JP5305164B2 - 管材の内面検査装置及び検査方法 - Google Patents

Description

本発明は長尺な管材の内面品質の検査に用いる検査装置及び検査方法に関する。

例えば、半導体、液晶の製造前処理工程等においては高純度ガスが用いられ、この高純度ガスの配管には内面を鏡面加工したクリーン鋼管が用いられている。
この種のクリーン鋼管は長さが４〜６ｍと長く、しかも径は４０ｍｍ程度のものから小さいものでは３〜６ｍｍレベルのものもあるために、内面の傷の有無等を精度高く検査できる装置が無く、これまでは、高度に熟練した検査スキルを持つ熟練工による目視検査に頼らざるを得なかった。
産業分野、医療分野等においては、内視鏡を挿入して観察する技術を採用している例があるが、クリーン鋼管のような、長尺な管に対して内面に傷を付けることなく、挿入することは困難である。

特許文献１及び２には、内周面の傷等を検出する装置を開示する。
しかし、特許文献１は、内周側に光ファイバー等を有する回転体を挿入しなければならないものであり、特許文献２は、内周側にテレビカメラを挿入しなければならないものであり、ともに細長い管材の内面検査に適用できるものではない。

特開２００５−１４０６７９号公報 特開平６−２４１７６０号公報

本発明は、管材の内面品質を光学的に自動検査可能な検査装置及び検査方法の提供を目的とし、特に、長尺管材の内面検査に適用するのに有効である。

本発明に係る管材の内面検査装置は、管材の一方の開口端部側に配置する拡散光源と、管材の他方の開口端部側に焦点可動型ズームレンズを介して配置するカメラを備え、管材の中心軸に対してカメラの光軸が微小な角度で交差するように相対配置し、第１の管材位置にて焦点を連続変化させて得られた管材の第１の内面観察統合画像と、前記第１の管材位置に対して管材を軸廻りに微小回転させた第２の管材位置に対して焦点を連続変化させて得られた管材の第２の内面観察統合画像とを比較解析する傷検出解析手段を有することを特徴とする。
管材の内面を一方の端部から焦点（フォーカス）を変えながら撮影した画像列を統合すると、中心に反対側の開口部が見え、その周囲に管材の内面が写った円形状の画像になる。
本発明においては、上記のようにフォーカスを変えながら撮影した点に特徴があり、それぞれの撮影だけではピントの合った以外の画像の精度は低いが、数箇所でピントの合致した画像を統合することで検査対象となる全域にわたってピントの合致した統合画像が得られる。
ここで、カメラで真正面から管内面を撮影した場合、線状の傷以外は比較的検出し易いが、線状のものは画像として取得するのが難しいことが多い。
また、鋼管内の光の反射による筋状パターンや微弱な擾乱、カメラ側のノイズなどにより誤って傷を判定する恐れがある。
そこで本発明は、管材の中心軸とカメラの光軸とを微小に交差させ、且つ、管材を軸廻りに微小回転させ比較した。
拡散光源は、管材の一方の開口端部から内部に照射することで、他方の開口端部からカメラで管材の内面を撮影しやすくするためのものである。
例えば、白色蛍光灯で十分であり、さらに拡散させた照明を得るには、白色の薄い高発泡ポリエチレンシートを白色蛍光灯に被せても良い。
カメラはＣＣＤカメラでもＣＭＯＳカメラでもよく、ＣＣＤカメラは、Charge Coupled Device 素子からなるカメラをいい、ＣＭＯＳカメラは、Complementary Metal Oxide Semiconductorを利用したカメラをいう。
本発明は、検出精度を向上させるのに、前記第１の内面観察統合画像と、第２の内面観察統合画像とを比較解析する傷検出解析手段に加えて、管内面の傷パターンを検出するエッジ検出フィルタリング手段や平滑化フィルタリング手段を有しているとよく、また検出された傷パターンに基づいて傷の有する管内面の３次元位置を特定する傷位置解析手段を有していると、さらに好ましい。

