JP2019120518A - 異物検出装置および異物検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高精度な異物検出を行える、異物検出装置および異物検出方法を提供する。【解決手段】食品１０１に付着または混在した異物を検出する異物検出装置１であって、照射部２と、偏光画像生成部３と、通常画像生成部４と、制御装置５とを備える。照射部２は、食品１０１に対して、光を照射する。偏光画像生成部３は、照射部２の照射光が、食品１０１で反射した反射光を受光し、反射光から、食品１０１がもつ偏光情報を含む、偏光画像を生成する。制御装置５は、偏光画像生成部３が生成した偏光画像から、食品１０１に付着または混在した異物の有無を判定する。【選択図】図１

Description

本発明は、被検査物に付着または混在した異物を検出する異物検出装置および異物検出方法に関する。

近年、食品の安全性への関心が高まるなか、食品の加工・製造工程において、食品への異物混入を防ぐことが重要視されている。特許文献１には、食品に混入した毛髪、虫などの異物を検出する異物検出装置が開示されている。特許文献１に記載の装置は、検出対象の食品に光を照射し、食品の表画像を撮像する。そして、撮像した表画像に対して、二値化処理を行い、異常な画素の有無によって、異物の有無を判定している。

特表２００８−５４１００７号公報

食品に混入する異物には、ビニル、フィルムまたはガラスなど、透明な異物もある。透明な異物の場合、カメラで撮像しても、撮像画像に映らないことがある。その結果、異物があるにもかかわらず、異物の有無の判定において、異物がないと判定されるおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、高精度な異物検出を行える、異物検出装置および異物検出方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本願の第１発明は、被検査物に付着または混在した異物を検出する異物検出装置であって、被検査物に対して、光を照射する照射部と、前記被検査物で反射される反射光、または、前記被検査物を透過する透過光を受光して、偏光情報を取得する偏光情報取得部と、前記偏光情報取得部が取得する偏光情報を含む、前記被検査物の偏光画像を生成する偏光画像生成部と、前記偏光画像生成部が生成する偏光画像に基づいて、前記被検査物に付着または混在した第１異物の有無を判定する第１判定部と、を備える。

本願の第２発明は、第１発明の異物検出装置であって、前記被検査物の通常画像を生成する通常画像生成部と、前記通常画像に基づいて、前記被検査物に付着または混在した第２異物の有無を判定する第２判定部と、を備える。

本願の第３発明は、第１発明または第２発明の異物検出装置であって、前記照射部は、前記被検査物に対して、偏光させた光を照射する。

本願の第４発明は、第１発明から第３発明の異物検出装置であって、前記第１異物は透明体である。

本願の第５発明は、第１発明から第４発明の異物検出装置であって、前記偏光情報取得部、および、前記偏光画像生成部を有する偏光カメラ、を備える。

本願の第６発明は、被検査物に付着または混在した異物を検出する異物検出方法であって、ａ）被検査物に対して、光を照射する工程と、ｂ）前記被検査物で反射される反射光、または、前記被検査物を透過する透過光を受光する工程と、ｃ）前記工程ｂ）で受光した光から、前記被検査物がもつ偏光情報を取得する工程と、ｄ）前記工程ｃ）で取得した偏光情報を含む、偏光画像を生成する工程と、ｅ）前記偏光画像に基づいて、前記被検査物に付着または混在した異物の有無を判定する工程と、を備える。

本発明によれば、偏光を利用することで、異物が透明であっても、偏光画像に映し出すことができるため、高精度な異物検出を行える。

実施形態１に係る異物検出装置を簡易的に示す図である。 異物検出装置が有する構成要素および構成要素間の接続を示すブロック図である。 ｓ偏光とｐ偏光との入射角に対する反射率の関係を示す図である。 偏光画像生成部が、偏光子アレイを備えた偏光カメラである場合を説明するための図である。 制御装置で実行される異物検出処理のフローを示す図である。 実施形態２係る異物検出装置を簡易的に示す図である。 実施形態２の別の例の異物検出装置を簡易的に示す図である。

