KR100517868B1 - 시료 표면의 결함 측정 및 평가 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시료 표면의 결함 탐지 및 분석 방법에 관한 것이다. 이 방법에서, 검사 대상 표면이 우선 시준광에 노출되고, 그 표면으로부터 반사된 방사광이 위치 분해 화상 처리 수단으로 공급된다. 그 후, 상기 화상 처리 수단에 의하여 공급된 화상을 기초로 마스크가 생성되는데, 이 마스크는 상기 화상의 상대적으로 밝은 부위에 의하여 정해지는 마스킹 부위와 상기 화상의 상대적으로 어두운 부위에 의하여 정해지는 비마스킹 부위를 구비한다. 이제, 검사 대상 표면은 확산광에 노출되어 이 표면으로부터 노출된 방사광이 화상 처리 수단으로 공급되어, 비마스킹 영역으로부터의 방사광만이 분석 목적으로 고려된다.

Description

시료 표면의 결함 측정 및 평가 방법{METHOD FOR DETERMINING AND EVALUATING DEFECTS IN A SAMPLE SURFACE}

본 발명은 차량의 광택면과 같은 시료 표면의 결함을 탐지하고 분석하기 위하여 사용되는 광학적인 화상 인식 방법에 관한 것이다. 구체적으로 말하자면, 본 발명은 검사 대상 시료 표면을 2가지 다른 종류의 광으로 연속해서 조명한 후에 분석하는 방법에 관한 것이다.

광학적인 화상 인식 방법은, 예컨대 자연적 또는 인공적 내후(耐候) 조건에 노출되었던 차량의 광택면과 같은 표면을 검사할 때, 그리고 그러한 내후 조건에 의하여 초래된 표면의 결함을 탐지 및 분석할 때 중요한 인자이다.

페인트 피막의 품질 검사는 또한 돌에 의한 충격과 관련한 피막의 접착 저항성에도 적용된다. 이를 위해서, 자동차 산업에서는 일반적으로 페인트 피막이 있는 평면형 판금제 시료를 마련하여 돌 또는 금속 파편으로 시료에 충격을 가한다. 이렇게 해서 시료의 페인트 피막에 어떤 결함이 발생하면, 그 후 그것을 분석하고 분류하게 된다. 이 방법은 페인트 피막의 품질 등급의 설정함에 있어서 실질적인 구성 요소이다.

차량의 페인트 피막은 종종 금속체에 전착 피막 층, 필러 피막 층, 실제의 페인트 피막 층, 그리고 마지막으로 투명 피막 층이 연속해서 도포되어 있는 조직 구조를 갖는다. 전술한 바와 같은 외부의 영향에 의하여 스크래치, 천공 또는 변형과 같은 여러 종류의 결함이 그러한 피막 조직에 발생할 수 있다. 재료가 제거됨으로써 발생되는 이들 결함은 이것들의 깊이의 치수에 있어서 서로 다른데, 그러한 파손은 개별적인 피막 층 내에서 뿐만 아니라 인접한 피막 층 사이의 계면에서도 발생한다. 피막 층의 조직에 사용되는 재료의 내구성이나 피막 층 사이의 접착력에 관한 정보를 얻기 위해서는, 그러한 결함의 미소 구조 및 결함의 다른 조직적 특징부의 빈도수 비(frequency ratio)를 탐지하는 것이 중요하다.

이를 위해서 여러 가지 광학적인 화상 인식 방법이 개발되어 왔는데, 이들 방법은 검사 대상 소재 단편의 표면을 재현 가능한 조건 하에서 조명하고 표면으로부터 반사되는 광이 화상 처리 수단에 공급되어 페인트 피막 결함의 화상을 생성한다는 점에서 공통된다.

