JP2009063560A - 構成部品の表面欠陥を検出する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】構成部品の表面欠陥を検出する方法の改良を行う。
【解決手段】構成部品５の表面に、光源４，４’からの光を側方から照射する。構成部品５の表面から反射した光をセンサで検出する。この方法の測定感度を高めるため、構成部品５の表面の後方部分１９，１９’だけに光源４，４’からの光を照射するか、構成部品５の表面の後方部分１９，１９’から反射した光をセンサで検出および／または評価装置で評価するか、またはその両方を行う。
【選択図】図３

Description

本発明は、構成部品またはその他の物体における表面欠陥を検出する方法およびその方法を実施する装置に関するものである。

構成部品の表面誤差を検出する種々の方法はすでに公知である。いわゆる暗視野照明法では、構成部品の表面に光源からの光を側方から照射し、構成部品表面から反射される光をセンサまたはカメラ（ＣＣＤカメラ等）で検出する。センサで検出されたイメージは、評価および／または保存することができる。暗視野照明法は、特に傷または類似の表面欠陥を検出するために用いられる。構成部品表面に光を照射すると、傷等の欠陥箇所からの光だけが光学センサに入射するようになっている。

公知の方法による暗視野照明法に関して、図１は構成部品の表面欠陥を検出する装置の概略側面図を示し、図２は図１の装置の改良版を示す。

図１の装置は、構成部品５の表面に側方のそれぞれから光を照射する２つの光源４および４’と、構成部品５の表面から反射する光を検出するセンサを有するＣＣＤカメラ２とを備えている。光源４および４’は、互いに対向するように配置されており、ＣＣＤカメラ２の中心軸について対称となっている。光源４および４’からの直接光は、構成部品５の表面に入射する。

測定領域Ａは、ＣＣＤカメラ２の絞り６と、構成部品５からＣＣＤカメラ２までの距離とによって決まる。光源４および４’は、構成部品５の表面から反射した光がＣＣＤカメラ２に入射しないように配置されている。光源４は、測定領域Ａに対し、左方向から開放角αで直接光を照射する。下側境界光線７は、構成部品５の表面における測定領域Ａの左側端部８に角度βで入射し、そこから光線９として反射する。反射した光線９は、ＣＣＤカメラ２に入射せず、ＣＣＤカメラ２の下を通過するようになっている。

光源４からの上側境界光線１０は、測定領域Ａの右側端部８’に進み、そこから角度βよりも小さい角度γで反射する。この反射光線もまた、ＣＣＤカメラ２に入射せず、その下側を通過するようになっている。

光源４’は、測定領域Ａの反対側に配置されている。この光源４’から放射された光もまた、構成部品５の表面で反射した後にＣＣＤカメラ２に入射しないようになっている。

図１に示す方法および装置は、例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３および特許文献４等のさまざまな先行文献により公知である。

図１に示す暗視野照明法では、光源４および４’から放射された光は、表面欠陥のない構成部品５については、図１に示すように、ＣＣＤカメラ２の光学センサの前を通り過ぎていく。したがって、ＣＣＤカメラ２から見ると、表面欠陥のない構成部品５の測定領域Ａは暗く見える。

構成部品５の表面に、傷または類似の欠陥がある場合には、光源４および／または４’からの光は反射してＣＣＤカメラ２に入射する。構成部品５の表面上の傷は、このようにして確認することができる。
独国実用新案出願公開第２０２００５０１１８０７号明細書 独国特許出願公開第１０２００４０２６３７５号明細書 独国特許出願公開第１０２００４０５８７７８号明細書 独国特許出願公開第１０２００５０３１４９０号明細書

測定感度が高いほど、光線７および１０または７’および１０’、ならびにこれらの間の光線が測定領域Ａに入射する角度βおよびγは小さくなる。しかしながら、光源４および４’については、機械的な理由により、構成部品５の表面から所定の最低限の距離を確保することが要求されることが多い。そうすると、角度βおよびγは増加してしまう。

この例を図２に示す。光源４および４’の構成部品５の表面からの距離が長くなり、角度βおよびγが大きくなっている。下側境界光線７および７’の反射光９および９’は、ＣＣＤカメラ２およびセンサに入射する。

これを防止しつつ、感度を高めるには、測定領域Ａから光源４および４’までの横方向の距離を長くすることで角度βおよびγを小さくすることが考えられる。しかしながら、光源４および４’を配置する装置全体が大きくなってしまう。構成部品５の表面から光源４および４’までの間に特定の距離を設けなければならないことから、感度の低下および装置または検査機構の構造サイズの増加のいずれかが生じてしまう。

