JP2010519515A - 自動検査用に材料を照明するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

遠暗視野照明と改良された暗ストライプ照明との組み合わせである照明構成が開示される。この新規な組み合わせにより、例えば透明なフィルムの移動ウェブ上の傷の検出は、いずれか単独でなされるか又は個々の総和でなされるよりも確実なものとなる。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、その全ての開示内容が参照によって本願に組み込まれる、２００７年２月１６日に出願された米国特許仮出願第６０／８９０２８４号の利点を主張するものである。

（発明の分野）
本開示はマシンビジョンに関し、より具体的には、傷の検出及び認識を最大限にするために透明又は半透明の材料を照明することに関する。

近年、優れたコンピュータの使用で、かつては人の目を必要とした検査作業のうちの一部を、自動化装置を使用して実施することが可能となってきた。そのような「マシンビジョン」技法は、より精巧なものとなっており、とりわけ、材料のシート及びウェブの検査に用いられてきた。特に透明又は半透明のウェブ上の表面欠陥について検査する場合、検査する物品を良好に照明することが、マシンビジョンを適切に展開するために必要である。

用いられてきている一技法は、いわゆる「遠暗視野（far dark field）」技法であり、この技法は、強く光を散乱させる欠陥を検出するために使用される。遠暗視野技法を使用する場合、１つ又は２つの光源が、検査する物品（例えばフィルム又は類似の材料）の上にそれら光源の光がカメラの視線とある角度をなして向けられるように置かれる。変動状態、例えば欠陥の非存在下において、カメラは通常、これら光源からの光を捕えることはない。表面欠陥が光線を通過したときのみ、光がカメラに向かって反射され、その結果、傷が、通常は暗い像の上の点灯領域として見える。

別の技法は、いわゆる「暗ストライプ（dark stripe）」技法であり、この技法は、光を弱く散乱又は偏向させる欠陥を検出するために使用される。暗ストライプ技法を使用する場合、光源からの照明は、ウェブを貫いて直接カメラに向けられる。この照明は、暗ストライプマスクで拡散され減衰される。このマスクは、拡散光の大部分をカメラの視野から遮断することを意図する。表面欠陥が、光線をそれら光線の間接経路から反射させるか又は屈折させる場合のみ、光がカメラに向かって方向転換され、その結果、傷は、通常は暗い像の上の点灯領域として見える。

各技法は、澄んだウェブ上の傷を目立たせることに関していくつかの利点を有するが、傷の中には、これらの方法のどちらか一方での検出を阻むものもある。

１つの例示的な観点において、本開示は、透明の又は半透明の又はそれらの組み合わせの材料を、光受信装置、例えばカメラによる検査用に照明するための照明システムに関する。このシステムは、カメラの方向に材料上に光を与えるための直射光源、及び、直射光源とカメラとの間に配置された暗ストライプを有する。また、少なくとも第１の、そしていくつかの実施形態においては第２の暗視野光源が存在し、それら暗視野光源は、カメラとある角度をなして光を透明な材料上に与えるためのものである。第２の暗視野光源が存在する場合、その第２の暗視野光源は、第１の暗視野光源によるものとは異なるカメラからの角度で、光を材料上に与える。暗ストライプ光源の照明方向が透明なシート材料の平面に垂直となるようにシステムを構成するのに特に好都合である。いくつかの実施形態の場合、第１の暗視野光源の照明方向の間の角度が、鉛直から検査される材料の平面まで約１０度〜５０度の間の角度であるとき成果が達成されるが、これは必須ではない。第２の暗視野光源が存在する場合、第２の暗視野光源の照明方向の間の角度もまた、好ましくは、第１の暗視野光源とは異なるものの、鉛直から透明なシート材料の平面まで約１０度から５０度の間の角度であるが、これは必須ではない。

いくつかの実施形態において、レンズが、第１及び第２の暗視野光源と材料との間に配置される。いくつかの実施形態において、第１及び第２の暗視野光源をファイバーライトラインとして設けると特に好都合であり、レンズは、好都合にも円柱レンズとして設けられる。以下でより詳細に議論するように、直射光源と関連付けられた暗ストライプを、当業者によって現在用いられているものよりもかなり狭くできることは、本開示の教示である。良好な結果は、開示された組み合わせに関して、暗ストライプの幅が約１．０ｍｍと２．５ｍｍとの間であるときに達成されるが、この範囲は必須ではない。

