JP5393479B2 - 物体の検査方法及び検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文にあるように、物体、特にその表面形態に関して検査をするための装置に関するものである。さらには、本発明はその方法の実施に関するものである。

光源を利用して物体の表面形態を検査する方法や装置がすでに知られている。光源からの光線や傾斜光が物体表面を照らすことにより、表面上の汚れの粒や、凹凸、粗い傷、加工跡等が突き止められ定量化される。これは、物体の本来の形態と比較して異常な部分がある場合、その異常な部分が照らされ陰影がつくことにより三次元の表面形態が浮かびあがり、明るいあるいは暗い部分が現れるためである。この種の方法は例えば『DE
197 16 264 A1』にあるように、光線あるいは斜光線方法といった名称で十分に周知になっている。類似の効果がまた、描影法あるいは影の造形として周知となっている。一般に光の入射角と反射光の発生角との間には機能的関係が存在する。また、光の三次元の向き、とりわけその高さと傾斜が関係してくる。反射光はラインカメラあるいはＣＣＤマトリックスカメラ等の光センサーによって測定値として捕捉され、続いてデジタルイメージの処理がなされる。こういった方法は、特に例えば汚れや傷のようにしばしば発生する点状や線状の表面の異常を発見することに適している。

『DE 35 40 288 C2』は、プリント基板上のはんだ部分の検査のための光学検査システムを記している。これによると、光がはんだ部分に当てられはんだ部分に９０度の角度で向けられる検出ユニットによって反射光が捕捉される。

『DE 41 23 916 C2』は、動的な照明を用いる検査において、物体の表面の質や欠陥を認識し分類するための方法及び装置を記している。

『DE 197 16 228 C2』は、表面を検査するための方法及び装置を記しており、ここに記載される手段により、特に傷や汚れが検出される。検査対象の表面はあるパターンによって配置される光線により照らされる。

『DE 103 19 543 A1』は、表面を検査するための方法及び装置を記しており、光線を吸収する物質が光源の上に配置されている。

『DE 103 36 493 A1』は、表面を検査するための方法及び装置を記しており、二つの光源が設けられ、各々が光線を検出するユニットを備えている。

しかしながら、先行技術の方法と装置には優先方位を有する表面の特徴を検出することが十分にできないという欠点があった。例えば紙状の金属や紙の製造において、表面は優先方位を伴うように製造される。このことがその表面形態に重大な影響を及ぼすのである。しかしながらこの優先方位は、周知の方法及び装置では十分なやり方で検出することはできない。加えて先行技術の装置の較正は極端に複雑なため、しばしば不正確な測定結果となってしまう。

従って本発明の目的は、冒頭において述べた種類の装置を提供することにあり、これにより特定の優先方位の影響をうけずに表面の特徴を正確に検出することが容易となる。さらに本発明の目的は、そのような装置にとって単純かつ正確な較正を可能とする方法を提案することにある。

本発明の目的は請求項１の特徴を有する装置によって達成される。さらに本発明の目的は主な方法の独立項により達成される。従属項の主題は、本発明の好ましい実施例に関するものである。

例えば「WO 02/090952 A1」で記されるように、表面形態に関する物体の非接触による検査に用いられる周知の装置による検査では、優先方位が考慮されず十分に表面形態を検出することができない。これは、傾斜した入射角による光線軸が１つの基準面において配置されるように光源が配置されているためである。検査対象の物質の表面形態における優先方位に対して、どう基準面を位置取るかにより検査結果は異なったものとなってしまうのである。それゆえ本発明では請求項１にあるように、少なくとも３つの光源を配置することにより、互いに異なり非平行となる基準面において光線軸が調整される。これにより優先方位の表面形態が装置の所定位置とは無関係に異なった方向から照らされることで、測定結果は優先方位に対する装置の位置による影響を受けなくなるのである。

本発明の装置の第一の実施例に係る縦断面図である。 図１に記載の装置の平面断面図である。 本発明の装置の第二の実施例に係る縦断面図である。 バックライトが付加された図２に記載の装置である。

光源の光線軸の入射角は、好ましくは検査対象の表面部分を基準として、70度から10度の範囲になる。

光線軸が調整される基準面は、検査対象の表面部分に対し垂直になるよう配置される。

すべての光源が同じ表面部分を最適に照らすように、基準面はある交差線で互いに交差する。それゆえ検査対象の表面部分の中間部分が、この交差線によって定義づけられる。光源から照射される光が検査対象となる表面部分上に集中するように、互いに光源の光線軸が検査対象となる表面部分上の交差点で交差することが特に好ましい。

