JP2011075325A

JP2011075325A - 表面検査装置

Info

Publication number: JP2011075325A
Application number: JP2009225237A
Authority: JP
Inventors: Masataka Toda; 昌孝戸田; Ei Kosakai; 映小坂井; Michihiro Yamamoto; 通浩山本; Naoki Matsumura; 直樹松村
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2011-04-14

Abstract

【課題】簡易な構成で的確に表面の欠陥を検査する表面検査装置を提供する。
【解決手段】被検査体Ｗの加工された被検査面Ｗｆに拡散光を照射する面状の照明装置２と、照明装置２から照射された光のうち被検査面Ｗｆの平坦面で正反射した光を受光しない位置に設置された被検査面Ｗｆを撮影するカメラ３と、カメラ３により撮影された画像を取得する画像取得部と、画像に基づいて被検査体の欠陥の有無を判定する欠陥判定部を備えた。
【選択図】図５

Description

本発明は、被検査体の表面を検査する表面検査装置に関する。

従来、製品等の表面をカメラにより撮影し、撮影された画像に基づいて表面を検査する技術が検討されている。例えば、分離膜の照射域に光を照射する照明装置と、分離膜からの反射光を受光する撮像装置と、撮像装置の出力信号を処理して分離膜の欠点を検出する画像処理装置とを備え、照明装置は、ライン状で広がり角度が２°以内である出射光を照射領域に照射するものであり、撮像装置の撮像軸と分離膜表面との交点が照射域中にあり、かつ、照射域と分離膜表面の法線とを含む平面に対して撮像装置と照明装置とが同じ側であり、かつ、照明装置の照射中心軸と分離膜表面の法線とを含む平面において、照射中心軸と分離膜表面とがなす角度θ２より、撮像軸と分離膜表面の法線とを含む平面において、撮像軸と分離膜表面とがなす角度θ１が大きくなるよう構成された分離膜の表面検査装置がある（特許文献１参照）。

また、同様の技術として、被検査面に照明光を照射する光源と、被検査面での反射光を受光して画像信号を得る撮像装置と、この撮像装置で得られた画像信号に基づいて被検査面の表面欠陥を検出する画像処理装置とを具備してなる表面検査装置において、撮像装置の空間分解能を０．２ｍｍ以下にするとともに、被検査面の法線に対して撮像装置を前記光源と同じ側に配置し、かつ光源から被検査面への入射角度αを６０°〜８０°の間の角度に設定するとともに、撮像装置の受光角度を２０°〜αの間の角度に設定した表面検査装置がある（特許文献２参照）。なお、この特許文献２の技術においても光源から照射される光はスリット光となっている。

この特許文献１，２の技術では、照明装置（光源）が検査対象の表面に対してスリット光を照射し、撮像装置は平坦な検査対象表面での正反射光を受光しない位置に設置されている。この構成により、正常（平坦）な表面に照射された光は撮像装置で受光されず、欠陥がある表面に照射された光のみが撮像装置に受光されることとなる。そのため、画像上では正常な表面は黒画素となり、欠陥部分は非黒画素として表され、画像上の正常部分と欠陥部分とは明確な濃淡差が生じることとなる。したがって、このような画像を画像処理することで的確に欠陥を判定することができる。

特開２００９−４２０７６号公報（段落番号００１３−００２１，図１Ａ）特開２００８−２７５４２４号公報（段落番号０００７，０００９，図１，図６）

しかしながら、上述の特許文献１，２の技術では、一度に検査可能な範囲は光が照射されている範囲のみである。すなわち、光の幅に相当する領域の検査が行えるのみである。その問題を解決するために、特許文献１，２の技術では検査対象をスリット光と直交する方向に移動させることで、スリット光を検査対象全体に照射している。

このような構成により、検査対象全体を検査可能にはなるが、検査対象を移動させる必要があるため、検査時間を短縮することが困難となる。また、装置全体が大型化するおそれもあり好ましくない。さらに、検査対象の移動と画像の取得のタイミングとを同期させる必要も生じる。

