JP6695253B2 - 表面検査装置及び表面検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面が鏡面であり、曲がり部を有する立体形状の被検査体の表面状態を検査する表面検査装置及び表面検査方法に関する。

品質検査等の目的で、被検査体の表面状態、例えば、表面上の傷や凹凸等を検査する表面検査装置が知られている。この表面検査装置として、被検査体の表面に光を当てて撮影し、その撮影画像を解析して表面の傷等を検査する装置がある。

特に、めっき製品等の鏡面を有する被検査体を対象とした表面検査装置は、液晶ディスプレイにより被検査体の鏡面に縞状パターンの光を写り込ませ、被検査体の鏡面に写り込んだ縞状パターンをＣＣＤカメラで撮像し、この撮像画像に対してガボールフィルタに基づく画像処理を行って、被検査体の鏡面上の傷等を検査する（例えば、特許文献１参照）。

また、すり鉢状の鏡面を有する被検査体を対象とした表面検査装置は、縞状パターンが形成された円柱を被検査体の開口中央部に配置し、すり鉢状の鏡面に写り込んだ縞状パターンを上部からＣＣＤカメラで撮像し、円柱を回転走査することにより、開口湾曲面内の傷等を検出する（例えば、特許文献２参照）。

特許５１８２８３３号公報 特開２０１６−０８０６６２号公報

検査対象としての被検査体には、表面が鏡面であり、立体形状、例えば、Ｌ字形状やＳ字形状等の曲がり部（屈曲部、湾曲部等）を有する形状、すなわち、複雑な形状を有するものがある。特許文献１に記載の発明は、鏡面である平面状の被検査体の傷や凹凸等を検出する装置であり、特許文献２に記載の発明は、鏡面であるすり鉢状の被検査体の傷や凹凸等を検出する装置である。このため、これら特許文献１、２に記載の装置では、鏡面である複雑な立体形状の被検査体の傷や凹凸等を検査することは困難である。

特許文献１に記載の装置を用いて、鏡面であり、曲がり部を有する立体形状の被検査体の表面状態を検査する場合、被検査体の曲がり部に一方向から縞状パターンの光を写り込ませるだけである。このように、一方向から縞状パターンの光を写り込ませても、被検査体の曲がり部の一部にしか縞状パターンが写り込まず、被検査体の曲がり部の全面に十分に縞状パターンの光を写り込ませることは困難である。

また、特許文献２に記載の装置は、鉢状の被検査体専用の表面検査装置であり、曲がり部を有する立体形状の被検査体の表面状態の検査には適していない。つまり、特許文献２に記載の装置は、単純な湾曲面には適用可能であるが、被検査体毎に様々に屈曲や湾曲している複雑な形状である被検査体には適用が困難である。

そこで、本発明では、被検査体の表面が鏡面であり、曲がり部を有する立体形状であっても、その曲がり部における表面状態を検査することを目的とする。

本発明の表面検査装置は、表面が鏡面であり、曲がり部を有する立体形状の被検査体の表面状態を検査する表面検査装置であって、前記曲がり部に縞状パターンの光を写り込ませる照明と、前記曲がり部に対して前記照明を複数の位置に移動する照明移動部と、前記曲がり部に対して所定位置に配置され、前記照明が複数の位置に移動される毎に、前記縞状パターンが写り込んだ前記曲がり部を撮像する撮像部と、前記撮像部に撮像された複数の画像をそれぞれ微分処理して、これら微分処理後の複数の画像を加算する演算部と、前記演算部による加算後の画像における前記縞状パターンに基づいて、当該縞状パターンの欠損を検査する検査部と、を備えることを特徴とする。

また、前記演算部は、前記撮像部に撮像された複数の画像をヘッセ行列の行列式に基づいて二階微分処理して二階微分画像をそれぞれ算出し、これら二階微分画像を加算して加算二階微分画像を算出し、この加算二階微分画像を閾値処理して二値化画像を算出することを特徴とする。

また、前記照明移動部は、前記照明を複数の位置に移動するとき、前記縞状パターンの微分画像の加算により、前記曲がり部に写り込んだ縞状パターンの欠損部以外の輝度が平均化されるように、前記照明をそれぞれ配置することを特徴とする。

また、本発明の表面検査方法は、表面が鏡面であり、曲がり部を有する立体形状の被検査体の表面状態を検査する表面検査方法であって、照明により前記曲がり部に縞状パターンの光を写り込ませて、前記照明を前記曲がり部に対して複数の位置に移動し、前記照明を複数の位置に移動するとき、前記縞状パターンの微分画像の加算により、前記曲がり部に写り込んだ縞状パターンの欠損部以外の輝度が平均化されるように、前記照明をそれぞれ配置し、前記曲がり部に対する所定位置において、前記照明が複数の位置に移動される毎に、前記縞状パターンが写り込んだ前記曲がり部を撮像し、撮像された複数の画像をそれぞれ微分処理して、これら微分処理後の複数の画像を加算する演算を行い、加算後の画像における前記縞状パターンに基づいて、当該縞状パターンの欠損を検査することを特徴とする。