互いに関連する少なくとも３つの光源の３つの基準面の配置については、どのようなものであっても良い。検査対象の表面部分を可能な限り均一に照らすためには、基準面が互いに等しい角度で調整されることが特に好ましい。言い換えると、３つの対応する基準面を伴う３つの光源が用いられる際、異なった基準面間は互いに１２０度の角度となる。

光学軌道が実質的に平行となる光で光源が検査対象となる表面部分を照らすのであれば、表面からの反射光の有色の、あるいはグレイスケールの情報に基づいて表面形態の正確な測定がなされる。

例えばレーザーのように直截的に平行した光を発生させるための光源は比較的高価である。この点において製造費用を減らすために、ＬＥＤのような光源の照明と検査対象の表面部分との間に光学素子を配置することが特に好ましい。そしてこの手段により照明から照射される光は平行となる。光学素子としては、例えばレンズ、特にフレーネルレンズ、もしくは代わりに複数のレンズからなるレンズシステムを用いることができる。

表面からの反射光を検出する光センサーは、好ましくはその光軸が検査対象の表面部分を基準に垂直になるように調整される。

ここで、もし光センサーの光軸と基準面の交差線とが同軸になれば特に好ましい。

本発明の使用態様により、光源から照射される光の色が選択される。例えばすべての光源から白光が照射されるようにもできる。また各々の光源から異なった色の光が照射されるようにすると、光源から同時に光が照射される場合に、光センサーはそれぞれの光源からの異なった光の色を検出することができる。結果として、異なった方向から３つの色の光により検査対象の表面部分を照らすことが可能になり、かつ、光センサーによりそれぞれの反射光を捕捉することが可能となる。それぞれの方向からの入射光に異なった色が割り当てられるため、光が測定される時に光の色が識別され、適切に評価がなされるのである。

さらに視覚的に表面部分を捕捉するために、装置が検査対象の表面部分全体を照らすための、１あるいは１以上の全体光源を有すると特に好ましい。この場合、局所的痕跡を捕捉するために用いられるのと同じ光センサーが視覚的痕跡を捕捉するために用いられる。結果として、局所的かつ視覚的痕跡に関して測定装置を再び位置付けることなしに、表面部分を同時に検査することが可能となる。これにより、全体照明により捕捉される測定データと、傾斜した入射角で配置される光源により照らされる同じ表面部の局所的検査から得られる測定データとは互いに関連し、さらに結果がその検査から導き出される。局所的検査が行われる表面部分は視覚的痕跡が得られる表面部分と一致し、それらは同じ次元、同じ尺度、同じ分析、そして同じ光センサーによって捕捉されるためである。

全体光源の特性はどのようなものであっても良い。もし他の光源と同じ発光体が全体光源に用いられるとするならば、特に単純な構造が可能となる。しかしながらこの場合、他の光源と全体光源は信号が重複しないようにしなければならない。もし全体光源が傾斜した入射角で配置される３つの光源とは異なった照明の特性、特に異なった色の光であるならば、他の光源と同時に全体光源を作動させることが可能となる。なぜなら異なった光源からの光に対しては、異なった特性を基準に異なった評価がなされるためである。

もし箱体がハンディ機器の形で構成されるのであれば、本発明による装置の操作はとりわけ単純なものとなる。ハンディ機器を操作する人は検査対象の表面上で機器を手動により動かし、適した位置取りをすることができる。

妨害光の透過を防ぐため、光アパーチャを除き、そのハンディ機器は大部分を光に不浸透とすべきである。

ハンディ機器を検査対象の表面部分の所定位置に簡単に位置付け可能とするために、ハンディ機器が所定の、とりわけ平面状の補助表面を有すると特に好ましい。この補助表面を用いることでハンディ機器は検査対象の表面部分の所定位置に置かれ、所定の位置取りが可能となる。特に表面部分に対する所定の照明の角度と表面部分からの所定の照明の距離が容易に維持される。

好ましい実施例によると、ハンディ機器の箱体は補助表面の横に沿って壁がんを有する。この壁がんにより、操作者は位置取りを行う際横から明確に補助表面を見ることができ、正確な位置取りを行う過程が容易になる。

さらにそのハンディ機器が最低１つ、とりわけ３つの平面状のグリップ表面を有すると、特に好ましい。これによりその機器を使用する場合、操作者はそのハンディ機器を誘導でき、人間工学の観点から操作性は改善される。加えてハンディ機器を特定の角度で位置取りする場合、グリップ表面は傾きを決定する際に補助となり得る。

