JP2015059907A - 表面観察装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 なだらかに変化する表面の凹凸についても観察することができる表面観察装置を提供する。
【解決手段】 ライン照明ユニット１から細長いビームパターンＰｂで光が出射され、移送機構３により移送される物品Ｍの表面が照明され、反射光がラインカメラ２により捉えられる。ラインカメラ２による撮像エリアＡｃの幅Ｗｃは照明パターンＰｉの幅Ｗｉより狭く、両者の幅方向は基準面Ｓに沿った物品Ｍの移送方向に一致している。ライン照明ユニット１から出射されるビームパターンＰｂは、移送方向の一方の側から他方の側に向けて強度が増加又は減少する分布を有するため、物品Ｍの凹凸に応じてラインカメラ２からの出力が変化する。
【選択図】 図１

Description

本願の発明は、製品の外観検査等の際に使用される表面観察装置に関する。

物品の表面を観察する表面観察装置は、各種製品の外観検査等においてしばしば使用されている。外観検査は、傷、クラック又は凹凸などの欠陥が無いかどうか検査する工程である。外観検査は、作業者の目視による場合も多いが、目視による外観検査は、熟練度によるばらつきが大きいこと、微小な欠陥については発見が難しいこと、作業者の目に対する負担が大きいこと、といった問題がある。このため、表面観察装置が用いられることも多い。
外観検査に用いられる表面観察装置は、光学的な手法によるものが一般的であり、光源を含む照明系で物品を照明し、照明された物品の表面を撮像手段で撮像して得られた画像により欠陥の有無を判断している。

外観観察装置が備える照明系としては、低位照明法と呼ばれる方式が採用される。図９は、低位照明法による従来の表面観察装置の概略図である。図９に示すように、従来の外観観察装置は、物品の表面に対して斜めの低い位置から光源５１により光を当て、上方に設けたカメラ５２で撮像する。物品Ｍの表面に傷等の欠陥があると、その表面で光が異常反射し、この光がカメラ５２に捉えられる。この結果、欠陥が視認される。例えば欠陥が傷のような凹みの場合、光の入射側に対して奥側の内壁面に光が反射し、この部分が特に明るい像としてカメラ５２に捉えられる。また、凹みの手前側の内壁面については、光に対して陰になるため、この部分が暗い像としてカメラ５２に捉えられる。突起や隆起の場合にはこの関係が逆になるが、基本的に同様である。特許文献１〜３は、このような低位照明法による外観観察の技術を開示している。

このような低位照明法による外観観察装置の他、ライン照明を行う装置も知られている。この装置は、細いスリット状に物品を照明する照明系を備えている。物品の表面に傷や凹みのような欠陥があると、スリット状の照明パターンが湾曲する。物品の表面の本来の形状による湾曲と比較することで、欠陥の存在が確認できる。特許文献４は、このような照明パターンの湾曲を利用した外観観察の技術を開示している。

特開平６−２２９９２９号公報 実開平６−６９８２４号公報 特開２００９−２８７９８０号公報 特開２００１−２０２４９６号公報

上述した従来の外観観察装置では、表面形状がはっきりと変化する場合にはその変化を視認し易いが、変化が非常になだらかである場合、視認が困難であるという問題がある。この点について、図１０を使用して説明する。図１０は、従来の表面観察装置の問題点を示した断面概略図である。

図９に示すような鋭利な傷や突起の場合、はっきりした凹凸であるので、明暗の差は大きく、視認され易い。しかしながら、なだらかな凹凸の場合、明暗の差が小さくなるので視認が困難となる。即ち、図１０に示すように、例えば物品Ｍのなだらかな凹みを検出しようとしても、凹みにおける反射状態は凹みがない場合と大差はなく、カメラ５２に捉えられる光の量は大きくは変化しない。このため、凹みの検出ができない。

具体的な例としては、例えば塗装された製品についてその塗装のムラ（部分的な塗装の隆起や凹み）を検査する場合が挙げられる。このようなムラについては、従来の表面観察装置では視認が難しい。このため、人が直接目で検査する場合が多く、生産性向上の障害となっている。
本願発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、なだらかに変化する表面の凹凸についても観察することができる表面観察装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、物品の表面を観察する表面観察装置であって、
細長いビームパターンで光を出射するライン照明ユニットと、
ライン照明ユニットから出射された光により照明される領域内からの光を捉えるラインセンサと、
物品をライン照明ユニット及びラインセンサに対して相対的に移送する移送機構とを備えており、
移送機構は、基準となる平面である基準面に沿って物品を移送する機構であり、
ライン照明ユニットによる基準面上のビームパターンの幅方向は移送方向に対して平行であり、
ラインセンサは、一つ又は一列に配列された複数の受光素子から成る長尺な検出部を有し、検出部の長手方向が基準面上のビームパターンの長手方向に平行となるよう配置されており、
ラインセンサは、ビームパターンにより照明される位置に物品が移送された際、照明された物品の表面からの反射光を捉えるものであるとともに、物品の表面を照明しているビームパターンの幅よりも狭い幅のエリアからの反射光を捉えるものであり、
ライン照明ユニットは、基準面に対して斜めの方向から光を照射するものであって、光ビームパターンの幅方向において強度又は波長が分布した光を出力するものであり、
ライン照明ユニットから出射されたビームパターンにおける光の分布は、移送機構による移送方向の一方の側から他方の側に向けて光の強度又は波長が増加又は減少する分布であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記ライン照明ユニットは、出射されたビームパターンにより照明される位置に物品が移送された際、物品の表面において光が反射する位置及び姿勢で取り付けられており、前記ラインセンサは、この反射した光を捉える位置及び姿勢で取り付けられているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、前記請求項１又は２の構成において、前記ラインセンサが反射光を捉える領域は、前記物品の表面を照明しているビームパターンの幅方向中央に位置する領域であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、前記請求項１、２又は３の構成において、前記ラインセンサから出力データを処理するデータ処理ユニットが設けられており、データ処理ユニットは、前記ラインセンサからの出力データを閾値と比較することで、前記物品の表面における欠陥の有無を検出するものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項５記載の発明は、前記請求項１乃至４いずれかの構成において、前記ラインセンサから出力データを処理するデータ処理ユニットが設けられており、データ処理ユニットは、前記光の分布の勾配と、前記基準面に対する前記ラインセンサの配置角度とに従い、前記物品の表面に存在する凹みの深さ又は隆起の高さを検出するものであるという構成を有する。

