(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査体に照射光を照射するアレイ状の光源と、前記照射光が被検査体の表面で反射した反射光を検出する撮像手段と、を備え、前記被検査体の表面に存在し正常面と粗度が異なる表面欠陥を検出する欠陥検出装置であって、
前記アレイ状の光源は、異なる特性を有する少なくとも３種類の照射光を照射するものであり、
前記撮像手段は、前記正常面が粗面状であり且つ前記表面欠陥が鏡面状である場合、前記表面欠陥で反射した少なくとも３種類の照射光のうち何れかの１種類又は２種類の照射光の受光量が残りの照射光の受光量よりも大きくなるように配置されることにより、
前記表面欠陥は前記何れかの１種類または２種類の照射光の正反射成分が反射光として撮像され、前記正常面は前記表面欠陥の反射光より多くの種類の照射光の乱反射成分が反射光として撮像され、
前記アレイ状の光源は、３種類の照射光に対応する照射光源を、隣り合う照射光が同種類とならないように、所定の配列単位で周期的に繰り返し直線状に順次配置されて構成され、
前記撮像手段は、前記照射光源の光源幅Ｗ’との間で次式の関係を満たす視野幅Ｗを有する 
ことを特徴とする欠陥検出装置。
【数９】
0005787668.tif 000010
【請求項２】
前記撮像手段は、前記照射光が鏡面で反射するときの散乱角φとの間で次式の関係を満たすような有効開口θを有することを特徴とする請求項１に記載の欠陥検出装置。
【数１０】
0005787668.tif 000011
【請求項３】
前記少なくとも３種類の照射光は、赤色、緑色、青色の３種類の照射光であることを特徴とする請求項１又は２に記載の欠陥検出装置。
【請求項４】
前記撮像手段は、前記照射光が鏡面で反射するときの散乱角φとの間で次式の関係を満たすような有効開口θを有し、前記被検査体の鏡面以外の粗面で反射した反射照射光を白色として検出することを特徴とする請求項３に記載の欠陥検出装置。
【数１１】
0005787668.tif 000012
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被検査体の表面に光を照射して表面欠陥を検出する欠陥検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば圧延材など、金属材料からなる被検査体の表面に存在する疵（以下、表面欠陥という）を精度良く検出しようとする技術が、従来から数多く開発されてきた。この表面欠陥を検出する技術として、光源を用いた欠陥検出方法がある。この欠陥検出方法では、被検査体の表面に光を照射すると共に、被検査体の表面で反射した反射光を画像としてカメラで撮像（検出）する。その上で、撮像された画像内の輝度値分布を検出し、検出した輝度分布に基づいて表面欠陥の位置が検出される。例えば、光源には、白色光や、赤色や青色の特定波長光、又は偏光を発するものが用いられている。
【０００３】
このように光源を用いて被検査体の表面欠陥を検出する技術として、特許文献１及び特許文献２に開示の技術がある。
特許文献１に開示の欠陥検査装置は、金属試料表面を３つの異なる仰角位置から照明する照明手段と、該照明手段の各位置からの反射照明による画像を上方より撮影する撮影手段と、各位置からの反射照明による撮影画像に、それぞれＲ、Ｇ、Ｂを割当て、各画像を入力する入力手段と、入力された各画像を合成した合成画像に基づいて欠陥を検出する画像処理手段とを備えた金属試料表面の欠陥検査装置であって、最大仰角位置の照明手段により照明して、前記撮影手段により撮影した画像を抜き出す手段と、抜き出した画像を通常の金属試料表面の輝度より高い閾値で２値化する手段と、作成された２値化画像に基づいて欠陥を判定する手段とを備えていることを特徴とするものである。
【０００４】
