JP2004108828A - 画像入力方法、画像入力装置及び表面欠陥検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】移動機構を廃し、応答速度向上および消費電力の削減を行ない、また、容易に導入可能な画像入力方法およびその装置、さらには表面の微小凹凸を検出可能な表面欠陥検出装置を提供すること。
【解決手段】本発明の画像読取方法は、相対的に移動する被測定物表面に照明手段１１により一方向から照明光を照射し、その反射光成分を、部分読み出し可能な二次元光学素子による撮像手段１２を用いて取得し、撮像手段１２によって取得した二次元画像の前記被測定物１０の移動方向にほぼ平行方向の反射光分布から、予め決められた画素選択条件を満たす一画素もしくは二画素以上の隣接画素によりライン画像を求め、このライン画像を主走査画像とし、連続して複数回撮像することにより副走査を行ない、被測定物表面の二次元画像を得る。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学的手段を使用し、材料の表面形状の二次元画像を得る画像入力方法、画像入力装置、及び表面欠陥を取り込む表面欠陥検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一様な照明手段からの投射光を被測定物表面に照射し、その反射光分布から得られる画像に対して、物体表面の傷や凹凸および汚れ等を検出もしくは検査することは、従来より一般的に行われている方法である。特に、ロール紙やシート等の平面状広がる物体や円筒状の物体においては、撮像素子としてラインセンサを用いて、物体の相対的な移動や回転によって副走査を行い、表面画像を得る方法は一般的である。
【０００３】
例えば、特許文献１には、複写機内部の部品である感光体ドラムや帯電ロールのような円筒状の被検査物に対して、ライン状の光を被検査物に照射するとともに該被検査物を回転し該被検査物により反射される前記ライン状の光をラインセンサで検出し、該ラインセンサで得られる画像処理して欠陥処理を行う装置がある。
【０００４】
このような方法にて得られる反射光分布は、被測定物の表面が鏡面ではないため、ライン状の入射光２の一部は全反射し、一部は表面で散乱することにより、図２６で示すような空間的な広がりを示す（特許文献２参照）。
【０００５】
図２６は、被検査物を横方向から見た反射光の分布を説明するための図で、被検査物である感光体ドラム３の表面は鏡面ではないため、ライン状の入射光２の一部は全反射し、一部は表面で散乱する。被検査物３上の傷等の凹凸が存在しないときは、図２６（Ａ）に示すように、前記ライン状入射光２の被検査物３表面での反射光は正反射光５ａが大半を占める。しかしながら、被検査物３の表面に突起やへこみなどの凹凸３ａが存在する場合は、図２６（Ｂ）に示すように、その凹凸部分によって、前記ライン状光２は被検査物３の表面で散乱し、散乱光５ｂ（破線にて示す）を発生する。
【０００６】
上述の様に、被検査物の表面に凹凸部分が有る無しによって、反射光の分布が異なることを利用して欠陥の検出を行うことができる。この時、図２６（Ｃ）に示すように、正反射光成分５ａをラインセンサ７ａに受光させ、入力光量の減少を欠陥と検出する方法と、正反射成分から若干離れた位置にラインセンサ７ｂを設置し、散乱光５ｂの増加を欠陥として検出する方法がある。さらに、被検査物３を回転し複数ラインを副走査することにより、被検査物全面にわたっての欠陥検出を行っている。
【０００７】
この際、反射光分布から正反射光により近い位置で画像を取得したほうが、表面形状による光量の変化が激しくなり、より微小な凹凸の検出が可能となるが、実際の表面欠陥検出装置においては、被検査物の形状の歪みや、回転のムラや振動によって反射光の受光位置とラインセンサの位置が変動するため、この相対位置変動を表面凹凸として検出してしまい、検出誤差となるため、少し離すことにより感度を下げている。
【０００８】
前述の特許文献１においては、実際に反射光量分布を測定するセンサと、ラインセンサを移動させる移動手段を持ち、反射光量分布の測定によりラインセンサを実際に移動追従を行うことにより上記問題を解消する方法を提示している。
【０００９】
また、同様に光学条件を一定に保つ手法としては、特許文献３には、被検査面を角度位置制御手段により、照明手段および撮像手段による照射角度および撮像角度が一定になるように、被検査面角度位置を制御する装置が開示されている。
【特許文献１】特開平７−２３９３０４号公報（図１参照）
【特許文献２】特開平１０−１２２８４１号公報（図９参照）
【特許文献３】特開平１１−７２４３９
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際に撮像系もしくは被測定物を移動することは動作の遅れを生じること、位置検出用に別途センサが必要となり、また移動機構や複数センサにより装置が複雑になること、移動機構の振動による誤差がでること、キャリブレーション等の調整が必要となること、またそれぞれにエネルギを消費する等、様々な問題点がある。
【００１０】
そこで、本発明においては、上記問題点を鑑み、部分読み出し可能なエリアセンサにより、反射光量分布を検出すると共に、同一光学条件となる主走査画像を順次選択し、従来移動機構が必要であった追従動作において、移動機構を廃し、応答速度向上および消費電力の削減を行ない、また、従来のラインセンサの置き換えとなり、従来の画像処理をそのまま適用可能とすることで、容易に導入可能な画像入力方法およびその装置を提供し、さらには表面の微小凹凸を検出可能な表面欠陥検出装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、相対的に移動する被測定物表面に照明手段により一方向から照明光を照射し、その反射光成分を、部分読み出し可能な二次元光学素子による撮像手段を用いて取得し、撮像手段によって取得した二次元画像の前記被測定物の移動方向にほぼ平行方向の反射光分布から、予め決められた画素選択条件を満たす一画素もしくは二画素以上の隣接画素によりライン画像を求め、このライン画像を主走査画像とし、連続して複数回撮像することにより副走査を行ない、被測定物表面の二次元画像を得ることを特徴とする。
【００１２】
