JP6164804B2 - 表面形状測定装置及び方法 - Google Patents
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Description
このような表面形状の違いは、麺類の固さを左右する吸水挙動を変化させるとともにソース等の絡み具合にも影響を及ぼす。麺類の表面のクラック等は、品質及び外観上好ましくない場合もある。このため、麺類の表面がどのような形状を有しているのか詳細に把握することが必要とされる。
このうどんやパスタのような麺類等の加工食品や樹脂成型物といった非金属試料のように、柔らかな表面を有する被検物の表面形状は、硬い被検物の測定を行う従来の触針式表面形状測定法では、ダイヤモンド製蝕針によって被検物表面をなぞるため、被検物が削れてしまい、適切に測定ができない。
このため、上述の加工食品等の柔らかな表面を有する被検物の表面形状は、一般的に、光干渉式表面形状測定法や、特許文献1に開示されるような共焦点レーザ顕微鏡を用いて測定されている。このような共焦点レーザ顕微鏡は、被検物にレーザ光を照射し、被検物により反射された光を検出することで表面画像を取得するため、やわらかな麺類の表面を触針でなぞることなく測定を行うことができる。また、この顕微鏡は、レーザ光のスポット径が非常に小さいため、麺類の表面の微細な凹凸であっても、高精度の測定が行うことができる。
また、特許文献3には、研磨加工された金属部品の加工表面自体の粗さの測定ではないが、加工表面の状態を反映する反映面、即ち加工表面の凹凸を再現した表面を持つレプリカに対し、反映面の背面から略垂直に光を照射し、透過した透過光をマイクロスコープの受光面で受光し、受光面において所定の値以上の強度を持った透過光が広がった範囲を特定し、特定された範囲に基づいて加工表面の粗さを判定する技術が開示されている。
また、特許文献5には、緑色の第1波長域の光にてウェーファ等の食品の表面を照明してカラーカメラ等の撮像装置で食品表面の反射光像(G画像)を得、得られたG画像から焦げにより黒色や茶褐色に変色した製造欠陥である黒点を検出し、赤色の第2波長域の光を食品の裏面側から照明してその透過光像(R画像)を得、得られたR画像から上記黒点及び欠けた小片の混入による製造欠陥である2重部分を検出し、更に、自然環境下の可視光像、特に青色の第3波長域のB画像を得、得られたB画像から食品内の孔やその周辺部の欠け等の製造欠陥を検出する技術が開示されている。
即ち、特許文献1に開示の技術は、麺類の表面の微細な凹凸であっても、高精度の測定が行うことができるものであるが、用いられるレーザ顕微鏡が、非常に高価である上に、測定操作が複雑で測定に時間がかかるという問題がある。
また、特許文献2に開示の技術では、面ぎら値の大小に応じた被検物の表面の凹凸の存在を把握することはできるが、面ぎら値で評価しているのは防眩性能であるため、被検物の表面の凹凸形状や凹凸分布などについて高精度に測定することができないという問題がある。
また、特許文献3に開示の技術では、マイクロスコープの受光面における閾値以上の強度の透過光の広がり範囲に基づいて加工表面の粗さを判定するので、微細な表面粗さを測定できても、被検物の表面の凹凸形状や凹凸分布などについて高精度に測定することができないという問題がある。
更に、特許文献5に開示の技術では、G画像で食品表面の黒点、R画像で内部の2重部分、B画像で食品内の孔やその周辺部の欠けの食品形状等の製造欠陥を検出することができるが、B画像で検出しているのは、食品内の孔やその周辺部の欠け等の食品自体の形状であるため、被検物の表面の凹凸形状や凹凸分布などについて高精度に測定することができないという問題がある。
上述したように、特許文献2〜5に開示の技術は、簡易な測定技術ではあるが、特許文献1に開示の技術と同等に高精度な測定結果を得ることができないという問題がある。
特に、本発明の課題は、特許文献1に開示の技術のように、上述した共焦点レーザ顕微鏡を用いた表面形状測定法と同等に高精度な測定結果を、より簡便かつ迅速に得ることができる表面形状測定装置及び方法を提供することにある。
また、被検物は、麺類であることが好ましい。
また、上記第1の態様では、光源部は、照明光として被検物に白色光を照射し、表面形状解析部は、撮像部で取得された被検物のカラー画像のRGBのうち少なくとも1つの色に対する濃度ヒストグラムを作成することがより好ましい。
また、上記第2の態様では、照明光は白色光であり、表面形状を解析するステップは、取得された被検物の画像をRGB分解すると共にRGBのうち少なくとも1つの色に対する濃度ヒストグラムを作成するのが好ましい。
