JP2006242814A

JP2006242814A - 表面検査装置

Info

Publication number: JP2006242814A
Application number: JP2005060379A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Yamagishi; 靖則山岸
Original assignee: Kanto Jidosha Kogyo KK; Kanto Auto Works Ltd
Current assignee: Kanto Jidosha Kogyo KK; Toyota Motor East Japan Inc
Priority date: 2005-03-04
Filing date: 2005-03-04
Publication date: 2006-09-14

Abstract

【課題】面光源装置により平行光を照射された検査対象となる表面をイメージセンサで撮像して、その画像信号レベルが、正常な表面に対応する高信号レベルから低下するのを検出して表面に生じている微小欠陥を自動的に検知するための表面検査装置において、微小欠陥をさらに高感度で検出可能にする。
【解決手段】面光源装置１０が、縦長範囲に紫外線を照射する紫外線光源１１と、その前方に位置し、かつ縦長範囲の横方向へ拡散して入射する紫外線を横方向に平行に集束させるシリンドリカルレンズ１５とを備える。紫外線光源１１は、それぞれの光軸が円弧中心点である焦点Ｆに一致するように、横方向へ円弧状に配列された複数個をさらに縦方向へ配列した一群の紫外線発光ダイオード１１ａで構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、検査対象となる表面に平行光を照射して、その反射光により表面の微小欠陥の検査を行わせるための表面検査装置に関するものである。

特許文献１により、直管形蛍光灯と、その照明領域を撮像するＣＣＤカメラとを車両搬送ラインに配置した車両用塗面検査装置が周知となっている。これにより、レーザ光に依らずに面光源装置の拡散光を利用する簡単な構成の光学系により反射角の変化による反射光レベルの低下を基にゴミに起因するブツ、傷等の凹凸状の微小欠陥を特に縦方向の広い範囲で画像処理により検出することができる。さらに、その拡散光を抑制する改良案として、特許文献２により、直管形蛍光灯の前方に配置された縦長のスリットと、その前方に配置され、かつ直管形蛍光灯の横幅よりも広い横幅を有し、スリットからの入射する照射光を縦長照明範囲の横断面での平行光に変換する縦長のフレネルレンズとを備えた車両用塗面検査装置が開示されている。

一方、面状に配列した発光ダイオード群を光源としたテールランプ、ストップランプ等の車両用灯具は周知であり、特許文献３によりアウタレンズに沿って面状に配列された発光ダイオードの前面にフレネルレンズをそれぞれ配置して配光を制御するようにした車両用灯具も開示されている。このように発光ダイオードを利用すると、蛍光灯のように点灯時点から照度が一定になるまで時間を要することなく、しかも長寿命のメインテナンスフリーの光源が実現される。また、イメージセンサとしては、特許文献４等により、上面に複数の画素電極が配設された信号読出し用の基板上に、第１導電型キャリア阻止層及び第２導電型キャリア阻止層間に成層させ、その間にバイアスにより印加により高Ｓ／Ｎ比下でアバランシェ増倍作用を有する受光層を介在させた固体撮像素子が周知である。紫外線を用いた塗面の検査装置として、特許文献５により紫外線の正反射光を紫外線センサで検出し、その反射光量を基にクリア塗膜の有無を判断する建築物用クリア塗材検出装置、或は特許文献６により紫外線吸収塗膜に紫外線を照射し、その正反射光が入射しない角度で反射光を紫外線センサで検出し、その反射光量を基に紫外線吸収性能を検査する部材検査装置が開示されている。
特開平３−１０１５０号公報特開２０００−２５０６２５号公報特開２０００−１２３６１０号公報特開平５−１２９６４９号公報特開平２−２８１１３０号公報特開２００３−２７０１４２号公報