本発明の目的は、上記の方法および装置に改良を加えることである。

第１の提案によれば、請求項１の導入部分に記載の構成部品の、表面欠陥を検出する方法における課題は、請求項１の特徴部分により解決される。構成部品の表面の後方部分だけに光源からの光を照射するか、構成部品の表面の後方部分から反射した光だけをセンサで検出および／または評価装置で評価するか、またはその両方を行う。構成部品の表面のうち、光源から見て後方の一部分のみに光源からの光を照射しているので、下側境界光線の構成部品表面に対する入射角が小さくなり、測定感度を高めることができる。または、感度を変更せずに、光源から構成部品までの横方向の距離を長くすることができる。

その他の利点については従属項に記載する。

構成部品の表面に、複数の光源からの光を照射してもよい。特に、構成部品の表面に、２つの光源からの光を照射することができる。２つの光源は、互いに対向するように配置されることが好ましい。しかしながら、構成部品の周りに環状に配置された複数の光源を使用することも可能である。棒状の光源またはその他の細長い形状の光源を用いることが特に好適である。

請求項１の導入部分に記載の、構成部品の表面欠陥を検出するための装置において、本発明の基礎となる課題は、第１の提案に基づき、請求項６の特徴部分により解決される。

その他の利点については従属項７〜１０に記載する。

請求項１１の導入部分に記載の、構成部品の表面欠陥を検出する方法において、本発明の基礎となる課題は、請求項１１の特徴部分によって独立して権利保護が要求されている別の提案により解決される。この提案によれば、構成部品の表面に、縞状光投影機からの光を側方から照射する。構成部品の表面から反射した光は、センサによって検出される。構成部品の表面におけるへこみやくぼみ等の面状変形は、この表面で縞状パターン光の形状変化によって確認することができる。また、傷等の表面欠陥は、構成部品の表面に光源からの光を側方から照射すること（つまり暗領域照射）によって確認することができる。

本発明による２つの方法は、互いに組み合わせて用いることができる。

請求項１４の導入部分に記載の構成部品の表面欠陥を検出する装置において、本発明の基礎となる課題は、請求項１４の特徴部分によって独立して権利保護が要求されている別の提案により解決される。この装置は、構成部品の表面に、縞状パターン光を側方から投影する縞状光投影機を備えている。

本発明による２つの装置は、互いに組み合わせて用いることができる。

本発明の実施形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。図３は、本発明による構成部品の表面欠陥検出装置の一実施形態を示す概略側面図である。図４は、縞状光投影機を備えた本発明の装置の別の実施形態を示す図である。

図３に示す実施形態において、図１および２に示す構成要素に対応する構成要素には同一の符号を使用し、説明を省略する。

光源４からの光錐は、下側境界光線１７が、構成部品５の表面における測定領域Ａの中心にある地点１８に入射するように設定されている。反対側に配置された光源４’からの下側境界光線１７’についても同様である。光源４および４’の上側境界光線１０および１０’は、図１および図２において説明した公知の実施形態と同様に、構成部品５の表面における後端点８および８’にそれぞれ入射する。すなわち、光源４は、構成物品５の側方から（即ち、構成物品５の表面に対して傾斜した方向から）、構成部品５の表面のうち、光源４から見て後方部分１９（即ち、光源４から見て測定領域Ａの中心よりも奥側の部分）だけに光を照射する。同様に、光源４’は、構成物品５の側方から（即ち、構成物品５の表面に対して傾斜した方向から）、構成部品５の表面のうち、光源４’から見て後方部分１９’（即ち、光源４’から見て測定領域Ａの中心よりも奥側の部分）だけに光源４’からの光が照射される。

図３に示す実施形態では、構成部品５の表面または測定領域Ａには、測定領域Ａの中心を挟んで、互いに対向するように配置された２つの光源４および４’からの光が照射される。しかしながら、構成部品５または測定領域Ａの周りに複数の光源を環状に配置することも可能である（図示せず）。光源４および４’は、実質的に点状であってもよい。しかしながら、棒状の光源を用いることも可能である。この場合、棒状光源は、その長手方向が図３の平面に対して垂直に伸びるように配置されることが好ましい。

