JP4685971B2 - 検査システム及び検査方法 - Google Patents

Description

この発明は、鋼板や樹脂のような粗表面を有するワークの検査対象面における異常凹凸を抽出する検査システム及び検査方法に関するものである。

鋼板や樹脂成型品などのように、照射光が拡散反射する粗表面を有したワークにおける異常凹凸の検出はかなり難しい。例えば鋼板では、圧延時に生じる筋目をまず検出し、その筋目に垂直乃至平行に光を照射して凹凸を検出するといった方法が考えられているが、その検出精度には限界がある。

一方、ワーク表面の欠陥（例えば異常凹凸）を精度良く検出できる検査装置として、特許文献１に示すように、縞パターンの写り込み像を位相をずらせて複数撮像するとともに、それら複数の撮像画像に位相シフト法を適用して、前記異常凹凸を検出するようにしたものが知られている。

特開２００２−３２３４５４

しかしながら、前記位相シフト法は、縞パターンの可及的鮮明で変形のない写り込み画像が必要であることから、従来、表面が平らで鏡面状をなし照射光が正反射するワークにのみ用いられており、前記鋼板や樹脂成型品などのような粗表面ワークには適用が難しいとされている。また、前記鋼板や樹脂成形品などは表面が湾曲している場合が多く、このこともこの種のワークに位相シフト法が適用されない一因となっている。

本発明は、上述した従来の常識を打ち破ったものであり、縞パターンと撮像装置とを巧みに配置、移動させるとともに、工夫を凝らした画像処理を適用することによって前記粗表面ワークに位相シフト法を適用し、その異常凹凸を精度良く検出すべく図ったものである。

すなわち本発明に係る検査システムは、鋼板や樹脂等のワークの表面に設定された検査対象面内における異常凹凸を検査するためのものであって、一定幅の直線状をなす明部及び暗部からなる単位縞が周期的に連続する縞パターンを表示する表示部と、前記検査対象面に写り込んだ前記縞パターンを撮像する撮像手段と、前記単位縞の延伸方向が前記検査対象面と略平行となるように前記表示部を保持するとともに、撮像光軸が検査対象面に対して斜めとなるように前記撮像手段を保持する保持手段と、前記保持手段又はワークを駆動して、それらの相対位置を複数に変化させる相対位置設定部と、前記各相対位置での縞パターンの写り込み画像（以下、縞パターン写り込み画像とも言う。）において、ワークに近い側の端縁から数えて所定距離の範囲にある、言い換えれば、ワークに遠い側の端縁からの距離が所定値以上である範囲にある写り込み画像の中から１又は連続する複数の単位縞の写り込み画像（以下、単位縞写り込み画像とも言う。）を特定する特定部と、前記各相対位置において、前記撮像手段からみた前記縞パターンの検査対象面上での写り込み位置を１／ｎ周期（ｎは２以上の整数）ずつずらす位相変化部と、前記各相対位置での各位相の単位縞写り込み画像に基づいて前記検査対象面内の異常凹凸を判断可能に出力する画像処理部とを具備し、前記相対位置設定部が、前記各相対位置で特定された単位縞写り込み画像によって、前記検査対象面が覆われるように各相対位置を設定するものであることを特徴とする。

