JP6447728B2 - 被検査体撮像装置、被検査体撮像方法、表面検査装置及び表面検査方法 - Google Patents
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Description
まず、図1を参照しながら、本発明の実施形態に係る表面検査装置の構成について説明する。図1は、本実施形態に係る表面検査装置10の構成を示した説明図である。
続いて、図2〜図13を参照しながら、本実施形態に係る被検査体撮像装置100の構成について、詳細に説明する。
図2は、本実施形態に係る被検査体撮像装置100の全体構成を模式的に示した説明図である。図3〜図5Cは、本実施形態に係る被検査体撮像装置の光源について説明するための説明図である。図6は、本実施形態に係る被検査体撮像装置の光源について説明するための説明図である。図7及び図8は、実施形態に係る被検査体撮像装置の撮像部の一例を示した説明図である。図9は、共役位置での結像の様子について説明するための説明図である。図10は、本実施形態に係る被検査体撮像装置の撮像部について説明するための説明図である。図11は、共役位置からのズレ量の決定方法の一例を説明するための説明図である。図12は、本実施形態に係る被検査体撮像装置の撮像部について説明するための説明図である。図13は、本実施形態に係る被検査体撮像装置の光束投射部について説明するための説明図である。
光束投射部101は、被検査体Sの表面に対して、所定の投射角θで赤外波長帯域の光束を投射するための光学系である。この光束投射部101は、図2に示したように、赤外波長帯域に属する光束(以下、単に「赤外光」とも称する。)を出射する光源105と、光源105から出射された赤外光を被検査体Sへと導光する投射光学系107と、を備える。ここで、上記投射角θは、図2に模式的に示したように、光源105の光軸と、被検査体Sの表面法線方向と、のなす角を意味する。
この際、図4Aの左図に模式的に示したように、被検査体の表面が平坦である場合には、かかる表面で反射した光束の明るさは、光束が互いに同一の反射角で反射するために、均一となる。一方で、図4Aの右図に模式的に示したように、被検査体の表面に傾きが存在した場合には、平坦部分と傾き部分との反射角が相違する結果、反射光の光束が互いに重畳して、明るくなる部分が生じるようになる。
この際、図4Bの左図に模式的に示したように、被検査体の表面が平坦であったとしても、光束が互いに重畳するようになる。そのため、図4Bの右図に模式的に示したように、被検査体の表面に傾きが存在したとしても、平坦であるときから光束が互いに重畳しているために、明るさの変化は少なく、傾きを精度よく検出することが困難となる。
続いて、本実施形態に係る被検査体撮像装置100が備える撮像部103について、詳細に説明する。
本実施形態に係る撮像部103は、図2に示したように、撮像光学系109と、2つの赤外カメラ111,113と、を備える。
まず、図7を参照しながら、撮像部の一例について具体的に説明する。
図7に示した例では、撮像部103が備える撮像光学系109として、集光光学素子の一例である凸レンズ121が設けられており、反射光の光軸上には、分岐光学素子として、凸レンズ121を透過した反射光を2つの光路に分岐するビームスプリッターBSが設けられている。ビームスプリッターBSにより2つに分岐された反射光は、赤外カメラ111が有する撮像素子123のセンサ面と、赤外カメラ113が有する撮像素子125のセンサ面とにそれぞれ結像する。
続いて、図8を参照しながら、撮像部の別の一例について具体的に説明する。
図7に示した撮像部では、被検査体表面と凸レンズとの間の離隔距離L1、及び、凸レンズの焦点距離f1を決定すると、凸レンズと撮像素子との間の離隔距離L2が決まってしまい、その結果、撮像倍率(L1/L2)も決まってしまう。このため、図7に示した撮像部の一例は、光学系の設計の自由度が少ないものであるといえる。
なお、図7及び図8に示した具体例では、レンズ121,127,129が1枚の凸レンズである場合について図示しているが、本実施形態に係る光学素子の個数が図中に示したものに限定されるわけではなく、図中に示した各レンズは、複数のレンズからなるレンズ群であってもよい。
次に、図9及び図10を参照しながら、赤外カメラに搭載された撮像素子を、被検査体の表面と共役な位置からずらした場所に設置する理由について説明する。
続いて、図12を参照しながら、本実施形態に係る撮像光学系での撮像素子の設置方法について説明する。