また、特許文献２に開示の金属表面検査装置は、同一の金属表面を、高角度、中角度及び低角度の各照明を行なう照明手段と、前記高角度、中角度及び低角度の各照明の下で、前記金属表面を上方より撮影する撮影手段と、撮影して得られた各画像データに、Ｒ、Ｇ、Ｂのいずれかをそれぞれ割り当てた３つの画像データを合成する合成手段と、合成されたＲＧＢカラー画像に基づいて、金属の表面状態を検出する金属表面検査装置において、前記中角度及び低角度の両照明下における反射強度が大きい中・低角度照明反射部のみの存在から、エッジを有する欠陥を識別し、前記高角度照明下における反射強度が表面部より大きい高角度照明反射部のみの存在から接触疵を識別すると共に、前記中・低角度照明反射部及び前記高角度照明反射部の近接存在から付着異物を識別する手段を備えていることを特徴とするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１６２１５０号公報
【特許文献２】特開２００１−２１５００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１及び特許文献２に開示の技術は、正常面と比較して表面形状が大きく変化するような表面欠陥に対しては、光源からの照明光の反射角が大きく変動するので有効である。しかし、正常面とは表面形状の差が小さく、表面の粗さが異なるだけの表面欠陥の場合は、エリアセンサカメラに入射する反射照明光の総光量はほとんど変化しない。その場合は、カメラでの撮像画像で十分なコントラストを得ることができず、従って表面欠陥を検出することは困難となる。
【０００７】
また、上記特許文献とは別に、一般的に、被検査体表面の粗さ変化を検出する検査手法として偏光を用いる方法もある。しかし、被検査体が金属のように異方性のある反射面を有する場合には、偏光方向が変わってしまい十分に効果的な検査ができない場合がある。これに加えて、偏光を用いる方法では、カメラ視野端など角度がついた部分に対応する画像では感度に差が出るという欠点もあるということを、本願発明者らは実験を通じて知見している。
【０００８】
上記特許文献の検査手法では検出が困難であると説明した表面粗さが異なるだけの表面欠陥に関して、表面欠陥以外の正常部分が粗面であれば、異常部分である表面欠陥は鏡面に近いことが多い。よって、被検査体表面で反射した照射光の一部である正反射だけを検出するように光源とカメラの位置を限定することで、表面欠陥の検出は可能になると考えられる。
【０００９】
実際に、一般的な検査手法では検出できなかった金属表面の粗さが変化する表面欠陥に対して、カメラレンズのＦ値を極力小さくし（明るいカメラレンズを用い）、光源をＦ値にあわせた小さなものを用いることで表面欠陥の検出は可能となっている。しかしながら、Ｆ値と光源を小さくしたことによってカメラの有効視野が限られ、カメラの台数及び光源の数を増加しなくてはならず検査装置が複雑化かつ大型化してしまう。よって、当該検査装置のインラインへの適用は、非常に困難となる。
【００１０】
本発明は、上述の問題に鑑みて、出来るだけ簡易な処理を用いて、表面粗さに差異を生じる表面欠陥を高速かつ効率的に検出する欠陥検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するため、本発明は、以下の技術的手段を採用した。
本発明に係る欠陥検出装置は、被検査体に照射光を照射するアレイ状の光源と、前記照射光が被検査体の表面で反射した反射光を検出する撮像手段と、を備え、前記被検査体の表面に存在し正常面と粗度が異なる表面欠陥を検出する欠陥検出装置であって、前記アレイ状の光源は、異なる特性を有する少なくとも３種類の照射光を照射するものであり、前記撮像手段は、前記正常面が粗面状であり且つ前記表面欠陥が鏡面状である場合、前記表面欠陥で反射した少なくとも３種類の照射光のうち何れかの１種類又は２種類の照射光の受光量が残りの照射光の受光量よりも大きくなるように配置されることにより、前記表面欠陥は前記何れかの１種類または２種類の照射光の正反射成分が反射光として撮像され、前記正常面は前記表面欠陥の反射光より多くの種類の照射光の乱反射成分が反射光として撮像され、前記アレイ状の光源は、３種類の照射光に対応する照射光源を、隣り合う照射光が同種類とならないように、所定の配列単位で周期的に繰り返し直線状に順次配置されて構成され、前記撮像手段は、前記照射光源の光源幅Ｗ’との間で次式の関係を満たす視野幅Ｗを有することを特徴とする。
【００１４】
【数１】
0005787668.tif 000002
【００１５】
また、好ましくは、前記撮像手段は、前記照射光が鏡面で反射するときの散乱角φとの間で次式の関係を満たすような有効開口θを有するとよい。