箱体はまた、異なった時においても、その装置が検査対象物上の同一の測定点に正確に反復して位置取り可能とするために、機械的に位置取りができるような補助機能を備えてもよい。

操作性をさらに改良するために、ハンディ機器は例えば工業用コンピュータのような補助操作ユニットと接続される。制御と評価過程の一部はこの補助ユニットにより実行されるため、ハンディ機器により実行される必要はない。また、ハンディ機器の電源は補助操作ユニットを通して実行される。

ハンディ機器と補助操作ユニットとの間で無線接続によりデータが転送されると、本発明による装置の操作性はさらに改良される。この手段によって、ハンディ機器と補助操作ユニットとの間において本来必要となる接続ケーブルが不要になる。

これに伴い、電源ケーブルによる不都合を解消して電源供給を行うため、ハンディ機器はバッテリーのようなケーブルが不要となる電源を有する。

誤作動や誤用を回避するために、ハンディ機器にはいわゆるドングル（あるいはコピー保護用ハードウェアキー）のようなハードウェア器材が備え付けられる。補助ユーザ機器で実行される部分的な制御評価過程において、このハードウェア器材により認証のためのチェックが要求される。補助ユーザ機器の機能は、ドングルの認証において明らかに一致した場合のみ使用可能となる。

さらにハンディ機器は、１又は１以上のディスプレイ及び／又は１又は１以上のスイッチのような操作制御手段を有する。

応用可能範囲を拡げるために、この装置には少なくとも１つのバックライト光源が設けられる。これにより検査対象の表面部分は逆光によって照らされる。表面を通過した光は、反射光を捕捉する光センサーと同じセンサーによって捕捉される。結果として、例えばロールからの紙のマーブル模様を検出する際、局所的にかつ／又は視覚的に検査される表面部分は、測定装置を再び位置取りすることなくバックライトにより検査可能となる。バックライトを用いて得られる測定データと、傾斜した入射角で配置される光源により照らされる同じ表面部の局所的検査から得られる測定データとは互いに関連付けられ、さらに結果がその検査から引き出される。これは局所検査を行う表面部分がバックライトを用いて検査される表面部分と一致し、それらが同じ次元、同じ尺度、同じ分析、そして同じ光センサーにより捕捉されるためである。二つの測定は照明の種類に関してのみ異なる。

本発明の方法は、検査対象の表面部分の正確な測定のためにはできるだけ均一の照明が必要となる、という根本的な考えに基づいている。しかしながら、より厳格に均一な照明を求めれば求めるほど光源を備える機器の値段は高くなり、かつ機器は複雑になる。検査対象の物質が優先方位を有する場合に、検査対象の表面部分の均一な照明はより重要となる。本発明の方法は、少なくとも均一な照明がわずかに不足したとしても許容され得るように、機器の値段や複雑さを最小にするものである。この均一性が不足してしまう点は周知の妨害変数として捕捉され補正値として考慮される。
較正は以下のステップを通して実行される。

ａ）定義づけられた不変かつ周知の表面性質を有する較正ワークピースを導入する。
ｂ）現在の光源により較正ワークピースの表面部分を照らす。
ｃ）光センサーにより較正ユニットの表面部分からの反射光を捕捉する。
ｄ）較正ワークピースにより測定される実際の反射値と、較正ワークピースの周知の表面性質に基づく理論値との間の差異値を確定する。
ｅ）連続する検査のために、補正値として差異値を保存する。当然ながら用いられる処理により、さらに複数の差異値が計算される。

用いられる較正ワークピースの種類は根本的に任意である。輝くセラミックスの本体はこの目的に特に適していることが証明されている。

較正をより正確にするために、検査対象の表面部分はいくつかの準部分に分けられる。それぞれの準部分における別々の補正値は異なった評価方法で計算され記録される。

必然的に複数となるこれらの補正値は、例えばインテンシティ補正逆マトリックスのような補正マトリックスにより記録される。

較正は以下のもう１つのステップにおいて、さらに拡張される。

ａ）所定かつ周知の凸部構造、例えば周知の形状の溝を有する較正ワークピースが導入される。較正ワークピースの凸部構造は光源により照らされる。
ｂ）そしてこの凸部構造からの反射光が光センサーにより捕捉される。
続いて測定される実際の反射値と、較正ワークピースの周知の凸部構造とから相関要因が導きだされる。
ｃ）そして続く検査のための相関要因が記録される
相関要因を決定する際、較正ワークピースの凸部構造はもし可能であれば、物質の優先方位による歪みを避けるために異なった方向から、特に３つの方向から照らされることが好ましい。

