JP2023166092A - 外観検査システム及び外観検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被検査面が凹曲面または凸曲面からなる被検査物品の欠陥を検査する外観検査システムを提供する。【解決手段】被検査物品１０を保持する傾斜及び回転可能な駆動ステージ２０と、被検査物品１０へ照明光を照射するドーム照明からなる照明手段３０と、被検査物品１０からの照明反射光を結像し撮像面で受光するテレセントリック光学系４０を前置する撮像手段５０とからなる検査部２００と、検査部２００を制御する制御部３００とを備える。テレセントリック光学系４０の光軸Ｃが駆動ステージの鉛直軸Ｂに対して所定の斜視角Φをなして配設されている。検査領域を設定した被検査面を所定の回転角で逐次回転させて、１又は２以上の検査領域からなる被検査面を逐次検査する回転検査工程と、被検査面を傾斜する被検査面傾斜工程を備える外観検査方法である。【選択図】図１

Description

本願発明は、外観検査システム及び外観検査方法に関する。特に、被検査面が凹曲面または凸曲面からなる物品の外観不良、例えば異物、キズ、塗工ムラを検査する外観検査システム及び検査方法に関する。

被検査面が鏡面となる凹曲面または凸曲面からなる物品の外観検査においては、照明光の配置、照明反射光の撮像手段に及ぼす影響を考慮した外観検査システム及び検査方法が求められている。
特許文献１には、凸曲面が鏡面となっている検査対象物の表面のキズや凹みを検査する鏡面検査装置として、相互に異なる色の光を投射するとともに相互に異なる配置角度で配置された複数の照明部と検査対象領域を撮像してカラー画像を取得する撮像部を備える鏡面検査装置が開示されている。しかしながら、検査対象物は、円筒の金属ロッドであり検査対象物を回転傾斜させて検査する点については開示されていない。
特許文献２には、回転対称性を有する非球面レンズの形状計測装置として、ｘｙｚθ_ｘθ_ｙθ_ｚの６軸方向に駆動可能な回転ステージを制御する形状計測装置が開示されている。しかしながら、光源と検出部の配置はハーフミラーを介した同軸照明系であり、光源と検出部の配置は公知のものである。

特許文献３には、同軸照明とドーム照明を併用する欠陥検査システムが開示されている。しかしながら、照明光の配置、照明反射光の撮像手段に及ぼす影響を考慮したものではなく、被検査面が凹曲面または凸曲面からなる物品を検査の対象としたものではない。

特開２０１６－２１２０６０号公報 特開２０１６－１５３７８６号公報 特開２０１６－１９４４３４号公報

被検査面が凹曲面または凸曲面からなる物品の外観検査において、同軸落射照明を採用した場合には、被検査面が凸曲面であると、同軸落射照明の筐体が被検査物品の外観検査情報（以下、「検査画像」という。）に映り込むという課題がある。また、同軸落射照明に代えてドーム照明を採用した場合には、撮像手段を配設するためにドーム照明に設けた配設孔は照明光を反射する機能を持たないため検査画像に暗孔として現れるという課題がある。
本願発明は、かかる課題を解決して被検査面が凹曲面または凸曲面からなる物品の欠陥を適切に検査できる外観検査システムを提供することである。

本願発明の課題は、以下の態様（１）乃至（７）により解決できる。具体的には、

（態様１） 被検査物品を保持する傾斜及び回転可能な駆動ステージと、前記被検査物品へ照明光を照射するドーム照明からなる照明手段と、前記被検査物品からの照明反射光を結像し撮像面で受光するテレセントリック光学系を前置する撮像手段と、からなる検査部と、
前記検査部を制御する制御部と、を備える外観検査システムであって、前記テレセントリック光学系の光軸が前記駆動ステージの鉛直軸に対して所定の斜視角をなして配設されていることを特徴とする外観検査システムである。
テレセントリック光学系の光軸が前記駆動ステージの鉛直軸に対して所定の斜視角をなして配設されていることにより、撮像手段で取得される撮像面におけるカメラ軸の映り込みの影響を排除できるからである。

（態様２） 前記被検査物品の被検査面が、凹曲面又は凸曲面であることを特徴とする態様１に記載する外観検査システムである。
被検査面が、凹曲面又は凸曲面である被検査物品の外観検査に適切な外観検査システムだからである。