【００１６】
【数２】
0005787668.tif 000003
【００１７】
また、好ましくは、前記少なくとも３種類の照射光は、赤色、緑色、青色の３種類の照射光であるとよい。
また、好ましくは、前記撮像手段は、前記照射光が鏡面で反射するときの散乱角φとの間で次式の関係を満たすような有効開口θを有し、前記被検査体の鏡面以外の粗面で反射した反射照射光を白色として検出するとよい。
【００１８】
【数３】
0005787668.tif 000004
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、出来るだけ簡易な処理を用いて、表面粗さに差異を生じる表面欠陥を高速かつ効率的に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態による欠陥検出装置の概略構成を示す図であり、（ａ）は撮像カメラ及びアレイ光源の配置を示す図、（ｂ）はアレイ光源の構成を示す図である。
【図２】アレイ光源からの照射光の反射特性を示す図であり、（ａ）は粗面での反射特性を示す図、（ｂ）は鏡面での反射特性を示す図である。
【図３】撮像カメラ及びアレイ光源の光学的な配置を示す概略図である。
【図４】本実施形態による欠陥検出装置のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）は正常面が粗面で表面欠陥が完全鏡面である場合の結果を示す図、（ｂ）は正常面が粗面で表面欠陥が若干粗面である場合の結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を、図面に基づき説明する。なお、以下の説明では、同一の構成要素には同一の符号を付している。また、同一の構成要素に関しては、名称も機能も同じである。したがって、同一のものについての詳細な説明は繰返さない。
図１（ａ）を参照して、本発明の実施形態による欠陥検出装置１の構成について説明する。図１（ａ）は、被検査体Ｔと、被検査体Ｔの上方に配置された欠陥検出装置１の撮像手段２（撮像カメラ２Ａ、撮像レンズ２Ｂ）及びアレイ光源３とを示している。なお、被検査体Ｔの表面において白抜きで示される部分は、アレイ光源３からの照射光が照射された範囲を示している。
【００２２】
被検査体Ｔは、例えば、表面加工が施された圧延材などの金属材料であって、その表面は、酸処理又はブラスト処理等により粗面となるように加工されている。被検査体Ｔにおいて、粗面に加工された面は正常面であるが、被検査体Ｔの加工工程で、この正常面に押し込み疵などの表面欠陥Ｄが形成されることがある。押し込み疵は、粗面を上方から押しつぶすように押さえつけることで形成される疵であるため、ほぼ鏡面をなす（鏡面状の）表面欠陥Ｄとなっている。
【００２３】
以下に説明する欠陥検出装置１は、正常面が粗面となるように加工された被検査体Ｔに形成された鏡面状の表面欠陥Ｄを効率よく検出することができる。これに限らず、本実施形態による欠陥検出装置１は、粗面内に形成された鏡面の疵、及び鏡面内に形成された粗面の疵など、正常面に対して粗さが変化する疵（表面欠陥）を効率良く検出するものである。
【００２４】
なお、本明細書の最後で述べるが、本願発明の技術は、正常面が鏡面で表面欠陥が粗面である場合にも適用できる。
欠陥検出装置１は、被検査体Ｔ上に配置された撮像手段２（撮像カメラ２Ａ、撮像レンズ２Ｂ）と、アレイ光源３と、撮像手段２及びアレイ光源３の動作を制御する制御部（図示せず）とを有している。
【００２５】
制御部は、アレイ光源３を点灯させて被検査体Ｔに照射光を照射し、撮像カメラ２Ａによって被検査体Ｔで反射した反射照射光を撮像する。さらに制御部は、撮像カメラ２Ａで撮像した反射照射光の画像から、画像処理によって表面欠陥Ｄを検出する。この制御部の動作については、アレイ光源３及び撮像カメラ２Ａなど、欠陥検出装置１の構成を説明した後に詳しく説明する。
【００２６】
図１（ｂ）は、アレイ光源３の構成を示す図である。アレイ光源３は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３つの色（特性）の発光セル４（４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ）が、所定の配列単位で周期的に繰り返し直線状に配置されて構成される。本実施形態において、各発光セル４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの幅（光源幅）Ｗ’は、例えば１０ｍｍである。
