JP7242418B2 - 表面検査方法とその装置 - Google Patents

Description

この発明は、表面がヘアライン加工された物品を検査対象として、当該検査対象の表面に付いたヘアラインとは異なる欠陥を検出する表面検査方法と、同方法を実施するための表面検査装置とに関する。

金属製品等の表面には、つや消しや金属的な質感を強調するなどの効果を得るために、ヘアライン加工と称する表面仕上げを施すことがある。ヘアライン加工が施された製品の表面には、単一方向に延びる髪の毛ほどの細い多数の線条傷（すなわち、ヘアライン）が形成される。

さて、滑らかな表面を有する製品（ガラス製品、フィルム製品、表面にメッキや塗装等が施された製品等々）を検査対象として、その表面に凹凸や傷などの欠陥が有るか否かを検査する方法として、明るい帯状部と暗い帯状部とが交互に配列されたパターン照明を用いた表面検査方法が広く知られている（例えば、特許文献１を参照）。

この種の表面検査方法は、検査対象の表面に上記パターン照明の明暗パターンをシフトさせながら照射し、当該検査対象の表面を撮像して得られた複数の画像を用いて、反射光量の差や輝度の変化に基づき、表面における欠陥の有無を検査する（検査方法の原理については、例えば、非特許文献１及び２を参照）。

実用新案登録第３１９７７６６号公報

広瀬修、外３名、「パターン照明を用いたフィルム表面凹凸欠陥の検出」、精密工学会誌、VOL.66,No.7、2000年、P1098-1102 楜澤信、外１名、「移動パターン光源を用いた欠陥検出技術の開発」、精密工学会誌、VOL.67,No.11、2001年、P1839-1843

しかしながら、検査対象の表面に上述したヘアライン加工が施されていた場合、ヘアラインによる異方性反射の影響などから、その表面に明暗のパターン照明を照射しても、傷の有無を判別するための縞模様が検査対象の表面に映し出されないことがある。その結果、上述した従来の表面検査方法では、ヘアライン加工された検査対象の表面に付いた傷等の欠陥を適切に検出することができないことがあり、対策が望まれていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、表面がヘアライン加工された物品に対して、その表面に付いたヘアラインとは異なる欠陥を高精度にかつ迅速に検出することができる表面検査方法とその装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の表面検査方法は、表面がヘアライン加工された物品を検査対象として、当該検査対象の表面に付いたヘアラインとは異なる欠陥を検出する表面検査方法であって、
明度の異なる明部と暗部とが、任意の角度範囲の方向に向かって配列された第１の照明パターンを、検査対象の表面に照射しながら、当該検査対象の表面を撮像し、得られたヘアライン検出用画像に基づいて当該検査対象の表面に形成されたヘアラインの方向を検出するヘアライン検出工程と、
明度の異なる明るい帯状部と暗い帯状部とが交互に配列された第２の照明パターンを利用し、それら各帯状部がそれぞれヘアラインと直交する方向へ延びるように調整するとともに、当該各帯状部を配列方向へ周期的に移動させながら、当該照明パターンを検査対象の表面に照射して、当該検査対象の表面を撮像し、得られた欠陥検出用画像に基づいて当該検査対象の表面に付いたヘアラインとは異なる欠陥を検出する表面欠陥検出工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、まず第１の照明パターンを用いてヘアライン検出工程を実施することで、検査対象の表面に形成されているヘアラインの形成方向を把握することができる。そして、そのヘアラインの形成方向と直交して各帯状部が延びるように第２の照明パターンを調整して、当該照明パターンを検査対象の表面に照射することで、ヘアラインによる異方性反射の影響が最小限となり、同表面に各帯状部による明暗が明瞭に現れる。そのため、当該検査対象の表面を撮像して得られた欠陥検出用画像に基づいて、検査対象の表面に付いたヘアラインとは異なる欠陥を高精度に検出することができる。これにより従来のように照明パターンの明暗が検査対象の表面に現れないことによる検査不能等の不都合を回避でき、迅速に表面検査を実施することが可能となる。