光学被膜フィルム内の代表的な小さな欠陥の顕微鏡写真。 光学被膜フィルム内の代表的な大きな欠陥の顕微鏡写真。 本開示による照明システムを装備したマシンビジョンステーションの概略的側面図。 遠暗視野照明のみで照明された混合型欠陥のカメラ画像のコンピュータ捕捉の画面出力。 図４ａの画像の水平断面の光強度のコンピュータ生成グラフの画面出力。 今度は暗ストライプ照明のみで照明された、図４ａの欠陥のカメラ画像のコンピュータ捕捉の画面出力。 ４ｂの画像の水平断面において使用したのと同じ水平断面に沿った、画像４ｃの光強度のコンピュータ生成グラフの画面出力。 今度は図３に示すような本開示の照明システムで照明された、図４ａの欠陥のカメラ画像のコンピュータ捕捉の画面出力。 ４ｂの画像の水平断面において使用したのと同じ水平断面に沿った、画像４ｅの光強度のコンピュータ生成グラフの画面出力。 図３に示すタイプの照明システムによる、試験ウェブの同じ部分を４回通過したものを表すコンピュータ画面の画面出力。

本出願人らは、遠暗視野及び暗ストライプ技法の利点をもたらす照明構成を、単一の画像カメラによって監視される単一のステーションとして用意することができるということを発見している。より詳しくは、遠暗視野照明と改良された暗ストライプ照明との組み合わせである照明構成が提供され、この新規な組み合わせでは、傷の検出は、いずれかの照明によって単独でなされるよりも、予想外にもより確かなものとなる。これら２つの手法の各々は、それぞれの欠陥の異なる側面を目立たせる。これらの手法は、それら自体では、特定の欠陥に対して信頼性のある信号コントラストを生じさせることができない。しかしながら、光学的に組み合わされると、これらの手法は、それぞれの画像を後処理法で互いに合わせることによって達成することができる以上に、小さな表面欠陥の優れたコントラストを生じさせることができる。いずれかの単一の手法でかろうじて検出可能となり得る欠陥の部分が拡大され、目で見ることができかつ容易に検出可能となる。

ここで図１を参照すると、光学被覆フィルム内の典型的な小さな欠陥の顕微鏡写真が示されている。この種の欠陥は、基材内の微細な掻き傷に起因して生じることがある。対照的に、図２は、例えば被膜の変動によって発生し得るタイプのかなり大きな欠陥を示している。既知の照明システムは、いずれか一方を識別するために選択することができるが、両方のタイプの欠陥が存在する場合には非効率的である。

ここで図３を参照すると、本開示による例示的な照明システム１０の概略図が示されている。照明システム１０は、典型的には無限長である材料の移動ウェブ１２の移動方向（矢印）に対する側面図で示されている。この照明システムは、透明の（又は半透明の）材料の不連続シートなど、他の製品形態を検査するのに好適であることを留意すべきである。

照明システム１０は、少なくとも２つ、あるいはいくつかの実施形態においては３つの光源を有している。直射光源１４は、カメラ１６の方向に光を放つ。遠暗視野光源１８及び２０は、カメラ１６とある角度（それぞれα＋β）をなしてそれぞれの光を放つ。最も好都合には、直射光源１４は、ウェブ１２の平面と垂直な方向に照明するように配置される。いくつかの実施形態において、光源は、ファイバーライトライン（fiber light line）として、又は、ウェブ１２の全幅にわたってストリップを照明する蛍光ランプとして好都合に設けられる。このストリップをクロスウェブ方向と平行に向けると好都合であるが、このことが必須であるとは考えられていない。

暗視野光源１８及び２０はまた、ファイバーライトラインとして好都合に設けることができるが、レーザー光源又は他の光源が用いられてもよい。暗視野光源１８及び２０は、クロスウェブ方向に沿った向きのウェブ１２の全幅にわたってストリップを好都合に照明する。しかしながら、いくつかの実施形態において、暗視野光源１８及び２０は、ウェブ１２の平面と垂直な方向にある角度をなして装着される。垂直方向から約２５度の角度が、必須ではないが最も有利であると考えられる。