以下に説明する通り、本願の請求項１記載の発明によれば、物品の移送方向に分布を持つビームパターンで照明を行い、物品の表面で反射した光をラインセンサで捉えるので、低位照明法のような従来の装置では観察ができなかったなだらかな凹みや隆起の観察が可能となる。
また、請求項２記載の発明によれば、上記効果に加え、ラインセンサが、物品の表面に反射した光を捉えるので、効率良く表面観察が行える。
また、請求項３記載の発明によれば、上記効果に加え、ラインセンサが反射光を捉える領域がビームパターンの幅方向中央に位置するので、凹み、隆起のどちらの場合にも均等に表面観察が行える。
また、請求項４記載の発明によれば、上記効果に加え、なだらかな凹みや隆起の欠陥についても自動的に検出がされるので、人が目で検出する必要がなくなる。このため、生産性の向上や人件費削減の点で顕著な効果がある。
また、請求項５記載の発明によれば、上記効果に加え、なだらかな凹みや隆起について深さや高さが算出されるので、どの程度の欠陥であるかを知ったり、表面にどのような湾曲があるのかを観察することができるようになる。

本願発明の第一の実施形態に係る表面観察装置の斜視概略図である。 図１に示す表面観察装置の正面断面概略図である。 基準面Ｓにおける照明パターンと撮像エリアについて示した斜視概略図である。 実施形態の装置における表面観察の原理について示した正面概略図である。 実施形態の装置における表面観察の原理について示した正面概略図である。 ラインセンサの出力から凹みの深さ又は隆起の高さを算出する点について示した概略図である。 ライン照明ユニットやラインセンサの配置角度と分解能との関係について示した概略図である。 第二の実施形態の表面観察装置の概略図である。 低位照明法による従来の表面観察装置の概略図である 従来の表面観察装置の問題点を示した断面概略図である。

次に、本願発明を実施するための形態（以下、実施形態）について説明する。
図１は、本願発明の第一の実施形態に係る表面観察装置の斜視概略図、図２は図１に示す装置の正面断面概略図である。図１及び図２に示す表面観察装置は、物品Ｍの表面を観察する装置であり、特になだらかな凹みや隆起を観察する装置である。この装置は、製品の出荷検査において表面に欠陥がないかどうか検査する目的で使用されるものであるが、本願発明はこの用途に限られるものではない。

図１及び図２に示すように、実施形態の表面観察装置は、ライン照明ユニット１と、ラインセンサ２と、移送機構３とを備えている。ライン照明ユニット１は、物品Ｍの表面に細長いビームパターンで光を照射して照明するユニットである。ライン照明ユニット１は、光源１１と、光源１１を内部に収容した筐体１２等から構成されている。

光源１１は長尺なものであり、棒状の光源や、点光源を一列に並べて線状光源としたものが使用される。例えば、多数のＬＥＤを一列（又は複数列）に並べた光源ユニットが使用できる。
筐体１２は、長方形の出射スリット１２０を有している。出射スリット１２０の長手方向は、光源１１の長手方向と平行であり、出射スリット１２０から出射されたビーム（光束）は、この方向に長いパターンとなる。光源１１と出射スリット１２０との間には、シリンドリカルレンズ１３が必要に応じて配置される。

ライン照明ユニット１は、物品Ｍに対して斜めに光を照射して照明する姿勢で配置されている。「斜めに」とは、観察の基準となる平面（以下、単に基準面と呼ぶ）Ｓに対して斜めの方向から光を照射するということである。
凹みや隆起といった形状欠陥は、ある平面を観念し、この平面と比較することで凹みであったり隆起であったりことが把握される。この平面が基準面Ｓである。この実施形態の装置では、基準面Ｓは水平な面となっている。

ライン照明ユニット１による斜め照明の角度について、光軸Ｌａと基準面Ｓとの成す角θ_１で示すと、θ_１は１０〜３５°程度で良い。尚、ライン照明ユニット１の光軸Ｌａとは、図１に示すように、光源１１の中心と出射スリット１２０の中心とを結ぶ線として定義される。このようなライン照明ユニット１により、ある領域内に光が照射され、その領域に物品Ｍが配置されることで物品Ｍの表面が照明される。照射されるビームのパターンＰｉは、図１及び図２に示すように細長いほぼ長方形のパターンとなる。

