい1/120秒であるから、ワークの繰出し速度
は、12mm/sec＝720mm／minが限界である。このため、高
速での処理が不可能である。

【０００５】したがって、本発明の目的は、繰り出され
るワークの平面上の立体的な欠陥の立体形状を画像処理
技術により高速で、具体的には１m／min〜２００m／min
程度の繰り出し速度で繰り出されるワークの平面上にあ
る欠陥の立体形状を平面分解能0.1mm程度、高さ0.2mm程
度の分解能のもとに検出できるようにすることである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的のもとに、本発
明は、ワーク送り出し機構により繰り出されるワークの
平面上の立体的な欠陥を検査する装置において、互いに
平行な棒状で三原色のうち異なる色の照明光を異なる角
度からワークの検査対象の平面に向けて照射する一対の
光源と、異なる色の照明光の下でワークの検査対象の平
面をワークの上方から撮像するＲＧＢ対応のカラーライ
ンＴＶカメラと、このカラーラインＴＶカメラからの異
なる色毎の画像データ間で同一対応点における明るさ
（濃度値）の比からワークに対する観測点の傾斜角φy
を求め、この傾斜角φyの正接値から求められる高さの
増分をＸ軸方向に順次累積することによりワークの平面
上の欠陥の立体形状を検出する画像処理装置と、により
欠陥の立体形状検出装置を構成している（請求項１）。

【０００７】そして、本発明は、一対の光源の異なる色
の照明光をＲ（赤）とＢ（緑）との組み合わせ、Ｒ
（赤）とＧ（青）と組み合わせ、およびＧ（青）とＢ
（緑）と組み合わせのうち、いずれか１つの組み合わせ
とする（請求項２）。

【０００８】また、本発明は、予め切り出したワークの
サンプルとしての資料片を順次傾けながら、その傾き角
の正接値と観測点の明るさ（濃度値）との比（各色の画
像と画像とのの同一点の濃度値の比）を事前に対応表と
して記録しておき、この対応表を参照して、傾斜角の正
接値を求める（請求項３）。

【０００９】本発明は、基準面において異なる色毎の画
像データ間で同一対応点における明るさ（濃度値）の和
を事前に求めておき、それに対する観測点の画像データ
間で同一対応点における明るさ（濃度値）の和を求め、
基準面での明るさ（濃度値）の和と観測点での明るさ
（濃度値）の和との比を算出し、すでに計算済みのｙ軸
まわりの傾斜角φyとを用いて式（16a）により、観測点
のｘ軸まわりの傾斜角φxの絶対値を求める（請求項
４）。

【００１０】さらに、本発明は、ワーク送り出し機構に
エンコーダを取り付け、そのエンコーダからの出力パル
スを画像処理装置の同期制御部に入力し、この同期制御
部からエンコーダからの出力パルスに同期してカラーラ
インＴＶカメラの撮像間隔を制御することにより、ワー
クの定速でない繰り出し速度に対応することを特徴とす
る請求項１記載の欠陥の立体形状検出装置（請求項
５）。

【００１１】

【発明の実施の形態】図２および図３は、本発明による
欠陥の立体形状検出の原理を示している。図２および図
３で、ワーク１の平面を基準面とし、この基準面に対し
法線方向にカラーラインＴＶカメラ２を置き、基準面に
対し傾き角θ1の点光源であるＲ（赤色）の光源３、基
準面に対し傾き角θ2の点光源であるＢ（青）の光源４
をカラーラインＴＶカメラ２の光軸を挟んで、互いに向
かい合わせに設置するものとする。また、基準面の高さ
に完全拡散面の資料片５を、基準面に対して傾き角φで
置く。

【００１２】カラーラインＴＶカメラ２は、３板式のＲ
ＧＢ方式のＴＶカメラで、図４のような光の三原色の各
Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）に関する相対感度
特性を持つ。Ｒの光源３とＢの光源４の各発光波長域
（発光スペクトル）は、それぞれカラーラインＴＶカメ
ラ２のＲ（赤色）受光部、Ｂ（青色）受光部のみに反応
するような赤色、青色の光とする。それらの光源３、４
は、たとえば高周波蛍光灯の前面にカラーフィルターを
装着したもの、カラーネオン管または発光スペクトルの
限られる高輝度カラーLEDを用いて構成する。

【００１３】また図４では、カラーラインＴＶカメラ２
のＲ（赤色）受光部とＧ（緑色）受光部との相対感度周
波数域、またＢ（青色）受光部とＧ（緑色）受光部との
相対感度周波数域が一部交わっている。もし、照明光と
して、赤色点光源と緑色点光源、または青色点光源と緑
色点光源を用いるとし、これを高周波蛍光灯の前面にカ
ラーフィルターを装着したものや、カラーネオン管で構
成したとすると、赤色の照明光がＧ（緑）受光部に感応
したり、緑色の照明光がＲ（赤）受光部に感応したり、
青色の照明光がＧ（緑）受光部に感応したり、緑色の照
明光がＢ（緑）受光部に感応したりして、各色の受光部
から得られる画像とそれに対応する色の照明光とが１０
０％対応しなくなってしまうという問題がある。という
のも、ある色の照明光が一定の傾き角度を持つ光源３、
４と対応していなければならないからである。

