JP4258401B2

JP4258401B2 - 凹凸面の表面欠陥検査装置

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Publication number: JP4258401B2
Application number: JP2004048837A
Authority: JP
Inventors: 耕嗣久野; 修小日向; 章蓮尾
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Aisin Corp
Current assignee: Aisin Corp
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2024-02-24
Also published as: JP2005241312A

Description

本発明は、凹凸面を有する対象物に向け照明を行う照明と、該対象物からの照明反射光を結像するレンズと、対象物からの反射光を撮像するカメラとを備え、該カメラから得られる映像信号を画像処理して対象物の表面欠陥を検査する凹凸面の表面欠陥検査装置に関するものであって、ピンぼけを防止して、正確な欠陥検出を可能にし、システムをシンプルにして、コストダウンを可能にするものである。

従来の物体表面の欠陥検査方法および装置は、ピンホール、突起、異物、傷、付着物などの表面欠陥検出方法として、ライン照明と１次元カメラによる画像処理が行われていた（例えば特許文献１参照。）。
特開２００１−４５５２号公報

微少欠陥を検出する場合、レンズの被写界深度は、（回折限界系において波面収差がλ／４に達する深度ｚ（全幅）は、）
Ｚ＝ε²／（０．３７・λ）
であり、
（Ｚ：被写界深度、ε：欠陥検出分解能、λ：波長（一般的には０．５５μｍ）例えば、０．１ｍｍ欠陥検出の場合、検出の為の分解能は０．０１ｍｍであり、被写界深度は０．４９ｍｍとなる。（図１５参照）

従って、対象物に凹凸がある場合、或いは品種により凹凸が異なる場合、ピントのあった画像に基づき欠陥を検出する場合は、対象物を移動させる必要があった（例えば特許文献２参照。）。
特公平６−９５０７５号公報

または、凹凸に合わせた台数分のカメラが必要となることから、システムが複雑となり、コストアップとなってしまうという問題点があった。

そこで本発明者は、凹凸面を有する対象物に向け照明を行う照明と、該対象物からの照明反射光を結像するレンズと、対象物からの反射光を撮像するカメラとを備え、該カメラから得られる映像信号を画像処理して対象物の表面欠陥を検査する凹凸面の表面欠陥検査装置において、前記レンズの光軸に対して前記カメラを傾斜して配設することにより、前記対象物に対する被写界深度面を傾斜させることにより、前記対象物に対する被写界深度面をライン照明光軸に一致させるという本発明の技術的思想に着眼し、さらに研究開発を重ねた結果、ピンぼけを防止して、正確な欠陥検出を可能にし、システムをシンプルにして、コストダウンを可能にするという目的を達成する本発明に到達した。

本発明（請求項１に記載の第１発明）の凹凸面の表面欠陥検査装置は、
凹凸面を有する対象物に向け照明を行う照明と、該対象物からの照明反射光を結像するレンズと、対象物からの反射光を撮像するカメラとを備え、該カメラから得られる映像信号を画像処理して対象物の表面欠陥を検査する凹凸面の表面欠陥検査装置において、
前記カメラは、２次元カメラであり、
前記レンズの光軸に対して前記カメラを傾斜して配設することにより、前記対象物に対する被写界深度面を傾斜させており、
前記対象物の前記凹凸に応じて得られた予め定めた各取込領域における複数のデータを１枚の画像メモリのメモリ領域に１直線上に格納した
ものである。

本発明（請求項２に記載の第２発明）の凹凸面の表面欠陥検査装置は、
前記第１発明において、
前記対象物が、凹凸のある平坦面を有する対象物であり、
直線移動テーブルによって前記対象物の前記平坦面が延在する一方向に移動する前記対象物の画像データを連続的に取り込み、画像処理して対象物の表面欠陥を検査する
ものである。

本発明（請求項３に記載の第３発明）の凹凸面の表面欠陥検査装置は、
前記第１発明において、
前記対象物が、凹凸のある円筒面を有する対象物であり、
回転テーブルによって前記対象物の前記円筒面の曲率中心を中心として回転する前記対象物の画像データを連続的に取り込み、画像処理して対象物の表面欠陥を検査する
ものである。

本発明（請求項４に記載の第４発明）の凹凸面の表面欠陥検査装置は、
前記第３発明ないし第３発明のいずれかにおいて、
前記照明が、ライン照明である
ものである。

本発明（請求項５に記載の第５発明）の凹凸面の表面欠陥検査装置は、
前記第２発明または第４発明において、
前記カメラの撮像素子平面における欠陥の位置に基づき、前記対象物の前記平坦面が延在する一方向および該一方向に直交する方向における欠陥の座標位置を演算して、欠陥の位置および寸法を求める
ものである。

本発明（請求項６に記載の第６発明）の凹凸面の表面欠陥検査装置は、
前記第３発明または第４発明において、
前記カメラの撮像素子平面における欠陥の位置に基づき、遠近歪みまたは回転角速度の違いによる画像の伸縮補正を行い、ピント面における欠陥の座標位置を演算して、欠陥の位置および寸法を求める
ものである。