追加される種々の方法によると、全体光源を用いることによって捕捉される視覚的な痕跡もまた較正される。

本発明の二つの実施例は図面で図式的に示される。以下、実施例につき説明する。
図１は本発明の装置の第一の実施例に係る縦断面図であり、図２は図１に記載の装置の平面断面図であり、図３は本発明の装置の第二の実施例に係る縦断面図であり、図４はバックライトが付加された図２に記載の装置である。

図１において、物体の表面形態の非接触検査を行うための装置０１が縦断面図により示される。装置０１は基本本体０３と箱体カバー０４を備えた可搬型の箱体０２から構成される。箱体カバー０４の上側にはディスプレイや操作制御機器が配置され得る。

ハンディ機器の形をとる箱体０２は装置０１を完全なものとするために、接続ケーブル０５により工業用コンピュータ（図示しない）と接続される。接続ケーブル０５によりデータは交換され、装置０１に電源が供給される。一方、箱体０２と工業用コンピュータとの間のデータ接続は無線によるデータ転送によって行われる。この場合、装置０１は例えばバッテリーなどのそれ自体の独立した電源を備える。

箱体０２の光の透過を防ぐ基本本体０３内部において、光線軸０７が検査対象の表面部分を基準に所定の傾斜を有する入射角となるように三つの光源０６が設けられ調整される。そして検査対象の表面部分上に平面状の補助表面１８が設けられる。検査対象の表面部分は光アパーチャ０８の下に配置される。検査対象の表面部分からの反射光は光センサー０９により捕捉される。光センサー０９は例えばマトリックスＣＣＤチップのようなものが用いられる。光センサー０９により捕捉される測定値の評価によって、検査対象の表面部分の表面形態が決定される。操作者による補助表面１８の位置取りを容易にするために、ハンディ機器０２は補助表面１８の横に沿って箱体内に壁がん１９を有する。

図２に示されるように、装置０１は３つの光源０６を有する。装置０１はさらに３つの付加された光源１０を有する。光源１０は全体照明であり、協働して全体の照明を行う。３つの光源０６の光線軸０７は、検査対象の表面部分を基準にして傾斜角が約７０度となるよう入射角αが調整される。さらに３つの光源０６の光線軸０７はそれぞれ、基準面が検査対象の表面部分に垂直となるよう調整される。これらの３つの基準面は、箱体内においてそれぞれが１２０度、あるいは互いに等しい角βとなるよう調整される。この結果、基準面は光センサー０９の光軸１１と同軸となる交差線において交差する。

測定の間、検査対象の表面部分上で平行な光を照射可能とするために、各光源０６は発光体として発光ダイオード１２を採用している。発光ダイオード１２から照射される光は２枚のレンズ１３，１４からなるレンズシステムを通過して、検査対象の表面部分へと達する。レンズ１３及び１４を通過することにより、発光ダイオード１２から照射される大部分の光は平行となる。

光源０６，１０及び光センサー０９を制御するために必要な制御システムが電子回路基盤１５に実装される。また、この電子回路基盤１５の一部はドングル１６である。ハンディ機器が接続ケーブル０５によって工業用コンピュータと接続される際、ドングル１６により認証チェックが行われる。

所望の向きでハンディ機器０２の位置取りを簡単に行えるようにハンディ機器０２の周囲には平面状のグリップ表面２０が設けられており、このグリップ表面は操作者の指により握られる。

図３において、本発明の装置の第二の実施例が示される。装置１７は実質的に入射角αに関してのみ装置０１と異なっている。装置１７では入射角αは約３０度である。

装置１７のその他の構成は、本質的には装置０１の構成と同じである。

図４では、バックライト光源２１が付加された装置１７が示されており、バックライト光源２１は透光テーブルの形で設計されている。透過板２２の下では、いくつかの照明が板２３上に配置される。検査対象物、つまりロールからの紙２４はバックライト光源２１と装置１７の間に配置され、局所検査及び視覚的痕跡の捕捉に加えて逆光検査も行うことが可能となる。

