JP2010223621A - 管状品の内表面検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】管状品の内表面検査を行うに際に、カメラおよび光源の設置スペースを最小限に抑えつつ、有害な凹凸欠陥と無害な模様を確実に判別し、凹凸欠陥のみを検出することができる内表面検査方法を提供する。
【解決手段】管状品の中心軸に対して傾斜した光学中心軸を有し、管状品の開口端から管状品の内表面の所定領域を撮像するカメラと、カメラの光学中心軸および管状品の中心軸を含む面を挟んで対称に配置され、開口端から所定領域を照明する一対の光源と、を用い、光源からの照明を順に切り替えて同一の所定領域をカメラにより撮像し、それぞれの画像の同一画素間で濃淡の差分を演算し、その濃淡差分の情報に基づいて、凹凸欠陥５、６により出現した影５ａ、５ｂ、６ａ、６ｂを認識し凹凸欠陥５、６を検出する。
【選択図】図５

Description

本発明は、管状品の内面を照明しながらカメラで撮像し、画像処理を行って凹凸欠陥を検出する管状品の内表面検査方法に関する。

鋼管などの管状品は、製造プロセスに起因して、その内表面に、割れや異物混入などにより凹凸が発生したり、スケールムラや汚れなどの模様が発生することがある。凹凸は品質上で有害な欠陥であり、模様は凹凸を伴わないことから無害である。このため、管状品は、品質保証の観点から、内表面の凹凸欠陥を検出する内表面検査が不可欠である。

従来、管状品の内表面検査の方法としては、一方の開口端や他方の開口端から内表面を照明しながら目視で観察する方法、または開口端から内視鏡を挿入して行う方法がある。内視鏡を用いた内表面検査方法は、前方視によるものと側方視によるものに大別される。

図１は、内視鏡を用いた前方視による内表面検査方法を説明するための模式図である。同図に示すように、内視鏡を用いた前方視による内表面検査方法では、光源１０２を搭載したカメラ１０１を管状品１０の内部に挿入し、光源１０２により照明された内表面１１の全周をカメラ１０１により撮像して検査する。

図２は、内視鏡を用いた側方視による内表面検査方法を説明するための模式図である。同図に示すように、内視鏡を用いた側方視による内表面検査方法では、光源１０２を搭載したカメラ１０１の前方に反射鏡１０３を設置し、これらを管状品１０の内部にその中心軸に沿って挿入し、反射鏡１０３を介して光源１０２により照明された内表面１１の一部の領域を、反射鏡１０３を介してカメラ１０１により撮像して検査する。このとき、カメラ１０１の光学中心軸を中心に反射鏡１０３を回転させることにより、管状品１０の内表面１１を全周にわたり検査することができる。

これらの従来の内表面検査方法では、以下の問題がある。目視観察による方法では、管状品の開口端から遠い奥側の内表面を検査するときに、観察位置から検査領域までの距離が長いため、凹凸欠陥および模様を視認するのが難しく、凹凸欠陥を見落としたり、模様を凹凸欠陥と誤認する可能性がある。

内視鏡を用いた方法では、前方視および側方視のいずれによる場合も、カメラで撮像した画像に立体感が生じ難いことから、凹凸欠陥と模様を判別するのが難しい。また、内視鏡を用いた方法では、カメラを管状品の内部に挿入する必要があり、その作業が著しく煩雑である。

これらのことから、内表面検査では、有害な凹凸欠陥と無害な模様を確実に判別し、凹凸欠陥のみを検出することが要求されるが、上記した従来の内表面検査方法は、その要求に十分応えることができない。

従来、凹凸欠陥と模様の判別を行う方法としては、以下の方法が提案されている。特許文献１には、チェーンなどのリンクプレートや連結ピンを検査対象とし、その外表面を検査する方法が開示されている。特許文献１に開示された検査方法は、正反射光による撮像で得られた画像から欠陥候補を抽出し、乱反射光による撮像で得られた画像での欠陥候補の有無により、凹凸欠陥か模様かの判別を行う方法である。

