JP2021179331A - 表面検査装置及び表面検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面の粗度が比較的大きい検査対象物の表面に生じた汚れ欠陥の適切な検出を可能とする。【解決手段】検査対象物の表面の欠陥を検査する表面検査装置１０は、面状の発光領域２０ａを有し、面状の発光領域２０ａから検査対象物５０の表面に対して、拡散光を照射する照明装置２０と、照明装置２０が照明した検査対象物５０の表面を撮像して撮像画像を生成する撮像装置３０と、撮像画像３０に基づいて、検査対象物５０の表面の欠陥の有無を判定する判定装置４０と、を有する。照明装置２０は、撮像装置３０の光軸の検査対象物５０の表面における正反射方向と、発光領域の中心における発光領域の法線とが一致するように、配置される。【選択図】図２Ｂ

Description

本発明は、表面検査装置及び表面検査方法に関する。

検査対象物の表面の外観検査に関する技術として以下の技術が知られている。例えば、特許文献１には、ＬＥＤ光源を内部に備えたライン状の照明装置と、照明装置から発せられた照明光が、検査対象物の表面で正反射した反射光を検出するために、検査対象物の走行方向と直交する方向に配設されたラインセンサと、ラインセンサによって得られる２次元画像に対して強調処理を施すことにより強調画像を得る画像処理装置と、を備えた表面検査装置が記載されている。

また、特許文献２には、金属体に対してピーク波長が互いに異なる帯状の照明光をそれぞれ照射する複数の照明光源と、金属体の表面の鉛直上方に並置され、それぞれが金属体の同一部位を撮像するように設定された複数のモノクロラインセンサカメラからなるラインセンサカメラ群と、を備えた金属体の形状検査装置が記載されている。

特開２０１１−０８９９６７号公報 国際公開第２０１６／１９４６９８号

金属板等の材料を製造する際には、欠陥のある金属板等の材料を誤って出荷することがないように、製造された金属板等の材料を検査対象物として検査を行い、検査対象物の表面に疵や汚れ等の欠陥が生じていないか判定することが一般的である。
そうした検査において見つかる欠陥の例として、金属板等の材料の表面に生じる筋状の汚れ欠陥がある。このような筋状の汚れ欠陥は、周囲とは光透過率が異なる薄い膜が材料表面に付着することで発生するものと考えられる。このような筋状の汚れ欠陥は、材料表面に凹凸が形成されるキズとは異なり、凹凸に起因する明暗が生じないため、コントラストが小さく、目視検査によって検出することが困難であった。

特許文献１に記載のようなＬＥＤ光源を１列に並べたライン状の照明装置と撮像装置とを含む検査装置を用いたとしても、検査対象物の表面が比較的大きい粗度を有している場合には、筋状の汚れ欠陥の検出は困難となる。その理由について図１を参照しつつ説明する。
図１に示すように、ライン状の照明装置１００から、一方向に搬送される検査対象物１０１に向けて照明光が照射され、その反射光を撮像装置１０２によって撮像することで、検査対象物１０１の表面の撮像画像が生成される。照明装置１００が、ＬＥＤ光源を１列に並べたライン状のライン照明であり、ライン照明の長さ方向が、撮像装置１０２の光軸と検査対象物１０１の搬送方向の双方に垂直に配置された構成である場合には、撮像装置１０２の光軸と検査対象物１０１との交点を含み、搬送方向に直交する検査対象物１０１上の線Ａから見た照明光の見込み角θ（撮像装置１０２の光軸と検査対象物１０１との交点を含み、搬送方向に直交する検査対象物１０１上の線Ａから照明装置１００を見た場合に、照明光が見える角度を、検査対象物１０１の搬送方向と撮像装置１０２の光軸とがなす面で規定した角度）は、小さくなる。