また、本発明によれば、作成される濃度ヒストグラムの形状は、共焦点レーザ顕微鏡による測定から取得されたグラフの形状と非常に高い相関関係があるため、共焦点レーザ顕微鏡を用いた従来技術の表面形状測定法と同等の測定結果を、より簡便かつ迅速に得ることができる。
図1に、本発明の実施の形態に係る表面形状測定装置の一構成例を示す。
同図に示す本実施形態の表面形状測定装置10は、被検物としてパスタ等の麺類からなる円筒状試料Sに対向して配置された光源部12と、試料Sを間に挟むように光源部12に対向して配置された撮像部14と、撮像部14に接続された表面形状解析部16とを有する。
画像解析部18は、撮像部14により取得された試料Sのカラー画像の異なる全ての色(波長域)、例えばRGBデジタル画像データを撮像部14から受信し、全色(RGB)うちの少なくとも1つの色に対して、各色毎のデジタル画像データを用いて各色毎の濃度ヒストグラムを作成する。本実施形態では、RGBうちのB(青色)の濃度ヒストグラムを作成するのが好ましい。なお、以下の説明では、試料Sのカラー画像のRGBの3原色の内のB(青色)の濃度ヒストグラムを代表例として説明するが、これに限定されないことは言うまでもない。
ところで、本発明者らは、上述のように、撮像部14により取得された試料Sのカラー画像の少なくとも1つの色に対する、画像解析部18で作成された濃度ヒストグラム(図2(A)及び(B)参照)と、特許文献1に開示されているような共焦点レーザ走査型顕微鏡を用いた測定法(以下、レーザ顕微鏡法(LSM(Laser Scanning Microscopy)という)を用いて求められた試料Sの表面の凹凸形状の最大谷深さ基準高さのヒストグラム(図3(A)参照)とが、高い相関性を持つことを知見したことから本発明に至ったものである。
その後、上述のようにして求められた所定の又は未知の試料Sの濃度ヒストグラムに基づいて、予め校正用として求められている複数の最大谷深さ基準高さのヒストグラムの中から、その濃度ヒストグラムに相関する(と相関性が高い)最大谷深さ基準高さのヒストグラムを求め、所定の試料Sの最大谷深さ基準高さのヒストグラムを定めることができ、所定の試料Sを特定することができる。その結果、所定の試料Sが、例えば、どの材質のダイスで製造された試料であるかを特定することもできる。
このため、基準評価値(基準試料の評価値)として、例えば、同一の試料の濃度ヒストグラムと相関するLSM法によって作成された最大谷深さ基準高さのヒストグラムから演算される評価値を用いることもできる。なお、これらの基準評価値は、判定部20のメモリ(図示せず)等に格納しておいても良いし、判定部20の外部のメモリ(図示せず)等に格納しておいても良い。
図1に示した表面形状測定装置の動作について説明することにより、本発明装置の作用及び本発明法を説明する。
ここでは、図1の表面形状測定装置10を用いて、予め表面形状が既知である基準の試料Sとして、異なる材質の5種類のダイス、例えば、テフロン(登録商標)、ポリプロピレン、ポリカーボネート、アルミニウム及びブロンズ製のダイスを用いて製造された試料S0、S1、S2、S3及びS4に対して、それぞれ、濃度ヒストグラムを作成する。その後、試料S0〜S4に対して、作成された濃度ヒストグラムから、それぞれ、平均値MEN、コントラスト値CNT、分散値VAR、エネルギー値EGY、エントロピ値EPY、歪度SKEW及び尖度KURTのそれぞれの評価値の演算を行う。
本実施形態の表面形状測定装置10では、光源部12として1000cd/m2の薄型LEDライトボード(株式会社ネオテックスマテリアル社製)を用い、撮像部14としてデジタルカメラ(Canon EOS 40)を使用する。
そして、光源部12からの照明光に対する試料S0の透過光を捉えることにより撮像部14として用いられるデジタルカメラで試料S0の24ビットカラー画像を取得する。なお、試料S1〜S4についても、同様にして24ビットカラー画像を取得する。ここで、カラー画像は、RGBの3原色カラー画像で、各色8ビットデジタル画像データからなる24ビットのカラー画像である。このカラー画像取得の際の撮影範囲は、約1.5mm×20mmとし、その分解能は1画素(ピクセル)当たり4μmとしているが、特に限定されるものではない。例えば、分解能は、1画素(ピクセル)当たり0.7μm〜4μmとしても良い。
このようにして作成された試料S0〜S4の青(B)色に対する濃度ヒストグラムを図2(A)に示す。横軸は濃度(輝度値)、縦軸は頻度をそれぞれ表している。ここで、図2(A)に示す濃度ヒストグラムの横軸(輝度値)を反転させた濃度ヒストグラムを図2(B)に示す。
