JP2014182003A - 欠陥検出装置及び欠陥検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来の装置は、表面粗さの小さい欠陥にあっては良品部と同様に反射光に対する受光素子の感度が飽和し欠陥を正確に検出できないという問題がある。
【解決手段】
本発明は、異なる位置から検査対象面に光を照射する発光素子（１０２）と、検査対象面の画像データを取得する撮像装置（１０３）と、画像データの各画素の輝度値及び位置の情報を基に各画素ごとに擬似配光分布を生成し、画像データの各画素の輝度値を擬似配光分布の特徴量に対応する輝度値に変換することにより輝度変換画像を生成する制御装置（１０７）と、を備える欠陥検出装置（１００）を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鋳物などの切削加工後のワークの表面に生じた欠陥を光学的に検出し、欠陥の存在及び種別を判定する欠陥検出装置及び欠陥検出方法に関する。

アルミ鋳造物等の切削加工面には、切削工程において、例えば切子が付着した状態でワークを把持することによって生じる圧痕や、切削工程における切削順序によって生じる微妙な段差、ワークの剛性のばらつき等により刃の振動で生じたびびり等が生じる場合がある。これらは、その深さ等に応じて、許容公差内の良品部と許容公差外の欠陥部とに分類される。

このような欠陥部を自動的に検出して判定する手段として、ワークの検査対象面に光を照射し、ＣＣＤカメラ等でその反射光を受光して撮像して欠陥を検査する装置が知られている。しかしながら、このような装置は、一般に鏡面のような平滑表面を検査対象面とするものであり、粗面における欠陥の検査には適していない。これに対し、例えば、特許文献１は、欠陥とは別に不規則な切削加工痕が存在するような表面でも、安定的に欠陥を検出する装置を開示する。特許文献１では、欠陥以外の部分に照射された光の反射光を受光した際の撮像手段の受光素子の感度が飽和するように、照射光の強度が設定される。その設定条件下で、特許文献１の装置は、照射光の強度を変化させて、欠陥を検出する。

特開２００６−２０８２５９号明細書

特許文献１の装置はある程度の深さを有する欠陥を検出できるが、表面粗さの小さい欠陥にあっては、良品部と同様に反射光に対する受光素子の感度が飽和し、欠陥を正確に検出できないという問題がある。そのため、本発明の目的は、表面粗さの小さい欠陥の検出を可能にし、並びに、欠陥の存否及び種類の判定を容易にする欠陥検出装置及び欠陥検出方法を提供する。

本発明は、異なる位置から検査対象面に光を照射する発光素子と、検査対象面の画像データを取得する撮像装置と、画像データの各画素の輝度値及び位置の情報を基に各画素ごとに擬似配光分布を生成し、画像データの各画素の輝度値を擬似配光分布の特徴量に対応する輝度値に変換することにより輝度変換画像を生成する制御装置と、を備える欠陥検出装置を提供する。

また、本発明は、異なる位置から検査対象面に光を照射する工程と、検査対象面の画像データを取得する工程と、画像データの各画素の輝度値及び位置の情報を基に各画素ごとに擬似配光分布を生成する工程と、画像データの各画素の輝度値を擬似配光分布の特徴量に対応する輝度値に変換することにより輝度変換画像を生成する工程と、を備える欠陥検出方法を提供する。

本発明は、異なる位置から検査対象面に光を照射し検査対象面の画像データを取得し、画像データ及び当該位置の情報を基に生成された擬似配光分布の特徴量を基に輝度変換画像を生成することにより、表面粗さの小さい欠陥の検出を可能にし、並びに、欠陥の存否及び種類の判定を容易にする。

本発明の第１実施形態に係る欠陥検出装置の模式図である。 本発明の第１実施形態に係る制御系のブロック図である。 本発明の第１実施形態に係る検査ヘッドの模式図である。 図３ＡのＡ−Ａ線断面図である。 図３ＢのＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の第１実施形態に係る画像データと関連データの説明図である。 本発明の第１実施形態に係る擬似配光分布の模式図である。 本発明の第１実施形態に係る擬似配光分布の特徴量の模式図である。 本発明の第１実施形態に係る擬似配光分布の特徴量の模式図である。 本発明の第１実施形態に係る制御フローチャートである。 本発明の第２実施形態に係るワークの検査対象面の画像である。 本発明の第２実施形態に係る画素における擬似配光分布の模式図である。 本発明の第２実施形態に係る画素における擬似配光分布の模式図である。 本発明の第２実施形態に係る画素における擬似配光分布の模式図である。 本発明の第２実施形態に係る輝度変換テーブル及び輝度変換画像の模式図である。 本発明の第２実施形態に係る制御フローチャートである。 本発明の第３実施形態に係る輝度変換画像及び輝度プロファイルである。 本発明の第３実施形態に係る欠陥抽出画像の説明図である。 本発明の第３実施形態に係る欠陥抽出画像である。 本発明の第３実施形態に係る欠陥検出装置の模式図である。 本発明の第３実施形態に係る欠陥検出装置の模式図である。 本発明の第３実施形態に係る欠陥検出装置の模式図である。 本発明の第３実施形態に係る制御フローチャートである。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る欠陥検出装置の模式図である。

＜欠陥検出装置＞
本実施形態に係る欠陥検出装置１００は、検査ヘッド１０１を備える。欠陥検出装置１００は、検査ヘッド１０１を検査対象物（以下「ワーク」と称する。）１１０に近づけ、ワーク１１０の検査対象面の画像を取得し、それを基に検査対象面の欠陥の存否を判定する。

