JP3914500B2

JP3914500B2 - 欠陥検査装置

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Publication number: JP3914500B2
Application number: JP2003033232A
Authority: JP
Inventors: 和士吉村; 峰生野本; 大輔勝田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2007-05-16
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: JP2004264054A; WO2004072628A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンのシリンダや自動車走行系部品などのように、鋳造などにより成形され、その後必要に応じて切削加工された円筒物体の内面などの表面の鋳巣、傷、汚れなどの欠陥を検査する欠陥検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
筒体の内面の損傷などを検査する従来技術としては、特開平３−２２６６５９号公報（特許文献１）、特開平８−１２８９６０号公報（特許文献２）および特開２００２−２２６７１号公報（特許文献３）が知られている。
【０００３】
特許文献１には、検査対象の円筒の内部に配置されるミラーと、前記円筒の内面を前記ミラーで反射させて撮像する一次元ＣＣＤカメラと、この一次元ＣＣＤカメラと前記ミラーとを一体として前記円筒の中心軸のまわりに回転させる回転駆動部とを備えた円筒内面検査装置が記載されている。
【０００４】
特許文献２には、円錐面の鏡体とＣＣＤカメラとを有し、筒体の内部を長手方向へ相対移動して筒体の内面全周を撮像する撮像手段と、該撮像手段から転送される円形領域画像信号を展開処理する画像入力部と、該画像入力部で展開処理された画像信号を画像処理する画像処理部とを備えた筒体検査機が記載されている。
【０００５】
特許文献３には、多段に形成した円錐形ミラーと、該多段の円錐形ミラーで反射して得られる光像を撮像する撮像カメラとを備えた円筒内壁面検査装置が記載されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平３−２２６６５９号公報
【特許文献２】
特開平８−１２８９６０号公報
【特許文献３】
特開２００２−２２６７１号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来技術においては、分解能を決める画素サイズを画面内で一様にして小さくし、且つ撮像時間を短時間する点について十分考慮されていなかった。
【０００８】
本発明の目的は、エンジンシリンダなどの被検査円筒物体の内面における外観欠陥を被検査円筒物体の大きさなどの条件が変わっても、検出感度等の検出条件を一定にして、高速で、鋳巣、傷、汚れ等の欠陥を検査できるようにした欠陥検査装置及びその方法を提供することにある。
【０００９】
また、本発明の他の目的は、円筒物体や円柱状物体の内面又は外面上に発生した傷や汚れ等の欠陥を、検出感度等の検出条件を一定にして、高速で検査できるようにした欠陥検査装置及びその方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、被検査円筒物体を載置するワークホルダを設け、該ワークホルダによって載置された被検査円筒物体の内面における軸心方向を向いた線状の検出領域に照明する照明光学系と、前記線状の検出領域からの反射光像を前記線状の検出領域の法線方向に対して所望の検出角度傾斜した検出方向から検出するように前記線状の検出領域からの反射光像を前記検出方向において反射させて前記軸心方向に向ける反射光学要素と該反射光学要素で前記検出方向において反射されて軸心方向に向けた前記線状の検出領域からの反射光像を線状に結像させる結像光学要素と該結像光学要素で結像された線状の反射光像を受光して線状の画像信号を出力するリニアイメージセンサとからなる検出光学系とを支持する支持部材を取付けた回転ステージを設け、該回転ステージを前記被検査円筒物体の内面における軸心を中心にして回転させることによって前記検出光学系を前記被検査円筒物体の内面に沿って円周方向に回転走行させて前記リニアイメージセンサから前記線状の画像信号を円周方向に連ねた前記被検査円筒物体の内面の２次元画像信号を検出するように構成し、さらに、前記検出光学系のリニアイメージセンサから検出された２次元画像信号を基に前記被検査円筒物体の内面に存在する欠陥情報を取得する画像処理部を備え、さらに、前記線状の検出領域の法線方向に対する前記検出角度を変えることができるように前記検出光学系を支持する前記支持部材を前記回転ステージに対して前記被検査円筒物体の軸心方向であるＺ方向に直角なＸＹ方向に微動できる機構を備えたことを特徴とする欠陥検査装置である。
【００１１】
