JP5768349B2 - スリット光輝度分布設計方法および光切断凹凸疵検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置上でスリット光が一様な輝度として観測されるためのスリット光輝度分布設計方法および設計したスリット光源を用いた光切断凹凸疵検出装置に関するものである。

光学的な疵検出のための簡便な３次元計測手法として、光切断法が知られている。図１は、撮像装置上で通常観測されるスリット光輝度差を示す図である。図中、１は撮像装置、２はスリット光源、３は測定対象面上のスリット光、および４は撮像画像をそれぞれ表す。輝度分布が均一なスリット光源２を表面粗さが均一な平面に照射し、撮像装置１で撮像する（図１中の上図）と、図１中の中図または下図に示すように撮像視野範囲の中央部の輝度が高く、端の輝度が低くなる現象が見られる。

図２は、スリット光源〜測定対象〜撮像装置の位置関係を示す図である。図中、符号は図１と同じである。上述した、撮像視野範囲の中央部の輝度が高く、端の輝度が低くなる現象の一つの理由を説明する図である。

すなわち、図２に示すように中央部分は正反射に近い角度(a1)の反射光となるのに対して、端部分では角度の浅い角度(a2)の後方拡散光となるため、端部での撮像装置のエリアセンサ方向への反射が中央部に比べて相対的に小さくなることによる。またその他の理由には、口径食による影響などが考えられる。

このように生じた輝度分布は、スリット光中央部分ではハレーションによる精度低下の原因となり、スリット光端部分で輝度不足となり計測不良の原因となる。

これに対処すべく、例えば、特許文献１には、スリット光輝度分布によるハレーションを防ぐ目的で、絞りを調整して撮像を２回行う方法が開示されている。また、特許文献２には、通常照明での撮像画像と、スリット光投影での撮像画像との演算により、輝度の分布を補正する方法が開示されている。

特開平７−１２０２３８号公報 特開平９−１５２３１６号公報

近年、表面疵検査には広範囲化、高速化が求められており、光切断法の場合、広範囲化のためには撮像装置の視野を広げると同時に、スリット光源の照射範囲を広げる必要がある。このようにスリット光源を広範囲に照射し、反射光を撮像装置により撮像した場合、撮像画像上での輝度差はより大きくなる。

この輝度差の問題を解決するためには、前述した特許文献１および特許文献２に開示された方法では、同一面に対して、特許文献１では絞りを調整して撮像を２回行わなければならない、特許文献２ではスリット光源を用いての撮像の他に、通常照明での撮像が必要である。すなわち、それぞれ複数回の撮像とともに広範囲化により多くの撮像が必要となってしまい、検査の高速化が実現できないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、表面疵検査の広範囲化、高速化に対応して安定した光切断凹凸疵検出ができる、スリット光輝度分布設計方法および光切断凹凸疵検出装置を提供することを課題とする。

上記課題は次の発明により解決される。

［１］ 測定対象にスリット光を照射し、その反射光をスリット光源とは異なる角度から撮像し、撮像画像に基いて凹凸疵を検出する光切断凹凸疵検出方法における、スリット光輝度分布設計方法であって、
輝度分布が既知であるスリット光源Ａを用いた測定対象の撮像装置方向への平均反射率を測定する平均反射率測定工程と、
測定された平均反射率に基いて、前記反射光が一様な輝度として撮像されるためのスリット光源の最適輝度分布を算出するスリット光輝度分布算出工程と、を有することを特徴とするスリット光輝度分布設計方法。

［２］ 上記［１］に記載のスリット光輝度分布設計方法において、
前記平均反射率測定工程では、
前記スリット光源Ａのスリット光と平行にx軸を設定し、x軸上における前記スリット光源Ａのスリット光の輝度分布Li(x)と、撮像画像上で観察されるスリット光長手方向(x’軸)の平均輝度分布Lo(x’)と、関数ｇを用いたx軸とx’軸の関係式x’=g(x)とから、x軸における平均反射率R(x)をLo((g(x))/Li(x)の演算式から測定し、
前記スリット光輝度分布算出工程では、
測定された平均反射率R(x)と、スリット光源の一定パワーCとから、前記最適輝度分布Ld(x)をC/R(x) の演算式から算出する、
ことを特徴とするスリット光輝度分布設計方法。