DE-PS 41 39 107 C1은 인공적 또는 자연적 내후 조건에 노출된 시료의 표면에서 발생하는 변화를 탐지 및 분석하는 방법을 개시하고 있다. 시료 표면의 화상을 얻고, 그 화상을 디지털화하여 컴퓨터에 저장하는데, 이 컴퓨터는 위치 분해 탐지기(position-resolving detector)를 포함한 전자 카메라 및 조명 수단에 의하여 상기 화상의 그레이 레벨 히스토그램(gray level histogram)을 발생시킨다. 그 후, 내후 조건 또는 표준 기준 필드(standard reference field)에 노출되지 않은 시료의 그레이 레벨 히스토그램과 내후 조건에 노출된 시료의 그레이 레벨 히스토그램의 감산(減算)에 의하여 표면 변화를 탐지할 수 있다. 그러나, 상기 방법으로는 페인트 피막 조직의 다른 깊이에서 발생하는 결함을 탐지하고 이들 결함을 서로 구분하는 것이 아직은 가능하지 않다.

WO 98/16815호는 표면 결함을 검사하는 수단을 개시하고 있는데, 이 수단은 제1 단계에서 적절한 광학 요소에 의하여 시준광(視準光)을 발생시키고 그 광을 검사 대상 시료 표면으로 지향시키는 데 사용되는 제1 광원을 구비한다. 상기 시준광은 시료 샘플에 의하여 반사되어, 촬영된 사진을 저장할 수 있는 화상 처리 수단의 CCD 탐지기와 같은 위치 분해 탐지기로 지향된다. 또한, 다른 한 단계에서, 적절한 광학 수단으로 확산광을 발생시키고 그것을 시료 표면으로 지향시키는 데 사용되는 다른 한 가지 광원이 마련된다. 또한, 시료 표면에 의하여 반사된 광은 해당 화상을 저장할 수 있는 화상 처리 수단으로 공급된다. 상기 두 종류의 광을 사용하여 이들 광으로 수행된 단계들을 비교하면 탐지된 결함을 특성화할 수 있다. 예를 들어, 상기 방법에 의하면 차량 페인트 피막의 외측의 투명한 피막 층에서 발생하는 결함과 이 투명한 피막 층 아래의 페인트 피막에서 발생하는 결함을 탐지하고 식별할 수 있다. 따라서, WO 98/16815호, 특히 시준광과 확산광의 2 종류의 광을 발생시키는 데 사용되는 이 명세서의 도 1에 도시된 수단은 그것의 관련 설명과 함께 본 출원의 설명에 포함된다.

특히, 전술한 인용 문헌은 최적의 콘트라스트(contrast)의 사진을 촬영하기 위해서, 시료를 조명하고, 사진을 촬영하고, 또 얻은 화상 데이터를 분석하는 데에 취해야 할 어떤 방안도 설명하고 있지 않다. 이와 관련하여, 한편으로 투명한 피막 층을 사용한다는 것과, 다른 한편으로 다른 페인트 피막 중의 컬러의 차이가 어떤 인지(認知)를 더 어렵게 만드는 사소한 종류의 것일 수도 있다는 것은 결정적인 인자이다.

그러나, 이제까지는 WO 98/16815호에 개시된 방법의 효능을 충분히 다 활용할 수 있는 방법을 제시한 간행물은 없었다.

도 1은 시준광을 이용하여 얻은 결함있는 시료 표면의 화상이고,

도 2는 도 1에 따른 화상으로부터 발생된 마스크이며,

도 3a 및 도 3b는 도 1에 따른 마스킹된 샘플 표면의 화상으로서, 도 3a는 확산광을 이용하여 얻은 화상이고 도 3b는 개별적인 그레이 레벨 영역을 가시화하기 위한 결함 부위의 확대 단면도이며,

도 4a는 도 3a에 따른 화상의 단순화된 그레이 레벨 히스토그램이고 도 4b는 마스크를 사용하지 않고 얻은 대응하는 화상의 단순화된 그레이 레벨 히스토그램이다.

따라서, 본 발명의 목적은 시료 표면에서 발생하는 결함을 탐지 및 분석하여, 결함을 틀림없이 최상의 정밀도로서 탐지하고 설정할 수 있는 방법을 제공하는 데 있다. 특히, 그러한 방법은 결함의 조직 구조 및 깊이 치수에 대한 명세서를 제공하는 데 사용될 수 있다.

이러한 목적은 청구항 1의 특징에 의하여 해결된다. 더 유리한 개량은 종속항에 포함되어 있다.