＜１．実施形態１＞
＜１．１．異物検出装置の構成＞
図１は、実施形態１に係る異物検出装置１を簡易的に示す図である。図２は、異物検出装置１が有する構成要素および構成要素間の接続を示すブロック図である。

異物検出装置１は、例えば、工場内での食品１０１の加工・製造工程において、食品１０１に付着または混在した異物を検出するための装置である。食品１０１は、本発明の「被検査物」の一例であり、例えば野菜である。また、異物検出装置１が検出する異物には、ゴムの破片など、不透明体の異物（第２異物）と、ビニル、ガラス、フィルムなど、透明体の異物（第１異物）との、２種類の異物がある。食品１０１は、ベルトコンベヤー１００で搬送される。ベルトコンベヤー１００には、搬送経路途中に検査領域１００Ａが設けられている。異物検出装置１は、搬送されている食品１０１が、検査領域１００Ａに位置すると、その食品１０１に対して、異物検出を行う。

異物検出装置１は、照射部２と、偏光画像生成部３と、通常画像生成部４と、制御装置５とを備えている。

通常画像生成部４は、ベルトコンベヤー１００の検査領域１００Ａに位置する食品１０１の通常画像を生成する。通常画像は、食品１０１からの光を受光し、輝度、明度および彩度に基づいて生成された画像である。通常画像生成部４は、生成した通常画像を、制御装置５へ出力する。後述するが、この通常画像は、制御装置５において、不透明体の異物の検出処理に用いられる。

通常画像生成部４は、例えば、通常の光学カメラである。図１では、通常画像生成部４は、検査領域１００Ａの直上に配置され、食品１０１を直上から視た通常画像を生成する。しかしながら、通常画像生成部４は、検査領域１００Ａの直上から外れた位置に配置されてもよく、食品１０１を斜め方向から視た通常画像を生成してもよい。

照射部２は、ベルトコンベヤー１００の上方に配置され、検査領域１００Ａに向けて、光を照射する。本実施形態では、照射部２は、光の照射方向を、斜め下向きにして、配置されている。そして、照射部２は、検査領域１００Ａの斜め上方から、検査領域１００Ａへ光を照射している。以下、照射部２が照射する光を、照射光と称する。

搬送される食品１０１は、検査領域１００Ａを順次通過する。つまり、検査領域１００Ａに位置する食品１０１には、照射部２から光が照射される。照射部２からの照射光は、食品１０１で反射する。そして、その反射した光(以下、反射光と称す)は、後述の偏光画像生成部３で受光される。

照射部２は光源２１を有する。光源２１は、ハロゲンランプ、キセノンランプまたはＬＥＤなどである。照射部２の照射光の種類は、可視光、紫外線または赤外線などであって、特に限定されない。光源２１は、照射部２の照射光の種類に応じて、適宜変更される。

また、照射部２は、光学素子２２を有する。光学素子２２は、照射光の光路上に配置されている。光学素子２２は、偏光子、位相差板、偏光回折格子または偏光プリズムなどを含む。光学素子２２を適切に選定することにより、光源２１から発せられる光の偏光状態を任意に調整できる。これにより、後述の偏光画像生成部３は、食品１０１および異物などの対象物の特徴的な偏光状態を、適宜得ることができる。その結果、対象物に合わせた、偏光状態の検出が可能になる。

偏光画像生成部３は、食品１０１で反射した反射光を受光する位置に配置される。偏光画像生成部３は、受光した反射光から偏光画像を生成する。照射部２からの照射光は偏光されている。照射光が食品１０１で反射する際、照射光が有するｓ偏光およびｐ偏光の反射率は、反射する物体の材質、および、照射光の入射角によって異なる。