各種金属板は、その製造ライン上において、ロール巻き付き部のような湾曲部を通過して搬送されたり、ロール巻き付き部に巻きつけられたりすることがある。本実施形態に係る被検査体撮像装置100は、光束投射部101及び撮像部103が以下で説明するような光学素子を備えることで、平面上に載置された金属板等の被検査体だけでなく、湾曲した状態で存在する被検査体についても、撮像することが可能となる。
[演算処理装置の全体構成]
続いて、図1及び図14を参照しながら、本実施形態に係る演算処理装置200の構成について、詳細に説明する。
以下では、まず、再び図1に戻って、本実施形態に係る演算処理装置200の全体構成について、簡単に説明する。
続いて、図14を参照しながら、本実施形態に係る演算処理装置200が備える画像処理部203の構成について説明する。図14は、本実施形態に係る演算処理装置200が備える画像処理部の構成を示したブロック図である。
欠陥検出部213は、欠陥部位特定機能により撮像画像における欠陥部位(凹凸部位)を特定すると、特定した欠陥部位ごとに、欠陥部位の形態及び画素値に関する特徴量を抽出する。欠陥部位の形態に関する特徴量として、例えば、欠陥部位の幅、欠陥部位の長さ、欠陥部位の周囲長、欠陥部位の面積、欠陥部位の外接長方形の面積等を挙げることができる。また、欠陥部位の画素値に関する特徴量としては、欠陥部位の輝度の最大値、最小値、平均値等を挙げることができる。
欠陥検出部213は、特徴量抽出機能により各欠陥部位の特徴量を抽出すると、欠陥部位ごとに、抽出した特徴量に基づいて欠陥の種別や有害度等を判別する。特徴量に基づく欠陥の種別や有害度等の判別処理は、例えばロジックテーブルを利用して行われる。
次に、図15を参照しながら、本発明の実施形態に係る演算処理装置200のハードウェア構成について、詳細に説明する。図15は、本発明の実施形態に係る演算処理装置200のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。
まず、図16〜図17を参照しながら、光源105の広がり半角に関するシミュレーション結果について、具体的に説明する。
次に、図18A及び図18Bを参照しながら、図7に示した1枚の凸レンズを持つ撮像部を有する被検査体撮像装置のシミュレーション結果について、具体的に説明する。
次に、図19を参照しながら、図8に示した2枚の凸レンズを持つ撮像部を有する被検査体撮像装置のシミュレーション結果について、具体的に説明する。
次に、図8に示した2枚の凸レンズを持つ撮像部を有する被検査体撮像装置を利用して、実際の鋼板を撮像した場合の撮像画像について説明する。
図20から明らかなように、Δ=−3mm及びΔ=+3mmの双方において、中央部分に存在する凸疵は、Δ=−3mmの場合では白く写し出されており、Δ=+3mmの場合では黒く写し出されている。図20に示した撮像画像において、白く写し出される部分は、輝度が明るい部分に対応しており、黒く写し出される部分は、輝度が暗い部分に対応している。
100 被検査体撮像装置
101 光束投射部
103 撮像部
105 光源
107 投射光学系
109 撮像光学系
111,113 赤外カメラ
121,127,129 凸レンズ
123,125 撮像素子
200 演算処理装置
201 撮像制御部
203 画像処理部
205 表示制御部
207 記憶部
211 A/D変換部
213 欠陥検出部
BS ビームスプリッター
S 被検査体
Claims (20)
- 赤外波長帯域に属する光束を発生させるものであり、被検査体の表面における前記光束の広がり半角が、撮像すべき表面の最小傾きの20倍以下である光源と、
前記被検査体の表面に対して前記光束を所定の投射角で投射する投射光学系と、
前記被検査体の表面で反射した前記光束を撮像する撮像部と、
を備え、
前記撮像部は、
少なくとも1つの凸レンズを有し、前記被検査体の表面からの反射光を集光するものであり、当該反射光を2つの異なった方向へ分岐する分岐光学素子を有する撮像光学系と、
前記撮像光学系を透過したそれぞれの前記反射光を撮像する第1の撮像素子及び第2の撮像素子と、
を有しており、
前記第1の撮像素子は、前記反射光の光軸に沿って、前記撮像光学系の前記被検査体の表面に共役な位置よりもズレ量Δ[mm]だけ前記被検査体側に設けられており、
前記第2の撮像素子は、前記反射光の光軸に沿って、前記撮像光学系の前記共役な位置よりも前記ズレ量Δ[mm]だけ前記反射光の進行方向側に設けられており、