検査ヘッド１０１は、複数の発光素子１０２、撮像装置１０３、受光部１０３ａ、複数のレンズ１０４及びカバー部材１０５を含み、姿勢変更装置１０６の先端に取り付けられる。姿勢変更装置１０６は、検査ヘッド１０１を所定の位置に移動させる装置であり、例えば多関節ロボットアームである。

発光素子１０２は、電球、蛍光灯及び発光ダイオード（以下、ＬＥＤ）等である。発光素子１０２の点灯及び消灯は制御装置１０７により制御され、発光素子１０２はワーク１１０の検査対象面の検査区域１１０ａに光を照射する。ここで、検査区域１１０ａは検査対象面のうち一回のシーケンスで欠陥の検出が行われる範囲であり、検査区域１１０ａの大きさは撮像装置１０３の視野範囲及び発光素子１０２により照らされるスポットサイズの大きさに相当する。なお、当該スポットサイズは、検査区域１１０ａよりも大きくてもよい。複数の発光素子１０２の各々は、好ましくは等間隔にカバー部材１０５の内側に取り付けられ、互いに異なる位置に配置される。カバー部材１０５は曲面形状をとり、好ましくは撮像装置１０３を天頂とする半球形状をとる。

撮像装置１０３は、受光部１０３ａを有するデジタルカメラ等であり、好ましくは高速カメラである。撮像装置１０３の受光部１０３ａは、検査対象物１１０の検査対象面の検査区域１１０ａに正対する。受光部１０３ａは、より精度の高い欠陥判定を実現するために、反射光の平行成分のみを受光するテレセントリックレンズ等を備えていても良い。

撮像装置１０３は、制御装置１０７により制御され、複数の発光素子１０２が検査区域１１０ａに光を照射するタイミングで、検査区域１１０ａからの反射光及び／又は拡散光を受光し、検査区域１１０ａの画像を取得する。なお、ワーク１１０の検査対象面が完全な鏡面であれば、発光素子１０２からの光は検査区域１１０ａで正反射され、撮像装置１０３は、検査区域１１０ａの画像を取得できないことがある。

複数のレンズ１０４は、凸レンズやコリメータレンズ等であり、各発光素子１０２の光軸上（ＬＡ）に配置される。複数のレンズ１０４の各々は、各発光素子１０２又はカバー部材１０５に取り付けられる。複数のレンズ１０４としてコリメータレンズを用いると、平行光が検査対象面１１０ａに照射されることになる。その結果、検査対象面１１０ａでの光の散乱が低減され、より精度の高い欠陥判定が可能となる。

ワーク１１０は、ワーク支持台１０８に設置される。ワーク支持台１０８は、水平方向の一方向に移動するＸステージ１０８ａ及びＸステージの移動方向に垂直な方向に移動するＹステージ１０８ｂを含む。また、ワーク支持台１０８は、Ｘステージ１０８ａ及びＹステージ１０８ｂに替えて又はそれらとともに、回転可能な回転ステージ１０８ｃを含んでいても良い。それゆえ、ワーク支持台１０８は、ワーク１１０を水平方向に所定の位置に動かすことができる。

制御装置１０７は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）等を含むコンピュータであり、検査ヘッド１０１、姿勢変更装置１０６、及びワーク支持台１０８に接続される。

図２は、本実施形態に係る制御系のブロック図である。制御装置１０７は、ロボット制御部１０７ａ、照明部１０７ｂ、画像処理部１０７ｃ、記憶部１０７ｄ、演算部１０７ｅを有する。

ロボット制御部１０７ａは、姿勢変更装置１０６及びワーク支持台１０８に制御信号を出力し、検査ヘッド１０１及びワーク１１０を所定の位置に移動させる。照明部１０７ｂは、所定の発光素子１０２に電圧を供給し、発光素子１０２の点灯及び消灯のタイミング並びに輝度を調整する。なお、複数の発光素子１０２の輝度は、好ましくは、検査区域１１０ａの表面において互いに同一となるように調整される。画像処理部１０７ｃは、撮像装置１０３に制御信号を出力し、照明部１０７ｂによる発光素子１０２の制御のタイミングに従って、撮像装置１０３にワーク１１０の検査対象面の画像を取得させる。記憶部１０７ｄは、撮像装置１０３により取得された画像を格納する。演算部１０７ｅは、記憶部１０７ｄに記憶された画像を演算処理し、所定のデータを生成する。演算部１０７ｅは、当該データをモニタやプリンタ等の出力装置（不図示）に出力してもよい。

例えば、欠陥検査の際、制御装置１０７は以下の工程を実行する。まず、制御装置１０７は、姿勢変更装置１０６及びワーク支持台１０８を移動させ、検査ヘッド１０１をワーク１１０に対して所定の位置に移動させる。そして、制御装置１０７は、複数の発光素子１０２のうち１つを所定の期間（例えば１ミリ秒）点灯させ、撮像装置１０３によりワーク１１０の検査区域１１０ａ（例えば５０ｍｍ×５０ｍｍ）の画像を取得する。制御装置１０７は、取得した画像を、点灯させた発光素子１０２の位置情報とともに記憶する。その後、制御装置１０７は、当該発光素子を消灯させ別の発光素子１０２を所定の期間点灯させ、検査区域１１０ａの画像を取得する。制御装置１０７は、これらの工程を複数の発光素子１０２の全てに対して行い、複数の発光素子１０２の数に相当する数の画像を取得し、演算処理し、所定のデータを生成する。

＜発光素子の位置情報＞
図３Ａは、本実施形態に係る検査ヘッドの模式図である。本実施形態では、カバー部材１０５は、撮像装置１０３を天頂とする半球形状をとり、その底部は開口している。欠陥検出装置１００がワーク１１０を検査するとき、検査ヘッド１０１は姿勢変更装置１０６によりワーク１１０に近づけられ、ワーク１１０の検査対象面の検査区域１１０ａは開口底部の中心部に位置する。