この請求項１に記載の発明では、移動機構をもたず、測定時の光学条件の変動に対しても同一の反射光分布となる光学条件にて画像入力を行うことができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記画素選択条件が、正反射光成分により最も明るくなる輝線から規定のオフセット位置であることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記画素選択条件が、予め決められた反射光量の画素であることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記画素選択条件が、予め決められた反射光量である画素から、規定のオフセット位置であることを特とする。
【００１６】
請求項５に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記画素選択条件が、移動方向にほぼ平行方向の反射光の変化率が予め決められた値であることを特徴とする。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の発明において、前記画素選択条件が、移動方向にほぼ平行方向の反射光の変化率であって予め決められた値から、規定のオフセット位置であることを特徴とする。
【００１８】
請求項２〜６の発明によれば、光学条件の同一性の判定方法を提供できるものである。
【００１９】
請求項７に記載の発明は、請求１〜６のいずれかに記載の発明において、二次元光学素子上の副走査方向の隣接する複数画素を選択し、選択した画素の総和もしくは平均値を主走査画像データとして、主走査画像を求めることを特徴とする。
【００２０】
この請求項７の発明によれば、主走査方向に直角方向の複数画素の総和もしくは平均値から主走査ラインを形成することにより、１画素以下の光学条件変動にも対応することができる。
【００２１】
請求項８に記載の発明は、請求１〜６のいずれかに記載の発明において、前記二次元光学素子上の副走査方向の隣接する複数画素を選択し、選択した一次元プロファイルから画像データを補間することにより、サブピクセル単位で求めた画像データを主走査画像データとして、主走査画像を求めることを特徴とする。
【００２２】
この請求項８に記載の発明によれば、主走査方向に直角方向の複数画素のプロファイルから補間することにより、１画素以下の光学条件変動にも対応することができる。
【００２３】
請求項９に記載の発明によれば、請求項１〜８のいずれかに記載の発明において、前記画素選択条件は、反射光分布が一定となる各列の画素位置を直線近似することによって得られる直線上に並んでいることを特徴とする。
【００２４】
この請求項９に記載の発明によれば、主走査方向のなだらかな形状変化に対応することができる。
【００２５】
請求項１０に記載の発明は、請求項１〜８のいずれかに記載の発明において、前記画素選択条件が、各列の画素位置データに対して、低周波通過フィルタによって得られるラインであることを特徴とする。
【００２６】
この請求項１０に記載の発明によれば、主走査方向のなだらかな形状変化および搬送時の被測定物の表面振動、変動に対応することができる。
【００２７】
請求項１１に記載の発明は、請求項１〜８のいずれかに記載の発明において、前記画素選択条件が、被写体表面形状および光学条件から得られる分布曲線に画素位置を近似することによって得られる曲線上に並んでいることを特徴とする。この請求項１１に記載の発明によれば、被測定物形状が主走査方向に対して湾曲しているものに対応することができる。
【００２８】
請求項１２に記載の発明は、請求項９〜１１のいずれかに記載の発明において、前記画素選択の処理が撮像回数よりも少なく、最も最近求めた画素選択条件を画素選択条件とすることを特徴とする。
【００２９】
請求項１３に記載の発明は、請求項９〜１１のいずれかに記載の発明において、前記画素選択条件を、選択条件履歴から外挿することを特徴とする。
【００３０】
請求項１２及び１３に記載の発明によれば、主走査画素選択時の画像処理量を低減することができる。
【００３１】
請求項１４に記載の発明は、請求項１〜１３のいずれかに記載の発明において、二次元光学素子にて取得した二次元画像から、主走査画像開始位置を検出し、主走査ライン画像の出力開始位置を変更することを特徴とする。
【００３２】
この請求項１４に記載の発明によれば、主走査方向の変動へ対応することができる。
【００３３】
請求項１５に記載の発明は、請求項１〜１４のいずれかに記載の発明において、二次元光学素子にて取得した二次元画像から、予め決められた反射光分布による画素選択条件を満たして、実際に読み出した画素の位置データを用いて、副走査方向になだらかな変化をもつ形状あるいは、撮像条件の変化を検出することを特徴とする。
【００３４】
この請求項１５に記載の発明によれば、光学条件の変動を画素位置選択データから求めることにより、被測定物形状を検出することができる。
【００３５】
請求項１６に記載の発明は、請求項１〜１５のいずれかに記載の発明において、前記画素選択条件が少なくとも異なる２条件からなり、複数の異なる主走査画像により、被測定物の異なる光学条件の表面画像を同時に取得することを特徴とする。
【００３６】
請求項１７に記載の発明は、請求項１６に記載の発明において、前記複数の異なる画素選択条件で、少なくとも１つの条件が固定条件であることを特徴とする。
【００３７】
請求項１６及び１７に記載の発明によれば、複数の光学条件の画像を同時に取得することができる。
【００３８】
請求項１８に記載の発明は、画像データを部分読み出し可能な二次元光学素子による撮像手段と、撮像手段によって取得した二次元画像の副走査方向の反射光分布を求めるための画像領域を抽出する画像領域抽出手段と、抽出した画像領域から反射光分布を算出する反射光分布算出手段と、予め決められた反射光分布による画素選択条件を満たす、一画素もしくは二画素以上の隣接画素を求める画素選択手段と、画素選択手段により選択された画素の画像データを順次読み出すライン画像読み出し手段と、ライン画像信号制御手段と、前記読み出し手段にて読み出した画像データを、前記制御手段の信号によりライン画像として出力する画像出力手段とにより一次元画像を取得することを特徴とする。
【００３９】
