(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明装置から周期的な明暗ストライプパターンを被検査物体に照射し、
撮像装置が有するレンズの焦点を、前記照明装置のストライプパターンの位置と比較して、ストライプパターンのコントラストが低下するように遠方あるいは手前の位置にずらし、
前記被検査物体を反射したパターンまたは透過したパターンを前記撮像装置により撮像し、
撮像したストライプパターンのコントラスト変化を表す画像信号に基づいて、前記被検査物体の凹凸を凹み部と凸部を区別して検出する、
ステップを備え、
前記被検査物体の凹凸を検出するステップは、前記画像信号を第１の基準電圧と比較し、前記画像信号が前記第１の基準電圧より大きい部分を二値の一方の値に設定し、前記一方の値の部分を所定の距離だけ横方向に拡大処理し、拡大処理後に前記一方の値をとる部分を凸部又は凹み部と検出することを特徴とする欠陥検出方法。
【請求項２】
照明装置から周期的な明暗ストライプパターンを被検査物体に照射し、
撮像装置が有するレンズの焦点を、前記照明装置のストライプパターンの位置と比較して、ストライプパターンのコントラストが低下するように遠方あるいは手前の位置にずらし、
前記被検査物体を反射したパターンまたは透過したパターンを前記撮像装置により撮像し、
撮像したストライプパターンのコントラスト変化を表す画像信号に基づいて、前記被検査物体の凹凸を凹み部と凸部を区別して検出する、
ステップを備え、
前記被検査物体の凹凸を検出するステップは、前記画像信号を第２の基準電圧と比較し、前記画像信号が前記第２の基準電圧より大きい部分を二値の一方の値に設定し、前記一方の値の部分を所定の距離だけ横方向に縮小処理し、縮小処理後に前記一方の値をとる部分を凸部又は凹み部と検出することを特徴とする欠陥検出方法。
【請求項３】
請求項１又は２記載の欠陥検出方法において、前記撮像手段が有するレンズの焦点をずらすステップは、前記被検査物体が正常な場合の前記撮像手段における明暗ストライプパターンのコントラストが、前記照明手段のストライプパターンの位置に合わせた場合と比較して１／４〜３／４になるように、前記照明手段のストライプパターンの位置の遠方あるいは手前にずらすことを特徴とする欠陥検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、鏡面性あるいは透過性を有する物体に存在する、表面凹凸、光学歪み等の欠陥を検出する欠陥検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
連続的に生産される、金属板、不透明樹脂板等の鏡面性を有する物体、または、透明フィルム、透明樹脂板等の透明性を有する物体には、表面凹凸、光学歪み等の欠陥が存在する場合がある。これらの欠陥を検出する欠陥検出装置として、従来から、ライン状照明装置とラインＣＣＤカメラを利用した欠陥検出装置が知られている。例えば表面に存在する凹凸の検査では、物体の流れ方向に対して垂直にライン状照明装置を配置し、ライン状照明装置によって照明された物体からの反射光をラインＣＣＤカメラで受光する。表面凹凸等の欠陥により反射光が乱されると、欠陥部でのラインＣＣＤカメラの受光量が低下することを利用して連続的に物体の表面凹凸等の欠陥を検出することが可能となる。しかしながら、この方法では、緩やかな凹凸やラインＣＣＤカメラのスキャン方向に垂直な縦長の凹凸欠陥では受光量がほとんど変化せず、欠陥部を検出できないという問題があった。
【０００３】
板状物体の表面形状を簡便に、かつ精度良く評価する方法として特開平１１-１４８８１３号公報に記載された方法がある。この方法では、例えば明暗がチェッカーパターン状になっている面光源から被評価物体に光を投射し、被評価物体からの透過光または反射光をＣＣＤカメラ等の撮像素子で受光し、受光に基づく電気信号を処理して表面形状を評価する。被評価物体がまったく平坦であれば、受光に基づく電気信号から得られるパターンの明暗周期は変化することはない。被評価物体に表面変形があると、表面変形部分でパターンの明暗周期が変化する。