【００１４】この問題を避けるため、光源３、４からの
照明光およびカラーラインＴＶカメラ２の受光部の感応
色は、Ｒ（赤色）とＢ（青色）との組み合わせとする
と、得られた画像は、明確に一定方向からの光源３、４
によるものであるという保証を得ている。なぜなら図４
では、カラーラインＴＶカメラ２のＲ（赤色）受光部と
Ｂ（青色）受光部との相対感度周波数域は、決して交わ
らないからである。

【００１５】ただし、光源３、４にLEDを用いる場合に
は、発光スペクトル幅が数十nmと狭く、たとえば赤色LE
Dと緑色LEDを用いたときに、得られたＲ受光部の画像
は、明確に赤色LEDだけからの反射光となり、また、Ｇ
受光部の画像は、明確に緑色LEDだけからの反射光とな
る。これは、青色LEDと緑色LEDを用いても同じである。

【００１６】ただ一般に高輝度カラーLEDは、高周波蛍
光灯やネオン管と比べて光量が小さく、その照明光の下
で、10m/min以上で高速に移動する物体をカラーライン
ＴＶカメラ２で高速に画像の取り込みを行おうとする
と、絶対光量が不足する。このため、高輝度カラーLED
を用いる場合には、数十〜数百個を束ねて１ユニットと
して用いるなど、光量確保が必要となる。また、高周波
蛍光灯やネオン管でも同様な考え方で、それぞれ450n
m、550nm、650nmにピーク波長を持つような帯域が数十n
mのＲ，Ｇ，Ｂ色の帯域フィルターを置くことによっ
て、同様に実現が可能である（請求項２）。

【００１７】さて図３で、Ｒの光源３からのサンプルと
しての資料片５に対する入射光の輝度をＩ1、Ｂの光源
４からの資料片５に対する入射光の輝度をＩ2、資料片
５の反射率をρ、資料片５とＲの光源３のなす角度をｓ
1、資料片５とＢの光源４のなす角度をｓ2とする。この
時、カラーラインＴＶカメラ２に入射する入射光の輝度
Iは、光学反射モデルのよく知られたLambertの余弦則ま
たはランバートの法則を用いて、下記の式により表され
る。

【００１８】 Ir＝ I1・ρ・cos（90°−ｓ1） ＝ I1・ρ・sin（ｓ1） ＝ I1・ρ・sin（θ1＋φ） Ib＝ I2・ρ・cos（90°−ｓ2） ＝ I2・ρ・sin（ｓ2） ＝ I2・ρ・sin（θ2−φ） (1)

【００１９】ここに輝度ＩrはカラーラインＴＶカメラ
２に入射する入射光輝度Iのうち、Ｒの光源３による成
分で、Ｒ受光部によるＲ画像の濃度値（明るさ）ｆrに
変換されるものである。輝度ＩbはＴＶカメラ２に入射
する入射光輝度Iのうち、Ｂの光源４による成分で、Ｂ
受光部によるＢ画像の濃度値（明るさ）ｆbに変換され
るものである。

【００２０】さて、今度は点状の光源３、４ではなく、
互いに平行な棒状（直線状）の光源３、４を用いる場合
を考える。点状の光源３、４というのは光源から全方向
に光を照射するので、ライン状の視野を持つカラーライ
ンＴＶカメラ２を用いる場合には、絶対光量が不足し不
向きである。棒状の光源３、４は、スリット状の開口部
を通して照射光をカラーラインＴＶカメラ２の視野に向
けて照射するようになっている。

【００２１】図５において、ワーク１の基準面をＸＹ平
面とし、カラーラインＴＶカメラ２の光軸をＺ軸に平行
に置くとする。Ｙ軸方向から見た時のＲの光源３とＢの
光源４とが基準面となす角度θ1、θ2および基準片５の
基準面に対する傾きφは、図３と同一とする。

【００２２】ここで、カラーラインＴＶカメラ２の光軸
が基準面と交わる点をPo、この点Poを含むＸＺ平面がＲ
の光源３と交わる点をP1(0)とする。点P1(0)は、線状光
源の微小要素であって点光源とみなせるから、ここから
のカラーラインＴＶカメラ２に入射する入射光の輝度Ir
（0）は、点光源P1(0)からの入射光の点P0における輝度
をI1(0)として、(1)式より次式で与えられる。 Ir（0）＝I1(0)・ρ・sin（θ1＋φ） (2)

【００２３】同様にＲの光源３上のある点と点Poを結ぶ
線分がP1(0)と点Poを結ぶ線分となす角度をαとした
時、このＲの光源３上のある点をP1（α）とする。ここ
からのカラーラインＴＶカメラ２に入射する入射光の輝
度Ir（α）は、点光源P1（α）からの入射光の点P0にお
ける輝度をI1(α)として、次式で与えられる。 Ir（α）＝I1(α)・ρ・sin（θ1＋φ）・cos（α） (3)