特許文献２による車両用塗面検査装置によれば、その横幅方向の拡散が抑制された正反射光の撮像画像を処理することにより、反射角の変化するブツ或は微小な傷が検知可能となり、処理領域もフレネルレンズの構造に対応して横幅を広げることができる。しかしながら、自動車ボデー等の塗面は、図８Ａに示すように、生地であるボデー２に電着塗膜３を電着塗装し、その表面に中塗り塗膜３ａを塗装し、その表面にさらに光沢塗膜３ｂの上塗りが行われるのが通常であるが、光沢塗膜３ｂを検査対象にしている。つまり、表面が相対的に粗い電着塗膜３或は中塗り塗膜３ａに対しては表面全域で拡散光が生じ易く、高感度を得るのは難しい問題がある。また、光沢塗膜３ｂについても図８Ｂに示すように、塗膜の表面張力の変動に起因する微小凹部（所謂ハジキ）、塗料垂れに起因する微小凸部（所謂タレ）、気泡が弾けた際に生じるリング状凸部（所謂ワキ）等の凹凸傾斜が相対的に緩やかな塗膜自体の微小欠陥の検出も難しい。

その対策として、イメージセンサとして、前述の高解像度・高Ｓ／Ｎ比・高感度のアバランシェ増倍型固体撮像カメラの採用が考えられるが、通常のＣＣＤカメラに対して大幅に高価になる。また、長寿命、輝度の安定度或は保守性の点で有利な発光ダイオード群による前述のような光源について、面状に平行光を高精度に照射可能にする光源装置は提案されていない。

本発明は、前述の紫外線の反射光量による塗膜の検査装置は塗膜の紫外線の吸収度を検知することを前提にしているのに対して、表面を照射する平行光の波長を可視光よりも短くすることにより、画像信号による表面の微小欠陥の検知がより高感度に行い得ることを確認したことを基に、紫外線の平行光により微小欠陥をさらに高感度で検出可能にする表面検査装置を提供することを目的とする。さらに別の目的は、平行光を照射する面光源装置に発光ダイオードを用いて安定化させて高感度で検出可能にすることである。

本発明は、この目的を達成するために、請求項１により、面光源装置により平行光を照射された検査対象となる表面をイメージセンサで撮像して、画像処理装置によりイメージセンサから出力される画像信号レベルが、正常な表面に対応する高信号レベルから低下するのを検出して表面に生じている微小欠陥を自動的に検知するための表面検査装置において、面光源装置が、縦長範囲に紫外線を照射する紫外線光源と、この紫外線光源の前方に位置し、かつ縦長範囲の横方向へ拡散して入射する紫外線を横方向に平行に集束させるレンズとを備えると共に、イメージセンサが紫外線を検知することを特徴とする。

紫外線光源で照射された紫外線は、横方向へ拡散してレンズに入射し、平行に集束させられて検査対象となる表面の縦長範囲を照射する。その微小欠陥での反射光は、短い波長に応じて正反射の平行状態から感度良く変化し、イメージセンサから出力される画像信号レベルが、対応して正常な表面の高信号レベルから高感度で低下する。

紫外線光源として、請求項２により、紫外線光源が直管形紫外線ランプであり、この直管形紫外線ランプ及びレンズ間におけるレンズの焦点位置に直管形紫外線ランプの横幅と同程度もしくは狭い横幅を有する縦長のスリットが配置されるか、或は請求項３により、紫外線光源が、それぞれの光軸が円弧中心点に一致するように、横方向へ円弧状に配列された複数個をさらに縦方向へ配列した紫外線発光ダイオード群で構成され、円弧中心点を焦点とするレンズが、円弧状配列の複数個の発光ダイオードのそれぞれの光軸を含む光軸面に沿って焦点を通過する各発光ダイオードの照射光を光軸面に沿って平行に出射させることが考えられる。その際、集束精度を向上させるには、請求項４により、焦点位置に、縦方向に沿ってスリットが形成される。本発明を有利に適用し得る検査対象としては、請求項５により、検査対象となる表面が、自動車ボデーの塗面である。

