JP4923211B2 - 表面検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、被検査物の表面を撮像してその２次元画像を取得し、その２次元画像内の画素の濃度値に基づいて欠陥の有無を判別する表面検査装置に関する。

円筒状の被検査物の内周面を検査する装置として、軸状の検査ヘッドをその軸線の回りに回転させつつ軸線方向に送り出して被検査物の内部に検査ヘッドを挿入し、その検査ヘッドの外周から検査光としてのレーザ光を被検査物に照射してその被検査物の内周面をその軸線方向一端から他端まで逐次走査し、その走査に対応した被検査物からの反射光を検査ヘッドを介して受光し、その受光した反射光の光量に基づいて被検査物の内周面の状態、例えば欠陥等の有無を判別する表面検査装置が知られている。（例えば特許文献１参照）。
特開平１１−２８１５８２号公報

上述した表面検査装置において、被検査物の内周面に穴や凹凸部等の加工部が存在していると、加工部と欠陥との区別が困難となり、加工部を欠陥として誤って識別することがある。被検査物の内周面を平面的に展開した２次元画像の濃度値分布を利用して欠陥を判別する場合、２次元画像上における加工部の像の位置が判っていれば、その加工部の像を欠陥判別の対象から除外して誤判定を回避することができる。このような処理はマスク処理として画像処理の分野で一般に行われている。しかし、円筒状の内周面の軸線方向に関しては、内周面のエッジ等を基準として加工部の像の位置を一義的に特定することができても、周方向に関しては加工部の位置を特定するための適当な基準が存在せず、加工部の像の位置が走査開始位置と加工部との位置関係に応じて変化する。従って、内周面上に存在する全ての加工部の像を含んだ一枚のマスク画像を用意して内周面の画像に重ね合わせるだけでは、マスク位置が加工部の像に対して周方向にずれ、欠陥判別に影響を与えることがある。マスク画像を２次元画像で移動させてマスク位置を加工部の像と一致させようとしても、内周面の全域に相当するサイズのマスク画像ではデータ量が大きく、処理に長時間を要する。

そこで、本発明は、被検査物の表面に存在する加工部が欠陥の有無の判別に与える影響を排除して正確な検査を実施でき、かつ処理の高速化を図ることが可能な表面検査装置を提供することを目的とする。

本発明は、被検査物（１００）の円筒状の表面（１００ａ）を平面的に展開した２次元画像（２００）を取得し、該２次元画像内の画素（２００ａ）の濃度値に基づいて前記表面における欠陥の有無を判別する表面検査装置（１）において、前記表面に存在する加工部（１０３ａ〜１０３ｃ、１０４）に対応して前記２次元画像上に出現すべき加工部の像（２０３ａ〜２０３ａ、２０４）を、形状又は大きさの少なくともいずれか一方が異なる加工部毎に別々の基準画像（２１１、２１２）として保持するとともに、前記表面の軸線方向に相当する軸線相当方向（ｙ軸方向）における前記加工部の像の位置（ｙ１、ｙ２）、及び前記表面の周方向に相当する周相当方向（ｘ軸方向）に関して同一の加工部の像が存在すべき個数（Ｎ１、Ｎ２）を前記基準画像と対応付けて保持する基準画像保持手段（６５）と、前記基準画像、該基準画像に対応付けられた位置及び個数に基づいて、前記２次元画像上で欠陥判別の対象から除外されるべき領域を特定し、その特定された領域外における画素の濃度値に基づいて欠陥の有無を判別する欠陥判別手段（６０）と、を備えることにより、上述した課題を解決する。

本発明の表面検査装置によれば、形状又は大きさ、あるいは両者が異なる加工部毎に別々の基準画像が用意されているので、被検査物の全面に相当するサイズの基準画像を用意する場合と比較して各基準画像のサイズが顕著に縮小され、そのデータ量も相当に小さくなる。また、２次元画像上の軸線相当方向に関して、加工部の像の位置が基準画像と対応付けて保持されているので、特定の加工部の像を欠陥判別の対象から除外したい場合には、その特定の加工部の像に関する軸線相当方向の位置を手掛かりとして、加工部の像が存在し得る範囲を２次元画像の軸線相当方向に関して一部の範囲に絞り込むことができる。そして、その絞り込まれた範囲内で基準画像と２次元画像の濃度分布とを比較して基準画像と一致する画像が存在するか否かを判別し、一致する画像が存在する領域を欠陥判別の対象から除外すればよい。従って、基準画像を２次元画像の全面と比較する必要がなく、上述した基準画像のデータ量の削減と相俟って処理の高速化を図ることができる。さらに、同一の加工部の像が２次元画像の周相当方向に出現すべき個数が基準画像と対応付けて保持されているので、２次元画像上の絞り込まれた範囲内から加工部の個数を超える数の領域を欠陥判別の対象から除外すべき領域として誤って判別するおそれを排除することができる。これにより、欠陥が存在するにも拘わらずこれが見過ごされる検査ミスの発生を防止することができる。よって、被検査物の表面に存在する加工部が欠陥の有無の判別に与える影響を排除して正確な検査を実施することができる。

