JP2000346629A - 表面検査装置及び表面検査方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】ペレット表面の欠け、粗度のより高精度な測定
・規格化。 【解決手段】線状光ビームを検査対象面上で走査し、そ
の検査面上に照射され形成される発光線を撮影して線状
像を形成し、その線状像の変位部位３３を検出して変位
部位３３が生じている変位領域を求めることにより、そ
の検査対象面上で規定される２次元座標系上で、検査対
象面の凹凸面領域を求め、検査対象面の濃度に基づいて
その凹凸面領域を拡大して、より厳密に欠け面積を計算
する。更に表面の動点の輝度変化を検出して、表面粗度
をパターン化し、そのパターンにより粗度を検出するこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、物体表面の欠け又
は粗度を高精度・高速に検出するための表面検査装置及
び表面検査方法に関し、特に、燃料ペレットのような円
柱形状物体の欠け又は粗度を高精度・高速に検出するた
めの表面検査装置及び表面検査方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料ペレットは、その表面の検査が重要
である。その表面検査は、特開平６−２９４７４５号又
は特開平６−５１０９１号に示されるように、線状光ビ
ームを検査対象物体表面に照射して、検査対象物体表面
上の線状光を撮影し、撮影された像の変位部分の折れ曲
がり部である変位部分を欠けが生じている表面部位に同
定する光学的無接触検査方法である。このような公知の
検査方法は、その線状像の検出のためにラインセンサ
（１次元）を用いている。欠けの部分に対応する像は、
そのラインセンサ上には現れないことを利用して、その
欠けの部位の位置判定を行っている。このような検査方
法によれば、欠けが浅い部位は、欠けの部位として検出
されないことになる。

【０００３】検出精度が高い検査方法の提供が望まれ
る。更に、その表面の粗度を高精度に検出することが欠
けの検出とともに行われることが更に望まれる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、表面
の欠けの領域を検出する精度が高い表面検査装置及び表
面検査方法を提供することにある。本発明の他の課題
は、表面粗度の測定技術を確立することができる表面検
査装置及び表面検査方法を提供することにある。本発明
の更に他の課題は、その表面の粗度の検出をその表面の
欠けの高精度の検出とともに行ことができる表面検査装
置及び表面検査方法を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】その課題を解決するため
の手段が、下記のように表現される。その表現中の請求
項対応の技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号
等が添記されている。その番号、記号等は、請求項対応
の技術的事項と実施の複数・形態のうちの少なくとも１
つの形態の技術的事項との一致・対応関係を明白にして
いるが、その請求項対応の技術的事項が実施の形態の技
術的事項に限定されることを示すためのものではない。

【０００６】本発明による表面検査方法は、線状光ビー
ムを検査対象面上で走査すること、その検査面上に照射
され形成される発光線を撮影して線状像を形成するこ
と、その線状像の変位部位を検出して変位部位（３３）
が生じている変位領域を求めることにより、その検査対
象面上で規定される２次元座標系上で、検査対象面の凹
凸面領域を求めること、検査対象面の濃度に基づいてそ
の凹凸面領域を拡大することとからなる。走査は、検査
対象物体の回転で行うことが機構上有利である。変位部
位の検出は設定される閾値を基準として行われる。変位
領域の面積の測定の誤差は、その面積領域を囲む領域の
濃度の測定によりより厳密に補完修正される。

【０００７】検査対象面は、平面に限られず円筒面のよ
うな立体面であり得る。立体面は、予めその面の座標が
確定されている。それが立体面であるとき、平面に展開
された検査対象面上で測定される幅が狭い微小矩形は、
近似的に平面として扱うことができる。

【０００８】面積の拡大補正は、凹凸面領域から概ね放
射方向に外側に向かう線上で濃度を検出することが計算
上合理的である。その放射方向の放射線は１点を共有す
る必要はない。その放射線は、概ねの中心領域の任意の
点から適当に放射する線でよい。

