JP2009222683A - 表面検査方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】検査対象物が積層構造であり、表面が透過性の有る光沢面であっても、表面の凹凸欠陥を検出することが可能な表面欠陥検査方法を提供する。
【解決手段】照明部１から明暗が交互に存在する線状の光を検査対象物４に照射しその検査対象物４からの反射光をラインカメラ６により撮影して第１の原画像を得る。画像処理部８は、予め、表面に凹凸欠陥が存在しない基準物に照明部１からの光を照射しその基準物からの反射光を撮影して得た第２の原画像を記憶しており、これらの第１と第２の原画像を基に、検査対象物４の表面に存在する凹凸欠陥を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面の欠陥検査技術に関するものであり、特にフィルム表面等の光沢面上に存在する凹凸欠陥を検査する技術に関する。

表面検査技術は、フィルム表面等の光沢面上に存在する微小な凹凸状の表面欠陥を検査するのに用いられている。凹凸欠陥は製品の外観を損なうだけでなく、フィルムを貼り合わせる際に中空部を発生させ、製品性能に悪影響を与える場合がある。

従来の表面検査方法としては、平面上に明部と暗部が市松模様状に配置された微細チェッカーパターンを検査対象物に照射し、その微細チェッカーパターンが照射された検査対象物を撮影し、その撮影した画像のゆがみ、およびその画像上の明部と暗部の中間調の部分を解析することにより検査対象物の表面欠陥を検出する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

この従来の表面検査方法は、検査対象物の表面反射を利用して微細チェッカーパターンを撮影すると、表面欠陥が存在しない部分では明部と暗部の境界において急激に画素値（輝度値、濃淡値、または濃度値）が変化し、表面欠陥が存在する部分では明部と暗部の境界において画素値の変化の度合いが穏やかになるので、明部と暗部の境界における画素値の変化の度合いを解析することにより表面欠陥を検出する。

また、他の従来の表面検査方法として、明暗パターンを有する光源を検査対象物に写してカメラで撮影し、その撮影した画像の濃度ヒストグラムを作成し、その濃度ヒストグラムから表面欠陥を検出する方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

この従来の表面検査方法は、検査対象物の表面反射を利用して撮影した明暗パターンの画像の濃度ヒストグラムは暗の山部と明の山部とその中央の谷部からなり、明暗パターンの暗パターン中の表面欠陥は濃度ヒストグラムの暗の山部の谷部側に含まれ、明暗パターンの明パターン中の表面欠陥は濃度ヒストグラムの明の山部の谷部側に含まれるので、暗の山部の谷部側の所定域と明の山部の谷部側の所定域とを表面欠陥が含まれる所定濃度域として、その所定濃度域に対応する濃度の画素の連結成分をラベリングし、所定面積以上の面積の連結成分を表面欠陥として検出する。
特開２００１−２１３３２公報 特開２００１−５９７１７公報

しかしながら、上記した従来の表面検査方法では、検査対象物が積層構造の積層シートで、表面層が光源からの光を透過する材料からなり、表面層およびその表面層よりも下の層において光源からの光を反射する場合に、正確に表面欠陥を検出できないという問題があった。

すなわち、上記した積層シートでは、表面での光の反射とシート内部での光の反射が発生して像がずれて撮影されるため、微細チェッカーパターンや明暗パターンを照射した場合、明暗境界部に必ず中間調の部分が発生する。つまり、欠陥が存在しない正常な部分も中間調として撮影される。そのため、検査対象物の表面反射を利用して撮影した微細チェッカーパターンの画像上の明部と暗部の中間調の部分を解析して表面欠陥を検出する従来の方法では、正常部分を表面欠陥と誤認識するおそれがあった。また、検査対象物の表面反射を利用して撮影した明暗パターンの画像の濃度ヒストグラムから表面欠陥を検出する従来の方法では、検査対象物が上記した積層シートの場合、濃度ヒストグラムの暗の山部と明の山部が接近し、谷部が非常に狭くなるため、表面欠陥が含まれる所定濃度域の設定が非常に困難になり、やはり正常部分を表面欠陥と誤認識するおそれがあった。