따라서, 본 발명은 시료 표면에서 발생하는 결함을 탐지 및 분석하는 방법에 있어서, 검사 대상 시료 표면을 2 종류의 광으로 연속해서 조명하고, 반사된 방사광을 기초로, 화상 처리 수단에 의하여 시료 표면의 화상을 얻어서 분석하는 방법을 개시한다.

그러므로, 본 발명의 주요 사상은 시준광으로 행하여지는 제1 조명 단계를 분석하여 얻은 결과를 사용하여 개선된 조명 조건 하에서 확산광으로 제2 조명 단계를 실행하는 것이다.

우선, 검사 대상 표면을 시준광으로 조명하고, 이 표면으로부터 반사된 방사광은 위치 분해 화상 처리 수단으로 공급된다. 이제, 화상 처리 수단에 의하여 공급되는 화상을 기초로 마스크(mask)를 생성하는데, 이 마스크의 마스킹 영역(masked regions)은 상기 화상의 상대적으로 밝은 부위에 의하여 정해지고 비마스킹 영역(unmasked regions)은 상기 화상의 상대적으로 어두운 부위에 의하여 정해진다. 그 후, 검사 대상 표면을 확산광으로 조명하는데, 이 표면으로부터 반사된 방사광은 화상 처리 수단으로 공급되어, 비마스킹 영역으로부터 도입하는 방사광만이 조명 조건을 설정하는 데에 고려된다.

이러한 과정으로 인하여, 상기 방법의 제2 단계에서 최적의 조명 조건을 설정할 수 있는데, 그 이유는 마스크의 효과 때문에 상기 결함으로부터 발원된 후방 산란(backscattered) 확산광 부분만이 조명 조건을 설정하는 데 고려되기 때문이다. 그러므로, 결함이 없는 시료 표면에서 발원된 후방 산란광은 고려되지 않으며, 모든 수단에 의하여 검사되어야 하는 결함들이 최적으로 조명될 수 있다.

그러므로, 시준된, 바람직하기로는 평행한 (직사) 광에 의한 제1 조명 단계는, 관련 피막 층이 투명한가, 불투명한가 또는 절대적으로 불투명한가 하는 문제와 관계없이, 평면형 표면의 모든 편차부(deviations), 즉 페인트 피막의 모든 결함을 가시화하기 위하여 무엇보다 먼저 사용된다. 그러한 편차부는 그것이 어떤 종류이든 시준광으로 촬영한 사진의 노출시 어두운 영역 부위로서 나타나는데, 그 이유는 그 편차부에서 발생하는 광은 더 이상, 결함이 없는 영역의 경우에서 처럼 화상 처리 수단으로 반사되지 않기 때문이다. 상기 결함이 없는 영역은 다시 밝은 부위로 나타나는데, 그 이유는 직사광이 화상 처리 수단으로 반사되기 때문이다.

우선, 최적의 조명 조건을 설정하기 위하여 시준광을 사용한다. 그 후, 화상 처리 수단이 화상을 발생시킨다. 이제, 마스크가 발생되는데, 이 마스크에서는 결함이 없는 밝은 화상 부위에 의하여 마스킹 영역이 발생되고 결함이 있는 어두운 화상 부위에 의하여 비마스킹 영역이 발생된다. 확산광으로 행하여지는 후속 조명 단계를 위하여, 상기 마스크가 최적의 조명 조건을 설정하는 데 사용된다. 그러한 설정을 위하여, 결함이 없는 밝은 부위는 고려 대상에서 제외되는 것이 유리한데, 그렇지 않으면 원하지 않는 결함 부위의 중첩을 초래할 수 있다. 이들 결함 부위는 더 이상 최적으로 조명되지 않는다.