また、本発明は、前記欠陥検査装置において、さらに、前記回転ステージの回転中心と前記被検査円筒体の内面の軸心とのずれを検出するずれ検出手段と、該ずれ検出手段で検出されたずれに応じて前記回転ステージの回転中心と前記被検査円筒体の内面の軸心とのずれを補正する補正機構とを備えたことを特徴とする。また、本発明は、前記欠陥検査装置において、前記ずれ検出手段は、前記リニアイメージセンサから検出された２次元画像信号を基に被検査円筒物体の内面における円周方向への画像信号の明るさのむら量を算出することにより前記ずれを検出するように構成したことを特徴とする。また、本発明は、前記欠陥検査装置において、前記照明光学系を前記線状の検出領域に該線状の検出領域の法線に対して傾斜した方向から照明するように構成したことを特徴とする。また、本発明は、前記欠陥検査装置において、前記照明光学系による前記線状の検出領域に対する照明角度を調整できるように前記照明光学系を前記支持部材に対して移動調整可能に形成したことを特徴とする。また、本発明は、前記画像処理部において、前記リニアイメージセンサから検出された２次元画像信号を２次元デジタル画像信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、該Ａ／Ｄ変換器から得られる２次元デジタル画像信号に対してシェーディング補正を行い、さらに背景ノイズを除去する前処理部とを有することを特徴とする。また、本発明は、前記画像処理部において、前記前処理部から得られる２次元デジタル画像信号に基づいて欠陥候補を抽出し、該抽出された欠陥候補の欠陥特徴量を算出し、該算出された特徴量に基づいて判定して前記欠陥情報を取得する欠陥抽出処理部を有することを特徴とする。また、本発明は、さらに、前記画像処理部から取得された欠陥情報を基に被検査円筒物体の欠陥マップを表示する表示装置を設けたことを特徴とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる円筒内面などの物体表面の外観検査方法およびその装置の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１３】
まず、本発明に係る外観検査装置の第１の実施例について説明する。図１は第１の実施例を示す構成図であり、被検査物１としては図２に示すようなエンジンシリンダの内面とする。図２では、シリンダが４個あるエンジンブロックの外観例を示したが、被検査対象１としては、１ブロックあたりのシリンダ数は問わない。
【００１４】
被検査シリンダ（被検査円筒物体）１は、図示されないワークホルダ上に位置決めピン（図示せず）などにより所定の精度で載置されている。画像検出は、例えば、１０２４画素からなるＣＣＤリニアイメージセンサ５によって行うが、リニアイメージセンサ５およびシリンダ内壁の像をリニアイメージセンサ５のセンサ面上に結像させるための結像レンズ（結像光学要素）４が、一般にシリンダ内に収納できないため、本構成例では、被検査シリンダ１内にミラー（反射光学系）２を設け、そのミラー２でシリンダ内壁からリニアイメージセンサ５までの光路を９０度曲げる構成としている。また、光源を含む照明光学系３はシリンダ内壁を照明するものである。
【００１５】
照明光学系３並びにミラー（反射光学要素）２、結像レンズ（結像光学要素）４及びＣＣＤリニアイメージセンサ５からなる検出光学系１０は、支持部材１２により一体的に支持され、シリンダ円の中心を回転中心とするθステージ（回転ステージ）７により回転される。θステージ７と支持部材１２の間のＸＹ微動ステージ６は、後述するようにθステージ７と支持部材１２との位置関係を調整するものである。これら照明光学系３並びに検出光学系１０は、先に述べた被検査シリンダ１を載置したワークホルダ(図示せず)との間において、図示されない構造物で位置決めされており、この位置決めを調整するものとして、ＸＹＺステージ８がある。特にＺステージは、被検査シリンダ１の長さ方向（図１の紙面上下方向）に移動するもので、検出光学系１０を被検査シリンダ内に出し入れしたり、図３に示すような検出系の視野幅がシリンダ長に比べて短い場合に、順次Ｚ方向に移動させて被検査シリンダ１の内壁全面を検出したり、必要な場所に位置決めするためのものである。詳細は後述するが、以上述べた照明光学系３並びに検出光学系１０をθステージ７で一周回転させることにより、リニアイメージセンサ５によりシリンダ内壁の１周分の画像を検出することができる。なお、リニアイメージセンサ５の並び方向についてのシリンダ１の内壁における画素サイズは５０〜８０μｍ程度である。これに合わせて結像レンズ４の結像倍率が設定される。また、シリンダ内壁の１周分の画素数を後述するように２次元フーリエ変換を用いることにより２の冪乗（例えば４９６）にする必要がある。そのため、θステージ７の回転速度が決定される。
【００１６】
このようにリニアイメージセンサ５から検出されるシリンダ内壁の１周分の検出画像信号３１は、Ａ／Ｄ変換器２１でデジタル画像信号３２に変換され、前処理部２２でシェージング補正や明るさ補正および背景ノイズ除去処理が行われて２次元デジタル画像３３としてメモリ２３に格納される。欠陥抽出処理部２４は、メモリ２３から読み出された２次元画像データ３４を基に例えば２値化処理して鋳巣、傷、汚れなどの欠陥候補を抽出し、該抽出された鋳巣、傷、汚れなどの欠陥候補についての欠陥の特徴量を算出し、該算出された欠陥の特徴量を基に判定して欠陥情報（欠陥の発生座標、欠陥の特徴量、欠陥の個数（被検査シリンダ１毎の内壁欠陥の分布も含む）および欠陥の画像信号等）３５を得て主制御部２５に入力して記憶装置４３等に記憶して出力することが可能となる。このように、Ａ／Ｄ変換器２１、前処理部２２、メモリ２３及び欠陥抽出処理部２４によって画像処理部が構成される。
【００１７】