図１（ｂ）に示すように、アレイ光源３の発光セル４は、紙面に向かって左側からＲ，Ｇ，Ｂの順番を繰り返して配列されている。本実施形態においてアレイ光源３は、このＲ，Ｇ，Ｂの順番での発光セル４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの組み合わせを所定の配列単位として、当該配列単位が３回繰り返されて構成されている。このため、アレイ光源３は、Ｒ，Ｇ，Ｂの発光セル４Ｒ，４Ｇ，４Ｂがそれぞれ３個ずつ用いられて、合計９個の発光セル４で構成されている。本実施形態によるアレイ光源３において、３種類の照射光に対応する照射光源は、隣り合う照射光が同種類とならないように順次配置され、同色（同種）の照射光を発する発光セル４が隣り合わないように配列されている。
【００２７】
各発光セル４は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）のいずれかの光を発する発光ダイオード（ＬＥＤ）で構成されている。しかし、赤色、緑色、青色の各色のフィルムを用意し、それらフィルタに白色光を透過させることによっても、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色の発光セル４Ｒ，４Ｇ，４Ｂを構成することができる。
図１（ａ）に戻って、このように構成されたアレイ光源３は、アレイ光源３の長手方向が被検査体Ｔの表面に形成された表面欠陥Ｄを横切るように、被検査体Ｔから高さＬの位置で各発光セル４を被検査体Ｔに向けて配置される。被検査体Ｔが、製造ラインにおいて長手方向に連続的に搬送される場合、アレイ光源３は、アレイ光源３の長手方向が被検査体Ｔの搬送方向を横切るように配置されるとよい。
【００２８】
また、被検査体Ｔの表面に圧延痕や研磨痕のように１方向に沿って筋状の模様（スジ模様）がある場合は、スジ模様を横切る方向にアレイ光源３を配置するとよい。しかし、被検査体Ｔが、紙や、酸処理・ブラスト処理された金属表面などで、形成される表面欠陥Ｄの方向が特定の向きに限られない場合、アレイ光源３を配置する方向は特に限定されない。
【００２９】
撮像カメラ２Ａは、例えば、赤色、緑色、青色を識別可能な固体撮像素子であるＣＣＤイメージセンサを備えた一般的なカラーカメラであって、被検査体Ｔに撮像レンズ２Ｂを向けてアレイ光源３に隣接するように設けられている。
撮像カメラ２Ａに備えられた撮像レンズ２Ｂは、例えば、レンズ径が２０ｍｍ、焦点距離ｆが８ｍｍ、レンズの明るさを示すＦ値が１０の一般的なレンズである。このレンズは、絞りの値を変更することによってＦ値を変更することができ、後に説明するレンズの有効ＮＡ（開口）θを変更することができる。
【００３０】
図２（ａ），（ｂ）を参照しながら、アレイ光源３に対する撮像カメラ２Ａの配置位置について、詳細に説明する。図２（ａ），（ｂ）においては、説明を簡潔に行うために、アレイ光源３の一つの配列単位だけを示している。図２（ａ），（ｂ）に示す観測点は、撮像カメラ２Ａの撮像レンズ２Ｂの位置であるが、実際の撮像レンズ２Ｂ（撮像カメラ２Ａ）の配置は、紙面のアレイ光源３に向かって手前側である。しかし、被検査体ＴへのＲ，Ｇ，Ｂの照射光の入射角度と被検査体Ｔでの反射照射光の反射角度を紙面上に平面的に記載するために、便宜上アレイ光源３及び観測点（撮像レンズ２Ｂ）の配置を紙面上に示している。
【００３１】
なお、アレイ光源３及び観測点の下に描かれている凹凸面は、被検査体Ｔの表面である。また、以下の説明及び参照する図面において、アレイ光源３のＲ，Ｇ，Ｂの各発光セル４から照射される照射光を便宜的に直線（実線、破線、及び鎖線）として表現している。しかしこの表現は、照射光がレーザ光であることを意味しているのではなく、照射光の散乱成分を除いた主成分を直線で示すという意図によるものである。
【００３２】
