JP2021131365A - 画像検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】縞パターンの角度を切り替える機構を不要として、比較的小規模な照明を用いて、拡散光の影響を低減して検査を行うことができる画像検査装置を提供する。【解決手段】画像検査装置１００は、同心円状の縞パターンを同心円の動径方向にシフトさせて、複数の縞パターンを対象物２００に照射する照射部２０と、複数の縞パターンがそれぞれ照射された対象物２００の複数の画像を撮影する撮影部３０と、複数の画像に基づいて、対象物２００の検査を行う検査部１０と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、画像検査装置に関する。

従来、対象物に欠陥がないか検査するため、対象物の画像を撮影して、画像に基づいて検査を行う画像検査装置が用いられている。画像検査装置は、縞状のパターンを対象物に照射して、パターンが照射された対象物の画像に基づいて、検査を行うことがある。

例えば下記特許文献１には、被検査体の表面の凹凸を検出するための表面検査装置であって、被検査体の表面に縞状パターンの光を照射し、被検査体の表面に映る縞状パターンを撮影した画像を、その画像中の縞状パターンと検出したい凹凸の大きさとに基づいて複数のブロックに分割し、ブロック毎に、各ブロックに含まれる縞状パターンの周波数および方向を求め、その結果に基づいて２次元ガボールフィルタを求め、２次元ガボールフィルタを画像に適用することにより、凹凸を検出する表面検査装置が記載されている。

また、下記特許文献２には、被検査対象物の表面に、照射角度を異ならせて複数の色相光を照射し、各色相光の反射光を色相光別に撮像して得られた色相光別の撮像パターンから被検査対象物の曲面の傾斜角度を検出する照明装置が記載されている。

特許第５１８２８３３号 特開２００２−２９６１９８号公報

対象物の欠陥を検査する場合、例えば特許文献１に記載の技術では、縞パターンに直交する方向の線状の凹みは検出しにくく、そのような欠陥を検出するためには縞パターンを異なる角度で複数回投影すればよいが、縞パターンを切り替える機構が必要となり、撮影時間も長くなる。また、特許文献２に記載の技術では、正反射光だけでなく、拡散光も撮影され得るため、検査精度が下がることがある。

そこで、本発明は、比較的小規模な照明を用いて、拡散光の影響を低減して検査を行うことができる画像検査装置を提供する。

本発明の一態様に係る画像検査装置は、同心円状の縞パターンを同心円の動径方向にシフトさせて、複数の縞パターンを対象物に照射する照射部と、複数の縞パターンがそれぞれ照射された対象物の複数の画像を撮影する撮影部と、複数の画像に基づいて、対象物の検査を行う検査部と、を備える。

この態様によれば、複数の同心円状の縞パターンがそれぞれ照射された対象物の複数の画像に基づいて、対象物の検査を行うことで、縞パターンの角度を切り替える機構を不要として、比較的小規模な照明を用いて、拡散光の影響を低減して検査を行うことができる。

上記態様において、照射部は、ドーム型照明を含んでもよい。

この態様によれば、対象物と発光面との距離が一定になり、さらに、発光面に対して垂直な方向に対象物があるので、低角度の光線の強度が維持しやすくなる。

上記態様において、ドーム型照明は、フレキシブルディスプレイで構成されていてもよい。

この態様によれば、比較的高解像度で同心円状の縞パターンを照射することができる。ここで、フレキシブルディスプレイとは、可撓性を有する表示装置であり、例えば有機ＥＬディスプレイで構成される。

上記態様において、照射部は、撮影部の光軸と重畳する位置に配置された光透過型照明を含んでもよい。

この態様によれば、同心円の中心部分に関する縞パターンの欠損を低減でき、より正確な検査を行うことができる。

上記態様において、光透過型照明は、平板形状を有し、光を透過する面発光照明で構成されていてもよい。

この態様によれば、同心円の中心部分に関しても円周部分と同等な均一拡散光を照射することができ、より正確な検査を行うことができる。ここで、平板形状を有する面発光照明は、平面の照明面からドーム照明と同等な均一拡散光を照射する照明であってよい。