本発明を実施するために、図２に示す構成を採用して、構成部品５の表面の各後方部分から反射した光だけを、ＣＣＤカメラ２のセンサで検出および／または評価装置で評価することができる。このために、いずれの場合においても光源４および４’のうち一方だけが点灯するように、この方法を実施してもよい。例えば、光源４をＯＮに切り替えた時は、ＣＣＤカメラ２のレンズの左側領域をキャップ（図示せず）で覆い、ＣＣＤカメラのセンサに構成部品５の表面の後方部分１９から反射した光だけを検出させる。また、測定領域Ａの左側部分１９’を検査する際には、光源４をＯＦＦに切り替え、光源４’をＯＮに切り替える。そして、ＣＣＤカメラ２のレンズの右側領域をキャップで覆う。この測定の第２段階では、構成部品５の表面の後方部分１９’から反射した光だけをＣＣＤカメラ２のセンサで検出する。

以下の方法を実施することも可能である。すなわち、光源４を、まずＯＮに切り替え、図２に示すように測定領域Ａの全体に光を照射する。その一方で、構成部品５の表面の後方部分１９から反射する光だけを評価する。次の工程において、光源４をＯＦＦに切り替え、光源４’をＯＮに切り替える。そして、後方部分１９’から反射した光だけを評価する。

図４に示す実施形態では、棒状の光源４および４’の他に、縞状光投影機３が設けられている。縞状光投影機３は、光源４および４’ならびにＣＣＤカメラ２とほぼ同じ高さに配置される。この時、縞状光投影機３は光源４および４’の間であって、ＣＣＤカメラ２から距離をあけて配置される。周方向に見ると、縞状光投影機３は光源４および４’のそれぞれから９０°ずれた位置にある。縞状光投影機３からは、構成部品５の表面に対して特定の角度で直接光が照射される。この特定の角度とは、三角測量角である。縞状光投影機３は、構成部品５の表面に縞状パターン光を投影する。

図３に示す装置の操作では、図４（ａ）に示すように、光源４および４’をＯＦＦに切り替え、縞状光投影機３をＯＮに切り替える。縞状光投影機３により構成部品５の表面に照射された縞状パターン光の形状は、この表面におけるくぼみやへこみ等の変形によって変化する。この面における変形は、ＣＣＤカメラ２で検出し、縞状パターン光の形状変化によって評価することができる。

縞状光投影機３をＯＦＦに切り替えて、光源４および４’をＯＮに切り替えることも可能である。光源４および４’は同時に点灯してもよいし、交互に点灯してもよい。光源４および４’による暗視野照明により、傷などの鋭利な表面欠陥箇所を確認することができる。図３に示す改良法は、光源４および４’を用いた暗視野照明法とともに実施することができる。また、図１および図２に記載の従来の方法を利用することも可能である。

本発明によれば、光源４および４’からの光線の入射角の増加および測定感度の低下を生じることなく、検査装置の構造サイズを最小化することができる。ここでは、測定感度について説明する。機械的な理由から、構成部品５の表面から光源４および４’までの間に特定の距離を設ける必要がある場合には、ＣＣＤカメラ２の中心軸から光源４および４’までの距離、または光源４および４’間の距離、ならびに検査ユニットの構造サイズは、要求される測定感度および最大入射角に基づいて予め設定される。光の入射角の増加および測定感度の低下を生じることなく、検査ユニットの構造サイズを最小化するためには、光源４および４’の光を、測定領域Ａの全体に照射するのではなく、後方部分または対向する部分だけにそれぞれ照射するようにする。このようにすると、構成部品５の表面に対する光の入射角の増加および測定感度の変動を生じることなく、光源４および４’間の距離を小さくすることができる。

本発明は、欠陥のない部品表面から反射した光のほとんどがＣＣＤカメラのセンサの前を通り過ぎていくように、光源４および４’が、測定領域Ａのそれぞれ反対側の部分だけに光を照射するように構成することで実現できる。また、二方向以上からの側方照射を行ってもよいし、環状に配置した光源から照射を行ってもよい。同様に、光源を使って各撮像領域の全体に連続的に光を照射してもよいし、互いに対向する撮像領域の半分だけを考慮して評価を行ってもよい。

縞状光投影機を用いる場合、縞状光投影機３からの光は通常、検査対象の構成部品に特定の角度（三角測量角）で入射する。表面上のくぼみやへこみ等の変形は、縞状パターン光の形状変化によって確認することができる。一方で、例えば傷等の鋭利な表面欠陥箇所の検出については、縞状光投影機からは一方向の光しか放射されないので、縞状光投影機に条件を設けた場合にのみ可能である。したがって、光源４および４’から、縞状パターン光に対して垂直な方向の光をさらに照射する。装置の構造サイズをできるだけ小さくするためには、いずれの場合にも、測定領域の後方部分だけに光を照射する図３に示す方法を実施すればよい。