尚、この明細書において、ライン照明ユニット１から出射されたビームのパターンＰｂを「ビームパターン」と呼び、ビームパターンのうち、基準面Ｓ上のパターンＰｉを照明パターンと呼ぶ。基準面Ｓは仮想面であるので、そこが「照明」される訳ではないが、基準面Ｓ上に物体の平坦面が存在した場合に現れる照明のパターンという意味である。

図１や図２に示すように、ラインセンサ２は、照明パターンＰｉを挟んでライン照明ユニット１とは反対側に配置されている。ラインセンサ２は、非常に狭いライン状の視野で撮像を行うカメラ（ラインセンサカメラ）であり、ＣＣＤのような受光素子を複数一列に配列した検出部を備えたものである。以下、この実施形態の説明において、複数の受光素子の配列方向を検出部の長手方向とする。
尚、実施形態の装置において、ラインセンサ２は、物品Ｍの表面からの光を捉えることで表面を観察するものではあるものの、厳密な意味で「撮像」することを必須要件とするものではない。とはいえ、実施形態のラインセンサ２は、ＣＣＤのような受光素子を使用しているので、「撮像」という用語を広い意味として上で使用する。

図２に示すように、ラインセンサ２はレンズ２１を備えている。レンズ２１は、不図示のホルダーによりラインセンサ２に対して所定の位置関係で保持される。レンズ２１が、ラインセンサ２の内部に配設されている場合もある。
ラインセンサ２による撮像エリアの幅は、検出部の幅に対してレンズの倍率を掛けたものであるが、撮像エリアの幅は、例えば、レンズの倍率が１／５〜１／７の場合、２５μｍ〜３５μｍ程度の狭いものであり、線状のエリアを撮像すると言っても良い狭さである。

ラインセンサ２による撮像エリアについて、図３を使用して説明する。図３は、基準面Ｓにおける照明パターンと撮像エリアについて示した斜視概略図である。図３において、ラインセンサ２による撮像エリアを符号Ａｃで示す。図３に示すように、撮像エリアＡｃは、その長手方向が、照明パターンＰｉの長手方向に一致している。撮像エリアＡｃの長手方向は、ラインセンサ２の検出部の長手方向に一致しており、検出部の長手方向が照明パターンＰｉの長手方向に一致するようラインセンサ２は精度良く配置される。

また、図３に示すように、撮像エリアＡｃの位置は、照明パターンＰｉの領域内であって、且つ照明パターンＰｉの幅方向中央の位置となっている。そして、撮像エリアＡｃの幅Ｗｃは、照明パターンＰｉの幅Ｗｉよりも狭い。図３では、撮像エリアＡｃはある程度の大きさの幅Ｗｃで描かれているが、上述したように撮像エリアＡｃは線状と呼び得る程度の狭い領域である。

図１及び図２に示すように、ラインセンサ２も基準面Ｓに対して斜めの方向から撮像を行うように配置されている。説明の都合上、図１に示すように、ラインセンサ２についての仮想面として撮像軸面Ｓｃを観念する。撮像軸面Ｓｃは、ラインセンサ２の検出部の幅方向中心であって検出部の表面（各受光素子の入射面）に対して垂直な面である。図２に示すように、撮像軸面Ｓｃは、基準面Ｓに対してθ_２の角度を成している。θ_２は、例えば１０〜３５°程度の範囲の中から凹みや隆起の高さあるいは深さによって、適宜設定される。

また、ラインカメラ２は、ライン照明ユニット１に対する相対的な位置関係や姿勢も最適化されている。具体的は、図３に示すように、ライン照明ユニット１の光軸Ｌａと基準面Ｓとの交点Ｏを基準点とし、基準点Ｏを通り照明パターンＰｉの長手方向に延びる線を基準線Ｌｂとする。ラインセンサ２は、撮像エリアＡｃの中心が基準点Ｏに一致し、撮像エリアＡｃの長手方向が基準線Ｌｂに一致する位置及び姿勢で配置されている。

尚、図１や図２に示すように、ラインセンサ２は、物品Ｍの表面上の照明パターンＰｉを挟んでライン照明ユニット１とは反対側となるよう配置されている。照明パターンＰｉの長手方向は物品Ｍの移送方向に対して垂直な水平方向であるので、ライン照明ユニット１は移送方向の例えば前側に配置され、ラインセンサ２は後ろ側に配置されている。

移送機構３は、ライン照明ユニット１とラインセンサ２に対して物品Ｍを相対的に移送する機構である。「相対的に」とは、静止したライン照明ユニット１及びラインセンサ２に対して物品Ｍを移送するか、静止した物品Ｍに対してライン照明ユニット１及びラインセンサ２を移送するかであり、この実施形態では前者の機構となっている。

物品Ｍは、この実施形態では板状の製品となっており、例えば建築資材としてのタイルが想定されている。装置は、物品Ｍが載置されるステージ３１を備えている。移送機構３は、このステージ３１を移動させて物品Ｍを移送する機構となっている。移送機構３としては、例えばモータ３４で回転駆動されるボールねじ３２とリニアガイド３３とから成る機構が使用できる。