図２（ａ）は、アレイ光源３から照射された照射光が被検査体Ｔの粗面で様々な方向に反射（乱反射）する状態を示している。被検査体Ｔの粗面で反射した反射照射光の一部は、Ｒ，Ｇ，Ｂともほぼ均等に観測点である撮像レンズ２Ｂに入るので、撮像カメラ２Ａは、被検査体Ｔの粗面を白色の画像として撮像する。
図１を参照しながら上述したように、撮像カメラ２Ａをアレイ光源３に隣接するように設ければ、被検査体Ｔの粗面を白色の画像として撮像することができる。本実施形態では、効果的に表面欠陥Ｄを撮像することができるように、撮像カメラ２Ａの配置が、図２（ｂ）に示すような配置となるように工夫している。
【００３３】
図２（ｂ）は、アレイ光源３からのＲ，Ｇ，Ｂの各照射光が被検査体Ｔの鏡面部分（表面欠陥Ｄ）で反射する状態を示している。押し込み疵等である表面欠陥Ｄの表面はほぼ鏡面であるので、表面欠陥Ｄで反射したＲ，Ｇ，Ｂの各照射光は、図２（ａ）と比較して、乱反射しにくくなる。つまり、鏡面状の表面欠陥Ｄでは、Ｒ，Ｇ，Ｂの各照射光の反射光は、ほぼ正反射成分のみで構成されることとなる。図２（ｂ）では、Ｒ，Ｇ，Ｂの各照射光とそれらの正反射成分を、実線、破線、及び鎖線の直線で示している。
【００３４】
図２（ｂ）に示すように、本実施形態における撮像カメラ２Ａは、Ｒ，Ｇ，Ｂの各照射光のうち、Ｒ（赤色）の照射光の正反射成分のみが撮像レンズ２Ｂに入射する位置に配置される。このように、Ｒ，Ｇ，Ｂの各照射光が鏡面で反射した際に、Ｒの正反射成分だけが撮像レンズ２Ｂに入射するような位置に撮像カメラ２Ａを配置すると、撮像カメラ２Ａは、粗面を白色として撮像し、鏡面を赤色として撮像することができる。
【００３５】
なお、図２（ｂ）では、Ｒの正反射成分だけが撮像レンズ２Ｂに入射する場合を説明した。しかし、各照射光の主成分の角度条件によっては、Ｇの正反射成分だけが撮像レンズ２Ｂに入射する位置に、また、Ｂの正反射成分だけが撮像レンズ２Ｂに入射する位置に撮像カメラ２Ａを配置することもできる。その場合、撮像カメラ２Ａは、粗面を白色として撮像し、鏡面を緑色又は青色として撮像することができる。
【００３６】
以上の説明をまとめる。つまり、撮像カメラ２Ａは、粗面からの反射光がＲ，Ｇ，Ｂともほぼ均等に撮像レンズ２Ｂに入射するので、被検査体Ｔの粗面の部分をほぼ白色として撮像する。また、撮像カメラ２Ａは、鏡面である表面欠陥Ｄからは主に赤色（Ｒ）の正反射成分が撮像レンズ２Ｂに入射するので、被検査体Ｔの表面欠陥Ｄの部分をほぼ赤色として撮像することができる。
【００３７】
しかし、現実には、Ｒ，Ｇ，Ｂのうちの１色の正反射成分だけが撮像レンズ２Ｂに入射するように撮像カメラ２Ａを配置することよりも、Ｒ，Ｇ，Ｂのうちの少なくとも１色の正反射成分が撮像レンズ２Ｂに入射しにくい位置に撮像カメラ２Ａを配置するほうが容易な場合もある。撮像カメラ２Ａをこのように配置した場合は、表面欠陥Ｄの部分がＲ，Ｇ，Ｂのうち２色の混合色として撮像されることとなるが、粗面がＲ，Ｇ，Ｂの３色の混合色として撮像されるので、混合色同士の比較によって、表面欠陥Ｄの位置を特定することは可能である。
【００３８】
さらに述べると、撮像カメラ２Ａは、鏡面状の表面欠陥Ｄで反射したＲ，Ｇ，Ｂの３色の照射光のうち特定の１色又は２色の照射光の受光量が残りの照射光の受光量よりも大きくなるように配置されているといえる。
上述のように撮像カメラ２Ａを配置した上で、さらに撮像レンズ２Ｂの有効ＮＡ（開口）を調整する。
【００３９】
図３を参照しながら、有効ＮＡ（開口）を調整する方法について説明する。図３は、アレイ光源３、表面欠陥Ｄ、及び撮像レンズ２Ｂの光学的な位置関係を平面で示している。
まず、図３には、アレイ光源３の全体と撮像レンズ２Ｂの開口が、表面欠陥Ｄ（被検査体Ｔの表面）を挟んで上下に示されている。図３において、一点鎖線は撮像レンズ２Ｂの光軸を示し、実線は撮像レンズ２Ｂの有効ＮＡとアレイ光源３上での視野幅Ｗとの関係を示している。
【００４０】
本実施形態における撮像レンズ２Ｂの有効ＮＡとは、撮像レンズ２Ｂの開口径のうち撮像レンズ２Ｂに入射した光を実際に透過させることが可能な範囲のことであり、レンズの絞りを調整することで撮像レンズ２Ｂの光軸を中心とした径を調整することのできる開口である。この有効ＮＡに関して、図３における、撮像レンズ２Ｂの有効ＮＡと視野幅Ｗとの関係を示す実線と、一点鎖線で示す撮像レンズ２Ｂの光軸とがなす角を有効ＮＡθとしている。
【００４１】
