JP4495327B2 - 欠陥検出装置及び方法 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
本発明は、鏡面性あるいは透過性を有する物体に存在する、表面凹凸、光学歪み等の欠陥を検出する欠陥検出装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
連続的に生産される、金属板、不透明樹脂板等の鏡面性を有する物体、または、透明フィルム、透明樹脂板等の透明性を有する物体には、表面凹凸、光学歪み等の欠陥が存在する場合がある。これらの欠陥を検出する欠陥検出装置として、従来から、ライン状照明装置とラインCCDカメラを利用した欠陥検出装置が知られている。例えば表面に存在する凹凸の検査では、物体の流れ方向に対して垂直にライン状照明装置を配置し、ライン状照明装置によって照明された物体からの反射光をラインCCDカメラで受光する。表面凹凸等の欠陥により反射光が乱されると、欠陥部でのラインCCDカメラの受光量が低下することを利用して連続的に物体の表面凹凸等の欠陥を検出することが可能となる。しかしながら、この方法では、緩やかな凹凸やラインCCDカメラのスキャン方向に垂直な縦長の凹凸欠陥では受光量がほとんど変化せず、欠陥部を検出できないという問題があった。
【0003】
板状物体の表面形状を簡便に、かつ精度良く評価する方法として特開平11-148813号公報に記載された方法がある。この方法では、例えば明暗がチェッカーパターン状になっている面光源から被評価物体に光を投射し、被評価物体からの透過光または反射光をCCDカメラ等の撮像素子で受光し、受光に基づく電気信号を処理して表面形状を評価する。被評価物体がまったく平坦であれば、受光に基づく電気信号から得られるパターンの明暗周期は変化することはない。被評価物体に表面変形があると、表面変形部分でパターンの明暗周期が変化する。このパターンの明暗周期のずれ量を測定することにより、精度良く表面形状を評価することが可能となる。ここで、明暗周期のずれ量は、被評価物体に照射されたパターンの明暗周期の1ピッチに対応したサイズの受光画像における領域の明暗を平均化し、平均化された信号の振幅の変動により測定される。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記の装置では、明暗周期のずれ量のみを評価の対象としているため、被評価物体が全く平坦な場合のずれ量をゼロとするためには、パターンの明暗周期の1ピッチに対応したサイズの受光画像における領域が、撮像素子の最小受光単位(画素サイズ)の整数倍に対応するように、極めて精度良く調整する必要があるという問題がある。
【0005】
また、従来から、パターンのコントラスト変化を検出する装置もあるが、このような装置では、正常部でのコントラストが最大になるようにセッティングされていることから、緩やかな表面凹凸ではコントラストがほとんど変化せず、表面凹凸を検出できないという問題がある。
本発明の目的は、こうした従来の装置の問題点を解決し、光学系を精度よくセッティングしなくても、極めて精度良く被検査物体の表面凹凸を検出可能な装置を提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明による欠陥検出装置は、
周期的な明暗ストライプパターンを被検査物体に照射する照明手段と、前記被検査物体を反射したパターンまたは透過したパターンを撮像する撮像手段と、前記撮像手段におけるストライプパターンの明暗画像のコントラスト変化に基づいて前記被検査物体の欠陥を検出する検出手段と、を備える欠陥検出装置において、
前記検出手段は、コンパレータ、及び画像膨張回路を備えることを特徴とする。
前記検出手段は、更に、第2のコンパレータ、及び画像収縮回路を備えてもよい。
【0007】