また、前記演算は、撮像された複数の撮像を一階微分処理して一階微分画像をそれぞれ算出し、これら一階微分画像を加算して加算一階微分画像を算出することを特徴とする。

本発明によれば、被検査体の表面が鏡面であり、曲がり部を有する立体形状であっても、その曲がり部における表面状態を検査することができる。特に、被検査体の曲がり部の表面上の傷や凹凸の有無を検査することができる。

表面検査装置の概略構成図である。 照明の斜視図である。 湾曲した鏡面における撮像特性に関する二次元の座標系の模式図である。 被検査体の表面の拡大図であり、（ａ）は表面状態が正常である場合、（ｂ）は表面が凹んだ形状異常である場合、（ｃ）は表面が荒れた表面性状異常である場合をそれぞれ示す。 被検査体の表面異常部に、正弦波状の照明が写り込んだときの輝度分布、矩形状の照明が写り込んだときの輝度分布を示す特性図である。 鏡面である平面に縞状パターンを写り込ませた場合の模式図である。 本実施形態における表面検査の原理を説明する模式図であり、（ａ）は縞状パターンの撮像画像であり、（ｂ）は撮像画像を一階微分処理した画像であり、（ｃ）は一階微分処理した画像を加算した画像である。 図１に示す表面検査装置の模式図である。 表面検査装置の照明の移動を説明する概略構成図である。 被検査体の表面異常部に対して、複数の矩形状の照明が写り込んだときの輝度分布を示す特性図である。 被検査体の表面異常部に対して、複数の矩形状の照明が写り込んだときの輝度分布に一階微分を施して加算した結果を示す特性図である。 屈曲部に写り込んだ縞状パターンを撮像した画像群の図である。 図１２の１１０枚目の撮像画像の拡大図である。 図１２の画像群を一階微分処理した画像群の図である。 図１４の画像群を加算処理した画像の図である。 図１５における傷の周辺部分の撮像画像の拡大図である。 傷の抽出過程を説明する加算過程の画像群である。 図１２の画像群を二階微分処理した画像群の図である。 図１８の画像群を加算処理した画像の図である。 図１９の画像を二値化処理した画像の図である。

図１は、本発明の実施形態の表面検査装置１の概略構成を示している。表面検査装置１は、表面が鏡面であり、曲がり部を有する立体形状の被検査体２の表面状態を検査する装置である。被検査体２としては、Ｌ字形状やＳ字形状等の様々な形状に屈曲または湾曲した形状を有しており、このため表面が凹凸状に湾曲して、さらに、表面がめっき処理されて鏡面である部品を対象としている。例えば、本実施形態では、図１に示すように、表面がめっき処理されて鏡面であり、鋭角に屈曲して屈曲部２ａ（曲がり部）を有する立体形状である部品を被検査体２としている。

表面検査装置１は、被検査体２の屈曲部２ａに縞状パターンの光を写り込ませる照明３と、照明３を被検査体２の屈曲部２ａに対して複数の位置に移動する照明移動部としてのロボットアーム４と、縞状パターンが写り込んだ屈曲部２ａの鏡面を撮像する撮像部としてのカメラ５と、カメラ５に撮像された複数の画像をそれぞれ微分処理して、これら微分処理後の複数の画像を加算する演算部６と、演算部６による加算後の画像における縞状パターンに基づいて、当該縞状パターンの欠損を検査する検査部７と、照明３、ロボットアーム４及びカメラ５の作動を制御する制御部８とを備えている。

図２に示すように、照明３は、面発光するＬＥＤ照明源３ａと、このＬＥＤ照明源３ａの前面に取り付けられた複数のスリットを有するスリット部材３ｂとを備えている。ＬＥＤ照明源３ａは、被検査体２の屈曲部２ａに近づけるように小さい直方形状であり、例えば、長手方向の長さが１００ｍｍ、幅が３０ｍｍ、奥行きが３０ｍｍであるものを使用する。また、スリット部材３ｂは、例えば、幅１ｍｍの７本のスリットを有している。スリット部材３ｂを介してＬＥＤ照明源３ａを点灯することにより、縞状パターンの光を被検査体２に写り込ませることができる。

照明３は、照明３の位置を調整するロボットアーム４に支持されている。ロボットアーム４は、複数の関節４ａ（図１では１個のみ図示）により連結された複数のアーム４ｂを有しており、これら関節４ａを支点としてアーム角度を調整することによって、照明３の位置を様々な位置に調整する。例えば、図１において、アーム角度を調整することによって、照明３を破線で示す位置に移動する。また、ロボットアーム４のアーム角度の調整や照明３の位置調整は制御部８によって制御される。