また、本発明においては、以下の凹凸面の表面欠陥検査方法を実現することができる。具体的には
凹凸面を有する対象物に向けライン照明を行い、該対象物からの照明反射光をレンズにより結像させ、対象物からの反射光をカメラの撮像素子平面に撮像させ、該カメラから得られる映像信号を画像処理して対象物の表面欠陥を検査する凹凸面の表面欠陥検査方法において、
前記レンズの光軸に対して傾斜して配設された前記カメラにより、傾斜した前記対象物に対する被写界深度面をライン照明光軸に一致させた状態において、検査を行う
ものである。

また、本発明においては、以下の凹凸面の表面欠陥検査方法を実現することができる。具体的には
凹凸面を有する対象物に向けライン照明を行い、該対象物からの照明反射光をレンズにより結像させ、対象物からの反射光をカメラの撮像素子平面に撮像させ、該カメラから得られる映像信号を画像処理して対象物の表面欠陥を検査する凹凸面の表面欠陥検査方法において、
前記レンズの光軸に対して傾斜して配設された前記カメラにより、傾斜した前記対象物に対する被写界深度面をライン照明光軸に一致させた状態において、検査を行うものであって、
前記対象物が、凹凸のある平坦面を有する対象物であり、
直線移動テーブルによって前記対象物の前記平坦面が延在する一方向に移動する前記対象物の画像データを連続的に取り込み、画像処理して対象物の表面欠陥を検査する
ものである。

また、本発明においては、以下の凹凸面の表面欠陥検査方法を実現することができる。具体的には
凹凸面を有する対象物に向けライン照明を行い、該対象物からの照明反射光をレンズにより結像させ、対象物からの反射光をカメラの撮像素子平面に撮像させ、該カメラから得られる映像信号を画像処理して対象物の表面欠陥を検査する凹凸面の表面欠陥検査方法において、
前記レンズの光軸に対して傾斜して配設された前記カメラにより、傾斜した前記対象物に対する被写界深度面をライン照明光軸に一致させた状態において、検査を行うものであって、
前記対象物が、凹凸のある円筒面を有する対象物であり、
回転テーブルによって前記対象物の前記円筒面の曲率中心を中心として回転する前記対象物の画像データを連続的に取り込み、画像処理して対象物の表面欠陥を検査する
ものである。

上記構成より成る第１発明の凹凸面の表面欠陥検査装置は、凹凸面を有する対象物に向け照明を行う照明と、該対象物からの照明反射光を結像するレンズと、対象物からの反射光を撮像する２次元カメラとを備え、該２次元カメラから得られる映像信号を画像処理して対象物の表面欠陥を検査する凹凸面の表面欠陥検査装置において、前記レンズの光軸に対して前記２次元カメラを傾斜して配設することにより、前記対象物の表面に対して被写界深度面を傾斜させており、前記対象物の前記凹凸に応じて得られた予め定めた各取込領域における複数のデータを１枚の画像メモリのメモリ領域に１直線上に格納したので、凹凸のある対象物においても、当該対象物と被写界深度面とが交わる部分でピントを合わせ、検査する事を可能にした。そのため、ピンぼけを防止して、正確な欠陥検出を可能にし、システムをシンプルにして、コストダウンを可能にするという効果を奏する。
また、本第１発明の凹凸面の表面欠陥検査装置は、前記２次元カメラを用いることによってカメラの画像の中で取込む領域を限定する事が出来るため、１次元カメラと同等の高速検査を可能にするという効果を奏するとともに、取込領域を前記予め定めた各取込領域とすることで限られた領域のみの画像取込みにより、１次元カメラと同等の高速検査が可能であり、且つ凹凸があるがゆえの遠近歪み、回転角速度の違いによる画像伸縮の補正が出来るため、精確な欠陥検査を可能にするという効果を奏する。
更に、本第１発明の凹凸面の表面欠陥検査装置は、各取込領域における複数のデータを１枚画像メモリのメモリ領域に１直線上に格納したことにより、データの実質的容量を小さくすることにより、メモリの容量の有効利用を可能にし、取り扱うデータ量を多くすることが出来るとともに、容量の小さなメモリの使用を可能にするという特有の効果を奏する。

上記構成より成る第２発明の凹凸面の表面欠陥検査装置は、前記第１発明において、前記対象物が、凹凸のある平坦面を有する対象物であり、直線移動テーブルによって前記対象物の前記平坦面が延在する一方向に移動する前記対象物の画像データを連続的に取り込み、画像処理して対象物の表面欠陥を検査するので、凹凸のある平坦面を有する対象物について、当該対象物と被写界深度面とが交わる部分でピントを合わせ、検査する事を可能にした。そのため、ピンぼけを防止して、正確な欠陥検出を可能にし、システムをシンプルにして、コストダウンを可能にするという効果を奏する。

上記構成より成る第３発明の凹凸面の表面欠陥検査装置は、前記第１発明において、前記対象物が、凹凸のある円筒面を有する対象物であり、回転テーブルによって前記対象物の前記円筒面の曲率中心を中心として回転する前記対象物の画像データを連続的に取り込み、画像処理して対象物の表面欠陥を検査するので、凹凸のある円筒面を有する対象物について、当該対象物と被写界深度面とが交わる部分でピントを合わせ、検査する事を可能にした。そのため、ピンぼけを防止して、正確な欠陥検出を可能にし、システムをシンプルにして、コストダウンを可能にするという効果を奏する。