請求項１の発明によれば、横方向に平行な紫外線で検査対象の表面の縦長範囲が照度を揃えて照射され、表面の微小欠陥に対して可視光よりも短い波長により高感度で平行方向から変化することにより、イメージセンサから出力される画像信号レベルが高感度で低下し、したがって光沢面でない表面の微小欠陥も確実に検出可能となり、光沢面のブツ、傷以外のより緩やかな傾斜の微小欠陥も検出可能となる。請求項２の発明によれば、縦長の広い範囲が検査可能になる。請求項３の発明によれば、発光ダイオード群により照度の安定した長寿命の面光源装置が実現される。請求項４の発明によれば、発光ダイオードの拡散する照射光を遮光することにより、平行度が一層向上する。請求項５の発明によれば、自動車ボデー等の塗装の光沢塗膜、その裏側の中塗り塗膜或は電着塗膜の検査も可能になる。

図１乃至図５を基に本発明の実施の形態による検査対象の表面を自動車ボデーの塗面とする車両用塗面検査装置を説明する。図３に示すように、車両１の搬送路の両側にロボット３９、３９ａが配置され、それぞれのロボットアーム９、９ａの先端部に取付けられた基部２９には、面光源装置１０及びイメージセンサとしての紫外線ＣＣＤカメラ２１よりなる撮像装置２０が取付けられている。ロボット３９、３９ａは、撮像装置２０を順にシフトさせるように塗面上を走査し、かつ各走査位置での撮像装置２０の塗面に対面する３次元位置及び３軸方向の角度を任意に制御可能になっている。

図１及び図２は面光源装置１０を示すもので、それぞれの光軸が円弧中心点に一致するように、円弧状に配列した複数個の紫外線発光ダイオード１１ａを基面１２に奥行き方向へさらに面状に配列した紫外線発光ダイオード群で構成される紫外線光源１１と、この紫外線光源にその円弧中心点の前方で対面し、かつこの円弧中心点を焦点Ｆとするシリンドリカルレンズ１５と、焦点Ｆの位置で縦方向、即ち図１で見て奥行き方向へ縦長のスリット１６を形成するスリット板１７とを備えて、それぞれケース１３に収納されている。シリンドリカルレンズ１５は、紫外線の透過効率もしくはその吸収による変色等の化学作用の回避を考慮して、例えば石英製にする。

シリンドリカルレンズ１５は、半径が８ｃｍ程度の円弧状配列の複数個の紫外線発光ダイオード１１ａの横幅よりも広く設定され、焦点Ｆを通って紫外線光源１１を奥行き方向へ２分割する対称面に対して対称に配置されることにより、例えば４００個程度の円弧状紫外線発光ダイオード１１ａの各光軸を含む光軸面、即ち前述の対称面の直交面に沿って焦点Ｆを通過する入射光を前述の光軸面に沿って平行に集束する。また、シリンドリカルレンズ１５の横幅は８ｃｍ程度、縦幅は紫外線光源１１に対応して４０ｃｍ程度であり、前述の光軸面に沿って横幅が１ｃｍ程度のスリット１６を通過する各紫外線発光ダイオード１１ａの照射光を平行に出射させる。紫外線発光ダイオード１１ａは、その光軸に対して横幅方向へ約±１０°、奥行き方向へ±２０°程度の出射光量の指向角で光照射を行う。図１での発光ダイオード１１ａの個数は省略して図示してある。