本発明の一形態において、前記欠陥判別手段は、前記基準画像に対応付けられた位置を参照して該基準画像と比較されるべき前記２次元画像上の範囲を前記軸線相当方向に関して当該２次元画像の一部の範囲に絞り込み、該絞り込まれた範囲内で前記基準画像と前記２次元画像との画素の濃度値を比較し、その比較結果に基づいて、前記基準画像に対応付けられた個数と同数の領域を前記欠陥判別の対象から除外されるべき領域として特定する除外領域特定手段（６０）を備えてもよい。この形態によれば、基準画像に対応付けられた位置を参照して絞り込まれた範囲内で基準画像と２次元画像との濃度値を比較しているので、２次元画像の全面と基準画像とを順次比較する場合よりも処理が高速化される。さらに、基準画像と対応付けられた個数を参照して、欠陥判別の対象から除外されるべき領域の数を決めているので、加工部の個数を超える数の領域が欠陥判別の対象から除外されるおそれを排除することができる。例えば、加工部に類似する欠陥が周方向に加工部と併存し、その欠陥の像が欠陥判別の対象から除外されたとしても、いずれかの加工部の像が欠陥判別の対象として残るようになり、その加工部の像が欠陥として代替的に判別されることにより、欠陥の有無に関しては結果として正しい判別が行われる。

さらに、前記除外領域特定手段は、前記絞り込まれた範囲内で前記２次元画像に対して前記基準画像を前記周相当方向に相対的に位置を順次変更しつつ前記基準画像と前記２次元画像上の前記基準画像と同形同大の検査対象画像との一致度を判別し、判別された一致度が所定の閾値を超える場合に前記検査対象画像の領域を前記欠陥判別の対象から除外されるべき領域として特定してもよい。この場合には、同形同大の基準画像と検査対象画像との間で一致度を判別しつつ、その検査対象画像の位置を軸線相当方向に変化させることにより、基準画像と対応付けられた位置に基づいて絞り込まれた２次元画像の一部の範囲内を高速かつ正確に検査して欠陥判別の対象から除外されるべき領域を特定することができる。前記一致度が前記基準画像と前記検査対象画像との正規化相関により演算されてもよい。これにより、画像同士の一致度の演算と閾値に基づく判別とを高速に処理することができる。

本発明の一形態において、前記基準画像は、前記２次元画像から単一の加工部の像を包含する必要最小限の矩形領域（２１１、２１２）を抽出して得られる画像に相当するものでもよい。これによれば、基準画像の大きさを必要最小限に抑えて、加工部の像の周囲を可能な限り欠陥判別の対象として扱うことができる。

なお、以上の説明では本発明の理解を容易にするために添付図面の参照符号を括弧書きにて付記したが、それにより本発明が図示の形態に限定されるものではない。

以上に説明したように、本発明の表面検査装置によれば、形状又は大きさが異なる加工部毎に別々の基準画像を保持することにより、各基準画像のデータ量を削減することができる。また、２次元画像上の軸線相当方向に関する加工部の像の位置を基準画像と対応付けて保持しているので、欠陥判別の対象から除外すべき領域を特定する際には、その基準画像に対応付けられた位置を参照することにより、加工部の像が存在し得る範囲、つまり基準画像と比較されるべき範囲を２次元画像の軸線相当方向に関する一部の範囲に絞り込み、基準画像のデータ量の削減と相俟って処理の高速化を図ることができる。さらに、同一の加工部の像が２次元画像の周相当方向に出現すべき個数を基準画像と対応付けて保持しているので、加工部を超える数の領域を欠陥判別の対象外とすべき領域として誤判定するおそれを排除することができる。これにより、被検査物の表面に存在する加工部が欠陥の有無の判別に与える影響を排除して正確な検査を実施することが可能となる。

図１は本発明の一形態に係る表面検査装置の概略構成を示している。表面検査装置１は被検査物１００に設けられた円筒形の内周面１００ａの検査に適した装置であり、検査を実行するための検査機構２と、その検査機構２の動作制御、検査機構２による測定結果の処理等を実行するための制御部３とを備えている。さらに、検査機構２は、被検査物１００に対して検査光を投光し、かつ被検査物１００からの反射光を受光するための検出手段としての検出ユニット５と、その検出ユニット５に所定の動作を与えるための駆動ユニット６とを備えている。

検出ユニット５は、検査光の光源としてのレーザダイオード（以下、ＬＤと呼ぶ。）１１と、被検査物１００からの反射光を受光し、その反射光の単位時間当りの光量（反射光強度）に応じた電流又は電圧の信号を出力するフォトディテクタ（以下、ＰＤと呼ぶ。）１２と、ＬＤ１１から射出される検査光を被検査物１００に向かって導く投光ファイバ１３と、被検査物１００からの反射光をＰＤ１２に導くための受光ファイバ１４と、それらのファイバ１３、１４を束ねた状態で保持する保持筒１５と、その保持筒１５の外側に同軸的に設けられる中空軸状の検査ヘッド１６とを備えている。検査ヘッド１６は不図示の軸受を介して回転自在に支持されている。

