JP2009216485A - 微小物体の形状不良判定検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】微小物体のスケール異常、欠け、へこみなどの形状異常や異物付着などの検査を行い良品と不良品を判定することが簡易なシステム構成で短時間に行える検査装置を提供する。
【解決手段】周期的に並んだ微小物体の被検査物に対して斜め方向から青、緑、赤色のＬＥＤを光源とし、照明光を照射する照明光照射手段と、
被検査物の反射光を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段に撮像された画像を記憶する画像記憶手段と、
前記画像記憶手段によって記憶された３枚の画像から１枚の画像を合成する画像合成手段と、
その合成画像に対して画像処理を行い被検査物の形状不良を判定する判定手段とを備えることを特徴とする微小物体の形状不良判定検査装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、周期的に並んだ微小物体の被検査物に対して３色のＬＥＤ光源を用いた光学系によって撮像した画像と画像処理から得られるエッジの方向成分を用いて良品と不良品を判定する検査装置に関する。

微小物体の形状を把握する従来手法として産業用によく用いられているのが、三角測量の原理に基づいた光切断法である。この手法はスリット光を被検査物に照射し被検査物の奥行き方向の凹凸に応じた光をカメラで撮像する。そして、取得した画像の結像位置から三角測量を用いて被検査物の形状を測定する。光切断法は１ライン測定する度にスリット光を走査していかなければならず、被検査物の多数の点を測定するためには時間的コストが高い。

光切断法の時間的コストの問題を解決した手法にパターン投影法とうい手法がある。この手法は既知の格子パターンを被検査物に投影し、被検査物上の格子像をカメラで撮像する。そして、画像の結像位置から被検査物の形状を測定する。パターン投影法は被検査物の面全体を一度に測定可能であるため、時間的コストを低くすることが可能となる。

また、微小物体の形状を測定するために共焦点光学系を用いた手法が特許文献１に開示されている。この手法は被検査物と結像レンズとの間に撮像焦点位置が異なる複数の平行平板透明体を挿入し、この平行平板透明体を高さ方向に変化させ各々の焦点位置に合うところで被検査物の撮像を行う。また、この平行平板透明体がはめ込まれた円盤を高速で回転させることによって結像レンズの焦点位置を変化させている。以上の方法により焦点位置の異なる画像を取得することが可能となり、合焦状態と各画像の焦点位置から被検査物の形状を測定することが可能となる。

このように微小物体の形状を把握するために、上記の光切断法、パターン投影法、共焦点法など様々な手法が提案されている。しかし、これらの方法は微小物体の高さを測定することに重点を置いているため、微小物体の形状の把握や異物付着の識別といったことには不向きである。

この問題を解決するために、被検査物と照明との角度情報を良品と不良品とを判定するためのパラメータとして用いることが特許文献２に開示されている。

しかしながら、いずれの方法でも、時間的なコストの高さや光学系の複雑さといった問題がある。
特開平９−５０４６号公報 特開２０００−１３１０３７号公報

本発明は斯かる背景技術の問題に鑑みてなされたもので、微小物体のスケール異常、欠け、へこみなどの形状異常や異物付着などの検査を行い良品と不良品を判定することが簡易なシステム構成で短時間に行える検査装置を提供することを課題とする。

本発明において上記課題を解決するために、まず請求項１の発明では、
周期的に並んだ微小物体の被検査物に対して斜め方向から青、緑、赤色のＬＥＤを光源とし、照明光を照射する照明光照射手段と、
被検査物の反射光を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段に撮像された画像を記憶する画像記憶手段と、
前記画像記憶手段によって記憶された３枚の画像から１枚の画像を合成する画像合成手段と、
その合成画像に対して画像処理を行い被検査物の形状不良を判定する判定手段とを備えることを特徴とする微小物体の形状不良判定検査装置としたものである。

また請求項２の発明では、前記照明光照射手段は、青、緑、赤色の３色のＬＥＤ光源をスイッチにより切り替え可能であり、各色の光源による３枚の画像を取得可能であることを特徴とする請求項１記載の微小物体の形状不良判定検査装置としたものである。

また請求項３の発明では、前記判定手段は前記画像合成手段によって取得した画像に対してエッジ抽出処理を施し、抽出したエッジの方向成分を被検査物の良品と不良品とを判定するためのパラメータとして用いることを特徴とする請求項１又は２記載の微小物体の形状不良判定検査装置としたものである。

このように、本発明では上記の撮像手段によって取得した特徴の異なる３枚の画像を上記の画像合成手段で合成する。この合成画像は３色のＬＥＤ光源を反映した画像となっており、青、緑、赤色のＬＥＤ光源によって被検査物の各部分で鮮明に撮像される部分と不鮮明に撮像される部分が存在する。よって、各色の光源によって得られた画像を合成することによって、不鮮明な部分を鮮明な部分が補完する画像を取得する。

そして上記の画像合成手段で取得した合成画像に対してエッジ抽出の画像処理を施す。エッジ抽出の手段には画像の濃度値の変化に注目した１次微分フィルタを用いる。１次微分フィルタによって得られた画像の濃度勾配、つまりエッジを表す値は大きさと方向を持つベクトル量であり、本発明において被検査物の形状不良判定にはこのエッジの方向成分を用いる。