ここで、図３Ａに示されるように、検査区域１１０ａ（の中心）を原点とし、ＸＹ平面上にワーク１１０の検査対象面が含まれる３次元空間ＸＹＺを考える。そうすると、半球状のカバー部材１０５に取り付けられた複数の発光素子１０２のうちのある発光素子１０２_ｍｎの位置Ｏ_ｍｎは、球座標（θ_ｍ，Φ_ｎ）で表される。ここで、θはＸ軸に対する偏角（方位角）であり、ΦはＺ軸に対する偏角（極角）である。また、ｍ及びｎは整数である。位置Ｏ_ｍｎ（θ_ｍ，Φ_ｎ）は、発光素子１０２の数だけ存在する。

なお、本実施形態では半球状のカバー部材１０５を用いているため、原点から複数の発光素子１０２の各々までの距離（ｒ）は、互いに同一である。そのため、本実施形態では原点から複数の発光素子１０２の各々までの距離（ｒ）を考慮しない。なお、半球状のカバー部材１０５を用いない場合は、発光素子１０２の位置情報として、原点からの距離（ｒ）を考慮してもよい。

図３Ｂは、図３ＡのＡ−Ａ線断面図である。図３Ｂは、偏角θｍにおけるＸＹ平面に垂直な面を示す。この面において、Ｎ個の発光素子１０２及びレンズ１０４が位置Ｏ_ｍ１（θ_ｍ，Φ_１）、Ｏ_ｍ２（θ_ｍ，Φ_２）、…Ｏ_ｍＮ（θ_ｍ，Φ_Ｎ）に配置され、各発光素子１０２の光軸ＬＡはワーク１１０の検査区域１１０ａに向かっている。

また、図３Ｃは、図３ＢのＢ−Ｂ線断面図である。図３Ｃは、偏角ΦｎにおけるＸＹ平面に平行な面を表す。この面において、Ｍ個の発光素子１０２及びレンズ１０４が位置Ｏ_１ｎ（θ_１，Φ_ｎ）、Ｏ_２ｎ（θ_２，Φ_ｎ）、…Ｏ_Ｍｎ（θ_Ｍ，Φ_ｎ）に配置され、各発光素子１０２の光軸ＬＡはワーク１１０の検査区域１１０ａに向かっている。

このように、本実施形態において、複数の発光素子１０２の各々は、一意の位置情報（θ，Φ）により識別される。

＜関連データの生成＞
本実施形態に係る欠陥検出装置１００は、複数の発光素子１０２により照らされたワーク１１０の検査対象面の画像を撮像装置１０３により取得し、当該画像のデータを基に検査対象面にある欠陥の存否及び種類を判定する。以下、その詳細を述べる。

本実施形態に係る欠陥検出方法において、撮像装置１０３により取得された画像がどの位置にある発光素子１０２により照らされた画像であるかは重要である。それゆえ、制御装置１０７は、撮像装置１０３により検査区域１１０ａの画像を取得する際に、取得した画像データに加えて、当該画像データと発光素子１０２の位置情報（θ，Φ）とを関連付けたデータ（以下、「関連データ」と称する。）を生成する。

図４は、本実施形態に係る画像データと関連データの説明図である。画像データとして４×４画素のデータを仮定する。符号４０１は、（θ_１，Φ_１）位置にある発光素子１０２_１１により照らされた検査区域１１０ａの画像データＰＩＣ_１１と、その関連データＤ_１１の例である。符号４０２は、（θ_２，Φ_２）位置にある発光素子１０２_２２により照らされた検査区域１１０ａの画像データＰＩＣ_２２と、その関連データＤ_２２の例である。符号４０３は、（θ_Ｍ，Φ_Ｎ）位置にある発光素子１０２_ＭＮにより照らされた検査区域１１０ａの画像データＰＩＣ_ＭＮと、その関連データＤ_ＭＮの例である。

図４に示されるように、１つの検査区域１１０ａに対して、発光素子１０２の数に相当する数の画像データＰＩＣ及び関連データＤが制御装置１０７により生成される。画像データＰＩＣは、各画素（Ｐ_１１〜Ｐ_４４）ごとに、検査区域１１０ａのイメージに対応する強度（輝度値Ｉ）を有している。ここで、輝度値Ｉは白を２５５とし黒を０とした８ビット階調により表されるものである。なお、Ｒ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）色の各々について輝度値Ｉ_Ｒ、Ｉ_G、Ｉ_Ｂを取得してもよいし、階調の数は任意である。

そして、関連データＤは、画像データＰＩＣの画素（Ｐ_１１〜Ｐ_４４）ごとに、輝度値Ｉと、検査区域１１０ａを照らすのに用いられた発光素子１０２の位置情報（θ，Φ）との組（Ｉ，θ，Φ）のデータを有する。このように、ある検査区域１１０ａに対して、各画素（Ｐ_１１〜Ｐ_４４）は、発光素子１０２の数に相当する数の関連データ（Ｉ，θ，Φ）を有することになる。

＜擬似配光分布の生成＞
制御装置１０７は、各画素に関して、関連データ（Ｉ，θ，Φ）をＩθΦ空間に３次元的にプロットすることにより擬似配光分布を生成する。擬似配光分布の形状は、検査区域１１０ａの欠陥（段差、鋳巣、歪み、傷、凹み、びびり等）の存在及び種類に応じて変化する。