保持筒１５の先端には、投光ファイバ１３を介して導かれた検査光を検査ヘッド１６の軸線ＡＸの方向（以下、軸線方向と呼ぶ。）に沿ってビーム状に射出させ、かつ検査ヘッド１６の軸線方向に沿って検査光とは逆向きに進む反射光を受光ファイバ１４に集光するレンズ１７が設けられている。検査ヘッド１６の先端部（図１において右端部）には、光路変更手段としてのミラー１８が固定され、検査ヘッド１６の外周にはそのミラー１８と対向するようにして透光窓１６ａが設けられている。ミラー１８は、レンズ１７から射出された検査光の光路を透光窓１６ａに向けて変更し、かつ、透光窓１６ａから検査ヘッド１６内に入射した反射光の光路をレンズ１７に向かって進む方向に変更する。

駆動ユニット６は、直線駆動機構３０と、回転駆動機構４０と、焦点調節機構５０とを備えている。直線駆動機構３０は検査ヘッド１６をその軸線方向に移動させる直線駆動手段として設けられている。そのような機能を実現するため、直線駆動機構３０は、ベース３１と、そのベース３１に固定された一対のレール３２と、レール３２に沿って検査ヘッド１６の軸線方向に移動可能なスライダ３３と、そのスライダ３３の側方に検査ヘッド１６の軸線ＡＸと平行に配置された送りねじ３４と、その送りねじ３４を回転駆動する電動モータ３５とを備えている。スライダ３３は検出ユニット５の全体を支持する手段として機能する。すなわち、ＬＤ１１及びＰＤ１２はスライダ３３に固定され、検査ヘッド１６は回転駆動機構４０を介してスライダ３３に取り付けられ、保持筒１５は焦点調節機構５０を介してスライダ３３に取り付けられている。さらに、スライダ３３にはナット３６が固定され、そのナット３６には送りねじ３４がねじ込まれている。従って、電動モータ３５にて送りねじ３４を回転駆動することにより、スライダ３３がレール３２に沿って検査ヘッド１６の軸線方向に移動し、それに伴ってスライダ３３に支持された検出ユニット５の全体が検査ヘッド１６の軸線方向に移動する。直線駆動機構３０を用いた検出ユニット５の駆動により、被検査物１００の内周面１００ａに対する検査光の照射位置（走査位置）を検査ヘッド１６の軸線方向に関して変化させることができる。

ベース３１の前端（図１において右端）には壁部３１ａが設けられ、その壁部３１ａには検査ヘッド１６と同軸の通し孔３１ｂが設けられている。その通し孔３１ｂにはサンプルピース３７が取り付けられている。サンプルピース３７は表面検査装置１の動作状態を判別するためのサンプルとして設けられるものであり、その中心線上には検査ヘッド１６と同軸の貫通孔３７ａが設けられている。貫通孔３７ａは検査ヘッド１６が通過可能な内径を有しており、検査ヘッド１６はその貫通孔３７ａを通過して被検査物１００の内部へと繰り出される。

回転駆動機構４０は検査ヘッド１６を軸線ＡＸの回りに回転させる回転駆動手段として設けられている。そのような機能を実現するため、回転駆動機構４０は、回転駆動源としての電動モータ４１と、その電動モータ４１の回転を検査ヘッド１６に伝達する伝達機構４２とを備えている。伝達機構４２には、ベルト伝達装置、歯車列等の公知の回転伝達機構を利用してよいが、この形態ではベルト伝達装置が利用される。電動モータ４１の回転を伝達機構４２を介して検査ヘッド１６に伝達することにより、検査ヘッド１６がその内部に固定されたミラー１８を伴って軸線ＡＸの回りに回転する。回転駆動機構４０を用いた検査ヘッド１６の回転により、被検査物１００の内周面１００ａに対する検査光の照射位置を被検査物１００の周方向に関して変化させることができる。そして、検査ヘッド１６の軸線方向への移動と軸線ＡＸの回りの回転とを組み合わせることにより、被検査物１００の内周面１００ａをその全面に亘って検査光で走査することが可能となる。なお、検査ヘッド１６の回転時において、保持筒１５は回転しない。さらに、回転駆動機構４０には、検査ヘッド１６が所定の単位角度回転する毎にパルス信号を出力するロータリエンコーダ４３が設けられている。ロータリエンコーダ４３から出力されるパルス信号の個数は検査ヘッド１６の回転量（回転角度）に相関し、そのパルス信号の周期は検査ヘッド１６の回転速度に相関する。