また、本発明に係る検査方法は、ワークの表面に設定された検査対象面内における異常凹凸を検査する方法であって、一定幅の直線状をなす明部及び暗部からなる単位縞が周期的に連続する縞パターンを表示する表示部と、前記検査対象面に写り込んだ前記縞パターンを撮像する撮像手段と、前記単位縞の延伸方向が前記検査対象面と略平行となるように前記表示部を保持するとともに、撮像光軸が検査対象面に対して斜めとなるように前記撮像手段を保持する保持手段と、前記保持手段又はワークを駆動してそれらの相対位置を変化させる相対位置設定部とを設けた上で、前記各相対位置での縞パターン写り込み画像において、ワークに近い側の端縁から数えて所定距離の範囲にある、言い換えれば、ワークに遠い側の端縁からの距離が所定値以上である範囲にある写り込み画像の中から１又は連続する複数の単位縞写り込み画像を特定する特定ステップと、前記各相対位置において、前記撮像手段からみた前記縞パターンの検査対象面上での写り込み位置を１／ｎ周期（ｎは２以上の整数）ずつずらす位相変化ステップと、前記各相対位置での各位相の単位縞写り込み画像に基づいて前記検査対象面内の異常凹凸を判断可能に出力する画像処理ステップとを行い、前記相対位置設定ステップでは、前記各相対位置で特定された単位縞写り込み画像によって、前記検査対象面が覆われるように各相対位置を設定することを特徴とする。
具体的な位相変化部の態様としては、前記撮像手段又は表示部の位置を変化させることによって、前記縞パターンの検査対象面上での写り込み位置を１／ｎ周期（ｎは２以上の整数）ずつずらすものを挙げることができる。
また、前記表示部を、ＬＥＤ等の発光素子を複数列並べ、列毎に前記発光素子の明暗を設定することによって前記縞パターンを表示するようにしたものとしておき、前記位相変化部を、列毎に前記発光素子の明暗を周期的に時間変化させることによって、前記縞パターンの検査対象面上での写り込み位置を１／ｎ周期（ｎは２以上の整数）ずつずらすものとしてもよい。このようなものであれば、高速かつ正確に写り込み位置を変化させることができるので検査時間の短縮と検査精度の向上を図れる。

ここで、画像処理部乃至画像処理ステップでの「異常凹凸を判断可能に出力する」動作の具体的態様であるが、例えば、異常凹凸を画像として出力する場合や、異常凹凸の位置や大きさの情報を出力する場合、あるいは三角波やサイン波の歪みとして出力する場合、異常凹凸の有無のみを出力する場合など、種々の態様が考えられる。また、出力先は、判断者がオペレータであれば、画面やプリンタに対してであり、例えば、不良品の抜き取り機械が次工程にあるとすると、出力先はその次工程の制御機器等となる。

縞パターンの明暗変化や位相シフト法の方式は様々なものを適用することが可能であるが、本発明者が実際に実験及び検討して得た結果を鑑みると、前記縞パターンの明部及び暗部の輝度を幅方向に正弦波状に変化させるとともに、正弦波縞パターンの写り込む位置を１／４周期ずつずらしてＡ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相の４位相に変化させ、これら４位相の画像から異常凹凸を算出する４位相シフト法を適用することが、精度等の点から好ましい。
前記検査対象面と撮像手段の撮像光軸とのなす角度は、樹脂の射出成形品では１０°以下が好適であり、特に鋼板であると５°以下が望ましい。

前記検査対象面が若干湾曲している場合には、その湾曲面における非湾曲方向に対して検査対象面に写り込んでいる単位縞の延伸方向が略直交するように、前記表示部を配置することが好ましい。

縞パターンの端縁から数えてどの部分の単位縞写り込み画像を特定するかは、予め定めた一定画素数だけ内側にある一定数の単位縞写り込み画像を用いるようにしてもよいし、撮像の都度、自動的に定めるようにしてもよい。そのためには、前記特定部が、一定以上鮮明に表示される１又は連続する複数の単位縞の写り込み画像を特定する構成が好適である。

このような構成の本発明によれば、斜め（ローアングル）から撮像することによって、検査対象面からの反射率を向上させ、可及的鮮明な縞パターンの写り込み画像を取得する一方で、その縞パターン写り込み画像の全領域を利用するのではなく、その画像中で位相シフト法を適用可能な部分である単位縞写り込み画像を抽出及び特定し、その特定動作を保持手段のワークに対する相対位置を次々変えながら都度繰り返して前記検査対象面全部を走査するようにしているので、検査対象面が粗面でかつ湾曲していたとしても、位相シフト法を適用して精度良く異常凹凸を検出することができる。

ところで、縞パターンの検査対象面に近い部分からの光（像）が、最も浅い角度で検査対象面で反射し、その部分の反射率が最大となることから、理論上は、縞パターン写り込み画像中で検査対象面に近い端縁部分が最も鮮明となる。しかしながら、実際は、表示部の側縁外側から回り込んだ光や検査対象面の湾曲等の影響があるため、必ずしも、縞パターン写り込み画像における検査対象面に最も近い部分が鮮明になるとは限らない。