特許文献２には、薄鋼板や厚鋼板などを検査対象とし、その外表面を検査する方法が開示されている。特許文献２に開示された検査方法は、単一の光源により検査領域を照明しながら２つの方向から検査領域をほぼ垂直に撮像し、それぞれの画像の位置ズレを補正した後、両画像の同一画素間で差を取ることにより、凹凸欠陥か模様かの判別を行う方法である。

特開２００７−２７１５１０号公報 特開２００６−１７７８５２号公報

しかし、前記特許文献１に開示の検査方法を管状品の内表面検査に適用する場合、管状品の一方の開口端にカメラを設置し、他方の開口端に照明光の出射角度が異なる２つの光源を設置する必要がある。このため、管状品の両方の開口端の外部にカメラと光源を設置する十分なスペースが必要となり、この方法を実現する検査装置が大規模になる。

前記特許文献２に開示の検査方法を管状品の内表面検査に適用する場合、２つのカメラと光源を管状品の内部に設置する必要がある。このため、内径の小さい管状品には対応が困難である。また、凹凸欠陥と模様の判別処理には、２つのカメラで撮像したそれぞれの画像を差分して評価する前に、両画像の位置ズレを補正しなければならない。このため、画像処理が極めて複雑になる。特に、管状品の軸方向にわたり内表面検査を行う際に、画像処理が一層複雑になる。カメラ位置から撮像領域までの距離が変化するため、画像の位置ズレ補正に用いる変換量を変更しなければならないからである。

従って、管状品の内表面検査に、前記特許文献１、２に開示の検査方法を採用するのは、主にカメラおよび光源の設置スペースの制約から困難である。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、管状品の内表面検査を行うに際に、カメラおよび光源の設置に要するスペースを最小限に抑えつつ、有害な凹凸欠陥と無害な模様を確実に判別し、凹凸欠陥のみを検出することができる内表面検査方法を提供することを目的とする。

本発明者は、上記目的を達成するため、画像処理を用いて管状品の内表面を検査することを前提に鋭意検討を重ねた結果、カメラおよび光源の設置スペースを最小限に抑えつつ、凹凸欠陥と模様を確実に判別するには、管状品の一方の開口端の外部にカメラおよび一対の光源を集約して設置し、各光源からの照明でカメラによる撮像を行い、両画像を画像処理し、凹凸欠陥に起因して出現する影を評価するのが有効であることを知見した。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨は、下記の内表面検査方法にある。すなわち、管状品の内表面を検査する内表面検査方法であって、前記管状品の中心軸に対して傾斜した光学中心軸を有し、前記管状品の開口端から前記管状品の内表面の所定領域を撮像するカメラと、前記カメラの光学中心軸および前記管状品の中心軸を含む面を挟んで対称に配置され、前記開口端から前記所定領域を照明する一対の光源と、を用い、前記光源からの照明を順に切り替えて同一の前記所定領域を前記カメラにより撮像し、それぞれの画像の同一画素間で濃淡の差分を演算し、その濃淡差分の情報に基づいて、凹凸欠陥により出現した影を認識し凹凸欠陥を検出することを特徴とする内表面検査方法である。

この検査方法は、前記管状品の中心軸を中心に前記カメラおよび前記光源を相対的に回転させるとともに、前記管状品の中心軸に対する前記カメラおよび前記光源の傾斜角度を調整して、前記光源の切り替えを伴う前記カメラによる撮像を繰り返し行い、凹凸欠陥を検出する構成にすることができる。

また、上記の検査方法は、影と認識された画素に隣接する画素の元画像での濃淡に基づいて、凸欠陥と凹欠陥を判別する構成にすることができる。この検査方法の場合、影と認識された画素の分布域に基づいて、欠陥の大きさを算出する構成にすることができる。

本発明の管状品の内表面検査方法によれば、各光源からの照明でカメラによる撮像を行い、両画像を画像処理し、凹凸欠陥に起因して出現する影を評価することにより、凹凸欠陥と模様を確実に判別し、凹凸欠陥のみを検出することができる。しかも、管状品の一方の開口端の外部にカメラおよび一対の光源を集約して設置するため、カメラおよび光源の設置スペースを最小限に抑えることができる。