【００２４】さて、明るさは、光源からの距離の二乗に
反比例する。このため、カラーラインＴＶカメラ２への
入射光の輝度I1（0）とI1(α)との比は、点光源P1(0)と
点Poとを結ぶ線分の長さと、点光源P1(α)と点Poとを結
ぶ線分の長さとの比である１／cos（α）の二乗に反比
例する。これより次式が得られる。 I1(α)＝ I1（0）・cos²（α） (4)

【００２５】よって、(4)式を(2)式に入れて、次式が得
られる。 Ir（α）＝ I1（0）・cos²（α）・ρ・sin（θ1＋φ）・cos（α） ＝ I1（0）・ρ・sin（θ1＋φ）・cos³（α） (5)

【００２６】図５は、資料片５がＹ軸のまわりに傾き角
φだけ傾いた場合であるが、これを傾斜角φyとする。
またこれと同時に基準片がＸ軸まわりにも傾斜角φｘだ
け傾いた場合を考える。このとき、カラーラインＴＶカ
メラ２に入射する入射光の輝度は、傾斜角φｘが０であ
る場合に比べ、cos（φx）倍となるため、(2)式および
(5) 式の右辺にcos（φx）を掛けて、次式が得られる。 Ir（0）＝I1(0)・ρ・sin（θ1＋φy）・cos（φx） (6) Ir（α）＝I1（0）・ρ・sin（θ1＋φy）・cos³（α）・cos（φx） (7)

【００２７】よって、カラーラインＴＶカメラ２に入射
するＲの光源３による入射光の輝度Irは、点光源P1(α)
によるカラーラインＴＶカメラ２への入射光I1(α)の積
分値と考えて次式が得られる。 Ir＝∫Ir（α）dα ＝∫[I1（0）・ρ・sin（θ1＋φy）・cos³（α）・cos（φx）]dα ＝I1（0）・ ρ・sin（θ1＋φy）・cos（φx）・∫cos³（α）dα

【００２８】Ｒの光源３の長さと位置は一定であるか
ら、上記式で∫cos³（α）dαは、一定値となる。それ
を定数C1とおけばつぎの式となる。 Ir＝ C1・I1（0）・ρ・sin（θ1＋φy）・cos（φx） （8)

【００２９】同様にＢの光源４についても、一定値の定
数C2とおけばつぎの式となる。 Ib＝ C2・I2（0）・ρ・sin（θ2−φy）・cos（φx） (9)

【００３０】なお、Ｂの光源４の長さがＲの光源３と等
しく、カラーラインＴＶカメラ２の光軸に対し、線対称
の位置にあるものとすれば、C2＝C1、θ2＝θ1となる。
また光源３、４の光量が等しいとすれば、I2（0）＝ I
1（0）となり、次の式が得られる。 Ib＝ C1・I1（0）・ρ・sin（θ1−φy）・cos（φx） (10)

【００３１】さて輝度Irや輝度Ibは、カラーラインＴＶ
カメラ２でのＲ受光部とＢ受光部での輝度値であり、カ
ラーラインＴＶカメラ２の観測値ｆrおよび観測値ｆb
は、それぞれ対応の輝度Irおよび輝度Ibと比例関係にあ
から、この比例定数をＣ0として、つぎのように表せ
る。 ｆr＝Ｃ0・Ｉr ｆb＝Ｃ0・Ｉb

【００３２】今度は逆に、これらの観測値から、資料片
５の傾斜角φｘ、傾斜角φｙを求めてみる。まず、入射
光の観測値ｆrと観測値ｆbとの比Ｒ0を計算する。
（９）式と（10）式とから、次式が得られる。 Ｒ0＝ｆr／ｆb＝Ｉr／Ib ＝sin（θ1＋φy）／sin（θ1−φy） (11) これより、φy＝tan^-1｛tan（θ1)・( Ｒ0−１）／（Ｒ0＋１）｝ (12) また、tan（φy）＝tan（θ1)・（Ｒ0−１）／（Ｒ0＋１） (12a) 傾き角θ1は、０°〜９０°までの範囲内であるが、こ
れは一定値であるから、tan（θ1)も一定値となるの
で、比Ｒ0が決まれば、傾斜角φｙは、ただ一義的に（1
2）式によって決まる。

【００３３】さて、φy＝0°、φx＝0°の時に、輝度Ｉ
rをIr0とする。（8）式を用いて、それは次式となる。 Ir0＝ C1・I1（0）・ρ・sin（θ1） (13)

【００３４】また、φy＝0°、φx＝0°の時に、輝度Ｉ
bをIb0とする。（10）式を用いて、それは次式となる。 Ib0＝C1・I1（0）・ρ・sin（θ1） (14)

【００３５】ここで輝度Ir0のカラーラインＴＶカメラ
２での観測値をｆr0、Ｉb0の観測値をｆb0として、 （ｆr＋ｆb）／（ｆr0＋ｆb0） ＝（Ｉr＋Ｉb）／（Ｉr0＋Ｉb0） ＝[｛sin（θ1＋φy）＋sin（θ1−φy）｝／２sin（θ1）]・cos（φx） ＝cos（φy）・cos（φx） (15)