この請求項１８に記載の発明によれば、移動機構をもたず、測定時の光学条件の変動に対しても同一の光学条件にて画像入力を行う装置を提供することができる。
【００４０】
請求項１９に記載の発明は、画像データを部分読み出し可能な二次元光学素子による撮像手段と、撮像手段によって取得した二次元画像の副走査方向の反射光分布を求めるための画像領域を抽出する画像領域抽出手段と、抽出画像領域から反射光分布を算出する反射光分布算出手段と、予め決められた反射光分布による画素選択条件を満たす、一画素もしくは二画素以上の隣接画素を求める画素選択手段と、前記二次元画像から主走査画像開始位置を算出する主走査画像開始位置算出手段と、画素選択手段により選択された画素の画像データを主走査画像開始位置算出手段において算出された開始位置から順次読み出すライン画像読み出し手段と、ライン画像信号制御手段と、前記読み出し手段にて読み出した画像データを、前記制御手段の信号によりライン画像として出力する画像出力手段とにより一次元画像を取得することを特徴とする。
【００４１】
この請求項１９に記載の発明によれば、主走査方向の変動へ対応する画像入力装置を提供することができる。
【００４２】
請求項２０に記載の発明は、請求項１８又は１９に記載の発明において、画素選択条件によって選択された画素の位置データを出力する選択画素位置データ出力手段を備えたことを特徴とする。
【００４３】
この請求項２０に記載の発明によれば、光学条件の変動を画素位置選択データから求めることにより、被測定物形状を検出する装置を提供することができる。
【００４４】
請求項２１に記載の発明は、請求項１８〜２０のいずれかに記載の発明において、画素選択手段が少なくとも２つより構成されることを特徴とする。
【００４５】
この請求項２１に記載の発明によれば、複数の光学条件の画像を同時に取得する装置を提供することができる。
【００４６】
請求項２２に記載の発明は、被検査物表面に一方向から照明光を照射する照明手段と、請求項１８又は１９の画像入力装置からなる撮像手段と、被検査物と照明手段および撮像手段を相対的に前記光学素子副走査方向に移動させる移動手段と、撮像手段から得られる一次元画像を二次元画像に展開するフレームメモリと、フレームメモリ上の二次元画像を画像処理して欠陥特徴量を算出する画像処理手段と、欠陥判定手段とからなることを特徴とする。
【００４７】
この請求項２２に記載の発明によれば、移動機構をもたず、測定時の光学条件の変動に対しても同一の光学条件にて画像入力を行うことにより、微小な凹凸や傷等の表面欠陥を検出する表面欠陥検査装置を提供することができる。
【００４８】
請求項２３に記載の発明は、被検査物表面に一方向から照明光を照射する照明手段と、請求項１６の画像入力方法を備える撮像手段と、被検査物と照明手段および撮像手段を相対的に前記光学素子副走査方向に移動させる移動手段と、撮像手段から得られる一次元画像を二次元画像に展開するフレームメモリと、フレームメモリ上の二次元画像を画像処理して欠陥特徴量を算出する画像処理手段と、画像欠陥判定手段および、画素選択条件によって選択された画素の位置データを出力する選択画素位置データ出力手段と、選択画素位置データ出力手段からの位置データから選択画素位置データを処理する選択画素位置データ処理手段と、欠陥判定手段とを備えることを特徴とする。
【００４９】
この請求項２３に記載の発明によれば、移動機構をもたず、測定時の光学条件の変動に対しても同一の光学条件にて画像入力を行うことにより、微小な凹凸や傷等の表面欠陥を検出し、また画素位置選択データの変動から被測定物形状欠陥を検出する欠陥検査装置を提供することができる。
【００５０】
請求項２４に記載の発明は、被検査物表面に一方向から照明光を照射する照明手段と、請求項２１の画像入力装置からなる撮像手段と、被検査物と照明手段および撮像手段を相対的に移動させる移動手段と、前記撮像手段にて得られる複数の光学条件分の一次元画像を二次元画像に展開するフレームメモリと、フレームメモリ上の二次元画像を画像処理して欠陥特徴量を算出する画像処理手段と、画像欠陥判定手段を備えることを特徴とする。
【００５１】
この請求項２４に記載の発明によれば、凹凸欠陥と濃度欠陥を同時に検出する欠陥検査装置を提供することができる。
【００５２】
請求項２５に記載の発明は、請求項２２〜２４のいずれかに記載の発明において、被検査物が円筒形状であり、被検査物と照明手段および撮像手段を相対的に移動させる移動手段が被検査物の中心軸を回転する回転手段であることを特徴とする。
【００５３】
この請求項２５に記載の発明よれば、円筒形状被検査物の微小な凹凸や傷等の表面欠陥検査装置を提供することができる。
【００５４】
【発明の実施の形態】
以下に添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。平面状の被測定物体に対して、ライン光源から照射した光をカメラで撮像する時のモデルを図１〜図３に示す。それぞれ、図１（ａ）と図２（ａ）は、被測定物１０の表面の光学系となす角度により反射光分布が異なること、表面上の凹凸はまた表面上に突起部がある場合は、図３（ａ）に示すように反射光分布が異なることを示す。
【００５５】
通常表面に突起等の異常部がある場合は、散乱方向が一定ではなくなるため、反射光分布はより広い範囲にわたったり、もしくは正反射光の生ずる角度が変化する。また、光学系および撮像系と、被検査物表面の相対位置および角度の変動によっても、反射光分布は変わる。図４、図５にそれぞれの反射光分布を重ね合わせて示す。ただし、図４より図５の方が微小な凹凸であり、形状変化が小さいため分布の差も小さい。両図から次の事項がわかる。
【００５６】
１．Ａ点にラインセンサを置いた場合には、正常時は突起との光量差が出るため検出できるが、相対位置変動時は突起との光量差がなく突起を画像にて検出することができない。
【００５７】
２．Ｂ点にラインセンサを置いた場合は、図４では正常時、相対位置変動時とも欠陥が検出できるが、図５では光量差があまりなく検出ができない。
【００５８】
３．Ａ点とＢ点では、正常時の反射光分布と、突起が存在するときの反射光分布では、Ａ点の方が光量差が大きい。
【００５９】