内視鏡を用いた前方視による内表面検査方法を説明するための模式図である。 内視鏡を用いた側方視による内表面検査方法を説明するための模式図である。 本発明の内表面検査方法を適用できる検査装置の構成を模式的に示す図であり、同図（ａ）は上面図、同図（ｂ）は側面図、同図（ｃ）は同図（ａ）のＳ矢視図、同図（ｄ）は同図（ｃ）のＴ−Ｔ断面図をそれぞれ示す。 本発明の内表面検査方法を説明するための模式図であり、同図（ａ）は右側光源の照明による撮像状態を、同図（ｂ）は左側光源の照明による撮像状態をそれぞれ示し、同図（ｃ）は同図（ａ）での画像の一例を、同図（ｄ）は同図（ｂ）での画像の一例をそれぞれ示す。 本発明の内表面検査方法における画像処理の内容を説明するため、それぞれの画像を凸欠陥、凹欠陥および模様に区分してまとめた図である。 本発明の内表面検査方法で採用する画像処理において、凸欠陥の大きさを算出する手法を説明するための模式図である。

上記の通り、本発明の管状品の内表面検査方法は、管状品の中心軸に対して傾斜した光学中心軸を有し、前記管状品の開口端から前記管状品の内表面の所定領域を撮像するカメラと、前記カメラの光学中心軸および前記管状品の中心軸を含む面を挟んで対称に配置され、前記開口端から前記所定領域を照明する一対の光源と、を用い、前記光源からの照明を順に切り替えて同一の前記所定領域を前記カメラにより撮像し、それぞれの画像の同一画素間で濃淡の差分を演算し、その濃淡差分の情報に基づいて、凹凸欠陥により出現した影を認識し凹凸欠陥を検出する内表面検査方法である。以下に、本発明の内表面検査方法、およびその検査方法を適用できる検査装置を詳述する。

１．検査装置
図３は、本発明の内表面検査方法を適用できる検査装置の構成を模式的に示す図であり、同図（ａ）は上面図、同図（ｂ）は側面図、同図（ｃ）は同図（ａ）のＳ矢視図、同図（ｄ）は同図（ｃ）のＴ−Ｔ断面図をそれぞれ示す。なお、同図（ａ）および（ｂ）において、検査対象である管状品１０は、便宜上、断面図で示している。

図３（ａ）〜（ｄ）に示すように、本発明の内表面検査方法を適用できる検査装置は、１つのカメラ１と、一対の光源２Ａ、２Ｂとを備える。カメラ１および光源２Ａ、２Ｂは、管状品１０の一方の開口端の外部に集約して設置される。

カメラ１は、図３（ｂ）に示すように、管状品１０の中心軸ＣＬに対して角度θで下向きに傾斜した光学中心軸ＣＣＬを有する。カメラ１は、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、管状品１０の内表面１１のうち、光源２Ａまたは光源２Ｂにより照明された検査領域１１ａを撮像する。

光源２Ａ、２Ｂは、図３（ａ）に示すように、カメラ１の光学中心軸ＣＣＬおよび管状品１０の中心軸ＣＬを含む面を挟んで対称に配置される。具体的には、光源２Ａ、２Ｂは、各々から出射される照明光の光中心軸ＬＣＬが、図３（ｂ）に示すように、側面視において、管状品１０の中心軸ＣＬに対して角度αで下向きに傾斜するとともに、図３（ｄ）に示すように、カメラ１の光学中心軸ＣＣＬに対して角度γで内向きに傾斜している。

さらに、図３（ａ）、（ｂ）および（ｄ）に示すように、光源２Ａ、２Ｂの前面（出光口）の中心位置とカメラ１の前面（受光口）の中心位置は、管状品１０の軸方向で互いに一致し、光源２Ａ、２Ｂの各光中心軸ＬＣＬは、カメラ１の光学中心軸ＣＣＬと検査領域１１ａとの交点Ｐで交差する。光源２Ａ、２Ｂは、個々に消灯／点灯が可能であり、切り替えにより管状品内表面１１の検査領域１１ａを個別に照明する。