焦点調節機構５０は、検査光が被検査物１００の内周面１００ａにて焦点を結ぶように保持筒１５を軸線ＡＸの方向に駆動する焦点調整手段として設けられている。その機能を実現するため、焦点調節機構５０は、保持筒１５の基端部に固定された支持板５１と、直線駆動機構３０のスライダ３３と支持板５１との間に配置されて支持板５１を検査ヘッド１６の軸線方向に案内するレール５２と、検査ヘッド１６の軸線ＡＸと平行に配置されて支持板５１にねじ込まれた送りねじ５３と、その送りねじ５３を回転駆動する電動モータ５４とを備えている。電動モータ５４にて送りねじ５３を回転駆動することにより、支持板５１がレール５２に沿って移動して保持筒１５が検査ヘッド１６の軸線方向に移動する。これにより、検査光が被検査物１００の内周面１００ａ上で焦点を結ぶようにレンズ１７からミラー１８を経て内周面１００ａに至る光路の長さを調節することができる。

次に制御部３について説明する。制御部３は、表面検査装置１による検査工程の管理、検出ユニット５の測定結果の処理等を実行するコンピュータユニットとしての演算処理部６０と、その演算処理部６０の指示に従って検出ユニット５の各部の動作を制御する動作制御部６１と、ＰＤ１２の出力信号に対して所定の処理を実行する信号処理部６２と、演算処理部６０に対してユーザが指示を入力するための入力部６３と、演算処理部６０が処理した検査結果等をユーザに提示するための出力部６４と、演算処理部６０にて実行すべきコンピュータプログラム、及び、測定されたデータ等を記憶する記憶部６５とを備えている。演算処理部６０、入力部６３、出力部６４及び記憶部６５はパーソナルコンピュータ等の汎用コンピュータ機器を利用してこれらを構成することができる。この場合、入力部６３にはキーボード、マウス等の入力機器が設けられ、出力部６４にはモニタ装置が設けられる。プリンタ等の出力機器が出力部６４に追加されてもよい。記憶部６５には、ハードディスク記憶装置、あるいは記憶保持が可能な半導体記憶素子等の記憶装置が用いられる。動作制御部６１及び信号処理部６２はハードウエア制御回路によって実現されてもよいし、コンピュータユニットによって実現されてもよい。

被検査物１００の内周面１００ａの表面を検査する場合、演算処理部６０、動作制御部６１及び信号処理部６２のそれぞれは次の通り動作する。なお、この場合、被検査物１００は検査ヘッド１６と同軸上に配置される。検査の開始にあたって、演算処理部６０は入力部６３からの指示に従って動作制御部６１に被検査物１００の内周面１００ａを検査するために必要な動作の開始を指示する。その指示を受けた動作制御部６１は、ＬＤ１１を所定の強度で発光させるとともに、検査ヘッド１６が軸線方向に移動し、かつ軸線ＡＸの回りに一定速度で回転するようにモータ３５及び４１の動作を制御する。さらに、動作制御部６１は、検査光が被検査面としての内周面１００ａ上で焦点を結ぶようにモータ５４の動作を制御する。このような動作制御により、内周面１００ａがその一端から他端まで検査光によって走査される。なお、検査ヘッド１６の軸線方向の駆動に関しては、一定速度の送り動作としてもよいし、検査ヘッド１６が一回転する毎に所定ピッチずつ移動する間欠的な送り動作としてもよい。

上述した内周面１００ａの走査に連係して信号処理部６２にはＰＤ１２の出力信号が順次導かれる。信号処理部６２は、ＰＤ１２の出力信号を演算処理部６０にて処理するために必要なアナログ信号処理を実施し、さらに、その処理後のアナログ信号を所定のビット数でＡ／Ｄ変換し、得られたデジタル信号を反射光信号として演算処理部６０に出力する。演算処理部６０にて実行する信号処理としては、ＰＤ１２が検出した反射光の明暗差を拡大するようにその出力信号を非線形に増幅する処理、出力信号からノイズ成分を除去する処理といった各種の処理を適宜に用いてよい。高速フーリエ変換処理、逆フーリエ変換処理等を適宜に組み合わせることも可能である。また、信号処理部６２によるＡ／Ｄ変換は、ロータリエンコーダ４３から出力されるパルス列をサンプリングクロック信号として利用して行われる。これにより、検査ヘッド１６が所定角度回転する間のＰＤ１２の受光量に相関した濃度値のデジタル信号が生成されて信号処理部６２から出力される。

信号処理部６２から反射光信号を受け取った演算処理部６０は、その取り込んだ信号を記憶部６５に記憶する。さらに、画像生成手段としての演算処理部６０は、記憶部６５が記憶する反射光信号を利用して被検査物１００の内周面１００ａを平面的に展開した２次元画像を生成する。すなわち、演算処理部６０は、図２に示すように被検査物１００の周方向に沿ってｘ軸を、軸線方向に沿ってｙ軸をそれぞれ設定し、内周面１００ａをｘ軸―ｙ軸からなる直交２軸座標系で定義される平面上に展開した２次元画像を生成する。２次元画像は例えば８ビットのグレースケール画像である。ｘ軸方向が２次元画像２００上の周相当方向であり、ｙ軸方向が２次元画像２００上の軸線相当方向である。

