JP2022051632A - 検査装置及び検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 光沢面を有する検査対象物の表面欠陥を消失させることなく撮像するための照明を備えた検査装置と検査方法を提供する。
【解決手段】 検査対象物から反射した光を受光して撮像する撮像手段と、検査対象物と撮像手段との間に配置され検査対象物に光を照射する照明手段と、照明手段によって照射される光の特性を制御する制御手段とを備え、照明手段は、複数の光源部と、光源部から出た光を導光して検査対象物に照射する光透過性のある面発光部とを有し、制御手段は、少なくとも２つの光源部から導光される光の輝度或いはスペクトル分布に差異を生じさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光沢面を有する検査対象物のキズや汚れ等の表面欠陥を検査する検査装置と、検査方法に関するものである。

工場等の製造現場においては、常に一定の品質を維持するために品質検査の一項目として外観検査が行われている。従来の外観検査は、キズ／汚れ／へこみ／ホコリの付着等の欠陥の判定を主に検査員が行なっていたが、近年は効率化と低コスト化の要請から自動化が進んでいる。

外観検査を自動化するには、検査対象物をカメラで撮像し、画像処理技術を用いて不良品を判定する手法が代表的だが、特に光沢面を有する検査対象物の場合は、カメラで撮像する際の照明の当て方次第でハレーションが発生し、キズ等の表面欠陥を撮像できなくなる問題があるため、様々な照明の工夫がなされている。特許文献１には、このような課題を解決する照明の一例として、同軸落射照明とドーム照明を用いた検査システムが開示されている。

特許文献１に開示されている検査システムを用いることで、ハレーションの発生は抑止できるものの、照射面の輝度にムラが発生し、画像処理に適した撮像データを得ることができなかった。また、非特許文献１に開示されているような、ドーム照明と同様の効果を発揮するフラットドーム照明を用いた場合は、ハレーションの発生を抑えた均一無影照明を得ることはできたものの、検査対象物の表面欠陥も消失してしまい、結果として画像処理に適した撮像データを得ることはできなかった。

特開２０１６－１９４４３４号公報

シーシーエス株式会社 LFX３シリーズ［2020年9月22日検索］、https://www.ccs-inc.co.jp/products/series/203

本発明は、以上のような点に鑑みてなされたものであって、解決しようとする課題は、光沢面を有する検査対象物の表面欠陥を消失させることなく撮像するための照明を備えた検査装置と検査方法を提供することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載の発明は、検査対象物から反射した光を受光して撮像する撮像手段と、前記検査対象物と前記撮像手段との間に配置され前記検査対象物に光を照射する照明手段と、当該照明手段によって照射される光の特性を制御する制御手段とを備え、前記照明手段は、複数の光源部と、当該光源部から出た光を導光して前記検査対象物に照射する光透過性のある面発光部とを有し、前記制御手段は、少なくとも２つの前記光源部から導光される光の輝度或いはスペクトル分布に差異を生じさせることを特徴とする検査装置である。

上記課題を解決するための請求項２に記載の発明は、前記面発光部は、表面にドットパターンが形成された導光拡散板で構成され、前記光源部は、前記導光拡散板の外周を取り囲む態様で設けられていることを特徴とする請求項１に記載の検査装置である。

上記課題を解決するための請求項３に記載の発明は、前記面発光部は矩形形状を有しており、前記光源部は、前記面発光部の４辺に各々設けられていることを特徴とする請求項２に記載の検査装置である。

上記課題を解決するための請求項４に記載の発明は、前記制御手段は、前記面発光部の４辺に各々設けられた前記光源部のうち、対向する配置にある２つの前記光源部から導光される光の輝度或いはスペクトル分布に差異を生じさせることを特徴とする請求項３に記載の検査装置である。

上記課題を解決するための請求項５に記載の発明は、
検査対象物を準備する準備工程と、複数の光源部から出た光を導光し、面発光部を介して前記検査対象物に照射する照射工程と、少なくとも２つの前記光源部から導光される光の輝度或いはスペクトル分布に差異を生じさせる制御工程と、前記検査対象物から反射した光を受光して撮像する撮像工程と、前記撮像工程で取得した撮像データを用いて前記検査対象物の表面欠陥を識別する識別工程とを備えることを特徴とする検査方法である。

上記課題を解決するための請求項６に記載の発明は、１つの検査対象物に対して、前記制御工程と前記撮像工程を複数回繰り返し、取得した複数の撮像データを処理することで表面欠陥を識別する請求項５に記載の検査方法である。