本発明は、前記従来の問題点に鑑み、検査対象物が積層構造で、表面層が光源からの光を透過する材料からなり、表面層およびその表面層よりも下の層において光源からの光を反射するために、明暗境界部で高いコントラストが得られない場合であっても、検査対象物の表面上に存在する凹凸欠陥を検出することができる表面検査方法および装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の表面検査方法は、検査対象物の表面に存在する凹凸欠陥を検出する方法であって、照射部から明暗が交互に存在する線状の光を前記検査対象物に照射しその前記検査対象物からの反射光を撮影して第１の原画像を得る工程と、前記第１の原画像と、予め表面に欠陥が存在しない基準物に前記照射部からの光を照射しその前記基準物からの反射光を撮影して得た第２の原画像とを基に、前記検査対象物の表面に存在する凹凸欠陥を検出する工程と、を具備することを特徴とする。

また、本発明の請求項２記載の表面検査方法は、請求項１記載の表面検査方法であって、前記検査対象物と前記基準物は、積層構造であって、少なくとも表面層が前記照射部からの光を透過する材料からなり、前記照射部からの光を、前記表面層および前記表面層よりも下の層において反射することを特徴とする。

また、本発明の請求項３記載の表面検査方法は、請求項１もしくは２のいずれかに記載の表面検査方法であって、前記明暗が交互に存在する線状の光は、線状の光源からの光を、その光源の照射面側に配置されたスリットを介して照射した光であることを特徴とする。

また、本発明の請求項４記載の表面検査方法は、請求項１ないし３のいずれかに記載の表面検査方法であって、前記凹凸欠陥を検出する工程は、前記第１の原画像を二値化する第１の二値化工程と、前記第１の二値化工程により得た画像の画素値から、前記第２の原画像を二値化した画像の画素値から求めた前記照射部の特性を表す特性値を減算する減算工程と、前記減算工程により得た画像を二値化する第２の二値化工程と、前記第２の二値化工程により得た画像の連結成分をラベリングして、そのラベリングされた連結成分が凹凸欠陥か否かを判定する判定工程と、を具備することを特徴とする。

また、本発明の請求項５記載の表面検査装置は、検査対象物の表面に存在する凹凸欠陥を検出する表面検査装置であって、明暗が交互に存在する線状の光を照射する照射部と、撮像部と、前記照射部からの光を前記検査対象物に照射しその前記検査対象物からの反射光を前記撮像部により撮影して得た第１の原画像と、予め表面に欠陥が存在しない基準物に前記照射部からの光を照射しその前記基準物からの反射光を撮影して得た第２の原画像とを基に、前記検査対象物の表面に存在する凹凸欠陥を検出する画像処理部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明の請求項６記載の表面検査装置は、請求項５記載の表面検査装置であって、前記照射部は、線状の光源と、前記線状の光源の照射面側に配置されたスリットとを備えることを特徴とする。

また、本発明の請求項７記載の表面検査装置は、請求項５もしくは６のいずれかに記載の表面検査装置であって、前記画像処理部は、前記第１の原画像を二値化した画像の画素値から、前記第２の原画像を二値化した画像の画素値から求めた前記照射部の特性を表す特性値を減算し、その減算後の画像をさらに二値化した画像の連結成分をラベリングして、そのラベリングされた連結成分が凹凸欠陥か否かを判定することを特徴とする。

また、本発明の請求項８記載の表面検査装置は、請求項５ないし７のいずれかに記載の表面検査装置であって、前記検査対象物と前記基準物は、積層構造であって、少なくとも表面層が前記照射部からの光を透過する材料からなり、前記照射部からの光を、前記表面層および前記表面層よりも下の層において反射することを特徴とする。

本発明の好ましい形態によれば、検査対象物が積層構造で、表面層が照射部からの光を透過する材料からなり、表面層およびその表面層よりも下の層において照射部からの光を反射するために、明暗境界部で高いコントラストが得られない場合であっても、検査対象物の表面上に存在する凹凸欠陥を検出することができる。したがって、積層構造のフィルムの表面等の光沢面上に存在する凹凸欠陥の検出に有用である。