すなわち、良品のもつエッジの方向成分を被検査物とマッチングを用いて比較することによって、良品と不良品を判定する。エッジの方向成分に注目することによって、通常用いられる濃度の大きさに注目したマッチングより精度の向上が期待できる。

すなわち、ある光源から照射光を周期的に並んだ微小物体の被検査物に対して照射し、その反射光を撮像して得られた画像を観察すると、各被検査物において明るさの濃度値にばらつきが存在する。よって、明るさの濃度値をマッチングを行うためのパラメータ情報として用いることは困難である。一方、エッジの方向成分に注目すれば、同じ形状の物体であれば同じ方向成分を得ることができ、濃度値によらないマッチングが可能となる。

以上より、本発明では周期的に並んだ微小物体の被検査物に対して斜め方向から青、緑、赤色のＬＥＤを光源とする３色の照射光をそれぞれ照射し、各色の光源から得られる特徴の異なる画像を３枚取得する。そして、３枚の画像を合成することによって鮮明な画像を作成し、その画像に対して被検査物のエッジの方向成分をマッチングのためのパラメータ情報に用いて被検査物の良品と不良品の判定を行う。

この結果、本発明は、微小物体のスケール異常、欠け、へこみなどの形状異常や異物付
着などの検査を行い良品と不良品を判定することが簡易なシステム構成で短時間に行える検査装置を提供できるという効果がある。

以下に、本発明の最良の一実施形態を説明する。

本発明の実施形態である検査装置の概略構成を図１に示す。図１では微小物体の被検査物１が周期的に並んで配置されている。

被検査物１の所定箇所にＬＥＤ光源２からの照射光２１を所定の角度をもって照射する。ＬＥＤ光照射箇所から反射した反射光２２を受光可能な位置に撮像手段であるカメラ３を配置し、反射光２２を画像として取り込む。その画像は図示せぬ記憶手段に送られ画像処理４によって被検査物1の形状不良が判定される。

撮像手段であるカメラ３はＣＣＤなど各種の受光素子を用いたエリアセンサカメラを用いることができる。また、カメラ３には被検査物１のスケールに応じたレンズを取り付けて使用する。カメラ３の位置は、ＬＥＤ照射光に対する被検査物１からの正反射光がカメラ３に入射するようにあらかじめ配置しておく。

ＬＥＤ光源２は青、緑、赤色の３色のＬＥＤ光が同一箇所からそれぞれ独立に、または同時に照射することが可能な形態をもっており、本発明では各色のＬＥＤ光源を独立して照射している。

まず、図１において、青色のＬＥＤ光を被検査物１に照射しカメラ３で撮像を行い、青色ＬＥＤ光による画像を取得し図示せぬ記憶手段において画像５を保存しておく。

次に、図１において、緑色のＬＥＤ光を被検査物１に照射しカメラ３で撮像を行い、緑色ＬＥＤ光による画像を取得し図示せぬ記憶手段においてその画像６を保存しておく。

さらに、図１において、赤色のＬＥＤ光を被検査物１に照射しカメラ３で撮像を行い、赤色ＬＥＤ光による画像を取得し図示せぬ記憶手段においてその画像７を保存しておく。なお、上記の撮像するＬＥＤ光源の色の順は不同でかまわない。

以上のようにして取得した３枚の画像は画像処理部４において加算合成を行う。つまり、画像５は青色ＬＥＤ光から成る画像であるので、画像の各３原色を青Ｂ、緑Ｇ、赤Ｒとすると（Ｂ，Ｇ，Ｒ）＝（ｂ，０，０）で構成されている。ｂは画像の各画素のもつ２５６階調の値である。同様に、画像６は緑色ＬＥＤ光から成る画像であるので（Ｂ，Ｇ，Ｒ）＝（０，ｇ，０）で構成されている。同様に、画像７は赤色ＬＥＤ光から成る画像であるので（Ｂ，Ｇ，Ｒ）＝（０，０，ｒ）で構成されている。ｇ、ｒは共にｂと同様、画像の各画素のもつ２５６階調の値である。よって、図２に示すように、画像５、６、７を加算合成８することによって（Ｂ，Ｇ，Ｒ）＝（ｂ，ｇ，ｒ）をもつ１枚の画像９を作成することが可能となる。

カメラ３で撮像した画像５、６、７は図３に示すような特徴をもっている。図３の画像５１は画像５の１次微分フィルタによってエッジを抽出した画像である。また、画像６１は画像６の１次微分フィルタによってエッジを抽出した画像であり、画像７１は画像７の１次微分フィルタによってエッジを抽出した画像である。

画像５１、６１、７１を比べると分かるとおり、同一物体において抽出されたエッジに違いがあることが分かる。つまり、画像５１、６１、７１のエッジ抽出部をみると各部分
でエッジの強さが異なっている。画像５１におけるエッジ抽出部５２は他の画像６１、７１のエッジ抽出箇所より強いエッジが得られている。また、画像６１におけるエッジ抽出部６２は他の画像５１、７１の同一のエッジ抽出箇所より強いエッジが得られている。同様に、画像７１におけるエッジ抽出箇所７２は薄くではあるがエッジ抽出部５２、６２より強いエッジが得られている。