本発明による欠陥検出方法は、照明装置から周期的な明暗ストライプパターンを被検査物体に照射し、撮像装置が有するレンズの焦点を、前記照明装置のストライプパターンの位置と比較して遠方あるいは手前の位置にずらし、前記被検査物体を反射したパターンまたは透過したパターンを前記撮像装置により撮像し、撮像したストライプパターンのコントラスト変化を表す画像信号に基づいて、前記被検査物体の凹凸を検出する、ステップを備える。
【0008】
また、前記撮像手段が有するレンズの焦点をずらすステップは、前記被検査物体が正常な場合の前記撮像手段における明暗ストライプパターンのコントラストが、前記照明手段のストライプパターンの位置に合わせた場合と比較して1/4〜3/4になるように、前記照明手段のストライプパターンの位置の遠方あるいは手前にずらしてもよい。
【0009】
また、前記被検査物体の凹凸を検出するステップは、前記画像信号を第1の基準電圧と比較し、前記画像信号が前記第1の基準電圧より大きい部分を二値の一方の値に設定し、前記一方の値の部分を所定の距離だけ横方向に拡大処理し、拡大処理後に前記一方の値をとる部分を凸部又は凹み部と検出しても良い。
また、前記被検査物体の凹凸を検出するステップは、前記画像信号を第2の基準電圧と比較し、前記画像信号が前記第2の基準電圧より大きい部分を二値の一方の値に設定し、前記一方の値の部分を所定の距離だけ横方向に縮小処理し、縮小処理後に前記一方の値をとる部分を凸部又は凹み部と検出しても良い。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面によって説明する。
図1は本発明による欠陥検出装置の一構成例を示す構成図である。
[照明手段]
照明装置1は、周期的な明暗ストライプパターンを有する光を被検査物体に照射するための装置であり、一般的に使用される蛍光灯等の光源に、透明部と不透明部とからなるストライプパターン11を施した前面カバーを用いる。透明/不透明のストライプパターンの周期は、検出したい凹凸欠陥や光学歪欠陥のサイズより小さくすることが望ましい。
【0011】
[被検査物体]
被検査物体2は、金属板、樹脂板、ガラス板等の鏡面性または透過性を有する平面を持つ物体である。図1に示すのは反射方式であり、照明装置1により照射された明暗ストライプパターンを有する光は、被検査物体2の表面に21で示す線状に投影される。被検査物体2の表面で反射した光を撮像装置3で検出する。被検査物体2を矢印Aで示す方向に連続的に移動させながら、表面凹凸を検出することが出来る。
また、透明体の場合は被検査物体を透過して映し出されるストライプパターンを撮像する透過方式により、表面凹凸を検出することができる(図示せず)。また、例えば、一面側が非常に微細なマット加工を施してある透明樹脂シートの場合、透過方式では鏡面側の凹凸欠陥が検出できないので、鏡面側の凹凸欠陥を反射方式で検査する場合もある。
【0012】
[撮像手段]
被検査物体2で反射した明暗ストライプパターンは撮像装置3により受光され画像信号に変換される。撮像装置3としては、一般的にCCDカメラが使用され、特に被検査物体2が一方向に移動する場合には一次元CCDカメラが使用される。
撮像装置3では、結像レンズ31により、被検査物体2の表面で反射した明暗ストライプパターンをCCD素子32に結像する。CCD素子32に結像された明暗ストライプパターンの1周期は、CCD素子の最小受光単位(画素サイズ)の8倍以上であることが望ましい。
【0013】
図2は、上の図は透明/不透明ストライプパターン11、中間の図は被検査物体2の断面を表す。図2の下の図は、被検査物体2の表面で反射した光を撮像装置3で検出し、撮像装置3から出力される画像信号を表した図である。ここで、横軸は被検査物体2表面上の線21上の位置を表す。縦軸は画像信号の電圧を表す。被検査物体が全く平坦な場合には、図2に示すように、ストライプパターン11に対応した一定周期のパターンが得られる。aは、撮像手段から得られる画像信号の最大電圧、bは最小電圧である。撮像装置から得られる画像信号が図2のようになった場合、画像信号のコントラストを、(a−b)/(a+b)と定義する。
【0014】