図３は、ｓ偏光とｐ偏光との入射角に対する反射率の関係を示す図である。

ｓ偏光の反射率は、入射角が０°から９０°に増加するに従って増加する。これに対し、ｐ偏光の反射率は、入射角が増加するに従って徐々に、０近くまで減少し、その後、急激に増加する。図３に示す関係は、光を反射させる物体の材質によって異なる。このため、食品１０１に異物が付着している場合、異物の付着位置と、付着していない位置とで、ｓ偏光およびｐ偏光の反射率は異なる。つまり、異物の付着位置と、付着していない位置とで、偏光画像生成部３が受光する反射光の輝度（ｓ偏光およびｐ偏光の輝度）は、異なる。この輝度の違いから、受光した反射光で生成される偏光画像には、異物が表れる。したがって、異物が透明体であっても、偏光画像には、異物が表れる。

偏光画像生成部３は、例えば、偏光カメラである。図４は、偏光画像生成部３が、偏光子アレイ３２を備えた偏光カメラである場合を説明するための図である。

偏光画像生成部３は、撮像素子３１と、撮像素子３１の前面に配置された偏光子アレイ３２とを有する。撮像素子３１と偏光子アレイ３２とは、それぞれの最小画素が対になっている。つまり、図４のように、撮像素子３１の画素３１１の前方には、偏光子アレイ３２の偏光子３２１が配置される。同様に、撮像素子３１の画素３１２の前方には、偏光子アレイ３２の偏光子３２２が配置される。撮像素子３１の画素３１３の前方には、偏光子アレイ３２の偏光子３２３が配置される。撮像素子３１の画素３１４の前方には、偏光子アレイ３２の偏光子３２４が配置される。そして、各撮像素子３１の画素３１１〜３１４それぞれには、前方の偏光子３２１〜３２４を通過した光が入射する。

偏光子３２１〜３２４それぞれは、互いに偏光方向が４５°ずれている。このため、画素３１１〜３１４には、それぞれの偏光方向が４５°ずれた光が入射する。そして、各画素３１１〜３１４において、偏光方向それぞれの光の強度を測定することができる。つまり、偏光画像生成部３は、隣接する４画素（画素３１１〜３１４）の輝度を比較し、演算する処理を、撮像素子３１全体で行うことで、食品１０１で反射した反射光、または食品１０１を透過した透過光に含まれる偏光情報を取得することができる。つまり、偏光画像生成部３は、本発明の「偏光情報取得部」の一例である。そして、偏光画像生成部３は、取得した偏光情報を含む、偏光画像を生成する。後述するが、この偏光画像は、制御装置５に出力され、透明体の異物の検出処理に用いられる。

なお、図４で偏光カメラの一例を説明したように、偏光カメラの構成は、偏光子アレイを配置したものであってもよいし、波長板アレイおよび検光子を配置したものであってもよい。

図１および図２に戻る。制御装置５は、例えば、パーソナルコンピュータである。制御装置５は、ＣＰＵ５１、ＲＯＭ５２、ＲＡＭ５３、記憶部５４および入出力部５５を有する。入出力部５５には、照射部２、偏光画像生成部３および通常画像生成部４が接続される。また、入出力部５５には、不図示のモニタ、スピーカまたはキーボードなどが接続されてもよい。

記憶部５４は、例えば、ハードディスクドライブである。記憶部５４には、後述の異物検出処理を実行するための、コンピュータプログラムおよびデータが、記憶されている。ＣＰＵ５１は、記憶部５４に記憶されたコンピュータプログラムおよびデータを、読み出して実行する。そして、ＣＰＵ５１は、入出力部５５に接続される各部とデータ通信しつつ、通常画像および偏光画像を用いた異物検出処理を実行する。ＣＰＵ５１は、コンピュータプログラムを実行することで、本発明の「第１判定部」および「第２判定部」として機能する。