１ 装置
２ 箱体
３ 箱体の基本本体
４ 箱体カバー
５ 接続ケーブル
６ 光源
７ 光線軸
８ 光アパーチャ
９ 光センサー
１０ 全体光源
１１ 光センサーの光軸
１２ 発光ダイオード
１３ レンズ
１４ レンズ
１５ 電子回路基盤
１６ ドングル
１７ 装置
１８ 補助表面
１９ 壁がん
２０ グリップ表面
２１ バックライト光源
２２ 透過板
２３ 板
２４ 紙

Claims (23)

1. 以下の点からなることを特徴とする物体、特にその表面形態を検査するための装置（０１，１７）。
   ａ．検査対象の表面部分の上で手動による移動が可能である可搬性を有する箱体（０２）と、
   ｂ．光線軸が検査対象の表面部分を基準とした角度となる少なくとも３つの光源（０６）と、からなり、
   ｃ．光源（０６）が箱体内部に配置され、箱体（０２）内部の光アパーチャ（０８）により表面部分が照らされ、
   ｄ．表面部分からの反射光を捕捉するための少なくとも１つの光センサー（０９）と、
   ｅ．光源（０６）と少なくとも１つの光センサー（０９）とを連結する制御評価ユニットと、からなり、
   ｆ．光線軸が互いに異なり、基準面が互いに平行とならないように、該光源が配置され、
   ｇ．該光源の該光線軸（０７）が検査対象の表面部分を基準として、７０度から１０度の範囲の角αで調整され、
   ｈ．該光センサーが効果的に異なった光の色を検出できるように、該光源が白色光及び／又は赤外光及び／又は紫外光の組合せにより選択される光を照射し、
   ｉ．該装置（０１，１７）は、検査対象の表面部分の視覚的痕跡を捕捉するために全体照明が行われる、急な入射角を有する全体光源（１０）を有し、
   ｊ．検査対象の表面部分を照らす該光源が、平行した光軌道を示す。
2. 該基準面が検査対象の表面部分を基準として、垂直となるように調整されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 該基準面が互いに交差点を形成するよう交差することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 該光源（０６）の該光線軸（０７）が検査対象の表面部分上の交差点において交差することを特徴とする、請求項３に記載の装置。
5. 該基準面が互いに等しい角度となるよう調整されており、特に、３つの基準面が１２０度の角度で互いに分けられていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
6. 少なくとも１つの光学素子（１３，１４）が該光源（０６）の照明（１２）と検査対象の表面部分との間に設けられ、照射光が平行となるようにしたことを特徴とする、請求項１から請求項５のいずれかに記載の装置。
7. 該光学素子が、レンズあるいはレンズシステム（１３，１４）の形をとることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 該光源（０６）の該照明（１２）が発光ダイオード（１２）であることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
9. 該光センサー（０９）の光軸が検査対象の表面に垂直となるように調整されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
10. 該光センサー（０９）の光軸と該基準面の交差線とが同軸となることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
11. 該光源が異なった色で光を照射することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
12. 該全体光源（１０）が角度をつけて配置される該光源（０６）とは異なった特徴を有する照明であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
13. 該箱体（０２）がハンディ機器の形をとることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
14. 該ハンディ機器（０２）が該光アパーチャ（０８）を除いて光に不浸透であることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
15. 検査対象の表面部分の正確な位置取りを行う上で、正確な操作を容易にする、所定の補助表面（１８）を有することを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
16. 該ハンディ機器（０２）は該補助表面（１８）の横に沿って、壁がん（１９）を有することを特徴とする、請求項１５に記載の装置。
17. 該ハンディ機器（０２）は利用者が簡単に該ハンディ機器を握ることができるようにするための、少なくとも１つのグリップ表面を有することを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
18. 該ハンディ機器は、工業用コンピュータ又はその他の補助ユーザ機器と組み合わせて用いられ、該ハンディ機器の制御評価過程及び／又は電源供給が部分的に該補助ユーザ機器によって行われることを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
    
19. 該ハンディ機器（０２）と該補助ユーザ機器との間において、無線によるデータ接続が達成されることを特徴とする、請求項１８に記載の装置。
20. 該ハンディ機器がバッテリー、又は無線による電源を有することを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
21. ハードウェア器材が該ハンディ機器（０２）に統合されており、該ハードウェア器材が補助ユーザ機器の制御評価過程の認証を要求することを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
    
22. 該ハンディ機器（０２）はディスプレイとユーザエレメントとを有することを特徴とする、請求項１３に記載の装置。
23. 検査対象の表面部分が照らされることにより、該光センサーによって捕捉可能となる、少なくとも１つのバックライト光源（２１）を有することを特徴とした、請求項１に記載の装置。

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