以下に、本発明の表面検査方法および装置の実施の形態について、図面を交えて説明する。図１は本発明の実施の形態に係る表面検査装置の一例の概略構成図であり、図１（ａ）は本装置を上方（Ｚ方向）から見た図、図１（ｂ）は本装置を側方（Ｘ方向）から見た図である。

図１において、照射部１は、検査対象物４に対して、明暗が交互に存在する線状の光を照射する。照射部１は、線状の光源２と、その線状の光源２の照射面側に配置されたスリット３からなる。線状の光源２には、例えばライン形状のライトガイドや、複数のＬＥＤが並設されたＬＥＤ光源等を用いる。スリット３には、図２に示すように一定のピッチで開口部３ａが形成されている。線状の光源２からの光をスリット３を介して照射することで、明暗が交互に存在する線状の光を照射することができる。

検出できる凹凸欠陥の大きさはスリット３のピッチにより決まるため、スリット３のピッチは、検出すべき凹凸欠陥のサイズより小さいことが望ましい。一方で、スリット３のピッチが小さい場合は光の回折の影響が大きく現れるようになり、また検査対象物４の表面が粗くなると拡散反射成分が増えコントラストが低下するため、スリット３のピッチは、線状の光源２や検査対象物４の特性も考慮して適宜決定する。例えば、図２には、ラインカメラ６において５００μｍピッチで１：１の明暗を撮影できるように、光の回折を考慮して開口部３ａを１８０μｍ、遮光部３ｂを３２０μｍに加工したスリット３を示している。

スリット３の開口部３ａは、機械加工、エッチング加工、あるいはレーザ加工等の加工方法により形成することができる。但し、スリット３の開口部３ａの形成には、検出すべき凹凸欠陥のサイズに対応する検査分解能を得るだけの微細な加工を必要とする。

撮像部５は、ラインカメラ６と、ラインカメラ６の受光面側に配置されたレンズ７からなる。撮像部５は、検査対象物４からの反射光をレンズ７を通してラインカメラ６により撮影する。

照射部１および撮像部５は、照射部１から照射された光が検査対象物４で正反射してラインカメラ６に入射するように配置されている。この状態で、図示しない搬送部により検査対象物４を移動させることにより、検査対象物４の全面を撮影することができる。なお、無論、検査対象物４を移動させる構成に限るものではなく、検査対象物４と照射部１および撮像部５とを相対的に移動させる構成であればよい。また、図１には、線状の光源２のライン方向（Ｘ方向）に直交する方向（Ｙ方向）に検査対象物４を移動させる動作を示しているが、検査対象物４と照射部１および撮像部５との相対移動方向は、その方向に限定されるものではない。

画像処理部８は、照射部１からの光を検査対象物４に照射しその検査対象物４からの反射光をラインカメラ６により撮影して得た画像（第１の原画像）と、予め表面に欠陥が存在しない基準物に照射部１からの光を照射しその基準物からの反射光を撮影して得た画像（第２の原画像）とを基に、検査対象物４の表面（光沢面）に存在する凹凸欠陥を検出する。

図３に、表面に凹凸欠陥が存在する検査対象物を撮影して得た画像の一例を示す。明暗が交互に存在する線状の光が検査対象物で反射すると、凹凸欠陥付近で縞模様に歪みが発生する。さらに凹凸欠陥の凹み具合や突出具合によっては、凹凸欠陥からの反射光がラインカメラ６に入射せずに、凹凸欠陥の部分が影になる。画像処理部８は、縞模様に歪みが発生している部分や影となっている部分を凹凸欠陥として検出する。このように縞模様の歪みが発生する部分を凹凸欠陥として検出するので、検査対象物４には、検査時に、正常な部分を凹凸欠陥と誤認識しない範囲の平面度が必要となる。