カメラ５にはＣＣＤカメラを使用している。このカメラ５は、被検査体２に対して所定の位置に固定されている。特に、本実施形態では、被検査体２の屈曲部２ａの表面を検査するので、被検査体２の屈曲部２ａに対向する位置に固定されており、この屈曲部２ａに写り込んだ縞状パターンを撮像する。

制御部８には、照明３、ロボットアーム４及びカメラ５が電気的に接続されており、制御部８からの指令に基づいて、照明３、ロボットアーム４及びカメラ５の作動が制御される。すなわち、ロボットアーム４を制御することにより、照明３を、被検査体２の屈曲部２ａに関して複数の位置に移動して、各移動位置において、被検査体２の屈曲部２ａに写り込んだ縞状パターンをカメラ５によって撮像する。また、制御部８は、被検査体２、照明３及びカメラ５が配置されている空間全体の座標系をＸＹＺ軸で定義する世界座標系において、被検査体２、照明３及びカメラ５の位置をＸＹＺ軸に基づいて算出する。

演算部６は制御部８に接続されており、制御部８から、被検査体２、照明３及びカメラ５の位置座標と、カメラ５による撮像画像とを取得する。照明３が、複数の位置に移動されて、その位置毎にカメラ５によりそれぞれ撮像された画像を画像群として管理する。また、演算部６は、これら画像群における画像を微分処理した後、各画像の屈曲部２ａにおける各縞状パターンがそれぞれ結合するように各画像を加算処理する。なお、この微分処理及び加算処理の詳細については後述する。

検査部７は演算部６に接続されており、演算部６により加算処理された画像に基づいて、被検査体２の屈曲部２ａの表面状態を検査する。すなわち、屈曲部２ａにおける縞状パターンの欠損状態を検査することによって、屈曲部２ａの表面の傷や凹凸の有無を検査する。この検査の詳細についても後述する。

表面検査装置１による被検査体２の屈曲部２ａの表面状態検査を説明する前に、縞状パターンの光、すなわち、光は矩形状の光を使用する理由について説明する。図３は、湾曲した鏡面ｘに、縞状パターン（矩形状）ではない光、すなわち、一般的な正弦波状の光を照射した場合の二次元の座標系における模式図を示している。図３において、湾曲した鏡面ｘに写り込んだ光を撮像した特性を検討する。

図３に示すように、Ｙ軸において、位置ｙ（ｙ＝−ｋ）にＸ軸と平行に配置された照明源の点ｑから照射された光が、鏡面ｘ（ｘ＝ｆ（ｙ））の点pで反射し、撮像の画像平面ｘｈの点q’に入射する。なお、説明を容易にするため、画像平面ｘｈは、近似的に平行投影型の撮像モデルによるものとしている。Ｙ軸と平行に撮像の画像平面ｘｈを配置した場合、画像平面ｘｈに入射する光線はＸ軸と平行なベクトル成分を有する光線のみとなる。また、画像平面ｘｈで撮像される輝度分布が撮像画像となる。このため、鏡面ｘ（ｘ＝ｆ（ｙ））の点pにおける法線ベクトルｎは数式（１）により表される。数式（１）において、ｆはｆ（ｙ）のｙに関する一階微分である。

また、図３における符号ｅ、ｖで示される入射ベクトルｅ、反射ベクトルｖは、法線ベクトルｎ、接線ベクトルｔを用いて、以下の数式（２）（３）により表される。

また、数式（２）より、βは、以下の数式（４）で表される。

そして、数式（２）、（３）、（４）を用いることによって、反射ベクトルｖと入射ベクトルｅとの関係は以下の数式（５）によって表される。

この数式（５）が、湾曲した鏡面ｘ、換言すると、被検査体２の屈曲部２ａの正反射を示す式であり、この数式（５）に入射ベクトルｅ＝（１，０）を代入すると、反射ベクトルｖは、以下の数式（６）によって表される。

図３において、照明源の点ｑと鏡面上の点ｐとを結ぶ直線ｑｐは、パラメータｓと、点ｐ（ｐ＝（ｆ（ｙ），ｙ））を用いて、ｓｖ＋（ｆ（ｙ），ｙ）と表される。したがって、点ｑのｘ座標値は、直線ｑｐと照明源の交点、すなわち、パラメータｓを算出することにより得ることができる。直線ｑｐと点ｑのｙ座標値に関する以下の数式（７）に基づいて、点ｑにおけるパラメータｓは、以下の数式（８）によって表される。