（態様３） 前記ドーム照明からなる照明手段が、前記テレセントリック光学系を前置する撮像手段を配設するための配設孔を設けたドーム状の可動部と前記可動部を内接して支持する半ドーム状の支持部で構成されていることを特徴とする態様１または態様２のいずれかに記載する外観検査システムである。
ドーム照明が配設孔を設けた可動部を備えることで、斜視角の設定が簡易となるからである。

（態様４） 前記駆動ステージに載置された被検査物品の被検査面、前記光学系及び前記撮像面の間でシャインプルーフの条件を満たすことを特徴とする態様１から態様３のいずれかに記載する外観検査システムである。
シャインプルーフの条件を満たすことで、撮像手段で取得される撮像面の合焦点範囲（被写界深度）を広げることができるからである。

（態様５） 被検査面が凹曲面又は凸曲面からなる物品の外観検査方法であって、被検査面の回転中心を決定する回転中心決定工程と、xyステージ走査及び光軸走査ｚにより、回転中心を決定した被検査面に撮像手段の被写界深度内とする検査領域を設定する検査領域設定工程と、回転ステージの走査により、検査領域を設定した被検査面を所定の回転角で逐次回転させて、１又は２以上の検査領域からなる被検査面を逐次検査する回転検査工程と、傾斜ステージの走査により、被検査面を傾斜する被検査面傾斜工程と、を備える外観検査方法である。

（態様６） 前記検査領域設定工程、前記回転検査工程及び前記被検査面傾斜工程を逐次繰り返すことにより、被検査面が凹曲面又は凸曲面からなる物品の全周面を検査することを特徴とする態様５に記載する外観検査方法である。

（態様７） 回転中心を決定した被検査面が凹曲面又は凸曲面からなる物品のコンピュータで実行可能な外観検査プログラムであって、前記検査領域設定工程、前記回転検査工程及び前記被検査面傾斜工程を逐次実行することを特徴とするコンピュータで実行可能な外観検査プログラムである。

本願発明によれば、被検査面が凹曲面または凸曲面からなる物品の外観検査において、撮像手段で取得される検査画像に現れる照明手段の映り込み、撮像手段を配設するために照明手段に設けた配設孔により撮像手段で取得される検査画像に現れる暗孔の影響を排除することができ、被検査面が凹曲面または凸曲面からなる物品の欠陥を適切に検査できる外観検査システムを提供できる。

本願発明の外観検査システムの全体構成図である。 本願発明の外観検査システムで採用するドーム照明の第１の態様を示す説明図である。 本願発明の外観検査システムで採用するドーム照明の第２の態様を示す説明図である。 同軸落射照明により凸曲面を撮像する場合の照明筐体の検査画像への映り込みの説明図である。 ドーム照明における撮像手段の斜視角Φと撮像手段で取得される検査画像との関係の説明図である。 シャインプルーフの原理を説明する模式図である。 本願発明の外観検査方法を示すフロー図である。 本願発明の被検査面が回転対称を有する凸曲面である場合の被検査面における検査領域の配置を示す説明図である。 本願発明の被検査面が回転対称を有する凹曲面である場合の被検査面における検査領域の配置を示す説明図である。

本願発明を実施するための形態を図１～図９に基づいて説明する。ただし、図１～図９は実施形態の一例であり、これに限定されるものではない。

１．外観検査システム
（１）外観検査システムの構成
図１は、本願発明の外観検査システムの全体構成を示す全体構成図である。図１に示すように、本願発明の外観検査システム１００は、被検査物品１０の外観検査画像を取得する検査部２００と、検査部２００を制御する制御部３００で構成されている。以下、被検査物品１０、検査部２００、制御部３００の順で説明する。

（２）被検査部品
本願発明の外観検査システム１００の検査対象となる被検査物品１０は、被検査面が凹曲面または凸曲面からなる物品であれば特に限定されない。非球面レンズの金型などがある。被検査面が回転対称性を有する凹曲面または凸曲面からなる物品に好適である。