これに対して、本発明では、特定部を設け、縞パターン写り込み画像において、ワークに近い側の端縁から数えて所定距離内の画像の中から１又は複数の連続する単位縞写り込み画像を選択的に特定するようにしているため、確実に位相シフト法が適用できる単位縞写り込み画像を特定できるだけでなく、縞パターン写り込み画像の全部から闇雲に単位縞写り込み画像を特定することに比べ、その特定時間を飛躍的に短縮することができる。

本発明の一実施形態における検査システムの全体斜視図。 同実施形態における縞パターンの正面図。 同実施形態における検査システムを側方から視た概略図。 同実施形態における情報処理装置の機能ブロック図。 同実施形態における写り込み画像を示す模式図。 同実施形態における動作フローチャート。 本発明の他の実施形態における表示部を示す模式的斜視図。 同実施形態における縞パターンの相変化図。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。

本発明に係る検査システム１００は、図１に示すように、鋼板や樹脂等のワークＷの表面に設定された検査対象面ＳＰの異常凹凸を検査するためのものであり、縞パターン５を表示する表示部１と、前記検査対象面ＳＰに写り込んだ前記縞パターン５を撮像する撮像手段２と、前記表示部１及び撮像手段２を一体的に保持する保持手段４と、前記撮像手段２で撮像された縞パターン５の写り込み画像Ｐ５（図４に示す）に基づいて前記検査対象面ＳＰ内の異常凹凸を判断可能に出力する情報処理装置３とを具備している。
各部を説明する。

表示部１は、平板状をなすもので、図２に示すように、その面板部に明部と暗部とからなる単位縞５ａが一定ピッチで繰り返される平行な直線状の縞パターン５を表示する。ここでの縞パターン５は、その濃淡輝度が幅方向に正弦波状に変化するものであり、例えば表示部１のボディに内蔵したバックライトによって発光するように構成してある。なお、十分な明るさや撮像手段２の感度があれば、バックライト等を用いず、単に面板部に描画したものでもよい。

撮像手段２は、例えば数十万画素の２次元エリアセンサを内蔵したものである。なお、２次元エリアセンサに代えて１次元ラインセンサを用い、走査することによってエリアセンサと同等の機能を発揮するようにしたものでも構わない。

保持手段４は、前記表示部１及び撮像手段２をワークＷに対して移動可能に保持するものであり、より具体的には、例えば前記表示部１及び撮像手段２を一体的に保持する枠体４１と、この枠体４１を支持する支持アーム（図示しない）とを備えている。そして、この支持アームを駆動することによって前記枠体４１を移動させることができる。

枠体４１は、図１、図３に示すように、表示部１と撮像手段２をそれらが一定距離離れて、ほぼ対向するように支持しており、縞パターン５からの光が非常に浅い角度（約３°〜１０°）で検査対象面ＳＰにあたり、そこで反射して撮像手段２に至るように構成してある。また、この枠体４１には、表示部１又は撮像手段２を該枠体４１に対して少しだけ移動させる図示しない駆動機構が設けられている。そして、この駆動機構によって表示部１又は撮像手段２を移動させることにより、撮像手段２で撮像される縞パターン５の検査対象面ＳＰ上での写り込み位置が、その縞パターン５の幅方向に１周期〜数周期分（１ピッチ〜数ピッチ）だけ動くように構成してある。なお、保持手段として、表示部及び撮像手段を一体的に保持するための枠体は必ずしも必要なく、例えばそれら表示部及び撮像手段を個々にアームで支持させ、表示部１及び撮像手段２を同期連動させることができるのであれば、これも一体的に保持する保持手段の範疇に入ると本明細書では定義する。

情報処理装置３は、物理的には、ＣＰＵやメモリ、通信用のＩ／Ｏポートなどからなるもので、図１に示すように、ここでは前記撮像手段２や表示部１とは別体で設けられている。そして、前記メモリの所定領域に設定したプログラムにしたがってＣＰＵやその周辺機器が協働することによって、図５に示すように、相対位置設定部３１、特定部３２、位相変化部３３、画像処理部３４等としての機能を発揮する。なお、情報処理装置３は、物理的に単一である必要はなく複数のコンピュータが連動してその機能を担っても良いし、例えば撮像手段２に内蔵させても構わない。