撮像装置２０には、紫外線ＣＣＤカメラ２１から出力される画像信号レベルが微小欠陥に起因して通常の高い信号レベルから低下するのを検出する画像処理装置３０が付属している。この画像処理装置は、図４及び図５に示すように、パソコンを利用して構成され、所定の走査位置に停止した紫外線ＣＣＤカメラ２１の１画面分の画像信号を逐次更新しつつ格納し、その画素ごとの画像信号（図５Ａ）を横方向に読出し走査することにより、明るい塗面に対応して立上っている高画像レベルＴｒからの立下がり点Ｔｆの振幅（図５Ｂ）が基準値を上廻るのを検出する欠陥候補検出手段３１と、欠陥候補が形成する欠陥候補領域Ｄｂ（図５Ｃ）が外接する方形Ｒの縦横長から微小欠陥であるか否かを判定する欠陥判定手段３２と、微小欠陥と判定された欠陥候補領域のアドレスを走査位置データと共に格納しておく欠陥データ格納手段３３と、画面に表示された車両１の塗面上に走査位置及びアドレスを基に微小欠陥データに応答して欠陥位置をマーキングしたり或は同様なデータをプリントアウトする出力手段３４とを備えている。

このように構成された面光源装置１０の動作は次の通りである。紫外線発光ダイオード１１ａの円弧配列及びスリット１６の絞りにより、シリンドリカルレンズ１５にその焦点もしくはその近辺を通過する照射光が入射し、平行光もしくは略平行光で例えば前述の中塗り塗面３ｂが、例えば５０ｃｍの前方位置から照射される。撮像装置２０は、その反射光を紫外線ＣＣＤカメラ２１の撮像範囲で撮像して、その画像信号を画像処理装置３０に一旦格納させる。そして、シリンドリカルレンズ１５の横幅よりも僅かに狭い横幅約８ｃｍ、縦幅２０ｃｍの略均一の照度の正反射光が入射する実際の処理範囲の画像信号を横幅方向へ読出し走査し、順に隣合う微小欠陥候補の画素ラインデータで形成される微小欠陥候補領域が外接する方形Ｒを作成し、その縦横の長さをそれぞれ算出して、いずれかが所定の長さを上廻ると微小欠陥と判定する。紫外線ＣＣＤカメラ２１は面光源装置１０の例えば５０ｃｍの前方位置の塗面での照射領域よりも広い横幅で、２０ｃｍ程度の縦幅の範囲に配向されている。

これにより、光沢塗面よりも粗い中塗り塗面３ｂに対して、短い波長に応じて平行状態から感度良く反射方向が変化するブツ又は傷が検出される。試験より、同様な照度、光照射範囲、光学系による可視の平行光線に対して、同程度の感度のＣＣＤカメラによる画像レベルの立ち下がり振幅が、電着塗膜も含めて同一ブツ又は傷に対して大幅に大きくなることが確認されている。光沢塗面についてもブツ又は傷が可視光に対して一層高感度で検出されると共に、その他の前述した所謂タレ、ハジキ、タレ、ワキ）等の凹凸傾斜が相対的に緩やか微小欠陥も検出される易くなることが確認されている。

尚、前述の実施の形態による焦点位置のスリットは廃止しても、全ての発光ダイオードの光軸がフレネルレンズの焦点を指向していることにより、多少の平行度の低下を甘受して広範囲の平行変換が可能である。さらに、図１において、スリット１６に各紫外線発光ダイオード１１ａの光軸に対して横幅方向の指向角を広げる拡散板を配置したり、或は紫外線光源１１に沿って拡散板を配置することにより、多少の平行度の低下を甘受して横幅方向の輝度を均一化することもできる。

図６及び図７は別の実施の形態による面光源装置４０を示すもので、基部４１ａに沿って取付けられた直管形紫外線ランプ４１、その前方に配置され、かつその照射光の横幅を制限する縦長のスリット４２を有するスリット板４２ａ及びこのスリットの前方に配置され、かつスリット４２を通して入射する照射光を横方向にわたり平行光に変換する縦長のフレネルレンズ４３を有して、遮光板４６、４６ａで包囲されている。スリット４２の開口幅は、直管形紫外線ランプ４１の直前に位置してその横幅と同程度もしくは狭い２〜２５ｍｍ、例えば５ｍｍで、縦長は直管形紫外線ランプ４１の長さに対応している。フレネルレンズ４３はその焦点距離に対応してスリット４２の例えば１５ｃｍ程度前方に位置して、横幅は直管形紫外線ランプ４１の横幅よりも広い約５ｃｍに設定され、対応した縦長を有する。紫外線ＣＣＤカメラ２１はフレネルレンズ４３の例えば５０ｃｍの前方位置の塗面での照射領域よりも充分広い横幅で、縦幅２０ｃｍ程度の縦長範囲の正反射光が入射するように配向されている。