바람직한 실시예에 있어서, 개별적인 조명 단계에서, 얻어진 화상의 그레이 레벨 히스토그램이 생성된다. 상기 히스토그램은 특히 얻어진 화상의 그레이 레벨 값이 최상의 뚜렷한 빈도수 분포(broad frequency distribution)인 경우에 주어지는 최적의 조명 조건을 설정하는 데 사용될 수 있다. 빈도수 분포의 폭에 대한 적절한 척도는 표준 편차(standard deviation)이다. 예를 들면, 2개의 조명 단계를 조명 조건, 특히 시준광 또는 확산광의 강도를 주어진 부위 위에서 단계적으로 변화시키고 각각의 설정을 위한 그레이 레벨 히스토그램을 취하여 그것의 빈도수 분포를 결정하여 관련 표준 편차를 계산하는 자동화된 방식으로 2개의 조명 단계를 행할 수 있다. 그 후, 최상의 표준 편차가 얻어진 광의 강도를 설정하고, 이 광의 강도에서 화상을 얻어서 최종적으로 분석한다.

마스크는 비마스킹 영역이 제2 조명 단계의 조명 조건을 설정하는 데 고려되어야 하는 화상 처리 수단의 픽셀(pixel)의 리스트 형태로 생성되게 하는 방식으로 생성되는 것이 바람직하다. 그러므로, 마스크는 바로 전자적으로 저장되는 가상 마스크(virtual, electronically stored mask)이다. 이 마스크를 발생시키기 위해서는 제1 조명 단계에서 얻은 화상의 그레이 레벨 값들을 사용할 수 있다. 상대적으로 어두운 부위와 상대적으로 밝은 부위의 정의와 관련하여, 역치(threshold value)를 미리 그레이 레벨 스케일로 결정할 수 있다. 그레이 레벨 값이 그러한 역치보다 낮은 화상 부위는 밝은 부위이고, 따라서 마스킹 영역으로 정해지되는 반면에, 그레이 레벨이 상기 역치보다 높은 화상 부위는 어두운 부위로서 비마스킹 영역으로 정해진다.

본 발명의 방법에 의하여 제2 조명 단계를 위한 최적의 조명 조건이 얻어질 수 있다면 그 즉시, 그 단계를 위하여 탐지된 광의 강도 값에서 화상을 얻는다. 결함이 없는 부위로서 정해진 부위가 희미해지게 하기 위하여, 상기 마스크는 최적의 조명 조건을 설정하기 위해서 뿐만 아니라 분석될 화상을 얻는 데에도 사용되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 고려되지 않을 픽셀들의 전자 리스트(electronic list)에 따라, 얻어진 화상 위의 해당 부위가 검은 부위로 나타나도록 이들 픽셀들 모두의 출력이 0으로 설정된다.

이하, 결함이 있는 페인트 피막 시료와 관련하여 본 발명의 방법을 상세히 설명한다.

후술되는 화상은 이미 알려진 종래 기술의 화상 인식 시스템으로 얻은 것으로, 상기 화상 인식 시스템은 시준광이나 확산광으로 검사 대상 시료를 조명할 수 있다. 그러한 장치의 구조에 관해서는 위에서 인용된 명세서 WO 98/16815호, 특히 도 1과 관련 설명이 참고가 된다.

도 1은 파편의 충격에 의하여 손상된 페인트 피막 시료에 관한 것으로서, 상기 화상은 시준광을 사용하여 얻은 것이다. 알 수 있겠지만, 이러한 종류의 광을 사용하면, 페인트 피막의 손상된 부위는 실질적으로 검고 손상되지 않은 부위는 희다.

이들 화상은 위치 분해 탐지기로서 CCD 칩이 마련된 전자 비디오 카메라로 얻는다. 페인트 피막 표면은 CCD 칩으로 사상(寫像)된다. 각 픽셀들은 0 내지 255 범위의 스케일의 그레이 레벨 값을 취할 수 있다. 광의 강도는 소정의 단계로 변화되며, 각각 설정된 광의 강도에 대하여 얻은 화상의 그레이 레벨 값의 빈도수 분포가 탐지되고, 그 후, 이 빈도수 분포로부터 표준 편차가 탐지되게 된다. 이제, 최상의 표준 편차의 광 강도를 선택하고 얻어진 화상을 추가 분석에 사용한다. 이 화상이 도 1에 도시되어 있다.

이제, 도 1의 화상을 사용하여 마스크를 생성하는 바, 즉 추가의 화상 처리 단계에서, 특히 확산광을 이용하여 화상을 얻을 때 최적 조명 조건을 설정하기 위하여 고려되어야 하는 영역과 더 이상 고려되지 않는 영역이 결정된다. 도 2에 따르면, 마스킹 영역은 검은색이고 비마스킹 영역은 회색이다.