【０００９】本発明による表面検査装置は、線状光ビー
ムを検査対象面上で走査するための走査装置（１）と、
２次元面画素から形成され検査面上に照射され形成され
る発光線を撮影して線状像を形成するためのカメラ
（４）と、その線状像の変位部位（３３）を検出して変
位部位（３３）が生じている変位領域を求めることによ
り、検査対象面上で規定される２次元座標系上で、検査
対象面の凹凸面領域を求めるための第１計算機（９）
と、検査対象面の濃度に基づいて凹凸面領域（３４）を
拡大（３９）するための第２計算機とからなる。凹凸の
検出と周囲の濃度とから、より厳密な凹凸面の面積が計
算され得る。

【００１０】本発明による表面検査方法は、回転する回
転面上の特定点の拡散光強度を時系列で測定することに
より表面粗度を判定する。その特定点は複数であり、各
点に関して得た時系列の拡散光の輝度パターンを統計処
理することにより表面全体の粗度を判定することができ
る。

【００１１】そのための装置は、検査対象物体（２）を
回転させるための回転装置（１）と、検査対象物体
（２）の検査対象面に光を拡散させて照射するための光
源（２０）と、回転する検査対象面を空間的には２次元
的に時間的には間欠的に時空３次元画像（４１−ｎ）を
撮影するためのカメラ（４）とからなり、カメラ（４）
は２次元面上の画素から形成され、更に、カメラ（４）
により撮影された多数の画像から検査対象面上の回転に
対応する動点（４３−ｓ）の輝度の変化を計算するため
の計算機と、その輝度の変化の検出パターン（４５）か
らその表面の粗度を判定するための判定器とからなる。

【００１２】回転装置（１）、カメラ（４）、画像メモ
リ（１１）に連動する計算機は、既述の表面凹凸領域を
求める表面検査方法に用いられる機器が共用され、欠け
部分の検出とほぼ同時的に表面粗度の測定が可能でる。
動点の輝度変化の標本パターンと粗度とを対応させるた
めのパターン・テーブルの策定により、表面粗度の規格
化を行うことができる。

【００１３】その動点は、回転の中心線に直交する平面
と検査対象面とが交叉する線上で移動する（円柱状の立
体が定速回転する場合、螺旋運動する）動点として規定
することができる。計算機は、回転の中心線に直交する
平面と検査対象面とが交叉する線上で移動するその動点
の移動位置を第１座標とし回転の角度を第２座標とする
時空座標系上の時空座標系画像に時空３次元画像を写像
するための写像計算機である。時空座標系画像上の螺旋
線上で移動するその動点の輝度を計算するための輝度計
算機が備えられる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図に一致対応して、本発明による
表面検査装置の実施の形態は、回転台がレーザスリット
光源とともに設けられている。その回転台１は、図１に
示されるように、１軸回転するステージである。回転台
１上に、検査対象物体２が載せられる。検査対象物体２
は、燃料ペレットとして示されている。その燃料ペレッ
トは、円柱体である。検査対象物体２の中心線は、回転
台１の回転軸心線に一致している。

【００１５】そのレーザー・スリット光源１０は、線状
ビーム３を生成することができる慣用手段であり、線状
スリットとシリンドリカルレンズで形成され得る。線状
ビーム３は、特に、検査対象物体２の表面で集光され、
第２発光源となる線状発光線が検査対象物体２の表面に
形成される。線状ビーム３が検査対象物体２に照射され
て検査対象物体２に形成される線状発光線が回転台１の
回転軸心線に平行であることは、後述する計算を簡略す
ることができる。このように線状ビーム３は、検査対象
物体２が回転することにより走査されて、検査対象物体
２に照射される。

【００１６】その線状発光線を含む面と異なる面上に光
軸を持つカメラ４が設けられている。カメラ４は、その
撮像面に２次元座標を持つＣＣＤ画素が形成されてい
る。カメラ４は、画像メモリ６に接続している。画像メ
モリ６は、図２に示されるように、多数の２次元画像を
記録する。多数の２次元画像から形成される２次元画像
群７は、空間的には２次元画像の集合であり、時間的に
は１次元画像であって３次元画像である。