（３）検査部
本願発明の検査部２００は、被検査物品１０の検査画像を取得する役割を担う。検査部２００は、被検査物品１０を保持して水平移動、傾斜及び回転可能な駆動ステージ２０と、被検査物品１０へ照明光を照射するドーム照明からなる照明手段３０と、被検査物品１０からの照明反射光を結像し撮像面で受光するテレセントリック光学系４０を前置する撮像手段５０とからなる。テレセントリック光学系４０の光軸Cは、駆動ステージ２０の鉛直軸Ｂに対して所定の斜視角Φをなして配設されている。
また、照明手段３０及びテレセントリック光学系４０を前置する撮像手段５０を一体としてｚ方向へ移動可能な光軸駆動手段を備える。

（３－１）駆動機構
本願発明の駆動機構は、駆動ステージ２０と光軸駆動手段で構成される。
駆動ステージ２０は、被検査物品１０の被検査面をxyθｓの４軸方向に移動回転傾斜する役割を担う。具体的には、被検査物品１０を保持して回転軸Aを中心に所定の回転角θで回転する回転ステージ２１、被検査物品１０をxy方向に水平移動するxyステージ２２、被検査物品１０を所定の傾斜角Ｓで傾斜する傾斜ステージ２３で構成される。
駆動ステージ２０及び光軸駆動手段は、制御部３００の駆動制御部６２からの指令に基づいて駆動走査し、被検査物品１０の被検査面をｘｙｚθｓ５軸方向に移動回転傾斜することができる。駆動ステージ２０及び光軸駆動手段の走査により被検査面が凹曲面または凸曲面からなる被検査物品１０の被検査面を余すところなく検査することができる。

（３－２）照明手段
本願発明の外観検査システム１００の照明手段３０は、ドーム照明３１を採用する。図２は、本願発明の外観検査システムで採用するドーム照明の第１の態様を示す説明図である。ドーム照明３１は、複数の光源３３からなる環状照明を底側面に配設し、光源３３からの照射光を反射するドーム状の筐体３２を備えている。光源３３は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の3色を同時に発光するＬＥＤ光源が好適である。ドーム照明３１は、被検査物品１０とテレセントリック光学系４０を前置する撮像手段５０との間に配置される。ドーム照明３１の頂側面には、テレセントリック光学系４０を前置する撮像手段５０を所定の斜視角Φをなして配設するための配設孔３４が設けられている。
図３は、本願発明の外観検査システムで採用するドーム照明の第２の態様を示す説明図である。本態様では、図３（ａ）に示すようにドーム状の筐体３２は、ドーム状の可動部３２ａと半ドーム状の支持部３２ｂで構成され、一体でドーム状筐体３２となる。可動部３２ａは、テレセントリック光学系４０を前置する撮像手段５０を配設するための配設孔３４を設けている。支持部３２ｂは、可動部３２ａを内接し、複数の光源３３からなる環状照明を底側面に配設している。可動部３２ａを設けることで、適宜配設孔３４を任意の斜視角Φとすることができる。図３（ｂ）、図３（ｃ）は、斜視角Φをそれぞれ、１５°、４５°とした場合の態様である。図３（ｄ）に示すように固定手段３５（例えば、磁石板、粘着シート）を用いて可動部３２ａと支持部３２ｂを固定できる。
本願発明では、ドーム照明を採用することにより、被検査物品１０に対して広範囲に拡散光を照射でき、輝度ムラを低減できる。また、図４に説明する同軸落射照明を採用した場合に生ずる同軸落射照明の筐体が検査画像に映り込むという課題を解決できるという利点もある。