図４は検査対象物の拡大断面図である。図４に示すように、検査対象物は積層構造であって、表面層（透明層１２）が照射部１からの光（入射光９）を透過する材料からなり、照射部１からの光を、表面層および表面層よりも下の層（下層１３）において反射する。

図４には、入射光９が透明層１２の表面（光沢面）からの反射光１０と、透明層１２と下層１３の境界からの反射光１１の２つに分離する様子を示している。このように２つの反射光１０、１１がずれた状態でラインカメラ６に入射するため、明暗境界部が二重になり、表面からの反射光のみの場合と比較して、明暗境界部の画素値の変化が緩やかになる。

図５（ａ）に透明層を有する検査対象物を撮影して得た画像のＸ方向（照射部１のライン方向）の各画素の画素値（輝度値、濃淡値、または濃度値）のプロファイルを、図５（ｂ）に透明層を持たない検査対象物を、上記した透明層を有する検査対象物の場合と同条件で撮影して得た画像のＸ方向の各画素の画素値のプロファイルを示す。図５に示すように、透明層が有る場合のプロファイル１４は、透明層が無い場合のプロファイル１５と比較して、画素値が中間調付近に集まっていて、全体的にコントラストが低くなっている。

これは、図６に示すそれぞれの画像の濃度ヒストグラムでも明らかである。図６（ａ）に示すように、透明層を有する検査対象物を撮影して得た画像の濃度ヒストグラムの画素値の分布範囲は狭く、明の山部と暗の山部が接近しているため、透明層を有する検査対象物を撮影して得た画像には白黒の判別のつきにくい画素が存在する。これに対して、図６（ｂ）に示すように、透明層を持たない検査対象物を撮影して得た画像の濃度ヒストグラムの画素値の分布は広く、透明層を持たない検査対象物を撮影して得た画像は、中間調の画素が少なくなり、白黒の判別がつきやすくなる。

また、図５に示すように、同一のピッチで加工されたスリットを使用しても、同じ形のプロファイルがＸ方向に連続して現れるわけではない。これは、スリットの加工精度や、ライン形状のライトガイドを構成する光ファイバの均一性、複数のＬＥＤが並設されたＬＥＤ光源の個々のＬＥＤのバラツキによる。逆に、縞の長手方向となる検査対象物４の流れ方向（Ｙ方向）に関しては、表面欠陥が存在しない検査対象物であれば大きな変化はなく、概ね一定の値を示す。本実施の形態では、このＸ方向の特性を表す特性値を予め画像処理部８が有する記憶部に記憶させておく。例えば図７に示すように、特性値１８として、表面欠陥が存在しない基準物に照射部１からの光を照射しその基準物からの反射光を撮影して得た原画像（第２の原画像）１６を二値化した画像１７のＸ方向の各画素の画素値のＹ方向の平均値を予め求めておく。この特性値１８は画像処理部８を用いて求めてもよい。なお、基準物には、検査対象物４と同じ積層構造のものを使用する。

続いて、図８、９を用いて、当該表面検査装置を用いた表面検査方法について説明する。図８は本発明の実施の形態に係る表面検査方法のフローチャート図であり、図９は画像処理部８がラインカメラ６により撮影された画像（第１の原画像）を画像処理して作成する画像を示す図である。

まず、ステップＳ１において、照射部１から明暗が交互に存在する線状の光を検査対象物４に照射しつつ、検査対象物４をＹ方向に移動させて、その検査対象物４からの反射光をラインカメラ６により撮影して原画像を得る。この原画像は、画像処理部８へ送信されて、画像処理部８が有する記憶部に記憶される。画像処理部８は、以下の各ステップで示す凹凸欠陥検出処理を実行する。なお、ここでは、画像処理部８が有する記憶部に、上記した特性値や、検査対象物４を撮影して得た原画像、当該凹凸欠陥検出処理において作成される各画像を記憶する場合について説明するが、画像処理部８との間でデータの送受信が可能な記憶部を別途設けて、そこに記憶させてもよい。