【００１７】各２次元画像は、カメラの撮像面の同一座
標系の同一領域に形成される。その領域の中で、カメラ
４に向いている検査対象面のうちでカメラ４に対して近
似的に平面になる微小２次元領域の２次元画像部分が、
時間方向に間欠的に側面変位画像８−ｎとして側面変位
画像生成部９により生成される。図１に示されるよう
に、側面変位画像生成部９は画像メモリ６に接続してい
る。

【００１８】画像メモリ６に接続する側面展開画像生成
部１１は、２次元画像群７のそれぞれの側面変位画像８
−ｎを時間順に対応させ空間的に連続的に並べかえて、
側面展開画像１２を生成する。側面展開画像１２は、検
査対象物体２の周面に一致し、隣り合う側面変位画像８
−ｎの任意の２つが部分的に重なりあっていることはな
い。

【００１９】図１に示されるように、更に、拡散光を生
成する拡散光源２０がレーザー・スリット光源１０とは
別に設けられている。拡散光源２０は、拡散光源２０に
対向する検査対象物体２の全表面、特に、側面変位画像
８−ｎの座標領域に対応する検査対象物体２の微小領域
に均等密度で拡散光を照射する。図２に示される側面展
開画像生成部１１の側面変位画像８−ｎには、既述の微
小領域で反射する平面状像が線状像に重なり合ってい
る。

【００２０】図３は、線状像が変位する原理を示してい
る。検査対象物体の微小領域に凹凸面３１があると、カ
メラの光軸と線状ビームの光軸とが一致していない場
合、線状ビームが直線であれば、線状像は折線３２にな
り一部は変位部分３３として結像することになる。この
変位部分３３は、検査対象物体の表面に凹凸面が存在す
ることを意味する。変位の大きさは、凹凸面の高さ（図
２に示されるカメラ配置では、検査対象物体２の半径方
向高さ）に対応する幾何学的量である。

【００２１】図４は、その高さの検出の不正確さを解析
している。凹凸面が複雑に形成され、線状像が複屈折し
ている場合、閾値高さを越える変位部分３４のみの欠け
領域３８が検出され、閾値に達しない変位部分３５，３
７は検出されない。変位部分３５，３７が検出されない
分だけ、欠けの範囲３９は少なく検出される。

【００２２】図５は、その不正確さを修正する方法を示
している。検出された欠け領域３４は、点線で示されて
いる。欠け領域３４の概ねの中心Ｏから放射する何本か
の放射線上で、側面展開画像生成部１１で表現されてい
る光強度に関する濃度が計測され、その濃度の微分から
その濃度が急に変化する点が計算により求められる。こ
のように求められた何点かの変化点を接続する線分によ
り、真の欠け領域３９が確定される。このような欠け領
域の面積を計算する計算部４０が、図１に示されように
設けられている。欠け領域３８に対して真の欠け領域３
９は、図５で矢印により示されるように、拡張・膨張す
ることになる。

【００２３】図６は、本発明による表面検査方法の実施
の形態を示している。既述の装置系の回転台１とカメラ
４と画像メモリ１１とは、欠け領域の大きさを測定する
ためだけでなく、その検査対象物体２の表面粗さを測定
するためにも共用され得る。表面粗さの測定のために
は、レーザー・スリット光源１０に代えて、拡散光源２
０のみが用いられる。カメラ４は、カメラ４が回転する
検査対象物体２に対向する対向面を時間軸上で間欠的に
撮影する。図６（Ａ）に示されるように、時系列上で、
その対向面の画像４１−ｎが形成される。取得画像４１
−ｎは、空間的にはＸ−Ｙ２次元であり、時間的には１
次元である３次元画像である。取得画像４１−ｎには、
図２に示される側面変位画像８と異なり、レーザービー
ムの線像は現れていない。

【００２４】図６（Ｂ）に示されるように、Ｘ軸方向
（周方向）に同じ位置の細い矩形領域４２−ｎが取得画
像４１−ｎから切り出され、横軸が角度（０度〜３６０
度）であり縦軸がＹ軸方向（周方向）座標である微小矩
形領域４２−ｎが並べられたグラフ４２が形成される。
微小矩形領域４２−ｎの全ては、検査対象物体２の軸方
向の高さが同じである。