本発明の目的は、このような課題に鑑み、簡易な構成で的確に表面の欠陥を検査する表面検査装置を提供することである。

前記課題を解決するために、本発明の表面検査装置は、被検査体の加工された被検査面に拡散光を照射する面状の照明装置と、前記照明装置から照射された光のうち前記被検査面の平坦面で正反射した光を受光しない位置に設置された前記被検査面を撮影するカメラと、前記カメラにより撮影された画像を取得する画像取得部と、前記画像に基づいて前記被検査体の欠陥の有無を判定する欠陥判定部と、を備えている。

この構成では、カメラは、被検査体の平坦面（非欠陥部分）で正反射した光を受光することはできず、被検査体の欠陥部で反射した光の一部のみを受光することができる。すなわち、カメラにより撮影された画像上では、欠陥に対応する画素のみが非黒の画素値を有することとなる。したがって、画像の画素値に基づけば、的確に欠陥を検出することができる。また、照明装置は面光源として構成されているため、被検査体を移動させることなく、被検査体全体を照射することができる。さらに、このような照明装置を用いることにより、被検査体の各部分に対して、複数の方向からの光線が照射される。そのため、欠陥部分で複数の光線がカメラの光軸方向に反射される可能性を高めることができる。これにより、カメラにより撮影された画像上での欠陥部分が明確となる。

機械的に表面加工した際に生じる欠陥はバリ等の凸状のものが多い。そのような欠陥部に照射した光は、照射した側よりその反対側に反射する光の方が多いと考えられる。そのため、本発明の表面検査装置の好適な実施形態の一つでは、前記カメラは、前記被検査体を挟んで前記照明装置と反対方向に位置している。これにより、カメラにより受光される光量を増加させ、より的確に欠陥を検出することができる。

また、上述のような凸状の欠陥での反射光を上述の位置に設置したカメラに受光させるためには、被検査体の被検査面に近い位置から光を照射することが望ましい。そのため、本発明の表面検査装置の好適な実施形態の一つでは、前記照明装置の発光面の最下端部が前記被検査体と略同じ高さに設定してある。この構成により、カメラに受光される欠陥部での反射光の光量を増加させることができる。これにより、より的確に欠陥を検出することができる。

表面検査装置の構成図である。表面検査装置の機能ブロック図である。理想的な被検査面による光の反射を表す図である。表面検査装置の処理の流れを表すフローチャートである。被検査面に欠陥が生じている場合の光の反射を表す図である。２値化画像生成の処理の流れを表すフローチャートである。２値化画像生成時の画素値の例を表す図である。カメラの傾きと検出可能な欠陥の高さの関係を表す図である。

以下、図面を用いて本発明の表面検査装置の実施形態を説明する。図１は、本発明の表面検査装置の構成図であり、図２は機能ブロック図である。図に示すように、本実施形態の表面検査装置は、被検査体Ｗを載置する回転テーブル１、被検査体Ｗを照明する照明装置２、被検査体を撮影するカメラ３、カメラ３により撮影された画像に基づいて被検査体Ｗの表面の欠陥の有無を判定するための画像処理装置４を備えている。なお、少なくとも回転テーブル１，照明装置２およびカメラ３は、暗室状況下に設置しておく。

回転テーブル１は、載置面の法線方向の軸芯回りで回転するテーブル部１ａ、テーブル部１ａを回転させるためのステッピングモータ１ｂを備えている。本実施形態では、ステッピングモータ１ｂには画像処理装置４からの制御信号が供給されており、画像処理装置４は回転テーブル１の制御装置として機能している。また、このテーブル部１ａ上には被検査体Ｗが載置される。

本実施形態における被検査体Ｗは被検査面Ｗｆが平坦となるように加工されたものを用いているが、これに限定されるものではない。例えば、小さな曲率を持つ被検査面Ｗｆの検査にも用いることができる。当然ながら、この場合にも、カメラ３が被検査面Ｗｆの非欠陥部で反射された光を受光しない位置に設置する必要がある。