主制御部２５は、表示装置４１、入力手段４２および記憶装置４３を有し、制御信号３８に基いてリニアイメージセンサ５、Ａ／Ｄ変換器２１、前処理部２２、メモリ２３および欠陥抽出処理部２４などを制御し、θステージ制御信号３６に基いてθステージ（回転ステージ）７を制御することにより支持部材１２に取付けられた照明光学系３並びに検出光学系１０のシリンダ内周方向の位置を制御し、検出系位置決め制御信号３７に基いてＸＹＺステージ８を制御することにより被検査シリンダ１に対するθステージ７のＸＹＺ方向の位置を制御するものである。特に、主制御部２５は、被検査シリンダ１の内壁一周に亘って一様な感度にするために、ＸＹステージ８を制御してθステージ７の回転中心を被検査シリンダ１の内壁中心（内径中心）に一致させる必要がある。さらに、主制御部２５は、ＸＹ微動ステージ６を制御することにより、被検査シリンダ１の内壁中心（内径中心）から検出点５１までの距離Ｌ（即ち検出角度θｒ）を変える調整をすることが可能となる。
【００１８】
また、主制御部２５は、照明制御信号３９に基いて照明電源２６等を制御して照明光源を含む照明光学系３から出射される照明光の明るさ（強度）を制御することが可能となる。なお、照明光学系３から出射される照明光としてスリット状照明光束であってもよい。
【００１９】
以下、各部の詳細、動作を説明した後、全体の流れについて説明する。
【００２０】
図３は、先に説明した本実施例の内、θステージ７上にＸＹ微動ステージ６を介して支持された支持部材１２上に取付けられた検出光学系１０及び照明光学系３を示したものである。本実施例では、画像検出センサにＣＣＤリニアイメージセンサを用いているため、検出光学系１０をθステージ７で回転させない場合は、図３（ｂ）に示す線状の領域５１が検出領域であり、θステージ７で検出光学系１０を回転させながら、それに同期させてリニアイメージセンサ５から検出される画像信号３１をＡ／Ｄ変換器２１でデジタル化して、メモリ２２へ格納することにより、図３（ｂ）に示すような被検査シリンダ１の内壁一周の画像を検出することができる。ここで、図４には、リニアイメージセンサ５による検出点５１とそこを照明する照明光学系３の位置関係の一実施例を示す。図４は本実施例の検出光学系１０のミラー２および被検査シリンダ１を上から見たものである。本実施例では、リニアイメージセンサによる検出位置５１、すなわち、図３（ｂ）で示した線状の領域５１をシリンダの中心線５２から距離Ｌだけ離した位置とする。また、照明光学系３は、面状、または、ライン状に発光するもので、リニアイメージセンサの検出位置５１を照らすように配置する。概ね、図４に示すような配置が望ましい。
【００２１】
ここで、リニアイメージセンサ５の線状の検出領域５１をシリンダの中心線５２から距離Ｌだけ離した位置とする理由について説明する。なお、結像レンズ（結像光学要素）４の光軸は、図４に示す５９上に存在する。即ち、結像レンズ４は、ミラー２で反射して得られる図３（ｂ）に示す線状の領域５１の光像をリニアイメージセンサ５上に結像させるように構成される。そのため、特に結像レンズ４は、シリンドリカルレンズのように一軸方向には集束させる特性を持っている。ところで、本検査装置で検出する欠陥は、鋳造時に発生する巣など穴状のものや、傷などの様に表面が凹んだり、めくれあがったりしたものである。すなわち、表面の凹凸を検出することになる。表面の凹凸を検出する場合、斜方照明／斜方検出によれば、正常部は明るく検出され、凹凸状の欠陥部は暗く検出され、その結果凹凸状の欠陥部を感度よく検出することが可能となる。すなわち、図５に示すように、被検査シリンダ１の内壁に例えば鋳巣のように穴５７が開いた状態の物を検出する場合、被検査シリンダ１の内壁表面にその法線５４から、斜めに傾いた方向（θｉ）から照明し（斜方照明し）、同様に斜めに傾いた方向（θｒ）から検出する（斜方検出する）ことにより、鋳巣欠陥部５７は、リニアイメージセンサ５によって影（暗部）検出範囲５８のように暗く検出される。これは、照明による影の部分と検出する際影の部分が生じることによるものである。ここで、照明光学系３及びリニアイメージセンサ５のそれぞれの法線５４からの角度θｉ及びθｒを変えることにより、欠陥の検出感度を変えることができ、例えば、法線からの角度θｉ及びθｒを大きくすることにより、穴の深さが浅い、穴の径が大きいものまで検出することができ、逆に角度θｉ及びθｒを小さくすることにより、穴の深さが深い、穴の径が小さなものしか検出しないようにすることができる。
【００２２】
本実施例のように被検査物が、円筒の内壁の場合、図４に示すように、リニアイメージセンサ５の検出領域である線状の領域５１をシリンダの中心線５２から距離Ｌだけ離した位置とすることにより、線状の検出領域５１を斜めから検出することになり、その角度は、距離Ｌとシリンダ内壁の直径Ｒとの関係より求めることができる。すなわち、検出側の法線からの角度θｒは、次に示す（１）式から求めることができる。
【００２３】
θｒ＝sin^-1（２Ｌ／Ｒ）（１）
ここで、Ｒはシリンダ内壁の直径、Ｌはリニアイメージセンサ５の線状の検出領域５１のシリンダの中心線５２から距離である。これより、主制御部２５は、ある一つの被検査シリンダ内径で欠陥の検出条件（特に検出角度θｒ）を求めて、検証しておけば、被検査シリンダ１の内径が変わっても、同一の検出条件（特に同一の検出角度θｒ）を求めることができる。その結果、主制御部２５は、ＸＹ微動ステージ６を制御してθステージ７の回転中心からの上記距離Ｌを被検査シリンダ１の内径Ｒに適するように制御することが可能となる。
【００２４】