図２の被検査物１００の内周面１００ａには、地肌１００ｂよりも反射率が低い領域として、鋳巣等の欠陥１０１、１０２と、加工部としての加工穴１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０４とが存在している。地肌１００ｂは欠陥のない切削加工面である。加工穴１０３ａ〜１０３ｃは同形同大であり、かつｙ軸方向に関してそれらの加工穴１０３ａ〜１０３ｃの位置も互いに等しい。以下では、加工穴１０３ａ〜１０３ｃを区別する必要がないときは加工穴１０３と表記する。加工穴１０４は加工穴１０３と形状及び大きさが異なり、かつｙ軸方向に関しても加工穴１０３からずれている。

図２の内周面１００ａに対応して演算処理部６０が生成する２次元画像の一例を図３に示す。２次元画像２００は多数の画素２００ａをｘ軸方向及びｙ軸方向に並べて構成される。一つの画素２００ａが内周面１００ａ上で占める大きさは適宜でよいが、一例として一画素２００ａのｘ軸方向の幅は内周面１００ａ上で１５０μｍに相当し、ｙ軸方向の幅は内周面１００ａ上で５０μｍに相当する。２次元画像２００上には、欠陥１０１、１０２に対応する欠陥像２０１、２０２、及び加工穴１０３ａ〜１０３ｃ、１０４に対応する加工穴像２０３ａ〜２０３ｃ（参照符号２０３で代表することがある。）、２０４が出現する。それらの像の濃度値は、内周面１００ａの地肌１００ｂに対応する背景領域２０５よりも暗い（低い）。つまり、本形態では反射光量が大きいほど２次元画像２００内における画素２００ａの濃度値が高くなり、欠陥及び加工部は暗部として現れる。

演算処理部６０は、２次元画像２００を所定のアルゴリズムに従って処理することにより被検査物１００の内周面１００ａに欠陥が存在するか否かを判別し、その判別結果を出力部６４に出力する。この欠陥検出は、２次元画像２００の暗部に注目して欠陥像の有無を判別するものである。ところが、図３の２次元画像２００では、加工穴像２０３、２０４も欠陥像２０１、２０２と同様に暗部として出現するので、仮に被検査物１００に欠陥１０１、１０２がなかったとしても、加工穴像２０３、２０４が欠陥と判定され、被検査物１００が不良品と誤って判断されるおそれがある。このような誤判定を避けるため、演算処理部６０は、図５に示す欠陥検出処理を実行することにより、加工穴１０３、１０４のような加工部が欠陥検出に与える影響を排除する。この欠陥検出処理は、被検査物１００の内周面１００ａに存在することが予め判っている加工部の像を基準画像として用意し、その基準画像と２次元画像２００上に暗部として出現している像との一致度に基づいて加工部の像を検出し、検出された加工部の像を欠陥判別の対象から除外した上で、欠陥の有無を判別するものである。

図３の２次元画像２００を検査する場合、加工穴像２０３のみを抽出した基準画像、及び加工穴像２０４のみを抽出した基準画像がそれぞれ用意される。但し、ここでは、加工穴像２０３又は加工穴像２０４を包含する必要最小限の大きさの矩形領域２１１、２１２を２次元画像２００から抽出した像が基準画像として用意されるものとする。以下では、基準画像２１１、２１２と表記することがある。加工穴１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃは同形同大のため、これらに対応する基準画像２１１は共通、つまり一枚用意すればよい。基準画像２１１、２１２は、被検査物１００の内周面１００ａを実際に撮影して得られた２次元画像２００から基準画像２１１、２１２として使用する領域をユーザが指定することにより作成することができる。あるいは、被検査物１００の設計データと撮影条件とから加工穴２０３、２０４の像を演算して基準画像２１１、２１２を生成してもよい。なお、基準画像２１１、２１２は２次元画像２００と同一階調のグレースケール画像として作成される。

基準画像２１１、２１２は記憶部６５に予め記憶される。図４はその記憶部６５に記憶された基準画像２１１、２１２のデータ構造の一例を示す。基準画像２１１、２１２のデータはそれぞれの基準画像２１１、２１２に含まれる画素の濃度値を画素の並び順に従って記述した数値データである。それらのデータは、基準画像２１１、２１２に対応する加工穴像２０３、２０４のｙ軸方向の代表座標ｙ１、ｙ２、及びそれらの個数Ｎ１、Ｎ２と対応付けられた状態で記憶部６５に記憶される。代表座標ｙ１、ｙ２としては、例えば加工穴像２０３、２０４の重心点（又は中心点）のｙ座標が選ばれる。ｙ軸方向に関する座標の原点は、一例として、２次元画像２００の上端２００ｃ、つまり、図２における内周面１００ａの軸線方向のエッジ１００ｃに設定される。個数Ｎ１、Ｎ２は、代表座標ｙ１、ｙ２上のそれぞれに同形同大の加工穴１０３、１０４が幾つ存在しているかを示す値である。換言すれば、ｙ座標ｙ１、ｙ２で示される位置に、基準画像２１１、２１２に対応する加工穴像２０３、２０４のそれぞれが存在すべき個数である。図３の例では個数Ｎ１が３、個数Ｎ２が１である。