次に、情報処理装置３の各部機能説明を兼ねて、この検査システム１００の動作を、図６を参照しつつ説明する。
ここでのワークＷは、図１に示すように、例えば一方向に若干湾曲する凸面状の表面（検査対象面ＳＰ）を有したものである。この表面ＳＰの表面粗さはかなり粗く、場合によっては筋目が複数入っている。

最初、オペレータの指示入力に基づいて、又は自動的に、相対位置設定部３１が保持手段４を制御し、撮像手段２の光軸がワークＷにおける検査対象面ＳＰの非湾曲方向と平面視、略合致するように、当該保持手段４を位置づける。また、検査対象面ＳＰと枠体４１との離間距離を調節して、縞パターン５の少なくとも一部が検査対象面ＳＰに写り込んで、撮像手段２で撮像される位置に設定する。また、表示部１は、その縞パターン５の延伸方向が、検査対象面ＳＰとほぼ平行（ここでは水平）になるように配置される（ステップＳ１、相対位置設定ステップ）。

このとき、図３で示すように、撮像手段２で捉えられる各単位縞５ａからの光の入射角度はそれぞれ異なり、検査対象面ＳＰに近い縞パターン５ほど、浅い角度（言い換えれば大きい入射角度）で検査対象面ＳＰで反射することとなる。したがって、理論上は、角度が浅いほど検査対象面ＳＰでの反射率が向上するため、検査対象面ＳＰに写り込んだ縞パターン５を撮像した画像Ｐ５（以下、縞パターン写り込み画像Ｐ５とも言う。図５にそのイメージ図を示す。）のうち、縞パターン５の検査対象面ＳＰに近い側の端縁部分が最も鮮明となるはずである。

しかしながら実際は、表示部１の周囲後方から回り込んだ光や検査対象面ＳＰの微妙な湾曲などの影響を受けて、端縁に最も近い１乃至数列の単位縞５ａの写り込み画像が不明瞭となる場合がある。

そこでこの実施形態では、縞パターン写り込み画像Ｐ５における端縁ＰＥよりも一定画素以上内側の部分から始まる１又は連続する複数の単位縞５ａの写り込み画像Ｐ５ａ（以下、単位縞写り込み画像Ｐ５ａとも言う。）を前記特定部３２が特定し、その画像データをメモリの所定領域に格納するようにしている（ステップＳ２、特定ステップ）。このとき、検査対象面ＳＰ上での当該単位縞５ａが写り込んでいる位置を示す領域データも前記単位縞写り込み画像Ｐ５ａに関連付けて格納する。なお、縞パターン写り込み画像Ｐ５における端縁ＰＥの位置は、それより外側が光強度変化の少ない単調な画像となることを利用して特定部３２が自動認識する。

一方、表示部１は、保持手段４によって独立して移動可能にも支持されている。例えば、該表示部１は、枠体４１に駆動モータなどを介してスライド移動可能に保持されている。そして、位相変化部３３からの指令信号によって、表示部１は、自身の縞パターン５の幅方向に沿って微小移動し、縞パターン５の検査対象面ＳＰ上での写り込む位置を１周期の間で１／４周期ずつずらす。そして、撮像手段２で最初に取得された単位縞写り込み画像Ｐ５ａも含め、各周期（Ａ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相）の４位相における単位縞写り込み画像Ｐ５ａがメモリの所定領域に格納される（ステップＳ３、位相変化ステップ）。

次に、画像処理部３４がこのＡ相〜Ｄ相に係る単位縞写り込み画像Ｐ５ａのデータに位相シフト法を適用し、異常凹凸の位置や大きさなどに係る情報を算出する（ステップＳ４）。

なお、図５に示す縞パターン写り込み画像Ｐ５の左及び下に、それぞれ位相シフト法を適用した算出結果例としてのグラフを示す。このグラフで変化している部分が異常凹凸の部位を示している。単位縞写り込み画像Ｐ５ａ以外の部分ではノイズが多くなり、異常凹凸の特定が難しいことがわかる。