【００３６】観測値ｆr0と観測値ｆb0を事前に計測して
おけば、（ｆr＋ｆb）／（ｆr0＋ｆb0）が求まり、ま
た、すでに傾斜角φyも求まっているから、cos（φy）
も算出でき、（15）式からcos（φｘ）が算出できる。
故に cos（φx）＝（ｆr＋ｆb）／｛（ｆr0＋ｆb0）・cos（φy）｝ (16) であり、これから逆余弦関数を用いて、傾斜角φｘの計
算ができる。 φx＝±cos^-1［（ｆr＋ｆb）／｛（ｆr0＋ｆb0)・cos（φy）｝］ (16a)

【００３７】この後で説明するように、欠陥の立体形状
は、Ｘ軸に沿って、Ｚ軸方向の増分値を順次積み重ねて
いくことにより算出できるが、その時に用いる傾斜角は
φyだけでよい。もちろん同様に、Ｙ軸に沿って、Ｚ軸
方向の増分値を順次積み重ねても欠陥の立体形状を算出
できるが、この時に用いる傾斜角はφxである。

【００３８】ところで、(16a)式の逆余弦関数を用いて
求まるＸ軸まわりの傾斜角φxの正負の符号（傾きの方
向）は不明である。このためここでは、傾斜角φxを用
いた欠陥の立体形状算出方法の詳細な説明を割愛する。
ただ符号の判定は、カラーラインＴＶカメラ２の光軸に
対し、Ｙ軸まわりに傾いたところに緑色Ｇの点光源を置
き、これからの光も同時にカラーラインＴＶカメラ２に
取り込むことによって可能となる。なぜなら、同じcos
（φx）をとる２つの角度＋φxと角度−φxでも、緑色
受光部の輝度値Ｉｇが大きく異なるためである。

【００３９】以上を整理すると、つぎのことが言える。 １）入射光の輝度値の観測値ｆrと観測値ｆbとの比Ｒ0
を求め、これから前記（12）式により傾斜角φｙが算出
できる。 ２）また入射光の輝度値の観測値ｆrと観測値ｆbとの和
（ｆr＋ｆb）と、資料片５が傾いていない場合の同和
（ｆr0＋ｆb0）との比を求めれば、（16）式と上記傾斜
角φyとを用いて、これからcos（φｘ）が算出できる。

【００４０】本発明は、欠陥の立体形状を算出する手順
（方法）を示している。それは、基準面のある基準高さ
に対して一定の高さの凹凸があるときに、それを欠陥と
判断するためである。

【００４１】これに対して、高さＺの変化の増分、すな
わちＸ軸方向の高さの変化量△Zx＝△ｘ・tan（φy）
や、Ｙ軸方向の高さの変化量△Zy＝△ｙ・tan（φx）が
一定の大きさ以上であれば、それを欠陥とみなすという
簡単な欠陥の判定方法も考えられる。この場合に、△ｘ
や、△ｙは一定であるから、単に｜tan（φy）｜と｜ta
n（φx）｜を求めればよい。｜tan（φy）｜は、（12
a）式から求めることができ、｜tan（φx）｜も前記の
（16a）式から求めることができる。｜tan（φx）｜の
計算においては、傾斜角φxの符号は関係ないので、そ
れはただ一義的に求まる。

【００４２】それでは以上の原理を用いて、図６に基づ
いて具体的に欠陥の立体形状を再現する方法について述
べる。図６は、本発明による欠陥の立体形状検出装置１
０を示している。欠陥の立体形状検出装置１０は、ワー
ク送り出し機構６により一定の速度または一定しない速
度により繰り出されるワーク１の平面上の立体的な欠陥
を検査するために、一対の光源３、４、ＲＧＢ対応のカ
ラーラインＴＶカメラ２、画像処理装置７からなる。こ
こでは、ワーク１がＸ軸方向の向きに対して反対に一定
速度で繰り出されているものとする。

【００４３】一対の光源３、４は、互いに平行な棒状で
三原色のうち異なる色例えばＲの照明光およびＢの照明
光を異なる角度からワーク１の検査対象の平面に向けて
照射する。カラーラインＴＶカメラ２は、ＲＧＢ対応の
カラーラインＴＶカメラであり、異なる色の照明光の下
でワーク１の検査対象の平面をワーク１の上方から撮像
する。カラーラインＴＶカメラ２の光軸は、ワーク１の
検査対象の平面つまり基準面に垂直であり、Ｒの光源３
およびＢの光源４は、カラーラインＴＶカメラ２の光軸
を挟んで線対称に置かれているものとする。２つの光源
３、４はＹ軸と平行であり、基準面に対する傾き角はと
もにθ1である。

【００４４】カラーラインＴＶカメラ２は、各Ｒ，Ｇ，
Ｂのラインデータを画像処理装置７に順次送る。画像処
理装置７は、各Ｒ，Ｇ，Ｂのラインデータを各Ｒ，Ｇ，
Ｂのプレーン毎に順次ラインをつなぎ合わせて、２次元
の画像データとして記録するものとする。また、画像処
理装置７は、カラーラインＴＶカメラ２からの異なる色
毎の画像データ間で同一対応点における明るさ（濃度
値）の比からワーク１に対する観測点の傾斜角φyを求
め、この傾斜角φyの正接値から求められる高さの増分
をＸ軸方向に順次累積することによって、ワーク１の平
面上の欠陥の立体形状を検出する。なお、前記のよう
に、傾斜角φyは、ワーク１の繰出し方向がＸ軸方向の
向きと反対としたとき、このＸ軸に対する傾き角、すな
わちｙ軸まわりの傾き角である。