本発明に係る検査方法は、管材の一方の開口端部側に配置する拡散光源と、管材の他方の開口端部側に焦点可動型ズームレンズを介して配置するカメラを備え、管材の中心軸に対してカメラの光軸が微小な角度で交差するように相対配置し、第１の管材位置にて焦点を連続変化させて得られた管材の第１の内面観察統合画像と、前記第１の管材位置に対して管材を軸廻りに微小回転させた第２の管材位置に対して焦点を連続変化させて得られた管材の第２の内面観察統合画像とを比較解析し、傷を検出することを特徴とする。
また、比較解析した傷データをさらにエッジ検出フィルタリングにて傷パターンを検出してもよい。
さらに、検出された傷パターンに基づいて傷の有する管内面の３次元位置を傷位置解析手段にて特定するとよい。
また、平滑化フィルタリング手段を用いると元画像のノイズを除去でき、フィルタリング処理で得られた背景画像と元画像との差分処理により傷領域の抽出がしやすくなる。
本発明の検査対象となる管材は、一方の端部から内部を照明し、他方の端部から内部を撮影できるものであれば、特に限定は無いが、クリーン鋼管等のように、細長い管材の内面評価に用いるのが効果的であり、内径としては３ｍｍ〜４０ｍｍ、長さとしては４ｍ〜６ｍの長さにも十分に対応できる。
一般的なデジタル画像は、矩形領域における正方格子状に画素値をもつ表現形式であり、エッジ検出や平滑化処理等の空間的なフィルタリング操作を行う場合にこの正方格子に合せた窓（マスク）を用いた積和演算を行うことになる。
従って本願のように管内面の画像を処理対象としている場合に、元画像をパノラマ展開し、正方格子に適合させる方策が考えられる。
しかし、パノラマ展開を行って目的の矩形画像を合成するには、その矩形領域の格子点に対応する元画像の画素値が必ずしも存在しないから、何らかの補間処理が必要となる。
その場合に補間関数にｓｉｎｘ／ｘを用いると相応の計算コストがかかるので、バイリニア、バイキュービック等の関数で近似することになる。
これに対して、本発明に係るエッジ検出フィルタリング手段や平滑化フィルタリング手段を用いると、管内面の画像をパノラマ展開することなく、従来のパノラマ展開してフィルタリング処理を行うのと同様の効果を得ることができる。

本発明は、焦点可動型ズームレンズを用いて管材の内面のＦＡＲ（奥側開口部）の位置からＮＥＡＲ（手前側開口部）の位置までフォーカスを連続的に変えて画像列を取り込むために、レンズのズーム機能により、ＦＡＲの位置の観測画像もクリアに得られ、且つ、管材の軸中心を微小回転させて比較することで傷等の検出が容易になる。
特に後述するエッジ検出フィルタリングや平滑化フィルタリングを用いると検出精度が向上し、傷の位置の特定も容易になる。
なお、パノラマ展開画像は検査工程のモニタリングとして、即ち自動判定結果の目視確認手段として補助的に役立つ。

本発明に係る検査装置の構成例を示す。 管材の中心軸と光軸との関係を示す。 管材を中心軸廻りに微小角回転した場合の傷検出例を示す。 傷パターンの解析例を示す。 傷の３次元位置を推定できる原理を示す。

本発明に係る検査装置の構成例を図１に示す。
長尺の管材ｗを載置する検査台６を備え、検査台６に管材ｗを載置し、検査後に移送するパイプマニピュレータ７を備えている。
パイプマニピュレータ７は、未検査の管材を検査台６に運び、後述するように、本発明の検査装置で良品、不良品を判定すると、良品と不良品とに分けて、それぞれのストックヤードに移送するように、自動制御することが可能である。
検査台６に管材wを載置した状態にて、管材ｗの一方の開口端部ｗ１側に管材よりも所定の間隔を設けて拡散光源１を有し、他方の開口端部ｗ２側には、管材ｗの内面に焦点が合うように焦点可動型ズームレンズ２を取り付けたＣＣＤカメラ３を設置してある。
検査する管材６は必要に応じて位置補正具８にてその位置が修正され、焦点可動型ズームレンズ２は制御ケーブル２ａ、ＣＣＤカメラ３は制御ケーブル３ａにてそれぞれコンピュータ４に接続され、制御されている。
コンピュータ４にて処理された画像データはモニタ５にて映し出される。

次に検査例について説明する。
内面検査対象の管材は、外径６．３５ｍｍ、長さ４ｍのクリーン鋼管（内面鏡面加工した管材）を例に取り上げた。
拡散光源として、白色の薄い高発泡ポリエチレンシートを被せた２００Ｗの白色蛍光灯を用いた。
焦点可動光学レンズは、焦点距離：８〜４８ｍｍ、ズーム比：６×、包括角度：４３．６°×３３．４°ａｔ ８ｍｍ、７．７°×５．７°ａｔ ４８ｍｍ、絞り：Ｆ１．０〜Ｃｌｏｓｅ を用いた。
ＣＣＤカメラは、ＩＩＤＣ １３９４−based Digital Camera Specification(DCAM)V１．３１ Ａ／Ｄ変換１２ビット、最大解像度：１３９２ｘ１０３２、ピクセルサイズ：４．６５μｍｘ４．６５μｍ を用いた。
白色蛍光灯を管材の一方の端部から照らし、他方の開口部からフォ−カスを約４ｍ奥のＦＡＲから約１０ｃｍ手前のＮＥＡＲの位置まで変化させつつ、一連の画像列を取り込んだ。
この場合に図２（ｂ）に示すように、カメラの光軸を管材の中心軸に一致させるよりも（ｃ）に示すように、管材の中心軸とカメラの光軸を０．０１〜０．１°の微小角度だけ交差させる方が傷の検出が容易になり、さらに図３に示すように１．０〜２．０°の微小角度だけ管材を回転させると検出が容易になる。