いくつかの実施形態において、直射光源及び２つの暗視野光源から発生する光を集束させるためにレンズが使用される。例えば、ファイバーライトラインが光源として使用される場合、そのファイバーライトラインと平行に向き付けられた円柱レンズが使用されてもよい。円柱レンズ２２及び２４は、好ましくは、遠暗視野光源１８及び２０からの光をウェブ１２の裏面へと、カメラ１６の直下の１つの線上に集束させる。直射光源１４からの光を集束させる円柱レンズ２６は、円柱レンズ２２及び２４と同じ焦点距離を有することができるが、直射光源からの光は、拡散体２８へと向けられる。固形物、例えば緊張ケーブル又は細い金属片が、拡散体２８の真上に（又は上に）装着されて暗ストライプ３０が提供される。いくつかの実施形態において、暗ストライプ３０は、好ましくは非常に暗く、これは、カーボンブラック色の絶縁材を有するケーブルを使用することによって好都合に用いることができる。所与の用途に対する暗ストライプを発生させるのに好適な物体を選択することは、当業者の知識の範囲内である。

以下でより具体的に議論するように、本開示によって提供される要素の組み合わせにおいて、最も好適な暗ストライプは、伝統的にカメラアレイよりもかなり大きな暗ストライプが必要となる、当業者に現在「暗ストライプ照射」として知られているものが求められる状況に直面したとき、光学検査に精通した当業者に使用される暗ストライプよりも大いに幅が狭いことが明らかとなっている。約１．０ｍｍから２．５ｍｍ（０．０４インチと０．１０インチ）の間の幅を有する暗ストライプが、本開示に関連して非常に良好な結果をもたらすことが判明している。いかなる理論にも束縛されるものではないが、幅がより狭く、カメラアレイの幅に近づくと、回折現象が加えられ、欠陥を確実に検出する助けとなると考えられる。いずれにしても、記載した範囲よりも大いに幅の広いストライプを有するシステムは、微細な掻き傷を検出する能力がかなり減じられるという欠点を有することがある。記載した幅よりも大いに幅の狭いストライプを有するシステムは、直射光源からの全ての有効光出力レベルでカメラを飽和させることがある。

ここで図４ａを参照すると、遠暗視野照明法のみで照明された、透明な被覆フィルム上の混合型欠陥のカメラ画像のコンピュータ捕捉の画面出力が示されている。コンピュータは、検出した３つの異常に、任意の参照番号「３」、「４」、及び「５」を左から右へと割り当てている。標識を付けた欠陥と交差する、図４ａ画像の水平断面に沿った光強度のコンピュータ生成グラフの画面出力が、図４ｂに示されている。異常「５」に対応する、グラフの右側の一対の頂点は、基準線と比較して非常に浅いことが、このグラフにおいて観察される。この異常の検出は、多くの目的に対して確実であるとは言い難い。

ここで図４ｃを参照すると、この画像の作成には暗ストライプ照明のみが使用されたことを除き、図４ａに示したのと同じ異常の群のカメラ画像のコンピュータ捕捉の画面出力が示されている。再度、コンピュータは、検出した３つの異常に任意の参照番号を、今回は「５」、「３」、及び「４」を左から右へと割り当てた。図４ｃの画像の水平断面に沿った光強度のコンピュータ生成グラフの画面出力が、図４ｄに示されている。これは、図４ｂで分析されたのと同じ水平断面である。この図で異常「４」に対応する、グラフの右側の一対の頂点は、基準線と比較して非常に浅いことが、このグラフにおいて観察される。この異常の検出は、多くの目的に対して、依然として確実であるとは言い難い。