（３－３）撮像手段
本願発明の外観検査システム１００の撮像手段５０は、照明手段３０の後方に設けられ、テレセントリック光学系４０を前置する。すなわち、テレセントリック性を有するテレセントリックレンズユニット（図示せず）を被検査物品１０と撮像手段５０の間に配置して、物体側テレセントリック光学系を構成する。
本願発明の外観検査システム１００では、照明手段３０は、ドーム照明を採用し、テレセントリック光学系４０の光軸Cは、駆動ステージ２０の鉛直軸Ｂに対して所定の斜視角Φをなして配設されている。本願発明の外観検査システム１００の斜視角Φは、１５°～４５°が好ましく、１５°～２０°がより好ましい。
図５は照明手段及び撮像手段の斜視角Φと撮像手段で取得される検査画像との関係の説明図である。本願発明は、テレセントリック光学系４０の光軸Cを駆動ステージ２０の鉛直軸Ｂに対して所定の斜視角Φをなして配設している。これは、撮像手段５０で取得される検査画像から暗孔を排除した検査画像を適切に取得できるからである。
撮像手段５０は、被検査物品１０からの照明反射光を光電変換して映像信号とする集積回路（IC：integrated circuits）を用いた撮像素子を好適に採用できる。撮像素子としては、多数のホトダイオードを平面状のシリコン基板に並べたものが使われ、転送には電荷結合素子（CCD：charge-coupled device）または相補型金属酸化膜半導体（CMOS （シーモス） ：complementary metal oxide semiconductor）等の集積回路が使われる。撮像素子の出力を信号処理して画素ごとの輝度値を得る信号処理回路等で構成されるエリアカメラ、特にＲＧＢ成分に分解処理できるカラーカメラが好適である。

（３－４）シャインプルーフ条件
本願発明の外観検査システム１００では、被検査物品１０が合焦点範囲（被写界深度）内に収まるように、テレセントリック光学系４０及び撮像手段５０の傾きΨが調整されている。具体的には、テレセントリック光学系４０の主面４１及び撮像手段５０の受光面５１がシャインプルーフの条件を満たすように設定されている。

図６は、シャインプルーフの原理を説明する模式図である。シャインプルーフの原理とは、撮像手段５０の撮像素子（受光面）５１を含む平面Ｓ１と、テレセントリック光学系４０の主面４１を含む平面Ｓ２とが同一直線Ｌ（点Ｌにおける紙面に垂直な直線）上で交わる場合、合焦状態となる物体面Ｓ３も同一直線Ｌ上で交わることをいう。したがって、シャインプルーフの原理に基づく条件（シャインプルーフ条件）は、撮像手段の受光面５１を含む平面Ｓ１とテレセントリック光学系４０の主面４１を含む平面Ｓ２と、被検査物品１０を含む平面（被検査面）Ｓ３が同一直線Ｌで互いに交わる条件である。
本願発明の外観検査システム１００では、テレセントリック光学系４０の光軸Ｃが被検査物品１０を含む平面（被検査面）Ｓ３に対して斜視角Φで設定され、撮像手段５０の光軸Ｄがテレセントリック光学系４０の主面４１に対して傾きΨで、それぞれ設定されている。斜視角Φ及び傾きΨは、被検査物品１０の大きさにより適切な角度に任意に設定できる。

（４）制御部
本願発明の制御部３００は、外観検査システム１００の全体を制御する役割を担う。プログラム制御されたＣＰＵ（Central Processing Unit）６１、駆動ステージ２０及び光軸駆動手段を制御する駆動制御部６２、照明手段を制御する照明制御部６３、撮像手段による映像信号を画像情報として取得する画像取得部６４、画像取得部６４が取得した画像情報を検査画像に画像処理する画像処理部６５、検査画像の合否を判定する画像判定部６６、検査画像及び検査プログラムを格納する情報記憶部６７、入出力用の各種インターフェースである入力装置６８及び出力装置６９からなる。

（４－１）駆動制御部
駆動制御部６２は、駆動ステージ２０及び光軸駆動手段を駆動して、検査時に被検査物品１０の被検査面をｘｙｚθｓの５軸方向に移動回転傾斜して、被検査物品１０の全体を逐次検査する役割を担う。具体的には、xyステージ２２は、被検査物品１０の中心を光軸中心に移動する。回転ステージ２１は、被検査物品１０を、回転軸Aを中心に回転（θ）する。傾斜ステージ２３は、被検査物品１０を傾斜角（ｓ）で傾斜する構成される。

（４－２）照明制御部
照明制御部６３は、被検査物品１０に照射する照明手段の光量を制御する役割を担う。

（４－３）画像取得部
画像取得部６４は、撮像手段５０が取得した被検査物品１０からの照明反射光による映像信号に基づく画像情報を記憶し、画像処理部６５に送信する役割を担う。また、ＲＳ２３２Ｃ、カメラリンク（Camera Link）、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）、ＣＸＰ（CoaXPress(登録商標)）、ギガビットイーサネット（GigE）等の汎用通信インターフェースを介して撮像手段５０の撮像のタイミング等の動作を制御する役割を担う。