図１は、構成部品の表面欠陥を検出する装置の概略側面図である。 図２は、図１の装置の改良版を示す図である。 図３は、本発明による構成部品の表面欠陥検出装置の一実施形態を示す概略側面図である。 図４は、縞状光投影機を備えた本発明の装置の別の実施形態を示す図である。

Claims (16)

1. 構成部品（５）の表面欠陥を検出する方法は、
   前記構成部品（５）の表面に、光源（４，４’）からの光を側方から照射し、
   前記構成部品（５）の表面から反射した光をセンサで検出する方法であって、
   前記構成部品（５）の表面の後方部分（１９，１９’）だけに前記光源（４，４’）からの光を照射するか、前記構成部品（５）の表面の前記後方部分（１９，１９’）から反射した光だけをセンサで検出および／または評価装置で評価するか、またはその両方を行うことを特徴とする方法。
2. 請求項１の方法において、
   前記構成部品（５）の表面に、複数の光源（４，４’）からの光を照射することを特徴とする方法。
3. 請求項２の方法において、
   前記構成部品（５）の表面に、互いに対向するように配置された２つの光源（４，４’）からの光を照射することを特徴とする方法。
4. 請求項２の方法において、
   前記構成部品（５）の表面に、前記構成部品（５）の周りに環状に配置された複数の光源からの光を照射することを特徴とする方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１つの方法において、
   前記構成部品（５）の表面に、棒状の光源（４，４’）からの光を照射することを特徴とする方法。
6. 構成部品の表面欠陥を検出する装置は、
   前記構成部品の表面に側方から光を照射する光源（４，４’）と、前記構成部品（５）の表面から反射した光を検出するセンサとを備えた装置であって、
   前記構成部品（５）の表面の後方部分（１９，１９’）だけに前記光源（４，４’）からの光を照射するか、前記構成部品（５）の表面の前記後方部分（１９，１９’）から反射した光だけをセンサで検出および／または評価装置で評価するか、またはその両方を行うことを特徴とする装置。
7. 請求項６の装置において、
   前記構成部品（５）の表面に光を照射する複数の光源（４，４’）を備えることを特徴とする装置。
8. 請求項７の装置において、
   互いに対向するように配置され、前記構成部品（５）の表面に光を照射する２つの光源（４，４’）を備えることを特徴とする装置。
9. 請求項７の装置において、
   前記構成部品（５）の周りに環状に配置され、前記構成部品（５）の表面に光を照射する複数の光源を備えることを特徴とする装置。
10. 請求項６〜９のいずれか１つの装置において、
    前記光源（４，４’）は、棒状であることを特徴とする装置。
11. 構成部品（５）の表面欠陥を検出する方法は、
    前記構成部品（５）の表面に、光源（４，４’）からの光を側方から照射し、
    前記構成部品（５）の表面から反射した光をセンサで検出する方法であって、
    前記構成部品（５）の表面に、縞状光投影機（３）からの縞状パターン光を側方から照射することを特徴とする方法。
12. 請求項１１の方法において、
    前記構成部品（５）の表面の後方部分（１９，１９’）だけに前記光源（４，４’）からの光を照射するか、前記構成部品（５）の表面の前記後方部分（１９，１９’）から反射した光だけをセンサで検出および／または評価装置で評価するか、またはその両方を行うことを特徴とする方法。
13. 請求項１１又は１２の方法において、
    請求項３〜５のうちの１つまたは複数の請求項に記載の特徴を有することを特徴とする方法。
14. 構成部品（５）の表面欠陥を検出する装置は、
    前記構成部品の表面に側方から光を照射する光源（４，４’）と、前記構成部品（５）の表面から反射した光を検出するセンサとを備えた装置であって、
    前記構成部品（５）の表面に、縞状パターン光を側方から投影する縞状光投影機（３）を備えることを特徴とする装置。
15. 請求項１４の装置において、
    前記構成部品（５）の表面の後方部分（１９，１９’）だけに前記光源（４，４’）からの光を照射するか、前記構成部品（５）の表面の前記後方部分（１９，１９’）から反射した光だけをセンサで検出および／または評価装置で評価するか、またはその両方を行うことを特徴とする装置。
16. 請求項１４又は１５の装置において、
    請求項７〜１０のうちの１つまたは複数の請求項に記載の特徴を有することを特徴とする装置。

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