검은 마스킹 영역이 CCD 탐지기 픽셀의 전자 리스트 형태로서 존재하는데, 이들 영역의 그레이 레벨 값은 소정의 주어진 역치보다 낮아서 결함이 없는 영역으로 정해진다. 그러므로, 마스크를 생성하기 위하여, 촬영된 사진의 그레이 레벨 값은 2개의 영역, 즉 결함이 있는 비마스킹 영역과 결함이 없는 마스킹 영역으로 나뉜다.

이제, 확산광을 이용해서 페인트 피막 표면의 화상을 얻는다. 시준광으로 노출이 이루어진 경우에서와 같이, 확산광의 강도도 또한 주어진 단계들에서 변동되며, 각각 설정된 광 강도에 대하여, 얻은 화상의 그레이 레벨 값의 빈도수 분포가 탐지되고, 그 후 이 빈도수 분포로부터 표준 편차가 탐지되게 된다. 그러나, 이렇게 함에 있어서는 선행 단계에서 발생된 마스크의 비마스킹 영역에 해당하는 픽셀들의 그레이 레벨 값만이 고려된다. 상기 그레이 레벨 값만으로 빈도수 분포와 표준 편차가 결정된다. 주어진 광 강도의 부위가 그렇게 통과되는 즉시, 빈도수 분포의 최상 표준 편차의 광 강도가 선택되고 얻은 화상이 분석된다. 사진을 촬영하기 위하여, 마스킹 영역에 해당하는 픽셀들의 그레이 레벨 값은, 도 2에 따른 마스크에서 이미 보여준 바와 같이, 이들 픽셀이 검은 영역으로 나타나도록 0으로 설정될 수 있다.

도 3a는 얻은 화상으로부터 발생된 의사 컬러 표현(pseudo-color representaion)의 흑백 카피를 보여주고 있는데, 의사 컬러 표현에서는 특정 조성 화상(prevailing image)의 그레이 레벨 값들에 대하여 다른 컬러가 할당되었다. 사각형 부분의 확대 단면도인 도 3b는 화상의 거의 중간의 영역을 보여주고 있다. 상기 단면도에 따르면, 탐지된 결함은 4개의 다른 부위의 그룹 또는 타입, 즉 Ⅰ- Ⅳ로 분류될 수 있다.

화상의 상반부는 타입 Ⅰ의 원형 부위에 관한 것이다. 이 부위에서, 파편의 충돌에 의하여 금속체가 노출 상태에 있다. 상기 부위를 포위하고 있는 부위는 타입 Ⅱ 및 타입 Ⅲ으로서 해칭선으로 도시되어 있다.

타입 Ⅱ의 원형 부위는 상기 원형 금속 영역을 포위하며, 따라서 연속된 다음의 피막 층의 재료가 이 부위에서는 노출 상태에 있다는 것을 추정할 수 있다. 따라서, 이러한 종류의 부위는 금속에 도포된 제1 피막 층, 즉 전착 피막 층에 의하여 발생된다. 이 부위는 다시 타입 Ⅲ의 부위에 의하여 포위되어 있으며, 따라서 피막 조직의 연속된 다음 층, 즉 필러 피막 층으로서 타입 Ⅲ의 부위에서 노출되어 있다는 것을 추정할 수 있다. 화상의 하부는 타입 Ⅳ의 더 어두운 부위를 보여주고 있는데, 이 부위는 대부분 타입 Ⅲ의 부위를 포위하고 있다. 그러므로, 이들 지점에서는 페인트 피막 층이 노출 상태에 있는 것으로 추정된다.

확산광을 이용하여 사진을 촬영하였을 경우에는 스크래치 등과 같은 투명 피막 층에 있는 어떤 결함을 탐지할 수 없고, 시준광을 이용하여 촬영하였을 경우에만 그런 결함의 탐지가 가능하다. 그러므로, 사진을 확산광을 사용하여 촬영하였을 때에는 그러한 사진이 결함 부위만을 보여줌에 따라 특정 부위가 검다는 사실 때문에 상기 결함들을 쉽게 확인할 수 있다.