【００４５】図７は、画像処理装置７の具体的な構成を
示している。以下、画像処理装置７の各部の機能に沿っ
て説明する。カラーラインＴＶカメラ２からのカラー映
像信号は、画像処理装置７に送られる。これらのカラー
映像信号は、各色毎にＡ／Ｄ変換器１１、１２、１３を
介して、各色毎のＲプレーン１４、Ｇプレーン１５、Ｂ
プレーン１６に記録される。

【００４６】Ｒプレーン１４、Ｇプレーン１５、Ｂプレ
ーン１６は、各色の１ライン（１ラインはｎ＝５１２画
素、１０２４画素、２０４８画素、５０００画素などか
らなる。）のデータをｍライン（ｍはハード的またはソ
フト的に決められる。）格納できる専用のメモリ領域で
あって、各色のＲプレーン１４、Ｇプレーン１５、Ｂプ
レーン１６は、No.1のバッファおよびNo.2のバッファ
（ダブルバッファ）により構成されている。バッファサ
イズは、１画素を１バイト表現とすると、ｎ×ｍバイト
であり、各色のＲプレーン１４、Ｇプレーン１５、Ｂプ
レーン１６は２×ｎ×ｍバイトのサイズである。

【００４７】各映像データは、No.1のバッファの先頭か
ら順次１ラインづつ格納され、映像データがNo.1のバッ
ファを満たすと、次に各映像データは、No.2のバッファ
の先頭から順次１ラインづつ格納される。そして、映像
データがNo.2のバッファを満たすと、今度はNo.1のバッ
ファの先頭から格納される。

【００４８】Ｒプレーン１４の画像データをｆr（i，
j）、Ｇプレーン１５の画像データをｆｇ（ｉ,ｊ）Ｂプ
レーン１６の画像データをｆb（ｉ,ｊ）でそれぞれ表す
ものとする。例えばｎ＝５１２画素の場合、ラインレー
ト（撮像間隔△tの逆数）は、一般に40KHzが可能である
から、１秒間に40000ラインの取得が可能であり、ライ
ンピッチが0.1mmとすれば4000mm、１分間に240mの処理
が可能である。すなわちこれは240m/minの繰出し速度に
対応する。

【００４９】演算ＬＳＩ８は、Ｒプレーン１４の１つの
バッファと、Ｂプレーン１６の同一No.のバッファとの
間で画素間演算を行い、結果プレーン１７にその結果を
格納する。この画素間演算は、まず、Ｒ0＝ｆr（i，j）
／ｆb（i，j）を演算した上で、（12a）式で、tan（φ
y）を単精度実数で計算する。 tan(φy)＝tan（θ1）・（Ｒ0−１）／（Ｒ0＋１） (12a)

【００５０】(12a)式で計算したtan(φy)は、バス１８
を経由して、結果プレーン１７のバッファαに格納され
る。バッファαの大きさは、各色のＲプレーン１４、Ｇ
プレーン１５、Ｂプレーン１６と同じで、１データあた
り単精度実数長である４バイトなので、（ｎ×ｍ×４バ
イト）となる。

【００５１】なお、Ｙ軸方向のカラーラインＴＶカメラ
２の分解能△Ｙと、１ラインのスキャン時間△ｔあたり
のＸ方向の繰出し量△Ｘとが等しくなるように、ワーク
１の繰出し速度ｖを一定の速度（定速）に保つものとす
る。分解能△Ｙは、視野サイズを１ラインの画素数（e
x. 512 画素）で割ったもの、繰出し量△Ｘは繰出し速
度ｖにスキャン時間△tをかけたものである。

【００５２】さて図６の欠陥部は、図８のように１マス
△ｘ、△ｙの格子で位置を表現するものとする。図９
は、図８のＸＹ座標系の格子で表された欠陥イメージを
取得した後、演算ＬＳＩ８で演算したtan(φy)を結果プ
レーン１７のαバッファに入れた図である。ＸＹ座標系
で、ｘ方向はi、ｙ方向はｊをカウンタとする。網かけ
部は、欠陥のある部分（欠陥部）を重ね描きしたもの
で、これを含む該当セルのデータのtan(φy)は０以外の
値を取る。網かけ部を含まないセルのデータtan(φy)は
０である。

【００５３】ここで、あるi＝m列において、欠陥の手前
（ｘ値が小さい点）にある点の配列データをｇ（ｍ,1）
＝０とし、また欠陥の後ろ（ｘ値が大きい点）にある点
の配列データｇ（m,n）＝０とする。これらの点は欠陥
ではないため、高さが基準面高さ０である。ｇ（m,1）
とｇ（m,n）が基準面高さにあることを確かめるには、
その点まわりの４近傍や８近傍の点の配列データが０で
あることを確かめればよい。