ステップＳ２において、画像処理部８は、ステップＳ１で得た原画像を二値化する（第１の二値化工程）。この二値化処理におけるしきい値は、照射部１の光量等の条件によって決まる画像の状態に応じて予め決定する。この二値化処理により、図９（ａ）に示す原画像が、図９（ｂ）に示す二値化画像へ変換されて、画像処理部８が有する記憶部に記憶される。

次に、ステップＳ３において、画像処理部８は、ステップＳ２で二値化された画像のＸ方向の各画素の画素値から、上記した特性値（図９（ｃ）に示す特性値）を減算する（減算工程）。この際、負の値となる画素値は絶対値として正の値に変換する。この減算処理により、図９（ｂ）に示す二値化画像が、明暗境界部のバラツキの影響が小さくなり、かつ凹凸欠陥による縞模様の歪み部分のみが強く抽出された図９（ｄ）に示す差分画像へ変換されて、画像処理部８が有する記憶部に記憶される。なお、この差分画像は濃淡画像となる。

次に、ステップＳ４において、画像処理部８は、ステップＳ３で特性値を減算された画像を二値化する（第２の二値化工程）。この二値化処理におけるしきい値は、明暗境界部のバラツキをどの程度除去するかによって決定することができる。例えば明暗境界部のノイズ成分を多く除きたいのであれば、しきい値を大きくする。この二値化処理により、図９（ｄ）に示す差分画像が、図９（ｅ）に示す抽出画像に変換されて、画像処理部８が有する記憶部に記憶される。なお、この抽出画像は二値化画像となる。

次に、ステップＳ５において、画像処理部８は、ステップＳ４で二値化された画像のノイズ成分を除去する（ノイズ除去工程）。ここでは、膨張収縮処理や孤立点除去等の一般的なノイズ除去の処理を行う。このノイズ除去された画像は、画像処理部８が有する記憶部に記憶される。ノイズ成分が少ない場合は、処理時間短縮のために、このノイズ除去の処理を省いても構わない。

次に、ステップＳ６において、画像処理部８は、ステップＳ５でノイズ除去された画像から凹凸欠陥を含んだ白画素の連結成分をラベリングし、そのラベリングされた白画素の連結成分をカウントして、その連結成分が凹凸欠陥か否かを判定する（判定工程）。なお、凹凸欠陥か否かを判定する基準としては、例えば連結成分の縦方向ないし横方向の大きさ、面積、真円度、縦横比などのパラメータを用いる。

次に、ステップＳ７において、画像処理部８は、ステップＳ６で検出された凹凸欠陥の個数により、検査対象物４が不良品か否かを判定する。例えば検出された凹凸欠陥の単位面積あたりの個数が一定値を超えると、不良品であると判定する。

以上のように、本実施の形態１によれば、検査対象物４が積層構造で、表面層が照射部１からの光を透過する材料からなり、表面層およびその表面層よりも下の層において照射部１からの光を反射するために、明暗境界部で高いコントラストが得られない場合であっても、検査対象物４の表面（光沢面）上に存在する凹凸欠陥を検出することができる。

なお、ここでは、検査対象物４が２層の場合について説明したが、例えば３層の積層構造であって、上側の２層が照射部１からの光を透過する材料からなり、照射部１からの光が、表面層である第１層の表面（光沢面）、第１層と第２層の境界、および第２層と第３層の境界において反射する場合など、３層以上の積層構造の検査対象物であっても、本実施の形態を適用することはできる。

本発明にかかる表面検査方法および装置は、検査対象物が積層構造で、表面層が照射部からの光を透過する材料からなり、表面層およびその表面層よりも下の層において照射部からの光を反射する場合であっても、検査対象物の表面上に存在する凹凸欠陥を検出することができ、フィルム表面等の光沢面上に存在する凹凸欠陥の検出に有用である。