次に、図５の欠陥検出処理を説明する。演算処理部６０は、内周面１００ａの走査が終了すると、信号処理部６２から受け取った反射光信号に基づいて内周面１００ａの２次元画像２００を生成する。その２次元画像２００は演算処理部６０のＲＡＭ上に仮想的に生成されるグレースケール画像である。２次元画像２００の生成後、演算処理部６０は欠陥検出処理を開始し、まずステップＳ１で検査対象のｙ座標に関して初期値を設定する。この場合、基準画像２１１、２１２に対応付けられた代表座標ｙ１、ｙ２のうち、最も小さいｙ座標（この例ではｙ１）を初期値として設定すればよい。

次のステップＳ２にて、演算処理部６０は、加工穴の検出数を計数するためのカウンタの値に初期値０を設定する。続くステップＳ３にて、演算処理部６０は、検査対象のｙ座標に対応付けられている基準画像データ及び個数を記憶部６５から取得する。例えば、検査対象画素群のｙ座標がｙ１の場合、演算処理部６０は、基準画像２１１のデータ及び加工穴１０３ａ〜１０３ｃの個数Ｎ１（＝３）を取得する。

続くステップＳ４において、演算処理部６０は、基準画像と比較されるべき検査対象画像を２次元画像２００から選択する。例えば、図３の２次元画像２００において、ｙ座標ｙ１が検査対象として設定されている場合、検査対象画像２２０はそのｙ座標ｙ１上の基準画像２１１と同形同大でかつ基準画像２１１とｙ軸方向の位置が一致するように選択される。検査対象画像２２０のｘ軸方向の位置はステップＳ４が実行される毎に所定画素数ずつｘ軸方向に順次変更される。例えば、ｙ座標ｙ１に関して最初にステップＳ４が実行される場合には検査対象画像２２０が２次元画像２００の左端に接するように選択され、ステップＳ４が実行される毎に検査対象画像２２０の位置がｘ軸方向右側に順次変更される。この処理は、２次元画像２００上でｙ座標ｙ１を中心としてｙ軸方向に基準画像２１１と同一寸法の範囲内において、２次元画像２００の左端からｘ軸方向に基準画像２１１の位置を順次変更する処理に相当する。

次のステップＳ５にて、演算処理部６０は、検査対象画像と基準画像との一致度を正規化相関を用いて演算する。正規化相関では、比較されるべき画像間で濃度値が同じ傾向、つまり、類似であれば正の相関を示し、両者の濃度値が逆の傾向、つまり、非類似であれば負の相関を示す。正規化相関の相関式は、（Ａ×１００００）÷√（Ｂ×Ｃ）で表される。ここで、Ａは、検査対象画像と基準画像の相互相関を示し、Ａ＝Ｎ×Σ（Ｉ×Ｔ）−（ΣＩ）×（ΣＴ）で与えられる。Ｂは、検査対象画像の自己相関を示し、Ｂ＝Ｎ×Σ（Ｉ×Ｉ）−（ΣＩ）×（ΣＩ）で与えられる。Ｃは、基準画像の自己相関を示し、Ｃ＝Ｎ×Σ（Ｔ×Ｔ）−（ΣＴ）×（ΣＴ）で与えられる。相関式中、Ｎは基準画像の画素数、Ｉは検査対象画像の各画素の濃度値、Ｔは基準画像の各画素の濃度値をそれぞれ示す。

続くステップＳ６にて、演算処理部６０は、ステップＳ５で得られた正規化相関値が所定の閾値を超えたか否かを判断する。ここで使用される閾値には、正規化相関値が正の相関を示すと考えられる値を設定すればよい。閾値を超える場合、演算処理部６０は次のステップＳ７に進み、検査対象画像として抽出されている領域をマスク領域として識別し、そのマスク領域に含まれる画素群の２次元画像２００上の位置を記憶する。次のステップＳ８において、演算処理部６０は、上述したカウンタの値に１を加算してステップＳ９へ進む。一方、ステップＳ６で正規化相関値が閾値を超えていないと判断された場合、演算処理部６０はステップＳ７、Ｓ８をスキップしてステップＳ９へ進む。

次のステップＳ９において、演算処理部６０は、上述したカウンタの値（加工穴の検出数）が、ステップＳ３で取得した加工穴の個数（例えば座標ｙ１のときＮ１）に一致するか否かを判断する。カウンタの値が加工穴の個数に一致しない場合、演算処理部６０はステップＳ４に戻り、次の検査対象画像２２０と基準画像との一致度を演算する。ステップＳ９にてカウンタの値が加工穴の個数に一致している場合、演算処理部６０はステップＳ１１へ進む。

ステップＳ１１にて、演算処理部６０は、基準画像データに対応付けられた全てのｙ座標について検査が終了したか否か判断する。そして、未だ検査していないｙ座標がある場合、演算処理部６０はステップＳ１２にて次のｙ座標を選択してステップＳ２へ戻る。ステップＳ１１にて全てのｙ座標の検査が終了している場合、演算処理部６０は次のステップＳ１３へ進む。