例えば、検査区域１１０ａに欠陥が何ら存在しない場合、検査区域１１０ａからの反射光は、正反射光であり、撮像装置１０３により受光されない。しかしながら、検査区域１１０ａに欠陥が存在する場合、欠陥の影響により、ある位置の発光素子１０２から照射された光は検査区域１１０ａの欠陥部で正反射し撮像装置１０３により受光されないが、別の位置の発光素子１０２から照射された光は検査区域１１０ａの欠陥部で反射し撮像装置１０３により受光されることがある。そのため、各画素の擬似配光分布を互いに比較することにより、ワーク１１０の検査区域１１０ａの欠陥の存否及び種類を判定することができる。

図５は、本実施形態に係る擬似配光分布の模式図である。例えば、符号５０１は、検査区域１１０ａのうち欠陥の存在しない部分（以下、「良品部」と称する。）に相当する画素Ｐ１の擬似配光分布である。一方、符号５０２は、検査区域１１０ａのうち欠陥の存在する部分（以下、「欠陥部」と称する。）に相当する画素Ｐ２の擬似配光分布である。

擬似配光分布５０１に関して、検査区域１１０ａのうち良品部に照射された光から撮像装置１０３により受光される反射光及び／又は散乱光の強度は、発光素子１０２の位置（θ，Φ）によらず対称的になる。一方、擬似配光分布５０２に関して、検査区域１１０ａのうち欠陥部に照射された光から撮像装置１０３により受光される反射光及び／又は散乱光の強度は、発光素子１０２の位置（θ，Φ）によって異なる。

以下、検査区域１１０ａのうち良品部に相当する画素Ｐ１の擬似配光分布５０１と、検査区域１１０ａのうち欠陥部に相当する画素Ｐ２の擬似配光分布５０２との比較について説明する。

＜特徴量に基づく欠陥判定＞
本実施形態に係る欠陥検出方法は、擬似配光分布から特徴量を抽出し、当該特徴量を比較することにより、欠陥の存否及び種類を判定する。ここで、当該特徴量は、擬似配光分布の重心、等価楕円球の軸長、及び擬似配光分布の外接直方体長等である。なお、等価楕円球はＩθΦ空間において擬似配光分布に近似させた楕円球であり、外接直方体はＩθΦ空間において擬似配光分布に外接させた直方体である。

図６Ａは、擬似配光分布５０１の特徴量の模式図である。検査区域１１０ａの良品部に相当する画素Ｐ１の擬似配光分布５０１の重心は、座標Ｇ_１（ｋ_１，θ_１，Φ_１）で表される（６０１）。また、検査区域１１０ａの良品部に相当する画素Ｐ１の擬似配光分布５０１の等価楕円球の軸長は、長軸ｒａ_１及び短軸ｒｂ_１で表される（６０２）。また、検査区域１１０ａの良品部に相当する画素Ｐ１の擬似配光分布５０１の外接直方体の長さは、横ａ_１、高さｂ_１及び縦ｃ_１で表される（６０３）。

図６Ｂは、擬似配光分布５０２の特徴量の模式図である。検査区域１１０ａの欠陥部に相当する画素Ｐ２の擬似配光分布５０２の重心は、座標Ｇ_２（ｋ_２，θ_２，Φ_２）で表される（６０４）。また、検査区域１１０ａの欠陥部に相当する画素Ｐ２の擬似配光分布５０２の等価楕円球の軸長は、長軸ｒａ_２及び短軸ｒｂ_２で表される（６０５）。また、検査区域１１０ａの欠陥部に相当する画素Ｐ２の擬似配光分布５０２の外接直方体の長さは、横ａ_２、高さｂ_２及び縦ｃ_２で表される（６０６）。

特徴量を基にした欠陥の存否及び種類の判定のための比較基準は、ワーク１１０の検査対象面や欠陥の種類等により異なる。そのため、ワーク１１０の検査対象面や欠陥の種類等に応じた特徴量の傾向を経験的に求めておき、制御装置１０７に記憶させておく。それにより、各画素の擬似配光分布の特徴量を基にした検査対象面の欠陥検査が可能になる。

例えば、あるワークの検査区域の良品部に相当する画素の擬似配光分布の重心と原点との間の距離をＬ１とし、当該検査区域の欠陥（例えば、段差）部に相当する画素の擬似配光分布の重心と原点との間の距離をＬ２とする。そして、Ｌ１及びＬ２の間に、Ｌ１−Ｌ２≧閾値という関係式が経験的に求められるとする。この場合、制御装置１０７は、別のワークを検査した際に、ある画素の擬似配光分布の特徴量（Ｌ１）と別の画素の擬似配光分布の特徴量（Ｌ２）とがＬ１−Ｌ２≧閾値という関係を満たす場合に、欠陥が存在し、その欠陥の種類は段差であると判定することができる。このようにして、擬似配光分布の重心という特徴量に基づく欠陥の存否及び種類の検査が可能となる。

例えば、あるワークの検査区域の良品部に相当する画素の擬似配光分布の等価楕円球の長軸ｒａ１と、当該検査区域の欠陥（例えば、鋳巣）部に相当する画素の擬似配光分布の等価楕円球の短軸ｒｂ２との間に、ｒａ１／ｒｂ２≧閾値という関係式が経験的に求められるとする。この場合、制御装置１０７は、別のワークを検査した際に、ある画素の擬似配光分布の特徴量（ｒａ１）と別の画素の擬似配光分布の特徴量（ｒａ２）とがｒａ１／ｒｂ２≧閾値という関係を満たす場合に、欠陥が存在し、その欠陥の種類は鋳巣であると判定することができる。このようにして、擬似配光分布の等価楕円球の軸長という特徴量に基づく欠陥の存否及び種類の検査が可能となる。

