JP2019090670A - 表面検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源パターンに対する、鏡面上の傷の角度によらず、当該傷を従来よりも明瞭に画像上に表示可能な、表面検査装置を提供する。【解決手段】表面検査装置１０は、ワーク２２の鏡面２４と相対移動する面光源１６Ａと、スリット２６Ａ，２６Ｂが形成され、面光源１６Ａを覆うスリットカバー１６Ｂと、鏡面２４に写り込むスリットパターンを撮像する撮像器１４と、撮像されたスリットパターン画像に微分フィルタ処理を施したエッジ抽出画像を求める微分部３２と、相対移動に伴う複数のエッジ抽出画像を加算した加算画像を求める加算部３４と、を備える。スリットカバー１６Ｂには、ワーク２２と面光源１６Ａとの相対移動方向とは非平行であり、かつ、互いに直交するスリット２６Ａ，２６Ｂが形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ワーク表面に形成された鏡面の状態を検査する、表面検査装置に関する。

品質検査等の目的で、被検査体（ワーク）の表面状態、例えば、表面上の傷や凹凸等を検査する表面検査装置が知られている。この表面検査装置として、ワークの表面に光を当てて撮影し、その撮影画像を解析して表面の傷等を検査する装置がある。

例えば特許文献１では、すり鉢状の鏡面を有するワークを対象とした表面検査装置が開示されている。すなわち、縞状パターンが形成された円柱をワークの開口中央部に配置するとともに、円柱を回転走査させる。すり鉢状の鏡面に写り込んだ縞状パターンは上部からＣＣＤカメラで撮像される。撮像画像に微分フィルタ処理を施すことでいわゆるエッジ抽出画像が生成される。

回転走査に伴う複数のエッジ抽出画像を加算した（重ね合わせた）加算画像上に、鏡面上の傷等が強調されて表示される。すなわち、回転走査によって鏡面に写り込まれる縞状パターンは移動する。したがって、鏡面上の、傷等が形成されていない点（以下適宜、正常点と記載する）では、撮像画像毎に明暗が切り替わる。この明暗の切り替わり頻度は、周りの正常点と同一と考えることができる。したがって加算画像では、正常点に対応する領域はほぼ一様な輝度となる。

一方、鏡面上の、傷等が形成された点（以下適宜、異常点と記載する）では、縞状パターンの移動に伴い、正常点とは異なる反射挙動を示す。例えば傷の断面形状に起因して入射光が乱反射して異常点が高輝度となる画像が相対的に増える。このとき、加算画像では正常点と比較して異常点の輝度が高くなり（ハイライトされ）、傷が明瞭に視認できるようになる。

特開２０１７−１５６４７号公報

ところで、鏡面上に写し込まれる縞状パターンに対する角度に応じて、鏡面上の傷の視認性が変化する場合がある。例えば図１３には、光源パターン（縞状パターン）に対して平行な傷１と光源パターンに対して直交する傷２が鏡面上に形成された例が示されている。なお、図１３の例では、紙面右側に光源パターンを移動させた例が示されており、紙面下の撮像画像ほど時間的に後に撮像されたものとなっている。

いずれの撮像画像においても、光源パターンに対して平行な傷１については、その全体が視認可能な程度に、周囲とのコントラスト（輝度差）が付けられている。一方、光源パターンに対して直交する傷２については、一部分のみが視認可能であって、しかもその視認可能な部分が撮像フレームごとにずれている。

このような撮像画像に微分フィルタ処理を施してさらにこれを加算させた加算画像が図１４に例示される。この図に示されているように、光源パターンに対して平行な傷１については、ほぼ全ての撮像画像において、全体像が視認可能な程度のコントラストで撮像されているため、加算画像ではその全体が明瞭に表示される。一方、光源パターンに対して直交する傷２については、一部分のみが視認可能であって、しかもその視認可能な部分が撮像フレームごとにずれているため、加算画像では傷１に対して背景との輝度差が相対的に小さい、不明瞭な像として表れる。