検査対象物１０１の表面は、検査対象物１０１が光沢のある金属等である場合には、検査対象物１０１の表面は、連続する微小な鏡面から構成されていると見なすことができる。従って、撮像装置１０２で撮像される輝度値は、撮像装置１０２の光軸の検査対象物１０１の表面における正反射方向（鏡面反射方向）から得られる照明光の、照明輝度値であるといえる。検査対象物１０１の表面に、粗度に起因する凹凸がある場合には、凹凸が大きい程、鏡面反射方向が大きく変化する。そのため、検査対象物１０１の表面の粗度が比較的大きい場合に、照明光の見込み角θが小さいと、鏡面反射方向から、照明が外れ易くなる。そのため、検査対象物１０１の表面の粗度が比較的大きい場合には、撮像装置１０２で撮像した撮像画像には、検査対象物１０１の表面の部分に強い明暗が生じ（明部と暗部が形成され）、撮像装置１０２によって、検査対象物１０１の表面の凹凸が強調された見え方の画像が取得される。その結果、検査対象物１０１の表面に筋状の汚れ欠陥があったとしても、筋状の汚れ欠陥が、表面の凹凸に起因する明暗の中に埋もれてしまい、筋状の汚れ欠陥の検出が困難となる。

特に、電気めっき処理を施した材料（例えば、飲料缶用の電気クロムめっきを施した材料）では、その表面は粗度が比較的大きく、筋状の汚れ欠陥の検出が困難である。筋状の汚れ欠陥は、検査工程で発見できない場合であっても、後工程において顕在化することがあるため、後工程に進むより前に、検査によって筋状の汚れ欠陥を適切に検出し、後工程への流出を防止することが好ましい。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、表面の粗度が比較的大きい検査対象物の表面に生じた筋状の汚れ欠陥の適切な検出を可能とすることを目的とする。

本発明に係る表面検査装置は、検査対象物の表面の欠陥を検査する表面検査装置において、面状の発光領域を有し、前記面状の発光領域から前記検査対象物の表面に対して、拡散光を照射する照明装置と、前記照明装置が照明した前記検査対象物の表面を撮像して撮像画像を生成する撮像装置と、前記撮像画像に基づいて、前記検査対象物の表面の欠陥の有無を判定する判定装置と、を有し、前記照明装置は、前記撮像装置の光軸の前記検査対象物の表面における正反射方向と、前記発光領域の中心における前記発光領域の法線とが一致するように、配置される。

本発明に係る表面検査方法は、検査対象物の表面の欠陥を検査する表面検査方法において、面状の発光領域を有する照明装置を用いて、前記面状の発光領域から前記検査対象物の表面に対して、拡散光を照射する拡散光照射ステップと、撮像装置を用いて、前記照明装置が照明した前記検査対象物の表面を撮像して撮像画像を生成する撮像ステップと、前記撮像画像に基づいて、前記検査対象物の表面の欠陥の有無を判定する欠陥判定ステップと、を有し、前記照明装置は、前記撮像装置の光軸の前記検査対象物の表面における正反射方向と、前記発光領域の中心における前記発光領域の法線とが一致するように、配置される。

本発明によれば、表面の粗度が比較的大きい検査対象物の表面に生じた筋状の汚れ欠陥の適切な検出が可能となる。

比較例に係る表面検査装置の構成の一例を示す側面図である。 本発明の実施形態に係る表面検査装置の構成の一例を示す側面図である。 本発明の実施形態に係る表面検査装置の構成の一例を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る照明装置の構成の一例を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る照明装置の構成の一例を示す斜視図である。 本発明の実施形態に係る表面検査装置の構成の一例を示す側面図である。 本発明の実施形態に係る表面検査装置を用いて取得した、筋状の汚れ欠陥を含む検査対象物の画像である。 比較例に係る表面検査装置を用いて取得した、筋状の汚れ欠陥を含む検査対象物の画像である。 筋状の汚れ欠陥を含む表面検査対象物の画像における筋状の汚れ欠陥の鮮明さを示すＳＮ比と、検査位置における照明光の見込み角との関係の一例を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る表面検査装置の構成の一例を示す斜視図である。