次に、保持手段４を移動させ（ステップＳ５）、縞パターン写り込み画像Ｐ５を取得する。このとき、単位縞写り込み画像Ｐ５ａを特定するが、その単位縞写り込み画像Ｐ５ａの検査対象面ＳＰ上での写り込み領域が、前回特定された単位縞写り込み画像Ｐ５ａの検査対象面ＳＰ上での写り込み領域と隣接するように保持手段４を移動させる。そして再度ステップＳ３に戻る。

これを繰り返して検査対象面ＳＰの全領域を単位縞写り込み画像Ｐ５ａが覆うように走査する（ステップＳ６）。そして、画像処理部３４が検査対象面ＳＰ全面における異常凹凸の位置や大きさなどに係る情報を出力する。
以上が本発明の一実施形態であるが、本発明はこの実施形態に限られるものではもちろんない。
例えば、縞パターンの明暗変化や位相シフト法の方式は様々なものを適用することが可能である。位相シフト法で言えば、３相方式でも構わない。
また、表示部の変形例を図７、図８に示す。ここでは、棒状ＬＥＤ１１を複数本平行に並べて表示部１を構成している。各棒状ＬＥＤ１１は、例えば、長手方向に沿って複数並べも受けた長尺直方体状の筐体１１１と、該筐体１１１の内部に、その長手方向に沿って並べ設けた複数のＬＥＤチップ（図示しない）とを具備し、前記筐体１１１の一面に光透過拡散板を設けて、該一面がライン状の発光面１ａとなるように構成したものである。
そして、前記位相変化部からの指令信号で、棒状ＬＥＤ１１をｎ本（ｎは２以上の整数）単位で周期的に点滅させることによって、図８に示すように、複数並んだ発光面１ａで形成される正弦波乃至矩形波状の縞パターン５が位相シフトし、該縞パターン５の検査対象面上での写り込み位置が１／ｎ周期ずつずれるように構成してある。
また、検査対象面と撮像手段の撮像光軸とのなす角度は、樹脂の射出成形品では１０°以下が好適であり、鋼板では５°以下、より望ましくは２〜３°がよい。

湾曲方向の検出には、写り込んだＡ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相の正弦波の一番階調の高い部分（白い部分）を求めて、一列の曲線を抽出する方法や、レーザー切断法などにより面形状を事前に求めておき、一番正反射し易い位置を求めて一列の曲線を抽出する方法などが考えられる。
前記検査対象面の湾曲が複数方向に亘っている場合は、最も湾曲していない方向に対して検査対象面に写り込んでいる単位縞の延伸方向が略直交するように、表示部を配置すればよい。

また、前記実施形態では、縞パターンの端縁から数えてどの部分の単位縞写り込み画像を特定するかを、予め定めた一定画素数だけ内側にある一定数の単位縞写り込み画像を用いるようにしていたが、撮像の都度、これを自動的に定めるようにしてもよい。具体的には、例えば、前記特定部が、画像に明暗二値化などを施して、一定以上鮮明に表示される１又は連続する複数の単位縞の写り込み画像を特定するといった構成が考えられる。
その他、本発明は前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。

１００・・・検査システム
１・・・表示部
２・・・撮像手段
３１・・・相対位置設定部
３２・・・特定部
３３・・・位相変化部
３４・・・画像処理部
４・・・保持手段
５・・・縞パターン
５ａ・・・単位縞
Ｐ５・・・縞パターン写り込み画像
Ｐ５ａ・・・単位縞写り込み画像
ＰＥ・・・端縁
Ｗ・・・ワーク
ＳＰ・・・検査対象面

Claims (9)