照明装置２は、光源２ａと光源２ａから照射される光を面状の拡散光とする拡散板２ｂ（本発明の発光面に相当）とを備えている。本実施形態では、拡散板２ｂの法線と回転テーブル１の回転軸とが直交するように照明装置２を設置している。また、照明装置２の拡散板２ｂの最下端部は、テーブル部１ａの載置面と略同じ高さに設定されている。

図３は、このように設置された照明装置２から照射された光が理想的（完全な平面）に加工された被検査体Ｗの被検査面Ｗｆで正反射する様子を表している。なお、図中のＷｐは被検査面Ｗｆ中の検査対象となる領域の中心（以下、検査中心Ｗｐと称する）を表している。また、図を簡単にするために、照明装置２から検査中心Ｗｐに向けて照射される光のみを示している。図から明らかなように、照明装置２の高さをＨ、検査中心Ｗｐから照明装置２までの距離をＬとすると、照明装置２から照射される光の最小反射角θは（π／２）−ｔａｎ^−１（Ｈ／Ｌ）[ｒａｄ]となる。

上述したように、カメラ３は照明装置２により照明された被検査体Ｗを撮影するためのものである。そのため、図３に示すようにカメラ３の光軸は検査中心Ｗｐを向くように設定されている。また、被検査体Ｗを暗視野状態で撮影するために、カメラ３は被検査面Ｗｆにより反射された照明装置２からの光を受光しない位置に設置している。すなわち、検査中心Ｗｐを通る被検査面Ｗｆの法線とカメラ３の光軸とがなす角がθ未満に設定されている。このようにカメラ３を設定することにより、正常な被検査面Ｗｆでの反射光はカメラ３に入射せず、被検査面Ｗｆの欠陥部での反射光のみがカメラ３に受光することとなる。また、上述したように、被検査体Ｗ，照明装置２およびカメラ３は暗室状況下に設置されている。したがって、被検査体Ｗは暗視野状態で撮影されることとなり、被検査面Ｗｆに欠陥があった際に、画像上の欠陥部分が際立つため、欠陥の検出が容易となる。このとき、微弱な反射光を検出できるように、カメラ３の絞りは開放することが望ましい。

画像処理装置４は、汎用コンピュータにより構成され、カメラ３により撮影された被検査体Ｗの画像に基づいて被検査面Ｗｆ上の欠陥の有無を判定する機能を備えている。また、上述したように回転テーブル１を制御する機能を備えている。そのため、画像処理装置４は、カメラ３からの撮影信号に基づいて画像を取得する画像取得部１１、画像取得部１１により取得された画像に基づいて被検査面Ｗｆ上の欠陥の有無を判定する画像処理部１２、回転テーブル１を制御する回転テーブル制御部１３を備えている。画像取得部１１，欠陥判定部１２および回転テーブル制御部１３は汎用コンピュータのＣＰＵ（Central Processing Unit）を中核としてソフトウェアにより構成されているが、ハードウェアまたはソフトウェアとハードウェアとが協働する構成としても構わない。

また、画像処理部１２は、画像中の検査領域を特定する検査領域特定部１２ａ，画像を２値化し２値化画像を生成する２値化部１２ｂ，２値化画像から欠陥の可能性がある欠陥候補を検出する欠陥候補検出部１２ｃ，欠陥候補検出部１２ｃにより検出された欠陥候補の特徴量を算出する欠陥特徴量算出部１２ｄおよび欠陥候補の特徴量に基づいて欠陥の有無を判定する欠陥判定部１２ｅを備えている。

次に、図４のフローチャートを用いて本発明の表面検査装置の処理の流れを説明する。なお、本実施形態では、Ｌ＝Ｈ＝７０ｍｍとしている（したがって、θ＝４５°）。カメラ３として、解像度が１６００×１２００のモノクロカメラを使用し、４０ｍｍ×３０ｍｍの範囲を撮影している。また、カメラ３の光軸と検査中心Ｗｐを通る被検査面Ｗｆの法線とがなす角は、４５°弱となるように設定している。

まず、被検査体Ｗを回転テーブル１のテーブル部１ａ上に載置する（＃０１）。このとき、被検査面Ｗｆの検査中心Ｗｐがカメラ３の撮影範囲に入るように留意する。被検査体Ｗの載置が完了すると、オペレータはキーボードやマウス等の入力装置（図示せず）を操作し、画像処理装置４に対して、欠陥検査の開始を指示する（＃０２）。