数式（８）のパラメータｓを直線ｑｐの数式に代入することにより、点ｑの座標は、以下の数式（９）で表される。なお、ｆ＝ｆ（ｙ）である。

数式（９）から、画像平面ｘｈの点ｑ’（ｑ’＝（ｃ，ｙ））と照明源の点ｑとの関係は、以下の数式（１０）に示すように、鏡面ｘの形状ｆと、ｙに関する微分ｆ_ｙに依存する非線形な関係になる。

図３では、照明源が正弦波状の光を照射しているので、照明源の輝度分布Ｉ（ｘ）は、以下の数式（１１）で表される。なお、数式（１１）におけるλは正弦波の波長、２πφは初期位相である。また、ｘは照明源の座標を示す。

照明源上の点ｑ、画像平面ｘｈの点ｑ’は数式（１０）で表されるので、画像平面ｘｈで撮像される輝度分布Ｈ（ｙ）は、点ｑのｘ座標値を数式（１１）に代入することにより、以下の数式（１２）によって表される。

この輝度分布Ｈ（ｙ）が、正弦波状の輝度分布を有する照明源を、湾曲した鏡面ｘ、すなわち、屈曲部２ａの鏡面に写り込ませて撮像した場合の撮像画像の輝度分布である。

続いて、正弦波状の輝度分布を有する照明源の光を、屈曲部２ａの鏡面に写り込ませて、屈曲部２ａの表面異常を検出することについて説明する。被検査体２の屈曲部２ａの表面状態の異常には、微小な表面形状の変化や表面性状の変化がある。図４（ａ）に正常時の被検査体２の表面の拡大図を、（ｂ）に微小な表面形状の変化、ここでは、微小な凹部が生じた表面の拡大図を、（ｃ）に表面性状の変化、ここでは、表面が微小に荒れている状態の表面の拡大図をそれぞれ示す。このような表面状態の変化は、屈曲部２ａの表面における法線ベクトルｎの変化として考えることができる。すなわち、図４（ａ）に示すように、表面状態が正常な場合には、全ての法線ベクトルｎの向きは整列している。しかし、図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、表面状態が異常である場合には、その異常部分における法線ベクトルｎ’の向きは不整列である。

このため、表面異常が生じた鏡面の撮像特性を検討するために、鏡面ｘ（ｘ＝ｆ（ｙ））のｙ方向に関する微分ｆ_ｙに微小項Δｆ_ｙを加えて、微分ｆ_ｙをｆ_ｙ+Δｆ_ｙに置き換えて検討する。微分ｆ_ｙ＝ｆ_ｙ+Δｆ_ｙとした場合、表面異常が生じた部分の法線ベクトルｎ’は、以下の数式（１３）によって表される。

ここで、微小項Δｆ_ｙは微小であるため、以下の数式（１４）、（１５）のように近似して考えることができる。なお、ε、γは係数である。

数式（１４）、（１５）の近似式を用いると、数式（１３）は以下の数式（１６）のように展開することができる。

数式（１６）における法線ベクトルｎ’は、数式（１）の法線ベクトルｎを用いることによって、以下の数式（１７）、（１８）のように表すことができる。

数式（１７）、（１８）は、正常な鏡面ｘの法線ベクトルｎに、表面異常を生じた法線ベクトルｎ’の変化Δｎが付与されたと理解することができる。このため、この理解と同様に、反射ベクトルｖ’について検討すると、数式（５）に基づいて、表面異常を生じた部分における反射ベクトルｖ’は、以下の数式（１９）により表すことができる。

ここで、入射ベクトルｅをｅ＝（１，０）とし、数式（１７）、（１８）の法線ベクトルｎ’を、数式（１９）に代入して、数式（１４）、（１５）の近似式を用いると、反射ベクトルｖ’は、以下の数式（２０）、（２１）のように表すことができる。

同様に、直線ｑｐに関する数式（８）に関しては、以下の数式（２２）、（２３）のように表すことができる。

よって、縞状パターン上の点ｑの座標は、以下の数式（２４）によって表される。

また、表面異常が生じた鏡面ｘに、数式（１１）で表される照明源の正弦波状の輝度分布Ｉ（ｘ）が写り込んだ場合、画像平面ｘｈ上では輝度分布Ｈ’（ｙ）は、以下の数式（２５）、（２６）、（２７）によって表される。

数式（２５）、（２６）、（２７）は、三角関数の加法定理ｃｏｓ（Ｋ−μ）＝ｃｏｓ（Ｋ）ｃｏｓ（μ）＋ｓｉｎ（Ｋ）ｓｉｎ（μ）、及びμが微小であることを前提とした近似である。