内表面検査に際しては、カメラ１の右側に配置された一方の光源２Ａ（以下、「右側光源」ともいう）と、左側に配置された他方の光源２Ｂ（以下、「左側光源」ともいう）を順に切り替え、それぞれの光源２Ａ、２Ｂで照明された同一の検査領域１１ａを個別にカメラ１により撮像する。それぞれの撮像で得られた画像について後述する画像処理を行い、これにより当該検査領域１１ａの検査を行うことができる。

また、カメラ１は、前記交点Ｐを支点として傾斜角度θの調整が可能に構成されるのが望ましいが、簡易的にカメラ１の前面の中心位置を支点として傾斜角度θの調整が可能に構成してもよい。一方、光源２Ａ、２Ｂは、カメラ１の傾斜角度θの調整に連動し、下記（１）式を満足する条件で傾斜角度γの調整が可能に構成される。

γ＝ｔａｎ^-1（（Ａ×ｃｏｓθ）／Ｌ） ・・・（１）
同式中、Ａは、図３（ｄ）に示すように、光源２Ａ、２Ｂの前面の中心位置とカメラ１の光学中心軸ＣＣＬとの距離であり、一定とする。Ｌは、図３（ｂ）に示すように、管状品１０の軸方向におけるカメラ１の前面の中心位置と前記交点Ｐとの距離である。

カメラ１の傾斜角度θおよび光源２Ａ、２Ｂの傾斜角度γを調整することにより、検査領域１１ａを管状品１０の軸方向に順次移動させることができる。その都度、光源２Ａ、２Ｂの切り替えを伴うカメラ１による撮像を繰り返し行い、画像処理を実行すれば、軸方向にわたり内表面検査を行うことが可能になる。

このとき、カメラ１は、傾斜角度θの調整に連動するズーム機能を備えるのが好ましい。検査領域１１ａが管状品１０の軸方向に移動するのに伴い、カメラ１の視野が変動するからである。

さらに、光源２Ａ、２Ｂは、傾斜角度γの調整に連動する照度調整機能を備えるのが好ましい。検査領域１１ａが管状品１０の軸方向に移動するのに伴い、検査領域１１ａへの照度が変動し、カメラ１で取得する画像の輝度が変動するからである。画像の輝度を調整するために、光源２Ａ、２Ｂの照度調整機能に代えて、カメラ１に絞り調整機能を備えても構わない。

また、本発明では、管状品１０は、その中心軸ＣＬを中心に回転可能に構成される。管状品１０を回転させることにより、検査領域１１ａを管状品１０の周方向に順次移動させることができる。その都度、光源２Ａ、２Ｂの切り替えを伴うカメラ１による撮像を繰り返し行い、画像処理を実行すれば、全周にわたり内表面検査を行うことが可能になる。全周にわたり内表面検査を行うために、管状品１０の回転に代えて、カメラ１および光源２Ａ、２Ｂを一体で管状品１０の中心軸ＣＬを中心に回転させる構成にすることもできる。

２．検査方法
図４は、本発明の内表面検査方法を説明するための模式図であり、同図（ａ）は右側光源の照明による撮像状態を、同図（ｂ）は左側光源の照明による撮像状態をそれぞれ示し、同図（ｃ）は同図（ａ）での画像の一例を、同図（ｄ）は同図（ｂ）での画像の一例をそれぞれ示す。同図（ａ）〜（ｄ）では、検査領域に凸欠陥と模様が存在する場合を例示する。

図４（ａ）に示すように、右側光源２Ａのみにより検査領域を照明し、カメラ１でその検査領域を撮像する。このとき、検査領域には、凸欠陥５の左側から奥側に延びる影５ａが出現する。この場合、カメラ１の画像には、図４（ｃ）に示すように、凸欠陥５と、その凸欠陥５の左側に出現した影５ａと、模様７とが現れる。

次に、図４（ｂ）に示すように、光源を切り替えて左側光源２Ｂのみにより同じ検査領域を照明し、カメラ１でその検査領域を撮像する。このとき、検査領域には、右側光源２Ａの照明による場合とは反対に、凸欠陥５の右側から奥側に延びる影５ｂが出現する。この場合、カメラ１の画像には、図４（ｄ）に示すように、凸欠陥５と、その凸欠陥５の右側に出現した影５ｂと、模様７とが現れる。