上記構成より成る第４発明の凹凸面の表面欠陥検査装置は、前記第１発明ないし第３発明のいずれかにおいて、前記照明が、ライン照明であるので、カメラの画像の中で取込む領域を限定する事を可能にし、データ数を減らすことが出来るという効果を奏する。

上記構成より成る第５発明の凹凸面の表面欠陥検査装置は、前記第２発明または第４発明において、前記カメラの撮像素子平面における欠陥の位置に基づき、前記対象物の前記平坦面が延在する一方向および該一方向に直交する方向における欠陥の座標位置を演算して、欠陥の位置および寸法を求めるので、精度の高い欠陥の位置および寸法の計測を可能にするという効果を奏する。

上記構成より成る第６発明の凹凸面の表面欠陥検査装置は、前記第３発明または第４発明において、前記カメラの撮像素子平面における欠陥の位置に基づき、遠近歪みまたは回転角速度の違いによる画像の伸縮補正を行い、ピント面における欠陥の座標位置を演算して、欠陥の位置および寸法を求めるので、精度の高い欠陥の位置および寸法の計測を可能にするという効果を奏する。

上記構成より成る凹凸面の表面欠陥検査方法は、凹凸面を有する対象物に向けライン照明を行い、該対象物からの照明反射光をレンズにより結像させ、対象物からの反射光をカメラの撮像素子平面に撮像させ、該カメラから得られる映像信号を画像処理して対象物の表面欠陥を検査する凹凸面の表面欠陥検査方法において、前記レンズの光軸に対して傾斜して配設された前記カメラにより、傾斜した前記対象物に対する被写界深度面をライン照明光軸に一致させた状態において、検査を行うので、凹凸のある対象物について、当該対象物と被写界深度面とが交わる部分でピントを合わせ、検査する事を可能にした。そのため、ピンぼけを防止して、正確な欠陥検出を可能にし、システムをシンプルにして、コストダウンを可能にするという効果を奏する。

上記構成より成る凹凸面の表面欠陥検査方法は、凹凸面を有する対象物に向けライン照明を行い、該対象物からの照明反射光をレンズにより結像させ、対象物からの反射光をカメラの撮像素子平面に撮像させ、該カメラから得られる映像信号を画像処理して対象物の表面欠陥を検査する凹凸面の表面欠陥検査方法において、前記レンズの光軸に対して傾斜して配設された前記カメラにより、傾斜した前記対象物に対する被写界深度面をライン照明光軸に一致させた状態において、検査を行うものであって、前記対象物が、凹凸のある平坦面を有する対象物であり、直線移動テーブルによって前記対象物の前記平坦面が延在する一方向に移動する前記対象物の画像データを連続的に取り込み、画像処理して対象物の表面欠陥を検査するので、凹凸のある平坦面を有する対象物について、当該対象物と被写界深度面とが交わる部分でピントを合わせ、検査する事を可能にした。そのため、ピンぼけを防止して、正確な欠陥検出を可能にし、システムをシンプルにして、コストダウンを可能にするという効果を奏する。

上記構成より成る凹凸面の表面欠陥検査方法は、凹凸面を有する対象物に向けライン照明を行い、該対象物からの照明反射光をレンズにより結像させ、対象物からの反射光をカメラの撮像素子平面に撮像させ、該カメラから得られる映像信号を画像処理して対象物の表面欠陥を検査する凹凸面の表面欠陥検査方法において、前記レンズの光軸に対して傾斜して配設された前記カメラにより、傾斜した前記対象物に対する被写界深度面をライン照明光軸に一致させた状態において、検査を行うものであって、前記対象物が、凹凸のある円筒面を有する対象物であり、回転テーブルによって前記対象物の前記円筒面の曲率中心を中心として回転する前記対象物の画像データを連続的に取り込み、画像処理して対象物の表面欠陥を検査するので、凹凸のある円筒面を有する対象物について、当該対象物と被写界深度面とが交わる部分でピントを合わせ、検査する事を可能にした。そのため、ピンぼけを防止して、正確な欠陥検出を可能にし、システムをシンプルにして、コストダウンを可能にするという効果を奏する。

以下本発明の最良の実施の形態につき実施例に基づき、図面を用いて具体的に説明する。

本第１実施例の凹凸面の表面欠陥検査装置は、図１ないし図７に示されるように凹凸面を有する対象物１に向け照明を行う照明２と、該対象物１からの照明反射光を結像するレンズ４と、対象物１からの反射光を撮像するカメラ５とを備え、該カメラ５から得られる映像信号を画像処理して対象物１の表面欠陥を検査する凹凸面の表面欠陥検査装置において、前記レンズ４の光軸に対して前記カメラ５を傾斜して配設することにより、前記対象物１に対する被写界深度面を傾斜させたものであって、前記対象物１が、凹凸のある平坦面を有する対象物であり、直線移動テーブル６によって前記対象物１の前記平坦面が延在する一方向に移動する前記対象物１の画像データを連続的に取り込み、画像処理して対象物の表面欠陥を検査するものである。

本実施例の凹凸面の表面欠陥検査装置は、図１および図２に示されるようにベース１００に対して立設された立設部１０１に一端が固着された水平突出部１０２を介して配設された測定ヘッド１１内に、前記カメラ５を構成する２次元カメラが傾斜角調整可能に配設されている。