ステップＳ１３において、演算処理部６０は、マスク領域として識別された領域を欠陥判別の対象から除外しつつ２次元画像２００内に欠陥像が存在するか否かを判別する。一例として、演算処理部６０は、２次元画像２００を、欠陥像２０１、２０２が暗部、背景画像２０５が明部として区分されるような閾値によって２値化し、得られた２値画像内の暗部の大きさ等を手掛かりとして欠陥の有無を判別する。２値化に際して、ステップＳ７でマスク領域として識別された画素の濃度値は全て背景領域２０５と同一の濃度値に変換される。これにより、得られた２値画像から加工穴像とみなされた画像が消去される。よって、加工穴像のみが内周面１００ａに存在している場合に、加工穴像が欠陥として誤って判別されるおそれがなくなる。内周面１００ａの全面に関して欠陥判別が終了すると、演算処理部６０は図５の欠陥検出処理を終了する。

以上の処理によれば、加工穴像２０３、２０４にそれぞれ対応する基準画像２１１、２１２を予め用意し、２次元画像２００内おいて基準画像２１１、２１２に一致するとみなし得る領域を加工穴像と推定してこれを欠陥判別の対象から除外しているので、加工穴の影響で欠陥のない良品が不良品と誤判定されるおそれがない。また、形状又は大きさが異なる加工穴像２０３、２０４毎に別々の基準画像を用意し、各基準画像を加工穴像の位置（ｙ座標）及び個数と対応付けて記憶し、各基準画像を代表するｙ座標上を基準とする限られた範囲内にて検査対象画像と基準画像との一致度を演算し、検査対象画像と基準画像とが一致する場合に検査対象画像の領域をマスク領域として識別しているので、２次元画像２００のｘ軸方向（被検査物１００の周方向に相当する。）に関して加工穴像２０３、２０４がどのような位置にあってもマスク領域を容易かつ高速に特定することができる。この点を以下に説明する。

被検査物１００の軸線方向に関しては、その内周面１００ａのエッジ１００ｃに対応する２次元画像２００のエッジ２００ｃを基準とすれば加工穴像２０３、２０４が存在するｙ座標を一義的に特定することができる。しかし、加工穴像２０３、２０４のｘ座標は被検査物１００の内周面１００ａの走査開始位置と加工穴１０３、１０４の位置との関係に応じて変化し、２次元画像２００上で加工穴像２０３、２０４のｘ軸方向の位置を特定するために使用し得る明確な基準がない。このため、２次元画像２００の全体に存在する加工穴像を一枚のマスク画像上に保持し、そのマスク画像を２次元画像２００に重ね合わせて加工穴像２０３、２０４をマスクしようとしても、加工穴像２０３、２０４の位置が変わればマスキング位置がずれ、加工穴像２０３、２０４が欠陥として検出される。これを防ぐためにマスク画像の位置をｘ軸方向に変化させて加工穴像２０３、２０４に合わせするにしても、内周面１００ａの全体に相当するサイズのマスク画像はデータ量が大きく、位置合わせの処理に長時間を要する。

これに対して、本形態では、形状又は大きさの少なくともいずれか一方が異なる加工穴像２０３、２０４毎に基準画像２１１、２１２を分けて用意しているので、基準画像２１１、２１２のサイズが小さくてそのデータ量も少ない。このため、ｙ座標ｙ１、ｙ２上で基準画像２１１、２１２を２次元画像２００に対して相対的に移動させても、その処理に要する時間は短くて足りる。しかも、基準画像２１１と検査画像２２０とを比較すべき範囲がｙ座標ｙ１を中心としてｙ軸方向に基準画像２１１と同一寸法の範囲に絞り込まれ、基準画像２１２と検査画像２２０とを比較すべき範囲がｙ座標ｙ２を中心としてｙ軸方向に基準画像２１２と同一寸法の範囲に絞り込まれるため、基準画像２１１、２１２のそれぞれを２次元画像２００の全面と比較する必要がない。これにより、欠陥検査の対象から除外すべき領域を特定するためのマスク処理を高速に実行することができる。

また、本形態では、各基準画像２１１、２１２に対応するｙ座標ｙ１、ｙ２上に存在すべき加工穴像２０３、２０４の個数Ｎ１、Ｎ２を予め把握し、その個数Ｎ１、Ｎ２に相当するだけマスク領域が識別された場合、同一のｙ座標上のマスク領域の検出を終了している（ステップＳ９→Ｓ１０）。このため、加工穴像２０３、２０４と同一のｙ座標上に、加工穴像と類似する欠陥像が存在しても欠陥の有無の判別に影響が及ばない。例えば、図２の２次元画像２００では、ｙ座標ｙ１上に、３つの加工穴像２０３ａ〜２０３ｃと、一つの欠陥像２０２とが存在している。基準画像２１１との対比において仮に欠陥像２０２がマスク領域として判別されたとしても、何れか一つの加工穴像２０３がマスク領域として判別されずに残るため、ステップＳ１３の欠陥検出でその加工穴像２０３が欠陥として検出される。これにより、欠陥の存在する被検査物が良品として誤判定されるおそれがなくなる。

