KR102117697B1 - 표면검사 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

검사대상물의 표면에 조명을 조사하기 위한 광원과, 검사대상물 표면에서 반사된 이미지를 취득하고 처리 및 분석해서 결함부를 인식하는 결함 인식부를 포함하는 표면 검사 장치가 제공된다. 상기 광원은 가변 패턴 조명을 방출하는데, 이 가변 패턴 조명은 줄무늬 패턴으로 다수의 밝은 부분과, 이들 각 밝은 부분 사이에 역시 줄무늬로 다수의 어두운 부분이 위치하는 패턴일 수 있다. 결함 인식부에서는 상기 카메라에서 촬영된 다수의 이미지를 중첩할 수 있다. 다수의 이미지를 중첩하면 정상 표면에서 반사된 패턴 조명의 중첩 영상 부분으로부터, 결함부에서 난반사 또는 흡수된 패턴 조명의 중첩 영상 부분을 용이하게 감지 및 추출 가능하다. 결함부가 추출되면, 해당 결함부의 위치를 산출할 수 있다.

Description

표면검사 장치 및 방법 {Apparatus and method for surface inspection}

본 발명은 검사대상물에 조명을 조사하여 검사대상물에서 반사된 영상을 분석하여 검사대상물 표면의 결함 유무를 검사하는 기술에 관한 것이다.

자동차 도장면, 가전제품 외관, 모바일 기기 스크린 등 각종 검사대상물의 표면을 검사하여 흠집, 스크래치, 덴트, 돌기, 돌출물, 이물질, 오염 등의 결함 유무를 찾아내기 위하여, 종래에는, 육안에 의한 목측 검사, 조명을 비추어서 반사된 상의 목측 검사, 조명을 조사하여 반사된 상을 센서로 검출한 영상의 목측 검사 등의 방법이 사용되고 있다.

그러나 이러한 종래의 표면검사 기술은 검사결과를 목측으로 판별하기 때문에 생산성이 크게 저하된다. 특히, 자동화 라인에의 검사 공정 적용시에 한계가 있다.

대한민국 등록실용신안 20-0227642

검사대상물의 표면 검사를 자동으로 수행하면서도 정확한 검사 결과를 얻을 수 있는 기술을 개발하고자 한다. 아울러, 자동화 라인에의 적용에 적합하도록 소프트웨어 기술을 적극 활용하여 비교적 단순한 구성으로 큰 효과를 얻을 수 있는 자동 표면 검사 장치와 방법을 제공하고자 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 한 측면에 따르면, 검사대상물의 표면에 조명을 조사하기 위한 광원과, 검사대상물 표면에서 반사된 이미지를 취득하고 처리 및 분석해서 결함부를 인식하는 결함 인식부를 포함하는 표면 검사 장치가 제공된다.

여기서, 검사대상물은 차량 도장면, 스마트폰 등 모바일기기의 스크린이나 외관 표면, 전자제품 하우징 외관 등 광택 있는 면이지만, 이들에 한정되는 것은 아니다. 가령, 빛의 반사 능력이 다소 떨어지는 반광택 면이나, 빛의 반사 능력이 약한 무광택 면에 대해서도 본 발명을 적용할 수 있다.

기본적으로 본 발명은, 검사대상물의 정상적 표면에서는 광원의 조명이 정반사되지만 결함부(스크래치, 덴트, 오염, 돌기, 부착 이물질 등)에서는 난반사되는 성질을 이용하여 결함부를 탐지한다.

상기 광원은 가변 패턴 조명을 방출한다.

여기서 상기 가변 패턴 조명은 줄무늬, 스트라이프(stripe) 또는 스트립(strip) 모양 등의 패턴으로 다수의 밝은 부분과, 이들 각 밝은 부분 사이에 역시 줄무늬 또는 스트라이프 또는 스트립 모양으로 다수의 어두운 부분이 위치하는 패턴일 수 있다.

상기 결함 인식부는 검사대상물에 조사된 가변 패턴 조명이 검사대상물 표면에서 반사된 이미지를 다수 촬영하는 카메라와, 소프트웨어 프로그램 등으로 구현 가능하여 촬영 이미지로부터 결함부를 감지하고 그 위치를 찾는 결함 감지부를 포함한다.

결함 감지부에서는 상기 카메라에서 촬영된 다수의 이미지를 중첩할 수 있다. 다수의 이미지를 중첩하면 정상 표면에서 반사된 패턴 조명의 중첩 영상 부분으로부터, 결함부에서 난반사 또는 흡수된 패턴 조명의 중첩 영상 부분을 용이하게 감지 및 추출 가능하다. 결함부의 감지는 소정의 임계값으로 필터링할 수 있다. 임계값은 결함부에 대해 정상 표면으로 간주할 수 있는 허용범위를 설정하고, 분석된 중첩 영상에서 분석된 영상이 이 허용범위를 벗어날 때에 해당 부위를 결함부로 인식하여 추출하도록 할 수 있다. 결함부가 감지되면, 해당 결함부의 위치를 산출할 수 있다.