前記対象物１は、平面状対象物（鋼板、液晶ガラス）、シート状対象物（テープ、紙、布）、筒状対象物（ボトル、ゴムドラム）、円盤状対象物（ＣＤ、ＤＶＤ）等に限らず、凹凸のある部位を含んだ対象物であり、ライン照明と２次元カメラの組み合わせにより、高速に表面欠陥検査を行うものである。

前記測定ヘッド１１内において、前記カメラ５の下方にレンズ４を構成する光学レンズが配設され、該レンズ４の下方にプリズムより成るハーフミラー３が配設され、該ハーフミラー３の一方の垂直面に対向してエリア照明２が配設されている。

前記測定ヘッド１１の下方のベース１００上に配設されたＸ軸ステージ６０にモータ６１の回転によって前記直線移動テーブル６を構成するＸ軸方向に移動するＸ軸テーブル上に一例として階段状の対象物１が載置されている。

前記Ｘ軸ステージ６０の前記モータ６１は、該モータ６１を制御するＸ軸ステージ制御部７に接続されている。

前記エリア照明２は、本第１実施例装置を制御する制御部としての制御装置８に接続されている。前記カメラ５は画像メモリ９１に接続され、該画像メモリ９１は画像処理部９０に接続され、該画像処理部９０が前記制御装置８に接続された欠陥寸法サイズ補正部９３に接続されている。

本第１実施例においては、前記対象物１に対し、照明を行うエリア照明２と、その照明光を対象部へ照射し、反射光を受光させる為のハーフミラー３と、照明２によって照射され前記対象物１からの反射光を集光する為の前記光学レンズ４と、集光された像を限られた領域のみデジタル画像データとする２次元カメラ５と、前記対象物１を移動させるＸ軸ステージ６０と、それを制御するＸ軸ステージ制御部７と、カメラから得られたデジタル画像データを展開画像として格納する画像メモリ９１と、限られた領域毎に展開画像から欠陥検出する為の画像処理部９０と、検出された欠陥寸法について補正する欠陥寸法サイズ補正部９３と、前記エリア照明２、２次元カメラ５、およびＸ軸ステージを制御する装置の制御装置８からなり、凹凸のある対象物１においても、当該対象物と被写界深度面とが交わる部分でピンぼけすることなく撮像し、欠陥検出を正確に行う事を可能にするものである。

図３に示すとおり、前記２次元カメラ５内の前記撮像素子５１の撮像平面５２は、シャインプルーフの法則により、光学レンズ４の光軸に対し角度φだけ傾斜させた場合、被写界深度面５３は角度θ＝ｔａｎ^-1（ｄｉ・ｔａｎφ／ｄ０）だけ傾斜させる事が出来、ライン照明光軸と一致させる事が出来るため、凹凸があっても凸部の表面、凹部の表面のいずれにおいても常にピントの合う像が得られるように構成されている。
ｄ０：被写界深度面５３と光学レンズ４の光軸の交わる点から、光学レンズ４の主点までの距離、
ｄｉ：撮像素子の平面５２と光学レンズ４の光軸の交わる点から、光学レンズ４の主点までの距離
である。

次に本第１実施例装置における具体的な欠陥検出方法について、図４に示されるフローチャートに基づき説明する。
ステップ１０１において、まず、前記Ｘ軸ステージ６０の前記Ｘ軸テーブル６上に、前記対象物１をセットする。

ステップ１０２において、エリア照明２を点灯し、照明を前記対象物１に照射する。ステップ１０３において、前記２次元カメラ５における画像の取込領域を指定する。これは、２次元カメラから見て、対象物のピントの合った反射光の得られる領域のみ指定する。

前記凹凸を有する対象物１において、平坦面が２つであれば、２つの領域と言った様に平坦面の数だけ領域が必要となる。

ステップ１０４において、前記対象物１がセットされた前記Ｘ軸テーブル６をスタートさせ、Ｘ軸方向へ等速で移動させる。

ステップ１０５において、前記対象物１の移動中に、連続で画像を取り込む。このとき、ステップ１０６において、指定領域のみカメラから画像メモリ９１にデータ転送している。このように、取込領域を限定している為、高速取込が可能なように構成されている。

ステップ１０７において、取込領域の画像データを前記画像メモリ９１に格納する。データの格納方法については、図２に示すように、前記対象物１の前記凹凸に応じて得られた各矩形の取込領域における複数のデータを画像メモリ空間におけるメモリ領域に一直線上に格納する。これにより、図２に示す展開画像が作成される。

ステップ１０８において、すべての画素の格納が終了したかを判断する。すべての画素の格納が終了していない場合には、ステップ１０６、１０７に戻って格納されていない画素を画像メモリに転送し画像メモリに格納する。

ステップ１０９において、Ｘ軸方向における対象物のスキャンが終了するまで、ステップ１０５ないしステップ１０８が繰り返えされ、終了する。

ステップ１１０において、各領域における展開画像を画像処理する。ステップ１１１において、欠陥について寸法サイズを演算する。例えば２値化処理から、メディアンフィルタ等によるノイズ除去により、塊の寸法演算の様に、欠陥を検出するものである。