図１及び図２から解るように、この実施形態で観察されるのは物品Ｍの上面である。移送機構３は、設定された基準面Ｓに沿って物品Ｍが移送されるようステージ３１を移動する機構となっている。尚、照明パターンＰｉの長手方向は物品Ｍの移送方向に対して垂直な水平方向であり、前述したようにライン照明ユニット１は移送方向の例えば前側に配置され、ラインセンサ２は後ろ側に配置されている。ライン照射ユニット１が後ろ側、ラインセンサ２が前側であっても良い。

また図２に示すように、実施形態の表面観察装置は、データ処理ユニット４を備えていおり、ラインセンサ２の出力はデータ処理ユニット４に送られて処理されるようになっている。データ処理ユニット４は、演算処理部４１や記憶部４２、不図示の表示部（ディスプレイ）等を備えている。

このような実施形態の表面観察装置において、ライン照明ユニット１は、特定の方向に分布を持ったビームパターンＰｂで照明を行うものとなっている。この実施形態では、分布は強度（振幅）の分布となっている。
ビームパターンＰｂは、光軸Ｌａに垂直な方向であってビームパターンＰｂの長手方向に対して垂直な方向において強度が変化する分布を有している。より詳しくは、光軸Ｌａに垂直な方向であってビームパターンＰｂの長手方向に対して垂直な方向の一方の側から他方の側に向けて光の強度が連続的に減少する分布となっている。このため、基準面Ｓ上の照明パターンＰｉにおいても、照明パターンＰｉの幅方向において一方の側から他方の側に向けて光の強度が連続的に減少する分布となっている。図１及び図２から解るように、一方の側とは、物品Ｍの移送における前側であり、他方の側とは後ろ側となっている。照明パターンＰｉにおける照度分布Ｉが図２中に示されている。

このような強度分布での光の出射を可能にするため、ライン照明ユニット１は、筐体１２内にフィルタ１４を内蔵している。図２中には、このフィルタ１４の透過率ｔが示されている。
フィルタ１４は、長尺な光源１１と同程度の長さを有する帯板状である。フィルタ１４の透過率は、帯板の幅方向で連続的に変化しており、一方の側から他方の側に連続的に減少する透過率分布となっている。尚、フィルタ１４は、光軸Ｌａに対して垂直な姿勢で取りつけられている。ライン照明ユニット１は、このような構成及び配置のフィルタ１４を通して光を出射するため、図２に示す強度分布Ｉを有する照明パターンＰｉで物品Ｍの表面を照明するものとなっている。

次に、このような構成を有する実施形態の表面観察装置の動作について、図４を参照しながら説明する。図４及び図５は、実施形態の装置における表面観察の原理について示した正面概略図である。
図４及び図５には、移送機構３により移送される物品Ｍに対してライン照明ユニット１により照明がされる様子が示されている。図４及び図５に示すように、ライン照明ユニット１によるビームパターンＰｂは、ある一定の幅を持っている。ラインセンサ２の撮像エリアは、ビームパターンＰｂの幅に対して十分に小さいものであり、基準面上のビームパターン（照明パターン）の幅方向において一定の位置に設定されている。この実施形態では、図３に示すように、撮像軸面Ｓｃは照明パターンＰｉの幅方向中央において照明パターンＰｉに交差しており、撮像エリアＡｃは照明パターンＰｉの幅方向の中央位置となっている。

図４（１）に示すように、物品Ｍの表面に凹みや隆起がなく平坦面である場合、物品Ｍの表面は基準面Ｓに一致し、ラインセンサ２の撮像軸面Ｓｃが物品Ｍの表面と交差する箇所（以下、交差箇所という）Ｐｃは、照明パターンの幅方向中央位置である。交差箇所Ｐｃには、ビームパターンＰｂのうち、幅方向中央を進んできた光が照射され、ラインカメラ２は、この幅方向中央を進んできた光の反射光を捉える状態となる。この光は、幅方向中央位置であるので、照度はちょうど中間の値となる。このため、ラインセンサ２から出力される値も中間の値（中間の明るさ）となる。

一方、この物品Ｍに例えば凹みがあり、物品Ｍが移送されてきてこの凹みの部分がビームパターンＰｂで照明されたとする。この場合が、図４（２)に示されている。この場合は、撮像軸面Ｓｃの物品Ｍの表面に対する交差箇所は、図４（２）に示すように、撮像軸面Ｓｃ上においてさらに先に延びた斜め下側の位置Ｐｃ’となる。この位置Ｐｃ’に照射される光は、ビームパターンＰｂにおいて幅方向の中央を進んできた光ではなく、他方の側（移送方向前側）を進んできた光であり、中間値より高い強度の光である。このため、交差箇所Ｐｃ’における照度は、図４（１）の場合の中間値よりも強くなり、この強い光がラインセンサ２により捉えられる。したがって、ラインセンサ２からデータ処理ユニット４に出力される値も中間値よりも高いものとなる。

また、この物品Ｍに隆起があり、物品Ｍが物品Ｍが移送されてきてこの隆起の部分がビームパターンＰｂで照明されたとする。この場合が、図４（３)に示されている。この場合は、交差箇所Ｐｃ”は、図４（３）に示すように、撮像軸面Ｓｃ上において手前側の斜め上側の位置となる。この位置Ｐｃ”に照射される光は、ビームパターンＰｂにおいて幅方向の中央を進んできた光ではなく、一方の側（移送方向後ろ側）を進んできた光であり、中間値より低い強度の光束である。このため、交差箇所Ｐｃ”における照度は、図４（１）の場合の中間値よりも低くなり、この弱い光がラインセンサ２により捉えられる。したがって、ラインセンサ２からデータ処理ユニット４に出力される値も中間値よりも低いものとなる。