上記態様において、照射部は、動径方向に延伸する放射状のパターンを同心円の接線方向にシフトさせて、複数の放射状のパターンを対象物に照射してもよい。

この態様によれば、同心円状の縞パターンでは捉えきれない凹凸の有無を検査することができ、検査精度を向上させることができる。

本発明によれば、縞パターンの角度を切り替える機構を不要として、比較的小規模な照明を用いて、拡散光の影響を低減して検査を行うことができる画像検査装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る画像検査装置の構成を示す図である。 本実施形態に係る画像検査装置の検査部の物理的構成を示す図である。 本実施形態に係る画像検査装置により照射される同心円状の縞パターンを示す図である。 本実施形態に係る画像検査装置の照射部により照射される光量の時間変化を示す図である。 本実施形態に係る画像検査装置により生成された対象物の位相画像の一例を示す図である。 本実施形態に係る画像検査装置により生成された対象物の正反射画像の一例を示す図である。 本実施形態に係る画像検査装置により実行される検査処理のフローチャートである。 本実施形態に係る画像検査装置により照射される放射状の縞パターンを示す図である。 本実施形態に係る画像検査装置により実行される検査処理のフローチャートである。

添付図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。

図１は、本発明の実施形態に係る画像検査装置１００の構成を示す図である。画像検査装置１００は、検査部１０、照射部２０及び撮影部３０を備える。

照射部２０は、同心円状の縞パターンを同心円の動径方向にシフトさせて、複数の縞パターンを対象物２００に照射する。照射部２０は、ドーム型照明２１を含む。ドーム型照明２１によって照射部２０を構成することで、対象物２００と発光面との距離が一定になり、さらに、発光面に対して垂直な方向に対象物２００があるので、低角度の光線の強度が維持しやすくなる。ドーム型照明２１は、フレキシブルディスプレイで構成されていてよい。ここで、フレキシブルディスプレイとは、可撓性を有する表示装置であり、例えば有機ＥＬディスプレイで構成される。ドーム型照明２１をフレキシブルディスプレイで構成することで、比較的高解像度で同心円状の縞パターンを照射することができる。

照射部２０は、撮影部３０の光軸と重畳する位置に配置された光透過型照明２２を含む。光透過型照明２２は、ハーフミラーを含む構成としてもよい。光透過型照明２２を設けず、ドーム型照明２１のみを設ける構成とすることも可能であるが、その場合、同心円状の中心部分に関する縞パターンが欠損することになる。光透過型照明２２を設けることで、同心円の中心部分に関する縞パターンの欠損を低減でき、より正確な検査を行うことができる。光透過型照明２２は、平板形状を有し、光を透過する面発光照明で構成されていてもよい。ここで、平板形状を有する面発光照明とは、平面の照明面からドーム照明と同等な均一拡散光を照射する照明である。これにより、同心円の中心部分に関しても円周部分と同等な均一拡散光を照射することができ、より正確な検査を行うことができる。なお、面発光照明は、エッジ部に光源を有し、光源から出射された光を、導光板や微小ミラーによって平板の面に直交する方向に反射させる構成を有してよい。また、面発光照明の構成はこれに限定されるものではなく、例えば、面発光照明は、指向性を有する複数の微小な光源を発光面上に配列した構成を有してもよい。

撮影部３０は、複数の縞パターンがそれぞれ照射された対象物２００の複数の画像を撮影する。撮影部３０は、汎用のカメラで構成され、照射部２０によって照射される複数の縞パターン毎に、対象物２００の画像を撮影する。