従来は、相対位置変動時が起きても凹凸が検出できるように、Ｂ点にて表面画像を取得していたため、図５のような微小な凹凸に関しては検出することができなかった。このため常に被検出物体表面と光源および撮像系の相対位置を一定に保つように、ラインセンサ位置を制御するのが、前出の特開平１０−１２２８４１号公報の「表面欠陥検出装置」であった。
【００６０】
これに対して、本発明においては、同様の効果をラインセンサ位置を動かすことなく実現するために、下記のような方法をとっている。
【００６１】
図１から図３の（ｂ）に、それぞれの撮像状態において、カメラ部に二次元のカメラを使用したときに得られる画像を示す。図より、エリア詳細に散乱光の反射光量分布を見ると、副走査方向に分布がシフトしていることがわかる。このシフト量を二次元画像から演算し、一定な反射光分布になるように予め決められた画素選択条件によって画像を順次取得することによって、光学系の相対位置変動を補正することができる。しかしながら、全画素を読み出し処理することは処理時間的に困難であり、実用化は難しい。しかしながら、近年ＣＭＯＳプロセスを用いて各画素データにランダムアクセスし部分読み出し可能なセンサが実用化されている。このようなカメラを用いて、図６に符号Ｙで示す画素のように、図６（ａ）過去の輝線Ｇ位置からその近傍のみ読み出して反射光量分布を求める。図６（ｂ）副走査方向に、数ライン毎に読み出す。図６（ｃ）ような間引き読み出しなどの手法を用いて読み出すデータ量を削減した上で、反射光分布を検出することによって、実時間でライン画像Ｓを求めることが可能となる。なお、間引きした列の画素としては、それぞれ線形補間したり、スプライン曲線にて補間される画素を選択したり、後述するが別途全体を現す規定の曲線に近似して求めることにより選択する（請求項１の発明）。
【００６２】
続いて、画素選択条件に関してそれぞれ実例を挙げて説明する。図７においては、輝線部（もっとも明るい部分）Ｇを検出した結果から、３画素オフセットした場合に、実際に読み出すラインＳを示す。なお、同図は輝線部Ｇを黒、読み出し画素をＳで示す。エリアセンサからは主走査方向にひとつのデータのみ選択し、これを従来のラインセンサ画像と同様にして、副走査することにより表面の二次元画像を得る。
【００６３】
輝線部の算出方法としては図８にあげた例のように、（ａ）副走査方向もっとも明るい画素、（ｂ）副走査方向の多値データから求めた重心値、（ｃ）予め規定したスレッシュレベルにて２値化した画像からの重心値、等のさまざまな方法がある。
【００６４】
また、オフセット量の大きさは、結像される像に対する副走査方向の画素の大きさできまるため、その反射光分布の変化の度合いと、画素の大きさから最適値を求める（請求項２の発明）。
【００６５】
図９においては、予め決められた反射光量となる反射光分布の位置を画素選択位置とする。この際、副走査方向の分布に対して、反射光量近傍を直線近似したり、ローパスフィルタを掛けることにより、微小な変化に対して追従しすぎないように設定する（請求項３の発明）。
【００６６】
図１０においては、さらに所定のオフセット量ｄはなれた画素のデータを選択している。前述の通り、表面凹凸により反射光の分布が異なるため、副走査方向の変化率が変わる。このため規定反射光量から離れることによって、その変化率の違いが画像として捉えられる（請求項４の発明）。
【００６７】
図１１においては、反射光量の副走査方向の変化率から画素選択位置を決定する例を挙げる。変化率として、反射光分布の微分値の分布を利用している。図１１の（ａ）においては、その変化率が最大な点を利用し、（ｂ）においては、規定値により選択する時の概念を示す（請求項５の発明）。
【００６８】
図１２においては、さらに所定のオフセット量ｄはなれた画素のデータを選択した例である（請求項６の発明）。
【００６９】
上記した請求項１〜４に記載の発明に示した方法は、基本的に副走査方向の画素単位での補正となる。しかしながら、反射光分布によっては、一画素単位では変化が大きくなってしまうため、より小さくすることが必要な場合がある。図１３に示すように、副走査方向に隣接する複数画素（図１３では２画素）を選択し、その和もしくは平均値等により主走査画像を生成することにより、選択画素による誤差を低減する事が可能となる（請求項７の発明）。また、この際に光学系の主副の倍率を変えて、複数画素を選択した状態で、正方形をなすようにしたり、もしくは画素形状において主副の大きさを変えて、複数画素選択した状態で正方形をなすように形成することは、非常に有効となる。
【００７０】
また、同様に一画素以下の補正を行なう方法としては、図１４のように、複数画素から捕間することによって、サブピクセルで画像データを出力する処理を行なう場合もある（請求項８の発明）。なお、図１４では隣接２画素からの線形補間であるであるが、より多くの隣接画素からの線形補間を行なったり、スプライン関数で補間を行なうなど、補間方法はこれに限らない。
【００７１】
上記方法においては、副走査方向の各列における反射光分布を算出し、それぞれにおいて同一反射光分布となる画素を選択している。ここで、実際に画像取り込む状態を考えてみると、ライン状の光源に対して、被検査物稜線が平行な直線となる場合、反射光分布はその稜線に対して平行なるとみなすことができる。これより、主走査方向に前記手段にて求めた反射光分布が同一となる画素により、二次元の光学素子平面において直線となるように近似することにより、稜線の歪み等の変化も検出することが可能となる。図１４に示す（ａ）のように主走査画像を取ると、稜線の変化を良好に検出することは難しいが、（ｂ）のように光学素子上で同一直線となるように、主走査画像を取ることにより、検出することが可能となる（請求項９の発明）。
【００７２】
また、たとえば欠陥検査においては極低周波の稜線の変化は問題とならず、高周波の変化を検出したい場合がある。このような場合は、前記のように直線に近似するのではなく、検出したい周波数帯域を良好に抽出するようなフィルタをかけたのち、光学素子からそのフィルタ結果で順に画素を読み出すことにより、より高周波（微小）な表面凹凸を検出することが可能となる。図１５に示すように筒状の被測定物の表面にライン光源により照射した光は、理想状態では、稜線上の直線状の輝線を形成するが、回転に伴う軸倒れにより、直線ではなく曲線をなす（図１５（ａ）の符号ｍ）。軸倒れは、回転及び被検出物の把持状態によって、図１５（ｂ）に示す取得画像のように変化するが、前述のフィルタにより微小な表面凹凸が検出可能となる（請求項１０の発明）。この方法（請求項１０の発明）は、たとえばロール等の搬送時に発生する、送りむらや浮き等により、表面がうねってしまうことによる反射光の分布状態の変化への対応にも有効である。