ここで図４ｅを参照すると、この図に関しては、概ね図３に従って構成された、本開示による照明システムが使用されたことを除き、図４ａに示したのと同じ異常の群のカメラ画像のコンピュータ捕捉の画面出力が示されている。再度、コンピュータは、検出した３つの異常に任意の参照番号を、今回は「５」、「６」、及び「３」を左から右へと割り当てた。図４ｅの画像の水平断面に沿った光強度のコンピュータ生成グラフの画面出力が、図４ｆに示されている。これは、図４ｂで分析されたのと同じ水平断面である。異常の検出が本開示の照明システムでいかに確実なものとなっているかが、このグラフで容易に理解することができる。強度の頂点と基準線との間のコントラストは、検出された全ての異常に対して、非常に鮮明かつ明瞭である。革新的な照明システムの効果は、加法的よりもはるかに上回るものであり、かなりの相乗効果をもたらすことは明らかである。

ウェブ検査ステーションを、概して図１に示すように構成した。照明システムは、アイドラーローラー間の自由スパン上の、通常のウェブ処理システムのウェブ経路の下に装着した。通常の１５０ｍｍレンズを装備した、カリフォルニア州サンホセ（San Jose）のアトメル社（Atmel）から市販されているＡＶＩＩＶＡ（商標）ＣＣＤモノクロラインスキャンカメラを、ウェブ経路から８３ｃｍ上方の照明システムの上方に装着した。この照明システムは、３つの光源を有しており、各光源は、カリフォルニア州サンディエゴ（San Diego）のファステックイメージング社（Fostec Imaging）から市販されているファイバーライトラインを有し、ニューヨーク州イーストシラキュース（East Syracuse）のイルミネーションテクノロジーズ社（Illumination Technologies）から市販されているＭｏｄｅｌ ４９００ Ａｕｔｏ−Ｃａｌｉｂｒａｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｓｏｕｒｃｅによって駆動させた。直射光源は、カメラに向かってまっすぐ上方に向けたが、２つの遠暗視野光源は、鉛直から４０度の角度に向けた。３つの全ての光源は、それ以外の場合、長軸をクロスウェブ方向に平行にして向けた。

３つの光源の各々に、それぞれ直径３１．７５ｍｍ（１．２５インチ）の光学的に明澄なアクリルポリマーから作られた円柱レンズを設けた。幅１２．５ｍｍ（０．５インチ）のスロットを有するアルミニウムフレームを直射光源とウェブの裏面との間に装着して、直射光源からの光が円柱レンズのうちの１つを通過し、次いでウェブの裏面に向かう途中でスロットを通過するようにした。つや消し仕上げした拡散体の半透明フィルムを置いてスロットの上部を覆った。そのすぐ上で、スロットの長軸に沿って暗ストライプを与えるためにスチールケーブルをフレームに装着した。ケーブルは直径が２．３８ｍｍ（０．０９４インチ）であり、暗黒色の絶縁材で被覆されていた。

カメラの出力は、分析用にパーソナルコンピュータに送った。このコンピュータは、カナダ国ケベック州ドーバル（Dorval）のマトロックスイメージング社（Matrox Imaging）から市販されているＭａｔｒｏｘ Ｉｎｓｐｅｃｔｏｒ ２．２ソフトウェアパッケージを作動させていた。欠陥の識別用にカメラからの情報ストリームを分析することに関する他の背景情報は、同一出願人に譲渡された、スケプス（Skeps）らへの米国特許出願公開第２００５００７５８０１号「自動ウェブ検査のための装置及び方法（Apparatus And Method For Automated Web Inspection）」に見出すことができる。更なる背景情報が、同一出願人に譲渡された、フロイダー（Floeder）らへの米国特許出願公開第２００５０１４１７６０号「ウェブに基づく物品の歩留まりの最大化（Maximumization of Yield for Web-based Articles）」に開示されている。双方とも、書き改められたかのごとく引用によって組み込まれる。

種々の製品の製造において使用され得る類の、７ｍｍ厚の光学品質の明瞭なポリエステルフィルムを、ウェブ検査ステーションを使用して検査した。百マイクロメートルから数百マイクロメートルの範囲の大きさを有する穴及び表面汚染などの大きな欠陥から、約１５マイクロメートルから２０マイクロメートルの幅を有する非常に微細な掻き傷まで、起こり得る傷が様々であることが明らかであったため、実験用材料の特殊なロールを選択した。