請求項１に記載の発明にかかる照明手段は、複数の光源部と、当該光源部から出た光を導光して検査対象物に照射する光透過性のある面発光部とを有し、制御手段は、少なくとも２つの光源部から導光される光の輝度或いはスペクトル分布に差異を生じさせることを特徴とする検査装置であることから、検査対象物が光沢面を有する場合であっても、ハレーションを発生させることなく、キズ等の表面欠陥を明確に撮像することが可能となる。

請求項２に記載の発明にかかる面発光部は表面にドットパターンが形成された導光拡散板で構成され、光源部は導光拡散板の外周を取り囲む態様で設けられていることから、請求項１の効果に加えて、検査装置全体のコンパクト化が可能であり、生産ライン等で設置する際の自由度が向上する。

請求項３に記載の発明にかかる面発光部は矩形形状を有しており、光源部は面発光部の４辺に各々設けられていることから、請求項２の効果に加えて、照明手段を簡単に組み立てることが可能であり、検査対象物に対して低コストで無影照射を行うことができる。

請求項４に記載の発明にかかる制御手段は、面発光部の４辺に各々設けられた光源部のうち、対向する配置にある２つの光源部から導光される光の輝度或いはスペクトル分布に差異を生じさせることから、請求項３の効果に加えて、光沢面に付いたキズ等のコントラストを高めることが可能であり、表面欠陥をより精度よく撮像することができる。

請求項５に記載の発明にかかる検査方法は、複数の光源部から出た光を導光し、面発光部を介して検査対象物に照射する照射工程と、少なくとも２つの光源部から導光される光の輝度或いはスペクトル分布に差異を生じさせる制御工程とを有することから、検査対象物が光沢面を有する場合であても、ハレーションを発生させることなく、キズ等の表面欠陥を明確に撮像して識別することが可能となる。

請求項６に記載の発明にかかる検査方法は、１つの検査対象物に対して、制御工程と撮像工程を複数回繰り返し、取得した複数の撮像データを処理することから、請求項５の効果に加えて、光沢面に付いたキズ等の表面欠陥をより精度よく識別することが可能となる。

本発明に係る検査装置の実施の形態を示す概略図である。 本発明に係る照明手段の実施の形態を示す概略図である。 本発明に係る検査システムの実施の形態を示すブロック図である。 本発明に係る検査装置を用いた実験例で取得した撮像データである。 本発明に係る検査方法の実施の形態を示すフロー図である。 本発明に係る検査方法の実施の形態を示すフロー図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。

図１は、本発明に係る検査装置の実施の形態を示す概略図である。

撮像手段（１）は、主に図示しないCMOSカメラとイメージングレンズとで構成され、検査対象物（３）からの反射光を受光し、撮像データを取得する。カメラとレンズは検査対象物（３）までの距離、検査対象物（３）の大きさ、撮像視野、分解能、搬送速度等を踏まえてその仕様を任意に選ぶことができる。一例として、CMOSカメラは300万画素から2000万画素のカメラを利用することができ、望ましくは500万画素以上のカメラを用いるとよりよい。

照明手段（２）は、面発光部（２１）と複数の光源部（２２）とからなり、検査対象物（３）に光を照射する。面発光部（２１）は透明な導光板であり、その表面にドットパターンが形成されることで、光源部（２２）から出る光を拡散させて面発光し、検査対象物（３）に無影照射を行うことが可能となっている。面発光部（２１）から照射された光は検査対象物（３）の表面で反射し、当該反射した光が光透過性のある面発光部（２１）を透過して撮像手段（１）まで到達することで撮像データが生成される。

検査対象物（３）は、検査台（４）に載置される。検査台（４）は高さ調整機能を有していることが好ましく、工場の生産ライン等では、必要に応じて自動搬送機能が備えられている。

ここで、照明手段（２）の構造を詳細に説明するため、図２に撮像手段（１）の光軸方向から見た照明手段（２）の概略図を示す。照明手段（２）の形状は円形や多角形など必要に応じて様々な形状を採用することができる。本実施の形態では、面発光部（２ １）を構成する透明な導光拡散板は矩形形状を有しており、その４辺に光源部A（２２１）、光源部B（２２２）、光源部C（２２３）、光源部D（２２４）が設けられている。これら４つの光源部（２２１～２２４）から出る光は、面発光部（２１）を構成する導光拡散板の各辺の端面から入射し、導光され、拡散されて面発光する。全ての光源部（２２１～２２４）を同じ輝度で点灯させた場合には、面発光部（２１）から照射される光は均一な全周照射となる。各光源部（２２１～２２４）は、それぞれ複数のLEDと光学系部品で構成することが可能であり、或いは、有機ELを用いた帯状や線状の光源を利用することも好適である。