検査部１０は、撮影部３０により撮影された複数の画像に基づいて、対象物２００の検査を行う。検査部１０は、位相シフト法によって、複数の縞パターンがそれぞれ照射された対象物２００の複数の画像に基づいて、位相画像及び正反射画像を生成する。例えば、照射部２０によって、π／２ずつ位相が異なる同心円状の縞パターンを照射する場合、画像の２次元座標を（ｘ，ｙ）と表し、４種類の縞パターンを照射して撮影した画像をＩ₀（ｘ，ｙ），Ｉ₁（ｘ，ｙ），Ｉ₂（ｘ，ｙ），Ｉ₃（ｘ，ｙ）と表す場合、画素の位相は、Φ（ｘ，ｙ）＝ｔａｎ^-1（（Ｉ₃（ｘ，ｙ）−Ｉ₁（ｘ，ｙ））／（Ｉ₀（ｘ，ｙ）−Ｉ₂（ｘ，ｙ）））と表される。撮影部３０は、撮影部３０の光軸が、対象物２００上で正反射して照射部２０と交わる位置の縞パターンを撮影する。ここで、縞パターンが撮影できる対象物２００の法線角度の範囲は０°〜４５°である。撮影部３０によって最初に撮影される縞パターンの位相を、中心部分において０となり、撮影部３０の光軸と直交する位置において２πとなるようにすれば、撮影される縞の位相値Φ（ｘ，ｙ）は、対象物２００の法線方向と撮影部３０の光軸方向のなす角度に比例する値となる。そして、位相画像の濃度を、Ｉ_p（ｘ，ｙ）＝（２π−Φ（ｘ，ｙ））×１２８／πとする。このとき、位相画像は、対象物２００の法線方向と撮影部３０の光軸方向のなす角度が０°の場合に白画素（２５６）となり、対象物２００の法線方向と撮影部３０の光軸方向のなす角度が４５°の場合に黒画素（０）となる。そのため、位相画像を用いることで、対象物２００の表面の凹凸を検査することができる。また、正反射成分は、Ａ（ｘ，ｙ）＝（（Ｉ₀（ｘ，ｙ）−Ｉ₂（ｘ，ｙ））²＋（Ｉ₃（ｘ，ｙ）−Ｉ₁（ｘ，ｙ））²）^1/2と表される。このようにして生成される正反射画像は、対象物２００の表面で正反射した光の強度を表す。対象物２００に傷がある場合、その傷の微細形状により、光が乱反射することがある。この場合、傷部分で正反射成分が相対的に弱くなる。そのため、正反射画像を用いて、対象物２００の表面の凹凸を検査することができる。

本実施形態に係る画像検査装置１００によれば、複数の同心円状の縞パターンがそれぞれ照射された対象物２００の複数の画像に基づいて、対象物２００の検査を行うことで、縞パターンの角度を切り替える機構を不要として、比較的小規模な照明を用いて、拡散光の影響を低減して検査を行うことができる。画像検査によって検出したい対象は、対象物２００の傷やへこみであるが、拡散光には、対象物２００の表面の濃淡パターン等、検査したい対象とは異なる情報が含まれる可能性がある。本実施形態に係る画像検査装置１００では、複数の同心円状の縞パターンを照射して、位相画像又は正反射画像を生成することで、拡散光の影響を低減して検査を行うことができる。また、ドーム型の照射部２０を用いることで、対象物２００と発光面との距離が一定になり、さらに、発光面に対して垂直な方向に対象物２００があるので、低角度の光線の強度が維持しやすくなる。

図２は、本実施形態に係る検査部１０の物理的構成を示す図である。検査部１０は、演算部に相当するＣＰＵ（Central Processing Unit）１０ａと、記憶部に相当するＲＡＭ（Random Access Memory）１０ｂと、記憶部に相当するＲＯＭ（Read only Memory）１０ｃと、通信部１０ｄと、入力部１０ｅと、表示部１０ｆと、を有する。これらの各構成は、バスを介して相互にデータ送受信可能に接続される。なお、本例では検査部１０が一台のコンピュータで構成される場合について説明するが、検査部１０は、複数のコンピュータが組み合わされて実現されてもよい。また、図２で示す構成は一例であり、検査部１０はこれら以外の構成を有してもよいし、これらの構成のうち一部を有さなくてもよい。