＜１．２．異物検出について＞
ＣＰＵ５１は、通常画像および偏光画像から異物を検出する。例えば、ＣＰＵ５１は、ＦＣＭ（Fuzzy-C-means）識別器を用いて、通常画像または偏光画像を、色または形状などの特徴量に基づいて分類する処理（クラスタリング処理）を行い、食品１０１を認識する。そして、ＣＰＵ５１は、通常画像または偏光画像において、認識した食品１０１以外を、異物と判定する。

通常画像を用いた異物検出の場合、ＣＰＵ５１は、不透明体の異物を検出できる。一方、偏光画像には、通常画像には映らない、透明体の異物が映る。このため、偏光画像を用いた異物検出の場合、ＣＰＵ５１は、透明体の異物を検出できる。

また、ＣＰＵ５１は、前記した、通常画像または偏光画像から食品１０１を認識する際、異物がない食品１０１の画像を用いた学習を行う。これにより、異物の判定精度を向上させることができる。この学習の手法には、ニューラルネットワーク、遺伝的アルゴリズム、ディープラーニング、強化学習、サポートベクターマシンなどを用いることができる。

なお、異物検出時の画像処理において、通常画像および偏光画像に対して、平滑化処理などのノイズ除去処理を行ってもよい。

＜１．３．異物検出処理について＞
図５は、制御装置５で実行される異物検出処理のフローを示す図である。図５に示す処理は、ＣＰＵ５１が、記憶部５４に記憶されたコンピュータプログラムを実行することで、開始される。

ＣＰＵ５１は、照射部２を駆動して、ベルトコンベヤー１００の検査領域１００Ａに光を照射する（ステップＳ１）。なお、照射部２は、光を常時照射してもよいし、食品１０１の画像を生成するときにのみ、光を照射するようにしてもよい。

次に、ＣＰＵ５１は、通常画像生成部４で生成された通常画像を取得する（ステップＳ２）。そして、ＣＰＵ５１は、偏光画像生成部３で生成された偏光画像を取得する（ステップＳ３）。ステップＳ２およびステップＳ３において、ＣＰＵ５１は、ベルトコンベヤー１００の検査領域１００Ａに、食品１０１が位置するタイミングで、通常画像および偏光画像を取得する。このタイミングは、例えば、センサにより、食品１０１が検査領域１００Ａに位置することを検知するタイミングである。

ＣＰＵ５１は、取得した、通常画像および偏光画像から、異物の有無を判定する（ステップＳ４）。そして、ステップＳ４で、異物があると判定された場合（ステップＳ５：ＹＥＳ）、ＣＰＵ５１は、異物を検出したことを報知する（ステップＳ６）。報知する方法は、例えば、制御装置５に接続されるモニタに表示してもよいし、音または光により、報知してもよい。

ステップＳ６で、結果を報知した後、または、ステップＳ５で、異物がないと判定した場合（ステップＳ５：ＮＯ）、ＣＰＵ５１は、処理を終了するか否かを判定する（ステップＳ７）。終了する場合とは、例えば、食品１０１の搬送を終了する場合である。処理を終了しない場合（ステップＳ７：ＮＯ）、ＣＰＵ５１は、ステップＳ２の処理に戻る。処理を終了する場合（ステップＳ７：ＹＥＳ）、ＣＰＵ５１は、図５の処理を終了する。

以上のように、本実施形態では、偏光を利用することで、異物が透明であっても、偏光画像に映し出すことができるため、高精度な異物検出を行える。また、通常画像と、偏光画像とを併用して異物検出を行うことで、不透明体の異物と、透明体の異物とを検出することができる。これにより、食品１０１に異物が付着した状態で、出荷されることを防ぐことができる。また、異物検出処理において、学習機能を備えた画像処理を行うことで、より高精度な異物検出を行える。

＜２．実施形態２＞
以下に、実施形態２の異物検出装置について説明する。実施形態１では、通常画像生成部４により通常画像を生成しているのに対し、実施形態２では、偏光画像生成部３で通常画像を生成する点で、相違する。また、実施形態１では、偏光画像生成部３は、反射光を受光しているのに対し、実施形態２では、偏光画像生成部３は、透過光を受光する点で、相違する。以下、これら相違点について説明する。なお、実施形態１と同じ部材については、同じ符号を付して、その説明は省略する。