（４－４）画像処理部
画像処理部６５は、画像取得部６４からの画像情報に対して各種の画像処理をして検査画像を作成する役割を担う。検査画像は、画像判定部６６及び情報記憶部６７に送信される。

（４－５）画像判定部
画像判定部６６は、画像処理された検査画像の合否を判定する役割を担う。合否判定した検査画像を出力装置（表示装置）に送信する役割も担う。

（４－６）情報記憶部
情報記憶部６７は、ＣＰＵによって実行される検査プログラム等各種プログラムやこれらプログラムの実行時に必要な情報を格納する。また、画像処理部６６で作成された検査画像を画像情報として格納する。

２．外観検査方法
図７は、本願発明の外観検査方法を示すフロー図である。本願発明の外観検査方法は、被検査面が凹曲面又は凸曲面からなる物品を回転傾斜しておこなう外観検査方法である。被検査面の回転中心を決定する回転中心決定工程（Ｓ１０１）と、xyステージ走査及び光軸走査ｚにより、回転中心を決定した被検査面に撮像手段の被写界深度内とする検査領域を設定する検査領域設定工程（Ｓ１０２）と、回転ステージの走査により、検査領域を設定した被検査面を所定の回転角で逐次回転させて、１又は２以上の検査領域からなる被検査面を逐次検査する回転検査工程（Ｓ１０３）と、傾斜ステージの走査により、被検査面を傾斜する被検査面傾斜工程（Ｓ１０４）とを備える。
そして、被検査面のサイズに合わせて、検査領域設定工程、回転検査工程及び被検査面傾斜工程を逐次繰り返すことにより、被検査面が凹曲面又は凸曲面からなる物品の全周面を検査することができる。

図８は、被検査面が凸曲面である場合の被検査面における検査領域の配置を示す説明図であり、（ａ）は回転方向、（ｂ）は傾斜方向をそれぞれ示す。図９は、被検査面が凹曲面である場合の被検査面における検査領域の配置を示す説明図であり、（ａ）は回転方向、（ｂ）は傾斜方向をそれぞれ示す。
被検査面の配置は、被検査物品１０を傾斜ステージ２３が駆動することにより行うことができる。具体的には、光軸中心が定められた被検査物品１０は、回転ステージ２１による回転と、傾斜角を変えた回転を逐次（凸曲面（１→２→３→４→５→６→７→８）、凹曲面（１→２→３→４→５））を行う。
以下、回転中心決定工程、検査領域設定工程、回転検査工程、被検査面傾斜工程の順で説明する。

（１）回転中心決定工程
回転中心決定工程（Ｓ１０１）は、被検査面が凹曲面又は凸曲面からなる被検査物品を傾斜回転して検査をするために回転中心を決定する工程である。被検査物品に中心を示すケガキ線及びフォーカス用基準線を作成した事前サンプル（測定原器）を用いて行う。

（２）検査領域設定工程
検査領域設定工程（Ｓ１０２）は、回転中心を決定した被検査面に撮像手段の被写界深度内とする検査領域を設定する。検査領域は、被写界深度内の最大視野となる。被検査面の曲率により異なるため被検査面の傾斜移動ごとに設定する必要がある。xyステージ走査及び光軸走査ｚにより行う。

（３）回転検査工程
回転検査工程（Ｓ１０３）は、検査領域を設定した被検査面を所定の回転角で逐次回転させて、１又は２以上の検査領域からなる被検査面を逐次検査する。回転角は、被検査面の長さと検査領域の大きさにより設定する。回転ステージの走査により行う。