次に、制御手段（５）を詳細に説明するため、図３に本発明に係る検査システムの実施の形態のブロック図を示す。照明手段（２）を構成する４つの光源部（２２１～２２４）は、各々が制御手段（５）に接続されており、制御手段（５）は４つの光源部（２２１～２２４）の出力をそれぞれ独立に制御することが可能となっている。或いは、全体の輝度を一定に保ちながら、４つの光源部の出力バランスを制御する態様とすることも可能である。これらの制御によって、４つの光源部のうち少なくとも２つの光源部から導光される光の輝度に差異を生じさせることができる。その結果、面発光部（２１）から検査対象物（３）に照射される光は制御された無影のグラデーション照明となり、検査対象物（３）の表面欠陥のコントラストを上げることが可能となる。

なお、光沢面を有する検査対象物（３）の表面欠陥のコントラストを上げるためには、輝度に差異を生じさせるだけでなく、光源部（２２１～２２４）から出る光のスペクトル分布に差異を生じさせてもよい。スペクトル分布が異なると、検査対象物の表面で反射する光の反射率も異なってくることから、輝度に差異を生じさせる場合と同様に、表面欠陥のコントラストを上げることが可能である。例えば、各光源部（２２１～２２４）にフルカラーLEDを用いたり、RGBのLEDを均等配置したりすることで、照射される光のスペクトル分布に差異を生じさせることが可能である。

制御手段（５）は画像処理装置（６）と接続されていることが好ましい。こうすることで人の手を介することなく自動で照明パターンを変えながら複数の撮像データを高速で取得することが可能となり、より高速かつ高精度な表面欠陥の識別が可能となる。

画像処理装置（６）における撮像データの処理方法として、従来のパターンマッチングによる識別方法が利用できるが、近年はディープラーニングを用いてニューラルネットワークを形成する画像処理エンジン等を利用することで、より高速かつ高精度で表面欠陥を識別することが可能となっている（参考例：輝創株式会社、［2020年9月22日検索］、http://kisoh-tech.com/画像処理/）。かかる手法においては、ディープラーニングに用いる学習データ（撮像データ）の作成が非常に重要な要素となる。コントラストのわずかな違いであってもディープラーニングによるニューラルネットワーク形成には必要であり、このような撮像データを取得することが可能な照明が不可欠である。

撮像手段（１）で取得した撮像データは、画像処理装置（６）で処理され、処理された結果（表面欠陥の有無等）は情報表示手段（７）に表示される。

以上説明した検査装置を用いて、光沢面を有する部材の表面欠陥の撮影を行った。検査対象物（３）は金属製の部品であり、その表面には光沢塗装が施され、肉眼でわずかに視認できる程度の細い線状のキズが付いている。実験では、制御手段を操作することで、４つの光源部を全て点灯させる第１のパターンと、光源部Aのみを点灯させる第２のパターン、光源部Bのみを点灯させる第３のパターン、光源部Cのみを点灯させる第４のパターン、光源部Dのみを点灯させる第５のパターン、の５つのパターンで撮像データから表面欠陥を識別できるかどうかを比較した。第２～第５のパターンはいずれも、点灯させる光源部に対向する配置にある光源部を消灯させることで、検査対象物（３）に照射される光は均一ではない制御されたグラデーション照明となっている。表１に照明のパターンと表面欠陥識別の可否を整理し、図４に取得した撮像データを示す。

表１の第１のパターンは従来の均一な無影照明を用いた検査と同じ態様であり、影がなく見やすい撮像データを得ることができるが、識別すべきキズまでも消失してしまい、このままでは検査装置として機能しない。第２～第５のパターンは点灯させる光源部の位置が異なるものであり、このうち光源部Bのみを点灯させ他を消灯する第３のパターンでのみキズを識別することができた。

すなわち、各光源部（２２１～２２４）の出力をアンバランスにするだけでは、多様な表面欠陥の撮像データを得ることはできず、表面欠陥の形状、向き、大きさ、深さ等の各種態様に応じて制御手段を様々に操作することで、表面欠陥を識別するための撮像データを取得することが可能と判明した。

以上の実験結果から、本発明に係る検査装置は、光沢面を有する検査対象物であってもハレーションを生じさせることなく、また、制御手段（５）を操作することで１つの検査対象物に対して様々なパターンの光の照射とそれぞれの撮像データの取得が可能となることから、多様な表面欠陥を見落とすことがなく、確実な外観検査に極めて有効であることが確認できた。