ここで、第１の照明パターンは、前記明部を明るい帯状部で形成するとともに前記暗部を暗い帯状部で形成し、且つこれら明るい帯状部と暗い帯状部とをそれぞれ円環状に形成し、それら各帯状部を同心円上に交互に配列した照明パターンであることが好ましい。
このような照明パターンを用いることで、二次元の全方向（３６０゜）に各帯状部が配列される。その結果、第１の照明パターンを形成する各帯状部の一部が必ずヘアラインを直交して横切るので、一回の照明パターンの照射と撮像をもって、その画像からヘアラインの方向を検出することができ、いっそうに迅速に表面検査を実施することが可能となる。

また、ヘアライン検出工程は、ヘアライン検出用画像に対して、一定の間隔を設けて複数本の平行な走査線に沿って輝度を検出する輝度走査工程を含み、各走査線上の輝度に基づきヘアラインの方向を検出することを特徴とする。

次に、上述した表面検査方法を実施するための表面検査装置に係る本発明は、
第１の照明パターンと第２の照明パターンとを選択して、検査対象の表面に照射するパターン照明部と、
検査対象を撮像して、ヘアライン検出用画像および欠陥検出用画像を得る撮像部と、
パターン照明部および撮像部を制御して、ヘアライン検出工程を実行するとともに、表面欠陥検出工程を実行する制御部と、
ヘアライン検出用画像に基づいて検査対象の表面に形成されたヘアラインの方向を検出するとともに、欠陥検出用画像に基づいて検査対象の表面に付いたヘアラインとは異なる欠陥を検出する検査処理部と、を備えたことを特徴とする。
この表面検査装置によれば、本発明に係る表面検査方法のヘアライン検出工程と表面欠陥検出工程とを、一台で効率的に実施することができる。

以上説明したように、本発明によれば、表面がヘアライン加工された物品に対して、その表面に付いたヘアラインとは異なる欠陥の、高精度かつ迅速な検出を実現することが可能となる。

本発明の実施形態に係る表面検査装置の概要を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る表面検査装置により表面検査方法を実施するための手順を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る表面検査方法におけるヘアライン検出工程を説明するための図で、（ａ）は表面にヘアラインが形成された検査対象の例を示す図、（ｂ）は第１の照明パターンの例を示す図である。 本発明の実施形態に係る表面検査方法におけるヘアライン検出工程を説明するための図で、（ａ）はヘアラインを有する検査対象の表面に対して第１の照明パターンの照射した状態を示す図、（ｂ）はヘアライン検出用画像の例を示す図である。 本発明の実施形態に係る表面検査方法におけるヘアライン検出工程を説明するための図で、（ａ）はヘアライン検出用画像を走査して輝度データを検出する工程を示す図、（ｂ）（ｃ）はヘアライン検出用画像を走査して得られた輝度検出データを示す図である。 本発明の実施形態に係る表面検査方法における表面欠陥検出工程を説明するための図で、（ａ）は第２の照明パターンの例を示す図、（ｂ）はヘアラインを有する検査対象の表面に対して第２の照明パターンの照射した状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る表面検査方法における表面欠陥検出工程により得られた欠陥検出用画像の例を示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
まず、本実施形態に係る表面検査装置について説明する。
図１は、本実施形態に係る表面検査装置の概要を示す模式図である。
表面検査装置は、パターン照明部１、撮像部２及びコンピュータ３を含む構成となっている。

パターン照明部１は、表面検査用のパターン照明を検査対象４の表面に照射するための光源となる構成要素であり、本実施形態では液晶描画部１０を備えた液晶照明装置を採用している。液晶照明装置は、描画データに応じて種々の照明パターンを液晶描画部１０に描画することができ、バックライト１１からの光線を液晶描画部１０を通して検査対象４へ照射する構成となっている。