そして、右側光源２Ａおよび左側光源２Ｂの照明でそれぞれ得られた２つの画像に対し、下記図５を用いて説明する画像処理を行い、欠陥を検出する。

図５は、本発明の内表面検査方法における画像処理の内容を説明するため、それぞれの画像を凸欠陥、凹欠陥および模様に区分してまとめた図である。同図では、上段から順に、凸欠陥、凹欠陥および模様の各画像を示し、左欄から順に、右側光源による画像、左側光源による画像、およびそれらの両画像の差分画像を示す。

右側光源および左側光源の照明でそれぞれ得られた２つの画像について、各画素の輝度情報を基に、同一位置の画素間で濃淡の差分を順次演算する。このとき、２つの画像は、同一のカメラを用い照明のみを切り替えて撮像したものであるため、両画像に位置ズレは生じることなく、前記特許文献２の画像処理で必須となる複雑な補正処理は一切不要である。演算により得られた各画素の濃淡差分の絶対値を画像として表すと、図５の右欄に示す画像となる。

凸欠陥５の場合、図５の上段に示すように、凸欠陥５に起因して出現する影５ａ、５ｂの部分の画素は、右側照明の画像と左側照明の画像とで濃淡が大きく相違することから、濃淡差分の絶対値が高く、濃くなる。影５ａ、５ｂの間に存在する凸欠陥５そのものの部分の画素は、右側照明の画像と左側照明の画像とで同等に薄いことから、濃淡差分の絶対値が低く、薄くなる。

このため、濃淡差分の閾値を設定することにより、閾値を超える部分は影５ａ、５ｂと認識することができ、影５ａ、５ｂを出現させる凸欠陥５を検出することが可能になる。このとき、差分画像における影５ａ、５ｂの部分に隣接する画素、すなわち影５ａ、５ｂの間の手前側に存在する画素（図５中の符号「５ｃ」で示す部分）について、元画像における濃淡が薄ければ、その欠陥が凸欠陥であると確実に判定することができる。

凹欠陥６の場合、図５の中段に示すように、右側照明により凹欠陥６の内部の手前側から右側にわたり影６ａが出現し、左側照明により凹欠陥６の内部の手前側から左側にわたり影６ｂが出現する。

凹欠陥６に起因して出現する影６ａ、６ｂの部分の画素は、手前側の部分を除き、右側照明の画像と左側照明の画像とで濃淡が大きく相違することから、濃淡差分の絶対値が高く、濃くなる。その影６ａ、６ｂの手前側部分６ｃの画素は、右側照明の画像と左側照明の画像とで同等に濃いことから、濃淡差分の絶対値が低く、薄くなる。凹欠陥６の内部で影６ａ、６ｂの存在しない部分の画素は、右側照明の画像と左側照明の画像とで同等に薄いことから、濃淡差分の絶対値が低く、薄くなる。

このため、閾値を超える部分は影６ａ、６ｂと認識することができ、影６ａ、６ｂを出現させる凹欠陥６を検出することが可能になる。このとき、差分画像における影６ａ、６ｂの部分に隣接する画素、すなわち元画像で影６ａ、６ｂの下部に存在する画素（図５中の符号「６ｃ」で示す部分）について、元画像における濃淡が濃ければ、その欠陥が凹欠陥であると確実に判定することができる。

模様７の場合、図５の下段に示すように、影は出現しない。模様７の部分の画素は、右側照明の画像と左側照明の画像とで濃淡が同等であることから、濃淡差分の絶対値が低く、閾値を超えない。このため、模様７は欠陥と判定されない。

このように、本発明の内表面検査方法では、各光源からの照明でカメラによる撮像を行い、両画像を画像処理し、凹凸欠陥に起因して出現する影を評価することにより、凹凸欠陥と模様を確実に判別することができる。

また、管状品の一方の開口端の外部にカメラおよび一対の光源を集約して設置するため、カメラおよび光源の設置スペースを最小限に抑えることができる。

図６は、本発明の内表面検査方法で採用する画像処理において、凸欠陥の大きさを算出する手法を説明するための模式図である。例えば、凸欠陥５の高さｈは、下記（２）式により簡易的に算出することができる。