1. ワークの表面に設定された検査対象面内における異常凹凸を検査するためのものであって、
   一定幅の直線状をなす明部及び暗部からなる単位縞が周期的に連続する縞パターンを表示する表示部と、
   前記検査対象面に写り込んだ前記縞パターンを撮像する撮像手段と、
   前記単位縞の延伸方向が前記検査対象面と略平行となるように前記表示部を保持するとともに、撮像光軸が検査対象面に対して斜めとなるように前記撮像手段を保持する保持手段と、
   前記保持手段又はワークを駆動して、それらの相対位置を複数に変化させる相対位置設定部と、
   前記各相対位置での縞パターンの写り込み画像（以下、縞パターン写り込み画像とも言う。）において、ワークに遠い側の端縁からの距離が所定値以上である範囲にある写り込み画像の中から１又は連続する複数の単位縞の写り込み画像（以下、単位縞写り込み画像とも言う。）を特定する特定部と、
   前記各相対位置において、前記撮像手段からみた前記縞パターンの検査対象面上での写り込み位置を１／ｎ周期（ｎは２以上の整数）ずつずらす位相変化部と、
   前記各相対位置での各位相の単位縞写り込み画像に基づいて前記検査対象面内の異常凹凸を判断可能に出力する画像処理部とを具備し、
   前記相対位置設定部が、前記各相対位置で特定された単位縞写り込み画像によって、前記検査対象面が覆われるように各相対位置を設定するものである検査システム。
2. 前記位相変化部が、前記撮像手段又は表示部の位置を変化させることによって、前記縞パターンの検査対象面上での写り込み位置を１／ｎ周期（ｎは２以上の整数）ずつずらすものである請求項１記載の検査システム。
3. 前記表示部が、ＬＥＤ等の発光素子を複数列並べ、列毎に前記発光素子の明暗を設定することによって前記縞パターンを表示するようにしたものであり、
   前記位相変化部が、列毎に前記発光素子の明暗を周期的に時間変化させることによって、前記縞パターンの検査対象面上での写り込み位置を１／ｎ周期（ｎは２以上の整数）ずつずらすものである請求項１記載の検査システム。
4. 前記縞パターンにおける明部及び暗部の輝度が幅方向に正弦波状に変化するものであり、
   前記位相変化部が、正弦波縞パターンの写り込む位置を１／４周期ずつずらしてＡ相、Ｂ相、Ｃ相、Ｄ相の４位相に変化させるものである請求項１記載の検査システム。
5. 前記検査対象面と撮像手段の撮像光軸とのなす角度が１０°以下である請求項１記載の検査システム。
6. 前記検査対象面が湾曲しており、その湾曲面における非湾曲方向に対して、検査対象面に写り込んでいる単位縞の延伸方向が直交するように、前記表示部を配置している請求項１記載の検査システム。
7. ワークの表面に設定された検査対象面内における異常凹凸を検査する方法であって、
   一定幅の直線状をなす明部及び暗部からなる単位縞が周期的に連続する縞パターンを表示する表示部と、前記検査対象面に写り込んだ前記縞パターンを撮像する撮像手段と、前記単位縞の延伸方向が前記検査対象面と略平行となるように前記表示部を保持するとともに、撮像光軸が検査対象面に対して斜めとなるように前記撮像手段を保持する保持手段と、前記保持手段又はワークを駆動してそれらの相対位置を変化させる相対位置設定部とを設けた上で、
   前記各相対位置での縞パターン写り込み画像において、ワークに遠い側の端縁からの距離が所定値以上である範囲にある写り込み画像の中から１又は連続する複数の単位縞写り込み画像を特定する特定ステップと、
   前記各相対位置において、前記撮像手段からみた前記縞パターンの検査対象面上での写り込み位置を１／ｎ周期（ｎは２以上の整数）ずつずらす位相変化ステップと、
   前記各相対位置での各位相の単位縞写り込み画像に基づいて前記検査対象面内の異常凹凸を判断可能に出力する画像処理ステップとを行い、
   前記相対位置設定ステップでは、前記各相対位置で特定された単位縞写り込み画像によって、前記検査対象面が覆われるように各相対位置を設定することを特徴とする検査方法。
8. 前記位相変化ステップにおいて、前記撮像手段又は表示部の位置を変化させることによって、前記縞パターンの検査対象面上での写り込み位置を１／ｎ周期（ｎは２以上の整数）ずつずらすようにしている請求項７記載の検査方法。
9. 前記表示部が、ＬＥＤ等の発光素子を複数列並べ、列毎に前記発光素子の明暗を設定することによって前記縞パターンを表示するようにしたものであり、
   前記位相変化ステップにおいて、列毎に前記発光素子の明暗を周期的に時間変化させることによって、前記縞パターンの検査対象面上での写り込み位置を１／ｎ周期（ｎは２以上の整数）ずつずらすようにしている請求項７記載の検査方法。