【００７３】
また、図１６のように太鼓状の形状をなす被検出物においては、ライン状の光源によって、同図（ｂ）に示すように湾曲した輝線となる。この湾曲した輝線に沿って、前述のように反射光分布が一定となる点を選択して、主走査することにより、従来は湾曲した形状の被検出物においては検出できなかった微小な凹凸が検出可能となる。この求めるライン画像の選択画素は、形状およびライン光源とカメラの相対位置から算出した曲線に対して位置・角度をフィッティングして求める（請求項１１の発明）。また、実際に取り込んだ基準となる二次元画像に対しての曲線にフィッティングすることによって同等の効果を得ることも可能となる。
【００７４】
ところで、撮像ごとに反射光分布をもとめ、その分布が一定となるように選択画素を変更することは非常に画像処理量が多くなる。たとえば、円筒状被検出物表面を１回転１秒で周方向に１０００ライン取得する場合は、１画像あたり１ｍｓで反射光量分布を求める必要がある。これをソフトウエアで行なうのは非常に困難であり、画像処理部をハードウエア化する必要がある。しかしながら、実際の被検出物の表面形状や、振動や振れ等は、５０Ｈｚ程度の周波数に対応することにより検出できるものが多い。このような場合、時間軸方向に間引き処理を行なうことで大きく処理量を減らすことができる。図１７には、４回の撮像につき、画素選択位置の算出を行なった例を示す。画素選択位置を算出しない撮像においては、ライン画像はそのもっとも近い撮像において決定した画素選択位置を再度利用する（請求項１２の発明）。
【００７５】
前記の複数回撮像に１回の画素選択位置の更新においては、相対位置変化が急なときに位置ずれ量が多くなる場合がある。このため、画素選択位置を過去の選択位置履歴データを用いて撮像ごとに外側に捕間し、撮像ごとに更新することにより前記ずれ量の低減を行なう（請求項１３の発明）。選択位置という代表データを用いることにより、反射光分布の算出処理を都度行なうのに比べて、大幅な処理量の低減が可能である。図１８には、直前の２データによる外挿により求めた画素選択位置を示す。図は直前２画素だが、複数画素から直線補間したり、スプライン補間等さまざまな算出手法がある。
【００７６】
前述の方法を実現し、自動的に反射光分布を一定するライン画像を出力する画像入力装置は、
１．部分読み出し（ランダムアクセス）可能な二次元光学素子による撮像手段と、二次元光学素子上の画素から反射光分布を求めるための画素を抽出する画像領域抽出手段と、
２．反射光分布を算出する反射光分布算出手段と、
３．反射光分布から、画素選択条件を満たす画素を選択する画素選択手段と、
４．選択された画素を順に読み出すライン画像読み出し手段と、
５．ライン画像として出力するための制御信号を発生するライン画像信号制御手段と、
６．前記読み出し手段で読み出した画像データを、前記制御手段の信号によりライン画像を出力する、ライン画像出力手段と、により構成される（請求項１８の発明）
図１９に示すように、振動等により主走査方向に位置ずれが生ずる場合、円周方向の直線状の傷が、複数の撮像から二次元画像に展開したときに直線を形成しないという問題が生ずる。このため、被検査物体の主走査方向の位置を特定するためエッジ部等の特異部や、マークを別途つけ、その特異部もしくはマーク部の位置を検出しその位置で主走査画像の開始位置を変更することによって、主走査方向の位置ずれの影響をなくすことが可能となる（請求項１４の発明）。
【００７７】
また、これを実現する画像入力装置は、
１．部分読み出し（ランダムアクセス）可能な二次元光学素子による撮像手段
二次元光学素子上の画素から反射光分布を求めるための画素を抽出する画像領域抽出手段と、
２．反射光分布を算出する反射光分布算出手段と、
３．反射光分布から、画素選択条件を満たす画素を選択する画素選択手段と、
４．主走査画像開始位置を算出する主走査画像開始位置算出手段と、
５．選択された画素を順に読み出すライン画像読み出し手段と、
６．ライン画像として出力するための制御信号を発生するライン画像信号制御手段と、
７．前記読み出し手段で読み出した画像データを、前記制御手段の信号によりライン画像を出力する、ライン画像出力手段と、により構成される（請求項１９の発明）
さらに、図２０に示すように、
１．照明手段１１と、
２．反射光分布を一定するライン画像を出力する画像入力手段１２と、
３．被検査物を照明手段および撮像手段を副走査方向に対して相対的に移動させる移動手段１３と、
４．一次元画像を二次元画像に展開するフレームメモリ１４と、
５．欠陥画像処理手段１５と、
６．欠陥判定手段１６と、により構成され、微小な凹凸も検出可能な表面検査装置を提供する（請求項１７の発明）。
【００７８】
また、反射光分布を一定とするように選定された読み出し位置情報は、図１８のように時間的に遷移する。この位置変化からは、副走査方向の低周波な表面形状や、被検出物体と照明手段及び画像入力手段の相対位置変化を表す。この変化量から、表面形状を求めることにより、より低周波の形状評価が可能となる（請求項１５の発明）。この際、表面形状と相対位置変化の成分を周波数的に分離することによりより高精度の評価が可能となる。また、前記相対位置変化から、選択画素が通常と大きく異なる場合など、大きな振動が装置に伝わったり、被検出物体が非定常な状態となっている場合であるとして、再入力もしくは、入力エラーとすることも可能となる。
【００７９】
また、これを実現する画像入力装置は、請求項１４もしくは請求項１８の発明に記載の撮像装置に選択画素位置データ出力手段１８（図２１参照）を追加することによって実現できる（請求項２０の発明）。さらに、これにより実現される表面欠陥検査装置の構成を図２１に示す（請求項２３の発明）。
【００８０】