【００５４】さて、点（ｉ，j）のＺ方向の高さをＺ
（ｉ，j）で表すとすると、高さの増分△Ｚx＝Ｚ（m,
ｊ）−Ｚ（m,ｊ−１）は、１ラインデータ送り量△Ｘ
に、−ｇ（m,ｊ）＝−tan（φy）をかけたものに等し
い。なぜなら、ｙ軸まわりの傾斜角φyは、該当点のＸ
軸に対する傾きだからである。よって、つぎの式が成り
立つ。 Ｚ（m,1）＝ Ｚ（m,n）＝０ （17） Ｚ（m,ｊ）＝Ｚ（m,ｊ−１）−△ｘ・ｇ（m,ｊ） （18）

【００５５】（17）式と（18）式とを用いて、Ｚ（m,
ｊ）を順次求めることができる。最後の点Ｚ（m,n）
は、次式により求められる。 Ｚ（m,n）＝Ｚ（m,1）−△ｘ・（ｇ（m,2）＋ｇ（m,3）＋…＋ｇ（m,n）） ＝−△ｘ・Σ（ｇ（m,j）） （19）

【００５６】ところで、（17）式から、Ｚ（m,n）＝０
であるから、（19）式の右辺も０になるはずであり、本
来は、−△ｘ・Σ（ｇ（m,j））＝０になるべきである
が、tan（φy）を計算する基のデータであるｆr（ｉ，
ｊ）やｆb（ｉ，ｊ）は、８bit＝１バイトしかないデー
タであるため、tan（φy）も有効桁が不足している。特
に、φyが90°または−90°に近い場合には、tan（φ
y）の誤差はかなり大きくなる。このため（19）式の右
辺は一般に０にはならない。

【００５７】それゆえに、ｇ（m，j）がもともと誤差を
含むデータと考え、その誤差が点（m,２）から点（m,
ｎ）まで等しく、誤差△ｇだけあると考えて、Ｚ（m,
n）＝−△ｘ・Σ（ｇ（m,j）＋△ｇ）＝０とする。これ
よって、（ｎー１）・△ｇ＝−Σ（ｇ（m,j））であ
り、よって、下記の式が得られる。 △ｇ＝−Σ（ｇ（m,j））／（ｎ−１） （20）

【００５８】この△ｇを用いて、最後の点Ｚ（m,ｊ）は
次式で与えられる。 Ｚ（m,ｊ）＝−△ｘ・Σ（ｇ（m,j）＋△ｇ） （21）

【００５９】これにより、i＝ｍの時の欠陥の立体形状
を再現すると、図１０の点Px1から点Pxnまでを結んだ折
れ線のようになる。同様にして、すべてのiにおいて立
体形状を求めた結果が図１０である。これらの処理は、
バッファαを用いて上記手順によりＣＰＵ９によって計
算され、βバッファにＺ軸方向の高さとしてを記録す
る。

【００６０】なお、以上の説明では、検査対象のワーク
１を光学特性として完全拡散面としたが、鏡面に近いつ
ややかな反射率の高い面では、（12a）式は成立しな
い。ただこの場合でも、完全鏡面反射でない限り、観測
点からの入射光の輝度値の明るさｆｒと明るさｆb との
比Ｒ0と、観測点のｙ軸まわりの傾斜角φyとは、一対一
の対応である。すなわち比Ｒ0を求めれば、これに対応
する傾斜角φyがわかる。

【００６１】これを求めるためには予め切り出したワー
ク１のサンプル（資料片５）を順次ｙ軸まわりに傾けな
がら、その傾斜角φyの正接値tan（φy）と観測点の明
るさ（濃度値）との比Ｒ0（２枚の画像ＲプレーンとＢ
プレーンの同一点の濃度値の比）を事前に図７のパラメ
ータテーブル１９に記録しておき、検査時に前記の（12
a）式を計算する代わりに、記録してあるパラメータテ
ーブル１９を参照すれば、観測点の明るさ（濃度値）の
比Ｒ0から正接値tan（φy）が求まり、あとは完全拡散
面と同様の計算手続きにより、立体形状を求めることが
できる（請求項３）。

【００６２】基準面において、Ｒ画像の撮像データとＢ
画像の撮像データとの間で同一対応点における明るさ
（濃度値）の和を事前に求めておき、それに対する観測
点のＲ画像の撮像データとＢ画像の撮像データとの間で
同一対応点における明るさ（濃度値）の和を求め、つぎ
にこれらの２つの和の比を計算し、すでに計算済みのｙ
軸まわりの傾斜角φyとを用いて、（16a）式により、観
測点のｘ軸まわりの傾斜角φxの絶対値を求める（請求
項４）。続いてこの傾斜角φxの正接値の絶対値を計算
し、結果プレーン１７のγプレーンに順次に格納する。

【００６３】これより、結果プレーン１７のαプレー
ン、γプレーンを参照すれば、傾きの増分の絶対値｜△
Ｚx｜および傾きの増分の絶対値｜△Ｚy｜が下記の式か
ら求められる。 ｜△Ｚx｜＝△ｘ・｜tan（φy）｜ ｜△Ｚy｜＝△ｙ・｜tan（φx）｜ これにより傾きの増分の絶対値が規定値より大きい画素
には、その観測点に欠陥ありとみなすような欠陥判別も
行うことができる。