図４（１）〜（３）から解るように、物品Ｍの表面に凹凸があり、その凹凸がビームパターンＰｂによる照明エリアに達すると、凹凸に応じてラインセンサ２の出力が変化する。このため、凹みや隆起のような欠陥があった場合、そのことがラインセンサ２の出力から確認できる。例えば、データ処理ユニット４において一定の閾値を設定し、その閾値を超えた場合には表面欠陥を検出したとしてアラームを出力するといった使い方が可能である。
図４では、凹みや隆起が成す斜面が物品Ｍの移送方向の前方に位置している場合が説明されているが、移送方向の後方に位置している場合も基本的に同様である。この場合が、図５に示されている。

図５（１）に示すように、凹みの移送方向の後ろ側に斜面が物品Ｍの移送に伴いビームパターンＰｂによる照明エリアに達したとする。この場合も、ラインセンサ２の撮像軸面Ｓｃと物品Ｍの表面との交差箇所Ｐｃは、撮像軸面Ｓｃ上においてさらに斜め下側の位置Ｐｃ’となる。このため、同様に照度の強い箇所をラインセンサ２が撮像する状態となり、ラインセンサ２からの出力が強まる。

また、図５（２）に示すように、隆起の移送方向の後ろ側の斜面がビームパターンＰｂによる照明エリアに達したとする。この場合も、この場合も、ラインセンサ２の撮像軸面Ｓｃと物品Ｍの表面との交差箇所Ｐｃは、撮像軸面Ｓｃ上において手前側の斜め上側の位置Ｐｃ”となる。このため、同様に照度の低い箇所をラインセンサ２が撮像する状態となり、ラインセンサ２からの出力が弱くなる。
このように、凹部や隆起の後ろ側の斜面を捉える場合も、同様にラインセンサ２の出力が変動するから、その変動により、凹みや隆起といった表面欠陥を検出することができる。

図２に示すように、照明パターンＰｉの幅方向において照度分布Ｉは連続的に変化しており、特にこの実施形態では直線的に変化する分布となっている。したがって、凹みや隆起がない場合の出力値（中間値）に対する値の変化率は、凹みの深さ又は隆起の高さを表現していることになり、出力値をデータ処理することで凹みの深さや隆起の高さを知ることができる。
この点について、図６を使用してより詳しく説明する。図６は、ラインセンサ２の出力から凹みの深さ又は隆起の高さを算出する点について示した概略図である。

実施形態の装置において、照明パターンＰｉの幅方向の照度分布Ｉが予め測定される。照度分布Ｉは、図６に示すように単純な一次関数として数値化される。この際、一次関数の傾きｋは、照明パターンＰｉの幅方向の単位距離（Δｗ）当たりの照度の変化であり、以下の式１で表現される。

一方、凹みや隆起がない正常な表面の場合の出力値も予め測定される。物品Ｍの正常な表面の部分を照射位置におき、照明パターンＰｉで照明してラインセンサ２から値を出力させる。この値が基準値であり、Ｖ_０とする。基準値Ｖ_０は、データ処理ユニット４内の記憶部４２に記憶される。

図４や図５に示す表面観察において、ラインセンサ２からの出力値をＶとし、凹みの深さを図６に示すようにｄとすると、深さｄは式２により算出される。

式２において、θ_２は、前述したようにラインセンサ２の撮像軸面Ｓｃが基準面Ｓに対して成す角である。データ処理ユニット４の記憶部４２には、θ_２の値も記憶されており、データ処理ユニット４の演算処理部４１は、式２に従って凹みの深さｄを算出する。

式２においてｄの値はプラスであるが、図４から容易に解るように、隆起の場合には符号がマイナスになるだけであり、全く同じように隆起の高さが算出できる。図６では、図４に示すように、凹みや隆起のうち移送方向前側の斜面を検出する場合を想定しているが、図５に示すように後ろ側の斜面を検出する場合も同様である。即ち、凹みの場合には出力値の低下となって現れ、隆起の場合には出力値の増加となって現れるから、基準値（中間値）と比較し、式２を適用することで凹みの深さや隆起の高さが算出できる。この点は、図５に示すように凹みや隆起の斜面が移送方向の後ろ側に位置している場合も全く同様である。

次に、上記のような実施形態の構成におけるライン照明ユニット１やラインセンサ２の取付角度について説明する。
前述したように、実施形態の表面観察装置は、ライン照明ユニット１で光照射された物品Ｍの表面からの反射光をラインセンサ２で捉え、その強弱で表面の凹みや隆起を観察するものである。したがって、反射光の出力が小さいと測定することが困難になる。物品Ｍが透明体である場合がこれに該当する。
物品Ｍが透明体であっても、反射光の出力が大きい方が望ましく、この点では、フレネルの式に従ってライン照明ユニット１の配置角度θ_１は、小さいことが好ましく、ラインセンサ２の配置角度θ_２は、この反射した光を捉える角度とすることが好ましい。尚、反射光の出力を大きくする観点では、ライン照明ユニット１の配置角度θ_１は、全反射する角度であるとより好ましい。