ここで、最適な距離Ｌの一実施例について図６に示す。図６は、距離Ｌを変えてリニアイメージセンサ５で画像を検出し、後述する背景ノイズの除去処理を行った場合の、背景明るさばらつき、即ち背景ノイズの残留分と、いくつかの欠陥部のコントラストについて求めた実験結果である。図６に示したように、背景の明るさばらつきは、検出光学系１０の検出角度θｒで１５度程度（距離Ｌ／直径Ｒの比が１２％程度）で低くなる。一方、欠陥部のコントラストは、欠陥の形状により、検出光学系１０の検出角度θｒが小さい方がコントラストが大きかったり、また逆の傾向を示すものがあるが、これらの交点はほぼ検出光学系１０の検出角度θｒで１５度程度である。以上の結果より、検出光学系１０の検出角度θｒは１５度程度、即ち距離Ｌ／直径Ｒの比が１２％程度が望ましい。また、照明などの光学部品などは、広がり角などに誤差をもつことから、検出光学系１０の検出角度θｒは１５度±５度程度（距離Ｌ／直径Ｒの比は８％から１７％）で調整できるように構成する。即ち、入力手段４２等を用いて被検査シリンダ１の内径Ｒを入力すれば、主制御部２５は、ミラー（反射光学要素）２、結像レンズ（結像光学要素）４及びリニアイメージセンサ５からなる検出光学系１０の検出角度θｒが１５度±５度程度になるように、ＸＹ微動ステージ６を駆動制御してθステージ７の回転中心からの上記距離Ｌを制御することになる。なお、この際、照明光学系３も支持部材１２上に取付けられているので、ＸＹ微動ステージ６を移動させた際、検出光学系１０と一緒に照明光学系３も移動することになるので、照明光学系３と支持部材１２との間にＸＹ微動ステージを設ければ、照明光学系３による照射角度θｉを検出光学系１０による検出角度θｒと独立して調整することが可能となる。
【００２５】
以上のように配置した検出検出系１０をθステージ７を回転駆動して回転させると、リニアイメージセンサ５で検出されてＡ／Ｄ変換器２１からは図７（ａ）に示すような２次元画像６１が得られる。被検査シリンダ１の内径中心とθステージ７の回転中心（検出光学系１０の回転中心）がずれていないと、図７（ｂ）に示すように、得られる画像の明るさ６２ｂはほぼ一様になるが、ずれている（偏芯している）と、６２ａで示すように内壁円周方向への明るさむら（明暗）を生じる。ここで、図７（ｂ）に示した投影波形は、各Ｙ座標の画素の明るさの累積値を求めた、一次元データであり、画像のＹ方向（内壁円周方向）の大局的な明るさの変化が分かるものである。シリンダの内径中心と検出光学系１０の回転中心とが合っていないと、先の（１）式において、（Ｒ／２）が検出光学系１０の回転によって変化することから、検出光学系の検出角度θｒが変わるためである。照明は図８に示すような指向性を持っており、θｒが変わると照明の指向特性のどの角度の成分が支配的になるか変わるためである。また、θｒが変わると先に述べたように欠陥検出感度も変わるため、θｒはシリンダ内壁全周にわたって一定が望ましい。すなわち、画像全体に明るさが一定であれば、投影波形は、６２ｂに示すように一定になる。もし、６２ａのように画像の円周方向に一定以上の明るさの明暗があれば、その明暗の画像での座標から、シリンダ円のどの位置に相当するか分かるため、これによって、θステージ７をどの方向に補正すればよいか分かる。また、その補正量は予め、ずれ量と明るさのむら量を求めておくことにより、設定することができる。
【００２６】
そこで、まず、ワークホルダ(図示せず)上に位置決めされた被検査シリンダ１の内径中心に対してθステージ７の回転中心を合わせることが必要となる。そのため、被検査シリンダ１をワークホルダ上に載置する際、位置決めピン等で機械的に位置決めすることで、被検査シリンダ１の内径中心をθステージ７の回転中心に合わせることが可能である。しかし、これでは不充分の場合、例えば支持部材１２上にシリンダの内壁との間の距離を測定する距離センサ(図示せず)を取り付け、主制御部２５は、θステージ７を回転させて上記距離センサから検出される距離から、被検査シリンダ１の内径中心に対するθステージ７の回転中心の偏芯量を求め、この偏芯量をＸＹステージ８にフィードバックすることにより、検出光学系１０の回転中心を被検査シリンダ１の内径中心に合わせることが可能となる。さらに、主制御部２５は、実際の検査を開始するまえに、θステージ７を回転させてＡ／Ｄ変換器２１から得られる１周分の２次元画像６１或いは前処理部２２で前処理されてメモリ２３に格納された１周分の２次元画像６１を基に、図７（ｂ）に示すように、各Ｙ座標におけるリニアイメージセンサに亘る画素の明るさの累積値を算出し、この算出された累積値が許容範囲にあるか否かの確認をすることが可能となる。もし、許容範囲にない場合には、算出される累積値が許容範囲内に入るように、ＸＹステージ８を制御する。
【００２７】
以上により、検査開始前の準備ができたことになる。
【００２８】
次に、実際の検査に入ることになる。照明光学系３から被検査シリンダ１の内壁に斜方照明を施すことにより、リニアイメージセンサ５は、図３（ｂ）で示した線状の領域５１の光像を検出角度θｒ（＝１５度±５度程度）で検出してミラー２で反射させて結像レンズ４で特にイメージセンサの長手方向と直角方向に集光させて一次元画像３１として検出する。そして、θステージ７を回転させることによって、リニアイメージセンサ５からは図７（ａ）に示す２次元画像信号６１が検出され、Ａ／Ｄ変換器２１によって２次元デジタル画像信号３２が得られることになる。６３ｂは、領域６３ａにおける２次元デジタル画像信号を拡大したものである。６５ａ、６５ｂは異なる大きさの欠陥を示すたものである。６４は、エンジンなどのシリンダ内壁を潤滑などの目的でホーニング加工されたホーニング加工痕を示す。