(1)最もコントラストが大きくなるのは、結像レンズ31の焦点を照明装置1のストライプパターンの位置に合わせた場合である。このとき、撮像装置から得られる画像信号を図3に示す。この場合、被検査物体2の平面が全く平坦な場合にコントラストが最大になるので、被検査物体2に凹凸欠陥があった場合、明暗ストライプパターンの周期変化は起こるが、これ以上コントラストが大きくなることはない。
【0015】
(2)図4は、結像レンズ31の焦点を照明装置1のストライプパターンの位置と比較して手前にずらし、結像レンズ31の焦点を照明装置1のストライプパターンの位置に合わせた場合と比較して、コントラストが1/2になるような位置に結像レンズ31を置いた場合を表す。図2、3と同様に、上の図はストライプパターン11、中間の図は被検査物体2の断面を表す。図4(a)の下の図は、被検査物体2表面が平坦な場合において、撮像装置から得られる画像信号を示す。画像信号は一定の周期と振幅で変化することが分かる。
図4(b)に、被検査物体2に凹凸がある場合に撮像装置から得られる画像信号を示す。この場合、被検査物体2の凹み部23において、画像信号は、51で示すように明暗周期が長くなりコントラストが低下する。また、凸部24において、画像信号は、52で示すように明暗周期が短くなりコントラストが大きくなる。
【0016】
(3)図示しないが、逆に、結像レンズ31の焦点を照明装置1のストライプパターン11の位置と比較して遠方にずらし、結像レンズ31の焦点を照明装置1のストライプパターン11の位置に合わせた場合と比較して、コントラストが1/2になるような位置に結像レンズ31を置いた場合には、被検査物体2に凹み部23があると、明暗周期は長くなりコントラストは大きくなる。また、凸部24では明暗周期が短くなりコントラストは低下する。
【0017】
つまり、焦点位置をずらし、正常状態でのコントラストを意識的に低下させておくことにより、凹み部と凸部の欠陥があると、コントラストが顕著に変化する。
ここでは、コントラストが1/2になるようにレンズの焦点位置をずらした場合を例にとったが、コントラストを丁度1/2にする必要はない。凹み部と凸部のどちらでもコントラスト変化を得るためには、コントラストが1/4〜3/4となる位置に焦点をずらすのが適当である。
【0018】
[検出手段]
図5、図6、及び図7を用いて、処理装置4の一例を説明する。図5は、処理装置4の一構成例である。撮像装置からの画像信号S1は、コンパレータ41に与えられる。コンパレータ41では、基準電圧Vr1と入力信号とを比較する。ここに、基準電圧Vr1は、被検査物体2の平坦部ではVr1を超えず、凹み部又は凸部でのみVr1を超えるようなレベルに設定する。基準電圧Vr1より入力信号の電圧の方が高い部分を1、入力電圧の方が低い部分を0に2値化する。そして、その位置情報をコンパレータ信号S41として出力する。
図6は、ストライプパターン11を通り、凹み部23と凸部24を有する被検査物体2で反射した光を処理装置4により処理した信号を表す。図6(a)は、撮像装置3から得られる画像信号S1を表す。Vr1を図6(a)に示すような電圧レベルにセットした場合、凸部24に対応する画像信号52に対応する部分のみがVr1を超えるので1にセットされる。その結果、コンパレータ41から図6(b)に示すようなコンパレータ信号S41が出力される。
【0019】
次に、コンパレータ信号S41は画像膨張回路42に入力される。画像膨張回路42では、入力されたコンパレータ信号S41を指定された幅だけ両側に膨張する。画像膨張回路42から出力される位置信号S42は、図6(c)に示すようになる。例えば、明暗周期の3/4倍に相当する幅を指定すると、同一の凸部により生じた値が1の複数の部分53は1つに結合されて、54のようになる。画像膨張回路42からの位置信号S42は、凸部のみで1をとる。こうして、凸部が存在することを検出することが可能となる。
【0020】