例えば、あるワークの検査区域の良品部に相当する画素の擬似配光分布の外接直方体の体積Ｖ１と、当該検査区域の欠陥（例えば、凹み）部に相当する画素の擬似配光分布の外接直方体の体積Ｖ２との間に、Ｖ１≧第１閾値、かつ、Ｖ２≧第２閾値、かつ、Ｖ１／Ｖ２≦第３閾値という関係式が経験的に求められるとする。この場合、制御装置１０７は、別のワークを検査した際に、ある画素の擬似配光分布の特徴量（Ｖ１）と別の画素の擬似配光分布の特徴量（Ｖ２）とがＶ１≧第１閾値かつＶ２≧第２閾値かつＶ１／Ｖ２≦第３閾値という関係を満たす場合に、欠陥が存在し、その欠陥の種類は凹みであると判定することができる。このようにして、擬似配光分布の外接直方体の体積という特徴量に基づく欠陥の存否及び種類の検査が可能となる。

さらに、例えば、あるワークの検査区域の欠陥（例えば、傷）部に相当する画素の擬似配光分布の重心と原点との間の距離をＬ１とし、当該画素に連続する複数の画素の擬似配光分布の重心と原点との間の距離をＬ２〜Ｌｎとする。そして、Ｌ１〜Ｌｎの間に、Ｌ１＝Ｌ２＝…＝Ｌｎ≧閾値という関係式が経験的に求められるとする。この場合、制御装置１０７は、別のワークを検査した際に、ある画素の擬似配光分布の特徴量（Ｌ１）と当該画素に連続する画素の擬似配光分布の特徴量（Ｌ２〜Ｌｎ）とがＬ１＝Ｌ２＝…＝Ｌｎ≧閾値という関係を満たす場合に、欠陥が存在し、その欠陥の種類は傷であると判定することができる。このようにして、連続する画素の擬似配光分布の重心という特徴量に基づく欠陥の存否及び種類の検査が可能となる。

以上のように、本実施形態に係る欠陥検出装置１００は、ワーク１１０の検査対象面の画像データから、欠陥の存否及び種類を判定することができる。

図７は、本実施形態に係る欠陥検出の際の制御装置の制御フローチャートであり、前述の欠陥検査の工程を詳細に記載したものである。

工程Ｓ７０１において、制御装置１０７は、ワーク支持台１０８を作動させ、ワーク１１０を検査ヘッド１０１に対して所定の位置に移動させる。工程Ｓ７０２において、制御装置１０７は検査ヘッド１０１を移動させ、ワーク１１０の検査区域１１０ａはカバー部材１０５の開口底部の中心部に位置する。

工程Ｓ７０３において、制御装置１０７は、複数の発光素子１０２の１つを点灯させる。なお、すでに点灯している発光素子１０２がある場合は、制御装置１０７は、それを消灯させた後に、別の発光素子１０２を点灯させる。

工程Ｓ７０４において、制御装置１０７は、撮像装置１０３により検査区域１１０ａの画像を取得する。そして、制御装置１０７は、取得した画像データに加えて、当該画像データと発光素子１０２の位置情報（θ，Φ）とを関連付けた関連データ（Ｉ，θ，Φ）を生成し、記憶する。

工程Ｓ７０５において、制御装置１０７は、複数の発光素子１０２の全てについて検査区域１１０ａの画像の取得が終了したかどうか判断する。複数の発光素子１０２の全てについて検査区域１１０ａの画像の取得が終了していない場合（工程Ｓ７０５のＮｏ）、制御装置１０７は、点灯している発光素子１０２を消灯させ、別の発光素子１０２を点灯させる（工程Ｓ７０３）。同様に、制御装置１０７は、検査区域１１０ａの画像を取得し、その関連データを生成し、記憶する（工程Ｓ７０４）。

複数の発光素子１０２の全てについて検査区域１１０ａの画像の取得が終了した場合（工程Ｓ７０５のＹｅｓ）、工程Ｓ７０６において、制御装置１０７は、取得した全ての画像データの各画素ごとに擬似配光分布を生成する。

工程Ｓ７０７において、制御装置１０７は、各画素の擬似配光分布から特徴量を算出する。当該特徴量は、前述のように、擬似配光分布の重心、等価楕円球の軸長、及び擬似配光分布の外接直方体長等である。

工程Ｓ７０８において、制御装置１０７は、前述のように予め記憶された特徴量の比較基準を基に、ワーク１１０の検査区域１１０ａの欠陥の存否及び種類を判定する。

工程Ｓ７０９において、制御装置１０７は、ワーク１１０の検査対象面の全てに対して検査が終了したかどうかを判断する。ワーク１１０の検査対象面の全てに対して検査が終了していない場合（工程Ｓ７０９のＮｏ）、制御装置１０７は、ワーク１１０の検査対象面の次の検査区域を検査するために、ワーク１１０を移動させる（工程Ｓ７０１）。そして、制御装置１０７は、工程Ｓ７０２〜Ｓ７０９を繰り返す。

ワーク１１０の検査対象面の全てに対して検査が終了した場合（工程Ｓ７０９のＹｅｓ）、制御装置１０７は、欠陥検査の判定結果を出力装置（不図示）へ出力する。

このように、本実施形態に係る欠陥検出装置は、異なる位置から検査対象面に光を照射し検査対象面の画像データを取得し、画像データ及び当該位置の情報を基に生成された擬似配光分布の特徴量を基に、表面粗さの小さい欠陥の検出、並びに、欠陥の存否及び種類の判定を可能にする。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る欠陥検出装置は、擬似配光分布から算出された特徴量及び輝度変換テーブルを基に輝度変換画像を生成し、当該特徴量を可視化する。本実施形態に係る欠陥検出装置は第１実施形態に係る欠陥検出装置と同一であるため、繰り返しの説明を省略する。