このパターンの明暗周期のずれ量を測定することにより、精度良く表面形状を評価することが可能となる。ここで、明暗周期のずれ量は、被評価物体に照射されたパターンの明暗周期の１ピッチに対応したサイズの受光画像における領域の明暗を平均化し、平均化された信号の振幅の変動により測定される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記の装置では、明暗周期のずれ量のみを評価の対象としているため、被評価物体が全く平坦な場合のずれ量をゼロとするためには、パターンの明暗周期の１ピッチに対応したサイズの受光画像における領域が、撮像素子の最小受光単位（画素サイズ）の整数倍に対応するように、極めて精度良く調整する必要があるという問題がある。
【０００５】
また、従来から、パターンのコントラスト変化を検出する装置もあるが、このような装置では、正常部でのコントラストが最大になるようにセッティングされていることから、緩やかな表面凹凸ではコントラストがほとんど変化せず、表面凹凸を検出できないという問題がある。
本発明の目的は、こうした従来の装置の問題点を解決し、光学系を精度よくセッティングしなくても、極めて精度良く被検査物体の表面凹凸を検出可能な装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明による欠陥検出装置は、
周期的な明暗ストライプパターンを被検査物体に照射する照明手段と、前記被検査物体を反射したパターンまたは透過したパターンを撮像する撮像手段と、前記撮像手段におけるストライプパターンの明暗画像のコントラスト変化に基づいて前記被検査物体の欠陥を検出する検出手段と、を備える欠陥検出装置において、
前記検出手段は、コンパレータ、及び画像膨張回路を備えることを特徴とする。
前記検出手段は、更に、第２のコンパレータ、及び画像収縮回路を備えてもよい。
【０００７】
本発明による欠陥検出方法は、照明装置から周期的な明暗ストライプパターンを被検査物体に照射し、撮像装置が有するレンズの焦点を、前記照明装置のストライプパターンの位置と比較して遠方あるいは手前の位置にずらし、前記被検査物体を反射したパターンまたは透過したパターンを前記撮像装置により撮像し、撮像したストライプパターンのコントラスト変化を表す画像信号に基づいて、前記被検査物体の凹凸を検出する、ステップを備える。
【０００８】
また、前記撮像手段が有するレンズの焦点をずらすステップは、前記被検査物体が正常な場合の前記撮像手段における明暗ストライプパターンのコントラストが、前記照明手段のストライプパターンの位置に合わせた場合と比較して１／４〜３／４になるように、前記照明手段のストライプパターンの位置の遠方あるいは手前にずらしてもよい。
【０００９】
また、前記被検査物体の凹凸を検出するステップは、前記画像信号を第１の基準電圧と比較し、前記画像信号が前記第１の基準電圧より大きい部分を二値の一方の値に設定し、前記一方の値の部分を所定の距離だけ横方向に拡大処理し、拡大処理後に前記一方の値をとる部分を凸部又は凹み部と検出しても良い。
また、前記被検査物体の凹凸を検出するステップは、前記画像信号を第２の基準電圧と比較し、前記画像信号が前記第２の基準電圧より大きい部分を二値の一方の値に設定し、前記一方の値の部分を所定の距離だけ横方向に縮小処理し、縮小処理後に前記一方の値をとる部分を凸部又は凹み部と検出しても良い。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面によって説明する。
図１は本発明による欠陥検出装置の一構成例を示す構成図である。
［照明手段］
照明装置１は、周期的な明暗ストライプパターンを有する光を被検査物体に照射するための装置であり、一般的に使用される蛍光灯等の光源に、透明部と不透明部とからなるストライプパターン１１を施した前面カバーを用いる。透明／不透明のストライプパターンの周期は、検出したい凹凸欠陥や光学歪欠陥のサイズより小さくすることが望ましい。
【００１１】
［被検査物体］