ＣＰＵ１０ａは、ＲＡＭ１０ｂ又はＲＯＭ１０ｃに記憶されたプログラムの実行に関する制御やデータの演算、加工を行う制御部である。ＣＰＵ１０ａは、複数の縞パターンがそれぞれ照射された対象物の画像に基づいて、対象物の検査を行うプログラム（画像検査プログラム）を実行する演算部である。ＣＰＵ１０ａは、入力部１０ｅや通信部１０ｄから種々のデータを受け取り、データの演算結果を表示部１０ｆに表示したり、ＲＡＭ１０ｂに格納したりする。

ＲＡＭ１０ｂは、記憶部のうちデータの書き換えが可能なものであり、例えば半導体記憶素子で構成されてよい。ＲＡＭ１０ｂは、ＣＰＵ１０ａが実行するプログラム、対象物の画像といったデータを記憶してよい。なお、これらは例示であって、ＲＡＭ１０ｂには、これら以外のデータが記憶されていてもよいし、これらの一部が記憶されていなくてもよい。

ＲＯＭ１０ｃは、記憶部のうちデータの読み出しが可能なものであり、例えば半導体記憶素子で構成されてよい。ＲＯＭ１０ｃは、例えば画像検査プログラムや、書き換えが行われないデータを記憶してよい。

通信部１０ｄは、検査部１０を他の機器に接続するインターフェースである。通信部１０ｄは、インターネット等の通信ネットワークＮに接続されてよい。

入力部１０ｅは、ユーザからデータの入力を受け付けるものであり、例えば、キーボード及びタッチパネルを含んでよい。

表示部１０ｆは、ＣＰＵ１０ａによる演算結果を視覚的に表示するものであり、例えば、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）により構成されてよい。表示部１０ｆは、撮影した対象物の画像を表示してよい。

画像検査プログラムは、ＲＡＭ１０ｂやＲＯＭ１０ｃ等のコンピュータによって読み取り可能な記憶媒体に記憶されて提供されてもよいし、通信部１０ｄにより接続される通信ネットワークを介して提供されてもよい。検査部１０では、ＣＰＵ１０ａが画像検査プログラムを実行することにより、図１を用いて説明した様々な動作が実現される。なお、これらの物理的な構成は例示であって、必ずしも独立した構成でなくてもよい。例えば、検査部１０は、ＣＰＵ１０ａとＲＡＭ１０ｂやＲＯＭ１０ｃが一体化したＬＳＩ（Large-Scale Integration）を備えていてもよい。

図３は、本実施形態に係る画像検査装置１００により照射される同心円状の縞パターンを示す図である。同図では、第１パターンＰ１、第１パターンＰ１に対して位相がπ／２進んだ第２パターンＰ２、第２パターンＰ２に対して位相がπ／２進んだ第３パターンＰ３及び第３パターンＰ３に対して位相がπ／２進んだ第４パターンＰ４を示している。

画像検査装置１００は、このような４種類の縞パターンを対象物２００に照射し、それぞれ画像を撮影する。そして、画像検査装置１００は、４つの画像に基づいて、位相画像又は正反射画像を生成して、対象物２００の検査を行う。なお、同心円状の縞パターンは、４種類に限られず、任意の位相差で複数種類の縞パターンが照射されてよい。

図４は、本実施形態に係る画像検査装置１００の照射部２０により照射される光量の時間変化を示す図である。同図では、図１に示した照射部２０の第１部分Ｌ０、第２部分Ｌ１、第３部分Ｌ２及び第４部分Ｌ３それぞれについて、縦軸に光量を示し、横軸に時間を示している。

照射部２０の第１部分Ｌ０は、おおよそ正弦波に従う光量の光を照射する。照射部２０の第２部分Ｌ１は、第１部分Ｌ０に対して位相がπ／２遅れた正弦波に従う光量の光を照射し、照射部２０の第３部分Ｌ２は、第２部分Ｌ１に対して位相がπ／２遅れた正弦波に従う光量の光を照射し、照射部２０の第４部分Ｌ３は、第３部分Ｌ２に対して位相がπ／２遅れた正弦波に従う光量の光を照射する。このようにして、同心円状の縞パターンが対象物２００に照射される。