한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 검사대상물의 표면에 가변되는 패턴의 조명(이하 '가변 패턴 조명')을 조사하는 단계와; 검사대상물에 조사된 상기 가변 패턴 조명이 검사대상물 표면에서 반사된 이미지를 다수 촬영하여, 촬영된 다수의 이미지를 중첩하고, 중첩된 이미지에서 중첩된 결함부 영상을 추출하고, 추출된 결함부의 위치를 산출하는 단계를 포함하는 표면검사 방법이 제공된다.

여기서, 상기 가변 패턴 조명은 줄무늬 패턴으로, 다수의 밝은 부분과 이들 각 밝은 부분 사이에 역시 줄무늬로 다수의 어두운 부분이 위치하는 패턴을 사용할 수 있다.

또한, 상기 결함부 추출 단계는, 중첩된 결함부에 대해 정상 표면으로 간주하도록 설정된 허용범위를 벗어날 때에 해당 중첩된 결함부를 결함부로 인식하여 추출하는 단계를 포함할 수 있다.

이상에서 소개한 본 발명 사상의 구성과 효과는 이하에서 도면과 함께 설명하는 발명의 상세한 설명에 의해 보다 더 명확해질 것이다.

본 발명에 따르면, 검사대상물의 표면 검사를 자동으로 수행하면서도 정확한 검사 결과를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 표면 검사는 자동으로 이루어지므로 자동화 라인에의 적용에 적합하여 비교적 단순한 구성으로 효과적인 표면 검사를 실시할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예의 구성도
도 2는 광원(20)의 가변 패턴 조명 설명도
도 3은 광원(20)의 가변 패턴 조명의 추가 설명도
도 4는 결함 인식부(30)의 구성도
도 5는 중첩 이미지를 분석하여 결함부를 추출하는 기능의 보충 설명도

도 1은 본 발명의 실시를 위한 구체적인 실시예의 구성도이다.

검사대상물(10)의 표면에 조명을 조사하기 위한 광원(20)과, 검사대상물(10) 표면에서 반사된 광의 이미지를 취득하여 처리 및 분석해서 결함을 추출하고 인식하여 그 위치를 찾아내는 결함 인식부(30)를 포함한다.

여기서 검사대상물(10)은 주로 차량 도장면, 스마트폰 등 모바일 기기의 스크린 또는 외관, 전자제품의 하우징 외관 등 빛을 반사하는 광택이 있는 면이 될 것이지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

광원(20)과 결함 인식부(30)에 대해서는 이하에서 상세하게 설명한다.

도 2를 참조하여 광원(20)에 대해 설명한다.

광원(20)은 소정 면적의 발광면에 줄무늬, 스트라이프(stripe) 또는 스트립(strip) 모양 등의 패턴으로 다수의 밝은 부분(21)을 일정한 간격으로 방출하고, 각 밝은 부분(21) 사이에는 역시 줄무늬 또는 스트라이프 또는 스트립 모양으로 다수의 어두운 부분(22)을 방출한다. 이들 다수의 밝은 부분(21)과 어두운 부분(22)이 조명 패턴을 이루는데 이들은 교대로 조사될 수 있으며, 밝은 부분(21)과 어두운 부분(22)의 조명 패턴은 가변된다(도 3의 설명 참조). 따라서 광원(20)에서 조사되는 조명을 '가변 패턴 조명'이라고 부를 수 있을 것이다.

가변 패턴 조명의 밝은 부분(21)은 광이(가령, LED가) 턴온되는 부분이고, 어두운 부분(22)은 광이 턴오프되는 부분일 수 있다. 또는, 밝은 부분(21)과 어두운 부분(22) 모두가 광이 턴온되는 부분이지만, 밝은 부분(21)은 명도가 높은 또는 광량이 큰 부분이고 어두운 부분(22)은 명도가 낮은 또는 광량이 작은 부분이 되도록 할 수도 있다.

밝은 부분(21)과 어두운 부분(22)은 도 2와 같은 세로 줄무늬만 가능한 게 아니라, 가로 줄무늬, 대각선 줄무늬, 나선형 등, 다양하게 구현 가능하다.