そこで本発明では、光源パターンに対する、鏡面上の傷の角度によらず、当該傷を従来よりも明瞭に画像上に表示可能な、表面検査装置を提供することを目的とする。

本発明は、表面検査装置に関する。当該装置は、ワークの鏡面と相対移動する面光源と、スリットが形成され、面光源を覆うスリットカバーと、鏡面に写り込むスリットパターンを撮像する撮像器と、撮像されたスリットパターン画像に微分フィルタ処理を施したエッジ抽出画像を求める微分部と、相対移動に伴う複数のエッジ抽出画像を加算した加算画像を求める加算部と、を備える。スリットカバーには、ワークと面光源との相対移動方向とは非平行であり、かつ、互いに直交するスリットが形成されている。

スリットカバーに、互いに直交するスリットが切られていることで、ワーク鏡面上には直交するスリットパターンが写し込まれる。スリットパターンが直交しているから、鏡面上の傷は少なくとも一方のスリットパターンに対しては非直交となる。その結果、加算画像上では従来よりも鏡面上の傷を明瞭に表示可能となる。

加えて、互いに直交するスリットが切り込まれたスリットカバーを設けることで、例えば一方向にのみ切られたスリットパターンを、回転させて複数回鏡面上に写し込ませる場合と比較して、鏡面上に角度の異なるスリットパターンを写し込ませるのに掛かる時間を短縮できる。言い換えると、ワークの品質検査処理のタクトタイムを短縮可能となる。

また上記発明において、直交するスリットは相対移動方向に沿って並んで配置されてよい。この場合、直交するスリットの隣り合う端部同士が接続されてよい。

スリット（開口）とこれを囲むスリットカバーの板面との境界部分では他の箇所と比較して輝度差が大きくなり、加算画像においてノイズの原因となるおそれがある。直交するスリットの隣り合う端部同士を接続していわゆる「への字型スリット」とすることで、ノイズの原因となる境界部分を低減させる。

本発明によれば、光源パターンに対する、鏡面上の傷の角度によらず、当該傷を従来よりも明瞭に画像上に表示可能となる。

表面検査装置の概略構成図である。 スリット光源の構成を例示する斜視図である。 相対移動方向に平行なスリットパターンを鏡面に投影させたときの撮像画像を例示する図である。 スリットカバーに形成されたスリットパターンの例を示す平面図である。 スリットカバーに形成されたスリットパターンの別例を示す平面図である。 スリットカバーに形成されたスリットパターンの更なる別例を示す平面図である。 スリットカバーに形成されたスリットパターンのまた更なる別例を示す平面図である。 表面検査装置の演算処理器及びその周辺機器の構成を説明する、機能ブロック図である。 ワークの一部を被覆部材で覆った例を示す斜視図である。 鏡面の撮像画像、そのエッジ抽出画像、及びその加算画像を例示する図である。 加算画像の輝度分布を例示する特性図である。 ワーク鏡面上に、直交する一対のスリットの一方に平行な傷を形成させた場合の、鏡面の撮像画像、そのエッジ抽出画像、及びその加算画像を例示する図である。 従来の表面検査におけるワーク鏡面の撮像画像を例示する図である。 従来の表面検査におけるワーク鏡面の撮像画像にエッジ抽出処理を施し、さらにこれを加算した加算画像を例示する図である。

図１に、本実施形態に係る表面検査装置１０を例示する。表面検査装置１０は、演算処理器１２、撮像器１４、スリット光源１６、光源ステージ１８、及びワークホルダ２０を備える。

ワークホルダ２０はワーク２２を保持し、ワーク２２の鏡面２４をスリット光源１６に向ける。様々なサイズ、形状のワーク２２を保持可能とするために、ワークホルダ２０は保持幅を調節するアジャスト機構を備えていてもよい。また、ワーク２２の鏡面２４とスリット光源１６との角度を調整するための回転機構を備えていてもよい。