前記、エリアセンサから出力されるライン画像は、反射光分布が一定な一条件の画像を出力する。ここで、図２２に示すように、エリアセンサから、異なる複数の条件の画像（Ｓ１、Ｓ２）を得る（請求項１６の発明）。前記、複数ライン（Ｓ１、Ｓ２）はそれぞれ異なる反射光分布検出方法による場合と、同じ反射光分布検出方法で、オフセット量のみ異なる場合等がある。輝線から離れるほど表面状態による変化が小さくなり、濃度変化を良好に取得できるが、この場合相対位置変化による画像変化が小さいため撮像条件を固定にできる。このため反射光分布を一定にすることにより表面凹凸に感度の高いライン画像と、同一位置を検出するなものとすることにより凹凸による感度が低く濃度変化を良好に検出できるライン画像の、二条件による二次元展開画像をとしては１ライン出力のものと同程度の画像処理量で得ることができる（請求項１７の発明）。
【００８１】
また、こうして得られた複数の二次元展開画像は、移動手段による相対的な移動量分画像がオフセットされている。このオフセット量分ずらして複数の画像を比較処理することにより、より詳細に凹凸なのか濃度変化なのかを区別することが可能となる（凹凸のほうが、画像間における濃度変化が大きくなる）。
【００８２】
これを実現する画像入力装置の構成例を図２３に示す。この例においては、反射光分布を検出するための画像領域抽出手段を共用し、該領域の画像データ▲１▼に対して、異なる反射光分布算出手段で分布を算出し、それぞれから、ライン画像を生成する画素を選択し、それぞれ得られる画像データを２個の画像出力手段によって、並列に出力している。１ライン出力のものと比較して、少なくとも画素選択手段を複数持つことにより実現可能となる（請求項２１の発明）。ライン画像出力は各条件をシリアライズして出力する装置と、例のように複数の出力手段によって、並列に出力する装置がある。
【００８３】
また、上記複数の光学条件を同時に取得できる画像入力装置および、図２４に示すような、照明手段および複数のフレーム（フレームメモリ）１４，１４、複数の画像処理手段１５，１５、欠陥判定手段１６、１６により、濃度変化と表面凹凸を検出する表面欠陥検査装置を提供できる（請求項２４の発明）。
【００８４】
さらに、被検査物１０と照明手段１１および撮像手段（画像入力手段）１２を相対的に移動させる移動手段１３が被検査物１０の中心軸を回転する回転手段２１とする、図２５に示すような装置により、円筒形状である、複写機内の感光体ドラムや定着ローラ等の軸物の表面の微小な凹凸を検査する、表面欠陥検査装置を提供できる（請求項２５の発明）。
【００８５】
また、上記は処理の簡略化のために、すべて副走査による反射光分布を用いてから、主走査方向の補正を行なっているが、主副の二次元的に反射光分布を平面近似することで、選択画素を選択することも今後の画像処理システムの高速化に伴い、有効な手段となる。
【００８６】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、撮像系と被測定物の相対移動や、被測定物の大きな形状誤差に左右されることなく、光学条件を一定にすることができること。また、従来同様の効果を得るために撮像系を相対的に移動制御する方法に対して、移動制御に伴う機構および、その駆動に関わるエネルギ消費を削減できる。
【００８７】
請求項２に記載の発明によれば、光学的な測定条件を輝線に対して一定にすることが可能となる。
【００８８】
請求項３に記載の発明によれば、光学的な測定条件を特定輝度に対して一定にすることが可能となる。
【００８９】
請求項４に記載の発明によれば、光学的な測定条件を特定輝度に対して一定にすることが可能となる。
【００９０】
請求項５に記載の発明によれば、光学的な測定条件を反射光量分布の変化率に対して一定にすることが可能となる。
【００９１】
請求項６に記載の発明によれば、光学的な測定条件を反射光量分布の変化率に対して一定にすることが可能となる。
【００９２】
請求項７に記載の発明によれば、光学的な測定条件を、撮像光学素子の一画素の大きさよりも小さな変動に対しても一定にすることが可能となる。
【００９３】
請求項８に記載の発明によれば、光学的な測定条件を、撮像光学素子の一画素の大きさよりも小さな変動に対しても一定にすることが可能となる。
【００９４】
請求項９に記載の発明によれば、主走査方向のなだらかな形状変化に対応できる。
【００９５】
請求項１０に記載の発明によれば、主走査方向のなだらかな形状変化および搬送時の被測定物の表面振動変動に対応できる。
【００９６】
請求項１１に記載の発明によれば、被測定物が主走査方向に対して湾曲しているものに対応できる。
【００９７】
請求項１２に記載の発明によれば、画像処理量を低減できる。
【００９８】
請求項１３に記載の発明によれば、画像処理量を低減し、さらに光学条件の変化に対する遅れを低減できる。
【００９９】
請求項１４に記載の発明によれば、主走査方向の変動をキャンセルできる。
【０１００】
請求項１５に記載の発明によれば、光学系の補正量を検出することによって、被測定物形状を検出できる。
【０１０１】
請求項１６に記載の発明によれば、複数の光学条件を同時に測定できるので、条件を変えて複数回の撮像や複数のカメラが必要ない。
【０１０２】
請求項１７に記載の発明によれば、複数の光学条件の内、固定条件を設定することによって、画像処理量が低減できる。
【０１０３】
請求項１８に記載の発明によれば、撮像系と被測定物の相対移動や、被測定物の大きな形状誤差に左右されることなく、光学条件を一定にすることができ、また、従来同様の効果を得るために撮像系を相対的に移動制御する方法に対して、移動制御に伴う機構および、その駆動に関わるエネルギ消費を削減可能な撮像装置を提供できる。
【０１０４】
請求項１９に記載の発明によれば、主走査方向の変動をキャンセルできる装置を提供できる。
【０１０５】
請求項２０に記載の発明によれば、光学系の補正量を出力手段により、被測定物形状を検出できる装置を提供できる。
【０１０６】
請求項２１に記載の発明によれば、複数の光学条件を同時に測定できる装置を提供できる。
【０１０７】
請求項２２に記載の発明によれば、撮像系と被測定物の相対移動や、被測定物の大きな形状誤差に左右されることなく、光学条件を一定にすることにより、表面の微小凹凸や傷等を従来よりも高精度に検出できる欠陥検査装置を提供できる。
【０１０８】
請求項２３に記載の発明によれば、撮像系と被測定物の相対移動や、被測定物の大きな形状誤差に左右されることなく、光学条件を一定にすることにより、表面の微小凹凸や傷等を従来よりも高精度に検出でき、さらに光学系補正量の処理手段により、被測定物の形状等より大きな欠陥も検出することが可能な欠陥検査装置を提供できる。