また、撮像装置からの画像信号S1は、コンパレータ43にも与えられる。コンパレータ43では、基準電圧Vr2と入力信号とを比較する。Vr2は、被検査物体2の平坦部ではVr2より低くなる部分があるが、凹み部又は凸部でのみVr2より低くなることがないようなレベルに設定する。基準電圧Vr2より入力信号の電圧の方が高い部分を1、入力電圧の方が低い部分を0に2値化して、コンパレータ信号S43として出力する。Vr2を図7(a)に示すような電圧レベルにセットした場合、コンパレータ43からのコンパレータ信号S43は、図7(b)に示すようになる。凹み部23に対応する画像信号51に対応する部分のみで、コンパレータ信号S43は、広い範囲で1をとる。
【0021】
次に、このコンパレータ信号S43は画像収縮回路44に入力される。画像収縮回路43では、入力されたコンパレータ信号S43を指定された幅だけ収縮して、位置信号S44を出力する。例えば、明暗周期の3/4倍に相当する幅を指定すると、平坦部の位置信号S44は全て0になり、凹み部の位置信号S44だけが1として残る(図7(c))。こうして、凹み部が存在することを検出することが可能となる。
このように、処理装置4では、凹み部23、凸部24を検出することが出来る。明暗画像のコントラスト変化が設定値以上になった場合に欠陥と判定する。
処理装置4の構成は、ここに記載した以外に多数考えられる。
【0022】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を説明する。
照明装置1としては、光源として約30kHzの高周波点灯20W蛍光灯を使用し、蛍光灯具のカバーガラスに透明/不透明周期800μm(透明部400μm、不透明部400μm)のストライプパターン11を施した物を使用した。
被検査物体2としては、厚み約200μmの透明樹脂シートを使用した。
撮像装置3としては、三菱レイヨン(株)製の5000画素ラインCCDカメラ(SCD−5000A)を、結像レンズ31には一眼レフ用の50mmマクロレンズを使用した。
【0023】
そこで、本実施例では、反射照明方式で照明装置1と撮像装置3をセッティングし、被検査物体2である樹脂シートの鏡面側に存在する凹凸欠陥の検出を行った。
本実施例では、被検査物体2と明暗ストライプパターン11との距離を50mm、ラインCCDカメラの結像位置と被検査物体2との距離を415mm、反射角度は検査物体の法線から20度としてセッティングした。このセッティングでカメラの幅分解能は約50μmとなる。
【0024】
この装置を使用して、直径約4mm、高さ約50μmの凸部24、及び、直径約4mm、高さ約50μmの凹み部23を撮像したときの画像波形を、図8〜図10に示す。
図8は、明暗ストライプパターン11と、凹み部23、凸部24を有する被検査物体2の断面図である。
図9は、明暗ストライプパターンの位置に焦点を合わせた場合の画像信号の波形である。凸部24、凹み部23においてわずかな周期変化が生じているが、コントラストに大きな変化は現れていない。
【0025】
図10は、焦点を明暗ストライプパターンの位置に合わせたときと比較して、正常部のコントラストが約1/2になるように、焦点を手前にずらした場合の画像信号S1の波形で、凹み部23ではコントラストが低下し、凸部24ではコントラストが大きくなっている。
図10の画像について、しきい値Vr1、Vr2を設定し、Vr1より電圧の高いデータに関して、コンパレータ信号S41を1にセットし、さらに1mmの画像膨張を行って得られた位置信号S42を図11(a)に示す。また、Vr2より電圧の高いデータに関して、コンパレータ信号S43を1にセットし、さらに1mmの画像収縮を行った得られた位置信号S44を図11(b)に示す。
画像膨張を行うことにより、凸部24のみを検出することができ、また、画像収縮を行うことで、凹み部23のみを検出することができた。
【0026】
図12は、焦点を明暗ストライプパターンの位置に合わせたときと比較して、正常部のコントラストが約1/2になるように、焦点を遠方にずらした場合の画像信号S1の波形である。焦点を近くにずらした場合とは逆に、凹み部23ではコントラストが大きくなり、凸部24ではコントラストが低下している。この画像信号により、凹み部と凸部を検出することも出来る。