光源ステージ１８は、スリット光源１６をワーク２２に対して相対移動させる。光源ステージ１８は例えば一軸ステージであってよく、レール部１８Ａ、ブロック部１８Ｂ、及びステージモータ１８Ｃを備える。レール部１８Ａには一軸方向(図１のＸ軸方向)にガイドが形成される。ブロック部１８Ｂは、レール部１８Ａ上に、当該一軸方向に移動可能であって、スリット光源１６が搭載される。ステージモータ１８Ｃは例えばブロック部１８Ｂに搭載され、ブロック部１８Ｂをレール部１８Ａに対して移動させる。例えばステージモータ１８Ｃによりブロック部１８Ｂを１０ｍｍ／秒以上６０ｍｍ／秒以下の速度で走査させる。

なお、図１に示す実施形態では、ワーク２２に対してスリット光源１６を移動させる機構を採っているが、この形態に限らない。要するに両者が相対移動可能であればよく、例えばスリット光源１６を固定してワーク２２を移動させてもよい。

図２に、スリット光源１６の構成を例示する。スリット光源１６は、面光源１６Ａ及びスリットカバー１６Ｂを備える。面光源１６Ａは例えば白色発光する照明源であって、その発光面がスリットカバー１６Ｂに覆われる。発光面のサイズは例えば長さ（Ｚ軸方向長さ）が２００ｍｍであって幅（Ｘ軸方向長さ）が３１ｍｍに形成される。

スリットカバー１６Ｂは、カバー板に複数のスリット２６Ａ，２６Ｂが切り込まれる。カバー板は例えば長さ２１３ｍｍ×幅３１ｍｍ×厚み０．２ｍｍの、表面を黒色塗装したステンレス板材が用いられる。

スリット２６Ａ，２６Ｂは、いずれも長方形の開口であって、その長手方向が、ワーク２２と面光源１６Ａとの相対移動方向（図１のＸ軸方向）とは非平行となるように形成される。

図３には、比較例として、ワーク２２と面光源１６Ａとの相対移動方向と平行にスリットが切られたときの、鏡面２４の撮像画像が例示されている。紙面左側が、鏡面２４の撮像画像であって、紙面下側ほど、走査が進んだときの画像が示されている。紙面右側は、その左側の撮像画像に対して微分フィルタ処理を施して得られた、エッジ抽出画像である。微分フィルタ処理については後述する。

図３の右側の上下３枚の撮像画像を比較すると理解されるように、スリット光源１６と鏡面２４との相対位置が変化しても、スリットパターンが走査方向と平行に設けられているので、走査が進行しても鏡面２４に写り込まれたスリットパターンの位置は変化しない。

図３の紙面右下には、各エッジ抽出画像を加算した（重ね合わせた）加算画像が例示されている。上述したように、走査が進行しても鏡面２４に写り込まれたスリットパターンの位置は変化しないので、加算画像においてもスリットパターンがそのまま維持され、傷との判別が困難となる。

そこで本実施形態では、スリット２６Ａ，２６Ｂの長手方向を、ワーク２２と面光源１６Ａとの相対移動方向（走査方向）に対して非平行となるように形成している。この様にすることで、鏡面２４上の正常点については走査に応じて明暗が変化し、加算画像においていずれの正常点においても明暗の輝度が平均化される。その結果異常点との輝度差（コントラスト）が十分に得られる。例えば、ワーク２２と面光源１６Ａとの相対移動方向に対して長手方向が４５°及び１３５°となるようにスリット２６Ａ，２６Ｂが形成される。

また、スリット２６Ａ，２６Ｂは互いに直交するように形成される。スリットカバー１６Ｂに、互いに直交するスリット２６Ａ，２６Ｂが切られていることで、ワーク２２の鏡面２４上には直交するスリットパターンが写し込まれる。スリットパターンが直交しているから、鏡面２４上の傷は少なくとも一方のスリットパターンに対しては非直交となる。上述したように、スリットパターンに対して傷が直交に形成されている場合は加算画像上において当該傷が不鮮明となるが、少なくとも一方のスリットパターンと傷とを非直交とすることで、加算画像上で従来よりも鏡面２４上の傷を明瞭に表示可能となる。