【０１０９】
請求項２４に記載の発明によれば、濃度欠陥と凹凸欠陥両方に検出性能の高い欠陥検査装置を提供できる。
請求項２５に記載の発明によれば、円筒状被検査物の回転ぶれや、形状の誤差に対しても光学条件を一定にすることができる、表面欠陥検査装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は物体表面における反射光量分布のモデル図であり、（ｂ）は二次元画像（ｂ）の例を示す図である。
【図２】（ａ）は物体表面と光源・撮像系の相対位置が異なる時の反射光量分布のモデル図であり、（ｂ）は二次元画像（ｂ）の例を示す図である。
【図３】（ａ）は物体表面上に突起部がある時の反射光量分布のモデル図であり、（ｂ）は二次元画像（ｂ）の例を示す図である。
【図４】検出感度設定の概念図であり、横軸に副走査方向を示し、縦軸に光量を示すグラフである。
【図５】従来方法で検出できない凹凸の概念図であり、横軸に副走査方向を示し、縦軸に光量を示すグラフである。
【図６】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、エリアセンサから反射光分布を求めるときの、エリアセンサアクセス方法の例を示す図である。
【図７】輝線からの所定値はなれた画素を選択する概念図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、輝線検出方法の例を示し、横軸に副走査方向を示し、縦軸に光量を示すグラフである。
【図９】予め決められた反射光量における画素を選択する概念図であり、横軸に副走査方向を示し、縦軸に光量を示すグラフである。
【図１０】予め決められた反射光量における画素からの所定値離れた画素を選択する概念図であり、横軸に副走査方向を示し、縦軸に光量を示すグラフである。
【図１１】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、反射光分布から画素を選択する概念図であり、横軸に副走査方向を示し、縦軸に光量を示すグラフである。
【図１２】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、反射光分布から得られた画素からの所定値離れた画素を選択する概念図であり、横軸に副走査方向を示し、縦軸に光量を示すグラフである。
【図１３】副走査方向に複数画素を選択する方法を示す画素の図である。
【図１４】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、直線近似による画素選択する方法を示す画素の図である。
【図１５】被測定物の軸倒れによる輝線の変化を示す図であり、（ａ）は画像入力装置の概略構成図であり、（ｂ）は取得画像の図である。
【図１６】太鼓状の被測定物に対する輝線の変化を示す図であり、（ａ）は画像入力装置の概略構成であり、（ｂ）は取得画像の図である。
【図１７】複数回撮像ごとの反射光分布処理を示す図であり、（ａ）は画素の図であり、（ｂ）は撮像回と選択画像位置との関係を示すグラフである。
【図１８】複数回撮像ごとの反射光分布処理と外挿による補間の例を示し、撮像回と選択画像位置との関係を示すグラフである。
【図１９】円周方向の相対位置変化の影響を示す図であり、（ａ）は画像入力装置の概略構成図であり、（ｂ）は二次元展開画像の図である。
【図２０】表面欠陥検査装置の概略的構成を示す図である。
【図２１】他の表面欠陥検査装置の概略的構成を示す図である。
【図２２】複数条件の同時撮像を示す画素の図である。
【図２３】ライン出力画像入力装置のブロック図である。
【図２４】濃淡・表面微小凹凸を検出する欠陥検査装置のブロック図である。
【図２５】他の欠陥検査装置の構成を示すブロック図である。
【図２６】被検査物表面の反射光分布モデルを示し、（Ａ）は被検査物表面における反射光量分布のモデル図であり、（Ｂ）は被検査物表面に凹凸がある場合の反射光量分布のモデル図であり、（Ｃ）は被検査物表面に凹凸がある場合の従来の検査方法を示す図である。
【符号の説明】
１０　被測定物
１１　照明手段（光源）
１２　撮像手段（カメラ）
１３　移動手段
１４　フレームメモリ
１５　画像処理手段
１６　欠陥判定手段（画像欠陥判定手段）
１８　選択画素位置データ処理手段
２１　回転手段

Claims (25)

1. 相対的に移動する被測定物表面に照明手段により一方向から照明光を照射し、その反射光成分を、部分読み出し可能な二次元光学素子による撮像手段を用いて取得し、撮像手段によって取得した二次元画像の前記被測定物の移動方向にほぼ平行方向の反射光分布から、予め決められた画素選択条件を満たす一画素もしくは二画素以上の隣接画素によりライン画像を求め、このライン画像を主走査画像とし、連続して複数回撮像することにより副走査を行ない、被測定物表面の二次元画像を得ることを特徴とする画像入力方法。
2. 前記画素選択条件が、正反射光成分により最も明るくなる輝線から規定のオフセット位置であることを特徴とする請求項１に記載の画像入力方法。
3. 前記画素選択条件が、予め決められた反射光量の画素であることを特徴とする請求項１に記載の画像入力方法。
4. 前記画素選択条件が、予め決められた反射光量である画素から、規定のオフセット位置であることを特とする請求項３に記載の画像入力方法。
5. 前記画素選択条件が、移動方向にほぼ平行方向の反射光の変化率が予め決められた値であることを特徴とする請求項１に記載の画像入力方法。
6. 前記画素選択条件が、移動方向にほぼ平行方向の反射光の変化率であって予め決められた値から、規定のオフセット位置であることを特徴とする請求項５に記載の画像入力方法。
7. 前記二次元光学素子上の副走査方向の隣接する複数画素を選択し、選択した画素の総和もしくは平均値を主走査画像データとして、主走査画像を求めることを特徴とする請求１〜６のいずれかに記載の画像入力方法。
8. 前記二次元光学素子上の副走査方向の隣接する複数画素を選択し、選択した一次元プロファイルから画像データを補間することにより、サブピクセル単位で求めた画像データを主走査画像データとして、主走査画像を求めることを特徴とする請求１〜６のいずれかに記載の画像入力方法。