なお、上記実験では、各光源部（２２１～２２４）を点灯または消灯のいずれかに制御したが、光源部の出力の強弱を任意に制御する態様でも構わない。さらに、光源部から出る光のスペクトル分布を制御する態様や、それらを組み合わせた態様でも効果を得ることができる。

図５に、本発明に係る検査方法の実施の形態のフロー図示す。

ステップS１は、検査対象物（３）を準備する工程である。工場の生産ライン等では、必要に応じて自動で搬送される。なお、下記ステップS３で照明を制御することができるため、撮像の度に向きを変えて置き直す必要はない。

ステップS２は、複数の光源部（２２）から出た光を導光し、面発光部（２１）を介して検査対象物（３）に照射する工程である。面発光部（２１）を介して照射することで、光沢面を有する検査対象物（３）であってもハレーションの発生を防止することができる。

ステップS３は、少なくとも２つの光源部（２２）から導光される光の輝度或いはスペクトル分布に差異を生じさせる制御工程である。この制御によって検査対象物（３）の表面欠陥のコントラストを上げることが可能となる。

ステップS４は、検査対象物（３）から反射した光を受光して撮像データを取得する撮像工程である。

ステップS５は、撮像データを用いて検査対象物の表面欠陥を識別する工程である。

これらのステップS１からS５を備える検査方法を用いることで、従来の均一な無影照明を用いた検査では取得できなかった表面欠陥の撮像データを取得することができるため、この撮像データを用いた外観検査を精度よく実施することが可能となる。

また、図６に示すように、ステップS４とステップS５の間に撮像繰り返し判定を行うステップS６を加える態様とすることもできる。ステップS６は、ステップS３の制御工程とステップS４の撮像工程を複数回繰り返すことの要否を判定するステップである。繰り返す回数は任意に決めることができるが、例えば表１のように光源部（２２）の数に依存する照射パターンの数から決定することができる。

こうすることで人の手を介することなく自動で照明パターンを変えながら複数の撮像データを高速で取得することが可能となり、より高速かつ高精度な表面欠陥の識別が可能となる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はかかる実施例に限定されるものではない。本願で開示した技術的思想の範囲において、様々な変更や修正を加えた例に想到し得ることは当業者にとって明らかである。

１ 撮像手段
２ 照明手段
２１ 面発光部
２２ 光源部
２２１ 光源部A
２２２ 光源部B
２２３ 光源部C
２２４ 光源部D
３ 検査対象物
４ 検査台
５ 制御手段
６ 画像処理装置
７ 情報表示手段

Claims (6)

1. 検査対象物から反射した光を受光して撮像する撮像手段と、前記検査対象物と前記撮像手段との間に配置され前記検査対象物に光を照射する照明手段と、当該照明手段によって照射される光の特性を制御する制御手段とを備え、
   前記照明手段は、複数の光源部と、当該光源部から出た光を導光して前記検査対象物に照射する光透過性のある面発光部とを有し、
   前記制御手段は、少なくとも２つの前記光源部から導光される光の輝度或いはスペクトル分布に差異を生じさせることを特徴とする検査装置。
2. 前記面発光部は、表面にドットパターンが形成された導光拡散板で構成され、
   前記光源部は、前記導光拡散板の外周を取り囲む態様で設けられていることを特徴とする請求項１に記載の検査装置。
3. 前記面発光部は矩形形状を有しており、
   前記光源部は、前記面発光部の４辺に各々設けられていることを特徴とする請求項２に記載の検査装置。
4. 前記制御手段は、前記面発光部の４辺に各々設けられた前記光源部のうち、対向する配置にある２つの前記光源部から導光される光の輝度或いはスペクトル分布に差異を生じさせることを特徴とする請求項３に記載の検査装置。
5. 検査対象物を準備する準備工程と、
   複数の光源部から出た光を導光し、面発光部を介して前記検査対象物に照射する照射工程と、
   少なくとも２つの前記光源部から導光される光の輝度或いはスペクトル分布に差異を生じさせる制御工程と、
   前記検査対象物から反射した光を受光して撮像する撮像工程と、
   前記撮像工程で取得した撮像データを用いて前記検査対象物の表面欠陥を識別する識別工程とを備えることを特徴とする検査方法。
6. １つの検査対象物に対して、前記制御工程と前記撮像工程を複数回繰り返し、取得した複数の撮像データを処理することで表面欠陥を識別する請求項５に記載の検査方法。

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