このとき、撮像レンズ２Ｂの視野幅Ｗ、アレイ光源３の被検査体Ｔからの高さ（距離）Ｌ、及び有効ＮＡθの関係は、式（１）で示される。
【００４２】
【数４】
0005787668.tif 000005
【００４３】
つまり、すでに配置されたアレイ光源３および撮像カメラ２Ａにおいては、アレイ光源３の被検査体Ｔからの高さ（距離）Ｌは固定値であるので、有効ＮＡθを調整することで、式（１）に従って視野幅Ｗを調整する。この視野幅Ｗは、発光セル４の幅（光源幅）Ｗ’を基準として調整される。
ここで、視野幅ＷがＷ＝３Ｗ’の関係を満たすように有効ＮＡθが調整されれば、鏡面におけるＲ，Ｇ，Ｂの３色の正反射成分が全て撮像レンズ２Ｂに入射してしまい、表面欠陥Ｄの部分も白く撮像されてしまう。よって、有効ＮＡθは、視野幅ＷがＷ＜３Ｗ’の関係を満たすように調整されなくてはならない。
【００４４】
この上でさらに、視野幅ＷがＷ＜２Ｗ’の関係を満たす程度に有効ＮＡθが調整されれば、鏡面におけるＲ，Ｇ，Ｂの正反射成分のうち２色を超える正反射成分が撮像レンズ２Ｂに入射することは困難となる。
ここで、鏡面状の表面欠陥ＤにおけるＲ，Ｇ，Ｂの正反射成分のうち、可能な限り１色の正反射成分だけが撮像レンズ２Ｂに入射するように撮像カメラ２Ａの視野幅Ｗを調整するには、視野幅Ｗが光源幅Ｗ’よりも小さく（Ｗ＜Ｗ’）なるように有効ＮＡθを小さくすればよい。そうすれば、鏡面状の表面欠陥ＤにおけるＲ，Ｇ，Ｂの正反射成分のうち１色又は２色の正反射成分だけを、より確実に撮像レンズ２Ｂに入射させることができる。
【００４５】
続いて、反射照射光の散乱（拡散）の影響を考慮した有効ＮＡθの調整方法について説明する。
反射照射光は、正反射方向を中心に拡散しながら進行するので、拡散成分のうち正反射成分を基準として輝度が半分になる拡散成分の拡散角度を、拡散角度（散乱角）φとして定義する。なお、拡散角度φは、被検査体Ｔの表面粗度や照射光の波長などに依存する固定値であるので、被検査体Ｔごとの拡散角度φを予め把握しておくことが必要である。
【００４６】
本実施形態では、被検査体Ｔの表面形状として、粗面としての正常面と、鏡面としての表面欠陥Ｄを想定して説明しているが、予め把握しておくべき拡散角度φは、白色として撮像すべき粗面での拡散角度φなので、本実施形態では、正常面での拡散角度φを予め把握しておく。しかし、正常面が鏡面で表面欠陥Ｄが粗面である場合は、白色として撮像すべき表面欠陥Ｄでの拡散角度φを予め把握しておかなくてはならない。
【００４７】
本実施形態において、拡散角度φに対する有効ＮＡθの望ましい範囲は、φ＞θである。有効ＮＡθを拡散角度φよりも小さい範囲に設定すれば、Ｒ，Ｇ，Ｂの隣り合う正反射光の拡散成分が撮像レンズ２Ｂへ入射するのを抑制することができ、正常面である粗面を、拡散成分の色をあまり含まない白色として撮像することができる。また、拡散角度φに対する有効ＮＡθの範囲を、φ＞２θ（φ／２＞θ）とすれば、隣り合う正反射光の拡散成分が撮像レンズ２Ｂへ入射するのをさらに抑制することができる。
【００４８】
例えば、図１の構成において、被検査体Ｔがアルミの圧延材であって、当該アルミの圧延面（拡散角度φ＝６〜１０°）の上方２００ｍｍ（Ｌ＝２００ｍｍ）のところにアレイ光源３を配置し、撮像レンズ２ＢのＦ値が１０である場合を考える。
この場合、Ｆ＝１０＝１／（２ｓｉｎθ）より、θ＝２．８６°程度となり、拡散角度φに対する有効ＮＡθの範囲は、φ＞２θの関係を満たしている。拡散角度φに対してこのように有効ＮＡθが設定されれば、正常面である粗面を、拡散成分の少ないＲ，Ｇ，Ｂがほぼ等しく混ざった白色として撮像することができる。
【００４９】
このとき、既に述べたように、拡散角度φは被検査体Ｔの表面形状に依存する固定値であるので、被検査体Ｔからのアレイ光源３の高さ（距離）Ｌ、及び撮像レンズ２ＢのＦ値を適宜選択することによって、上述の条件（φ＞θ、又はφ／２＞θ）を満たす有効ＮＡθを実現すればよい。その上でさらに、既に述べたように、視野幅ＷがＷ＜３Ｗ’の関係を満たすように有効ＮＡθを調整すれば、正常面である粗面を白として、且つ表面欠陥Ｄである鏡面を１色又は２色の混合色として、本実施形態では赤色として撮像することができる。これによって、被検査体Ｔの表面の粗さが変化する正常面と表面欠陥Ｄとのコントラストを明瞭にすることができ、表面欠陥Ｄを確実に検出することができる。