9. 前記画素選択条件は、反射光分布が一定となる各列の画素位置を直線近似することによって得られる直線上に並んでいることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の画像入力方法。
10. 前記画素選択条件が、各列の画素位置データに対して、低周波通過フィルタによって得られるラインであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の画像入力方法。
11. 前記画素選択条件が、被写体表面形状および光学条件から得られる分布曲線に画素位置を近似することによって得られる曲線上に並んでいることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の画像入力方法。
12. 前記画素選択の処理が撮像回数よりも少なく、最も最近求めた画素選択条件を画素選択条件とすることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の画像入力方法。
13. 前記画素選択条件を、選択条件履歴から外挿することを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の画像入力方法。
14. 二次元光学素子にて取得した二次元画像から、主走査画像開始位置を検出し、主走査ライン画像の出力開始位置を変更することを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の画像入力方法。
15. 二次元光学素子にて取得した二次元画像から、予め決められた反射光分布による画素選択条件を満たして、実際に読み出した画素の位置データを用いて、副走査方向になだらかな変化をもつ形状あるいは、撮像条件の変化を検出することを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の画像入力方法。
16. 前記画素選択条件が少なくとも異なる２条件からなり、複数の異なる主走査画像により、被測定物の異なる光学条件の表面画像を同時に取得することを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の画像入力方法。
17. 前記複数の異なる画素選択条件で、少なくとも１つの条件が固定条件であることを特徴とする請求項１６に記載の画像入力方法。
18. 画像データを部分読み出し可能な二次元光学素子による撮像手段と、撮像手段によって取得した二次元画像の副走査方向の反射光分布を求めるための画像領域を抽出する画像領域抽出手段と、抽出した画像領域から反射光分布を算出する反射光分布算出手段と、予め決められた反射光分布による画素選択条件を満たす、一画素もしくは二画素以上の隣接画素を求める画素選択手段と、画素選択手段により選択された画素の画像データを順次読み出すライン画像読み出し手段と、ライン画像信号制御手段と、前記読み出し手段にて読み出した画像データを、前記制御手段の信号によりライン画像として出力する画像出力手段とにより一次元画像を取得することを特徴とする画像入力装置。
19. 画像データを部分読み出し可能な二次元光学素子による撮像手段と、撮像手段によって取得した二次元画像の副走査方向の反射光分布を求めるための画像領域を抽出する画像領域抽出手段と、抽出画像領域から反射光分布を算出する反射光分布算出手段と、予め決められた反射光分布による画素選択条件を満たす、一画素もしくは二画素以上の隣接画素を求める画素選択手段と、前記二次元画像から主走査画像開始位置を算出する主走査画像開始位置算出手段と、画素選択手段により選択された画素の画像データを主走査画像開始位置算出手段において算出された開始位置から順次読み出すライン画像読み出し手段と、ライン画像信号制御手段と、前記読み出し手段にて読み出した画像データを、前記制御手段の信号によりライン画像として出力する画像出力手段とにより一次元画像を取得することを特徴とする画像入力装置。
20. 画素選択条件によって選択された画素の位置データを出力する選択画素位置データ出力手段を備えたことを特徴とする請求項１８又は１９に記載の画像入力装置。
21. 画素選択手段が少なくとも２つより構成されることを特徴とする請求項１８〜２０のいずれかに記載の画像入力装置。
22. 被検査物表面に一方向から照明光を照射する照明手段と、請求項１８又は１９の画像入力装置からなる撮像手段と、被検査物と照明手段および撮像手段を相対的に前記光学素子副走査方向に移動させる移動手段と、撮像手段から得られる一次元画像を二次元画像に展開するフレームメモリと、フレームメモリ上の二次元画像を画像処理して欠陥特徴量を算出する画像処理手段と、欠陥判定手段とからなることを特徴とする表面欠陥検査装置。
23. 被検査物表面に一方向から照明光を照射する照明手段と、請求項１６の画像入力方法を備える撮像手段と、被検査物と照明手段および撮像手段を相対的に前記光学素子副走査方向に移動させる移動手段と、撮像手段から得られる一次元画像を二次元画像に展開するフレームメモリと、フレームメモリ上の二次元画像を画像処理して欠陥特徴量を算出する画像処理手段と、画像欠陥判定手段および、画素選択条件によって選択された画素の位置データを出力する選択画素位置データ出力手段と、選択画素位置データ出力手段からの位置データから選択画素位置データを処理する選択画素位置データ処理手段と、欠陥判定手段とを備えることを特徴とする表面欠陥検査装置。
24. 被検査物表面に一方向から照明光を照射する照明手段と、請求項２１の画像入力装置からなる撮像手段と、被検査物と照明手段および撮像手段を相対的に移動させる移動手段と、前記撮像手段にて得られる複数の光学条件分の一次元画像を二次元画像に展開するフレームメモリと、フレームメモリ上の二次元画像を画像処理して欠陥特徴量を算出する画像処理手段と、画像欠陥判定手段を備えることを特徴とする表面欠陥検査装置。
25. 被検査物が円筒形状であり、被検査物と照明手段および撮像手段を相対的に移動させる移動手段が被検査物の中心軸を回転する回転手段であることを特徴とする請求項２２〜２４のいずれかに記載の表面欠陥検査装置。

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