欠陥検査の開始の指示を受けた画像処理装置４では、まず、所定のタイミングでカメラ３から入力されている撮影信号をＡ／Ｄ変換し、デジタル画像データ（以下、単に画像と称する）を生成する（＃０３）。生成された画像は、メモリ（図示せず）に一時的に記憶され、その旨が検査領域特定部１２ａに通知される。

通知を受けた検査領域特定部１２ａは、画像における検査対象領域を特定する（＃０４）。本実施形態では、検査領域特定部１２ａは予め記憶されている検査対象領域の画像をテンプレートとしたテンプレートマッチングにより検査対象領域を特定するものとする。特定された検査対象領域の座標は、２値化部１２ｂおよび欠陥候補検出部１２ｃに通知される。

上述したように、被検査体Ｗは暗視野状態で撮影されている。そのため、被検査面Ｗｆに欠陥がない場合には、撮影された画像は黒画素のみから構成される。しかしながら、被検査面Ｗｆ上にバリ等の凸状の欠陥が生じていると、図５に示すように、照明装置２から照射された光のうち欠陥による正反射によりカメラ３に入射するものが存在する。特に、本発明では、照明装置２は面光源として構成され、拡散光が照射されるため、欠陥周辺により複数の光線がカメラ３の光軸方向に反射される可能性がある。したがって、被検査面Ｗｆ上の欠陥は、画像上で白画素として捕らえることができる。そのため、検査対象領域の座標を受け取った２値化部１２ｂは、画像の検査対象領域を２値化した２値化画像を生成する（＃０５）。本実施形態における２値化は図６のフローチャートの処理により行われる。

まず、画像中の被検査領域から一の画素列を抽出する（＃２１）。この画素列の方向は、検査したい欠陥の方向と直交する方向が望ましい。したがって、バリ等の欠陥が画像中において横方向に表れる場合には、画素列は画像中の縦方向に設定する。

次に、この画素列に対して移動平均法による平均化を施す（＃２２）。図７には、一の画素列の画素値と、その画素列に対して平均化を施した後に画素値とを表している。図の横軸は座標であり、縦軸は画素値を表している。また、実線が平均化前の画素値であり、点線が平均化後の画素値である。

そして、このようにして求めた平均化後の各々の画素値に対してオフセット値（本実施形態では２０程度）を加算した画素値（図６の一点鎖線）を閾値として設定する（＃２３）。これにより、各々の座標における閾値が設定されたことになる。次に、この閾値に基づいて、平均化前の各座標における画素値を２値化する（＃２４）。未処理の画素列がある場合には（＃２５のＮｏ分岐）、処理を＃２１に移行し、上述の処理を繰り返す。図７の例の画素列に対して、このようにして２値化すると、図中のハッチング部分の画素が白となり、他の画素が黒となる。

欠陥候補検出部１２ｃは、このようにして生成された２値化画像から白画素の連結領域を求め、各連結領域を欠陥候補領域とする（＃０６）。なお、連結領域はラベリング等の公知の方法により求めることができる。

特徴量算出部１２ｄは、各欠陥候補領域の特徴量を算出する（＃０７）。本実施形態では、欠陥としてバリを想定しているため、特徴量として欠陥候補領域の長さを用いている。この特徴量は、検出したい欠陥の種類に応じて適宜変更可能である。

欠陥判定部１２ｅは、特徴量算出部１２ｄにより算出された特徴量に基づいて、各欠陥候補領域が欠陥であるか否かを判定する（＃０８）。本実施形態では、上述したように特徴量として欠陥候補領域の長さを用いているため、この長さが所定の範囲内であれば、その欠陥候補領域を欠陥とみなしている。欠陥が検出された際には（＃０９のＹｅｓ分岐）、画像処理装置に接続されているディスプレイ（図示せず）にその旨を表示する等、欠陥が発見されたことを報知する（＃１０）。