以下、本発明の実施形態の一例を、図面を参照しつつ説明する。なお、各図面において同一または等価な構成要素及び部分には同一の参照符号を付与し、重複する説明は適宜省略する。

［第１の実施形態］
図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ本発明の実施形態に係る表面検査装置１０の構成の一例を示す側面図及び斜視図である。

表面検査装置１０は、検査対象物５０の表面に生じた筋状の汚れ欠陥等といった、表面の欠陥（表面異常）の有無の検出に用いられる。表面検査装置１０は、照明装置２０、撮像装置３０及び判定装置４０を備えている。
本実施形態において検査対象物５０は、例えば、飲料缶用として用いる電気クロムめっきを施した鋼板のような、表面に電気めっき処理が施された、帯状の形状を有する鋼板であり、長手方向（Ｘ方向）に沿って一定の速度で搬送される。なお、検査対象物５０は、例えば、鋼板以外の金属板、樹脂等の金属以外の材料からなるシート状または板状の材料等であってもよい。一方、照明装置２０及び撮像装置３０は固定されている。

照明装置２０は、図２Ａに示すように、面状の発光領域２０ａを有し、面状の発光領域２０ａから検査対象物５０の表面に対して、照明光として拡散光を照射する。また、照明装置２０は、発光領域２０ａの中心を中心Ｍとした場合に、撮像装置３０の光軸Ｏの検査対象物５０の表面（より具体的には、撮像装置３０の光軸Ｏと検査対象物５０との交点を含み、搬送方向に直交する検査対象物５０上の線Ａ）における正反射方向Ｐと、発光領域２０ａの中心Ｍにおける発光領域２０ａの法線とが一致するように、配置されている。
本実施形態において、図２Ｂに示すように、発光領域２０ａの検査対象物５０の幅方向（Ｙ方向）に沿った長さＬは、検査対象物５０の幅方向（Ｙ方向）の全域に照明光を照射することができる長さを有する。照明装置２０の発光領域２０ａとなる光出射面Ｓは、検査対象物５０の表面に対して傾いており、照明光は検査対象物５０の表面（より具体的には、撮像装置３０の光軸Ｏと検査対象物５０との交点を含み、搬送方向に直交する検査対象物５０上の線Ａ）に対して斜め上方向から入射する。

図３Ａ及び図３Ｂは、照明装置２０の構成の一例を示す斜視図である。照明装置２０は、光源２１と、光源２１の投光方向前方に配置され、光源からの光を拡散して透過させて、発光領域２０ａとなる拡散部材２２とを、有するように構成される。
光源２１は、図３Ａに示すように、一方向に配列された複数のＬＥＤ等の点光源であってもよい。また、光源２１は、図３Ｂに示すように、拡散部材２２の面に沿ってマトリックス状に配列された複数の点光源であってもよい。拡散部材２２は、光透過性を有するシート状または板状の部材であり、光源２１からの光が透過する方向をより多様な方向に（好ましくは、検査対象物５０に向かうランダムな方向に）変える機能を有する。拡散部材２２としては、市販の拡散シートまたは拡散板を用いることが可能である。光源２１からの光が拡散部材２２で多様な方向に向けられるため、拡散部材２２の表面全体が、照明装置２０の光出射面Ｓ（即ち、発光領域２０ａ）となる。上記の構成の照明装置２０によれば、光出射面Ｓにおける輝度分布が略均一となり、光出射面Ｓから拡散光を出射することが可能となる。