또한, 도 3에서와 같이 밝은 부분(21)과 어두운 부분(22)은 주기적 턴온/오프를 반복하여 도 2에 나타낸 패턴과 교대로 조사되도록 가변할 수 있다. 패턴의 밝은 부분(21)과 어두운 부분(22)의 교대 시간(즉, 턴온/오프 타임)도 조절 가능하다. 또한, 단순 교대를 넘어, 밝은 부분(21)이 발광면에서 옆으로 계속 시프트되도록 밝은 부분(21)과 어두운 부분(22)을 교대하는 방식으로 광을 턴온/오프할 수도 있으며, 또한, 이때 그 시프트 속도도 조절 가능하다.

밝은 부분(21)과 어두운 부분(22)의 명도 내지는 광량을 조절 가능토록 할 수 있으며, 밝은 부분(21)과 어두운 부분(22)의 콘트라스트도 조절 가능토록 할 수 있다.

밝은 부분(21)의 폭 W1과 어두운 부분(22)의 폭 W2의 간격은 서로 같을 수도 있고 다를 수도 있으며, 또한, 각각은 넓어졌다 좁아졌다 할 수 있도록 조절가능하다.

실제로 광원(20)을 구현시에는, 사각형 베젤(23)로 이루어지는 발광면을 갖는 컴퓨터 모니터에 소프트웨어 프로그램을 통해 상기 설명한 패턴의 화면을 표시하여서 조명용 광원(20)으로 사용할 수 있다. 아니면 전용의 면발광 조명을 제작하는 것도 가능할 것이다. 또는 프로젝터(미도시)로 가변 조명 패턴 영상을 투사하는 것도 가능할 것이다.

도 4는 결함 인식부(30)의 구성을 나타낸다.

결함 인식부(30)는 광원(20)에서 조사된 상기 가변 패턴 조명이 검사대상물(10) 표면에서 반사된 이미지를 취득하는 카메라(31)와, 소프트웨어 프로그램으로 구현 가능한 결함 감지부(32)를 포함한다. 결함 인식부(30)는 검사대상물(10)에 조사된 가변 패턴 조명을 카메라(31)로 촬영한 이미지를 적의 처리하여 결함의 위치를 찾는다.

카메라(31)는 검사대상물(10)에서 반사된 가변 패턴 조명을 일정한 시간 간격으로 촬영하여 약 10~60 프레임의 이미지를 취득한다. 조명의 패턴이 시간에 따라 가변되므로 각 프레임의 영상은 전부가 거의 다른 패턴일 것이다.

결함 감지부(32)에는 카메라(31)에서 취득된 다수의 이미지를 중첩하는 기능(33), 중첩 이미지를 분석하여 결함부위(결함부)를 추출하는 기능(34), 추출된 결함부의 위치를 산출하는 기능(35)이 포함된다.

카메라(31)가 촬영한 다수의 이미지는 각각 가변 패턴 조명의 반사 영상을 촬영한 것이므로, 촬영된 다수의 이미지를 중첩하면(33), 결함이 없는 정상적인 검사 대상물(10)의 표면에서 패턴 조명이 정반사된 영상 부분과, 표면에 있는 결함부에서 패턴 조명이 난반사되거나 또는 흡수되어 얻어지는 영상 부분이 중첩될 것이다. 이에, 결함부의 존재와 위치를 확실하게 분석해 낼 수 있다. 예를 들어, 정상적인 표면과 결함부 간의 패턴의 왜곡, 명도 또는 채도 차이, 그레이레벨 차이 등으로 결함부를 인식 및 추출할 수 있다.

결함부의 추출(34)시에는 소정의 임계값에 따라 결함부를 필터링할 수 있다. 즉, 검사대상물 표면의 원하는 품질관리를 위하여, 완전한 정상 표면은 아니더라도 정상 표면으로 간주할 수 있는 허용범위를 설정하고, 분석된 중첩 영상에서 분석된 영상이 이 허용범위를 벗어날 때에만 해당 부위를 결함부로 인식하여 추출하도록 할 수 있다.

결함부가 추출되면, 해당 결함부의 위치를 산출하여 출력한다(35). 결함부의 위치는 예를 들어 결함부의 중심부를 하나의 XY좌표로 표시하거나, 결함부의 분포 면적을 지정할 수 있도록 복수의 XY좌표로 표시할 수 있다. 이와 병행해서 면적값도 함께 표시할 수 있을 것이다.

도 5는 중첩 이미지를 분석하여 결함부를 추출하는 기능(34)의 보충 설명을 위한 그림이다.