これにより、撮像装置が、照射光の中心光軸を紫外線ＣＣＤカメラ２１の中心光軸に反射させるように処理領域の中心に対して対面位置及び姿勢を制御されることにより、同様に平坦な塗面からは少なくとも横方向には拡散することなく、正反射光が入射し、微小欠陥領域ではその光散乱により正反射光の入射光量が高感度に低減する。縦長の照射範囲の横幅は、フレネルレンズに応じてさらに広げることができる。尚、紫外線光源としては、直管形に限らず、複数個の紫外線ランプを縦方向に照度を揃えるように配列することも考えられ、

前述の双方の実施の形態について、拡散光を平行に集束するレンズとしては、発光ダイオードによる紫外線光源の場合を含めて、レンチキュラレンズ等別種のレンズを用いることも可能である。

本発明の実施の形態による表面検査装置の面光源装置の断面図である。同面光源装置の斜視図である。同表面検査装置を用いた車両用塗面検査装置の概略正面図である。同車両用塗面検査装置の画像処理装置の構成を説明する図である。同画像処理装置の動作を説明する図である。紫外線ランプを用いた別の実施の形態による面光源装置を備えた撮像装置の側面図である。図６による面光源装置の分解斜視図である。本発明の検査対象を説明するもので、同図Ａは車両用塗面の一般的な断面図、同図Ｂは想定される微小欠陥の断面図である。

符号の説明

１０，４０面光源装置
１１紫外線光源
１１ａ紫外線発光ダイオード
１５シリンドリカルレンズ
１６，４２スリット
２０撮像装置
２１紫外線ＣＣＤカメラ
４１直管形紫外線ランプ
４３フレネルレンズ

Claims

面光源装置により平行光を照射された検査対象となる表面をイメージセンサで撮像して、画像処理装置によりイメージセンサから出力される画像信号レベルが、正常な表面に対応する高信号レベルから低下するのを検出して表面に生じている微小欠陥を自動的に検知するための表面検査装置において、
面光源装置が、縦長範囲に紫外線を照射する紫外線光源と、この紫外線光源の前方に位置し、かつ前記縦長範囲の横方向へ拡散して入射する前記紫外線を横方向に平行に集束させるレンズとを備えると共に、イメージセンサが紫外線を検知することを特徴とする表面検査装置。
紫外線光源が直管形紫外線ランプであり、この直管形紫外線ランプ及びレンズ間における前記レンズの焦点位置に前記直管形紫外線ランプの横幅と同程度もしくは狭い横幅を有する縦長のスリットが配置されたことを特徴とする請求項１記載の表面検査装置。
紫外線光源が、それぞれの光軸が円弧中心点に一致するように、横方向へ円弧状に配列された複数個をさらに縦方向へ配列した紫外線発光ダイオード群で構成され、
円弧中心点を焦点とするレンズが、円弧状配列の複数個の前記発光ダイオードのそれぞれの前記光軸を含む光軸面に沿って前記焦点を通過する各前記発光ダイオードの照射光を前記光軸面に沿って平行に出射させることを特徴とする請求項１記載の表面検査装置。
焦点位置に、縦方向に沿ってスリットが形成されていることを特徴とする請求項３記載の表面検査装置。
検査対象となる表面が、自動車ボデーの塗面であることを特徴とする請求項１乃至請求項４記載の表面検査装置。