［３］ 測定対象に照射するスリット光源と、そのスリット光源の反射光をスリット光源とは異なる角度から撮像する撮像装置によって構成される光切断凹凸疵検出装置において、
前記スリット光源は、
スリット光の中央部より端部の輝度が高いスリット光輝度分布を具備することを特徴とする光切断凹凸疵検出装置。

［４］ 上記［３］に記載の光切断凹凸疵検出装置において、
前記スリット光輝度分布Ld(x)を、
輝度分布が既知であるスリット光源Ａのスリット光と平行にx軸を設定し、x軸上における前記スリット光源Ａのスリット光の輝度分布Li(x)と、撮像画像上で観察されるスリット光長手方向(x’軸)の平均輝度分布Lo(x’)と、関数ｇを用いたx軸とx’軸の関係式x’=g(x)とから、x軸における平均反射率R(x)をLo((g(x))/Li(x)の演算式から測定し、
測定された平均反射率R(x)と、スリット光源の一定パワーCとから、C/R(x) の演算式から算出することを特徴とする光切断凹凸疵検出装置。

本発明によれば、輝度分布が既知であるスリット光源１を用いた測定対象の撮像装置方向への平均反射率を測定し、測定された平均反射率に基いて、反射光が一様な輝度として撮像されるためのスリット光源の最適輝度分布を算出するようにしたので、広範囲の検査であっても、スリット光源が撮像画像上で均一に観測され、高速かつ安定した疵検出ができるようになった。

撮像装置上で通常観測されるスリット光輝度差を示す図である。 スリット光源〜測定対象〜撮像装置の位置関係を示す図である。 光学系と撮像画像上の座標系、ならびに撮像画像例を示す図である。 本実施例に用いた機器構成を示す図である。 中央部より端部の輝度が高いレーザを用いた場合に、撮像装置上のスリット光輝度分布をプロットした図である。 輝度均一レーザを用いた場合に、撮像装置上のスリット光輝度分布をプロットした図である。

前述したように、測定対象から撮像装置までの反射角がスリット光の各地点で異なることが原因で、中央部の輝度が高く、端の輝度が低くなる現象が見られる。そこで、中央より、端の輝度が高いスリット光源を用いることで、撮像装置上での輝度差を小さくまたは、均一にすることができ、精度低下、計測不良の防止が可能であるとの考えから、本発明を想到したものである。なお、必ずしも輝度差が厳密に均一にならない場合でも、輝度差を小さくすることができれば、十分に精度低下防止、ならびに計測不良防止効果が期待できる。

撮像装置上で輝度差を均一にするためのスリット光源の輝度分布設計法を、以下に示す。先ず光切断凹凸疵検出装置では、決まった形状の製品中にある異常部分を検出する用途が主である。そのため、異常部分を除けば、表面粗さが検出中に大きく変化することは少ないと考えられるために、測定対象の表面粗さは一定と仮定する。

図３は、光学系と撮像画像上の座標系、ならびに撮像画像例を示す図である。図３（ａ）に示すようにスリットレーザ光と平行にx軸を設定する。図３（ｂ）はエリアセンサ上における撮像画像を示しており、撮像画像中のスリット長手方向と平行な方向にx’軸を設ける。xとx’の関係を、関数ｇを用いて、x’=g(x)とする。

なお、xとx’の関係は、レンズの焦点距離ｆ、撮像距離ｎにより、例えば、ピンホールカメラとして近似した場合には、以下のように容易に対応付けられる。

x’／ｆ＝x／ｎ

測定対象の平均反射率を計測するために、輝度分布が既知のスリット光源Ａを用い、x軸上における輝度分布をLi(x)と置く。スリット光源Ａを用いて、複数枚の撮像を行いそのときに撮像画像上で観察されるスリット光の平均輝度分布をLo(x’)とおくと、x軸における平均反射率R(x)は、等式Lo(x’)=Li(x)R(x)から、R(x)=Lo((g(x))/Li(x)である。

設計するスリットレーザの輝度分布をLd(x)とすると、エリアセンサ上で輝度分布が一定になるように設計するためには、Ld(x)R(x)=C(一定)であればよい。これより、輝度分布がLd(x)=C/R(x)となるようなスリットレーザを設計すればよい。ただし、Cは全体のスリット光源のパワーを表すので撮像画像上で十分輝度が確保できるように設定しなければならない。

図４は、本実施例に用いた機器構成を示す図である。本発明の効果を確かめるべく、黒皮材の鋼管サンプル６の疵検出を行ったものであり、スリット光源２としては赤色のスリットレーザを用いた。図４に示すようにスリットレーザはサンプル表面とのなす角が30度、撮像装置１はレーザと反対側で、サンプル表面とのなす角が60度になるように設置した。また、撮像装置１の視野は約300mmになるように構成した。