数式（２８）、（２９）にように近似すると、輝度分布Ｈ’（ｙ）は数式（１２）に基づくと、数式（３０）によって表される。

数式（３０）における第二項が、鏡面ｘに表面異常が生じた部分に関する輝度分布である。すなわち、数式（３０）における第一項が正常な鏡面ｘに写り込む輝度分布を示しており、第二項が表面異常が生じた鏡面ｘに写り込む輝度分布を示している。また、正常な鏡面ｘに写り込む輝度分布である第一項は、ｃｏｓに関する数式で表されるのに対して、表面異常が生じた鏡面ｘに写り込む輝度分布である第二項は、ｓｉｎに関する数式で表されている。ここで、輝度分布Ｈ（ｙ）のｙ方向に関する微分ｄＨ（ｙ）／ｄｙが以下の数式（３１）で表されるので、数式（３０）は数式（３２）、（３３）のように変換することができる。

ここで、ｆ_ｙｙはｆ（ｙ）のｙに関する二階微分である。数式（３２）の第二項で示されるように、表面異常に関する輝度分布Ｈ’（ｙ）は、正常部分に関する輝度分布Ｈ（ｙ）のｙに関する微分ｄＨ（ｙ）／ｄｙに比例する。すなわち、照明源の位置に関する明暗の変化量に比例する。つまり、被検査体２に写り込ませるパターンは、縞状パターン（矩形状の光）のような明暗変化を有している必要がある。

明暗変化が必要な理由について、図５を参照して詳しく説明する。図５において、鏡面ｘは、図３における鏡面ｘの一部を拡大したものである。輝度分布３１は、その鏡面ｘに正弦波状の照明が写り込んだときの特性を示している。輝度分布３２は、その鏡面ｘに矩形状の照明が写り込んだときの特性を示している。また、図５において、鏡面ｘの領域ｘ１、ｘ３は正常な表面を示しており、鏡面ｘの領域ｘ２は表面異常が生じている部分を示している。

そして、領域ｘ２における、正弦波状の照明が写り込んだときの輝度分布３１と、矩形状の照明が写り込んだときの輝度分布３２とを計算によって算出する。図５における鏡面ｘ（ｘ＝ｆ（ｙ））は、以下の数式（３４）によって算出することができる。

ここで、数式（３４）において、例えば、ａ＝０．０１、ｂ＝−０．０１、ｃ＝−０．２０、ｄ＝１．００、ｅ＝１．００とすると、鏡面ｘ（ｘ＝ｆ（ｙ））は図５に示すようになる。また、局所的に生じた表面異常の部分（領域ｘ２）を、ｙ＝−０．１〜０．１ｍｍの領域として示す。

そして、数式（１１）で表される正弦波状の輝度分布Ｉ（ｘ）を用いて、数式（３２）、（３３）に基づいて、撮像画像の輝度分布Ｈ’（ｙ）を算出した結果が、図５の輝度分布３１で示す特性として示すことができる。なお、数式（３２）、（３３）において、ｋ＝１００ｍｍ、ｌ＝２０ｍｍ、Ｉ_０＝１．００、ｆ＝π、Δｆ_ｙ＝１．００×１０^−３とした。

図５の輝度分布３１における表面異常の領域ｘ２の特性は、正常な部分の特性と略同じである。すなわち、領域ｘ２の特性では、表面異常の部分に関する輝度分布と、正常な部分の輝度分布の差はわずかであり、この輝度分布の特性では、表面異常を判断することが困難である。

一方、照明源の輝度分布として、以下の数式（３５）で示される矩形波の輝度分布Ｉ（ｘ）として、画像平面ｘｈの輝度分布Ｈ’（ｙ）を算出した結果を、図５の輝度分布３２で示す特性として示すことができる。

矩形波の輝度分布Ｉ（ｘ）（輝度分布３２）では、表面異常の影響により、輝度が変化する部分（明暗が変化する部分）において輝度が大きく変化していることがわかる。このように、正弦波状の輝度分布Ｉ（ｘ）（輝度分布３１）と矩形波の輝度分布Ｉ（ｘ）（輝度分布３２）とを比較すると、矩形波の輝度分布Ｉ（ｘ）において、輝度が大きく変化する部分（明暗が大きく変化する部分）で表面異常が生じていることを判断することができる。この結果、被検査体２に写り込ませるパターンとして、明暗変化が明確である縞状パターン（矩形状の光）を使用する。

次に、縞状パターン（矩形状の光）を使用して、被検査体２の屈曲部２ａの表面状態を検査することについて説明する。まず、本発明における表面状態の検査の基本的な原理について説明する。説明を容易にするために、鏡面ｘであり平面形状の被検査体を対象とした場合について、図６、７を参照して説明する。図６は平面形状の鏡面ｘに縞状パターンを写り込ませた場合の模式図である。また、図７は表面検査の原理を説明する模式図である。