図５に、コンピュータ画面の画面出力が示されており、ウェブの同じ部分を４回通過したものが横に並べて配置されている。３列目は、改良された暗ストライプ照明のみでフィルムが照明されるように直射光源のみをオンにして、実験的に通過させたものである。検出した傷は、コンピュータのプログラムによって任意に列挙される。４列目は、改良された暗視野照明のみでフィルムが照明されるように２つの暗視野光源のみをオンにして、実験的に通過させたものである。ここでも、検出した傷は、任意に列挙される。１列目と２列目は、本開示の教示に従って３つ全ての光源をオンにして、実験的に通過させたものを別々に示している。１列目において、生の画像がより見やすくなるように、傷の列挙は抑制されている。本開示の照明システムに伴う著しい相乗効果が存在すること、つまり、システムは、単独法（standing alone）を使用する従来の照明法で示される全ての傷だけでなく、より区別し難い他の傷をも示すことが、先の内容から理解されよう。更に、システムは、センサー又は処理装置を増加させることなく検出用に傷を照明する作業を達成しており、それによって、より簡潔な検査システムが、より高い性能を有することが可能となっている。

本発明について、それらの様々な実施形態に関連して示し説明してきたが、当業者であれば、形状及び細部における様々な他の変更が、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、その分野においてなされ得ることが理解されよう。

Claims (13)

1. 透明の又は半透明の又はそれらの組み合わせのシート材料を光受信装置による検査用に照明するためのシステムであって、
   カメラの方向に前記透明な材料上に光を与えるための直射光源と、
   前記直射光源と前記カメラとの間に配置された暗ストライプと、
   前記カメラとある角度をなして前記透明な材料上に光を与えるための少なくとも１つの第１の暗視野光源とを備えるシステム。
2. 前記第１の暗視野光源によるものとは異なる前記カメラからの角度をなして前記透明な材料上に光を与えるための第２の暗視野光源を更に備える、請求項１に記載の照明システム。
3. 前記直射光源の照明方向が、前記透明なシート材料の平面に垂直である、請求項２に記載の照明システム。
4. 前記第１の暗視野光源の照明方向間の角度が、鉛直から前記透明なシート材料の平面まで約１０度から５０度の間の角度をなす、請求項３に記載の照明システム。
5. 前記第２の暗視野光源の照明方向間の角度が、鉛直から前記透明なシート材料の平面まで約１０度から５０度の間の角度をなす、請求項４に記載の照明システム。
6. 前記第１及び第２の暗視野光源と前記透明なシート材料との間に配置されたレンズを更に備える、請求項５に記載の照明システム。
7. 前記第１及び前記第２の暗視野光源がファイバーライトラインであり、更に前記レンズが円柱レンズである、請求項６に記載の照明システム。
8. 前記暗ストライプの幅が、前記カメラの撮像幅とほぼ同様の広さである、請求項１に記載の照明システム。
9. 前記直射光源が、蛍光光源、ＬＥＤ光源、又は光ファイバー装置に結合された光源である、請求項１に記載の照明システム。
10. 透明なシート材料をカメラによる検査用に照射するための照明システムを製作する方法であって、
    前記カメラの方向に前記透明な材料上に光を与えるための直射光源を設ける工程と、
    前記直射光源と前記カメラとの間に配置された暗ストライプを設ける工程と、
    前記カメラとある角度をなして前記透明な材料上に光を与えるための少なくとも１つの第１の暗視野光源を設ける工程とを含む方法。
11. シート材料を照明して異常を検査する方法であって、
    光受信装置の方向に透明な材料上に光源を向ける工程と、
    前記光源と前記光受信装置との間に暗ストライプを配置する工程と、
    前記カメラとある角度をなして前記透明な材料上に暗視野光源を向ける工程とを含む方法。
12. 前記第１又は第２の暗視野光源によるものとは異なる前記カメラからの角度をなして、前記透明な材料上に光を与えるための第３又はそれより多くの暗視野光源を更に備える、請求項１に記載の照明システム。
13. 前記暗ストライプの幅が、前記カメラの撮像幅の約１倍〜２５倍の広さである、請求項８に記載のシステム。

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