撮像部２は、検査対象４の表面を撮像して、その表面画像を得るための構成要素である。この撮像部２には、例えば、デジタルビデオカメラなどを採用することができる。

コンピュータ３は、パターン照明部１と撮像部２とを同期して制御し、後述する表面検査方法のヘアライン検出工程と表面欠陥検出工程とを実行するための制御部としての機能を備えている。
さらに、コンピュータ３は、撮像部２によって取得したヘアライン検出用画像に基づいて、検査対象の表面に形成されたヘアラインの方向を検出するとともに、撮像部２によって取得した欠陥検出用画像に基づいて検査対象の表面に付いたヘアラインとは異なる欠陥を検出する検査処理部としての機能を備えている。

パターン照明部（液晶照明装置）１は、液晶描画部１０に照明パターンを描画するための制御デバイスを内蔵している。具体的には、制御デバイスとしてＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）１２を採用している。
ＦＰＧＡ１２は、演算プログラムをハードウエアにより構築できる半導体集積回路であって、演算プログラム回路をユーザが自由に設定できるとともに、その後も自由に設定変更できることを特徴としている。さらに、ＦＰＧＡ１２は、ハードウエアで構築された演算プログラムをもって演算処理を実行するために、ソフトウエアによる演算プログラムを読み出して演算処理を実行するマイコンに比べて、きわめて高速な演算処理を実現できる特徴を有している。
本実施形態に係るパターン照明部１は、このＦＰＧＡ１２により液晶描画部１０への照明パターンの描画処理を実行することで、照明パターンの高速な描画処理を実現している。

図２は、本実施形態に係る表面検査装置により表面検査方法を実施するための手順を示すフローチャートである。
制御部として機能するコンピュータ３は、パターン照明部１と撮像部２とを同期制御し、まずヘアライン検出工程を実行する（ステップＳ１）。同工程により検査対象４の表面に形成されているヘアラインの方向を把握することができる。次に、ヘアライン検出工程により把握したヘアラインの方向に対して照明パターンの配列方向を調整し、表面欠陥検出工程を実行する（ステップＳ２）。

次に、本実施形態に係る表面検査方法について説明する。上述したとおり、本実施形態に係る表面検査方法は、ヘアライン検出工程と表面欠陥検出工程とを含んでいる。
図３～図５は、本実施形態に係る表面検査方法におけるヘアライン検出工程を説明するための図である。
本実施形態に係る表面検査方法の検査対象４の表面には、ヘアラインと称する多数の細い線条傷が単一方向に形成されている。例えば、図３（ａ）には、上下方向（縦方向）にヘアラインが形成された検査対象４を示しているが、ヘアラインの方向ａは検査対象４によって区々であることは勿論である。
本実施形態に係る表面検査方法は、まずヘアライン検出工程を実施して、このヘアラインの方向ａを検出する。

ヘアライン検出工程では、明度の異なる明るい帯状部２０ａと暗い帯状部２０ｂとが、任意の角度範囲の方向に向かって交互に配列された第１の照明パターン２０を、パターン照明部１から検査対象４の表面に向けて照射する。そして、撮像部２により検査対象４の表面を撮像する。

第１の照明パターン２０として、本実施形態では図３（ｂ）に示すような明るい帯状部２０ａと暗い帯状部２０ｂとをそれぞれ円環状に形成し、それら各帯状部２０ａ，２０ｂを同心円上に交互に配列した照明パターンを採用している。

図４（ａ）に示すように、第１の照明パターン２０の照明光をパターン照明部１から検査対象４の表面に向けて照射しながら、撮像部２により検査対象４の表面を撮像すると、図４（ｂ）に示すようなヘアライン検出用画像２１が得られる。
このヘアライン検出用画像２１には、検査対象４の表面に照射された第１の照明パターン２０に対し、ヘアラインが延びる方向ａと直交する各帯状部２０ａ，２０ｂの一部分が、ヘアラインによる異方反射の影響をさほど受けずに、縞模様となって明瞭に写し出される。そして、ヘアライン検出用画像２１に写し出された各帯状部２０ａ,２０ｂがそれぞれ延びる方向は、ヘアラインの方向ａに直交する方向となっている。したがって、ヘアライン検出用画像２１に写し出された各帯状部２０ａ,２０ｂから、ヘアラインの方向ａを検出することができる。