撮像装置３０は、検査対象物５０の表面を撮像し、撮像画像を生成するものである。
撮像装置３０は、検査対象物５０の幅方向（Ｙ方向）に亘る視野を持った１又は複数のラインセンサを含んでおり、検査対象物５０の幅方向（Ｙ方向）の全域を撮像視野に収め、当該視野を撮像することで、撮像画像を生成することが可能である。すなわち、撮像装置３０は、検査対象物５０上の検査対象位置（即ち、筋状の汚れ欠陥等を検査するための位置）が、撮像装置３０の光軸Ｏと検査対象物５０との交点を含み、搬送方向に直交する検査対象物５０上の線Ａの位置に来た時に、線Ａを視野に収めて撮像を行う。表面検査装置１０の撮像位置に含まれる線Ａは、検査対象物５０の幅方向（Ｙ方向）の全域に亘っている。そのため、検査対象物５０がＸ方向に搬送されることで、検査位置にある検査対象物５０の表面上における線Ａの位置は、Ｘ方向に沿って時々刻々変化するため、検査対象物５０の表面の全域（全幅及び全長）を撮像することが可能となる。
なお、撮像装置３０の光軸Ｏは、図２Ａに示すように、検査対象物５０の法線に対してΦだけ傾いているが、この傾きΦは、筋状の汚れ欠陥が生じていることが予め分かっているサンプルを検査対象物５０の代わりに撮像して、検出したい筋状の汚れ欠陥のＳ／Ｎ比が最も高くなるようにして、決めることが好ましい。

判定装置４０は、撮像装置３０によって生成された撮像画像を解析し、検査対象物５０の表面に生じる、筋状の汚れ欠陥等のような、欠陥の有無を判定する。なお、撮像画像から欠陥の有無を判定する処理については、公知の欠陥判定の手法を、単独で、又は、適宜組み合わせて用いることが可能であるため、説明は省略する。そのため、判定装置４０は、公知の外観検査用のソフトウェアをインストールしたコンピュータを含んでいてもよい。

照明装置２０が面状の発光領域２０ａを有することで、ライン状の発光領域を有する照明装置と比較して、照明装置２０の発光領域２０ａの、撮像装置３０の光軸Ｏの検査対象物５０の表面における正反射方向Ｐに垂直な方向の幅Ｗを大きくすることができる。これにより、見込み角θ（撮像装置３０の光軸Ｏと検査対象物５０との交点を含み、搬送方向に直交する検査対象物５０上の線Ａから照明装置２０を見た場合に、照明光が見える角度を、検査対象部５０の搬送方向と撮像装置３０の光軸Ｏとがなす面で規定した角度）を大きくすることができる。図４に示すように、見込み角θは、発光領域２０ａの幅Ｗを大きくする、または照明装置２０と検査対象物５０との距離Ｄを短くすることにより大きくすることができる。検査対象物５０が、表面に電気めっき処理が施された鋼板である場合、撮像装置３０は、照明装置２０から照射される拡散光に対して、１０°以上の見込み角θを有していることが好ましい。

図５Ａは、本発明の実施形態に係る表面検査装置１０を用いて取得した、筋状の汚れ欠陥を含む検査対象物５０の表面の撮像画像である。なお、照明装置２０は、図３Ａに示す構成のものを使用し、検査位置Ａにおける照明光の見込み角θを１１．９°とした。一方、図５Ｂは、比較例に係る表面検査装置を用いて取得した、筋状の汚れ欠陥を含む検査対象物５０の表面の撮像画像である。比較例に係る表面検査装置は、照明装置が、図３Ａの構成に対して拡散部材２２を除去した構成、すなわち、照明装置が、一方向又はマトリックス状に配列された複数のＬＥＤだけによって構成される点が、本発明の実施形態に係る表面検査装置１０と異なる。実施例（図５Ａ）及び比較例（図５Ｂ）において、検査対象物５０及び検査対象物５０の表面の検査位置は同じである。検査対象物５０は、表面に電気めっき処理を施した鋼板である。図５Ａ及び図５Ｂに示される画像において、２本の縦線（これらの縦線は説明のため設けたマーキングであり、筋状の汚れ欠陥ではない）の間に筋状の汚れ欠陥が発生している。