【００２９】
以上のようにして得られた２次元デジタル画像から欠陥を抽出する処理について図９を用いて説明する。図７（ａ）に検出した２次元デジタル画像６１の例を示す。ここでは、欠陥である鋳巣が暗く検出されているものとして説明する。もちろん、凸欠陥のように周囲に比べて明るく検出される欠陥であっても、以降の説明より容易に適合できるのは言うまでもない。
【００３０】
図９には、欠陥抽出処理等の流れの一実施例を示す。まず、Ａ／Ｄ変換部２１からは図７（ａ）に示す２次元デジタル画像信号６１（３２）が検出される(ステップＳ９０１)。次に、必要に応じて前処理部２２においてシェーディング補正を行う（Ｓ９０２）。シェーディング補正は照明光学系３、検出光学系１０の持つ明るさむらなどにより発生する画像の明るさのむらである。これを、予め求めた基準データ、または、検出した画像信号６１（３２）から補正する。例えば、検出した画像信号６１（３２）から補正する場合、先に説明した図７（ｂ）に示す投影波形をＸ方向、Ｙ方向に求め、その投影波形より、それぞれの方向ごとに各画素を正規化することによって、大局的な明るさむらを補正して無くすることができる。
【００３１】
図７（ａ）には検出画像６３ａを拡大したもの６３ｂを示すが、規則的な斜め線が検出されている。これはホーニング加工痕６４であり、欠陥ではない。一般にエンジンなどのシリンダ内壁は、潤滑などの目的からホーニング加工により、図７（ａ）に示したようなクロスハッチの網目状の無数の傷６４を形成することがあるが、それにより、表面に線状の凹凸が生じることになり、欠陥部と同じように明暗を生じ、図７（ａ）に示すような斜め線６４として検出される。このため、この検出画像６３ｂから、欠陥部６５ａ、６５ｂを抽出するため、暗い部分、すなわち、あるしきい値以下の明るさの画素を抽出（いわゆる、２値化）しようとすると、この斜め線６４も抽出されてしまうことがある。そこで、前処理部２２において、この斜め線、いわゆる背景ノイズの除去処理を行う（ステップＳ９０３）。この背景ノイズには、斜め線６４が周期的であるという特徴がある。一般に画像中の周期的なパターンを除去する方法として、例えば、「田村秀行監修、コンピュータ画像処理入門、１４３頁から１４６頁、総研出版発行」に示されるような、フーリエ変換を利用したものがある。本方法では、図９に示すように、まず検出画像６１（３２）を二次元フーリエ変換して周波数面での画像を生成し(ステップＳ９０３１)、この周波数面上で先の斜め線の成分に相当する場所のデータをマスクし（ステップＳ９０３２）、この周波数面の画像を二次元逆フーリエ変換によって再び通常の平面の画像に戻すものである（ステップＳ９０３３）。こうすることによって、背景ノイズを除去した画像を得ることができる。
【００３２】
ここで、マスク画像の作り方としては、例えば、二次元フーリエ変換像（実部と虚部データ）から振幅の絶対値像を生成し、その振幅の絶対値像を適当なしきい値で２値化したものを基準にすることもできる。また、クロスハッチの網目の角度などは決まっているため、その角度から、フーリエ変換像でのマスク形状を求めることもできる。例えば、図１０に示すように原画像を表示して、画面上で傷の直線の２点をそれぞれのクロス線について指定（１２０ａと１２０ｂの組と１２１ａと１２１ｂの組）したり、点線１２２でしめすように、角度の許容できる範囲を指定する。また、ホーニング加工機などの設定から得られる検出画像上でのクロス線の角度に換算しても良い。このとき、角度の許容範囲は、加工機などの誤差と、被検査物の実際の使用時に許容される角度などを勘案して決めても良い。
【００３３】
これらの座標データより二次元フーリエ変換像でのマスクを計算により生成することができる。このように、得られた二次元フーリエ変換像からマスク形状を求めるのではなく、検出画像または加工条件などからマスク形状を決めることにより、その加工時に誤差やミスなど加工時にその条件角度から逸脱した部分を除いてマスクをおこなうことができる。その結果、図１１（ａ）に示す原画像に対して所望条件から逸脱した加工傷は図１１（ｂ）に示すように除去されずに、後の欠陥検出処理により検出することができ、加工傷の品質も評価することができる結果となる。図１１（ｂ）は、主制御部２５が背景ノイズを除去した欠陥の画像を表示装置４１の画面に表示した場合を示す。
【００３４】
以上説明したように、前処理部２２からは、シェーディング補正され、背景ノイズが除去された２次元画像３３がメモリ２３に格納されることになる。次に、欠陥抽出処理部２４は、メモリ２３から得られる背景ノイズ等が除去された画像信号を適当なしきい値で２値化することによって、欠陥部の候補を抽出することができる（ステップＳ９０４）。欠陥抽出処理部２４は、さらに、この２値化画像に対して、各候補点の座標、面積、大きさ（最大直径など）などの特徴量を選別して抽出し、この選別して抽出された欠陥の特徴量である例えば大きさにおいて予め定められた大きさ基準より大きなものを欠陥として判定する(ステップＳ９０５)。また、欠陥抽出処理部２４は、欠陥の候補点からの欠陥の選択に関しては、例えば、欠陥候補部の面積とそこの周囲の明るさと欠陥部の最も暗い（又は明るい）明るさとの比を用いることもできる。そして、欠陥抽出処理部２４は、判定された欠陥についての欠陥情報（欠陥の発生座標、欠陥の特徴量、欠陥の個数、被検査シリンダ毎の欠陥マップおよび欠陥の画像信号等）３５を出力して主制御部２５に入力して記憶装置４３等に記憶する。主制御部２５は、上記欠陥情報３５および評価結果（合否判定結果）を表示装置４１に表示することができる(ステップＳ９０６)。なお、欠陥情報３５を表示する際、検出角度θｒも同時に表示することができる。