図６に示すように、縞状パターンを有する照明３によって、平面形状の鏡面ｘに縞状パターンの光を当てて鏡面ｘに縞状パターンを写り込ませる。この写り込んだ縞状パターンを撮像して、照明３を図中矢印Ｆ方向に少し移動して、鏡面ｘに縞状パターンを写り込ませて、再度撮像する。この動作を所定回数繰り返し行う。この動作によって、撮像された画像が、図７（ａ）に示す画像群となる。なお、ここでは、矢印Ｆ方向に少しづつ移動した４枚の画像Ｇ１〜Ｇ４が撮影されている。また、画像Ｇ１〜Ｇ４にはそれぞれ表面異常部、ずなわち、傷ＫＡが写っている。図７（ａ）に示すように、傷ＫＡは縞状パターンの明暗境界部、すなわち、矩形状の光の境界部ではっきりと撮影されている。

これら画像Ｇ１〜Ｇ４に対して一階微分処理した画像ｄＧ１〜ｄＧ４を図７（ｂ）に示す。図７（ｂ）においては、縞状パターンの明暗境界部による傷ＫＡに関するエッジＥＫと、正常部に関するエッジＥＳとが現れる。さらに、この一階微分処理した画像ｄＧ１〜ｄＧ４を加算すると、正常部に関するエッジＥＳは、撮像フレーム毎のずれによって加算後は平均化される。

一方、傷ＫＡに関するエッジＥＫは、撮像フレーム毎にずれたとしても、明暗境界部でははっきりと写っているので、加算後は、傷ＫＡの輪郭が明瞭になる、すなわち、傷ＫＡは周辺部とははっきり区別されて浮かび上がる。このため、正常部の中に傷ＫＡを抽出した画像を得ることができる。

図８は、図１に示す表面検査装置１の模式図であり、屈曲部２ａの鏡面ｘに縞状パターンを写り込ませる場合の模式図である。図８において、屈曲部２ａの鏡面ｘは、図３における鏡面ｘ（ｘ＝ｆ（ｙ））と同様に、数式（３４）によって算出することができる。また、照明３の輝度分布は、数式（３５）で示される矩形波の輝度分布Ｉ（ｘ）である。

まず、照明３の移動について説明する。図８では、照明３を、矢印Ｆｘ、Ｆｙ方向に移動して、鏡面ｘを複数の位置に移動する。この移動を、表面検査装置１による表面状態の検査では、図９に示すように、照明３を複数の位置に移動する。そして、その位置において屈曲部２ａに縞状パターンを写り込ませて、その縞状パターンをカメラ５で撮像する。

図９において、制御部８は、ＸＹＺに関する世界座標系において、カメラ５の固定位置（座標）を取得する。すなわち、カメラ５は、被検査体２の屈曲部２ａを撮像できる位置に固定されているので、その固定位置の座標を取得する。続いて、被検査体２の位置（座標）を取得する。被検査体２もカメラ５と同様に固定されているので、その固定位置の座標を取得する。

次に、カメラ５の投影線ｊ１，ｊ２，ｊ３と被検査体２とが交差する位置の法線ベクトルｎ１，ｎ２，ｎ３から、数式（５）を用いて、投影線ｊ１，ｊ２，ｊ３が反射する方向を求める。被検査体２の法線ベクトル分布に応じて、投影線ｊ１，ｊ２，ｊ３が反射する方向も様々に変化するので、制御部８は、投影線ｊ１，ｊ２，ｊ３の反射方向に応じて、ロボットアーム４を作動して、照明３の位置を調整する。すなわち、縞状パターンが屈曲部２ａで反射したときに、その反射光がカメラ５で撮像されるように、ロボットアーム４を作動して、照明３の位置を調整する。このように、照明３を複数の位置に移動する毎に、屈曲部２ａに写り込む縞状パターンを撮像することにより複数画像を取得して画像群を構築する。

演算部６は、取得した複数の画像に対して、数式（３２）に示す輝度分布Ｈ’（ｙ）を算出する。この算出結果を図１０に示す。図１０の特性を算出する条件として、例えば、照明３の位置に関する値ｋと、縞状パターンの初期位相に関する値φとを、ｋ＝５０〜１５０ｍｍ、φ＝０〜２ｐの間で疑似乱数により設定し、値ｋ、φ以外のパラメータとして、ｌ＝２０．０ｍｍ 、Ｉ_０＝１．００、φ＝π、Δｆ_ｙ＝１．００×１０^-３を使用している。

図１０は、図５に対応する図であり、ここでは、例えば、４つの画像に対する輝度分布４１，４２，４３，４４を示している。図５において説明したように、鏡面ｘの表面異常の部分（領域ｘ２）では、各画像における輝度分布４１，４２，４３，４４における輝度が大きく変化している。なお、ここでは、値ｋ、φを疑似乱数としているので、撮像される縞状パターンの間隔と位置とがランダムに変化している。