拡散部材２２を備えていない比較例に係る照明装置から照射される照明光は指向性が高く、撮像装置３０から見た見込み角θが小さい。そのような照明光を、粗度が比較的大きい、電気めっき処理を施した鋼板の表面に照射した場合には、図５Ｂに示すように、検査対象物の表面の凹凸によって明部と暗部が形成され、検査対象物５０の表面に見える明暗が強調された撮像画像が取得される。その結果、筋状の汚れ欠陥が埋もれてしまい筋状の汚れ欠陥の検出が困難となる。

一方、本発明の実施形態に係る表面検査装置１０によれば、照明装置２０は、発光領域２０ａが面状であることから照明光の見込み角θが大きく、照明光は拡散光であるため、粗度に起因する凹凸で鏡面反射方向が変動した場合であっても、一様な輝度で光出射面Ｓを見ることができる。これにより、明部と暗部とが形成されることを抑制することができ、その結果、図５Ａに示すように、筋状の汚れ欠陥が鮮明に映し出された撮像画像を取得することが可能となる。

図６は、筋状の汚れ欠陥を含む検査対象物５０の画像における筋状の汚れ欠陥の鮮明さを示すＳＮ比と、検査位置Ａにおける照明光の見込み角θとの関係の一例を示すグラフである。この場合の検査対象物５０は、表面に電気めっき処理を施した鋼板である。照明装置２０及び撮像装置３０は、図３Ａに示す構成のものを使用した。照明装置２０と検査対象物５０との距離Ｄを変化させることにより照明光の見込み角θを変化させた場合のそれぞれについて、検査対象物５０の筋状の汚れ欠陥を含む領域の撮像画像を取得した。取得した撮像画像から、汚れ欠陥を含む領域の輝度分布を取得し、筋状の汚れ欠陥の輝度値と筋状の汚れ欠陥の周辺部の輝度値との比をＳＮ比として取得した。ＳＮ比が高い程、画像中における筋状の汚れ欠陥の像の鮮明度が高いことを示す。

図６に示すように、撮像装置３０から見た照明光の見込み角θが大きくなる方向に変化させると、見込み角１０°近辺でＳＮ比が急激に大きくなり、その後、見込み角θの変化に対してＳＮ比は略一定値を維持する。これは、撮像装置３０から見た照明光の見込み角θを１０°以上とすることで、鮮明な筋状の汚れ欠陥の像を取得できること示している。このように、撮像装置３０の撮像位置である検査位置において、撮像装置３０の光軸Ｏと検査対象物５０との交点を含み、搬送方向に直交する検査対象物５０上の線Ａにおける撮像装置３０から見た照明光の見込み角θを変化させた場合の、画像中の筋状の汚れ欠陥の像のＳＮ比の変化に基づいて、見込み角θを決定することができる。

照明装置２０の設置環境を考慮して、上記の方法により、ＳＮ比が急激に大きくなる角度に基づいて決定した見込み角θとなるように、発光領域２０ａの幅Ｗ及び照明装置２０と検査対象物５０との距離Ｄを決定することで、表面検査装置１０の照明系を構築することができる。

以上のように、本発明の実施形態に係る表面検査装置１０によれば、表面の粗度が比較的大きい検査対象物５０の表面に生じた汚れ欠陥の適切な検出が可能となる。
なお、上記では検査対象物５０が搬送されて移動し、照明装置２０及び撮像装置３０が固定されている例を用いて説明したが、検査対象物５０と、照明装置２０及び撮像装置３０とは、相対的に移動していればよいため、上記とは逆に、検査対象物５０が固定され、照明装置２０及び撮像装置３０が移動するようにしてもよい。

［第２の実施形態］
図７は、本発明の第２の実施形態に係る表面検査装置１０Ａの構成の一例を示す斜視図である。表面検査装置１０Ａにおいて、照明装置２０Ａは、検査対象物５０と撮像装置３０の間に配置されている。照明装置２０Ａは、光透過性を有する導光板２３と、導光板２３の少なくとも１つの辺に沿って設けられた光源２１とを含む。図７においては、光源２１が導光板２３の互いに対向する２つの辺に沿って配置されている構成が例示されているが、導光板２３の１つまたは３つ以上の各辺に沿って光源２１を配置してもよい。光源２１は、例えばＬＥＤアレイ等の複数の点光源であってもよい。導光板２３は、導光板２３の辺から入射した光源２１からの光を、検査対象物５０と対向する光出射面Ｓを面状の発光領域２０ａとして、出射する。