また、ライン照明ユニット１からの光は、レーザーのような平行度の高い光ではなく、拡散した光とすることが好ましい。レーザーのような平行度の高い光を照射すると、凹みや隆起の箇所で反射光の向きが揃って変化するため、多くの光がラインセンサ２の受光素子から外れてしまい、凹みや隆起で反射した光を捉えることができずラインセンサ２の出力が大きく低下してしまうことがあり得る。したがって、凹みや隆起の部分に光を照射した場合も反射光の向きが揃って変化してしまうことがないよう、ある程度ばらつきのある角度で光が物品Ｍの表面に照射される拡散光であることがことが好ましい。

拡散光の程度は、観察する物品Ｍの凹みや隆起の形態によるが、実施形態の装置は、従来の装置では検出できなかったなだらかな斜面の凹みや隆起を観察するので、光の広がりはそれほど大きくなくて良い。尚、上記説明における光の広がりとは、物品Ｍの移送方向での広がりということである。また、光の進行方向が多少ばらついていれば良いので、全体としてビームが少しずつ集光している状態であっても良い。

また、実施形態の装置は、従来検出ができなかったなだらかな斜面の凹みや隆起の検出を目的とするものの、急な斜面であっても観察が可能なことは言うまでもない。この場合、ライン照明ユニット１の配置角度θ_１やラインセンサ２の配置角度θ_２があまりに小さいと、凹みや隆起の観察ができなくなってしまうことがあり得る。
即ち、凹みや急峻な斜面に対して小さい取付角度θ_１，θ_２でラインセンサユニットを取り付けてしまうと、斜面に光を照射できなくなったり、ラインカメラが斜面を見通せなくなったりする。したがって、観察しようとする凹みや隆起の斜面の角度を想定し、その角度より小さな角度とならないようにライン照明ユニット１やラインセンサ２を配置する。

尚、分解能の高い測定を行うという観点では、ライン照明ユニット１の配置角度θ_１やラインセンサ２の配置角度θ_２は小さい方が望ましい。以下、この点について説明する。図７は、ライン照明ユニット１やラインセンサ２の配置角度と分解能との関係について示した概略図である。
ラインセンサ２の出力は、前述したようにデータ処理ユニット４で処理されるが、ここでの処理はデジタル処理であるため、ラインセンサ２の各受光素子の出力は、所定のビット数で分解される。「分解」とは、出力について強弱の段階を付けることである。例えば、８ビットでデータ処理を行う場合、ラインセンサ２の出力の強弱は２５６段階で分解される。ここでの分解の数（以下、スケール数という）が、表面観察の分解能を規定する。表面観察の分解能とは、表面の変化をどれくらいの細かさで観察するかということである。

図７において、ラインカメラの撮像軸面Ｓｃが基準面Ｓに対して成す角θ_２は、ライン照明ユニット１の光軸Ｌａが基準面Ｓに成す角θ_１と等しく、また移送方向の最も前側の光線が基準面Ｓに対して成す角θ_３もθ_１と等しいとする（平行光であると近似する）。この場合、照明パターンＰｉの幅をｗとすると、ラインセンサ２で検出できる凹みの深さの最大値ｄ_ｍａｘは、式３で表される。

ｄ_ｍａｘを超えた深さとなった場合、図７（２）から判るように、ビームパターンを外れてしまうため、照度は最低値（バックグラウンドの照度）となる。つまり、照度の低下は飽和してしまい、それ以上は低下しなくなり、ｄ_ｍａｘが深さ測定の限界値となる。また、隆起の高さが（ｗ／２）ｔａｎθ_２を超えた場合、ビームパターンを外れてしまい、バックグラウンドの照度に低下してしまうため、同様に検出ができなくなる。この際の高さが、高さの限界値ｈ_ｍａｘである。

ここで、データ処理ユニット４のビット数は、上記ｄ_ｍａｘやｈ_ｍａｘを分解することになるから、有限のスケール数に対してはθ_２を小さくしｄ_ｍａｘやｈ_ｍａｘを小さくした方が分解能が高くなる。即ち、スケール数をｎとすると、分解能はｄ_ｍａｘ／ｎ（又はｈ_ｍａｘ／ｎ）＝（ｗ／２ｎ）ｔａｎθ_２ で表され、この値が小さいほど高分解能となる。従って、一定のｎの下では、θ_２が小さくｄ_ｍａｘが小さいほど高分解能となる。逆に、ｄ_ｍａｘやｈ_ｍａｘを小さくせずに分解能を高くしたいのであれば、ｎを大きくする必要がある。
尚、以上の議論は、撮像エリアが線状であることを前提にしている。実際は、図３に示すように一定の幅Ｗｃを有する。分解能は、この幅Ｗｃ程度の大きさより小さくすることはできず、より分解能を高くするには、撮像エリアの幅Ｗｃをより狭くする必要がある。

いずれにしても、実施形態の表面観察装置によれば、物品Ｍの移送方向に強度分布を持つビームパターンＰｂで照明を行い、物品Ｍの表面で反射した光をラインセンサ２で捉えるので、低位照明法のような従来の装置では検出できなかったなだらかな凹みや隆起について検出や深さ又は高さの測定が行える。このため、表面の形状の僅かな変化を検出したり測定したりする必要がある場合に好適に使用される表面観察装置となる。