도 4a 및 도 4b는 단순화된 그레이 레벨 히스토그램을 보여주고 있는데, 여기에서 도 4a는 마스크를 사용하지 않고 확산광으로 얻은 페인트 피막 시료의 화상의 그레이 레벨 히스토그램인데, 좌측 절반부에서 뚜렷한 최대치를 형성하고 있는 낮은 그레이 레벨 값을 갖는 결함이 없는 밝은 부위의 영향을 명확히 볼 수 있다. 이와 대조적으로, 도 4b는 동일한 시료에 대하여 마스크를 사용하여 발생된 그레이 레벨 히스토그램을 보여주고 있다. 마스크가 없으면 결함 부위의 결정적인 정보가 커버되므로 이 부위에서의 콘트라스트가 최적화될 수 없다.

확산광을 발생시키기 위하여 사용된, "글로브 포토메터(globe photometer)"라고도 불리는 구형 장치(spherical arrangement)는 광원으로서 LED, 예컨대 적, 녹, 청 LED도 사용할 수 있으며, 이들 LED에 의하여 전체 컬러 스펙트럼이 커버될 수 있고, 따라서 검사 대상 시료의 페인트 피막의 조건 및 컬러에 따라, 특정 컬러의 확산광을 시료 표면으로 지향시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 시료 표면의 결함들을 탐지 및 분석하는 방법에 있어서,

   a) 검사 대상인 표면이 시준광(collimated light)에 노출되고, 그 표면으로부터 반사된 방사광이 위치 분해 화상 처리 수단으로 공급되며,

   b) 상기 화상 처리 수단에 의하여 공급된 화상을 기초로 하여 마스크(mask)가 생성되고, 상기 마스크는 상기 화상의 상대적으로 밝은 부위들에 의하여 정해지는 마스킹 영역들(masked regions)과 상기 화상의 상대적으로 어두운 부위들에 의하여 정해지는 비마스킹 영역들(unmasked regions)을 갖고, 그레이 레벨 스케일로 역치(threshold value)가 결정되고, 그레이 레벨 값들이 이 역치보다 낮은 화상 부위들은 상대적으로 밝은 부위들이며, 그레이 레벨 값들이 상기 역치보다 높은 화상 부위들은 상대적으로 어두운 부위들이고,

   c) 검사 대상인 표면이 확산광(diffuse light)에 노출되고, 그 표면으로부터 반사된 방사광이 상기 화상 처리 수단으로 공급되고, 상기 비마스킹 영역들로부터의 방사광만이 상기 확산광의 조명 조건들을 설정하는 데에 고려되는 것인 시료 표면의 결함 탐지 및 분석 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 방법의 단계 a) 및 단계 c)에서 상기 화상 처리 수단에 의하여 얻어지는 화상 신호들은 디지털화되고 컴퓨터에 의하여 상기 화상들의 그레이 레벨 히스토그램들이 생성되는 것을 특징으로 하는 시료 표면의 결함 탐지 및 분석 방법.
3. 제2항에 있어서,

   상기 조명 조건들은 상기 그레이 레벨 히스토그램의 그레이 레벨 값들의 분포를 나타내는 파라메타, 특히 표준 편차가 최대화되도록 하는 방식으로 설정되고, 상기 조명 조건들 하에 생성된 화상이 선택되는 것을 특징으로 하는 시료 표면의 결함 탐지 및 분석 방법.
4. 제2항 또는 제3항에 있어서,

   상대적으로 어둡거나 상대적으로 밝은 상기 부위들은 상기 방법의 단계 b)에서 정해지고, 그들의 그레이 레벨 값들은 소정 역치보다 크거나 작은 것을 특징으로 하는 시료 표면의 결함 탐지 및 분석 방법.
5. 제2항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 마스크는 상기 비마스킹 부위들이 분석 목적들로 고려되어야 하는 화상 처리 수단의 픽셀들의 리스트 형태로 생성되도록 하는 방식으로 생성되는 것을 특징으로 하는 시료 표면의 결함 탐지 및 분석 방법.