図６は、実施形態２に係る異物検出装置１Ａを簡易的に示す図である。異物検出装置１Ａは、照射部２と、偏光画像生成部３と、制御装置５とを備える。

照射部２は、ベルトコンベヤー１００の検査領域１００Ａの直下に配置される。本実施形態のベルトコンベヤー１００のベルトは、光が透過可能な物体である。照射部２から照射された光は、ベルトコンベヤー１００を透過する。このとき、偏光画像生成部３である偏光カメラは、検出する光の波長域に対応した撮像素子を有し、ベルトおよび食品を透過した光（以下、透過光）を受光する。

偏光画像生成部３は、ベルトコンベヤー１００の検査領域１００Ａの直上に配置される。検査領域１００Ａには、搬送される食品１０１が随時位置する。偏光画像生成部３は、照射部２から照射され、検査領域１００Ａに位置する食品１０１を透過した光（以下、透過光と称す）を受光する。光が透過する際、透過光の位相のずれは、材質または入射角に依存する。そして、偏光画像生成部３は、その透過光を受光すると、受光した透過光から偏光画像を生成する。透過光から生成される偏光画像には、実施形態１と同様に、透明体の異物が映し出される。このため、この偏光画像を用いて、透明体の異物検出が行える。

この例では、偏光画像生成部３は、偏光画像と共に、通常画像を生成する。例えば、偏光画像生成部３は、図４で説明した、偏光情報の算出に用いた所定の画素が取得した輝度値を平均化することで、通常画像を生成する。つまり、本実施形態では、偏光画像生成部３は、本発明の「通常画像生成部」の一例である。

ＣＰＵ５１は、偏光画像生成部３が生成した通常画像から、食品１０１に付着する、ゴムの破片などの不透明体の異物を検出する。また、ＣＰＵ５１は、偏光画像生成部３が生成した偏光画像から、食品１０１に付着する、ガラスまたはビニルなどの透明体の異物を検出する。異物の検出方法は、実施形態１と同じであるため、その説明は省略する。

なお、本実施形態では、偏光画像生成部３が透過光を受光するために、ベルトコンベヤー１００のベルトを、光が透過可能な物体とした。しかしながら、検査領域１００Ａを、ベルトコンベヤー１００がない位置に設定することで、ベルトコンベヤー１００のベルトの物性条件にかかわらず、偏光画像生成部３は、透過光を受光できるようになる。

図７は、実施形態２の別の例の異物検出装置を簡易的に示す図である。図７では、ベルトコンベヤー１００を、鉛直方向に配置している。食品１０１は、搬送時において、上方のベルトコンベヤー１００から、下方のベルトコンベヤー１００へ落下する。検査領域１００Ａは、落下する食品１０１が通過する位置に設定されている。そして、照射部２と、偏光画像生成部３とは、検査領域１００Ａを間に挟んで、水平方向に設けられている。この場合、偏光画像生成部３は、食品１０１のみを透過した透過光を受光する。したがって、ベルトコンベヤー１００のベルトは、光が透過可能な物体とする必要がなく、汎用なベルトを用いることができる。

＜３．変形例＞
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。

上記の実施形態では、照射部２は光学素子２２を備えている。しかしながら、照射部２は、光学素子２２を備えず、検査領域１００Ａに対して、自然光を照射するようにしてもよい。また、照射部２の設置角度は、照射光の入射角に応じて、適宜変更可能である。詳しくは、図３で説明した特性によって、照射光の入射角は、ｓ偏光およびｐ偏光の反射率に差異が顕著に現れる角度とすることが好ましい。

上記の実施形態では、通常画像生成部４は１つとしているが、複数であってもよい。この場合、食品１０１を多方向から視た、通常画像を生成できる。したがって、一方向から視た通常画像を生成した場合と比べて、精度よく異物検出が行える。