上述した第一の実施形態の装置において、ライン照明ユニット１については、フィルタ１４を使用することで幅方向に分布のあるビームパターンＰｂを得たが、他の構成もあり得る。ごくシンプルな構造としては、帯状のビームパターンで光を出射する照明ユニットについて、ビームパターンの幅方向の端部からのみ光を取り出す出射スリットを設け、その出射側に必要に応じてシリンドリカルレンズを設ける。帯状のビームパターンの端部では徐々に強度が低下しているので、それを利用する。

尚、第一の実施形態の装置において、帯状のビームパターンＰｂの幅方向における光の強度分布については、前述したような移送方向前側から移送方向後ろ側に向けて強度が減少する分布ではなく、逆に増加する分布であっても良い。この場合は、図６に示す照度分布Ｉの勾配の向きが逆向きになり、凹みの場合には中間値よりマイナス、隆起の場合には中間値よりプラスになるのみであり、他は全く同様である。

次に、第二の実施形態の表面観察装置について説明する。図８は、第二の実施形態の表面観察装置の概略図である。
第二の実施形態の装置は、ライン照明ユニット１の構成が第一の実施形態と異なっている。即ち、第一の実施形態では光の強度が照明パターンＰｉの幅方向で分布を持っていたが、第二の実施形態では光の波長が照明パターンＰｉの幅方向で分布を持つものとなっている。

具体的に説明すると、図８に示すように、第二の照明ユニットにおけるライン照明ユニット１は、白色光源である線状の光源１１と、線状の光源１１の出射側に配置された分散素子１５とが筐体１２内に設けられている。分散素子１５は、線状光源１１と平行に延びる棒状のプリズムが一例として使用でき、分散素子１５と線状光源１１との間にはシリンドリカルレンズ１３が必要に応じて配置される。

ライン照明ユニット１から出射されるビームパターンＰｂは、分散素子１５により波長が分散され、物品Ｍの移送方向に分布を持つものとなっている。この例では、図８中に示すように、移送方向の前方にいくほど波長が長くなり、後方にいくほど波長が短くなる分布となっている。

一方、ラインセンサ２は、この実施形態では、波長検出機能を持つものとなっている。例えば、波長に応じて感度が直線的に変化する感度特性を有する受光素子を備えたラインセンサ２を使用する。帯状のビームパターンＰｂの強度分布は幅方向において一定とし、凹凸によっても照度の変化はないものとする。データ処理ユニット４は、ラインセンサ２からの出力の変化から、捉えられた光の波長のシフト量を算出し、このシフト量に従って凹みや隆起の有無を判断したり、凹みの深さや隆起の高さを検出したりするよう構成される。
図８に示す以外の構成としては、ラインセンサ２と同様の狭い視野で光を捉えるよう入射スリットを設け、入射スリットからの光を分光器で分光し、どの波長の光が捉えられているかを検出するようにしても良い。この構成も、ライン上の視野からの光を捉えて出力信号に変換するという点ではラインセンサと呼び得る。

この第二の実施形態でも、物品Ｍの移送方向に分布を持つ照明パターンＰｉで照明を行い、物品Ｍの表面で反射した光をラインセンサ２で捉えるので、なだらかな凹みや隆起について検出や深さ又は高さの測定が行え、このような用途に好適に使用することができる。
尚、第二の実施形態では、移送方向に分布を持った光の波長域は可視域が想定されているので、物品Ｍの表面は、白色やグレー、黒、金属色といった色であることが好ましい。物品Ｍの表面が照明パターンＰｉ内の波長の色のいずれかと一致していると、正確な欠陥検出や寸法測定が難しくなるからである。

上記各実施形態では、物品Ｍの表面は平坦面で、平坦面にする凹みや隆起等の欠陥を観察したが、曲面に存在する形状欠陥を検出したり、欠陥の深さ又は高さを測定したりすることも可能である。具体的には、観察対象と同一形状の物品であって正常な曲面状の表面を持つ物品を移送機構３で移送し、この際に得られたラインセンサ２からの出力を基準データとして記憶する。そして、対象となる物品Ｍを同様に移送機構３で移送しながら観察を行い、ラインセンサ２からの出力を基準データと比較する。基準データとの違いが限度以上に存在していれば、凹みや隆起のような欠陥が存在していると判断することができる。この場合、物品Ｍの移送に伴って変化するラインセンサ２の出力は逐次記憶できるので、物品Ｍの曲面形状が全体的に正常な形状からずれていること等も検出することができ、全体的な形状欠陥の検出も可能である。

また、各実施形態の装置は、欠陥の検出や欠陥の寸法測定といった目的の他、単に表面の形状を可視化する目的でも使用することができる。固定されたライン照明ユニット１及びラインセンサ２に対して物品Ｍの表面を移送（スキャン）すると、表面の凹凸に応じてラインセンサ２の出力が変化する。移送方向に垂直な方向については、ラインセンサ２の各受光素子からの出力値の違いで凹凸が表現されるので、ラインセンサ２の撮像エリアＡｃの長さ×物品Ｍの移送距離の領域における表面全体の凹凸形状が数値データで示される。したがって、数値データを適当な可視化プログラムで可視化すれば、ディスプレイ等において物品Ｍの表面形状が視覚的に表現される。

尚、表面観察の対象物としては、各種の物品Ｍを対象物とすることができる。例えば、前述したタイルの建築資材の他、ドアやバンパーといった自動車用部品、スマートフォーンのような電子機器の筐体ケース等が想定し得る。