被検査物体２は、金属板、樹脂板、ガラス板等の鏡面性または透過性を有する平面を持つ物体である。図１に示すのは反射方式であり、照明装置１により照射された明暗ストライプパターンを有する光は、被検査物体２の表面に２１で示す線状に投影される。被検査物体２の表面で反射した光を撮像装置３で検出する。被検査物体２を矢印Ａで示す方向に連続的に移動させながら、表面凹凸を検出することが出来る。
また、透明体の場合は被検査物体を透過して映し出されるストライプパターンを撮像する透過方式により、表面凹凸を検出することができる（図示せず）。また、例えば、一面側が非常に微細なマット加工を施してある透明樹脂シートの場合、透過方式では鏡面側の凹凸欠陥が検出できないので、鏡面側の凹凸欠陥を反射方式で検査する場合もある。
【００１２】
［撮像手段］
被検査物体２で反射した明暗ストライプパターンは撮像装置３により受光され画像信号に変換される。撮像装置３としては、一般的にＣＣＤカメラが使用され、特に被検査物体２が一方向に移動する場合には一次元ＣＣＤカメラが使用される。
撮像装置３では、結像レンズ３１により、被検査物体２の表面で反射した明暗ストライプパターンをＣＣＤ素子３２に結像する。ＣＣＤ素子３２に結像された明暗ストライプパターンの１周期は、ＣＣＤ素子の最小受光単位（画素サイズ）の８倍以上であることが望ましい。
【００１３】
図２は、上の図は透明／不透明ストライプパターン１１、中間の図は被検査物体２の断面を表す。図２の下の図は、被検査物体２の表面で反射した光を撮像装置３で検出し、撮像装置３から出力される画像信号を表した図である。ここで、横軸は被検査物体２表面上の線２１上の位置を表す。縦軸は画像信号の電圧を表す。被検査物体が全く平坦な場合には、図２に示すように、ストライプパターン１１に対応した一定周期のパターンが得られる。ａは、撮像手段から得られる画像信号の最大電圧、ｂは最小電圧である。撮像装置から得られる画像信号が図２のようになった場合、画像信号のコントラストを、（ａ−ｂ）／（ａ＋ｂ）と定義する。
【００１４】
（１）最もコントラストが大きくなるのは、結像レンズ３１の焦点を照明装置１のストライプパターンの位置に合わせた場合である。このとき、撮像装置から得られる画像信号を図３に示す。この場合、被検査物体２の平面が全く平坦な場合にコントラストが最大になるので、被検査物体２に凹凸欠陥があった場合、明暗ストライプパターンの周期変化は起こるが、これ以上コントラストが大きくなることはない。
【００１５】
（２）図４は、結像レンズ３１の焦点を照明装置１のストライプパターンの位置と比較して手前にずらし、結像レンズ３１の焦点を照明装置１のストライプパターンの位置に合わせた場合と比較して、コントラストが１／２になるような位置に結像レンズ３１を置いた場合を表す。図２、３と同様に、上の図はストライプパターン１１、中間の図は被検査物体２の断面を表す。図４（ａ）の下の図は、被検査物体２表面が平坦な場合において、撮像装置から得られる画像信号を示す。画像信号は一定の周期と振幅で変化することが分かる。
図４（ｂ）に、被検査物体２に凹凸がある場合に撮像装置から得られる画像信号を示す。この場合、被検査物体２の凹み部２３において、画像信号は、５１で示すように明暗周期が長くなりコントラストが低下する。また、凸部２４において、画像信号は、５２で示すように明暗周期が短くなりコントラストが大きくなる。
【００１６】
（３）図示しないが、逆に、結像レンズ３１の焦点を照明装置１のストライプパターン１１の位置と比較して遠方にずらし、結像レンズ３１の焦点を照明装置１のストライプパターン１１の位置に合わせた場合と比較して、コントラストが１／２になるような位置に結像レンズ３１を置いた場合には、被検査物体２に凹み部２３があると、明暗周期は長くなりコントラストは大きくなる。また、凸部２４では明暗周期が短くなりコントラストは低下する。
【００１７】
つまり、焦点位置をずらし、正常状態でのコントラストを意識的に低下させておくことにより、凹み部と凸部の欠陥があると、コントラストが顕著に変化する。
ここでは、コントラストが１／２になるようにレンズの焦点位置をずらした場合を例にとったが、コントラストを丁度１／２にする必要はない。凹み部と凸部のどちらでもコントラスト変化を得るためには、コントラストが１／４〜３／４となる位置に焦点をずらすのが適当である。
【００１８】
［検出手段］