次に、傷のパターンを検出するエッジ検出フィルタリング操作について説明をする。
管内面の円形領域の中心０を中心とする極座標（ｒ，θ）において、ｆ（ｒ，θ）を定義するとｘ＝ｒｃｏｓθ、ｙ＝ｒｓｉｎθ なるｘ，ｙ-直交座標で表した画像Ｆ（ｘ，ｙ）との関係を次式のように得ることができる。
式（１）でｆ_Δ は、ｆのΔに関する偏微分を表す。
そこで、注目領域の各点（ｘ，ｙ）において
が計算できることから、ｆ_ｒ，ｆ_θを求めることができる。
とおくことにより、管内面画像に特化した非常に強力な特徴量を得ることができる。
ここで、０≦α≦２πである。
線状傷パターンは、管内面の原画像で中心から周辺に向かって筋が見えるのでｆ_ｒ がほぼ０でｆ_θの大きな画素が多く存在することになる。
ｆ_ｒ，ｆ_θ は任意の値をとり得るので、その大きさに依らない量として
を選ぶ。
図４（ａ）に示すように単位円周上にエッジの分布をマッピングする。
なお、エッジが存在する画素として選ぶ際ｆ_ｒ ^２＋ｆ_θ ^２ の値があるしきい値以上でなければならない。
そこで、線状傷パターンでは、
で大きなピークをもつような頻度分布となる。
一方、塊状傷パターンでは例えば、正方形状のものであれば、
ごとに大きなピークを持つ頻度分布となる(図４)。
円形状の塊状パターンであれば、ほぼ一様に分布する形となる。

なお、検出精度を向上させるのに平滑化フィルタリング操作を組み合せることもできる。
その場合に、マスク関数ｗ（ｒ，θ）を畳み込むことによって計算できる。
ここでＳは、マスクｗ（ｒ，θ）の定義域である。
このとき、対応するｘｙ空間での畳み込みは次のようになる。
ここで、Ｗ（ｘ，ｙ）は、ｗ（ｒ，θ）に対応するｘｙ空間のマスク関数である。

傷のパターンを判定すると、図５に示した関係から次のように傷の３次元位置を推定することができる。
＜ 塊状傷パターンの場合＞
画像面上で塊状傷の中心を（ｒ，θ）とすれば，対応する管内面の点の奥行きは、
で算出される。
ここで、ｆはレンズの焦点距離，Ｒは管材の半径，ｄはレンズ中心から管端面までの距離である。
また、θはそのまま保存されるから傷の３次元位置は、管端面の円の中心を原点として、管材長尺方向を奥行きとする円筒座標系で（Ｒ，θ，ｚ）と表される。

＜線状傷パターンの場合＞
画像面上で線状傷パターンが（ｒ_１，θ）〜（ｒ_２，θ）に延びているとすると対応する管内面の傷は奥行き方向で、
に延びていることになる。
もちろんθはそのまま保たれる。

１ 拡散光源
ｗ 管材

Claims (6)

1. 管材の一方の開口端部側に配置する拡散光源と、
   管材の他方の開口端部側に焦点可動型ズームレンズを介して配置するカメラを備え、
   管材の中心軸に対してカメラの光軸が微小な角度で交差するように相対配置し、第１の管材位置にて焦点を連続変化させて得られた管材の第１の内面観察統合画像と、前記第１の管材位置に対して管材を軸廻りに微小回転させた第２の管材位置に対して焦点を連続変化させて得られた管材の第２の内面観察統合画像とを比較解析する傷検出解析手段を有することを特徴とする管材の内面検査装置。
2. 前記第１の内面観察統合画像と、第２の内面観察統合画像とを比較解析する傷検出解析手段に加えて、
   管内面の傷パターンを検出するエッジ検出フィルタリング手段又は／及び平滑化フィルタリング手段を有していることを特徴とする請求項１記載の管材の内面検査装置。
3. 検出された傷パターンに基づいて傷の有する管内面の３次元位置を特定する傷位置解析手段を有していることを特徴とする請求項２記載の管材の内面検査装置。
4. 管材の一方の開口端部側に配置する拡散光源と、管材の他方の開口端部側に焦点可動型ズームレンズを介して配置するカメラを備え、管材の中心軸に対してカメラの光軸が微小な角度で交差するように相対配置し、第１の管材位置にて焦点を連続変化させて得られた管材の第１の内面観察統合画像と、前記第１の管材位置に対して管材を軸廻りに微小回転させた第２の管材位置に対して焦点を連続変化させて得られた管材の第２の内面観察統合画像とを比較解析し、傷を検出することを特徴とする管材の内面検査方法。
5. 比較解析した傷データをさらにエッジ検出フィルタリング又は／及び平滑化フィルタリング手段にて傷パターンを検出することを特徴とする請求項４記載の管材の内面検査方法。
6. 検出された傷パターンに基づいて傷の有する管内面の３次元位置を傷位置解析手段にて特定することを特徴とする請求項５記載の管材の内面検査方法。