図８Ａは、本実施形態に係る検査対象面の画像である。画像８００は、欠陥（段差）８０１が存在するワークの検査対象面の画像の例である。

画像８００において、良品部に相当する画素Ｐ１及びＰ２と、欠陥部に相当する画素Ｐ３を考える。図８Ｂ〜８Ｄは、画素Ｐ１〜Ｐ３における擬似配光分布を示す模式図である。なお、説明を簡単にするために、擬似配光分布の任意のθΦ断面を考える。

図８Ｂは、画像８００の画素Ｐ１における擬似配光分布８０２、画素Ｐ２における擬似配光分布８０３、及び画素Ｐ３における擬似配光分布８０４を示す。擬似配光分布８０２〜８０４の重心Ｇ１〜Ｇ３の輝度値Ｉ１〜Ｉ３が特徴量として算出されるとする。なお、特徴量は、重心Ｇの輝度値Ｉに限定されるものではなく、前述のように様々な特徴量を用いてもよい。例えば、擬似配光分布８０２〜８０４の重心Ｇ１〜Ｇ３の原点からの距離Ｋ１〜Ｋ３を特徴量として用いても良いし（図８Ｃ）、擬似配光分布８０２〜８０４の等価楕円球の長軸ｒａ１〜ｒａ３及び短軸ｒｂ１〜ｒｂ３の長さ及び／又は比（ｒａ／ｒｂ）を特徴量として用いても良い（図８Ｄ）。

図８Ｅは、本実施形態に係る輝度変換テーブル及び輝度変換画像の模式図である。特徴量Ｉ１〜Ｉ３は、輝度変換テーブル８０５に基づき、特徴量Ｉ１〜Ｉ３に対応する輝度値へ変換される。輝度変換テーブル８０５は、特徴量Ｆの最小Ｍｉｎから最大Ｍａｘまでの値に、黒色から白色までの複数の階調（例えば８ビット階調）を対応させるテーブルである。特徴量Ｆは、重心Ｇの輝度値Ｉ、重心Ｇと原点との距離Ｋ、等価楕円球の軸長ｒａ、ｒｂ、その比ｒａ／ｒｂ、及び外接直方体長ａ、ｂ、ｃ等である。輝度変換テーブル８０５は、予め経験的に求められ、制御装置１０７内に格納される。例えば、輝度変換テーブル８０５は以下表１のようなテーブルである。

ここで、輝度変換テーブル８０５は、白黒階調に限定されず、ＲＧＢそれぞれの階調に対応するものであってもよい。また、輝度変換テーブル８０５の特徴量の最小値Ｍｉｎ及び最大値Ｍａｘを、全ての画像の全ての画素の擬似配光分布から算出された特徴量のうちの最小値及び最大値に設定し、最小値及び最大値間を等分し、それぞれに輝度値（例えば０〜２５５）を対応させてもよい。この場合、各画像８００ごとに輝度変換テーブルを生成するようにしてもよい。また、輝度変換テーブル８０５の特徴量の最小値Ｍｉｎと最大値Ｍａｘを経験的に求められる絶対量（例えば０と１００）に設定し、最小値と最大値との間を等分し、それぞれに輝度値を対応させてもよい。さらに、輝度変換テーブル８０５は、特徴量の種類や欠陥の種類に応じて異なるものであってもよい。

輝度変換画像８０６は、画像８００の各画素の輝度値（即ち、撮像装置により取得された画像データの各画素が有する輝度値Ｉ）を、輝度変換テーブル８０５を用いて画像８００の各画素の特徴量Ｆに対応する輝度値（黒〜白）に変換することにより生成される。輝度変換画像８０６を生成することにより、特徴量が可視化される。

図９は、本実施形態に係る輝度変換画像を生成するための制御フローチャートである。

工程Ｓ９０１において、制御装置１０７は、各画素ごとに擬似配光分布を生成する。工程Ｓ９０２において、制御装置１０７は、各画素の擬似配光分布の特徴量を算出する。工程Ｓ９０３において、制御装置１０７は、輝度変換テーブル８０５を参照する。工程Ｓ９０４において、制御装置１０７は、各画素の特徴量を対応する輝度値に変換する。工程Ｓ９０５において、制御装置１０７は、各画素の輝度値を、各画素の特徴量に対応する輝度値に変換することにより輝度変換画像を生成する。工程Ｓ９０６において、制御装置１０７は、輝度変換画像をディスプレイ等の出力装置（不図示）へ出力する。

このように、本実施形態に係る欠陥検出装置は、擬似配光分布から算出された特徴量及び輝度変換テーブルを基に輝度変換画像を生成し、当該特徴量を可視化することができる。そのため、作業者は欠陥の存在をより明確に認識することができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態に係る欠陥検出装置は、輝度変換画像を基に局所平均画像を生成し、輝度変換画像と局所平均画像との差をとることにより、欠陥部の輝度値と良品部の輝度値との間のＳ／Ｎ比（コントラスト）を向上させる。本実施形態に係る欠陥検出装置は第１及び第２実施形態に係る欠陥検出装置と同一であるため、繰り返しの説明を省略する。

図１０は、本実施形態に係る輝度変換画像及び輝度プロファイルである。図１０は、あるワークの検査対象面の輝度変換画像１０００と、輝度変換画像１０００の横方向の輝度プロファイル１００２の例を示す。

輝度変換画像１０００中に、破線１００１で囲まれた部分に欠陥（段差）が見られる。輝度プロファイル１００２において、欠陥に相当する輝度値１００４は、比較的大きい値を有するが、欠陥の存在しない部分（良品部）の輝度値も画像の両側へ行くに従い大きくなっている。そのため、単純に欠陥部の輝度値の大きさと良品部の輝度値の大きさとを比較しても、良品部と欠陥部との判別が難しい場合がある。