検査すべき検査部位が残っている場合には（＃１１のＮｏ分岐）、回転テーブル制御部１３がステッピングモータ１ｂを制御することにより、テーブル部１ａを回転させた後、処理を＃０３に移行させて、上述の処理を繰り返す。

従来技術では、撮影画像に基づいてバリを検出する際には、カメラの分解能をバリの高さ以下にする必要がある。例えば、５μｍのバリを検出するためには、カメラの分解能を０．５μｍ程度に設定しなければならない。本実施形態のカメラ３の分解能を０．５μｍに設定すると、撮影範囲は０．８ｍｍ×０．６ｍｍとなる。一方、本実施形態では上述のようにカメラ３を設定しているため、カメラの分解能は２５μｍとなっている。

図８は、カメラ３の分解能を上述のように設定し、カメラ３の傾きを変更した際に検出できた欠陥（バリ）の高さの関係を示した図である。図の横軸は、カメラ３の光軸と被検査面Ｗｆの法線とがなす角度であり、縦軸は検出できたバリの高さを表している。なお、カメラ３の傾きを調整する際には、照明装置２からの光の最大入射角（および最大反射角）がカメラ３の傾きより若干大きくなるように、照明装置２の高さを調整している。

図から明らかなように、カメラ３の傾きを４５°としたときには５μｍ程度のバリまで検出可能になっており、４５°を中心としてカメラ３の傾きを変化させるに従って、検出可能なバリの高さが高くなっている。また、カメラ３の傾きを大きくすると、バリよりも微細な切削痕が検出されるようになる。したがって、カメラ３の傾きは４５°程度が望ましい。

このように、本発明の欠陥検査装置を用いれば、カメラを従来の方法よりも粗い分解能に設定することができる。すなわち、従来と同等の高さのバリを検査する目的であれば、従来よりも広い範囲の被検査面Ｗｆを一度に検査することができる。また、カメラ３の分解能を従来と同等に設定した場合には、従来よりも低いバリを検出することができる。

〔別実施形態〕
（１）上述の実施形態では、照明装置２の照射面の法線と被検査面Ｗｆの法線と略直交するよう照明装置２を設置したが、これらの法線がなす角が９０°以下となるように照明装置２を傾けて設置しても構わない。当然ながら、このときにも、照明装置２から照射され、平坦な被検査面Ｗｆで反射された光がカメラ３に入射しないよう構成する必要がある。

（２）上述の実施形態では、カメラ３は、被検査体Ｗを挟んで照明装置２の反対側に設置したが、カメラ３と照明装置２とを同じ側に設置しても構わない。その際、照明装置２から照射される光の最小入射角をθ（図３参照）とすると、カメラ３の光軸と検査中心Ｗｐを通る被検査面Ｗｆの法線とがなす角がθ未満となるようにカメラ３を設置する。このように構成しても、カメラ３には平坦な被検査面Ｗｆからの反射光は入射することはない。一方、被検査面Ｗｆの欠陥部分には複数の方向から照射された光が複数の方向に反射される。そのため、反射光がカメラ３に受光される可能性が高まり、上述の実施形態と同様にカメラ３により撮影された画像上で欠陥部分が明確となる。

本発明は、被検査体の加工された表面を検査する表面検査装置に利用することができる。

Ｗ：被検査体
Ｗｆ：被検査面
１：回転テーブル
２：照明装置
２ａ：光源
２ｂ：拡散板
３：カメラ
４：画像処理装置
１１：画像取得部
１２ｅ：欠陥判定部

Claims

被検査体の加工された被検査面に拡散光を照射する面状の照明装置と、
前記照明装置から照射された光のうち前記被検査面の平坦面で正反射した光を受光しない位置に設置された前記被検査面を撮影するカメラと、
前記カメラにより撮影された画像を取得する画像取得部と、
前記画像に基づいて前記被検査体の欠陥の有無を判定する欠陥判定部と、を備えた表面検査装置。
前記カメラは、前記被検査体を挟んで前記照明装置と反対方向に位置している請求項１記載の表面検査装置。
前記照明装置の発光面の最下端部が前記被検査体と略同じ高さに設定してある請求項１または２記載の表面検査装置。