なお、本発明において、パスタ等の麺類の試料では、濃度ヒストグラムは、青(B)色の画像、即ちデジタル画像データを用いて作成するのが好ましい。その理由は、波長が短く精度がよいこと、及びパスタ等の麺類の試料の色は、黄色から橙色であり、その補色が青紫から青であるからである。したがって、RGBのいずれの色の濃度ヒストグラムを作成するのかは、対象とする試料Sの色に応じて適切なものを選択すれば良い。
試料S0〜S4の表面の所定領域、例えば、約500μm(0.5mm)×約700μm(0,7mm)の範囲に対して、LSM法による表面形状の凹凸の測定を行い、図3(B)に示すように、測定された凹凸の最大谷深さDを基準とする凹凸のピーク高さ(μm)を測定して、最大谷深さ基準の高さの頻度を求め、そのヒストグラムを作成する。
このようにして作成された各試料S0〜S4の最大谷深さ基準の高さのヒストグラム(以下、単に、高さヒストグラムという)が図3(A)に示される測定結果である。図3(A)の高さヒストグラムにおいて、横軸は最大谷深さ基準の高さ(μm)、縦軸は頻度を表している。
そこで、予め、既知の多くの試料の濃度ヒストグラムに対して高い相関性のある高さヒストグラムを校正用の基準ヒストグラムとして、判定部20の内部又は外部のメモリ等に格納させておく。更に、既知の多くの試料の濃度ヒストグラムの各濃度値に対して、高い相関性のある高さヒストグラムの高さの値を校正値として、判定部20の内部又は外部のメモリ等に格納させておく。
こうして、本発明においては、図2(A)に示すような各濃度ヒストグラムを作成することで、共焦点レーザ顕微鏡を用いたLSM法と同程度に高精度な測定を行うことができる。
なお、これらの評価値に関しては、上述のように、試料Sの表面形状が粗くなるほど、濃度レベルのピーク値が低下したヒストグラムになるので、平均値MEN、コントラスト値CNT及びエネルギー値EGYが減少する一方、分散値VAR、エントロピ値EPY、歪度SKEW及び尖度KURTは増加する傾向となる。
一方、上記式(1)は、図3(A)に示す試料S0〜S4の表面粗さの最大谷深さ基準の高さのヒストグラムに関しても、LSM法で得られた試料Sの表面粗さを高さとして、レベル0(1μm)〜レベルL−1((Lμm)のLレベル、例えば、128レベル(L=128、7ビット)に正規化した時に、表面粗さとして現れる高さのレベルi(=0〜L−1)の頻度をP(i)とすることにより、同様に適用することができ、LSM法で得られた試料Sの最大谷深さ基準の高さのヒストグラムから、上記式(1)に基づいて、従来のLSM法による試料Sの最大谷深さ基準の高さの平均値MEN、コントラスト値CNT、分散値VAR、エネルギー値EGY、エントロピ値EPY、歪度SKEW及び尖度KURTを同様にして算出することができる。
これらの図4(A)、図4(B)、図5(A)、図5(B)、図6(A)及び図6(B)から明らかなように、コントラスト値、分散値、エネルギ値、エントロピ値、歪度及び尖度のいずれの評価値においても、本発明法による試料Sのカラー画像の(B)濃度と、従来のLSM法による試料Sの最大谷深さ基準の高さとは、即ち、本発明法と従来のLSM法とは、高い相関性を持つことが分かる。
また、図4(B)に示す分散値の相関関係、図5(A)に示すエネルギ値の相関関係、図5(B)に示すエントロピ値の相関関係、図6(A)に示す歪度の相関関係、及び図6(B)に示す尖度の相関関係においても、本発明法とLSM法との両者の相関関係を評価する寄与率(R2)は、それぞれ、0.735、0.795、0.805、0.848、及び0.801と非常に小さく、これらの分散値、エネルギ値、エントロピ値、歪度及び尖度のいずれの評価値においても、本発明法による測定値が共焦点レーザ顕微鏡を用いたLSM法による測定値とほぼ同程度の精度を有していることが分かる。
また、本発明においては、予め複数の基準となる試料、例えば試料となるパスタ等の麺類を製造するダイス毎に標準となる試料を製造しておき、基準となる試料について上記の評価値を求めて、基準試料の評価値を基準評価値としても良い。
この場合、複数の評価値が同時に同一の傾向を示している場合に、それに対応して試料Sの表面形状を解析することができる。例えば、試料Sについて、コントラスト値CNTと分散値VARの双方を演算し、試料Sのコントラスト値CNTが基準評価値より大きく且つ試料Sの分散値VARが基準評価値より小さい場合にのみ、試料Sにおける表面形状は基準の試料の表面形状よりも滑らかであるとあると判断され、一方、試料Sのコントラスト値CNTが基準評価値より小さく且つ試料Sの分散値VARが基準評価値より大きい場合にのみ、試料Sに基準の試料よりも粗い表面形状であると判断する。