【0027】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、光学系を精度よくセッティングしなくても、極めて精度良く被検査物体の表面凹凸等の欠陥を検出することが出来る。
更に、凹み部と凸部ではコントラストが逆方向に変化するので、従来困難であった、凹み部と凸部の判別も可能となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による欠陥検出装置の一構成例を示す構成図である。
【図2】コントラストの定義を示す説明図である。
【図3】焦点位置を明暗パターンに合わせた場合の一例を示す波形図である。
【図4】焦点位置を手前にずらした場合の一例を示す波形図である。(a)は、検査物体が正常な場合、(b)は、検査物体に凹凸が存在した場合の一例を示す波形図である。
【図5】処理装置の一構成例を示すブロック図である。
【図6】処理装置の動作を示す説明図である。
【図7】処理装置の動作を示す説明図である。
【図8】本発明の一実施例によるストライプパターンと被検査物体の断面図である。
【図9】本発明の一実施例で得られた、焦点位置を明暗パターンに合わせた場合の波形図である。
【図10】本発明の一実施例で得られた、焦点位置を手前にずらした場合の波形図である。
【図11】本発明の一実施例で得られた、位置信号の波形図である。
【図12】本発明の一実施例で得られた、焦点位置を遠方にずらした場合の波形図である。
【符号の説明】
1 照明装置
11 ストライプパターン
2 被検査物体
23 凹み部
24 凸部
3 撮像装置
31 結像レンズ
32 CCD素子
4 処理装置
41 コンパレータ
42 画像膨張回路
43 コンパレータ
44 画像収縮回路
Claims (3)
- 照明装置から周期的な明暗ストライプパターンを被検査物体に照射し、
撮像装置が有するレンズの焦点を、前記照明装置のストライプパターンの位置と比較して、ストライプパターンのコントラストが低下するように遠方あるいは手前の位置にずらし、
前記被検査物体を反射したパターンまたは透過したパターンを前記撮像装置により撮像し、
撮像したストライプパターンのコントラスト変化を表す画像信号に基づいて、前記被検査物体の凹凸を凹み部と凸部を区別して検出する、
ステップを備え、
前記被検査物体の凹凸を検出するステップは、前記画像信号を第1の基準電圧と比較し、前記画像信号が前記第1の基準電圧より大きい部分を二値の一方の値に設定し、前記一方の値の部分を所定の距離だけ横方向に拡大処理し、拡大処理後に前記一方の値をとる部分を凸部又は凹み部と検出することを特徴とする欠陥検出方法。 - 照明装置から周期的な明暗ストライプパターンを被検査物体に照射し、
撮像装置が有するレンズの焦点を、前記照明装置のストライプパターンの位置と比較して、ストライプパターンのコントラストが低下するように遠方あるいは手前の位置にずらし、
前記被検査物体を反射したパターンまたは透過したパターンを前記撮像装置により撮像し、
撮像したストライプパターンのコントラスト変化を表す画像信号に基づいて、前記被検査物体の凹凸を凹み部と凸部を区別して検出する、
ステップを備え、
前記被検査物体の凹凸を検出するステップは、前記画像信号を第2の基準電圧と比較し、前記画像信号が前記第2の基準電圧より大きい部分を二値の一方の値に設定し、前記一方の値の部分を所定の距離だけ横方向に縮小処理し、縮小処理後に前記一方の値をとる部分を凸部又は凹み部と検出することを特徴とする欠陥検出方法。 - 請求項1又は2記載の欠陥検出方法において、前記撮像手段が有するレンズの焦点をずらすステップは、前記被検査物体が正常な場合の前記撮像手段における明暗ストライプパターンのコントラストが、前記照明手段のストライプパターンの位置に合わせた場合と比較して1/4〜3/4になるように、前記照明手段のストライプパターンの位置の遠方あるいは手前にずらすことを特徴とする欠陥検出方法。
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