【００６４】また、以上の説明では、ワーク１が一定の
速度（定速）であるという前提があった。これは、単位
時間△tあたりのｘ軸方向の増分△ｘを一定とするため
である。この場合（一定速）のカラーラインＴＶカメラ
２の撮像タイミング（１ラインを取り込む間隔）△ｔ
は、画像処理装置７からの信号によらず、カラーライン
ＴＶカメラ２自体がもつ内部クロックによる内部同期信
号を用いる。

【００６５】これに対し、ワーク１が一定の速度でない
場合には、ワーク送り出し機構６にエンコーダ２０を取
り付け、そのエンコーダ２０からの出力パルスを画像処
理装置７の同期制御部２１に入力し、同期制御部２１か
らの出力パルスに同期してカラーラインＴＶカメラ２の
撮像タイミング（スキャン時間）△ｔを制御すれば、や
はりｘ軸方向の増分△ｘは一定となる（請求項５）。

【００６６】ところで、カラーラインＴＶカメラ２で観
測された観測点の明るさ（濃度値）は、輝度Ｉと同一と
みなしたが、露光時間（スキャン時間）△ｔが変化する
ときに、それは一定ではない。なぜなら、カラーライン
ＴＶカメラ２で観測された観測点の明るさ（濃度）は、
撮像時の露光時間に比例するからである。露光時間が長
いと、カラーラインＴＶカメラ２で観測された観測点の
明るさ（濃度値）は大きくなり、露光時間が短いと、カ
ラーラインＴＶカメラ２で観測された観測点の明るさ
（濃度値）は小さくなる。

【００６７】一般に露光時間は、カラーラインＴＶカメ
ラ２の撮像タイミング（スキャン時間）△ｔと同一であ
るから、ワーク１が定速でない場合には、カラーライン
ＴＶカメラ２で観測される観測点の明るさ（濃度値）も
カラーラインＴＶカメラ２の撮像タイミング（スキャン
時間）△ｔの影響を受ける。ただ、Ｒ画像の撮像データ
およびＢ画像の撮像データの同一対応点における明るさ
（濃度値）の比からワーク１に対する観測点の傾斜角φ
y（繰出し方向がＸ軸方向とは反対とした時、このＸ軸
に対する傾斜角、すなわちｙ軸まわりの傾斜角）を（1
2）式により計算する手段においては、明るさの比は、
撮像タイミング△ｔによらず一定になるので、欠陥の立
体形状検出の目的は達成できる。

【００６８】もちろん画像処理装置７の露光時間制御部
２６が一定の露光時間制御タイミングをカラーラインＴ
Ｖカメラ２に送るときには、カラーラインＴＶカメラ２
で観測される観測点の明るさ（濃度値）は、ワーク１の
繰り出し速度の変化の影響を受けないので、傾斜角φy
や傾斜角φｘも安定して求めることができる。

【００６９】なお、画像処理装置７のメモリ２２は、プ
ログラム、画像データや制御データなどを記憶してお
り、また、入出力部２３は、外部機器に必要なデータを
送る。さらに、ビデオメモリ２４は、画像データをＤ／
Ａ変換器２５を経てＣＲＴ ８（デイスプレイ）に送
り、目視できるようにする。

【００７０】

【発明の効果】請求項１によれば、紙、プラスチック、
石膏ボードなど完全拡散反射材料のワークに関し、その
平面上の欠陥の立体形状の測定が高速で行える。具体的
には、２００ｍ/min程度の速度で繰り出されるワークの
平面上にある欠陥の立体形状が分解能0.1mm程度、高さ
0.2mm程度の分解能のもとに高速で検出することができ
る。

【００７１】請求項２によれば、一対の光源の異なる色
の照明光をＲ（赤）とＢ（緑）との組み合わせとすれ
ば、受光部の相対感度周波数域が交わらないので、各色
の画像の識別が確実となる。またカラーＬＥＤや帯域フ
イルターを使用すれば、Ｒ（赤）とＧ（緑）の組み合わ
せや、Ｇ（緑）とＢ（青）と組み合わせでも、受光部の
相対感度周波数域が交わらない状態として、各色の画像
の識別が可能となる。

【００７２】請求項３によれば、予め切り出したワーク
のサンプル（資料片）を順次傾けながら、その傾き角の
正接値と観測点の明るさ（濃度値）との比（２枚のＲ画
像とＢ画像の同一点の濃度値の比）を事前に対応表とし
て記録しておき、この対応表を参照して、傾斜角の正接
値を求めから、（12a)式の計算が省略でき、処理時間が
一層高速化できる。

【００７３】請求項４によれば、基準面において異なる
色毎の画像データ間で同一対応点における明るさ（濃度
値）の和を事前に求めておけば、式（16a）により、観
測点のｘ軸まわりの傾斜角φxの絶対値を求めることが
でき、傾きの増分の絶対値が規定値より大きい画素で
は、その観測点に欠陥ありとみなすような欠陥判別も行
うことができる。