【００２５】検査対象物体２は一定角速度で回転し、グ
ラフ４２は同一時間間隔でカメラ４により撮影されたも
のであるとする。その同じ高さ位置の帯領域の中央線に
ある任意の点は、グラフ４２上では、１本の螺旋線４３
−ｓ上で運動する動点である。その動点は、回転の中心
線に直交する平面と検査対象面とが交叉する線上で移動
する動点であるその動点の軌跡上で、光強度が測定され
る。検査対象物体２とカメラ４との位置関係により、螺
旋線４３−ｓは複数本が存在する。螺旋線４３−ｓ上の
動点の輝度変化曲線４４−ｓは、図６（Ｃ）に示される
ように、ｓ本である。そのｓ本について、標準偏差計算
が標準偏差計算機により実行される。標準偏差計算後の
１本の輝度変化曲線４５が、図６（Ｄ）に示されてい
る。

【００２６】輝度変化曲線４５のパターンは、検査対象
物体２の表面粗さに対応する。このパターンは、検査対
象物体２の表面粗さに依存する拡散角度を変数とする拡
散光強度の関数である。この関数形のパターンは、表面
粗さに対応する。予め分かっている表面粗さの標本と拡
散光強度関数形の対応表を用意しておき、計測されたパ
ターンと標本パターンとの対比を行う。このような対比
を行って、検査対象物体２の表面粗さを確定することが
できる判定器（図示されず）が設けられている。

【００２７】その判定器には、動点の輝度変化の標本パ
ターンと粗度とを対応させるためのテーブル（対応表）
が附属している。更に、回転の中心線に直交する平面と
前記検査対象面とが交叉する線上で移動する動点の移動
位置を第１座標とし回転の角度を第２座標とする時空座
標系上の時空座標系画像に時空３次元画像を写像するた
めの写像計算機（図示せず）が設けられている。

【００２８】更に、時空座標系画像上の螺旋線上で移動
する動点の輝度を計算するための輝度計算機（図示され
ず）が備えられている。このような写像計算機と輝度計
算機と既述の標準偏差計算機とにより、順次に、図６
（Ｂ）のグラフ４２が作成され、図６（Ｃ）の複数輝度
変化曲線が作成され、図６（Ｄ）の平均輝度変化曲線
（パターン）が作成される。なお、欠け部分を動点が通
る場合、欠け部分の拡散反射光は、表面粗さを忠実に表
していない。欠け部分を動点が通る輝度変化曲線は、他
の輝度変化曲線に対してそのパターンが大幅に異なる。
そのようなパターンは、平均輝度変化を計算する際に除
外することが好ましい。

【００２９】レーザー光を用いて正反射光を検出するこ
とにより巨視的粗度である欠けの面積を測定し、拡散光
を光源として検査対象物体の表面から拡散反射（乱反
射）する拡散反射光を検出することにより大域的粗度で
ある表面粗さを測定する。

【００３０】

【発明の効果】本発明による表面検査方法と表面検査装
置は、欠けの存在領域の面積が濃度検出により厳密に補
正されて計算され得る。表面粗度の検査方法が確立され
る。更に、欠けの局所的検出だけでなく、表面粗度の大
帯域的検出が共用される機器により検出され得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明による表面検査装置の実施の形
態を示す回路ブロック付射軸投影図である。