ｈ＝ｌ／ｔａｎα ・・・（２）
同式中、ｌは、凸欠陥５に起因する影５ａ、５ｂの実長さであり、下記（３）式により求まる。αは、前記図３（ｂ）に示すように、側面視における光源２Ａ、２Ｂの光中心軸ＬＣＬの傾斜角度である。

ｌ＝（（Ｘ／２）²＋（Ｙ／ｓｉｎθ）²）^1/2 ・・・（３）
同式中、Ｘは、図６に示すように、差分画像で影５ａ、５ｂの画素が分布する全域の横方向長さであり、Ｙは、差分画像で影５ａ、５ｂが分布する全域の縦方向長さである。ここでいう横方向長さとは、管状品の周方向に対応する長さを意味し、縦方向長さとは、その軸方向に対応する長さを意味する。θは、前記図３（ｂ）に示すように、カメラ１の光学中心軸ＣＣＬの傾斜角度である。

上記（２）式および（３）式により、凸欠陥５の高さｈを簡易的に求めることができ、当該凸欠陥５の大きさを算出することができる。

以上説明した画像処理は、カメラ１に接続したコンピュータで実行される。

その他、本発明は、上記の実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の変更が可能である。例えば、カメラの高さ位置は、管状品の内表面が臨める範囲内であれば限定はない。ただし、管状品の奥側まで精度よく検査するには、カメラの光学中心軸の傾斜角度を大きく確保するのが有効であり、このため、カメラの高さ位置は、管状品の中心軸よりも高い位置に設定するのが好ましい。

また、管状品の開口端近傍の内表面を検査する際、開口端面で照明が反射することに起因して、検査領域の画像に濃淡差が生じなくなるおそれがある。これを回避するため、管状品の開口端にラッパ状のカバーを装着して検査を行うことができる。

本発明の管状品の内表面検査方法によれば、各光源からの照明でカメラによる撮像を行い、両画像を画像処理し、凹凸欠陥に起因して出現する影を評価することにより、凹凸欠陥と模様を確実に判別し、凹凸欠陥のみを検出することができる。しかも、管状品の一方の開口端の外部にカメラおよび一対の光源を集約して設置するため、カメラおよび光源の設置スペースを最小限に抑えることができる。

１：カメラ、 ２Ａ、２Ｂ：光源、
５：凸欠陥、 ５ａ、５ｂ：凸欠陥の影、 ５ｃ：凸欠陥の手前側部、
６：凹欠陥、 ６ａ、６ｂ：凹欠陥の影、 ６ｃ：凹欠陥の影の手前側部、
７：模様、 １０：管状品、 １１：内表面、 １１ａ：検査領域、
ＣＬ：管状品の中心軸、 ＣＣＬ：カメラの光学中心軸、
ＬＣＬ：光源の光中心軸

Claims (4)

1. 管状品の内表面を検査する内表面検査方法であって、
   前記管状品の中心軸に対して傾斜した光学中心軸を有し、前記管状品の開口端から前記管状品の内表面の所定領域を撮像するカメラと、
   前記カメラの光学中心軸および前記管状品の中心軸を含む面を挟んで対称に配置され、前記開口端から前記所定領域を照明する一対の光源と、を用い、
   前記光源からの照明を順に切り替えて同一の前記所定領域を前記カメラにより撮像し、それぞれの画像の同一画素間で濃淡の差分を演算し、その濃淡差分の情報に基づいて、凹凸欠陥により出現した影を認識し凹凸欠陥を検出することを特徴とする内表面検査方法。
2. 前記管状品の中心軸を中心に前記カメラおよび前記光源を相対的に回転させるとともに、前記管状品の中心軸に対する前記カメラおよび前記光源の傾斜角度を調整して、前記光源の切り替えを伴う前記カメラによる撮像を繰り返し行い、凹凸欠陥を検出することを特徴とする請求項１に記載の内表面検査方法。
3. 影と認識された画素に隣接する画素の元画像での濃淡に基づいて、凸欠陥と凹欠陥を判別することを特徴とする請求項１または２に記載の内表面検査方法。
4. 影と認識された画素の分布域に基づいて、欠陥の大きさを算出することを特徴とする請求項３に記載の内表面検査方法。

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