また、物品Ｍの移動は相対的であり、前述したように、静止した物品Ｍに対してライン照明ユニット１及びラインセンサ２が移送しても良いと説明したが、この場合は、ライン照明ユニット１とラインセンサ２とを一体に保持するフレームを設け、フレームを基準面Ｓの方向に沿って移動させる機構が設けられる。

上述したラインセンサ２の構成において、必ずしも撮像を行う訳ではないと説明したが、一列のみ配列されたＣＣＤのような受光素子において、各受光素子から出力される出力値が異なり、その違いに応じて凹凸が表現されるので、その点をもって「撮像」ということもできる（一次元の撮像）。また、ラインセンサ２の撮像エリアＡｃは上記のように狭いものではあるもの、受光素子を複数列配列したラインセンサ２を排除する趣旨ではなく、このようなラインセンサ２が使用されることもあり得る。

また、長尺な一つの受光素子のみを備えたラインカメラ２であっても実施は可能である。複数の受光素子を一列に配列したラインカメラ２の場合、配列方向に沿った方向（撮像エリアの長さ方向）のどの位置に欠陥が存在しているかを知り得るという点で意義がある。とはいえ、撮像エリアの長さ方向のどの位置に欠陥があるかまでは知る必要がなく、単に物品Ｍを移送した際にあるタイミング（移送方向のある地点）で欠陥があったことが判れば良いということであれば、長尺な一つの受光素子で足りる。

また、ラインセンサ２による撮像エリアＡｃは、照明パターンＰｉの幅方向の中央位置であるとしたが、幅方向の中央から端部までのいずれかの位置であれば実施可能である。凹みの場合にはラインセンサ２の出力が低下し、隆起の場合には出力が増加するからである。また、照明パターンＰｉの端部に撮像エリアＡｃが設定されている場合でも、凹みのみを観察する場合、又は隆起のみを観察する場合には、問題なく実施できる。尚、撮像エリアＡｃが照明パターンＰｉの幅方向の中央位置である構成は、凹み及び隆起のいずれの場合にも同等に広い限界値まで検出や寸法計測が行えるという顕著な意義がある。

また、各実施形態において、ビームパターンの幅方向の光の分布は、直線的に減少又は増加する分布であったが、直線的な減少又は増加でなくとも良い。直線的な減少又は増加の場合、図６から解るように深さ又は高さの算出が容易であるというメリットがあるものの、直線的に変化する分布でなくとも、変化が既知であれば計算によって求めることができる。この点は、変化が連続的でなく段階的な場合も同様である。

１ ライン照明ユニット
１１ 光源
１２ 筐体
１２０ 出射スリット
１３ シリンドリカルレンズ
１４ フィルタ
１５ 分散素子
２ ラインセンサ
３ 移送機構
３１ ステージ
４ データ処理ユニット
４１ 演算処理部
４２ 記憶部
Ｍ 物品
Ｐｓ 基準面
Ｐｂ ビームパターン
Ｐｉ 照明パターン

Claims (5)

1. 物品の表面を観察する表面観察装置であって、
   細長いビームパターンで光を出射するライン照明ユニットと、
   ライン照明ユニットから出射された光により照明される領域内からの光を捉えるラインセンサと、
   物品をライン照明ユニット及びラインセンサに対して相対的に移送する移送機構とを備えており、
   移送機構は、基準となる平面である基準面に沿って物品を移送する機構であり、
   ライン照明ユニットによる基準面上のビームパターンの幅方向は移送方向に対して平行であり、
   ラインセンサは、一つ又は一列に配列された複数の検出素子から成る長尺な検出部を有し、検出部の長手方向が基準面上のビームパターンの長手方向に平行となるよう配置されており、
   ラインセンサは、ビームパターンにより照明される位置に物品が移送された際、照明された物品の表面からの反射光を捉えるものであるとともに、物品の表面を照明しているビームパターンの幅よりも狭い幅のエリアからの反射光を捉えるものであり、
   ライン照明ユニットは、基準面に対して斜めの方向から光を照射するものであって、光ビームパターンの幅方向において強度又は波長が分布した光を出力するものであり、
   ライン照明ユニットから出射されたビームパターンにおける光の分布は、移送機構による移送方向の一方の側から他方の側に向けて光の強度又は波長が増加又は減少する分布であることを特徴とする表面観察装置。
2. 前記ライン照明ユニットは、出射されたビームパターンにより照明される位置に物品が移送された際、物品の表面において光が反射する位置及び姿勢で取り付けられており、前記ラインセンサは、この反射した光を捉える位置及び姿勢で取り付けられていることを特徴とする請求項１記載の表面観察装置。
3. 前記ラインセンサが反射光を捉える領域は、前記物品の表面を照明しているビームパターンの幅方向中央に位置する領域であることを特徴とする請求項１又は２記載の表面観察装置。
4. 前記ラインセンサから出力データを処理するデータ処理ユニットが設けられており、データ処理ユニットは、前記ラインセンサからの出力データを閾値と比較することで、前記物品の表面における欠陥の有無を検出するものであることを特徴とする請求項１、２又は３記載の表面観察装置。
5. 前記ラインセンサから出力データを処理するデータ処理ユニットが設けられており、データ処理ユニットは、前記光の分布の勾配と、前記基準面に対する前記ラインセンサの配置角度とに従い、前記物品の表面に存在する凹みの深さ又は隆起の高さを検出するものであることを特徴とする請求項１乃至４いずれかの表面観察装置。

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