さらに欠陥についての寸法の演算の一例について、さらに詳細に説明する。
ここでまず、Ｘ座標算出については、図５を用いて説明する。

光学レンズ４の主点位置を点をＯとし、測定対象物１と被写界深度面とのある交点を点をＱとし、点ＱからＺ軸に下ろした垂線とＺ軸との交点を点をＰとし、原点から点Ｑまでの距離をΔとし、撮像素子の撮像平面５２上に撮像される点Ｑの像を点をＱ‘とし、点Ｑ’からＺ軸に下ろされる垂線とＺ軸との交点を点をＰ‘とし、撮像素子５１とＺ軸との交点から点Ｑ’までの距離をδとすると以下の数１に示されるようになる。ここで距離δは、図２のカメラ画像におけるＩ座標上の距離に対応する。
三角関数の加法定理より以下の数２に示されるようになる。

ここで、更にＸ軸ステージの移動量を考慮し、取込間隔時間にＸ軸ステージが−Ｘ方向にｐだけ移動したとすると、展開画像Ｉ’座標がｉ’の場合、以下の数３に示されるように求められる。ここでｉ’とは、図２において、何番目にとられたカメラ画像であるかに相当するものである。つまり、ｎ番目と撮られた画像Ｎｏ．ｎの領域に対応する場合、ｉ’＝ｎとなる。

又、Ｙ座標については、（図６）
点ＱからＸＺ平面に下ろした垂線とＸＺ平面との交点を点Ｒ、
点Ｑ’からＸＺ平面に下ろした垂線とＸＺ平面との交点を点Ｒ’、
点Ｑから点Ｒまでの距離をΛ、点Ｑ’から点Ｒ’までの距離λとすると、以下の数４に示されるようになる。ここで距離λは、図２のカメラ画像におけるＩ座標上の距離に対応する。

この様に、点Ｑ’のカメラ画像座標Ｉ（δ，λ）と展開画像座標（Ｉ’，Ｊ’）より、点Ｑの絶対座標（ｘ，ｙ）が求められ、欠陥の位置と欠陥寸法の演算が可能となる。

図７は、凹凸面の凹部及び凸部がそれぞれ平坦面である場合における、欠陥寸法の演算方法を説明するためのものである。図７を用いて、欠陥寸法演算について、更に詳細に説明する。図７（ａ）は、図２に示すような画像処理により作成された展開画像を示すものである。図７（ａ）に示す展開画像の領域（１）には、欠陥画像に示すような欠陥が表示されている。このような欠陥の寸法を演算するに際しては、図７（ｂ）のフローチャートに示すように、まずステップ３０１において、展開画像領域での欠陥塊の（Ｉ’ｍｉｎ，Ｊ’ｍｉｎ）座標、（Ｉ’ｍａｘ，Ｊ’ｍａｘ）座標を抽出する。ここで、Ｉ’ｍｉｎあるいはＪ’ｍｉｎは、欠陥画像においても最もＩ’あるいはＪ’の小さい値であり、Ｉ’ｍａｘあるいはＪ’ｍａｘは、欠陥画像において、Ｉ’あるいはＪ’の最も大きい値である。

次に、ステップ３０２において、Ｉ’ｍｉｎ、Ｉ’ｍａｘでのＸ座標演算を行う。具体的には、ｉ’＝ｎの場合前述した数式３（ｘ＝Δｓｉｎθ＋ｉ’・ｐ）において、ｉ’＝ｎとして、Ｘｍｉｎ、Ｘｍａｘを演算する。続いて、ステップ３０３において、Ｊ’ｍｉｎ、Ｊ’ｍａｘでのＹ座標演算を行う。具体的には、前述した数式４（ｙ＝Λ＝λ・（ｄ０−Δｃｏｓθ）／（ｄｉ＋δｃｏｓφ））によりＹｍｉｎ、Ｙｍａｘを演算する。

ステップ３０４において、ステップ３０２、３０３において得られたＸｍｉｎ、Ｘｍａｘ、Ｙｍｉｎ、Ｙｍａｘにより欠陥寸法の演算を行う。具体的には、欠陥のＸ寸法はＸｍａｘ−Ｘｍｉｎ、欠陥のＹ寸法はＹｍａｘ−Ｙｍｉｎにより演算することができる。

上記ステップ３０４において、一つの欠陥の寸法を演算することができる。続いて、ステップ３０５において、同じ領域内に更に欠陥があるかどうかを判断し、同じ領域内に欠陥がある場合には、ステップ３０１に戻って、同じ領域内にある異なる欠陥の寸法を演算する。一方、同じ領域内にもう欠陥がない場合には、ステップ３０６にすすんで、すべての領域で欠陥の寸法を演算したかを判断する。ここで、すべての領域において欠陥寸法の演算が終了していない場合には、ステップ３０１に戻って、異なる領域の欠陥に対して寸法の演算を行う。一方、すべての領域で欠陥寸法の演算が終了していれば、欠陥寸法演算の処理を終了する。

上記の本第１実施例の検査装置及び検査方法は、凹凸のある前記対象物１に対してピンぼけのない画像が得られ、前記２次元カメラ５を用いるものであるが、限られた領域のみの画像の取込みにより、１次元カメラと同等の高速検査が可能であり、且つ凹凸があるがゆえの遠近歪みによる画像伸縮について補正が出来る為、正確な欠陥検出を可能とするという効果を奏する。