加えて、互いに直交するスリット２６Ａ，２６Ｂが切り込まれたスリットカバー１６Ｂを設けることで、鏡面２４及び撮像器１４を一方向に相対移動させるのみにて、鏡面２４上には直交するスリットパターンが投影される。これにより、例えば一方向にのみ切られたスリットパターンを、回転させて複数回鏡面上に写し込ませる場合と比較して、直交するスリットパターンの撮像に掛かる時間を短縮できる。言い換えると、ワークの品質検査処理のタクトタイムを短縮可能となる。

図４には、スリットカバー１６Ｂに形成されたスリットパターンの第１例が示される。スリットカバー１６Ｂの高さ（Ｚ軸方向）Ｌ２は２１３ｍｍであり、相対移動方向（走査方向）の幅Ｗ２は３１ｍｍである。また、スリットカバー１６Ｂの、高さ方向両端から６ｍｍ離間し、かつ、幅方向両端から４ｍｍ離間させた領域内をスリットの形成領域とした。

スリット２６Ａは、走査方向（Ｘ軸）に対して４５°の角度で長手方向が定められる（θ１＝４５°）。走査方向に沿ったスリット長さＷ３は１１ｍｍとした。またスリット幅Ｗ５は０．７５ｍｍとした。加えて、スリット２６Ａは高さ方向に９１本形成され、上下方向（スリットカバー１６Ｂの長手方向）に隣り合うスリット２６Ａ，２６Ａの間隔Ｌ４を１．５ｍｍとした。

スリット２６Ｂは、走査方向（Ｘ軸）に対して１３５°の角度で長手方向が定められる（θ２＝１３５°）。走査方向に沿ったスリット長さＷ３はスリット２６Ａと同様に１１ｍｍとした。またスリット幅Ｗ５は０．７５ｍｍとした。加えて、スリット２６Ｂは高さ方向に９１本形成され、隣り合うスリット２６Ｂ，２６Ｂの間隔Ｌ４を１．５ｍｍとした。

また、スリット２６Ａとスリット２６Ｂとは高さ方向にオフセットされている。このオフセット幅Ｄ１を１．０６ｍｍとした。さらに、スリットパターンの中心軸からスリット２６Ａ，２６Ｂの端部までの距離Ｗ４を、いずれも０．５ｍｍとした。

図５には、スリットカバー１６Ｂに形成されたスリットパターンの第２例が示される。図４の第１例と異なるのは、スリット２６Ａとスリット２６Ｂとの高さ方向のオフセット幅Ｄ１であり、これを０．５３ｍｍとした。残りの寸法は第１例と同様である。

図６には、スリットカバー１６Ｂに形成されたスリットパターンの第３例が示される。図４の第１例及び図５の第２例と異なるのは、スリット２６Ａとスリット２６Ｂとの高さ方向のオフセットを無くした点にある。残りの寸法は第１例と同様である。

図７には、スリットカバー１６Ｂに形成されたスリットパターンの第４例が示される。図４の第１例、図５の第２例、及び図６の第３例と異なるのは、スリット２６Ａとスリット２６Ｂとの高さ方向のオフセットを無くした上で、つまり、相対移動方向に沿って並んで配置させた上で、スリット２６Ａ，２６Ｂの隣り合う端部同士を接続させた点にある。

図４〜図６のスリット２６Ａ，２６Ｂを「ハの字型スリット」と表現すると、図７のスリット２６Ａ，２６Ｂは「への字型スリット」と表現できる。一般的に、スリット（開口）とこれを囲むスリットカバーの板面との境界部分では他の箇所と比較して輝度差が大きくなり、加算画像においてノイズの原因となるおそれがある。直交するスリット２６Ａ，２６Ｂの隣り合う端部同士を接続して「への字型スリット」とすることで、ノイズの原因となる境界部分を低減できる。