図５は、本実施形態に係る画像検査装置１００により生成された対象物２００の位相画像ＩＭＧ１の一例を示す図である。本例の対象物２００は、円筒状の金属面を有する。画像検査装置１００は、図３に示す４種類の同心円状の縞パターンを対象物２００に照射してそれぞれ画像を撮影し、φ（ｘ，ｙ）＝ｔａｎ^-1（（Ｉ₃（ｘ，ｙ）−Ｉ₁（ｘ，ｙ））／（Ｉ₀（ｘ，ｙ）−Ｉ₂（ｘ，ｙ）））により位相画像ＩＭＧ１を生成した。

位相画像ＩＭＧ１は、Ｉ_p（ｘ，ｙ）＝（２π−Φ（ｘ，ｙ））×１２８／πにより定義され、対象物２００の法線方向と撮影部３０の光軸方向のなす角度が０°の場合に白画素（２５６）となり、対象物２００の法線方向と撮影部３０の光軸方向のなす角度が４５°の場合に黒画素（０）となる。本例から、対象物２００の表面に傷Ｄが生じていることが読み取れる。このような傷Ｄは、画素値の不連続性に基づいて、自動的に検出することができる。

図６は、本実施形態に係る画像検査装置１００により生成された対象物２００の正反射画像の一例を示す図である。本例の対象物２００は、円筒状の金属面を有する。画像検査装置１００は、図３に示す４種類の同心円状の縞パターンを対象物２００に照射してそれぞれ画像を撮影し、Ａ（ｘ，ｙ）＝（（Ｉ₀（ｘ，ｙ）−Ｉ₂（ｘ，ｙ））²＋（Ｉ₃（ｘ，ｙ）−Ｉ₁（ｘ，ｙ））²）^1/2により正反射画像ＩＭＧ２を生成した。

正反射画像ＩＭＧ２は、対象物２００の表面で正反射した光の強度を表す。本例から、対象物２００の表面に傷Ｄが生じていることが読み取れる。このような傷Ｄは、画素値の不連続性に基づいて、自動的に検出することができる。

図７は、本実施形態に係る画像検査装置１００により実行される検査処理のフローチャートである。はじめに、画像検査装置１００は、同心円状の縞パターンを対象物２００に照射する（Ｓ１０）。

その後、画像検査装置１００は、縞パターンが照射された対象物２００の画像を撮影し（Ｓ１１）。画像検査装置１００は、撮影が終了していない場合（Ｓ１２：ＮＯ）、縞パターンを同心円の動径方向にシフトして（Ｓ１３）、再び同心円状の縞パターンを対象物２００に照射し（Ｓ１０）、縞パターンが照射された対象物２００の画像を撮影する（Ｓ１１）。

一方、撮影が終了した場合（Ｓ１２：ＹＥＳ）、画像検査装置１００は、複数の画像に基づいて、位相画像及び正反射画像を生成する（Ｓ１４）。なお、撮影が終了したか否かは、縞パターンの位相を２πシフトしたか否かによって判定したり、所定の枚数の画像を撮影したか否かによって判定したりしてよい。最後に、画像検査装置１００は、位相画像及び正反射画像に基づいて、対象物２００の検査を実行する（Ｓ１５）。

図８は、本実施形態に係る画像検査装置１００により照射される放射状の縞パターンを示す図である。照射部２０は、動径方向に延伸する放射状のパターンを同心円の接線方向にシフトさせて、複数の放射状のパターンを対象物２００に照射する。すなわち、同心円状の縞パターンのシフト方向と、放射状の縞パターンのシフト方向は、直交する。

同心円状の縞パターンを照射して対象物２００の検査を行う場合、縞パターンの大きさが対象物２００に対して十分に大きくないと、同心円の動径方向に延伸する凹凸は、位相シフトによる変化が捉えづらく、検出することが困難となる。特に、凹凸が画像の端に位置する場合、照射される縞パターンの半径が比較的大きくなり、位相シフトによる変化が捉えづらい。この点、放射状の縞パターンを用いると、同心円の動径方向に延伸する凹凸であっても、位相シフトによる変化が捉えやすくなり、検出が容易となる。このように、放射状の縞パターンを用いることで、同心円状の縞パターンでは捉えきれない凹凸の有無を検査することができ、検査精度を向上させることができる。