導光板２３は、微細なプリズムを表面に有し、プリズムによる光の反射と屈折により均一な面発光を実現する。導光板２３は、光出射面Ｓが検査対象物５０の表面と平行となるように設置される。導光板２３は、アクリル等の光透過性を有する部材で構成され、撮像装置３０は、照明装置２０Ａを検査対象物５０との間に介在させた状態で検査対象物５０の画像を取得することが可能である。

本実施形態に係る照明装置２０Ａにおいても、発光領域が面状であることから照明光の見込み角θが大きく且つ照明光は拡散光となり、照明光をあらゆる方向から検査対象物５０の表面に照射することができる。これにより、明部と暗部とが形成されることを抑制することができ、筋状の汚れ欠陥が鮮明に映し出された画像を取得することが可能となる。従って、本発明の第２の実施形態に係る表面検査装置１０Ａによれば、第１の実施形態に係る表面検査装置１０と同様、表面の粗度が比較的大きい検査対象物の表面に生じた筋状の汚れ欠陥の適切な検出を実現することが可能である。

１０ 表面検査装置
２０ 照明装置
２０ａ 発光領域
２１ 光源
２２ 拡散部材
２３ 導光板
３０ 撮像装置
４０ 判定装置
５０ 検査対象物

Claims (6)

1. 検査対象物の表面の欠陥を検査する表面検査装置において、
   面状の発光領域を有し、前記面状の発光領域から前記検査対象物の表面に対して、拡散光を照射する照明装置と、
   前記照明装置が照明した前記検査対象物の表面を撮像して撮像画像を生成する撮像装置と、
   前記撮像画像に基づいて、前記検査対象物の表面の欠陥の有無を判定する判定装置と、を有し、
   前記照明装置は、前記撮像装置の光軸の前記検査対象物の表面における正反射方向と、前記発光領域の中心における前記発光領域の法線とが一致するように、配置される、表面検査装置。
2. 前記照明装置は、
   一方向に又はマトリックス状に配列された点光源からなる光源と、
   前記光源の投光方向前方に配置され、前記光源からの光を拡散して透過させる拡散部材と、
   を有し、
   前記拡散部材が、前記面状の発光領域となる、請求項１に記載の表面検査装置。
3. 前記照明装置は、
   光透過性を有する導光板と、
   前記導光板の少なくとも１つの辺に沿って設けられた光源と、
   を有し、
   前記照明装置は、前記検査対象物と前記撮像装置の間に配置されており、
   前記導光板が、前記面状の発光領域となる、請求項１に記載の表面検査装置。
4. 前記検査対象物は、表面に電気めっき処理が施された鋼板であり、
   前記撮像装置は、前記拡散光に対して１０°以上の見込み角を有している、請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面検査装置。
5. 検査対象物の表面の欠陥を検査する表面検査方法において、
   面状の発光領域を有する照明装置を用いて、前記面状の発光領域から前記検査対象物の表面に対して、拡散光を照射する拡散光照射ステップと、
   撮像装置を用いて、前記照明装置が照明した前記検査対象物の表面を撮像して撮像画像を生成する撮像ステップと、
   前記撮像画像に基づいて、前記検査対象物の表面の欠陥の有無を判定する欠陥判定ステップと、
   を有し、
   前記照明装置は、前記撮像装置の光軸の前記検査対象物の表面における正反射方向と、前記発光領域の中心における前記発光領域の法線とが一致するように、配置される、表面検査方法。
6. 前記撮像装置の撮像位置における前記拡散光の見込み角を変化させた場合の、前記撮像画像中におけるＳＮ比の変化に基づいて、前記見込み角を決定する、請求項５に記載の表面検査方法。

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