【００５０】
以上のような構成のアレイ光源３及び撮像手段２を用いて撮像した被検査体Ｔの画像から、表面欠陥Ｄを抽出するための画像処理について説明する。
本実施形態では、粗さの変化する正常面と表面欠陥Ｄは、異なる色で撮像されるように欠陥検出装置１が構成されている。つまり、粗面である正常面は白色として、鏡面を呈する表面欠陥Ｄは赤色として撮像されるようにアレイ光源３及び撮像カメラ２Ａが構成されているので、被検査体Ｔの画像色に基づいて表面欠陥Ｄを検出することができる。
【００５１】
表面の粗さがあまり変化しない疵の検出のみであれば、被検査体Ｔの画像における輝度を考慮してもよいが、被検査体Ｔの画像から輝度情報を欠落させることで、確実に粗さが変化した表面欠陥Ｄを抽出することができる。このための画像処理には、従来から広く用いられている色抽出手法を適用することができる。
この色抽出手法では、Ｒ，Ｇ，Ｂを直交ベクトルとした座標系において、各画素の位置ベクトル（色の位置ベクトル）を算出し、基準位置との距離をそれぞれ算出する。この方法において、算出した位置ベクトルを単位ベクトルに変換した後で基準位置からの距離を算出すれば、輝度の影響が無くなる。
【００５２】
基準位置として採用できるサンプルがない場合には、撮像された被検査体Ｔの画像を１０個程度の領域に分け、各領域の位置ベクトルの重心位置を算出する。その上で、算出された１０個の重心位置の平均又は中央値を基準位置として採用する。この基準位置の決め方は、撮像カメラ２Ａとしてエリアセンサを用いる場合に有効である。
ここで、基準位置Ｐ０の座標を（Ｒ０，Ｇ０，Ｂ０）、正常位置Ｐ１の座標を（Ｒ１，Ｇ１，Ｂ１）、欠陥位置Ｐ２の座標を（Ｒ２，Ｇ２，Ｂ２）とし、各ベクトルの大きさＭｎを式（２）で求める。
【００５３】
【数５】
0005787668.tif 000006
【００５４】
このとき、基準位置Ｐ０の単位ベクトル（基準位置ベクトル）から各画素信号の単位ベクトルまでの距離Ｓｎに関して、基準位置ベクトルから正常位置Ｐ１の単位ベクトルまでの距離Ｓ１は式（３）、基準位置ベクトルから欠陥位置Ｐ２の単位ベクトルまでの距離Ｓ２は式（４）のようになる。
【００５５】
【数６】
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【００５６】
【数７】
0005787668.tif 000008
【００５７】
この上で、例えば正常位置Ｐ１の距離Ｓ１の１００×５０画素分の平均値を距離Ｓ１ａとして式（５）でオフセット値Ｓ’を求め、撮像された被検査体Ｔの画像をオフセット補正して背景パターンの影響をキャンセルすると、表面欠陥Ｄを明瞭に検出することができる。また、ベクトルを単位ベクトルとして扱うことにより、測定対象の反射率や光源の輝度ムラにより生じる輝度の影響をキャンセルすることができる。
【００５８】
【数８】
0005787668.tif 000009
【００５９】
これら上述の画像処理は、先に述べた制御部によって、撮像カメラ２Ａ及びアレイ光源３の動作制御と共に実行される。
図４を参照しながら、本実施形態の欠陥検出装置１の検出精度についてのシミュレーション結果について説明する。
図４（ａ）は、被検査体Ｔの正常面が粗面で、且つ表面欠陥Ｄが完全に鏡面である場合の結果を表しており、Ｒ，Ｇ，Ｂの強度を直交ベクトル（Ｒ，Ｇ，Ｂ）とした色ベクトルの座標系において、白色（１，１，１）と表面欠陥Ｄの各画素の色ベクトルとがなす角度を相対値で表したグラフである。
【００６０】
言い換えれば、図４（ａ）の縦軸は、白色（１，１，１）と、赤色（１，０，０）、緑色（０，１，０）及び青色（０，０，１）となす角度を最大値１とし、白色（１，１，１）と一致する場合の角度を最小値０としている。つまり、縦軸の最大値１に近づくほど、Ｒ，Ｇ，Ｂのいずれかの単色に近く、最小値０に近づくほど白色に近いといえる。また、図４（ａ）の横軸は、表面欠陥Ｄ上の各位置を示している。
【００６１】
なお、図４（ａ）のグラフは、視野幅Ｗを１０ｍｍ（＝Ｗ’）、２０ｍｍ（＝２Ｗ’）、３０ｍｍ（＝３Ｗ’）としたときの結果をそれぞれ示している。