図８では、第５パターンＰ５、第５パターンＰ５に対して位相がπ／８進んだ第６パターンＰ６、第６パターンＰ６に対して位相がπ／８進んだ第７パターンＰ７及び第７パターンＰ７に対して位相がπ／８進んだ第８パターンＰ８を示している。

画像検査装置１００は、このような４種類の放射状のパターンを対象物２００に照射し、それぞれ画像を撮影する。そして、画像検査装置１００は、４つの画像に基づいて、位相画像又は正反射画像を生成して、対象物２００の検査を行う。なお、放射状の縞パターンは、４種類に限られず、任意の位相差で複数種類の放射状の縞パターンが照射されてよい。

図９は、本実施形態に係る画像検査装置１００により実行される検査処理のフローチャートである。はじめに、画像検査装置１００は、放射状のパターンを対象物２００に照射する（Ｓ２０）。

その後、画像検査装置１００は、放射状のパターンが照射された対象物２００の画像を撮影し（Ｓ２１）。画像検査装置１００は、撮影が終了していない場合（Ｓ２２：ＮＯ）、放射状のパターンを同心円の接線方向にシフトして（Ｓ２３）、再び放射状のパターンを対象物２００に照射し（Ｓ２０）、放射状のパターンが照射された対象物２００の画像を撮影する（Ｓ２１）。

一方、撮影が終了した場合（Ｓ２２：ＹＥＳ）、画像検査装置１００は、複数の画像に基づいて、位相画像及び正反射画像を生成する（Ｓ２４）。なお、撮影が終了したか否かは、縞パターンの位相をπ／２シフトしたか否かによって判定したり、所定の枚数の画像を撮影したか否かによって判定したりしてよい。最後に、画像検査装置１００は、位相画像及び正反射画像に基づいて、対象物２００の検査を実行する（Ｓ２５）。

以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、異なる実施形態で示した構成同士を部分的に置換し又は組み合わせることが可能である。

［附記］
同心円状の縞パターンを前記同心円の動径方向にシフトさせて、複数の縞パターンを対象物（２００）に照射する照射部（２０）と、
前記複数の縞パターンがそれぞれ照射された前記対象物（２００）の複数の画像を撮影する撮影部（３０）と、
前記複数の画像に基づいて、前記対象物（２００）の検査を行う検査部（１０）と、
を備える画像検査装置（１００）。

１０…検査部、１０ａ…ＣＰＵ、１０ｂ…ＲＡＭ、１０ｃ…ＲＯＭ、１０ｄ…通信部、１０ｅ…入力部、１０ｆ…表示部、２０…照射部、２１…ドーム型照明、２２…光透過型照明、３０…撮影部、１００…画像検査装置、２００…対象物

Claims (6)

1. 同心円状の縞パターンを前記同心円の動径方向にシフトさせて、複数の縞パターンを対象物に照射する照射部と、
   前記複数の縞パターンがそれぞれ照射された前記対象物の複数の画像を撮影する撮影部と、
   前記複数の画像に基づいて、前記対象物の検査を行う検査部と、
   を備える画像検査装置。
2. 前記照射部は、ドーム型照明を含む、
   請求項１に記載の画像検査装置。
3. 前記ドーム型照明は、フレキシブルディスプレイで構成されている、
   請求項２に記載の画像検査装置。
4. 前記照射部は、前記撮影部の光軸と重畳する位置に配置された光透過型照明を含む、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の画像検査装置。
5. 前記光透過型照明は、平板形状を有し、光を透過する面発光照明で構成されている、
   請求項４に記載の画像検査装置。
6. 前記照射部は、前記動径方向に延伸する放射状のパターンを前記同心円の接線方向にシフトさせて、複数の放射状のパターンを前記対象物に照射する、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の画像検査装置。

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