図５は、中央部より端部の輝度が高いレーザを用いた場合に、撮像装置上のスリット光輝度分布をプロットした図である。また、図６は、輝度均一レーザを用いた場合に、撮像装置上のスリット光輝度分布をプロットした図である。

図５は、端部の輝度が中央に対して約４倍のレーザを用いた場合の結果である。ただし、輝度分布はほぼ左右対称になるため、半視野分のデータであり、移動平均後、最大輝度で正規化したものになっている。黒皮材は表面の鏡面反射性が強いため、中央部(図５左端)の輝度分布が端部(図５右端)に比べて高くなっていることが分る。中央部分と端部分の輝度比率は、約9倍となっている。これは、1画素256階調で考えると、中央部で最大の255の値を取った場合、端部では約29となる。

これに対して、図６はスリットレーザとして、輝度が均一なスリットレーザを用いた場合に撮像装置上で観測された輝度分布である。同様に移動平均後に、最大輝度で正規化している。この比率は約32倍である。中央部で最大の255の値を取った場合、端部では約8となり、本発明の結果例(図５)と比較してSN比が小さくなり、端部だけ外乱光やノイズに対して弱くなっていることが分る。

SN比をより改善するには本発明で用いた設計法を用いて、さらに中央部と端部の輝度が高いレーザを用いればよいが、スリットレーザの輝度分布を自由に設計することが困難であるため、光学フィルタを用いるなどして実現する必要がある。

１ 撮像装置
２ スリット光源
３ 測定対象面上のスリット光
４ 撮像画像
５ 撮像画像上のスリット光輝度分布
６ 鋼管サンプル

Claims (2)

1. 測定対象である黒皮材の鋼管にスリット光源からスリット光を照射し、その反射光を前記スリット光源とは異なる角度から撮像し、撮像画像に基いて凹凸疵を検出する光切断凹凸疵検出方法における、スリット光輝度分布設計方法であって、
   前記スリット光源は、スリット光の中央部より端部の輝度が高いスリット光輝度分布を有するスリットレーザであり、該スリットレーザを用いた測定対象の撮像装置方向への平均反射率を測定する平均反射率測定工程と、
   測定された平均反射率に基いて、前記反射光が一様な輝度として撮像されるための前記スリットレーザの最適輝度分布を算出するスリット光輝度分布算出工程と、を有し、
   前記平均反射率測定工程では、
   前記スリットレーザのスリット光と平行にx軸を設定し、x軸上における前記スリットレーザのスリット光の輝度分布Li(x)と、撮像画像上で観察されるスリット光長手方向(x’軸)の平均輝度分布Lo(x’)と、関数ｇを用いたx軸とx’軸の関係式x’=g(x)とから、x軸における平均反射率R(x)をLo((g(x))/Li(x)の演算式から測定し、
   前記スリット光輝度分布算出工程では、
   測定された平均反射率R(x)と、前記スリットレーザの一定パワーCとから、前記最適輝度分布Ld(x)をC/R(x) の演算式から算出したのち、輝度分布中央部より端部の輝度が４倍以上とするように前記スリット光輝度分布を決定する、
   ことを特徴とするスリット光輝度分布設計方法。
2. 測定対象である黒皮材の鋼管に照射するスリット光源と、そのスリット光源の反射光を前記スリット光源とは異なる角度から撮像する撮像装置によって構成される光切断凹凸疵検出装置において、
   前記スリット光源は、スリット光の中央部より端部の輝度が高いスリット光輝度分布を有するスリットレーザであり、
   前記スリット光輝度分布Ld(x)を、
   前記スリットレーザのスリット光と平行にx軸を設定し、x軸上における前記スリットレーザのスリット光の輝度分布Li(x)と、撮像画像上で観察されるスリット光長手方向(x’軸)の平均輝度分布Lo(x’)と、関数ｇを用いたx軸とx’軸の関係式x’=g(x)とから、x軸における平均反射率R(x)をLo((g(x))/Li(x)の演算式から測定し、
   測定された平均反射率R(x)と、前記スリットレーザの一定パワーCとから、C/R(x) の演算式から算出したのち、輝度分布中央部より端部の輝度が４倍以上とするように前記スリット光輝度分布を決定することを特徴とする光切断凹凸疵検出装置。