すなわち従来における表面欠陥検査は平面状対象物、シート状対象物、筒状対象物、円盤状対象物等でライン照明と１次元カメラの組み合わせにより、高速に表面欠陥検査が行われているが、凹凸のある対象物については、ピントが合わず、検査する事が出来なかった。

そこで本第１実施例においては、撮像する際の焦点面を傾斜させる事により、凹凸のある対象物や凹凸の異なる多品種に対して、ピントを合わせる事が出来、又カメラの画像の中で取込む領域を限定する事により、１次元カメラと同等に高速で検査できるようにするものである。

先ず、図２に示されるように予め対象物の凹凸に合った領域のみに画像取込を限定しておく。そして対象物を移動させながら対象物１にライン照明を照射し、画像を取り込む。移動終了後、領域毎の展開画像を基に一般的な欠陥検出画像処理を実行し欠陥を検出するものである。

従来の方法においては、測定範囲に対象物があっても、凹凸からくるピンぼけにより欠陥検出ができないことがあったのに対し、上述したように本第１実施例の方法においては、凹凸があっても可動部なしにカメラ１台で検出が可能であり、２次元カメラであっても領域を限定する事により、１次元カメラの様に高速検査可能であり、更に、凹凸による遠近歪みによる画像伸縮については、補正により正確な欠陥サイズを検出できるものである。

本第２実施例の凹凸面の表面欠陥検査装置は、図８ないし図１４に示されるように凹凸面を有する対象物１に向け照明を行う照明２と、該対象物からの照明反射光を結像するレンズ４と、対象物からの反射光を撮像するカメラ５とを備え、該カメラ５から得られる映像信号を画像処理して対象物の表面欠陥を検査する凹凸面の表面欠陥検査装置において、前記レンズ４の光軸に対して前記カメラ５を傾斜して配設することにより、前記対象物（特に対象物の外周面）に対して被写界深度面を傾斜させたものであって、前記対象物１が、凹凸のある円筒面を有する対象物であり、回転テーブル６２によって前記対象物の前記円筒面の曲率中心を中心として回転する前記対象物の画像データを連続的に取り込み、画像処理して対象物の表面欠陥を検査するものである。

本第２実施例の凹凸面の表面欠陥検査装置は、図８に示されるようにベース１００に対して立設された立設部１０１の上端に配設された測定ヘッド１１内に、前記カメラ５を構成する２次元カメラが傾斜角調整可能に配設されている。

前記測定ヘッド１１内において、前記カメラ５の斜め前方にレンズ４を構成する光学レンズが配設され、該レンズ４の円周方向側方ライン照明２が配設されている。

前記測定ヘッド１１の下方のベース１００上に配設されたモータ６３の回転によって回転する前記回転テーブル６２上に一例として外周壁に複数の円周溝が並設された内燃機関のピストン状の対象物１が載置されている。

前記回転テーブル６２を回転駆動する前記モータ６３は、該モータ６３を制御する回転制御部７２に接続されている。

前記ライン照明２は、本第２実施例装置を制御する制御部としての制御装置８に接続されている。前記カメラ５は画像メモリ９１に接続され、該画像メモリ９１は画像処理部９０に接続され、該画像処理部９０が前記制御装置８に接続された欠陥寸法サイズ補正部９３に接続されている。

本第２実施例においては、前記対象物１に対し、照明を行うライン照明２と、ライン照明２によって照明光が照射され前記対象物１からの反射光を集光する為の前記光学レンズ４と、集光された像を限られた領域のみデジタル画像データとする２次元カメラ５と、前記対象物１を回転させる回転テーブル６２と、該回転テーブル６２の回転を制御する回転制御部７２と、前記カメラ５から得られたデジタル画像データを展開画像として格納する画像メモリ９１と、限られた領域毎に展開画像から欠陥検出する為の画像処理部９０と、検出された欠陥寸法について補正する欠陥寸法サイズ補正部９３とからなり、凹凸のある円筒形状の対象物１においても、ピンぼけすることなく撮像し、欠陥検出を正確に行う事を可能にするするものである。

ここで、図９に示すとおり、２次元カメラの撮像素子の撮像平面５２は、シャインプルーフの法則により、光学レンズ４の光軸に対し角度φだけ傾斜させた場合、被写界深度面５３は角度θ＝ｔａｎ^-1（ｄｉ・ｔａｎφ／ｄ０）だけ傾斜させる事が出来、ライン照明光軸と一致させる事が出来、凹凸があっても凸部の表面、凹部の表面のいずれにおいても常にピントの合う像を得られる。このとき特に、被写界深度面５３が回転テーブル軸心を通るようにｄ０，ｄｉ，θ，φを決定すれば欠陥寸法演算も簡略化できる。
（ｄ０：被写界深度面５３と光学レンズ４光軸の交わる点から、光学レンズ４の主点までの距離、ｄｉ：撮像素子の撮像平面５２と光学レンズ４光軸の交わる点から、光学レンズ４の主点までの距離）

次に本第２実施例装置における具体的な欠陥検出方法について、図１０に示されるフローチャートに基づき説明する。
ステップ２０１において、まず、前記回転テーブル６２上に、前記対象物１をセットする。

ステップ２０２において、ライン照明２を点灯し、照明を前記対象物１に照射する。ステップ２０３において、前記２次元カメラ５における画像の取込領域を指定する。ここにおいては、２次元カメラから見て、対象物の反射光の得られる領域のみ指定する。