（４）被検査面傾斜工程
被検査面傾斜工程（Ｓ１０４）は、回転検査を行った被検査物品を傾斜させて被検査面を移動させる。これにより、検査が未了の被検査面について検査を行うことができる。図８、図９は、被検査物品１０の被検査曲面に沿って最大視野と被写界深度を表す長方形（検査領域）を配置し、作図機能から傾斜角度を求める目的で作成したものである。図８は（１→２→３→４→５→６→７→８）、図９は（１→２→３→４→５）について作図に伴って傾斜角が判明しているので傾斜ステージの走査により被検査面の移動を行う。被検査面傾斜工程（Ｓ１０４）により新たな検査の対象となる被検査面については、検査領域設定工程（Ｓ１０２）、回転検査工程（Ｓ１０３）の順に検査を繰り返す。これにより、被検査面が回転対称性を有する凹曲面又は凸曲面からなる物品の全周面を検査することができる。なお、検査が未了の被検査面がなくなることにより、被検査面傾斜工程（Ｓ１０４）は終了する。

３．外観検査プログラム
本願発明は、上述した外観検査方法の機能を実現するプログラムをネットワーク又は記録媒体を介してシステムに供給し、システムのコンピュータにおけるプロセッサがプログラムを読み出し実行する処理により行うことができる。

本願発明により、被検査面が凹曲面または凸曲面からなる物品の外観検査システムを提供できる。

１００ 外観検査システム
２００ 検査部
３００ 制御部
１０ 被検査物品
２０ 駆動ステージ
２１ 回転ステージ
２２ xyステージ
２３ 傾斜ステージ
３０ 照明手段
３１ ドーム照明
３２ ドーム状筐体
３２ａ 可動部
３２ｂ 支持部
３３ 光源
３４ 配設孔
３５ 固定手段
４０ テレセントリック光学系
４１ 光学系主面
５０ 撮像手段
５１ 撮像素子受光面
６１ ＣＰＵ
６２ 駆動制御部
６３ 照明制御部
６４ 画像取得部
６５ 画像処理部
６６ 画像判定部
６７ 情報記憶部
６８ 入力装置
６９ 出力装置
Ａ 回転軸
Ｂ 鉛直軸
Ｃ テレセントリック光学系の光軸
Ｄ 撮像手段の光軸
θ 回転角
Φ 斜視角
Ψ 傾斜角

Claims (7)

1. 被検査物品を保持する傾斜及び回転可能な駆動ステージと、
   前記被検査物品へ照明光を照射するドーム照明からなる照明手段と、
   前記被検査物品からの照明反射光を結像し撮像面で受光するテレセントリック光学系を前置する撮像手段と、
   からなる検査部と、
   前記検査部を制御する制御部と、
   を備える外観検査システムであって、
   前記テレセントリック光学系の光軸が前記駆動ステージの鉛直軸に対して所定の斜視角をなして配設されていることを特徴とする外観検査システム。
2. 前記被検査物品の被検査面が、凹曲面又は凸曲面であることを特徴とする請求項１に記載する外観検査システム。
3. 前記ドーム照明からなる照明手段が、前記テレセントリック光学系を前置する撮像手段を配設するための配設孔を設けたドーム状の可動部と前記可動部を内接して支持する半ドーム状の支持部で構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれかに記載する外観検査システム。
4. 前記駆動ステージに保持された被検査物品の被検査面、前記光学系及び前記撮像面の間でシャインプルーフの条件を満たすことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載する外観検査システム。
5. 被検査面が回転対称性を有する凹曲面又は凸曲面からなる物品の外観検査方法であって、
   被検査面の回転中心を決定する回転中心決定工程と、
   xyステージ走査及び光軸走査ｚにより、回転中心を決定した被検査面に撮像手段の被写界深度内とする検査領域を設定する検査領域設定工程と、
   回転ステージの走査により、検査領域を設定した被検査面を所定の回転角で逐次回転させて、１又は２以上の検査領域からなる被検査面を逐次検査する回転検査工程と、
   傾斜ステージの走査により、被検査面を傾斜する被検査面傾斜工程と、
   を備える外観検査方法。
6. 前記検査領域設定工程、前記回転検査工程及び前記被検査面傾斜工程を逐次繰り返すことにより、被検査面が回転対称性を有する凹曲面又は凸曲面からなる物品の全周面を検査することを特徴とする請求項５に記載する外観検査方法。
7. 回転中心を決定した被検査面が凹曲面又は凸曲面からなる物品のコンピュータで実行可能な外観検査プログラムであって、
   前記検査領域設定工程、前記回転検査工程及び前記被検査面傾斜工程を逐次実行することを特徴とするコンピュータで実行可能な外観検査プログラム。