【図２】図２は、本発明による表面検査方法の実施の形
態を示す射軸投影図である。

【図３】図３は、本発明による表面検査方法の実施の基
本形態を示す射軸投影図である。

【図４】図４は、本発明による表面検査方法の検出の実
施の他の形態を示すグラフである。

【図５】図５は、本発明による表面検査方法の実施の他
の基本形態を示す正面展開図である。

【図６】図６は、本発明による粗度に関する表面検査方
法の実施の形態を示す射軸投影図である。

【符号の説明】

１…走査装置 ２…検査対象物体 ４…カメラ ９…第１計算機 １１…画像メモリ ２０…（拡散）光源 ３３…変位部位 ３３…変位部位 ３４…凹凸面領域 ３９…拡大領域 ４１−ｎ…時空３次元画像 ４３−ｓ…動点（の軌跡）又は螺旋軌道 ４５…検出パターン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 村上 和夫 兵庫県神戸市兵庫区和田崎町一丁目１番１ 号 三菱重工業株式会社神戸造船所内 Ｆターム(参考） 2F065 AA22 AA49 AA50 AA52 AA58 BB06 CC00 EE00 FF01 FF02 FF09 FF42 FF61 GG04 HH05 HH12 JJ03 JJ09 JJ26 LL08 MM04 PP13 QQ03 QQ17 QQ23 QQ24 QQ25 QQ41 QQ42

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】線状光ビームを検査対象面上で走査するこ
   と、 前記検査面上に照射され形成される発光線を撮影して線
   状像を形成すること、 前記線状像の変位部位を検出して前記変位部位が生じて
   いる変位領域を求めることにより、前記検査対象面上で
   規定される２次元座標系上で、前記検査対象面の凹凸面
   領域を求めること、 前記検査対象面の濃度に基づいて前記凹凸面領域を拡大
   することとからなる表面検査方法。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記検査対象面は立体面であり、 前記濃度は、前記検査対象面の平面展開に基づく表面検
   査方法。
3. 【請求項３】請求項２において、 前記検査対象面は円筒面であり前記２次元座標系は円筒
   座標系である表面検査方法。
4. 【請求項４】請求項１において、 前記変位部位の検出は設定される閾値を基準とする検出
   である表面検査方法。
5. 【請求項５】請求項４において、 前記拡大することは、前記凹凸面領域から概ね放射方向
   に外側に向かう線上で前記濃度を検出することにより行
   われる表面検査方法。
6. 【請求項６】線状光ビームを検査対象面上で走査するた
   めの走査装置と、 ２次元面画素から形成され前記検査面上に照射され形成
   される発光線を撮影して線状像を形成するためのカメラ
   と、 前記線状像の変位部位を検出して前記変位部位が生じて
   いる変位領域を求めることにより、前記検査対象面上で
   規定される２次元座標系上で、前記検査対象面の凹凸面
   領域を求めるための第１計算機と、 前記検査対象面の濃度に基づいて前記凹凸面領域を拡大
   するための第２計算機とからなる表面検査装置。
7. 【請求項７】検査対象物体を回転させるための回転装置
   と、 前記検査対象物体の検査対象面に光を拡散させて照射す
   るための光源と、 回転する前記検査対象面を空間的には２次元的に時間的
   には間欠的に時空３次元画像を撮影するためのカメラと
   からなり、 前記カメラは２次元面上の画素から形成され、更に、 前記カメラにより撮影された多数の画像から前記検査対
   象面上の前記回転に対応する動点の輝度の変化を計算す
   るための計算機と、 前記輝度の変化の検出パターンから前記表面の粗度を判
   定するための判定器とからなる表面検査装置。
8. 【請求項８】請求項７において、更に、 動点の輝度変化の標本パターンと粗度とを対応させるた
   めのテーブルからなる表面検査装置。
9. 【請求項９】請求項７において、 前記動点は、前記回転の中心線に直交する平面と前記検
   査対象面とが交叉する線上で移動する動点である表面検
   査装置。
10. 【請求項１０】請求項７において、 前記計算機は、 前記回転の中心線に直交する平面と前記検査対象面とが
    交叉する線上で移動する前記動点の移動位置を第１座標
    とし前記回転の角度を第２座標とする時空座標系上の時
    空座標系画像に前記時空３次元画像を写像するための写
    像計算機と、 前記時空座標系画像上の螺旋線上で移動する前記動点の
    輝度を計算するための輝度計算機とを備える表面検査装
    置。
11. 【請求項１１】回転面の特定点の拡散光強度を時系列で
    測定することにより表面粗度を判定する表面検査方法。
12. 【請求項１２】請求項１１において、 前記特定点は複数であり、各点に関して得た前記時系列
    の輝度パターンを統計処理することにより表面全体の粗
    度を判定する表面検査装置。