図５、図６、及び図７を用いて、処理装置４の一例を説明する。図５は、処理装置４の一構成例である。撮像装置からの画像信号S１は、コンパレータ４１に与えられる。コンパレータ４１では、基準電圧Ｖr1と入力信号とを比較する。ここに、基準電圧Ｖr1は、被検査物体２の平坦部ではＶr1を超えず、凹み部又は凸部でのみＶr1を超えるようなレベルに設定する。基準電圧Ｖr1より入力信号の電圧の方が高い部分を１、入力電圧の方が低い部分を０に２値化する。そして、その位置情報をコンパレータ信号Ｓ４１として出力する。
図６は、ストライプパターン１１を通り、凹み部２３と凸部２４を有する被検査物体２で反射した光を処理装置４により処理した信号を表す。図６（ａ）は、撮像装置３から得られる画像信号Ｓ１を表す。Ｖr1を図６（ａ）に示すような電圧レベルにセットした場合、凸部２４に対応する画像信号５２に対応する部分のみがＶr1を超えるので１にセットされる。その結果、コンパレータ４１から図６（ｂ）に示すようなコンパレータ信号Ｓ４１が出力される。
【００１９】
次に、コンパレータ信号Ｓ４１は画像膨張回路４２に入力される。画像膨張回路４２では、入力されたコンパレータ信号Ｓ４１を指定された幅だけ両側に膨張する。画像膨張回路４２から出力される位置信号Ｓ４２は、図６（ｃ）に示すようになる。例えば、明暗周期の３／４倍に相当する幅を指定すると、同一の凸部により生じた値が１の複数の部分５３は１つに結合されて、５４のようになる。画像膨張回路４２からの位置信号Ｓ４２は、凸部のみで１をとる。こうして、凸部が存在することを検出することが可能となる。
【００２０】
また、撮像装置からの画像信号S１は、コンパレータ４３にも与えられる。コンパレータ４３では、基準電圧Ｖr2と入力信号とを比較する。Ｖr2は、被検査物体２の平坦部ではＶr2より低くなる部分があるが、凹み部又は凸部でのみＶr2より低くなることがないようなレベルに設定する。基準電圧Ｖr2より入力信号の電圧の方が高い部分を１、入力電圧の方が低い部分を０に２値化して、コンパレータ信号Ｓ４３として出力する。Ｖr2を図７（ａ）に示すような電圧レベルにセットした場合、コンパレータ４３からのコンパレータ信号Ｓ４３は、図７（ｂ）に示すようになる。凹み部２３に対応する画像信号５１に対応する部分のみで、コンパレータ信号Ｓ４３は、広い範囲で１をとる。
【００２１】
次に、このコンパレータ信号Ｓ４３は画像収縮回路４４に入力される。画像収縮回路４３では、入力されたコンパレータ信号Ｓ４３を指定された幅だけ収縮して、位置信号Ｓ４４を出力する。例えば、明暗周期の３／４倍に相当する幅を指定すると、平坦部の位置信号Ｓ４４は全て０になり、凹み部の位置信号Ｓ４４だけが１として残る（図７（ｃ））。こうして、凹み部が存在することを検出することが可能となる。
このように、処理装置４では、凹み部２３、凸部２４を検出することが出来る。明暗画像のコントラスト変化が設定値以上になった場合に欠陥と判定する。
処理装置４の構成は、ここに記載した以外に多数考えられる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を説明する。
照明装置１としては、光源として約３０ｋＨｚの高周波点灯２０Ｗ蛍光灯を使用し、蛍光灯具のカバーガラスに透明／不透明周期８００μｍ（透明部４００μｍ、不透明部４００μｍ）のストライプパターン１１を施した物を使用した。
被検査物体２としては、厚み約２００μｍの透明樹脂シートを使用した。
撮像装置３としては、三菱レイヨン（株）製の５０００画素ラインＣＣＤカメラ（ＳＣＤ−５０００Ａ）を、結像レンズ３１には一眼レフ用の５０ｍｍマクロレンズを使用した。
【００２３】
そこで、本実施例では、反射照明方式で照明装置１と撮像装置３をセッティングし、被検査物体２である樹脂シートの鏡面側に存在する凹凸欠陥の検出を行った。
本実施例では、被検査物体２と明暗ストライプパターン１１との距離を５０ｍｍ、ラインＣＣＤカメラの結像位置と被検査物体２との距離を４１５ｍｍ、反射角度は検査物体の法線から２０度としてセッティングした。このセッティングでカメラの幅分解能は約５０μｍとなる。
【００２４】