前記ズレ量Δ[mm]は、前記撮像光学系の横倍率をβとし、それぞれの前記撮像素子における画素のピッチをp[mm]とし、前記表面において撮像したい傾きの最小値をTとしたときに、以下の式(1)で表される条件を満足する、被検査体撮像装置。
- 前記撮像光学系は、
前記分岐光学素子と前記第1の撮像素子との間に設けられ、前記反射光を前記第1の撮像素子へと集光する第1の集光光学系と、
前記分岐光学素子と前記第2の撮像素子との間に設けられ、前記反射光を前記第2の撮像素子へと集光する第2の集光光学系と、
を更に有する、請求項1に記載の被検査体撮像装置。 - 前記光源で発生する前記光束は、平行光である、請求項1又は2に記載の被検査体撮像装置。
- 前記被検査体は、所定の曲率を有するロールの表面上に位置しており、
前記投射光学系及び前記撮像光学系は、前記ロールの回転中心軸に焦点が一致するシリンドリカルレンズを有する、請求項1〜3の何れか1項に記載の被検査体撮像装置。 - 前記第1の撮像素子及び前記第2の撮像素子は、それぞれの撮像素子内の各画素位置における前記共役な位置からのズレ量が一定になるように光軸に対して傾斜して設けられる、請求項1〜4の何れか1項に記載の被検査体撮像装置。
- 赤外波長帯域に属する光束を発生させるものであり、被検査体の表面における前記光束の広がり半角が撮像すべき表面の最小傾きの20倍以下である光源から前記被検査体の表面に対して、投射光学系を介して前記光束を所定の投射角で投射するステップと、
前記被検査体の表面で反射した前記光束である反射光を、少なくとも1つの凸レンズを有する撮像光学系で集光するとともに、当該撮像光学系が有する分岐光学素子により前記反射光を二つの異なった方向へ分岐するステップと、
前記反射光の光軸に沿って前記撮像光学系の前記被検査体の表面に共役な位置よりもズレ量Δ[mm]だけ前記被検査体側に設けられている第1の撮像素子により、当該第1の撮像素子に結像した前記反射光を撮像するとともに、前記反射光の光軸に沿って前記撮像光学系の前記共役な位置よりも前記ズレ量Δ[mm]だけ前記反射光の進行方向側に設けられている第2の撮像素子により、当該第2の撮像素子に結像した前記反射光を撮像するステップと、
を有し、
前記ズレ量Δ[mm]は、前記撮像光学系の横倍率をβとし、それぞれの前記撮像素子における画素のピッチをp[mm]とし、前記表面において撮像したい傾きの最小値をTとしたときに、以下の式(1)で表される条件を満足する、被検査体撮像方法。
- 前記撮像光学系は、
前記分岐光学素子と前記第1の撮像素子との間に設けられ、前記反射光を前記第1の撮像素子へと集光する第1の集光光学系と、
前記分岐光学素子と前記第2の撮像素子との間に設けられ、前記反射光を前記第2の撮像素子へと集光する第2の集光光学系と、
を更に有する、請求項6に記載の被検査体撮像方法。 - 前記光源で発生する前記光束は、平行光である、請求項6又は7に記載の被検査体撮像方法。
- 前記被検査体は、所定の曲率を有するロールの表面上に位置しており、
前記投射光学系及び前記撮像光学系は、前記ロールの回転中心軸に焦点が一致するシリンドリカルレンズを有する、請求項6〜8の何れか1項に記載の被検査体撮像方法。 - 前記第1の撮像素子及び前記第2の撮像素子は、それぞれの撮像素子内の各画素位置における前記共役な位置からのズレ量が一定になるように光軸に対して傾斜して設けられる、請求項6〜9の何れか1項に記載の被検査体撮像方法。
- 被検査体の表面に対して所定の投射角で赤外波長帯域に属する光束を投射して、前記被検査体の表面からの反射光を撮像する被検査体撮像装置と、
前記被検査体撮像装置により撮像された前記反射光の撮像画像に対して画像処理を行い、前記被検査体の表面に存在する表面欠陥を検出する演算処理装置と、
を備え、
前記被検査体撮像装置は、
赤外波長帯域に属する光束を発生させるものであり、被検査体の表面における前記光束の広がり半角が、撮像すべき表面の最小傾きの20倍以下である光源と、
前記被検査体の表面に対して前記光束を所定の投射角で投射する投射光学系と、
前記被検査体の表面で反射した前記光束を撮像する撮像部と、
を備え、
前記撮像部は、
少なくとも1つの凸レンズを有し、前記被検査体の表面からの反射光を集光するものであり、当該反射光を2つの異なった方向へ分岐する分岐光学素子を有する撮像光学系と、
前記撮像光学系を透過したそれぞれの前記反射光を撮像する第1の撮像素子及び第2の撮像素子と、
を有しており、