시간 차를 두고 촬영된, 즉, 약간씩 다른 패턴 조명의 반사 영상이 찍힌 다수의 이미지 IMG1, IMG2, ..., IMGn의 각각에는 그 선명도, 명도, 채도 등의 차이는 있을지언정 거의 유사한 위치에 결함부(36)가 포함되어 있을 것이다. 이미지 IMG1, IMG2, ..., IMGn을 중첩함으로써, 중첩된 배경 영상 중에 존재하는 결함부(36)들이 중첩된 결함부 영상(36')으로 나타나게 되어, 그 위치와 그 분포면적 등이 정확하게 특정될 수 있어서 추출이 용이해진다. 이 중첩된 결함부 영상(36')의 위치는 아래 그림에서와같이 전체 배경 이미지의 특정 모서리를 원점(O)으로 하는 가로 세로의 거리를 (X,Y) 좌표값으로 특정될 수 있다.

한편, 다시 도 4로 돌아가, 결함 인식부(30)는 상기 결함부의 추출(34) 및 위치 산출(35)에 따라 결함부가 인식되면 다양한 검사 결과를 출력할 수 있다. 예를 들어, 특정 허용범위를 벗어나는 결함부 면적이나 결함부 개수를 인식할 때에 검사 불합격의 결과를 출력할 수 있다. 그리고 이에 병행하여 결함부의 위치 좌표값을 병행해서 출력하거나, 도 5의 아래 그림과 같이 영상 그 자체를 검사 결과로서 출력할 수 있다.

이상에서, 본 발명을 구체적인 실시예를 예로 들어 설명하였다. 그러나 본 발명의 기술적 범위는 이러한 실시예에 의해 제한되는 것이 아니라, 이하의 특허청구범위의 합리적 해석에 의해 정해지는 것이다.

검사대상물(10), 광원(20), 결함 인식부(30), 밝은 부분(21), 어두운 부분(22), 카메라(31), 결함 감지부(32), 결함부(36), 중첩된 결함부(36')

Claims (8)

1. 검사대상물의 표면에 조사할 가변되는 패턴의 조명(이하 '가변 패턴 조명')을 방출하는 광원;
   검사대상물에 조사된 상기 가변 패턴 조명이 검사대상물 표면에서 반사된 이미지를 다수 촬영하는 카메라;
   상기 카메라에 의해 촬영된 다수의 이미지를 중첩하는 수단;
   상기 중첩된 이미지로부터, 중첩된 결함부 영상을 추출하는 수단; 및
   상기 추출된 중첩된 결함부의 위치를 산출하는 수단을 포함하는 결함 인식부를 포함하되,
   상기 가변 패턴 조명은 다수의 밝은 부분과, 이들 각 밝은 부분 사이에 있는다수의 어두운 부분을 포함하여, 상기 밝은 부분과 어두운 부분이 주기적 턴온 및 턴오프를 반복함으로써 교대로 조사되는 것을 특징으로 하는 표면검사장치.
2. 제1항에서, 상기 가변 패턴 조명의 밝은 부분과 어두운 부분이 턴온 및 턴오프 되는 시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 표면검사장치.
3. 제1항에서, 상기 가변 패턴 조명의 밝은 부분과 어두운 부분의 명도와 콘트라스트 중 적어도 하나를 조절하는 것을 특징으로 하는 표면검사장치.
4. 제1항에서, 상기 결함 인식부의 결함부 추출 수단은
   중첩된 결함부에 대해 정상 표면으로 간주하도록 설정된 허용범위를 벗어날 때에 해당 중첩된 결함부를 결함부로 인식하여 추출하는 것을 특징으로 하는 표면검사 장치.
5. 제1항에서, 상기 결함 인식부는
   상기 결함부가 추출될 때에 검사 불합격의 결과를 출력하는 수단을 추가로 포함하는 표면검사 장치.
6. 검사대상물의 표면에 가변되는 패턴의 조명(이하 '가변 패턴 조명')을 조사하는 단계와,
   검사대상물에 조사된 상기 가변 패턴 조명이 검사대상물 표면에서 반사된 이미지를 다수 촬영하여, 촬영된 다수의 이미지를 중첩하고, 중첩된 이미지에서 중첩된 결함부 영상을 추출하고, 추출된 결함부의 위치를 산출하는 단계를 포함하되,
   상기 가변 패턴 조명은 다수의 밝은 부분과, 이들 각 밝은 부분 사이에 있는 다수의 어두운 부분을 포함하여, 상기 밝은 부분과 어두운 부분이 주기적 턴온 및 턴오프를 반복함으로써 교대로 조사되는 것을 특징으로 하는 표면검사 방법.
7. 제6항에서, 상기 가변 패턴 조명의 밝은 부분과 어두운 부분이 턴온 및 턴오프 되는 시간을 조절하는 것을 특징으로 하는 표면검사 방법.
8. 제6항에서, 상기 결함부 추출 단계는
   중첩된 결함부에 대해 정상 표면으로 간주하도록 설정된 허용범위를 벗어날 때에 해당 중첩된 결함부를 결함부로 인식하여 추출하는 단계를 포함하는 표면검사 방법.
   

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