図１１は、本実施形態に係る欠陥抽出画像の説明図である。例えば、輝度変換画像１１０１は、６×６画素を含み、輝度変換画像１１０１の第４列目が欠陥部に相当するとする。輝度変換画像１１０１における欠陥部の輝度値（＝１６）と良品部の輝度値（＝１４）との間のＳ／Ｎ比は、約１．１である。

局所平均画像１１０２は、輝度変換画像１１０１のある画素の輝度値とその周囲の画素の輝度値とを合算し、当該画素の輝度値をその平均値に変更することにより生成される。例えば、第３行４列目の画素Ｐ３４に関して、輝度変換画像１１０１の画素Ｐ３４は輝度値１６を有している。画素Ｐ３４の輝度値とその周囲の画素（Ｐ２３、Ｐ２４、Ｐ２５、Ｐ３３、Ｐ３５、Ｐ４３、Ｐ４４、Ｐ４５）の輝度値とを合算し、画素Ｐ３４の輝度値をその平均値（＝１５）に変更する。全ての画素について同様の演算を行うことにより、局所平均画像１１０２が生成される。なお、局所平均画像を生成する際に、どの範囲の画素まで含めて平均値をとるかは任意であり、この例のように隣接する画素の輝度値の平均をとる場合のみに限定されるものではない。

輝度変換画像１１０１の各画素の輝度値と局所平均画像１１０２の各画素の輝度値との差をとることにより、欠陥抽出画像１１０３が生成される。なお、明確にするために、欠陥抽出画像１１０３において、輝度値が負になる画素の輝度値を０（黒）とし、輝度値１の画素を白にしている。欠陥抽出画像１１０３に見られるように、欠陥部のコントラストが向上し、欠陥部の容易な判別を可能にする。欠陥抽出画像１１０３における欠陥部の輝度値（＝１）と良品部の輝度値（＝０）との間のＳ／Ｎ比は、１．３以上である。なお、当該Ｓ／Ｎ比は１．３以上であれば好ましい。

図１２は、本実施形態に係る輝度変換画像と局所平均画像から生成された欠陥抽出画像である。図１２は、輝度変換画像１２０１及び輝度変換画像１２０１から生成された局所平均画像１２０２、並びに、両画像の差をとることにより生成された欠陥抽出画像１２０３の例を示す。

このように、本発明の第３実施形態に係る欠陥検出装置は、輝度変換画像を基に局所平均画像を生成し、輝度変換画像と局所平均画像との差をとることにより、欠陥と良品部との間のコントラストを向上させることができる。そのため、本実施形態に係る欠陥検出装置は、欠陥の存否及び種類の判定をいっそう容易にする。

（第４実施形態）
図１３は、本発明の第４実施形態に係る欠陥検出装置の模式図である。

欠陥検出装置１３００は、第１乃至第３実施形態に係る欠陥検出装置と略同一であるが、検査ヘッド１０１及び複数の発光素子１０２の代わりに、１つの発光部１３０１を備える。発光部１３０１は、発光素子１０２及びレンズ１０４を含み、姿勢変更装置１０６のアームの先端に取り付けられる。制御装置１０７は姿勢変更装置１０６を制御し、発光部１３０１は任意の位置へ自在に移動可能である。

図１４Ａは、本実施形態に係る欠陥検出装置の模式図である。図１４Ａに示されるように、検査区域１１０ａ（の中心）を原点とし、ＸＹ平面上にワーク１１０の検査対象面が含まれる３次元空間ＸＹＺを考える。そうすると、発光部１３０１の位置Ｏ_ｌｍｎは、当該原点を中心とする球座標（ｒ_ｌ，θ_ｍ，Φ_ｎ）により表される。ここで、ｒは原点から発光部１３０１までの距離であり、θはＸ軸に対する偏角（方位角）であり、ΦはＺ軸に対する偏角（極角）である。なお、測定を容易にするために、ｒは一定であることが好ましい。

図１４Ｂは、ＸＹ平面に垂直な面における欠陥検出装置の模式図である。発光部１３０１は、任意の位置Ｏ_ｒθΦに移動させられ、検査区域１１０ａへ光を照射する。それとともに撮像装置１０３は検査区域１１０ａの画像を取得し、制御装置１０７は当該画像のデータと発光部１３０１の位置情報とを関連付けた関連データを生成する。

そして、本実施形態に係る欠陥検出装置１３００は、発光部１３０１を複数の位置に移動させ、それぞれの位置から照らされたワーク１１０の検査対象面の検査区域の画像を撮像装置１０３により取得する。そして、欠陥検出装置１３００は、取得した画像を基に検査対象面にある欠陥の存否及び種類を判定する。

図１５は、本実施形態に係る制御フローチャートである。

工程Ｓ１５０１において、制御装置１０７は、ワーク支持台１０８を作動させ、ワーク１１０を撮像装置１０３に対して所定の位置に移動させる。撮像装置１０３の受光部１０３ａと検査区域１１０ａは正対する。工程Ｓ１５０２において、制御装置１０７は、発光部１３０１を所定の位置へ移動させる。工程Ｓ１５０３において、制御装置１０７は、複数の発光素子１０を点灯させる。

工程Ｓ１５０４において、制御装置１０７は、撮像装置１０３を制御し、検査区域１１０ａの画像を取得する。そして、制御装置１０７は、取得した画像のデータに加えて、当該画像データと発光部１３０１の位置情報（ｒ，θ，Φ）とを関連付けた関連データ（Ｉ，ｒ，θ，Φ）を生成し、記憶する。