図１に戻り、撮像器１４はワーク２２の鏡面２４に写り込むスリットパターンを撮像する。撮像器１４はいわゆるカメラであって、ＣＣＤ素子やＣＭＯＳ素子からなる画素を備える。また、撮像器１４は、ワーク２２とスリット光源１６との相対移動に伴う、鏡面２４のスリットパターンの変化を撮像する。撮像器１４の撮像速度は、３０フレーム／秒程度とする。さらに、演算表示器の表示部１２Ａ上で傷が視認可能となるために、例えば１画素当たりに撮像される対象物のサイズ（撮像分解能）を５０μｍ×５０μｍとする。

演算処理器１２は表示部１２Ａ及び演算処理部１２Ｂを備える。演算処理器１２はコンピュータであってよい。表示部１２ＡはＬＣＤ等のディスプレイ装置であってよい。

演算処理部１２Ｂは図示しないＣＰＵ、メモリ、及び入出力インターフェースが内部バスで接続される。メモリに記憶された表面検査プログラムを実行することで、演算処理部１２Ｂには図８に例示されるような機能ブロックが構成される。

演算処理部１２Ｂは、カメラ制御部２８、モータ制御部３０、微分部３２、加算部３４、及び判定部３６を備える。カメラ制御部２８は、撮像器１４に対して撮像指令を送信する。例えば１秒間に３０フレームの画像を撮像する旨の指令を撮像器１４に送信する。モータ制御部３０は、ステージモータ１８Ｃに対して駆動指令を送信する。例えば走査速度が１０ｍｍ／秒以上６０ｍｍ／秒以下の範囲となるように、ステージモータ１８Ｃに駆動指令を送信する。

例えば図４のスリット２６Ａ，２６Ｂを例に採ると、Ｘ軸に沿ったスリット２６Ａ，２６Ｂの幅である√２＊Ｗ５は約１ｍｍとなり、上下に隣り合うスリット２６Ａ，２６Ａ間、及び２６Ｂ，２６Ｂ間の、Ｘ軸に沿った間隔（スリットピッチ）も約１ｍｍとなる。また、図４のスリット２６Ａ，２６Ｂを鏡面２４に投影させた際に、鏡面２４上の投影像が１：１スケールである場合、シャッタースピードを３０フレーム／秒とし、走査速度を３０ｍｍ／秒とすると、１フレーム当たりの、鏡面２４上のスリットパターンの移動量は１ｍｍとなる。したがって、鏡面２４上の任意の正常点においては、撮像フレーム毎に明暗が交互に切り替わるような投影がなされる。

次に、微分部３２、加算部３４、判定部３６の機能を、図１０、図１１に示す実施例に基づいて説明する。なおこの実施例に当たり、図９に示すように、ワーク２２の鏡面２４上を非反射性の被覆部材３８で覆い、鏡面２４の一部のみを露出させた。被覆部材３８は例えば模造紙から構成されてよい。

なおこの実施例では、予め鏡面２４上に傷を設けている。具体的には、鏡面２４上に長さ約１５ｍｍ、幅約１ｍｍ、深さ約０．３μｍに亘って傷が形成されている。また、被覆部材３８による開口は２０ｍｍ×２０ｍｍの矩形とした。

図１０の紙面左側には、撮像器１４により撮像された、鏡面２４上に写り込んだスリットパターンが示されている。紙面左側の下方に行くに従って、スリット光源１６の走査が進行した撮像画像が示される。この撮像画像は、撮像器１４から演算処理部１２Ｂの微分部３２に送られる。

図１０右側には、その左側の撮像画像に対して微分フィルタ処理を施したエッジ抽出画像が示される。この微分フィルタ処理は演算処理部１２Ｂの微分部３２によって実行される。微分フィルタの数式を下記数式（１）に示す。なお数式（１）において、Ｉは輝度を示し、ｘ、ｙはともに撮像画像の平面座標を表す。

微分部３２によって生成されたエッジ抽出画像は加算部３４に送られる。加算部３４では、図１０の紙面下方に示すような、ワーク２２とスリット光源１６の相対移動に伴うエッジ抽出画像を加算した（重ね合わせた）加算画像が生成される。