以上の形態では、記憶部６５が基準画像保持手段に相当する。また、演算処理部６０が図５の処理を実行することにより欠陥判別手段として機能し、特には図５のステップＳ４〜Ｓ９の処理を実行することにより除外領域特定手段として機能する。

本発明は以上の形態に限定されることなく、種々の形態にて実施することができる。例えば、上記の処理では、マスク領域と識別された回数が基準画像と対応付けられた加工穴の個数に一致した時点でマスク領域の検出を終了しているが、マスク領域の検出数が加工穴の個数に一致した以降もｘ軸方向に沿って基準画像と検査対象画像との一致度の演算を続行し、基準画像に対応する個数を超えて加工穴像が検出された場合に、被検査物１００に欠陥が存在すると判定してもよい。さらに進んで、基準画像と対応付けられた個数を超えるマスク領域が存在している場合、正規化相関値に基づいて相関度が最も低いものを欠陥として特定してもよい。このように、基準画像と対応付けられた加工穴の個数は、マスク領域の識別のための情報のみならず、欠陥の有無を判別するための情報としても利用することが可能である。

上記の形態では、基準画像に対応付けられた加工穴の像の位置として中心のｙ座標を用いているが、これに限らず適宜の位置を加工穴の像の位置として定義してよい。

被検査物の表面の２次元画像を取得するための手段は、上記の形態に限らず適宜に変更可能である。また、本発明は被検査物の内周面を検査する例に限らず、円筒状の外周面を検査する場合でも適用可能である。さらに、加工部として加工穴が設けられた被検査物の検査に限らず、検査対象となる円筒状の表面に何らかの加工された部分を本発明に従って欠陥判別の対象から除外してよい。加工の概念も被検査物の素材に対して人為的に何らかの変質を与えるものを広く包含し、例えば印刷、着色、表面改質等の各種の処理も加工の概念に含み得る。

本発明の一形態に係る表面検査装置の概略構成を示す図。 被検査物を一部破断して示す斜視図。 図１の表面検査装置にて生成される被検査物の内周面の２次元画像の一例を示す図。 記憶部に記憶される基準画像のデータ構造を示す図。 図１の表面検査装置の演算処理部にて実行される欠陥検出処理を示すフローチャート。

符号の説明

１ 表面検査装置
５ 検出ユニット（検出手段）
６０ 演算処理部（欠陥判別手段、除外領域特定手段）
６５ 記憶部（基準画像保持手段）
１００ 被検査物
１００ａ 被検査物の内周面
１０１、１０２ 欠陥
１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０４ 加工穴（加工部）
２００ 内周面の２次元画像
２００ａ 画素
２０１、２０２ 欠陥像
２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ、２０４ 加工穴の像（加工部の像）
２１１、２１２ 基準画像
２２０ 検査対象画像

Claims (5)

1. 被検査物の円筒状の表面を平面的に展開した２次元画像を取得し、該２次元画像内の画素の濃度値に基づいて前記表面における欠陥の有無を判別する表面検査装置において、
   前記表面に存在する加工部に対応して前記２次元画像上に出現すべき加工部の像を、形状又は大きさの少なくともいずれか一方が異なる加工部毎に別々の基準画像として保持するとともに、前記表面の軸線方向に相当する軸線相当方向における前記加工部の像の位置、及び前記表面の周方向に相当する周相当方向に関して同一の加工部の像が存在すべき個数を前記基準画像と対応付けて保持する基準画像保持手段と、
   前記基準画像、並びに該基準画像に対応付けられた位置及び個数に基づいて、前記２次元画像上で欠陥判別の対象から除外されるべき領域を特定し、その特定された領域外における画素の濃度値に基づいて欠陥の有無を判別する欠陥判別手段と、
   を備えたことを特徴とする表面検査装置。
2. 前記欠陥判別手段は、前記基準画像に対応付けられた位置を参照して該基準画像と比較されるべき前記２次元画像上の範囲を前記軸線相当方向に関して当該２次元画像の一部の範囲に絞り込み、該絞り込まれた範囲内で前記基準画像と前記２次元画像との画素の濃度値を比較し、その比較結果に基づいて、前記基準画像に対応付けられた個数と同数の領域を前記欠陥判別の対象から除外されるべき領域として特定する除外領域特定手段を備えていることを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
3. 前記除外領域特定手段は、前記絞り込まれた範囲内で前記２次元画像に対して前記基準画像を前記周相当方向に相対的に位置を順次変更しつつ前記基準画像と前記２次元画像上の前記基準画像と同形同大の検査対象画像との一致度を判別し、判別された一致度が所定の閾値を超える場合に前記検査対象画像の領域を前記欠陥判別の対象から除外されるべき領域として特定することを特徴とする請求項２に記載の表面検査装置。
4. 前記一致度が前記基準画像と前記検査対象画像との正規化相関により演算されることを特徴とする請求項３に記載の表面検査装置。
5. 前記基準画像は、前記２次元画像から単一の加工部の像を包含する必要最小限の矩形領域を抽出して得られる画像に相当することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の表面検査装置。

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