複数の評価値を同時に使用することで、より詳細に表面形状の解析を行うことが可能となる。
12 光源部
14 撮像部
16 表面形状解析部
18 画像解析部
20 判定部
S,S0,S1,S2、S3,S4 試料
D 最大谷深さ
Claims (12)
- 被検物に照明光を照射する光源部と、
前記光源部から照射された照明光に対する前記被検物の透過光により前記被検物の画像を取得する撮像部と、
前記撮像部で取得された前記被検物の画像の濃度ヒストグラムを作成すると共に作成された前記濃度ヒストグラムに基づいて前記被検物の表面形状を解析する表面形状解析部とを備え、
前記表面形状解析部は、前記濃度ヒストグラムで表される濃度分布状態から前記被検物の表面形状を解析し、
前記表面形状解析部は、前記濃度ヒストグラムの濃度分布状態を、予め表面形状が既知である基準の被検物について予め測定された表面の凹凸の基準ヒストグラムと比較することにより、前記被検物の表面全体の凹凸を測定し、
前記基準ヒストグラムは、既知の被検物をレーザ顕微鏡法により測定し作成された前記既知の被検物の最大谷深さ基準高さのヒストグラムであり、そのパターン形状は前記既知の被検物の画像の濃度ヒストグラムのパターン形状と高い相関性を有する表面形状測定装置。 - 前記表面形状解析部は、前記被検物の表面形状として前記被検物の表面全体の凹凸の状態を解析する請求項1に記載の表面形状測定装置。
- 前記被検物は、麺類である請求項1又は2に記載の表面形状測定装置。
- 前記表面形状解析部は、前記濃度ヒストグラムから濃度レベルの平均値、コントラスト値、分散値、エネルギー値、エントロピ値、歪度及び尖度のうち少なくとも1つを評価値として演算し、演算された評価値に基づいて前記被検物の表面形状を解析する請求項1〜3のいずれか1項に記載の表面形状測定装置。
- 前記表面形状解析部は、演算された前記評価値を表面形状が既知である基準の被検物について予め演算された基準評価値と比較することにより前記被検物の表面形状を測定する請求項4に記載の表面形状測定装置。
- 前記光源部は、照明光として前記被検物に白色光を照射し、
前記表面形状解析部は、前記撮像部で取得された前記被検物のカラー画像のRGBのうち少なくとも1つの色に対する濃度ヒストグラムを作成する請求項1〜5のいずれか1項に記載の表面形状測定装置。 - 被検物に照明光を照射し、
照射された照明光に対する前記被検物の透過光により前記被検物の画像を取得し、
取得された前記被検物の画像の濃度ヒストグラムを作成し、
作成された前記濃度ヒストグラムに基づいて前記被検物の表面形状を解析し、
前記表面形状を解析するステップは、前記濃度ヒストグラムで表される濃度分布状態から前記被検物の表面形状を解析し、
前記表面形状を解析するステップは、前記濃度ヒストグラムの濃度分布状態を、予め表面形状が既知である基準の被検物について予め測定された表面の凹凸の基準ヒストグラムと比較することにより、前記被検物の表面全体の凹凸を測定し、
前記基準ヒストグラムは、既知の被検物をレーザ顕微鏡法により測定し作成された前記既知の被検物の最大谷深さ基準高さのヒストグラムであり、そのパターン形状は前記既知の被検物の画像の濃度ヒストグラムのパターン形状と高い相関性を有する表面形状測定方法。 - 前記表面形状を解析するステップは、前記被検物の表面形状として前記被検物の表面全体の凹凸の状態を解析する請求項7に記載の表面形状測定方法。
- 前記被検物は、麺類である請求項7又は8に記載の表面形状測定方法。
- 前記表面形状を解析するステップは、前記濃度ヒストグラムから濃度レベルの平均値、コントラスト値、分散値、エネルギー値、エントロピ値、歪度及び尖度のうち少なくとも1つを評価値として演算し、演算された評価値に基づいて前記被検物の表面形状を解析する請求項7〜9のいずれか1項に記載の表面形状測定方法。
- 前記表面形状を解析するステップは、演算された前記評価値を表面形状が既知である基準の被検物について予め演算された基準評価値と比較することにより前記被検物の表面形状を測定する請求項10に記載の表面形状測定方法。
- 前記照明光は、白色光であり、
前記表面形状を解析するステップは、取得された前記被検物のカラー画像のRGBのうち少なくとも1つの色に対する濃度ヒストグラムを作成する請求項7〜11のいずれか1項に記載の表面形状測定方法。
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