上述したように、相対移動（走査）によって鏡面２４に写り込まれるスリットパターンは移動する。したがって、鏡面２４上の、傷等が形成されていない正常点では、撮像画像毎に明暗が切り替わる。この明暗の切り替わり頻度は、周りの正常点と同一と考えることができる。したがって加算画像では、正常点に対応する領域はほぼ一様な輝度となる。

一方、鏡面２４上の、傷等が形成された異常点では、スリットパターンの移動に伴い、正常点とは異なる反射挙動を示す。例えば傷の断面形状に起因して入射光が乱反射して異常点が高輝度となる画像が相対的に増える。このとき、加算画像では正常点と比較して異常点の輝度が高くなり（ハイライトされ）、傷が明瞭に視認できるようになる。

図１１には、加算画像上に白色破線で示す線上の輝度分布が示されている。なお、図１１にはワーク２２の角度を種々変更させた例が示されている。紙面左側（ワークの角度、θ_Ａ）には、鏡面２４上の傷が高さ方向軸（ｚ軸）にほぼ平行に位置づけされたときの加算画像が示されている。また、紙面右側（ワークの角度、θ_Ｄ）には、鏡面２４上の傷が走査方向にほぼ平行に位置づけされたときの加算画像が示されている。

図１１下段の輝度分布の、特に黒色破線で囲まれた領域に示されるように、傷が形成された位置の輝度がその他の位置と比較して高輝度となる。演算処理部１２Ｂの判定部３６では、予め傷に対応する輝度の閾値が記憶されており、加算画像上の各画素の輝度が当該閾値以下か否かを判定する。閾値を超過する画素があるときに、判定部３６は検査対象の鏡面２４に傷があると判定する。判定結果は表示部１２Ａに表示される。なお、判定の精度を高めるために、閾値を超過する画素が隣接する場合に、検査対象の鏡面２４に傷があると判定してもよい。

図１２には、別の実施例が示される。この例では、スリット２６Ａに平行な傷１と、スリット２６Ｂに平行な傷２が形成された鏡面２４の撮像画像が示されている。紙面左上から下方に移行し、さらに紙面左下から右上に折り返して右下まで、相対移動に伴う鏡面２４の撮像画像が示されている。この撮像画像に示されているように、スリット２６Ｂのパターンと平行になるときに傷２が明瞭に表れ、スリット２６Ａのパターンと平行になるときに傷１が明瞭に表れる。紙面下段にはこれらの画像に対して微分フィルタ処理を行った上で加算した加算画像が示されている。傷１、傷２とも、加算画像上に明瞭に表れていることが理解される。

１０ 表面検査装置、１２ 演算処理器、１２Ａ 表示部、１２Ｂ 演算処理部、１４ 撮像器、１６ スリット光源、１６Ａ 面光源、１６Ｂ スリットカバー、１８ 光源ステージ、１８Ａ レール部、１８Ｂ ブロック部、１８Ｃ ステージモータ、２０ ワークホルダ、２２ ワーク、２４ 鏡面、２６Ａ，２６Ｂ スリット、２８ カメラ制御部、３０ モータ制御部、３２ 微分部、３４ 加算部、３６ 判定部、３８ 被覆部材。

Claims (2)

1. ワークの鏡面と相対移動する面光源と、
   スリットが形成され、前記面光源を覆うスリットカバーと、
   前記鏡面に写り込むスリットパターンを撮像する撮像器と、
   撮像されたスリットパターン画像に微分フィルタ処理を施したエッジ抽出画像を求める微分部と、
   前記相対移動に伴う複数のエッジ抽出画像を加算した加算画像を求める加算部と、
   を備え、
   前記スリットカバーには、前記ワークと前記面光源との相対移動方向とは非平行であり、かつ、互いに直交するスリットが形成されている、
   表面検査装置。
2. 請求項１に記載の表面検査装置であって、
   前記直交するスリットは前記相対移動方向に沿って並んで配置され、
   前記直交するスリットの隣り合う端部同士が接続されている、
   表面検査装置。

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