【００３５】
ところで、図１に示すメモリ２３および欠陥抽出処理部２４の具体的な実現方法としては、リニアイメージセンサ５からの画像信号を入力する画像入力基板を具備した高速の計算機、たとえば、パソコンなどを用いることができる。もちろん、全体、または一部を適当な専用または、汎用のハードウェアの処理系で構築することは、本発明を逸脱するものではない。
【００３６】
以下、全体の動作について、図２に示すように４個の被検査シリンダ１を有するエンジンブロックを検査する場合について説明する。まず、被検査エンジンブロック１１をワークホルダに載置する。このとき、被検査エンジンブロックは、図示されないワークホルダ上の位置決めピンなどにより所定の精度で載置されるか、または、図示されない画像センサなどによりその位置を測定して、正規の位置からのずれ量を適宜、ＸＹＺステージ８のＸＹ軸へフィードバックする。次にＸＹＺステージ８のＺ軸を移動し、検出光学系１０及び照明光学系３を取付けた支持部材１２の一部を被検査エンジンブロックの被検査シリンダ１へ挿入し、θステージ７を１回転させることにより、シリンダ内壁の１周分の画像をリニアイメージセンサ５で検出してＡ／Ｄ変換器２１でデジタル画像信号に変換し、前処理をしてメモリ２３に格納する。このとき、θステージ７は、回転の加減速が必要なため、実際には１回転以上回転することもある。メモリ２３に格納された画像は、欠陥抽出処理部２４により、先に詳細を述べた処理を行い欠陥情報３５を抽出する。シリンダの長さが、１回の画像検出幅よりも長い場合は、ＸＹＺステージ８のＺ軸を移動し、未検出部について、画像検出、欠陥抽出処理を繰り返す。この場合、各画像検出部は若干オーバラップさせると、画像検出の境界部に存在した欠陥を見逃すことはない。以上のようにして、シリンダ１個分の検査が完了すると、ＸＹＺステージ８のＺ軸を移動し、検出光学系１０をシリンダ内から抜き取り、ＸＹＺステージ８のＸＹステージまたは図示されないワークホルダの移動手段により、隣のシリンダ部が検査できる位置に検出光学系１０及び照明光学系３、または、被検査エンジンブロックを移動する。これを繰り返すことにより、４個のシリンダ内の内壁の検査を行うことができる。
【００３７】
主制御部２５は、以上により検出された、これらの欠陥情報３５を基に１エンジンブロックの検査結果として図１２に示すように表示装置４１の画面上にマップ形式で出力表示することが可能となる。この検査結果は、４気筒の例ですので、４つのボア分をマップ形式で表示している。この欠陥マップは、単独で発生しているもの（単独巣）、ある程度近い距離で発生しているもの（密集巣）、加工傷等を弁別して表示する。その結果、欠陥位置の偏りの傾向を把握することができる。図１２では、１ブロック分を表示しているが、複数のエンジンブロックの検査結果を重ね合わせて表示しても良い。その場合、ロットばらつきや時間、日毎の欠陥発生の傾向をつかみ易くすることができる。図１２の右側の四角は、欠陥部の拡大画像（原画像又は処理画像（欠陥画像））を表示するエリアで、例えば左側の欠陥マップにおいて欠陥部を指定すると表示される。検出した欠陥部の拡大画像上に、欠陥として抽出された部位を丸印７２で囲ったり、その傍らに最大直径(例えば０．２４ｍｍ)、面積(例えば０．０３ｍｍ²)などを表示すること可能である。欠陥は、必ずしも円形とはならないので、最大直径および面積を表示するようにした。このような表示を行うことにより、検査条件（例えば検出角度θｒや照明光の強度等）の設定がしやすくなったり、欠陥の発生する部位の確認が分かりやすく、直感的に判断することができる。
【００３８】
また、主制御部２５は、検出された欠陥情報３５および評価結果（合否判定結果）を基に１日とか１週間分を集計した検査結果の集計表を、例えば、図１３に示すように表示装置４１の画面上において出力することができる。即ち、検査日、検査時間、ブロックＮｏ．、ボアＮｏ．、欠陥数、巣や加工キズ等の欠陥の種別、欠陥の大きさ（最大径）（ｍｍ）、欠陥の面積（ｍｍ²）及び欠陥の座標（Ｘ，Ｙ）、並びに評価結果（ボア毎の合否およびブロック毎の総合合否）が表示装置４１の画面上に表示される。これにより、検査結果の詳細を知ることができる。
【００３９】
このようにして主制御部２５で得られた欠陥情報および評価結果（合否判定結果）は、上位の管理システムへ、オンラインまたは、オフラインで転送し、後工程への物流管理や、前工程のプロセスのフィードバックに用いることができる。
【００４０】