そして、演算部６は、図１０における輝度分布４１，４２，４３，４４で示す輝度分布Ｈ’（ｙ）に一階微分処理を施す。図１１は、撮像した画像を一階微分処理して加算した特性を示している。特に、加算数の変化を示すために、ここでは、加算数（画像数）ｍが、ｍ＝１、ｍ＝５、ｍ＝１０、ｍ＝５０、ｍ＝１００、ｍ＝５００である各特性を示している。また、各加算数ｍに対応する輝度分布を、図中、輝度分布５１，５２，５３，５４，５５，５６で示す。加算数が増加する程、正常部（領域ｘ１，ｘ３）では鏡面ｘの輝度が平均化されるとともに、表面異常部（領域ｘ２）では、表面異常、例えば、傷ＫＡや凹凸に起因する輝度変化が増大する。

このように、演算部６は、カメラ５によって撮像された複数の画像を一階微分処理して加算することによって、被検査体２の屈曲部２ａにおける表面異常部、すなわち、傷ＫＡや凹凸等の輝度変化を検出可能にする。具体的な撮像、一階微分処理後の画像、加算後の画像に関しては、後述する図１２〜１７において説明する。

検査部７は、図１１における輝度分布の変化を検出することによって、被検査体２の屈曲部２ａの表面状態を検査する。すなわち、演算部６によって、輝度分布の変化が強調された部分を検出することによって、被検査体２の屈曲部２ａの表面に、傷ＫＡや凹凸等の表面異常が生じていることを検出する。換言すれば、加算後の輝度分布に基づいて、被検査体２の屈曲部２ａの表面の輝度が平均化されている部分は正常であり、その表面の輝度が大きく変化している部分は表面異常であると判断する。

なお、上述の例では、照明３の位置を疑似乱数によりランダムな複数の位置に配置したが、照明３の位置を変更した場合、被検査体２と照明３との距離を常に一定距離に維持することにより、被検査体２の屈曲部２ａに写り込んだ縞状パターンの輝度を略一定とすることができる。この結果、各撮像画像における輝度の誤差を低減することができる。すなわち、カメラ５による撮像画像を一階微分処理して加算したときに、縞状パターンの欠損部以外（正常部）の輝度を平均化することができ、加算後の画像における正常部と表面異常部とを明確に差別化して、これらの判別を容易に行うことができる。

次に、被検査体２の屈曲部２ａに写り込んだ縞状パターンを撮像した具体的な画像例に基づいて説明する。図１２は、照明３の位置を屈曲部２ａに対して異なる位置に５００回移動して、その移動毎に撮像した５００枚の画像である。なお、途中の画像の一部は省略して図示している。各画像には、縞状パターンが部分的に撮影されている。また、照明３の位置がそれぞれ異なるので、縞状パターンの形状及び縞状パターンの間隔が異なっている。

図１３は、図１２の１１０枚目の画像の傷ＫＡの周辺部分を拡大した画像である。正常部に写り込んだ縞状パターンの中に、表面異常部に起因する縞状パターンの欠損を目視することができる。図中、符号ＫＢで示す部分において、縞状パターン（矩形状の光）の明暗境界部で輝度が変化していることを目視によって確認できる。

図１４は、図１２の画像に一階微分処理を施した画像である。一階微分処理による画像Ｇは、元画像をＩとすると以下の数式（３６）で表される。なお、数式（３６）において、Ｉ_ｘは画像の横方向、Ｉ_ｙは縦方向に一階微分を実施した画像である。

これら５００枚の一階微分画像群の全画像を加算した結果を図１５に示す。また、図１５における傷ＫＡの周辺部の拡大図を図１６に示す。図１５、１６に示すように、被検査体２の屈曲部２ａにおける傷ＫＡを目視によって抽出することができる。すなわち、傷ＫＡをはっきりと確認することができる。

また、図１７に、傷ＫＡの抽出過程を示す。図１７に示すように、略３００〜５００枚の加算処理により、傷ＫＡをはっきりと抽出することができる。このため、被検査体２の形状に応じて必要な画像数を設定することによって、被検査体２の表面状態の検査を効率化することができる。例えば、被検査体２が複雑な形状であれば多くの画像が必要となり、簡易な形状であれば、少ない画像で表面状態の検査を行うことができる。

このように、被検査体２の屈曲部２ａに写り込んだ複数の縞状パターンに一階微分処理を施して加算処理することにより、表面異常、すなわち、傷ＫＡを目視によって抽出（確認）することができる。換言すれば、被検査体２の屈曲部２ａに部分的に写り込んだ縞状パターンをつなぎ合わせて、屈曲部２ａの表面全体に縞状パターンを写り込ませて、縞状パターンにおける輝度変化（表面異常）を検出する。この場合、画像を目視することによって表面異常を検出することができる。このように、表面が鏡面であり、複雑な立体形状を有する被検査体２の屈曲部２ａの表面状態を検査することができる。