この装置を使用して、直径約４ｍｍ、高さ約５０μｍの凸部２４、及び、直径約４ｍｍ、高さ約５０μｍの凹み部２３を撮像したときの画像波形を、図８〜図１０に示す。
図８は、明暗ストライプパターン１１と、凹み部２３、凸部２４を有する被検査物体２の断面図である。
図９は、明暗ストライプパターンの位置に焦点を合わせた場合の画像信号の波形である。凸部２４、凹み部２３においてわずかな周期変化が生じているが、コントラストに大きな変化は現れていない。
【００２５】
図１０は、焦点を明暗ストライプパターンの位置に合わせたときと比較して、正常部のコントラストが約１／２になるように、焦点を手前にずらした場合の画像信号Ｓ１の波形で、凹み部２３ではコントラストが低下し、凸部２４ではコントラストが大きくなっている。
図１０の画像について、しきい値Ｖr1、Ｖr2を設定し、Ｖr1より電圧の高いデータに関して、コンパレータ信号Ｓ４１を１にセットし、さらに１ｍｍの画像膨張を行って得られた位置信号Ｓ４２を図１１（ａ）に示す。また、Ｖr2より電圧の高いデータに関して、コンパレータ信号Ｓ４３を１にセットし、さらに１ｍｍの画像収縮を行った得られた位置信号Ｓ４４を図１１（ｂ）に示す。
画像膨張を行うことにより、凸部２４のみを検出することができ、また、画像収縮を行うことで、凹み部２３のみを検出することができた。
【００２６】
図１２は、焦点を明暗ストライプパターンの位置に合わせたときと比較して、正常部のコントラストが約１／２になるように、焦点を遠方にずらした場合の画像信号Ｓ１の波形である。焦点を近くにずらした場合とは逆に、凹み部２３ではコントラストが大きくなり、凸部２４ではコントラストが低下している。この画像信号により、凹み部と凸部を検出することも出来る。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、光学系を精度よくセッティングしなくても、極めて精度良く被検査物体の表面凹凸等の欠陥を検出することが出来る。
更に、凹み部と凸部ではコントラストが逆方向に変化するので、従来困難であった、凹み部と凸部の判別も可能となるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による欠陥検出装置の一構成例を示す構成図である。
【図２】コントラストの定義を示す説明図である。
【図３】焦点位置を明暗パターンに合わせた場合の一例を示す波形図である。
【図４】焦点位置を手前にずらした場合の一例を示す波形図である。（ａ）は、検査物体が正常な場合、（ｂ）は、検査物体に凹凸が存在した場合の一例を示す波形図である。
【図５】処理装置の一構成例を示すブロック図である。
【図６】処理装置の動作を示す説明図である。
【図７】処理装置の動作を示す説明図である。
【図８】本発明の一実施例によるストライプパターンと被検査物体の断面図である。
【図９】本発明の一実施例で得られた、焦点位置を明暗パターンに合わせた場合の波形図である。
【図１０】本発明の一実施例で得られた、焦点位置を手前にずらした場合の波形図である。
【図１１】本発明の一実施例で得られた、位置信号の波形図である。
【図１２】本発明の一実施例で得られた、焦点位置を遠方にずらした場合の波形図である。
【符号の説明】
１    照明装置
１１  ストライプパターン
２    被検査物体
２３  凹み部
２４  凸部
３    撮像装置
３１  結像レンズ
３２  ＣＣＤ素子
４    処理装置
４１  コンパレータ
４２  画像膨張回路
４３  コンパレータ
４４  画像収縮回路
【図１】
0004495327.tif 000002
【図２】
0004495327.tif 000003
【図３】
0004495327.tif 000004
【図４】
0004495327.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0004495327.tif 000008
【図８】
0004495327.tif 000009
【図９】
0004495327.tif 000010
【図１０】
0004495327.tif 000011
【図１１】
0004495327.tif 000012
【図１２】
0004495327.tif 000013