【００７４】請求項５によれば、ワーク送り出し機構の
エンコーダからの出力パルスを利用してカラーラインＴ
Ｖカメラの撮像間隔を制御することにより、ワークの定
速でない繰り出し速度にも対応することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のレーザスリットを用い三角測量の原理に
よる欠陥の形状計測装置の斜面図である。

【図２】本発明による欠陥の形状検出装置の斜面図であ
る。

【図３】本発明による欠陥の形状検出装置で点光源を用
いた原理の側面図である。

【図４】カラーラインＴＶカメラの相対感度特性のグラ
フである。

【図５】本発明による欠陥の形状検出装置の原理の斜面
図である。

【図６】本発明による欠陥の立体形状検出装置による欠
陥の検出時の斜面図である。

【図７】本発明による欠陥の立体形状検出装置における
画像処理装置のブロック図である。

【図８】欠陥をＸＹ座標系の格子で表したときの説明図
である。

【図９】バップァα上で見た欠陥の説明図である。

【図１０】計算された立体形状の説明図である。

【符号の説明】

１ ワーク ２ カラーラインＴＶカメラ ３ 光源 ４ 光源 ５ 資料片 ６ ワーク送り機構 ７ 画像処理装置 ８ 演算ＬＳＩ ９ ＣＰＵ １０ 欠陥の立体形状検出装置 １１ Ａ／Ｄ変換器 １２ Ａ／Ｄ変換器 １３ Ａ／Ｄ変換器 １４ Ｒプレーン １５ Ｇプレーン １６ Ｂプレーン １７ 結果プレーン １８ バス １９ パラメータテーブル ２０ エンコーダ ２１ 同期制御部 ２２ メモリ ２３ 入出力部 ２４ ビデオメモリ ２５ Ｄ／Ａ変換器 ２６ 露光時間制御部

フロントページの続き Ｆターム(参考） 2F065 AA04 AA49 AA53 BB05 BB15 DD06 FF04 GG03 GG07 GG16 GG23 HH02 HH12 HH14 JJ02 JJ15 JJ25 KK01 LL22 PP04 PP15 PP22 PP25 QQ24 QQ25 TT01 UU01 UU02 UU05 2G051 AA31 AA90 AB02 BA01 BA04 BA08 BA20 CA03 CA04 DA01 DA06 EA12 EA14 EA17 EB01 EB02 ED07

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ワーク送り出し機構により繰り出される
   ワークの平面上の立体的な欠陥を検査する装置におい
   て、 互いに平行な棒状で三原色のうち異なる色の照明光を異
   なる角度からワークの検査対象の平面に向けて照射する
   一対の光源と、異なる色の照明光の下でワークの検査対
   象の平面をワークの上方から撮像するＲＧＢ対応のカラ
   ーラインＴＶカメラと、このカラーラインＴＶカメラか
   らの異なる色毎の画像データ間で同一対応点における明
   るさ（濃度値）の比からワークに対する観測点の傾斜角
   φyを求め、この傾斜角φyの正接値から求められる高さ
   の増分をＸ軸方向に順次累積することによりワークの平
   面上の欠陥の立体形状を検出する画像処理装置と、を具
   備することを特徴とする欠陥の立体形状検出装置。
2. 【請求項２】 一対の光源の異なる色の照明光をＲ
   （赤）とＢ（緑）との組み合わせ、Ｒ（赤）とＧ（青）
   と組み合わせ、およびＧ（青）とＢ（緑）と組み合わせ
   のうち、いずれか１つの組み合わせとすることを特徴と
   する請求項１記載の欠陥の立体形状検出装置。
3. 【請求項３】 予め切り出したワークのサンプルとして
   の資料片を順次傾けながら、その傾き角の正接値と観測
   点の明るさ（濃度値）との比（各色の画像と画像とのの
   同一点の濃度値の比）を事前に対応表として記録してお
   き、この対応表を参照して、傾斜角の正接値を求めるこ
   とを特徴とする請求項１記載の欠陥の立体形状検出装
   置。
4. 【請求項４】 基準面において異なる色毎の画像データ
   間で同一対応点における明るさ（濃度値）の和を事前に
   求めておき、それに対する観測点の画像データ間で同一
   対応点における明るさ（濃度値）の和を求め、基準面で
   の明るさ（濃度値）の和と観測点での明るさ（濃度値）
   の和との比を算出し、すでに計算済みのｙ軸まわりの傾
   斜角φyとを用いて式（16a）により、観測点のｘ軸まわ
   りの傾斜角φxの絶対値を求めることを特徴とする請求
   項１記載の欠陥の立体形状検出装置。
5. 【請求項５】 ワーク送り出し機構にエンコーダを取り
   付け、そのエンコーダからの出力パルスを画像処理装置
   の同期制御部に入力し、この同期制御部からエンコーダ
   からの出力パルスに同期してカラーラインＴＶカメラの
   撮像間隔を制御することにより、ワークの定速でない繰
   り出し速度に対応することを特徴とする請求項１記載の
   欠陥の立体形状検出装置。