具体的には、ヘアライン検出用画像２１に写し出された任意の帯状部２０ａまたは２０ｂに着目し、その帯状部２０ａまたは２０ｂの延びる方向を導き出せばよく、そのためには種々の手法を適用することができる。
本実施形態では、例えば、図５（ａ）に示すように、ヘアライン検出用画像２１に写し出された任意の帯状部２０ａ,２０ｂ対して、平行な２本の走査軌道Ｓ１，Ｓ２に沿って画像の輝度を検出する（輝度走査工程）。
図５（ｂ）は、左側の走査軌道Ｓ１に対する画像の輝度検出データであり、図５（ｃ）は、右側の走査軌道Ｓ２に対する画像の輝度検出データである。
次に、各走査軌道に対して得られた輝度検出データに基づき、同じ帯状部２０ａまたは２０ｂの内部で、輝度の値がほぼ同じ箇所を検出する。例えば、図５（ｂ）（ｃ）に示す各輝度検出データにおいて、最初に現れたピーク値Ｐ１，Ｐ２の位置を検出する。これらピーク値Ｐ１，Ｐ２の位置は、図５（ａ）のヘアライン検出用画像２１の最初（上から一番目）に写し出された暗い帯状部２０ｂ内に存在し、これらＰ１，Ｐ２を結んだ線分Ｌは当該暗い帯状部２０ｂのほぼ中心線と推定することができる。そして、検査対象４のヘアラインの方向ａは、この線分Ｌに直交する方向であろうと判断できる。

なお、ヘアライン検出用画像２１に写し出された任意の帯状部２０ａ,２０ｂが延びる方向（すなわち、ヘアラインと直交する方向）をさらに高精度に検出するために、同じ帯状部２０ａまたは２０ｂ内で、輝度の値がほぼ同じ別の箇所を複数選択し、上述と同様の手順で帯状部２０ａまたは２０ｂの延びる方向を示す線分を求めて、それぞれを対比してもよい。対比するデータとしては、例えば、各線分上の輝度のばらつき（分散）が好ましく、もっとも輝度のばらつきが少ない線分が、帯状部２０ａまたは２０ｂが延びる方向に近いと推定することができる。

また、求めた線分をその中心点周りに任意の角度ずつ回転させ、それぞれの回転位置における線分のピクセル階調データを複数取得し、そのばらつき（分散）が少ない線分の回転位置が、帯状部２０ａまたは２０ｂが延びる方向に近いと推定してもよい。

次に、ヘアライン検出工程で把握したヘアラインの方向ａを利用して、表面欠陥検出工程を実施する。
図６および図７は、本実施形態に係る表面検査方法における表面欠陥検出工程を説明するための図である。
表面欠陥検出工程では、例えば、図６（ａ）に示すような明度の異なる明るい帯状部３０ａと暗い帯状部３０ｂとが交互に配列された第２の照明パターン３０を用いる。各帯状部３０ａ，３０ｂは短冊状に形成され、それぞれ同じ方向（図では左右の横方向）ｂに延びている。

図６（ｂ）に示すように、これら各帯状部３０ａ，３０ｂの延びる方向ｂが、検査対象４に形成されたヘアラインの方向ａと直交するように、図１のＦＰＧＡ１２が第２の照明パターン３０を形成する。さらに、ＦＰＧＡ１２によって、各帯状部３０ａ，３０ｂを配列方向ｃへ周期的に移動させながら、当該第２の照明パターン３０の照明光をパターン照明部１から検査対象４の表面に向けて照射する。そして、各帯状部３０ａ，３０ｂの周期的な移動に同期して、撮像部２により検査対象４の表面を周期的に撮像する。これにより、図７に示すような欠陥検出用画像３１が得られる。