前記第1の撮像素子は、前記反射光の光軸に沿って、前記撮像光学系の前記被検査体の表面に共役な位置よりもズレ量Δ[mm]だけ前記被検査体側に設けられており、
前記第2の撮像素子は、前記反射光の光軸に沿って、前記撮像光学系の前記共役な位置よりも前記ズレ量Δ[mm]だけ前記反射光の進行方向側に設けられており、
前記ズレ量Δ[mm]は、前記撮像光学系の横倍率をβとし、それぞれの前記撮像素子における画素のピッチをp[mm]とし、前記表面において撮像したい傾きの最小値をTとしたときに、以下の式(1)で表される条件を満足し、
前記演算処理装置は、前記第1の撮像素子により撮像された第1の撮像画像、及び、前記第2の撮像素子により撮像された第2の撮像画像の明暗の分布に基づき、前記第1の撮像画像と前記第2の撮像画像との間で明暗が逆転している部分を、前記被検査体の表面に存在する凹凸として検出する、表面検査装置。
- 前記撮像光学系は、
前記分岐光学素子と前記第1の撮像素子との間に設けられ、前記反射光を前記第1の撮像素子へと集光する第1の集光光学系と、
前記分岐光学素子と前記第2の撮像素子との間に設けられ、前記反射光を前記第2の撮像素子へと集光する第2の集光光学系と、
を更に有する、請求項11に記載の表面検査装置。 - 前記光源で発生する前記光束は、平行光である、請求項11又は12に記載の表面検査装置。
- 前記被検査体は、所定の曲率を有するロールの表面上に位置しており、
前記投射光学系及び前記撮像光学系は、前記ロールの回転中心軸に焦点が一致するシリンドリカルレンズを有する、請求項11〜13の何れか1項に記載の表面検査装置。 - 前記第1の撮像素子及び前記第2の撮像素子は、それぞれの撮像素子内の各画素位置における前記共役な位置からのズレ量が一定になるように光軸に対して傾斜して設けられる、請求項11〜14の何れか1項に記載の表面検査装置。
- 赤外波長帯域に属する光束を発生させるものであり、被検査体の表面における前記光束の広がり半角が撮像すべき表面の最小傾きの20倍以下である光源から前記被検査体の表面に対して、投射光学系を介して前記光束を所定の投射角で投射するステップと、
前記被検査体の表面で反射した前記光束である反射光を、少なくとも1つの凸レンズを有する撮像光学系で集光するとともに、当該撮像光学系が有する分岐光学素子により前記反射光を二つの異なった方向へ分岐するステップと、
前記反射光の光軸に沿って前記撮像光学系の前記被検査体の表面に共役な位置よりもズレ量Δ[mm]だけ前記被検査体側に設けられている第1の撮像素子により、当該第1の撮像素子に結像した前記反射光を撮像するとともに、前記反射光の光軸に沿って前記撮像光学系の前記共役な位置よりも前記ズレ量Δ[mm]だけ前記反射光の進行方向側に設けられている第2の撮像素子により、当該第2の撮像素子に結像した前記反射光を撮像するステップと、
前記第1の撮像素子により撮像された第1の撮像画像及び前記第2の撮像素子により撮像された第2の撮像画像の明暗の分布に基づき、前記第1の撮像画像と前記第2の撮像画像との間で明暗が逆転している部分を、前記被検査体の表面に存在する凹凸として検出するステップと、
を有し、
前記ズレ量Δ[mm]は、前記撮像光学系の横倍率をβとし、それぞれの前記撮像素子における画素のピッチをp[mm]とし、前記表面において撮像したい傾きの最小値をTとしたときに、以下の式(1)で表される条件を満足する、表面検査方法。
- 前記撮像光学系は、
前記分岐光学素子と前記第1の撮像素子との間に設けられ、前記反射光を前記第1の撮像素子へと集光する第1の集光光学系と、
前記分岐光学素子と前記第2の撮像素子との間に設けられ、前記反射光を前記第2の撮像素子へと集光する第2の集光光学系と、
を更に有する、請求項16に記載の表面検査方法。 - 前記光源で発生する前記光束は、平行光である、請求項16又は17に記載の表面検査方法。
- 前記被検査体は、所定の曲率を有するロールの表面上に位置しており、
前記投射光学系及び前記撮像光学系は、前記ロールの回転中心軸に焦点が一致するシリンドリカルレンズを有する、請求項16〜18の何れか1項に記載の表面検査方法。 - 前記第1の撮像素子及び前記第2の撮像素子は、それぞれの撮像素子内の各画素位置における前記共役な位置からのズレ量が一定になるように光軸に対して傾斜して設けられる、請求項16〜19の何れか1項に記載の表面検査方法。
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