次に、本発明に係る外観検査装置の第２の実施例について説明する。本第２の実施例は、図１４に示すように、柱状の被検査物体１０１の外側表面を検査する実施例である。しかしながら、円筒状の被検査物体の内周表面を検査するものに適用することも可能である。本第２の実施例では被検査物１０１として楕円柱とし、検査部位はその側面とするが、後述するようにもっと複雑な形状でもかまわない。画像検出は第１の実施例と同じくリニアイメージセンサ５で行うものとし、被検査物１０１の外面の軸心方向を向いた線状の検査部位（領域）の表面を結像レンズ４によって、リニアイメージセンサ５上に結像させるものとする。被検査物１０１の線状の検査部位における画素サイズは、結像レンズ（結像光学要素）４の倍率によって決まることになる。このように、本第２の実施例の場合、検出光学系１１０が被検査物１０１の外側に配置される関係で、検出光学系１１０としては、結像レンズ４とリニアイメージセンサ５とによって構成される。被検査物が円筒物体で内面を検出する場合には、検出光学系１１０としては第１の実施例と同様にミラーを設けてもよい。照明光学系３も第１の実施例と同じくリニアイメージセンサ５での画像検出部位を照明するように配置される。これら、リニアイメージセンサ５、結像レンズ４、照明光学系３は、第１の実施例と同じく支持部材１０７に取り付けられる。この支持部材１０７は、ＸＹθステージ１０８によって被検査物１０１に対して、Ｘ、Ｙ、θ方向に自由に移動できるように構成される。また、被検査物１０１は、θステージ１０９によって、その重心付近を中心として回転できるようになっている。しかしながら、リニアイメージセンサ５で被検査物１０１の周方向にも等ピッチ（等画素サイズ）で撮像する必要があるために、回転手段（θステージ）１０９によって、被検査物１０１を外面の軸心方向を向いた線状の検出部位の周速度がほぼ一定のなるように回転させる必要がある。
【００４１】
さらに、本第２の実施例において、上記第一の実施例と相違する点は、検査部位が円筒などの内面（内壁）であるか、外面（外壁）であるかではなく、検査部位の面の傾きが検出光学系１１０に対して、逐次変化する点にある。
【００４２】
まず、本第２の実施例での画像検出について説明する。まず、被検査物１０１が例えば楕円柱であるため、θステージ（回転手段）１０９の回転中心から被検査物の検出部位までの半径の変化に応じてθステージ１０９の回転速度を変えて制御することによって被検査物１０１の線状の検出部位（領域）の周速度が一定になるように被検査物１０１を回転させる。さらに、被検査物１０１が例えば楕円柱であるため、検出部位での検出光学系１１０との検出角度θｒと距離が変わってしまう。そこで、主制御部２５は、ＸＹθステージ１０８により検出光学系１１０を移動させることにより、常に被検査物１０１の検出部位での検出光学系１１０との検出角度θｒと距離が一定になるように制御する。以下、その制御方法について説明する。まず、被検査物１０１が回転することにより、線状の検出部位と検出光学系１１０との距離が変わる。そこで、例えば距離センサにより、検出部位と検出光学系１１０との距離を測定し、その結果を用いてＸＹθステージ１０８を制御することにより、常に被検査物１０１の線状の検出部位と検出光学系１１０との距離が一定になるように制御する。距離センサには、例えば、レーザなどの距離センサを用いたものなどを使用することができる。また、被検査物１０１の検出部位での検出光学系１１０との検出角度θｒについては、第１の実施例で説明した、検出光学系１１０の検出角度θｒと照明の指向性の関係を利用することができる。すなわち、被検査物１０１が回転して検出部位が変わると、該検査部位での法線と検出光学系１１０による検出角度θｒが変わり、照明光学系３からの照明光の指向特性のどの角度の成分が支配的になるか変わるため、検出される光量が変化する。そこで、この光量が一定になるようにＸＹθステージ１０８のθステージを移動させて検出光学系１１０を矢印１１１方向に傾きを変える（揺動運動する）。また、必要に応じてＸＹ方向に移動させても良い。以上のように、被検査物１０１の回転速度の変化に合わせて、被検査物１０１の線状の検出部位での法線に対して検出角度θｒが一定になるように線状の検出部位を中心にして揺動運動させて制御することにより、検出光学系１１０は常に被検査物の検出部位での位置関係を一定に保つことができ、検出条件を一定にすることができる。このようにして得られたリニアイメージセンサ５からの信号３１を第１の実施例で述べた方法を一例として、処理することにより、欠陥部の検出を行うことができる。また、本第２の実施例では、被検査物１０１の検出部位と検出光学系１１０との距離を距離センサを用いて行うとしたが、予め被検査物１０１の形状が分かっている場合などは、その形状データを用いても良いし、距離センサのデータと併用しても良い。形状データを用いることにより、距離センサが不要となり、コストが安くなったり、距離センサの誤差の影響なく、欠陥検査を行うことができる効果がある。また、予め、被検査物１０１の線状の検出部位と検出光学系１１０との距離が分かることにより、ＸＹθステージ１０８の制御を速く行うことができ、画像の検出速度を速くすることができる効果がある。また、距離センサと形状データを併用することにより、前記効果のほか、距離の測定精度を上げることができる効果がある。
【００４３】
【発明の効果】
本発明によれば、円筒物体などの内壁などの曲面上に発生した凹凸、傷などの欠陥を安定に自動的に検出することができる効果を奏する。
【００４４】
また、本発明によれば、円筒物体などの内壁などの曲面上に発生した凹凸、傷などの欠陥を安定に自動的に検出する外観検査において、検出した欠陥の座標（位置）、大きさ、面積など数値化した情報が得られるため、後工程への物流管理や、前工程のプロセスのフィードバックに用いることができ、品質の良い製品を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る被検査円筒物体の内面に発生した欠陥を検査する外観検査装置の第１の実施例を示す構成図である。
【図２】被検査円筒物体の外観説明図である。
【図３】図１に示す外観検査装置の第１の実施例における被検査円筒物体と、θステージ（回転ステージ）にＸＹ微動機構を介して支持される支持部材上に取付けられる照明光学系及び検出光学系との関係を説明するための図である。