また、偏光画像生成部の一例とした偏光カメラに代えて、一般的な光学カメラと、偏光子とを用いてもよい。この場合、光学カメラの前方に偏光子を配置し、その偏光子を回転することで、光学カメラは、各方向に偏光した光を受光する。そして、光学カメラは、受光した光から、偏光画像を生成する。

また、通常画像および偏光画像に対して行う、異物検出の方法において、例えば、隣接する画素の輝度値の差分を取り、その差分が、閾値以上であれば、異物が付着していると判定してもよい。

さらに、上記の実施形態では、偏光画像から、透明体の異物を検出しているが、透明体の異物に限定されない。通常画像では検出が難しい異物、例えば、食品１０１と同系色の異物を検出するようにしてもよい。また、異物検出装置は、食品１０１に付着または混在した異物だけでなく、ベルトコンベヤー１００に付着した異物を検出してもよい。この場合、ベルトコンベヤー１００は、本発明の「被検査物」となる。

また、実施形態１は、実施形態２と同様に、偏光画像生成部３で、通常画像を生成する構成であってもよい。さらに、実施形態２は、実施形態１と同様に、偏光画像生成部３と、通常画像生成部４と別々に備える構成としてもよい。

その他、異物検出装置の細部の構成については、本願の各図と相違していてもよい。また、上記の実施形態および変形例に登場した各要素を、矛盾が生じない範囲で、適宜に組み合わせてもよい。

１、１Ａ ：異物検出装置
２ ：照射部
３ ：偏光画像生成部
４ ：通常画像生成部
５ ：制御装置
２１ ：光源
２２ ：光学素子
３１ ：撮像素子
３２ ：偏光子アレイ
５１ ：ＣＰＵ
５２ ：ＲＯＭ
５３ ：ＲＡＭ
５４ ：記憶部
５５ ：入出力部
１００ ：ベルトコンベヤー
１００Ａ ：検査領域
１０１ ：食品
３１１、３１２、３１３、３１４ ：画素
３２１、３２２、３２３、３２４ ：偏光子

Claims (6)

1. 被検査物に付着または混在した異物を検出する異物検出装置であって、
   被検査物に対して、光を照射する照射部と、
   前記被検査物で反射される反射光、または、前記被検査物を透過する透過光を受光して、偏光情報を取得する偏光情報取得部と、
   前記偏光情報取得部が取得する偏光情報を含む、前記被検査物の偏光画像を生成する偏光画像生成部と、
   前記偏光画像生成部が生成する偏光画像に基づいて、前記被検査物に付着または混在した第１異物の有無を判定する第１判定部と、
   を備える、異物検出装置。
2. 請求項１に記載の異物検出装置であって、
   前記被検査物の通常画像を生成する通常画像生成部と、
   前記通常画像に基づいて、前記被検査物に付着または混在した第２異物の有無を判定する第２判定部と、
   を備える、異物検出装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の異物検出装置であって、
   前記照射部は、前記被検査物に対して、偏光させた光を照射する、
   異物検出装置。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか一つに記載の異物検出装置であって、
   前記第１異物は透明体である、
   異物検出装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか一つに記載の異物検出装置であって、
   前記偏光情報取得部、および、前記偏光画像生成部を有する偏光カメラ、
   を備える、異物検出装置。
6. 被検査物に付着または混在した異物を検出する異物検出方法であって、
   ａ）被検査物に対して、光を照射する工程と、
   ｂ）前記被検査物で反射される反射光、または、前記被検査物を透過する透過光を受光する工程と、
   ｃ）前記工程ｂ）で受光した光から、前記被検査物がもつ偏光情報を取得する工程と、
   ｄ）前記工程ｃ）で取得した偏光情報を含む、偏光画像を生成する工程と、
   ｅ）前記偏光画像に基づいて、前記被検査物に付着または混在した異物の有無を判定する工程と、
   を備える、異物検出方法。
   

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