前記対象物１の凹凸が２つであれば、２つの領域と言った様に凹凸の数だけ領域が必要となる。
前記２次元カメラから前記対象物１からの反射光を画像計測し、予め形状情報がなくとも領域指定可能である。前記カメラ５の各水平画素範囲で一番反射輝度の高い画素を自動指定する事が可能である。

ステップ２０４において、前記対象物１がセットされた前記回転テーブル６２の回転をスタートさせ等速で回転させる。

ステップ２０５において、前記対象物１の回転中に、連続で画像を取り込む。このとき、ステップ２０６において、指定領域のみカメラから画像メモリ９１にデータ転送している。このように取込領域を限定している為、高速取込が可能なように構成されている。

ステップ２０７において、取込領域の画像データを前記画像メモリ９１に格納する。データの格納方法については、図１１に示されるように、前記対象物１の前記凹凸に応じて得られた各矩形の取込領域における複数のデータを画像メモリ空間におけるメモリ領域に一直線上に格納する。これにより図１１に示す展開画像が作成される。

ステップ２０８において、すべての画素の格納が終了したかを判断する。すべての画素の格納が終了していない場合には、ステップ２０６、２０７に戻って格納されていない画素を画像メモリに転送し画像メモリに格納する。

ステップ２０９において、３６０回転終了するまで、ステップ２０５ないしステップ２０８が繰り返えされ、終了する。

ステップ２１０において、各領域における展開画像を画像処理する。ステップ２１１において、欠陥について寸法サイズを演算する。例えば２値化処理から、メディアンフィルタ等によるノイズ除去により、塊の寸法演算の様に、欠陥を検出するものである。

前記ステップ２０９における欠陥の寸法演算について、説明する。
例えば、欠陥幅と高さを求める場合、被写界深度面５３を回転テーブル軸心に合わせれば演算が簡略化でき展開画像上で求められた欠陥の幅をｉ〔ｄｏｔ〕，高さをｊ〔ｄｏｔ〕とした場合、求められる欠陥寸法幅Ｘ〔ｍｍ〕，高さＹ〔ｍｍ〕は、以下の数５および数６に示されるようになる。
であり、凹凸がある場合における遠近歪みの補正、回転角速度の違いによる画像伸縮の補正が可能となる。

図１２は、円筒面に凹凸が形成されている場合における、欠陥寸法の演算方法を説明するためのものである。図１２を用いて、当該欠陥寸法演算について、更に詳細に説明する。図１２（ａ）は、図１１に示すような画像処理により作成された展開画像を示すものである。図１２（ａ）に示す展開画像の領域（１）には、欠陥画像に示すような欠陥が表示されている。このような欠陥の寸法を演算するに際しては、図１２（ｂ）のフローチャートに示すように、まずステップ４０１において、展開画像領域での欠陥塊の（Ｉ’ｍｉｎ，Ｊ’ｍｉｎ）座標、（Ｉ’ｍａｘ，Ｊ’ｍａｘ）座標を抽出する。ここで、Ｉ’ｍｉｎあるいはＪ’ｍｉｎは、欠陥画像において最もＩ’あるいはＪ’の小さい値であり、Ｉ’ｍａｘあるいはＪ’ｍａｘは、欠陥画像において、Ｉ’あるいはＪ’の最も大きい値である。

次に、ステップ４０２において、Ｉ’ｍｉｎ、Ｉ’ｍａｘでのＸ座標演算を行う。具体的には、前述した数式５（ｘ＝２πｉ’ｒＮｆ）によりＸｍｉｎ、Ｘｍａｘを演算する。続いて、ステップ４０３において、Ｊ’ｍｉｎ、Ｊ’ｍａｘでのＹ座標演算を行う。具体的には、前述した数式６（ｙ＝δＪ’Ｄ／ｄ）によりＹｍｉｎ、Ｙｍａｘを演算する。

ステップ４０４において、ステップ４０２、４０３において得られたＸｍｉｎ、Ｘｍａｘ、Ｙｍｉｎ、Ｙｍａｘにより欠陥寸法の演算を行う。具体的には、欠陥のＸ寸法はＸｍａｘ−Ｘｍｉｎ、欠陥のＹ寸法はＹｍａｘ−Ｙｍｉｎにより演算することができる。

上記ステップ４０４において、一つの欠陥の寸法を演算することができる。続いて、ステップ４０５において、同じ領域内に更に欠陥があるかどうかを判断し、同じ領域内に欠陥がある場合には、ステップ４０１に戻って、同じ領域内にある異なる欠陥の寸法を演算する。一方、同じ領域内にもう欠陥がない場合には、ステップ４０６にすすんで、すべての領域で欠陥の寸法を演算したかを判断する。ここで、すべての領域において欠陥寸法の演算が終了していない場合には、ステップ４０１に戻って、異なる領域の欠陥に対して寸法の演算を行う。一方、すべての領域で欠陥寸法の演算が終了していれば、欠陥寸法演算の処理を終了する。