この欠陥検出用画像３１に基づいて、検査対象４の表面に付いたヘアラインとは異なる傷等の欠陥３２を検出することができる。
なお、欠陥検出用画像３１に基づいて、検査対象４の表面に付いた欠陥３２を検出できる原理については、既に周知となっているので、その詳細な説明は省略する（例えば、特許文献１、非特許文献１及び２を参照）。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形実施や応用実施を展開可能であることは勿論である。
例えば、ヘアライン検出工程に用いる第１の照明パターンは、図３（ｂ）に示したような円環状のパターンに限定されず、必要に応じて他の形状（例えば、放射状）に形成してもよい。
ヘアライン検出工程において得られたヘアライン検出用画像に基づいて、検査対象の表面に形成されたヘアラインの方向を検出する手法についても、上述した実施形態の方法に限定されるものではなく、他の手法をもって、ヘアライン検出用画像に写し出された帯状部の延びる方向を検出することが可能である。

１：パターン照明部、２：撮像部、３：コンピュータ、４：検査対象、
１０：液晶描画部、１１：バックライト、１２：ＦＰＧＡ、
２０：第１の照明パターン、２０ａ：明るい帯状部、２０ｂ：暗い帯状部、２１：ヘアライン検出用画像、
３０：第２の照明パターン、３０ａ：明るい帯状部、３０ｂ：暗い帯状部、３１：欠陥検出用画像、３２：欠陥

Claims (3)

1. 表面がヘアライン加工された物品を検査対象として、当該検査対象の表面に付いたヘアラインとは異なる欠陥を検出する表面検査方法であって、
   明度の異なる明部と暗部とが、任意の角度範囲の方向に向かって配列された第１の照明パターンを、前記検査対象の表面に照射しながら、当該検査対象の表面を撮像し、得られたヘアライン検出用画像に基づいて当該検査対象の表面に形成された前記ヘアラインの方向を検出するヘアライン検出工程と、
   明度の異なる明るい帯状部と暗い帯状部とが交互に配列された第２の照明パターンを利用し、それら各帯状部がそれぞれ前記ヘアラインと直交する方向へ延びるように調整するとともに、当該各帯状部を配列方向へ周期的に移動させながら、当該照明パターンを前記検査対象の表面に照射して、当該検査対象の表面を撮像し、得られた欠陥検出用画像に基づいて当該検査対象の表面に付いたヘアラインとは異なる欠陥を検出する表面欠陥検出工程と、を含み、
   且つ、前記ヘアライン検出工程は、前記ヘアライン検出用画像に対して、一定の間隔を設けて複数本の平行な走査線に沿って輝度を検出する輝度走査工程を含み、前記各走査線上の輝度に基づき前記ヘアラインの方向を検出することを特徴とする表面検査方法。
2. 前記第１の照明パターンは、前記明部を明るい帯状部で形成するとともに前記暗部を暗い帯状部で形成し、且つこれら明るい帯状部と暗い帯状部とをそれぞれ円環状に形成し、それら各帯状部を同心円上に交互に配列した照明パターンであることを特徴とする請求項１に記載の表面検査方法。
3. 請求項１又は２に記載の表面検査方法を実施するための表面検査装置であって、
   前記第１の照明パターンと前記第２の照明パターンとを選択して、前記検査対象の表面に照射するパターン照明部と、
   前記検査対象を撮像して、前記ヘアライン検出用画像および前記欠陥検出用画像を得る撮像部と、
   前記パターン照明部および前記撮像部を制御して、前記ヘアライン検出工程を実行するとともに、前記表面欠陥検出工程を実行するコンピュータと、を備えたことを特徴とする表面検査装置。

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