本発明の実施の形態に係る表面検査装置の一例の概略構成図 本発明の実施の形態に係るスリットの一例を示す図 本発明の実施の形態に係る表面検査装置により撮影された画像の一例を示す図 本発明の実施の形態に係る検査対象物の一例の拡大断面図 本発明の実施の形態に係る表面検査装置により撮影された画像のＸ方向の各画素の画素値のプロファイルの一例を示す図 本発明の実施の形態に係る表面検査装置により撮影された画像の濃淡ヒストグラムの一例を示す図 本発明の実施の形態に係る特性値を求める方法の一例を説明するための図 本発明の実施の形態に係る表面検査方法のフローチャート図 本発明の実施の形態に係る画像処理部の画像処理により作成される画像の一例を示す図

符号の説明

１ 照射部
２ 線状の光源
３ スリット
３ａ 開口部
３ｂ 遮光部
４ 検査対象物
５ 撮像部
６ ラインカメラ
７ レンズ
８ 画像処理部
９ 入射光
１０ 反射光
１１ 反射光
１２ 透明層
１３ 下層
１４ 透明層が有る場合の画素値のプロファイル
１５ 透明層が無い場合の画素値のプロファイル
１６ 基準物を撮影した原画像
１７ 基準物を撮影した原画像を二値化した画像
１８ 特性値

Claims (8)

1. 検査対象物の表面に存在する凹凸欠陥を検出する方法であって、
   照射部から明暗が交互に存在する線状の光を前記検査対象物に照射しその前記検査対象物からの反射光を撮影して第１の原画像を得る工程と、
   前記第１の原画像と、予め表面に欠陥が存在しない基準物に前記照射部からの光を照射しその前記基準物からの反射光を撮影して得た第２の原画像とを基に、前記検査対象物の表面に存在する凹凸欠陥を検出する工程と、
   を具備することを特徴とする表面検査方法。
2. 前記検査対象物と前記基準物は、積層構造であって、少なくとも表面層が前記照射部からの光を透過する材料からなり、前記照射部からの光を、前記表面層および前記表面層よりも下の層において反射することを特徴とする請求項１記載の表面検査方法。
3. 前記明暗が交互に存在する線状の光は、線状の光源からの光を、その光源の照射面側に配置されたスリットを介して照射した光であることを特徴とする請求項１もしくは２のいずれかに記載の表面検査方法。
4. 前記凹凸欠陥を検出する工程は、
   前記第１の原画像を二値化する第１の二値化工程と、
   前記第１の二値化工程により得た画像の画素値から、前記第２の原画像を二値化した画像の画素値から求めた前記照射部の特性を表す特性値を減算する減算工程と、
   前記減算工程により得た画像を二値化する第２の二値化工程と、
   前記第２の二値化工程により得た画像の連結成分をラベリングして、そのラベリングされた連結成分が凹凸欠陥か否かを判定する判定工程と、
   を具備することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の表面検査方法。
5. 検査対象物の表面に存在する凹凸欠陥を検出する表面検査装置であって、
   明暗が交互に存在する線状の光を照射する照射部と、
   撮像部と、
   前記照射部からの光を前記検査対象物に照射しその前記検査対象物からの反射光を前記撮像部により撮影して得た第１の原画像と、予め表面に欠陥が存在しない基準物に前記照射部からの光を照射しその前記基準物からの反射光を撮影して得た第２の原画像とを基に、前記検査対象物の表面に存在する凹凸欠陥を検出する画像処理部と、
   を備えることを特徴とする表面検査装置。
6. 前記照射部は、線状の光源と、前記線状の光源の照射面側に配置されたスリットとを備えることを特徴とする請求項５記載の表面検査装置。
7. 前記画像処理部は、前記第１の原画像を二値化した画像の画素値から、前記第２の原準画像を二値化した画像の画素値から求めた前記照射部の特性を表す特性値を減算し、その減算後の画像をさらに二値化した画像の連結成分をラベリングして、そのラベリングされた連結成分が凹凸欠陥か否かを判定することを特徴とする請求項５もしくは６のいずれかに記載の表面検査装置。
8. 前記検査対象物と前記基準物は、積層構造であって、少なくとも表面層が前記照射部からの光を透過する材料からなり、前記照射部からの光を、前記表面層および前記表面層よりも下の層において反射することを特徴とする請求項５ないし７のいずれかに記載の表面検査装置。

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