上述の本第２実施例の検査装置及び検査方法は、凹凸のある対象物１に対してピンぼけのない画像が得られ、２次元カメラ５を用いるものではあるが、限られた領域のみの画像取込みにより、１次元カメラと同等の高速検査が可能であり、且つ凹凸があるがゆえの遠近歪み、回転角速度の違いによる画像伸縮の補正が出来る為、正確な欠陥検出を可能にするという効果を奏するものである。

そこで本第２実施例においては、図１３に示されるように撮像する際の焦点面を傾斜させる事により、凹凸のある対象物や凹凸の異なる多品種に対して、ピントを合わせる事が出来、又カメラの画像の中で取込む領域を限定する事により、１次元カメラと同等に高速で検査できるようにするものである。

先ず、図１４に示されるように予め対象物の凹凸に合った領域のみに画像取込を限定しておく。そして対象物を移動させながら対象物１にライン照明を照射し、画像を取り込む。移動終了後、領域毎の展開画像を基に一般的な欠陥検出画像処理を実行し欠陥を検出するものである。

従来の方法においては、測定範囲に対象物があっても、凹凸からくるピンぼけにより欠陥検出ができないことがあったのに対し、上述したように本第２実施例の方法においては、凹凸があっても可動部なしにカメラ１台で検出が可能であり、２次元カメラであっても領域を限定する事により、１次元カメラの様に高速検査可能であり、更に、凹凸による遠近歪み、回転角速度の違いによる画像伸縮については、補正により正確な欠陥サイズを検出できるものである。

上述の実施例は、説明のために例示したもので、本発明としてはそれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲、発明の詳細な説明および図面の記載から当業者が認識することができる本発明の技術的思想に反しない限り、変更および付加が可能である。

凹凸面を有する対象物に向け照明を行う照明と、該対象物からの照明反射光を結像するレンズと、対象物からの反射光を撮像するカメラとを備え、該カメラから得られる映像信号を画像処理して対象物の表面欠陥を検査する凹凸面の表面欠陥検査装置において、前記レンズの光軸に対して前記カメラを傾斜して配設することにより、前記対象物に対する被写界深度面を傾斜させたものであり、ピンぼけを防止して、正確な欠陥検出を可能にし、システムをシンプルにして、コストダウンを可能にする用途にも適用できる。

本発明の第１実施例の凹凸面の表面欠陥検査装置の全体を示す斜視図である。本第１実施例における計測によって得られたデータの格納を説明するための説明図である。本第１実施例における計測原理を説明するための説明図である。本第１実施例における検査手順を示すチャート図である。本第１実施例における計測原理を説明するための説明図である。本第１実施例における欠陥の寸法演算を説明するための説明図である。本第１実施例における欠陥寸法サイズ演算の手順を示すチャート図である。本発明の第２実施例の凹凸面の表面欠陥検査装置の全体を示す斜視図である。本第２実施例における計測原理を説明するための説明図である。本第２実施例における検査手順を示すチャート図である。本第２実施例における計測によって得られたデータの格納を説明るための説明図である。本第２実施例における欠陥寸法サイズ演算の手順を示すチャート図である。本第２実施例および従来における計測方法を対比して説明するための説明図である。本第２実施例における展開画像を説明するための説明図である。測定分解能と被写界深度の関係を示す線図である。

符号の説明

１対象物
２照明
４レンズ
５カメラ
６直線移動テーブル

Claims

凹凸面を有する対象物に向け照明を行う照明と、該対象物からの照明反射光を結像するレンズと、対象物からの反射光を撮像するカメラとを備え、該カメラから得られる映像信号を画像処理して対象物の表面欠陥を検査する凹凸面の表面欠陥検査装置において、
前記カメラは、２次元カメラであり、
前記レンズの光軸に対して前記カメラを傾斜して配設することにより、前記対象物に対する被写界深度面を傾斜させており、
前記対象物の前記凹凸に応じて得られた予め定めた各取込領域における複数のデータを１枚の画像メモリのメモリ領域に１直線上に格納した
ことを特徴とする凹凸面の表面欠陥検査装置。
請求項１において、
前記対象物が、凹凸のある平坦面を有する対象物であり、
直線移動テーブルによって前記対象物の前記平坦面が延在する一方向に移動する前記対象物の画像データを連続的に取り込み、画像処理して対象物の表面欠陥を検査する
ことを特徴とする凹凸面の表面欠陥検査装置。
請求項１において、
前記対象物が、凹凸のある円筒面を有する対象物であり、
回転テーブルによって前記対象物の前記円筒面の曲率中心を中心として回転する前記対象物の画像データを連続的に取り込み、画像処理して対象物の表面欠陥を検査する
ことを特徴とする凹凸面の表面欠陥検査装置。
請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、
前記照明が、ライン照明である
ことを特徴とする凹凸面の表面欠陥検査装置。
請求項２または請求項４において、
前記カメラの撮像素子平面における欠陥の位置に基づき、前記対象物の前記平坦面が延在する一方向および該一方向に直交する方向における欠陥の座標位置を演算して、欠陥の位置および寸法を求める
ことを特徴とする凹凸面の表面欠陥検査装置。
請求項３または請求項４において、
前記カメラの撮像素子平面における欠陥の位置に基づき、遠近歪みまたは回転角速度の違いによる画像の伸縮補正を行い、ピント面における欠陥の座標位置を演算して、欠陥の位置および寸法を求める
ことを特徴とする凹凸面の表面欠陥検査装置。