図１８は、図１２の画像に二階微分処理を施した画像である。すなわち、図１２の画像にヘッセ行列の行列式に基づく二階微分処理を施した画像である。なお、図１８では、図１２における傷ＫＡの部分を拡大して示している。

二階微分処理による画像Ｄは、元画像をＩとすると以下の数式（３７）で表される。なお、数式（３７）において、Ｉ_ｘｘは行方向、Ｉ_ｙｙは列方向に二階微分を実施した画像である。また、Ｉ_ｘｙは行方向に一階微分を実施した後、列方向にさらに一階微分を実施した画像である。

一階微分画像群と同様に、二階微分処理を施した５００枚の全画像を加算した結果を図１９に示す。図１９に示すように、被検査体２の輪郭部を抑制しつつ、傷ＫＡを強調した画像を得ることができる。この画像を利用して、正常部と表面異常部とを分離できる輝度でしきい値を設定して二値化処理を施す。この二値化処理を施した画像を図２０に示す。図２０に示すように、二値化処理した画像であれば、正常部と表面異常部とを自動的に判別することが可能であり、傷ＫＡ等の表面異常の有無を自動検出することができる。傷ＫＡ等の表面異常の有無を自動検出することによって、例えば、被検査体２の大きさや検査面積が大きい場合であっても、効率的に検査を行うことができる。

なお、傷ＫＡの自動検出では、傷ＫＡ以外の、例えば、画像ノイズＮを検出することもあるが、正常部と表面異常部とを分離できる輝度のしきい値を調整することにより、傷ＫＡと画像ノイズＮとの分離精度を向上することができる。このように、二階微分処理、加算及び二値化処理によって傷ＫＡを自動検出することができる。また、この自動検出に加えて、一階微分処理による目視検査を行うことにより、被検査体２の屈曲部２ａの表面状態を高精度に検査することができる。

１ 表面検査装置、２ 被検査体、２ａ 屈曲部、３ 照明、３ａ ＬＥＤ照明源、３ｂ スリット部材、４ ロボットアーム、４ａ 関節、４ｂ アーム、５ カメラ、６ 演算部、７ 検査部、８ 制御部。

Claims (4)

1. 表面が鏡面であり、曲がり部を有する立体形状の被検査体の表面状態を検査する表面検査装置であって、
   前記曲がり部に縞状パターンの光を写り込ませる照明と、
   前記曲がり部に対して前記照明を複数の位置に移動する照明移動部と、
   前記曲がり部に対して所定位置に配置され、前記照明が複数の位置に移動される毎に、前記縞状パターンが写り込んだ前記曲がり部を撮像する撮像部と、
   前記撮像部に撮像された複数の画像をそれぞれ微分処理して、これら微分処理後の複数の画像を加算する演算部と、
   前記演算部による加算後の画像における前記縞状パターンに基づいて、当該縞状パターンの欠損を検査する検査部と、を備え、
   前記照明移動部は、前記照明を複数の位置に移動するとき、前記縞状パターンの微分画像の加算により、前記曲がり部に写り込んだ縞状パターンの欠損部以外の輝度が平均化されるように、前記照明をそれぞれ配置することを特徴とする表面検査装置。
2. 請求項１に記載の表面検査装置であって、
   前記演算部は、前記撮像部に撮像された複数の画像をヘッセ行列の行列式に基づいて二階微分処理して二階微分画像をそれぞれ算出し、これら二階微分画像を加算して加算二階微分画像を算出し、この加算二階微分画像を閾値処理して二値化画像を算出することを特徴とする表面検査装置。
3. 表面が鏡面であり、曲がり部を有する立体形状の被検査体の表面状態を検査する表面検査方法であって、
   照明により前記曲がり部に縞状パターンの光を写り込ませて、
   前記照明を前記曲がり部に対して複数の位置に移動し、前記照明を複数の位置に移動するとき、前記縞状パターンの微分画像の加算により、前記曲がり部に写り込んだ縞状パターンの欠損部以外の輝度が平均化されるように、前記照明をそれぞれ配置し、
   前記曲がり部に対する所定位置において、前記照明が複数の位置に移動される毎に、前記縞状パターンが写り込んだ前記曲がり部を撮像し、
   撮像された複数の画像をそれぞれ微分処理して、これら微分処理後の複数の画像を加算する演算を行い、
   加算後の画像における前記縞状パターンに基づいて、当該縞状パターンの欠損を検査する、ことを特徴とする表面検査方法。
4. 請求項３に記載の表面検査方法であって、
   前記演算は、撮像された複数の撮像を一階微分処理して一階微分画像をそれぞれ算出し、これら一階微分画像を加算して加算一階微分画像を算出することを特徴とする表面検査方法。