よって、青、緑、赤の異なる波長をもつＬＥＤ光源を用いて取得した３枚の画像５、６、７を合成した画像９のエッジ抽出部９１を見ると、画像５１、６１、７１で強く出ているエッジ部分が合成された形となっている。つまり、各色のＬＥＤ光源では不鮮明な部分も、３色のＬＥＤ光源から取り込んだ画像を合成することによって、不鮮明な部分を各色画像がもつ鮮明な部分が補完する効果を生んでいる。

次に、上記の方法で得られた鮮明なエッジに対して、エッジの方向成分を算出する。エッジとは画像の濃度値の勾配を表したものであり、大きさと方向を持つベクトル量で表すことができる。エッジの方向成分は図４に示すように画像の各画素に対する横方向の１次微分値と縦方向の１次微分値とから以下の数１で与えられる。

このθがエッジの方向成分を表し、本発明においてマッチングのパラメータとして用いる情報である。

良品のもつエッジの方向成分を被検査物のとマッチングを用いて比較することによって、良品と不良品を判定する。照射光の当たり方により被検査物の位置が異なると、同一の形状を持つ被検査物でも反射光の強さに違いが生じ、画像の濃度値をマッチングのパラメータ情報として扱うのは困難となる。一方、エッジの方向は画像の濃度値の強弱に依存しないため、同一形状であれば同一の方向成分を得ることができ、各被検査物の濃度値の違いに関係なくマッチングを行うことが可能となる。

図５に被検査物に対して本発明の実施形態の検査装置で撮像し、合成した画像およびそのエッジ抽出画像を示す。被検査物は周期的に並んだ円柱型の微小物体であり、図５の右端の微小物体には異物１０が付着してある。

この画像に対し上記のエッジの方向成分を用いてマッチングを行った結果、良品におけるマッチングの一致率を基準とした場合、画像左から３番目までの形状に異常がなく、異物の付着していない被検査物の一致率の誤差は１％以内であったのに対し、異物の付着した被検査物では一致率の誤差は２．１％であった。

よって、エッジの方向成分を用いたマッチングの一致率を閾値として被検査物の良品と不良品を判定することが可能となる。異物のスケールが大きくなればそれだけ良品との一致率の誤差は増大するので、各被検査物の許容する異物のスケールに合わせて閾値を設定しても良い。

本発明は異物の付着だけでなく、被検査物の欠けやへこみの形状不良などにも対応可能な微小物体の形状不良判定検査装置である。

本発明の実施形態の検査装置の概略構成を示した模式図。 ３色のＬＥＤ光源において撮像した画像およびその合成画像の例を示した図。 ３色のＬＥＤ光源において撮像した画像のエッジ抽出画像およびその合成画像のエッジ抽出画像の例を示した図。 エッジの方向成分を示した模式図。 本実施例で用いた周期的に並んだ微小物体の被検査物の例を示した図。

符号の説明

１・・・被検査物
２・・・ＬＥＤ光源
２１・・入射ＬＥＤ光
２２・・反射光
３・・・カメラ
４・・・画像処理部
５・・・青色ＬＥＤ光源における被検査物画像
５１・・青色ＬＥＤ光源における被検査物のエッジ抽出画像
５２・・青色ＬＥＤ光源におけるエッジ鮮明箇所
６・・・緑色ＬＥＤ光源における被検査物画像
６１・・緑色ＬＥＤ光源における被検査物のエッジ抽出画像
６２・・緑色ＬＥＤ光源におけるエッジ鮮明箇所
７・・・赤色ＬＥＤ光源における被検査物画像
７１・・赤色ＬＥＤ光源における被検査物のエッジ抽出画像
７２・・赤色ＬＥＤ光源におけるエッジ鮮明箇所
８・・・画像合成
９・・・合成画像
９１・・合成画像におけるエッジ抽出画像
１０・・異物

Claims (3)

1. 周期的に並んだ微小物体の被検査物に対して斜め方向から青、緑、赤色のＬＥＤを光源とし、照明光を照射する照明光照射手段と、
   被検査物の反射光を撮像する撮像手段と、
   前記撮像手段に撮像された画像を記憶する画像記憶手段と、
   前記画像記憶手段によって記憶された３枚の画像から１枚の画像を合成する画像合成手段と、
   その合成画像に対して画像処理を行い被検査物の形状不良を判定する判定手段とを備えることを特徴とする微小物体の形状不良判定検査装置。
2. 前記照明光照射手段は、青、緑、赤色の３色のＬＥＤ光源をスイッチにより切り替え可能であり、各色の光源による３枚の画像を取得可能であることを特徴とする請求項１記載の微小物体の形状不良判定検査装置。
3. 前記判定手段は前記画像合成手段によって取得した画像に対してエッジ抽出処理を施し、抽出したエッジの方向成分を被検査物の良品と不良品とを判定するためのパラメータとして用いることを特徴とする請求項１又は２記載の微小物体の形状不良判定検査装置。