【図４】被検査円筒物体の内面における検出光学系であるミラー及びリニアイメージセンサによる画像検出位置の関係を説明するための図である。
【図５】凹欠陥を例に欠陥部の顕在化原理を説明するための図である。
【図６】検出角度θｒ及び距離Ｌ／直径Ｒの比と欠陥部のコントラスト及び背景ばらつき（正規化値）との関係を示す図である。
【図７】リニアイメージセンサで被検査円筒物体の内面から検出される２次元画像と芯ずれによるリニアイメージセンサで検出される明るさの変動とを説明するための図である。
【図８】照明光学系による照明の指向特性を説明するための図である。
【図９】図１に示す画像処理部での欠陥抽出処理を含めた画像処理のフローを示す図である。
【図１０】背景ノイズとしてのクロスハッチの網目状ノイズを除去するためのマスク画像生成のためのデータ指定の一実施例を説明する図である。
【図１１】検出された原画像と検査結果として表示する欠陥画像とを示した図である。
【図１２】１エンジンブロックにおける欠陥検査結果の表示の一実施例（４つのボアの欠陥マップ）を説明する図である。
【図１３】欠陥検査結果の集計表示の一実施例を示す図である。
【図１４】本発明に係る被検査楕円柱物体の外面に発生した欠陥を検査する外観検査装置の第２の実施例を示す構成図である。
【符号の説明】
１…被検査シリンダ（被検査円筒物体）、２…ミラー（反射光学要素）、３…照明光学系、４…結像レンズ（結像光学要素）、５…リニアイメージセンサ、６…ＸＹ微動ステージ、７…θステージ（回転ステージ）、８…ＸＹＺステージ、１０…検出光学系、１２…支持部材、２１…Ａ／Ｄ変換器、２２…前処理部、２３…メモリ、２４…欠陥抽出処理部、２５…主制御部、２６…照明電源、４１…表示装置、４２…入力手段、４３…記憶装置、５１…ラインセンサによる線状の検出領域（検出点）、１０１…被検査物、１０８…ＸＹθステージ、１０９…θステージ（回転手段）。

Claims

被検査円筒物体を載置するワークホルダを設け、
該ワークホルダによって載置された被検査円筒物体の内面における軸心方向を向いた線状の検出領域に照明する照明光学系と、前記線状の検出領域からの反射光像を前記線状の検出領域の法線方向に対して所望の検出角度傾斜した検出方向から検出するように前記線状の検出領域からの反射光像を前記検出方向において反射させて前記軸心方向に向ける反射光学要素と該反射光学要素で前記検出方向において反射されて軸心方向に向けた前記線状の検出領域からの反射光像を線状に結像させる結像光学要素と該結像光学要素で結像された線状の反射光像を受光して線状の画像信号を出力するリニアイメージセンサとからなる検出光学系とを支持する支持部材を取付けた回転ステージを設け、該回転ステージを前記被検査円筒物体の内面における軸心を中心にして回転させることによって前記検出光学系を前記被検査円筒物体の内面に沿って円周方向に回転走行させて前記リニアイメージセンサから前記線状の画像信号を円周方向に連ねた前記被検査円筒物体の内面の２次元画像信号を検出するように構成し、
さらに、前記検出光学系のリニアイメージセンサから検出された２次元画像信号を基に前記被検査円筒物体の内面に存在する欠陥情報を取得する画像処理部を備え、
さらに、前記線状の検出領域の法線方向に対する前記検出角度を変えることができるように前記検出光学系を支持する前記支持部材を前記回転ステージに対して前記被検査円筒物体の軸心方向であるＺ方向に直角なＸＹ方向に微動できる機構を備えたことを特徴とする欠陥検査装置。
さらに、前記回転ステージの回転中心と前記被検査円筒体の内面の軸心とのずれを検出するずれ検出手段と、該ずれ検出手段で検出されたずれに応じて前記回転ステージの回転中心と前記被検査円筒体の内面の軸心とのずれを補正する補正機構とを備えたことを特徴とする請求項１記載の欠陥検査装置。
前記ずれ検出手段は、前記リニアイメージセンサから検出された２次元画像信号を基に被検査円筒物体の内面における円周方向への画像信号の明るさのむら量を算出することにより前記ずれを検出するように構成したことを特徴とする請求項２記載の欠陥検査装置。
前記照明光学系を、前記線状の検出領域に該線状の検出領域の法線に対して傾斜した方向から照明するように構成したことを特徴とする請求項１記載の欠陥検査装置。
前記照明光学系による前記線状の検出領域に対する照明角度を調整できるように前記照明光学系を前記支持部材に対して移動調整可能に形成したことを特徴とする請求項１記載の欠陥検査装置。
前記画像処理部において、前記リニアイメージセンサから検出された２次元画像信号を２次元デジタル画像信号に変換するＡ／Ｄ変換器と、該Ａ／Ｄ変換器から得られる２次元デジタル画像信号に対してシェーディング補正を行い、さらに背景ノイズを除去する前処理部とを有することを特徴とする請求項１記載の欠陥検査装置。
前記前処理部において、前記背景ノイズとしてのクロスハッチの網目状ノイズをマスク処理で除去するように構成したことを特徴とする請求項６記載の欠陥検査装置。
前記画像処理部において、前記前処理部から得られる２次元デジタル画像信号に基づいて欠陥候補を抽出し、該抽出された欠陥候補の欠陥特徴量を算出し、該算出された特徴量に基づいて判定して前記欠陥情報を取得する欠陥抽出処理部を有することを特徴とする請求項６記載の欠陥検査装置。
さらに、前記画像処理部から取得された欠陥情報を基に被検査円筒物体の欠陥マップを表示する表示装置を設けたことを特徴とする請求項１記載の欠陥検査装置。