視野幅Ｗが１０ｍｍであるとき、グラフの振幅は約０．８５から約０．９５の間に収まっており、表面欠陥Ｄはほぼ単色で検出されることがわかる。視野幅Ｗが２０ｍｍであるとき、グラフの振幅は約０．５５から約０．８５の間に収まっており、表面欠陥Ｄは白以外の混合色で検出されることがわかる。表面欠陥Ｄの測定環境によって上下２０％程度値にバラツキがあっても、グラフの最小値は約０．４程度であるので正常面の白色と表面欠陥Ｄとを区別することは十分に可能である。なお、縦軸の値が０．２となる位置を破線で強調しているが、この破線は、グラフの値が破線より下、つまり０．２より小さくなると表面欠陥Ｄの識別が困難になることから、下限値の目安として表示している。
【００６２】
視野幅Ｗが３０ｍｍであるとき、グラフの値は、表面欠陥Ｄの位置によらず０となっており、表面欠陥Ｄは白色として検出されている。従って、表面欠陥Ｄを正常面の白色と区別することは困難である。
また、図４（ｂ）は、被検査体Ｔの正常面が粗面で、且つ表面欠陥Ｄが反射光を若干散乱させる面であって、散乱角φ’が有効ＮＡθの半分である場合（散乱角φ’＝θ／２）の結果を表している。
【００６３】
視野幅Ｗが１０ｍｍであるとき、グラフの振幅は約０．５５から約０．６５の間に収まっており、表面欠陥Ｄは白以外の混合色で検出されることがわかる。視野幅Ｗが２０ｍｍであるときは、グラフの振幅は約０．３から約０．３８の間に収まっており、目安となる０．２よりも大きな値となっている。そのため、正常面の白色と表面欠陥Ｄとを区別することは可能であるが、表面欠陥Ｄの測定環境によって上下２０％程度のバラツキがあれば、わずかにではあるが、目安となる０．２を下回ってしまう可能性もある。
【００６４】
視野幅Ｗが３０ｍｍであるときは、図４（ａ）と同様に、グラフの値は、表面欠陥Ｄ上の位置によらず０となっており、表面欠陥Ｄは白色として検出されている。従って、表面欠陥Ｄを正常面の白色と区別することは困難である。
図４（ａ）及び図４（ｂ）に示す結果をまとめると、次のように言うことができる。
まず、正常面が粗面で表面欠陥Ｄが鏡面であるなど、表面の粗さが明確に異なる場合は、視野幅Ｗを適切に調整することで、非常に精度良く表面欠陥Ｄを検出することができる。
また、正常面と表面欠陥Ｄの粗さが明確には異なっていない場合でも、散乱角φ’に対して有効ＮＡθを適切に設定することで、表面欠陥Ｄを検出することができる。
【００６５】
ところで、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、動作条件や測定条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。
【００６６】
例えば、上述の実施形態では、アレイ光源３として、ＬＥＤ照明などにより赤、緑、青の色の異なる３種類の光を実現していた。しかし、回折格子などの分光素子を利用することや、偏光方向の異なる光を採用することで、異なる特性を有する少なくとも３種類の照射光を実現することも可能である。
また、上述の実施形態において、被検査体Ｔの正常面が粗面あって且つ表面欠陥Ｄが鏡面である場合について説明したが、これとは逆に、正常面が鏡面であって且つ表面欠陥Ｄが粗面である場合にも、本願発明を適用することができる。その場合は、正常面が有色、表面欠陥Ｄが白色として検出される。
【００６７】
本願発明の欠陥検出装置１は、被検査体Ｔの表面の粗さの変化を検出するものであるともいえるので、例えば、被検査体Ｔを紙とした場合に、糊やテープなどの表面の付着物を検出することができる。また、欠陥検出装置１は、被検査体Ｔの表面が被膜でコーティングされている場合、被膜の剥離などの欠陥を検出することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１    欠陥検出装置
２    撮像手段
２Ａ    撮像カメラ
２Ｂ    撮像レンズ
３    アレイ光源
４（４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ）    発光セル
Ｄ    表面欠陥
Ｔ    被検査体
【図１】
0005787668.tif 000013
【図２】
0005787668.tif 000014
【図３】
0005787668.tif 000015
【図４】
0005787668.tif 000016