工程Ｓ１５０５において、制御装置１０７は、予め設定された全ての発光部１３０１の位置からの検査区域１１０ａの撮像が終了したかどうか判断する。予め設定された全ての位置について検査区域１１０ａの画像の取得が終了していない場合（工程Ｓ１５０５のＮｏ）、制御装置１０７は、発光部１３０２を別の所定の位置へ移動させ（工程Ｓ１５０２）、工程Ｓ１５０３及びＳ１５０４を繰り返す。

予め設定された全ての位置について検査区域１１０ａの画像の取得が終了した場合（工程Ｓ１５０５のＹｅｓ）、工程Ｓ１５０６において、制御装置１０７は、取得した全ての画像データの画素ごとに擬似配光分布を算出する。

工程Ｓ１５０７において、制御装置１０７は、各画素の擬似配光分布から特徴量を算出する。工程Ｓ１５０８において、制御装置１０７は、予め記憶された特徴量の傾向を基に、ワーク１１０の検査対象面の検査区域１１０ａの欠陥の存否及び種類を判定する。

工程Ｓ１５０９において、制御装置１０７は、ワーク１１０の検査対象面の全てに対して検査が終了したかどうかを判断する。ワーク１１０の検査対象面の全てに対して検査が終了していない場合（工程Ｓ１５０９のＮｏ）、制御装置１０７は、ワーク１１０の検査対象面の次の検査区域を検査するために（工程Ｓ１５１０）、工程Ｓ１５０１でワーク１１０を移動させ、工程Ｓ１５０２〜Ｓ１５０９を繰り返す。また、ワーク１１０の検査対象面の全てに対して検査が終了している場合（工程Ｓ１５０９のＹｅｓ）、制御装置１０７は、欠陥検査の判定結果を出力装置（不図示）へ出力する。

本実施形態に係る欠陥検出装置１３００は、複数の発光素子を備える必要がなく、発光部１３０１の位置を自在に変更することができるためワークの形態に応じて柔軟な欠陥検査を可能にする。

１００：欠陥検出装置、１０１：検査ヘッド、１０２：発光素子、１０３：撮像装置、１０４：レンズ、１０５：カバー部材、１０６：姿勢変更装置、１０７：制御装置、１０８：ワーク支持台、１１０：ワーク

Claims (12)

1. 異なる位置から検査対象面に光を照射する発光素子と、
   前記検査対象面の画像データを取得する撮像装置と、
   前記画像データの各画素の輝度値及び前記位置の情報を基に前記各画素ごとに擬似配光分布を生成し、前記画像データの各画素の輝度値を前記擬似配光分布の特徴量に対応する輝度値に変換することにより輝度変換画像を生成する制御装置と、を備える欠陥検出装置。
2. 前記制御装置は、さらに、前記輝度変換画像を基に局所平均画像を生成し、前記輝度変換画像と前記局所平均画像との差をとることにより欠陥抽出画像を生成する、請求項１に記載の欠陥検出装置。
3. 前記特徴量は、前記擬似配光分布の重心、前記擬似配光分布の外接直方体長、及び前記擬似配光分布の等価楕円球の軸長である、請求項１又は２に記載の欠陥検出装置。
4. 前記発光素子は、開口底部を有する半球状のカバー部材に取り付けられ、
   前記発光素子の各々の光軸は、前記開口底部の中心に向いている、請求項１から３のいずれか１項に記載の欠陥検出装置。
5. 前記発光素子からの光を平行光に変更するコリメータレンズと、
   前記撮像装置に入る光を平行光に変更するテレセントリックレンズと、をさらに備える請求項１から４のいずれか１項に記載の欠陥検出装置。
6. 異なる位置から検査対象面に光を照射する工程と、
   前記検査対象面の画像データを取得する工程と、
   前記画像データの各画素の輝度値及び前記位置の情報を基に前記各画素ごとに擬似配光分布を生成する工程と、
   前記画像データの各画素の輝度値を前記擬似配光分布の特徴量に対応する輝度値に変換することにより輝度変換画像を生成する工程と、を備える欠陥検出方法。
7. 前記輝度変換画像を基に局所平均画像を生成する工程と、
   前記輝度変換画像と前記局所平均画像との差をとることにより欠陥抽出画像を生成する工程と、をさらに備える請求項６に記載の欠陥検出方法。
8. 前記特徴量は、前記擬似配光分布の重心、外接直方体長及び等価楕円球の軸長である、請求項６又は７に記載の欠陥検出方法。
9. 前記光を照射する工程は、開口底部を有する半球状のカバー部材に取り付けられた複数の発光素子により光を照射する工程含み、
   前記発光素子の各々の光軸は前記開口底部の中心に向いている、請求項６から８のいずれか１項に記載の欠陥検出方法。
10. 前記光を照射する工程は、前記検査対象面に照射される光を平行光に変更する工程を含み、
    前記画像データを取得する工程は、前記画像データを取得する前に、前記検査対象面からの光を平行光に変更する工程を含む、請求項６から９のいずれか１項に記載の欠陥検出方法。
11. 異なる位置から検査対象面に光を照射する工程、
    前記検査対象面の画像データを取得する工程、
    前記画像データの各画素の輝度値及び前記位置の情報を基に前記各画素ごとに擬似配光分布を生成する工程、
    前記画像データの各画素の輝度値を前記擬似配光分布の特徴量に対応する輝度値に変換することにより輝度変換画像を生成する工程、
    前記輝度変換画像を基に局所平均画像を生成する工程、及び
    前記輝度変換画像と前記局所平均画像との差をとることにより欠陥抽出画像を生成する工程、をコンピュータに実行させるためのプログラム。
12. 請求項１１に記載のプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。